Но каким бы маленьким ни было ядро, его можно делить дальше. Бели пробиться внутрь ядра, то там обнаружатся еще более мелкие частицы — так называемые адроны, хотя вы, вероятно, знаете их по имени: это протоны и нейтроны. Именно в честь протонов и назван женевский Большой адронный коллайдер — так как именно эти частицы и должны в нем сталкиваться. Эти два адрона похожи как две капли воды за двумя важными исключениями — нейтрон на 0,01% массивнее, а протон несет положительный электрический заряд +1, в отличие от нейтрона, который потому так и называется, что электрически нейтрален. Скоро мы вплотную займемся следствиями того, что протон обладает зарядом, а пока достаточно сказать, что если вы когда-нибудь надевали ясным зимним днем шерстяной свитер, то, наверное, знаете, что такое заряд.
Мы уже списали на адроны 99,95% массы атома, но пока ничего не сказали о крошечном остатке — о том, что, по всей видимости, составляет подавляющее большинство объема атома. Эти крошечные частички называются электронами, и о них мы начали говорить в главе 2. На этот раз мы поговорим об электронах как о фундаментальных частицах. Как бы вы их ни терли, как бы ни раздирали, ни на что более мелкое они не распадаются.
Чтобы понять, насколько они мелкие, скажем, что встречаются они так же часто, как протоны и нейтроны, однако в человеке весом 68 килограммов наберется только 14 граммов электронов. Это примерно столько, сколько весит содержимое ваших глаз. Электроны, как и протоны, обладают электрическим зарядом, но, в отличие от протонов, их заряд отрицательный (-1). В нормальных атомах электронов и протонов поровну, а значит, эти атомы электрически нейтральны.
Огромное, подавляющее большинство объема атомов состоит из пустого пространства. Конечно, в атоме есть ядро и электроны. Однако, как мы видели в главе 2, электрон — это не просто шарикоподшипник или мякоть персика (а ядро — косточка). Это большая вероятностная волна. Неужели нельзя придумать лучи или устройства, которые заставят электронные облака сжаться? Легче предметы от этого не станут, зато упаковать чемодан перед длительным путешествием станет проще простого.
Однако при этом мы сталкиваемся с проблемой неопределенности. Как мы видели в главе 2, когда пытаешься поймать электрон в небольшое пространство, чтобы создать суперминиатюрные атомы, то, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, энергия этих электронов сразу же сильно повышается. Энергия может стать настолько высокой, что электроны вырвутся из электромагнитного притяжения ядра.
В конечном итоге размер атома определяется достаточно четкой комбинацией физических констант: зарядом электрона, постоянной Планка (числом, которое говорит нам, как сильна квантовая механика), массой электрона и скоростью света. Если бы мы смогли переделать фундаментальные константы физики, то смогли бы и делать миниатюрные атомы. А пока проще покупать себе чемоданы попросторнее.Нейтральность — это удел не только Швейцарии и атомов. Сколько бы материй ни создавалось во Вселенной, протонов и электронов в ней всегда поровну, поэтому Вселенная: в целом электрически нейтральна — и всегда была такой. Нет ни одного эксперимента, в котором не сохранялся бы заряд,— неважно, где его проделывают, на Земле или в космосе. Это приводит к первому основному закону для всех фундаментальных сил:
электрический заряд не создается и не уничтожается.
Как можно ожидать, действие в нашей универсальной игре не сводится к тому, чтобы перетаскивать протоны и электроны с места на место, все время сохраняя заряд. Посмотрим, к примеру, на нейтрон. Нейтрон — это что-то вроде пациента в коридоре у кабинета врача: прождав минут десять, нейтрон взрывается. Разница в том, что вместо того, чтобы накричать на регистраторшу, нейтрон буквально разлетается на разные другие частицы.
Самая крупная из этих частиц — протон. Возможно, вас это удивит, поскольку мы говорили вам, что электрический заряд сохраняется, но задумайтесь вот над чем: в этом нет ничего страшного, если найдется другая частица с отрицательным зарядом, чтобы уравновесить положительный заряд протона. Что-то вроде электрона. Точнее, сам электрон.
В результате нейтронного распада образуется кое-что еще, но мы хотим сделать два предупреждения: 1) как бы ни казалось на первый взгляд, нейтрон не состоит из протона, электрона и кое-чего еще, — он в них превращается; 2) кстати, протоны и нейтроны кое из чего состоят, просто мы еще не сказали из чего.
