Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Хелфанд Дэвид

Большая часть рис. 3.2, как и вопрос о том, существует ли еще более глубокий уровень материи, выходит за пределы нашего исследования, поскольку нам в данный момент необходима просто надежная и точная модель атомов, из которых состоит космос. С первых микросекунд возникновения Вселенной имеют значение лишь несколько фундаментальных частиц, и их примерно полдесятка: это электроны (e или e^—) и их антиматериальные двойники, позитроны (e⁺ или e^+***); нейтрино, ассоциируемые с ними (v_e и v_e); а также «верхние» (u) и нижние (d) кварки и переносчики взаимодействий. Поговорим обо всех по очереди.

Электрон, открытый в 1897 году, неизмеримо мал (меньше 10^–18 м, миллионная триллионная доля метра в диаметре), наделен крохотной (но определенно измеримой) массой в 9 × 10^–31 кг и несет отрицательный электрический заряд –1, установленный нами произвольно как единица заряда на атомном уровне. Его антиматериальный двойник, позитрон, обладает такими же размером и массой, но, как и все античастицы, характеризуется противоположным зарядом, +1. Вещество и антивещество не очень хорошо сочетаются – более того, когда электрон встречается с позитроном, они взаимно уничтожают друг друга во вспышке света. Все атомы в современной Вселенной содержат электроны, но нам не следует забывать и о позитронах, поскольку в ходе естественных процессов, как мы еще увидим, могут рождаться и они, а сами эти процессы сыграют ключевую роль в воссоздании наших историй.

Электроны и позитроны входят в группу фермионов (см. рис. 3.2), в которой каждая частица обладает еще одним дополнительным свойством, важным для нашего повествования – это свойство с причудливым именем «спин». Представьте, что все подобные частицы – это крошечные волчки, способные вращаться лишь по часовой стрелке или против нее с амплитудой в ±½ (опять же, это произвольно выбранная шкала атомных единиц, на которой бозоны, переносчики взаимодействий, имеют спин 1 или 2). С другими частицами они вступают в гравитационное (поскольку обладают массой), электромагнитное (поскольку имеют заряд) и слабое ядерное взаимодействие (поскольку у них есть свойство, называемое «лептонным числом» ±1).

Нейтрино (v_e) были обнаружены только в 1956 году, хотя ученые постулировали их существование еще за десятилетия до этого, пытаясь объяснить исчезновение энергии в определенных ядерных реакциях. Нейтрино обладают крошечными размерами и еще меньшей массой; ее верхний предел составляет примерно 1/600 000 от массы электрона. Они электрически нейтральны, и для них характерен спин с амплитудой ±½. Поскольку они могут откликаться лишь на гравитацию (очень слабо, при условии их крошечной массы) и на слабое ядерное взаимодействие, они почти не взаимодействуют с обычным веществом. За время, которое вы затратите на прочтение этой фразы, 20 000 триллионов нейтрино, излученных Солнцем, пройдут через ваше тело, а вы этого даже не заметите. Это окажется правдой даже в том случае, если вы читаете эту страницу ночью, когда Солнце находится на другой стороне Земли, поскольку нейтрино проходят прямо через земную толщу и достигнут вас, пройдя через пол. Они играют главную роль в некоторых радиоактивных распадах и будут важны, когда мы применим атомные ядра в роли часов, чтобы составить карту наших будущих исторических экскурсов.

В современной Вселенной есть еще одно семейство фермионов, кварки, которые никогда не оказываются в одиночестве; они всегда связаны в пары или триплеты (см. рис. 3.2). Важное значение для нас имеют два определенных кварка, которые сочетаются, формируя протоны и нейтроны – кварки u и d. Ученые впервые постулировали их существование в 1960-х годах, а впоследствии подтвердили и описали его в многочисленных экспериментах, проведенных на ускорителях частиц. Кварки имеют дробные заряды: u = + ²/₃ и d = – ¹/₃, их массы составляют примерно 4,0 и 9,4 массы электрона соответственно, и, как фермионы, они также имеют спин ± ¹/₂. Все кварки обладают дополнительной уникальной характеристикой: они реагируют на сильное ядерное взаимодействие благодаря своему четвертому свойству, которое мы называем «цветовым зарядом».

