Думаю, что из школьного курса естественных наук вы помните, как ваш преподаватель когда-то говорил фразу «долгое время люди думали, что атом – самая мельчайшая штука». В самом деле, было бы все так просто. И тут вы опять вспоминаете школьные уроки, откуда вы узнали, что атом, в свою очередь, делится на что-то более мелкое: на ядро, состоящее из протонов и нейтронов, и электронов, носящихся вокруг ядра.
Вопрос о том, насколько долго можно делить все на мельчайшие частички, мучал физиков. Те частицы, которые должны стать «конечными», неделимыми, назвали элементарными частицами. С одной из них вы точно знакомы – это наш старина электрончик.
Для того, чтобы начать исследовать элементарные частицы (и впоследствии, открывать их) нужно было придумать какую-нибудь штуку. И такую штуку мы действительно придумали, и даже построили, и имя ей Большой Адронный Коллайдер (или «ускоритель частиц»). Для нас с вами, по-дружески, он просто БАК. Вообще, вокруг БАКа вертелись и вертятся всякие теории заговоров, мол, в нем сумасшедшие ученые создают черную дыру, которая уничтожит нас всех, да и если так подумать, ученые на то и ученые, чтобы делать свои какие-то странные научные делишки, и мы им не доверяем. Ну, если так прикинуть, то БАК действительно походит на какую-то адскую машину: это гигантское подземное кольцо окружностью в 26 659м (для понятности: четырежды пересекает франко-швейцарскую границу), и «бачок» (простите за неформальность! Это я от большой любви) можно считать огромной гоночной трассой для частиц, которые разгоняются там до 99,999999% скорости света (без шуток: ничто не способно двигаться быстрее скорости света, но зато к ней можно бесконечно приближаться), а затем «БАХ!» - и врезаются друг в друга. Общественности кажется, что в результате этих столкновений ученые когда-нибудь столкнут не частицы, а нас с каким-нибудь лютым кошмаром, который обречет человечество на полный коллапс. Но вы не подумайте – БАК пусть и так страшно выглядит, но сердце у него доброе.
У вас дома наверняка когда-нибудь стоял телевизор старого образца – ящичек такой, - по сути, он представляет собой простенький ускоритель частиц. Эти «ящички» ускоряли электроны в электронно-лучевых трубках, а позиция луча и дарила нам забавные двигающиеся картинки, которые складывались во всякие там «модные приговоры» и телесериалы. Надеюсь, теперь вас не пугает такое словосочетание, как ускоритель частиц.
Так зачем же построили БАК?
Давайте со вступления. Для многих из вас физика – это просто набор формул, скучный и странный (но если бы физика действительно была бы нелогичной, то она бы называлась гражданским правом, и если бы физика состояла бы только из очень сложных правил и «взрывов мозга», то она бы называлась бухгалтерским учетом). Перестаньте, в самом деле. Расслабьтесь. Давайте представим, что физика – это игра (моя мама очень любит фразу «вся жизнь – это игра». А я, как очень серьезный человек, редко эту фразу использую, а вот тут момент настал. Привет, мам!), вроде тенниса или бадминтона. Согласитесь, что эти две игры чем-то похожи друг на друга: в них мы имеем двух и более игроков, ракетками перебрасываем мячик/воланчик через сетку, а главная цель игры – заставить соперника промахнуться и не отбить мячик/воланчик. Ну и просто хорошо провести время.
Для того, чтобы играть, нам нужно выяснить, каковы же правила, чем играть, и кто, собственно, будет играть. И мы все еще говорим о физике, поэтому, благодаря исследованиям физиков, мы получаем:
1) В роли игроков – набор элементарных частиц.
2) В какую игру играть – существуют четыре силы (четыре игры), каждая из которых по правилам чем-то похожа на другую. Тем не менее, не все игроки могут играть во все игры. Это не дискриминация. Это жизнь.
Набор игроков (частиц) и набор правил игр называют «стандартной моделью» - именно о ней мы сегодня говорим, и именно она создана для описания того, из чего создана Вселенная.
