Читать онлайн Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов бесплатно

Солнце встает незадолго до того, как мой будильник начинает пищать, и я выбираюсь из постели, чтобы начать свой день…

Может показаться странным, что книга по квантовой физике обычных предметов начинается с разговора о солнце. В конце концов, Солнце – это огромная сфера горячей плазмы, чуть больше чем в миллион раз размера Земли, плавающая в космосе в ста пятидесяти миллионах километров отсюда.

Это не совсем обычный предмет в том смысле, как, скажем, будильник, который вы можете взять и швырнуть через всю комнату, когда он будит вас слишком рано.

С другой стороны, в некотором роде Солнце – наиболее важный повседневный предмет, даже если не принимать во внимание наблюдение, что день не может начаться, пока солнце не встанет. Без его света жизнь на Земле была бы абсолютно невозможной: растения, которые служат нам пищей и дают кислород, не будут расти, океаны замерзнут и так далее. Мы зависим от солнечного света и тепла всю жизнь. В этой книге Солнце будет полезным средством, чтобы познакомиться с ключевыми игроками квантовой физики: двенадцатью фундаментальными частицами, что составляют обычную материю, и четырьмя типами фундаментальных взаимодействий между ними.

Двенадцать фундаментальных частиц, которые не могут быть далее разделены на еще более мелкие части, распределяются на два «семейства» – в каждом по шесть частиц. Семья кварков[7] состоит из верхнего, нижнего, странного, очарованного, истинного и прелестного кварков, а семья лептонов – из частиц: электрона, мюона и тау-лептона, вместе с электронным нейтрино, мюонным нейтрино и тау-нейтрино. Четыре фундаментальных взаимодействия – это гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия[8]. Вы часто можете найти эти частицы и взаимодействия пронумерованными на цветных таблицах, которые висят в физических классах и которые в целом получили, к сожалению, общее название «Стандартной модели физики»[9]. Стандартная модель охватывает все, что мы знаем о квантовой физике (а также о способности физиков изобретать прилипчивые названия), и считается одним из величайших интеллектуальных достижений человеческой цивилизации. Солнце оказывается прекрасным введением в Стандартную модель, потому что все четыре фундаментальных взаимодействия играют роль в том, чтобы Солнце светилось.

Итак, мы начинаем наш рассказ с Солнца, захватывающее путешествие по его внутренним механизмам, чтобы проиллюстрировать те важные физические процессы, что дают энергию всему. Мы пройдем через все фундаментальные взаимодействия по очереди, начиная с наиболее понятной и очевидной из этих сил – гравитации.

Гравитация

Если бы вам надо было составить «рейтинг силы» фундаментальных взаимодействий Стандартной модели в стиле спортивного радиокомментатора, три из четырех сил претендовали бы на первое место.

Если все-таки надо сделать выбор, я бы, вероятно, отдал это почетное право гравитации, поскольку в конечном счете она ответственна за существование звезд и, таким образом, за большинство атомов, составляющих наши тела и все вокруг нас, давая возможность вести глупые разговоры о «ранжировании» фундаментальных сил.

В нашей повседневной жизни гравитация наиболее знакома и неизбежна из всех фундаментальных взаимодействий. Именно с гравитацией вы боретесь, когда выбираетесь из кровати утром, и это она не дает мне возможность играть в баскетбол (ну, ладно, и еще то, что я не совсем в форме…). Мы проводим большую часть жизни, чувствуя притяжение гравитации, и как восхищает и леденит душу, когда в парке развлечений мы падаем, ее временное отсутствие.

