Глава 6. Фундаментальные взаимодействия

В нашем мире есть некоторые параметры, которые никогда не меняются, ни в пространстве, ни во времени. Именно они определяют строение Вселенной и являются основой физики. Все механизмы сущего приводят в действие всего четыре силы: гравитационная, электромагнитная, слабая и сильная.

Природа этих сил различна, они отличаются друг от друга и обладают собственными свойствами. Гравитационное и электромагнитное взаимодействия проявляются в повседневной жизни. Сильное и слабое – исключительно на микроскопическом уровне.

Механизм взаимодействий заключается в обмене частицами (квантами), несущими минимальную энергию. Квантом тяготения является гравитон. Электромагнитные взаимодействия осуществляются фотонами, сильные – глюонами, слабые – мезонами. Каждая из этих частиц представляет собой своеобразный минимальный пучок соответствующего взаимодействия. Механизм достаточно прост – вещество испускает частицу, которая переносит фундаментальное взаимодействие и поглощается другим веществом.

По своей интенсивности все взаимодействия значительно отличаются друг от друга. Наиболее мощное – сильное, превышает электромагнитное в 100 раз. Слабое взаимодействие в тысячу раз меньше электромагнитного. Самая «малозаметная» сила – гравитация. Она слабее остальных взаимодействий более чем на три порядка.

В первые мгновения после Большого Взрыва четыре фундаментальных взаимодействия не отличались друг от друга и представляли собой одну величественную силу. Но затем они разделились, чтобы каждое выполняло свою особую функцию в существующем Мироздании.

В электромагнитном взаимодействии участвуют все частицы, имеющие электрический заряд. Эта сила является ключевой во всех химических реакциях. Именно электромагнитное взаимодействие в конечном итоге отвечает за строение атомов и молекул.

Слабое ядерное взаимодействие отвечает за радиоактивный распад нейтронов на протоны и электроны, запускает цепочку реакций, при которых водород превращается в гелий, поэтому оно является ключевым для свечения звёзд. Слабое взаимодействие начинает работать, когда частицы находятся совсем рядом друг с другом. Радиус его действия составляет расстояние меньше размера атомного ядра.

Роль слабого взаимодействия существенно возрастёт по мере старения Вселенной. Вещество в основном состоит из слабо взаимодействующих частиц. Но сегодня они неактивны и имеют тенденцию взаимодействовать друг с другом лишь по прошествии больших промежутков времени.

Сильное ядерное взаимодействие удерживает протоны и нейтроны в ядре атома. Без него распалась бы вся существующая реальность. Между положительно заряженными протонами действует сила электростатического отталкивания. Для удержания их рядом, необходима превосходящая сила притяжения. Эту функцию выполняет сильное ядерное взаимодействие. Оно сосредоточено на сверхмалых расстояниях.

Сильное взаимодействие связывает в единое целое отдельные части протона, которые никогда не разъединяются. Именно поэтому ядерные реакции в миллион раз мощнее химических.

Стоит также сказать, что вся энергия в звёздах образуется благодаря ядерному синтезу. А управляет этим процессом сильное взаимодействие.

Гравитационное взаимодействие наиболее знакомо нам. Именно гравитация отвечает за образование сложных структур во Вселенной. Она поддерживает существование галактик, звёзд и планет. Благодаря ей Земля удерживается на орбите вокруг Солнца, а люди твёрдо стоят на поверхности планеты.

Гравитационное взаимодействие самое слабое из четырёх фундаментальных. Зато его область действия безгранична. Поэтому на больших масштабах гравитация доминирует над всеми остальными силами. Гравитационное взаимодействие отвечает за всемирное тяготение. Два любых объекта, имеющих массу, притягиваются друг к другу. Поэтому гравитационное взаимодействие универсально. Все элементарные частицы и любые материальные объекты участвуют в нём.

Глава 7. Элементарные частицы

Сейчас, когда я пишу эту книгу, то не сижу на стуле, а, строго говоря, завис над ним. Твёрдость окружающих нас предметов – иллюзия. Всё вещество состоит из атомов, а те, в свою очередь, из положительно заряженного центрального ядра и отрицательно заряженных электронов. Поскольку все электроны имеют идентичный заряд, они всегда отталкиваются друг от друга. Соответственно, между моим телом и стулом остаётся микроскопический зазор в одну стомиллионную долю сантиметра. Это физически непреодолимый барьер.