Давайте снова к атомам. Когда-то Эрнест Резерфорд обнаружил ма-алюсенькую крупинку в центре атома. Ну а раз в центре, то значит – ядро! Так как я сказала про его малюсенький размер, то должна привести эти размеры в числа: размер ядра составляет 0, 000 000 000 000 001 от размера атома. Ну а так как воображению сложно соотнести такие размеры с жизнью, то я сделаю это за него: это примерно то же самое, если мы берем в сравнение ваш дом и всю Землю. Тем не менее, ядро – массивная и очаровательная пышка. На него приходится 99,95 массы всего атома (теперь вы понимаете, почему физики говорят, что мы состоим в основном из пустоты) Но, каким бы не было маленькое ядро, мы все еще можем продолжать его делить: это вы тоже знаете. Протоны и нейтроны – вот его слагаемые (общее имя для них: адроны. Это плавный намек на то, зачем нужен БАК – вспомните его полное название, Большой Адронный Коллайдер), а еще есть электрон, и вы это помните, как и то, что электрон в свою очередь ни на что поделить нельзя, он – элементарная частица. Ой, я забыла, что вы у меня умнюшки: вы еще помните, что электрон заряжен отрицательно, протоны положительно, а нейтроны нейтрально. И так как в каждом атоме количество протонов равно числу электронов, плюсы и минусы уравновешиваются, и мы получаем, что атом электрически нейтрален. Вселенная состоит из атомов, поэтому и она тоже – электрически нейтральна. Совсем не агрессивна (ну, может, совсем немножко!) А еще, электрический заряд не создается и не уничтожается. Это первый основной закон для всех фундаментальных сил (для наших игр).
Теперь вы знаете (или вспомнили), из чего состоит материя. Столько же, сколько и много лет назад – но мы то современные, поэтому собираемся копнуть глубже. Мы с физиками хотим разобраться, что происходит на самых глубоких уровнях, и это причина, почему нам нужно выбивать из вышеупомянутых частиц все, что только возможно – а для этого нам нужен БАК. Ведь если стукнуть посильнее, можно получить всякие приколюхи и интересности. Кстати, запомните второй закон для наших игр: энергия не создается и не уничтожается.
И теперь уже про саму стандартную модель. Только давайте договоримся: нам предстоит еще многое открыть, модель еще неполная. Но, думаю, интерес к ней у вас от этого только возрастет.
Помните, что БАК служит нам ускорителем частичек, которые мы разгоняем до околосветовой скорости и сталкиваем их между собой? Когда ученые стали сталкивать между собой адроны (я напомню: протоны и нейтроны. + сталкивали так же электроны), они обнаружили, что в результате образовывались совершенно новые частицы, которые никак не могли входить в состав двух изначальных…Да, Вселенная настолько удивительна! Энергия порождает новые частицы! Вдобавок, мы получали новые частицы посредством наблюдения за космическими лучами (ну, логично, что они приходят к нам из космоса). В конце концов, частиц стало настолько много, что ученые решились их классифицировать для понимания всего происходящего.
Так что же с адронами, нашими протончиками и нейтрончиками? Оказалось, что их нельзя считать элементарными частицами, они состоят из еще каких-то более мелких крупинок. Эти крупинки получили название кварков, и именно они и являются элементарными частицами. К слову, все разнообразие частичек стало можно описать благодаря разным комбинациям кварков внутри них. Все не так уж и муторно, как казалось бы.
Первоначально физики ввели три кварка: u (up) – верхний кварк, d (down) – нижний кварк, и s (strange) – странный кварк (на самом деле, в нем нет ничего странного. Просто физики – те еще шутники) Еще три вида кварков были предсказаны, впоследствии отрыты, и они получили еще более интересные названия: c (charmed) – очарованный кварк, t (truth) – истинный кварк, и b (beauty или bottom) – прелестный кварк. Ну и кто после этого скажет, что физики - скучные ребята?
Выяснилось, что кварки делятся на три поколения, которые ничем друг от друга не отличаются, разве что массой частиц.