Это близкое знакомство также делает гравитацию одной из наиболее изученных сил в истории науки. Люди думали, как и почему предметы падают на землю, по меньшей мере, с тех пор, как начали вестись записи людей, изучающих устройство мира вообще. Популярная легенда прослеживает происхождение физики от момента, когда упало яблоко на молодого Исаака Ньютона (в некоторых версиях, буквально), что дало толчок созданию теории гравитации. Однако, в противовес этой апокрифической истории, ученые и философы были уже достаточно хорошо знакомы с гравитацией и посвятили значительную часть своих размышлений принципам ее работы. Ко времени, когда жил Ньютон, эксперименты Галилео Галилея, Симона Стевина[10] и других уже подошли к некоторым количественным оценкам по исследуемой теме, было установлено что все предметы, независимо от их веса, падают на землю с одинаковым ускорением.

Будучи уже пожилым человеком, Ньютон сам пересказывал версию о своем «яблочном» открытии молодым коллегам, но никакого упоминания об этом событии нет в материалах более раннего времени, когда это якобы произошло (в то время, когда он работал над теорией гравитации). В тот период он провел длительное время на своей семейной ферме в Линкольншире, поскольку университеты были закрыты из-за вспышки чумы. Хотя в этой истории есть зерно истины, но она уводит в сторону от сути ньютоновского прозрения. Озарение Ньютона касалось не самого существования гравитации, а широты охвата этой силы. Он понял, что сила, которая притягивает яблоко к земле, та же самая, что держит Луну на орбите вращения вокруг Земли и Землю на орбите вокруг Солнца. В «Математических началах натуральной философии» Ньютон предложил универсальный закон для гравитации, дав математическую форму силам притяжения между двумя объектами во Вселенной, обладающими массами. Эта форма, в сочетании с законами движения, позволила физикам объяснить эллиптическую форму планетных орбит в Солнечной системе, постоянное ускорение предметов, падающих на землю и ряд других явлений. Это дало основу для физики как математической науки, основу, которая развивалась вплоть до сегодняшнего дня.

Важнейшей характеристикой Ньютоновского закона тяготения считается то, что сила между массами зависит в обратной степени от расстояния между ними, возведенного в квадрат, то есть, если вдвое уменьшить расстояние между двумя предметами, вы получите силу в четыре раза больше. Предметы, которые находятся ближе друг к другу, испытывают более сильную тягу, что объясняет, почему более близкие к Солнцу планеты вращаются по орбитам быстрее. Это также означает, что предметы беспорядочной кучи будут приближаться друг к другу и по мере сближения спрессовываться все более плотно за счет усиливающейся силы тяготения.

Эта возрастающая сила очень важна для существования Солнца и является конечным источником солнечного света. Солнце – не твердый объект, а скорее обширное скопление горячего газа, которое сохраняется лишь за счет взаимного гравитационного притяжения всех его отдельных атомов. В то время как гравитация возглавляет наш список в терминах повседневного воздействия, ее можно назвать самым слабым фундаментальным взаимодействием по сравнению с остальными, причем уму непостижимо, во сколько раз: гравитационная сила между протоном и электроном составляет всего лишь 0.000000000000000000000000000000000000001 часть электромагнитной силы, которая держит их вместе в пределах атома. Невероятное количество материи находится в солнце, порядка 2,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 килограммов. Она создает гигантскую совместную гравитационную силу, притягивая все, что находится поблизости.

Звезда, подобная Солнцу, начинает жизнь как небольшое облако с чуть более высокой плотностью межзвездного газа (по большей части водорода) и пыли. Лишняя масса в этой области притягивает к себе больше газа, увеличивая тем самым ее размер, и это создает большое гравитационное притяжение, чтобы, в свою очередь, притянуть еще больше газа. И по мере того как новый газ попадает в область растущей звезды, он начинает разогреваться.