Вам только кажется, что, здороваясь с кем-то, вы пожимаете руку друг другу. Реального контакта материальных тел никогда не происходит. Всегда остаётся микроскопический зазор между отталкивающимися электронами. Увы, вам никогда не суждено по-настоящему прикоснуться к любимому человеку.

Как правило, электрон представляют себе в виде миниатюрной вращающейся по атомной орбите сферы. Это совершенно не так. Электроны не имеют ширины. Они одновременно заполняют всё пространство своей орбиты, находясь «сразу везде». Для нас это очень необычно. Но электрон не подчиняется привычным для людей законам макромира. В мире элементарных частиц действуют свои правила.

Мы редко задумываемся на тем, что всё вокруг нас создано из элементарных частиц. Не только твердые стул, стол и эта книга, но и вы сами, и кажущийся пустым воздух.

Все материальные объекты сотканы из атомов, которые за счёт химических процессов объединяются в молекулы. Сам атом состоит из трёх типов элементарных частиц: отрицательно заряженных электронов, положительно заряженных протонов и не несущих заряда нейтронов. Протоны и нейтроны очень плотно расположены в ядре, а электроны обращаются вокруг него.

Количество протонов и электронов определяет индивидуальность атома. Самый простейший атом состоит из одного протона и одного электрона – это водород; второй по сложности – гелий; и так далее в соответствии с периодической таблицей химических элементов Дмитрия Менделеева⁹. Функционал нейтронов состоит в том, что они увеличивают массу атома. Вне атомного ядра нейтрон неустойчив и примерно через 900 секунд распадается на электрон, протон и нейтрино.

Радиус атома равен всего 0.00000000001 метра. Но он огромен по сравнению с собственным крошечным ядром, располагающимся в центре. Размер ядра составляет всего лишь 0.000000000000001 часть от размера атома. Для наглядности поясню, что ядро атома меньше всего атома примерно настолько же, насколько воздушный шар меньше шара под названием планета Земля. Этот факт необходимо осмыслить. Ведь он означает, что весь мир состоит практически из пустоты.

Несмотря на малый размер, в ядре сосредоточено 99.95% всей массы атома. Оставшуюся пять сотых процента составляют электроны. Хотя в вашем теле они встречаются так же часто, как протоны и нейтроны, их общая масса не превышает 10—15 грамм, если, конечно, у вас нет проблем с лишним весом.

Электроны – фундаментально неделимые частицы. Но не они играют заглавную роль в обеспечении стабильности Мироздания. Главная частица Вселенной – протон. До сих пор не установлено, распадается ли он, несмотря на многочисленные и весьма затратные эксперименты. В любом случае, время его жизни если не бесконечно, то во много-много раз превышает возраст Вселенной.

Если протон вечен, то никогда не погибнет наш мир. Если он распадается, пусть даже через сотни миллиардов лет, то рано или поздно исчезнут любые материальные объекты. Наступит абсолютная тепловая смерть Вселенной, и ничто в Природе не сможет воспрепятствовать разрушению существующей реальности. Даже самая развитая сверхцивилизация погибнет, если нет способа воспрепятствовать распаду составной части ядра атома.

У протонов и нейтронов имеются части. Это кварки. Известно шесть типов кварков, каждый из них может находиться в трёх состояниях. Каждый протон и каждый нейтрон состоят из трёх кварков, которые взаимодействуют между собой путём обмена безмассовыми и электрически нейтральными частицами – глюонами, выполняющими внутри вещества функцию своеобразного клея, удерживая кварки вместе. Кварки – это самая элементарная и фундаментальная составляющая в структуре материи. Их невозможно «разбить» на части.

Как я уже говорил, электроны и протоны обладают противоположными электрическими зарядами. Поскольку и тех и других частиц в атоме одинаковое количество, то атом в целом электрически нейтрален. А раз все вещи созданы из атомов, то электрически нейтральна вся Вселенная, потому что электронов и протонов в ней поровну.

Твёрдые тела состоят из практически пустых атомов. Но частицы не стационарны, а постоянно взаимодействуют между собой, создавая устойчивые связи. Благодаря этому люди не разваливаются на части. Вы состоите из атомов, и наша планета тоже состоит из атомов. Но вы не проваливайтесь сквозь Землю. Это происходит из-за постоянного электрического взаимодействия и взаимного отталкивания атомов.

Всё вещество создано из электронов, протонов и нейтронов. Остальные типы элементарных частиц не входят в структуру материи. Но они выполняют другие значимые функции.