Скоро мы поговорим и о других фундаментальных частицах, но боимся, как бы вы еще раньше не заблудились в «зоопарке частиц». Мы не собираемся заставлять вас зубрить большой каталог фундаментальных частиц по той простой причине, что их (по меньшей мере) 18, не считая диких разновидностей одной и той же частицы, которые на самом деле с фундаментальной точки зрения не отличаются друг от друга. Из предупредительности к вам, читатель, мы. поместили в конце главы удобное приложение, где перечислен весь «зоопарк» с указанием всего, что вам имеет смысл знать о каждой частице. Не за что, не за что, не стоит благодарности.
Теперь вы знаете о том, из чего состоит материя, примерно столько же, сколько знал каждый лет сто назад, но мы собираемся копнуть чуть глубже, чтобы разобраться, что происходит на самых глубоких уровнях. Вот почему мы собираемся выбить из этих частиц все, что можно,— а для этого нам нужен БАК. Мы надеемся, что протоны — это такие свиньи-копилки. или иностранные шпионы: если стукнуть их посильнее, получится кое-что интересненькое54.
* Шутим, шутим. Один из нас (Голдберг) постоянно участвовал в математических олимпиадах, так что он тоже спортсмен, а у спортсменов особое чувство юмора.
Кольцо коллайдера — это гоночная трасса для протонов, и два протонных луча будут лететь навстречу друг другу со скоростью, близкой к скорости света. Как мы видели в главе 1, чтобы заставить частицы двигаться настолько быстро, нужна прорва энергии. Опустим вычисления — скажем только, что энергии, необходимой, чтобы разогнать два протона до такой скорости, чтобы они распались, хватит, и на то, чтобы по закону Е = тс2 создать 14 тысяч протонов с нуля. Когда два протона сталкиваются, происходит много разных событий, но все они подчиняются второму из наших основных законов:
энергия не создается и не уничтожается.
Зато ее можно конвертировать из движения в массу, и именно это мы и собираемся делать в коллайдерах частиц.
II. Как открывают субатомные частицы?Если столкнуть друг с другом энергичные протоны, получатся частицы, куда более массивные, чем исходные. Но если частицы, которые создаются в ускорителях, так массивны, зачем вообще нужны ускорители? Наверное, великанские частицы легко заметить и так?
И да и нет. Конечно, если бы в пространстве там и сям плавали массивные частицы, их можно было бы собирать и исследовать безо всякого труда. Беда в том, что все во Вселенной стремится сбросить энергию до минимально возможной. Положите на стол мяч для боулинга — в этой позиции у него будет довольно много энергии — и легонечко подтолкните его. Он упадет со стола к вам на ногу — где энергии у него будет гораздо меньше. Поскольку энергия и масса эквивалентны, это означает, что массивная частица распадется, если это вообще возможно, на менее массивную и еще что-нибудь — и очень скоро, в чем мы убедились, когда говорили о радиоактивности в главе 3.
Самые массивные частицы живут всего миллионную долю секунды или даже меньше, а потом распадаются на более легкие, и так будет продолжаться предположительно 13,7 миллиарда лет — с начала времен и до тех пор, когда все массивные частицы раз и навсегда распадутся. Должно быть, вы предполагаете, что тогда все уляжется и останутся только наши старые знакомые протоны и нейтроны, но вы же уже поняли, что бывает, когда вы что-то предполагаете, правда?
По Вселенной так и шныряют высокоэнергичные заряженные частицы. Протоны на высоких скоростях испускает и Солнце, и другие звезды в разных частях галактики, и сверхновые,— все места, где есть высокоэнергичные источники. Эти заряженные частицы, которые называются космическими лучами, летают туда-сюда, пока на что-нибудь не наткнутся. Если бы не магнитное поле, окружающее нашу планету, этим «чем-нибудь» могли бы быть ваши клетки — и тогда космические лучи убили бы вас или стерилизовали. Вот почему нужно слушаться мамочку и не проводить в открытом космосе слишком много времени. Достаточно часто космические лучи попадают в атмосферу и сталкиваются с кислородом или азотом, превращаясь в процессе в более массивные частицы. Стратосфера и все, что выше, кишат, словно нечищеные зубы, всякой дрянью — мюонами, каонами и пионами.