На микроскопическом уровне один атом, притягивающийся к протозвезде[11], разгоняется во время падения внутрь нее точно так же, как кусок скалы, падающий на землю. Вы можете теоретически описать поведение газа в терминах скорости и направления каждого индивидуального атома, но это до смешного непрактично даже для предметов гораздо более мелких, чем шар газа размером с Солнце, не только из-за количества атомов, но и потому что все атомы взаимодействуют друг с другом. Невзаимодействующий атом будет притянут к центру газового облака, разгоняясь по мере прохождения своего пути, затем он проскочит насквозь и выйдет с другой стороны, замедлится, остановится и повернет обратно, чтобы повторить этот процесс. Реальные атомы, однако, не следуют таким гладким путем: в дороге они ударяются о другие атомы. После столкновения атомы перенаправляются по другим маршрутам, и некоторая часть энергии, набранная падающим атомом в ходе его ускорения за счет гравитации, передается тому атому, с которым он столкнулся. Для большого скопления взаимодействующих атомов в этом случае будет гораздо разумнее описать это облако в терминах коллективного свойства атомов, известного как температура.

Температура – это мера средней кинетической энергии материала как результата случайного движения его составных частей. Для газа это обычно функция скорости атомов, движущихся беспорядочно по зигзагообразным отрезкам[12]. Отдельный атом притягивается внутрь и ускоряется, набирая энергию от гравитационной силы и увеличивая общую энергию газа. Когда он сталкивается с другими атомами, эта энергия перераспределяется, повышая температуру. Общая энергия не увеличивается, но после множества столкновений мы имеем уже не единичный быстро движущийся атом, проходящий сквозь более медленные, а увеличение на небольшую величину средней скорости каждого атома из этого скопления.

Увеличивающаяся скорость атомов в облаке газа стремится вытолкнуть их наружу, поскольку более быстро движущийся атом может пройти большее расстояние от центра, прежде чем гравитация развернет его и втянет назад. Перераспределение энергии от новых атомов, однако, означает, что это увеличение недостаточно для того, чтобы остановить общий коллапс, и по мере того как новые атомы втягиваются внутрь, масса протозвезды увеличивается, увеличивая гравитационную силу. Это, в свою очередь, притягивает все больше газа, принося еще больше энергии и большую массу и так далее. Облако продолжает наращивать как температуру, так и массу, становясь все плотнее и плотнее и все жарче и жарче. Если не вмешиваться в ее работу, сила гравитации сожмет все до бесконечно малой точки, формируя не звезду, а черную дыру. Хотя они и потрясающие объекты, сворачивающие пространство и время и бросающие, наверное, самый дерзкий вызов большинству наших фундаментальных теорий физики, окружение около черной дыры – не очень гостеприимное место, чтобы проводить там ежедневный утренний завтрак. К счастью, другие фундаментальные взаимодействия тоже играют свои роли, останавливая коллапс звезды и формируя то солнце, которое мы знаем и любим. И тут появляется следующая сила, вторая из наиболее нам знакомых – электромагнитное взаимодействие.

Электромагнитная сила

Мы постоянно встречаем электромагнитные взаимодействия в повседневной жизни, как в форме статического электричества, потрескивающего в стопке носков, что недавно из сушилки, или в виде магнитиков, которые держат школьные рисунки на холодильнике. В отличие от гравитации, которая всегда притягивает, электромагнитная сила может быть как притягивающей, так и отталкивающей: электрические заряды бывают положительной и отрицательной разновидности, и у магнитов есть как южный, так и северный полюса. Электромагнитное взаимодействие еще более всепроникающе, чем статические заряды и магниты, но в реальности оно ответственно за нашу способность видеть, можно сказать, вообще всё.

В ранние 1800-е годы электромагнетизм был горячо обсуждаемой темой в физике вместе со многими явлениями, включая электрические токи и магниты, которые изучались тогда впервые. Среди тех, кто изучал электромагнетизм, был британский физик Майкл Фарадей. Он открыл множество технических новшеств, какие играют ключевые роли в наших утренних действиях, включая его работу по сжиженным газам, их применяют в охлаждающих приборах. Также он разработал «клетку Фарадея»[13] (среди многих других приборов), она помогает не выпускать наружу электромагнитные поля внутри микроволновой печи. Несомненно, наиболее важное его открытие заключалось в том, что не только электрические токи могут воздействовать на расположенные неподалеку магниты, но и движущиеся магниты и изменяющиеся магнитные поля могут создавать ток. Это положило основу огромному спектру систем коммерческого производства в современной жизни. Он был одним из первых, кто понял поведение зарядов и магнитов с точки зрения электрических и магнитных полей, заполняющих пустое пространство и определяющих движение удаленных частиц.