Элементарные частицы разделяются по трём признакам: массе, стабильному или нестабильному времени жизни, а также спину – собственному моменту вращения. В микромире частицы постоянно сталкиваются друг с другом. Хотя электрон стабилен, но, если он сталкивается со своей античастицей – позитроном, то обе частицы взаимно уничтожаются. Этот процесс называется аннигиляцией. Такое столкновение – не бесцельная гибель. При аннигиляции постоянно рождаются новые частицы. Например, фотон – квант света – появляется при столкновении электрона и позитрона. Если бы все частицы при столкновениях взаимно аннигилировали, то космос был бы пуст. К счастью, взаимодействие частиц приводит не только к взаимоуничтожению старого, но и к зарождению нового.

Самая распространенная частица во Вселенной – нейтрино. У нейтрино очень малая масса, всего около одной десятимиллионной части от массы электрона. На каждую «рядовую» тяжёлую частицу приходится миллиард нейтрино. Это поистине частица-фантом, которая практически неуловима. Дело в том, что нейтрино очень редко взаимодействует с другими видами материи. Через каждый квадратный сантиметр вашего тела ежесекундно проникает 60 миллиардов этих частиц, испущенных Солнцем. Но вы этого совершенно не замечаете. Что не удивительно, ведь для того, чтобы «затормозить» нейтрино понадобится металлическая пластина толщиной в 80 триллионов километров. Расстояние от Солнца до ближайшей звезды меньше в два раза.

Не будет преувеличением сказать, что наш мир – нейтринный, а вовсе не материальный. Вы, возможно, удивлены, но это неоспоримый факт. Вселенная – море нейтрино, в которых очень-очень-очень редко встречаются атомы.

Главный плюс атомов в том, что они – удивительно устойчивые и долгоживущие элементы структуры Мироздания. Можно уверенно утверждать, что практически каждый атом вашего тела раньше был частью миллионов живых организмов и даже давно погасших звёзд. Учитывая, что человеческий организм состоит из невероятно огромного числа атомов, вы почти наверняка содержите в себе частичку любой исторической личности. И это не красивая фраза. Когда человек умирает, составлявшие его атомы не гибнут, а продолжают свое существование в капле дождя, лепестке цветка или в другом живом организме. После смерти атомы тела подвергаются очень интенсивному перераспределению в природном кругообороте. Поэтому почти все они когда-то в прошлом принадлежали другим людям. Я вряд ли ошибусь, если предположу, что в вашем организме есть не только частица средневекового крестьянина, но и Клеопатры, и Чингисхана.

Интересные математические вычисления показывают, что теоретически вся Вселенная может выглядеть для внешнего наблюдателя как микроскопический объект, подобный атому. Такая гипотетическая частица была названа фридмоном в память об Александре Фридмане¹⁰. Учёные рассчитали, что если средняя плотность вселенной превышает критическое значение, то она становится замкнутой. То есть, пребывает в необычном состоянии, когда вселенная безгранична, но её объём конечен.

Подобную структуру проще всего понять по аналогии с шаром. По его сферической плоской поверхности можно перемещаться куда угодно. У неё нет границы, как нет «края» горизонта у Земли. Вы можете вечно ходить по кругу и всегда вернётесь в начальную точку отправления. В этом смысле для двумерного существа шар представляется бесконечным. Данное рассуждение применимо и к трёхмерному пространству.

Причём, подобная воображаемая бесконечность – не самое удивительное свойство такого гипотетического мира. Внешний наблюдатель воспринимает замкнутую систему как объект очень малого размера и массы. Но, на самом деле, фридмон может быть настолько огромным, что будет содержать в себе целую вселенную. Такой объект обладает внешними микроскопическими параметрами, но внутренней макроскопической структурой. Конечно, это только гипотеза, однако, математически выверенная и соответствующая теории относительности Эйнштейна.

Еще более смелым является предположение о том, что все окружающие нас элементарные частицы являются не более чем различными видами фридмонов. Такая идея основана на достаточно мистическом, но вполне научном допущении. Если представить себе, что некто всемогущий стал бы осознанно создавать вселенные с критической плотностью, разнообразные по внутренней структуре, со своими особыми галактиками, законами и даже разумными цивилизациями, то спустя некоторое время, он с удивлением обнаружил бы, что все его творения выглядят со стороны как одинаковые микроскопические частицы – фридмоны.