Многие сочетания этих и четырех других разновидностей кварков возможны в принципе и могут на мгновения возникать в лабораториях. Но для нашего мира важны два – это триплет uud, образующий протон, и триплет udd, благодаря которому создается нейтрон. Простое суммирование даст нам заряды этих составных частиц: uud — +²/₃ + ²/₃ – ¹/₃ = +1 для протона и udd – + ²/₃ – ¹/₃ – ¹/₃ = 0 для нейтрона. Их спины, сочетаясь, дают чистую величину в ± ¹/₂. Но с их массами дело обстоит совершенно иначе.

Кажется очевидным, что масса трех кварков должна просто составлять сумму масс каждого отдельного кварка. Согласно таким расчетам, масса протона должна была бы оказаться в 4,0 + 4,0 + 9,4 = 17,4 раза больше массы электрона. Но, взвесив протон, мы получим совершенно иной результат: его масса превышает массу электрона в 1836 раз, иными словами, она в сто с лишним раз больше простой суммы отдельных масс (и эквивалентна 1,67 × 10^–27 кг). Откуда берется вся эта избыточная масса? Ее источник – «клей», благодаря которому кварки соединяются воедино. Как мы уже говорили, кварки – это уникальные обитатели «зоопарка частиц», поскольку только они реагируют на сильное ядерное взаимодействие. Точно так же, как и дополняющее его слабое ядерное взаимодействие, оно имеет свои особенности, поскольку существует только на масштабах, сравнимых с размерами атомного ядра (примерно 10^–14 м, 1 % от триллионной доли метра). Кварк, проходящий мимо протона, скажем, в 5 % от триллионной доли метра, не отреагирует совершенно никак.

Это радикально отличается от других взаимодействий, знакомых нам по повседневной жизни, а именно электромагнитного и гравитационного – их дальность неограниченна. Чем дальше друг от друга располагаются два объекта, обладающие массой или зарядом, тем слабее воздействие электромагнетизма и гравитации, которому они подвергаются, но само оно не исчезает. Нептун находится на расстоянии в 4,5 миллиарда километров от Солнца, и сила притяжения воздействует на него в 900 раз слабее, чем на Землю, но он тем не менее движется по орбите вокруг Солнца из-за их взаимного гравитационного взаимодействия. Оба ядерных взаимодействия, напротив, просто исчезают за пределами атомного ядра.

И именно глюоны, сами по себе не обладающие массой, но в изобилии переносящие энергию, увеличивают массу протона в сто с лишним раз по сравнению с простой суммой масс составляющих его кварков (сюда вносит свой вклад и кинетическая энергия самих кварков, болтающихся в своем маленьком мешочке). У нейтрона, по сравнению с протоном, один из u-кварков заменен на немного более тяжелый d-кварк, и сам нейтрон тоже слегка массивнее (на 0,14 %). За исключением атома Водорода, ядро которого составляет один-единственный протон, все остальные атомы, о чем мы подробно поговорим чуть позже, содержат как протоны, так и нейтроны, соединенные вместе.

Ядро

Сердце атома и его сущность, воплотившая в себе все его своеобразие, – это ядро, тугой маленький шарик из протонов и нейтронов, упакованных в пространстве, диаметр которого равен всего нескольким триллионным долям миллиметра¹². Здесь, где все положительно заряженные частицы находятся в такой тесноте, электростатическое отталкивание, которое испытывают протоны по отношению друг к другу, огромно, но сильное ядерное взаимодействие оказывается сильнее и удерживает частицы, не позволяя им разлететься.