Фарадей – знаковая фигура в физике, один из троих, на кого был похож Эйнштейн в своих работах (двое других – это Ньютон и Джеймс Клерк Максвелл[14]). Увы, Эйнштейн был выходцем из «низов» и, хотя был великим экспериментатором с глубокой проницательностью в области физики, ему не хватало математической подготовки, необходимой для перевода его догадок в такие формы, какие убедили бы физиков его времени всерьез принять концепцию электромагнитного «поля». Джеймсу Клерку Максвеллу, происходившему из зажиточного шотландского семейства, выпало создать твердую базу для электрических и магнитных полей. В 1860-егоды Максвелл показал, что все известные электрические и магнитные явления могут быть объяснены простым набором математических отношений, говоря современным языком, четырьмя «уравнениями Максвелла»[15], достаточно компактных, чтобы уместиться на футболке или кофейной чашке. Электрические и магнитные поля Фарадея – это реальные вещи, связанные между собой. Изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, и наоборот. Уравнения Максвелла охватывают все известные электрические и магнитные явления, а также предсказали новое, объединенное, электромагнитное поле. Если колеблющееся электрическое поле правильным образом скомбинировать с колеблющимся магнитным полем, они будут поддерживать друг друга, проходя через пространство. Изменяющееся электрическое поле будет вызывать изменения в магнитном, и наоборот. Эти электромагнитные волны путешествуют со скоростью света, и уже было известно, что свет ведет себя как волна.

Уравнения Максвелла были быстро восприняты как объяснение природы света, а именно, что это в основе своей электромагнитное явление. Электромагнетизм объясняет взаимодействие света, материи и, как мы увидим в следующих главах, природу взаимодействия между материальными объектами и электромагнитными полями. Это подготовило почву для множества открытий, которые и основали квантовую механику.

Электромагнитные силы также во многом ответственны за работу тех объектов, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Обычная материя сделана из атомов, они, в свою очередь, состоят из более мелких частиц, отличающихся своим электрическим зарядом: положительно заряженных протонов, отрицательно заряженных электронов и имеющих нейтральный электрический заряд нейтронов. Атом состоит из положительно заряженного ядра, содержащего протоны и нейтроны, и окружено облаком электронов, притянутых электромагнитным влиянием ядра.

Как уже упоминалось, электромагнитное взаимодействие гораздо более сильное, чем гравитация. Этот факт прекрасно иллюстрируется трюком, который можно показывать на вечеринках: если потереть резиновый шарик о свои волосы и потом прикрепить к потолку. Во время трения очень маленькая часть атомов в шарике будет захватывать электроны из атомов ваших волос, придавая ему небольшой отрицательный заряд[16]. Притяжение между этим маленьким зарядом и атомами потолка достаточно сильное, чтобы удерживать шарик на потолке, преодолевая гравитационную тягу всей Земли, которая в миллиарды миллиардов раз больше его массы.

Сила электромагнетизма – незаменимый фактор в работе Солнца. Электромагнитные взаимодействия отвечают за столкновения между атомами, которые превращают энергию, почерпнутую из гравитации, в жар. По мере роста температуры газа, падающего на растущую звезду, она становится достаточно горячей – около 100 000 кельвинов или почти 180 000 градусов по Фаренгейту[17], чтобы отделить электроны в атомах водорода от протонов в ядре, производя газ с электрически заряженными частицами – плазму. Гравитация продолжает спрессовывать плазму, но взаимное отталкивание между положительно заряженными протонами разделяет их, сопротивляясь тяге гравитации. По мере того как формирующаяся звезда втягивает все больше газа, температура возрастает до все более высоких уровней.