Примечательно то, что все вещество во Вселенной состоит только из верхних и нижних кварков (первое поколение), а остальные мы можем получить только искусственно, то бишь, в лабораториях. Зачем природе понадобились остальные кварки, ответа до сих пор нет: тем не менее, они существуют. Впрочем, учитывая неугомонность ученых и загадочность нашего мира, можно предположить, что когда-нибудь мы с вами узнаем и о четвертом с пятым поколениях кварков.
Так же, в стандартной модели частиц существуют еще и так называемые лептоны: их всего шесть штук (как и кварков – три пары). Первая пара – электрон и электронное нейтрино, вторая – мюон и мюонное нейтрино, третья – тау-лептон и тау-нейтрино. И если кварки не покидают пределы других частиц, которые они образуют, то их братья-лептоны свободно шатаются по Вселенной. Сильные и независимые ребята.
Если мы объединим наших братцев, то мы составим из них группу кварков и лептонов, которую мы назовем фермионами – именно они создают всю материю вокруг нас и внутри нас. Какие славные, правда?
Но фермионы не смогли бы собраться в более крупные структуры без своеобразных помощников. Для наших игр нам нужен мячик/воланчик (скоро и к самим играм перейдем, не волнуйтесь) – согласитесь, без них все наши действия будут не более, чем конвульсивные размахивания ракеткой из стороны в сторону. То же самое с частицами. Положи два электрона на стол, они так и будут лежать – ведь взаимодействуют они только через электромагнитное (или слабое, или гравитационное) поле, а без него они попросту друг друга не увидят. Но нам же нужен экшн – мы не полежать пришли, нам подавай хлеба и зрелищ. Чтобы наши электроны начали хоть как-то взаимодействовать между собой, нам нужно послать им частицу-почтальона, этакого переносчика взаимодействия. Два электрона благодаря нему начинают посылать друг другу письма, ругаясь друг на друга, словно: «слышь, я вообще-то тут, так что катись отсюда! Ты что, берега попутал? Не в тот район забрел!» (ну вы же помните, что одни и те же заряды отталкиваются – и только противоположности притягиваются)
Когда мы говорим о электромагнитном взаимодействии, то переносчиком сия действия является фотон (именно это действие отвечает за распространения света). Переносчиками слабого взаимодействия являются w-бозоны и z-бозоны (с их помощью фермионы перекидываются массой и энергией). Сильное взаимодействие происходит благодаря глюонам (с помощью них атомы и их ядра не распадаются – об этом вы узнаете позже) Чувствуете, что-то незнакомое? Да, мы подобрались к тем самым играм! (а сейчас обсуждали мячи, которыми будем играть – переносчиков взаимодействия)
Самое главное – чтобы у переносчиков не было массы, ведь они должны двигаться со скоростью света. Нет массы – нет препятствия для развития скорости. Вообще никаких проблем, ничего не мешает! (Но не для нас с вами. Сходите покушайте)
Игра 1: Гравитация
Конечно, мы знали о силе притяжения еще до ее «открывателя» Ньютона, но именно он с помощью простого набора уравнений описал и падение яблока, и орбиту Луны, и пути планет. Закон всемирного тяготения необычайно прост – но он описал колоссальное количество явлений. Звучит так же просто: все предметы во Вселенной притягивают друг друга, и чем дальше они друг от друга находятся, тем слабее это притяжение, ака гравитация.
Я уже проводила ассоциации с бадминтоном и теннисом. Если мы говорим об игре в гравитацию, то она скорее похожа на бадминтон. В нее играют на большом поле, то есть, во всей Вселенной, а удары делают совсем слабенькие (если по воланчику ударила не я, хах) – ну, как бы, если воланчик в вас прилетит, то удар особо не запомнится. Вы просто потрете место ушиба и через секунду уже забудете, что он вообще был. Хорошая игра, правда. В нее играют все: и массивные частицы, и не особо, они создают гравитационные поля и притягиваются друг к дружке.
К слову, переносчиками гравитационного взаимодействия считают гипотетическую частицу гравитон, правда ее существование пока не подтвердили. Главное, чтобы она не имела массы – это вы помните.
Игра 2: Электромагнетизм
Гравитация – это милашка, которая только притягивает. А вот электромагнетизм не совсем идеальный парень – он может и притягивать, и отталкивать. Если два электрона будут находиться бок о бок, они начнут отталкиваться (одинаковые заряды). Пара, которая представлена частицами с разными зарядами, например, протон и электрон, всегда будут притягиваться. А есть нейтральные нейтроны – они ничего не делают. Им пофиг.
«Но ведь,» - понимаете вы, «На частицы действуют и сила гравитации, и электромагнитная. Так какая же больше?» Отвечаю, что электромагнитная – и урезает она прямо-таки всухую. Электромагнитная сила больше гравитационной в 1040 раз. Собственно, поэтому в электромагнетизм вообще возможно играть, и вполне успешно.
Если подумать, то электромагнетизм и магнетизм – разные вещи, но на фундаментальном уровне разница лишь в подходе к ним. Неподвижные заряды создают электрическое поле, а подвижные – магнитное поле.
Электромагнетизм – это как теннис. Он гораздо динамичнее предыдущей, а мячики-фотоны (вспомните тот абзац про переносчиков) ударяют с такой силой, что только пакетик со льдом готовь. Играть в электромагнетизм могут только боевые заряженные частицы. А нейтральные частицы в электромагнетизм не берут – фотоны их попросту «не видят». А им и пофиг.
Игра 3: Сильное взаимодействие
Гравитация и электромагнетизм не в силах описать все. Например, возьмем гелий – протоны в нем так не любят общества друг друга (оба же положительные), что электрическая сила их отталкивания составляет приблизительно 22 килограмма! Как же гелий не разрывается под воздействием своего же отталкивания?
Еще одна сила, которая действует на протоны и нейтроны, и которая заставляет их держаться вместе – сильное взаимодействие. Действует она на очень маленьких масштабах: не выходит и за пределы ядра атома. Кстати, на кварки так же действует сильное взаимодействие, и действует оно настолько сильно, что вне протонов и нейтронов кварки и вовсе не существуют – это вы помните.
Сильное взаимодействие очень похоже на пинг-понг. Очень напряженная игра, в очень маленьком пространстве. В сильное взаимодействие играют только кварки (ну и протоны с нейтронами, которые состоят из кварков. Удивительно – в первый раз нейтронам не пофиг!)
Игра 4: Слабое взаимодействие
При распаде частиц, мы не можем объяснить происходящее с тем, что мы уже знаем, поэтому нам нужно придумать еще одну силу, еще одну игру – слабое взаимодействие.
В слабое взаимодействие играют в основном только нейтрино – они нейтральны, не умеют играть в электромагнетизм, а в сильное взаимодействие играют только кварки. Им попросту ничего не осталось. Кстати, как оказалось, электроны и нейтрино почти как братья-близнецы: разница лишь только в заряде. Собственно, электроны с нейтрино умеют этим пользоваться, и с легкостью могут превращаться друг в друга. Вообще, нейтрино очень много (вот вы это прочитали, и через вас уже прошло порядка триллиона нейтрино), но они взаимодействуют только посредством слабого взаимодействия, поэтому нам не удается наблюдать их слишком часто.
Слабое взаимодействие очень похоже на бросание тяжелого большого мяча: летает недалеко, бьет несильно, но успевает надоесть до чертиков за достаточно небольшое время игры. Зато поиграть в него хотят и кварки, и нейтрино, и электроны – их всех очень много, все спорят, все лезут почувствовать, игра идет максимально медленно и нудно – ничего особенно интересного и не происходит.
Удивительно, что эта скучная игра играет (веселая тавтология получилась!) очень важную роль в природе. Без слабого взаимодействия погасло бы Солнце, так как в нем бы остановился процесс превращения четырех протонов я ядро гелия-4: а это и есть «топливо» для нашего солнышка.
/позже мы подробнее поговорим про бозоны и такую известную частицу, как бозон Хиггса/
Спасибо за прочтение, солнышки!
В написании этого разбора мне ОЧЕНЬ помогли:
1) Моя любимая книга «Вселенная! Курс выживания»
2) Выступления доктора физико-математических наук Дмитрия Казакова