Несмотря на огромную разницу между электромагнетизмом и гравитацией, плазма, однако, не может полностью избежать гравитации, поскольку электроны, которые были частью облака газа, все еще в ней. Они движутся слишком быстро, чтобы быть захваченными протонами и создать атомы, но они продолжают сохранять звезду в целом электрически нейтральной. Если бы в ней были только протоны, взаимное отталкивание такого огромного скопления положительно заряженных частиц разорвало бы звезду на части в один миг. Благодаря нейтрализующему действию электронов, каждый отдельный протон ощущает силу только нескольких ближайших соседей, в то время как гравитационная тяга, спрессовывающая звезду, исходит от массы всех частиц до единой. Чем больше газа добавляется, тем сильнее и сильнее становится гравитационная сила, и в конце концов она превозмогает электромагнитную силу.

Электромагнитные взаимодействия могут замедлить сжатие горячей плазмы, коллапсирующей под действием гравитации, но один электромагнетизм не может остановить коллапс и создать стабильную звезду. Чтобы создать стабильное солнце, какое мы знаем, требуется невероятный выброс энергии, ведущей к еще большим температурам, которые приводят нас к следующему игроку в нашей истории – сильному ядерному взаимодействию.

Сильное ядерное взаимодействие

Третье фундаментальное взаимодействие мы непосредственно наблюдаем в повседневной жизни, поскольку эта сила действует на невероятно малых расстояниях, проявляя себя на дистанциях, сравнимых с размерами атомного ядра, около 0.000000000001 мм, или примерно одна десятимиллиардная толщины человеческого волоса. Мы обязательно обнаружили бы отсутствие этой силы, поскольку она ответственна примерно за 99 % массы всего, с чем мы имеем дело.

Понимание сильного ядерного взаимодействия требует от нас признания того, что две частицы, из которых состоит обычная материя, протоны и нейтроны, на самом деле собраны из «кварков» – частиц с электрическим зарядом, равным малой доле заряда электрона. Протон сделан из двух «верхних» кварков (каждый с положительным зарядом в две трети от заряда электрона) и одним «нижним» кварком (отрицательный заряд в одну треть от заряда электрона), в то время как нейтрон состоит из одного верхнего и двух нижних кварков. Эти кварки держатся вместе за счет сильного ядерного взаимодействия, похоже, как электромагнитные силы удерживают электроны в атомах. И если «электрический заряд» ассоциируется с электромагнетизмом, то сильное ядерное взаимодействие – с цветом: красный, синий и голубой. Частица, состоящая из трех кварков, такая как протон, будет иметь по одному кварку каждого цвета, что делает ее «бесцветной» (или «белой[18]») подобно тому, как атом, содержащий равное число протонов и электронов, электрически нейтрален.

Композитная природа протонов и нейтронов и природа сильных взаимодействий между кварками помогает объяснить одну из загадочных характеристик материи, а именно, как ядро, составляющее сложный атом, держится вместе, не распадаясь. Атомы углерода, например, имеют шесть протонов в своих ядрах, каждый с положительным зарядом. Как мы знаем из электромагнетизма, эти положительные заряды отталкивают друг друга, создавая огромную силу, которая стремится разорвать ядро на части. Поэтому в школе дети часто задают вопрос, почему ядро не разваливается на части?

Ответ лежит в сильном ядерном взаимодействии. В реальности оно примерно в 100 раз сильнее, чем электромагнетизм, более чем достаточно мощное для того, чтобы удерживать протоны вместе внутри атома. Поскольку взаимодействие происходит между отдельными кварками, эта сила проявляется, только когда частицы достаточно близко друг к другу. Точно так же два нейтральных атома не будут взаимодействовать, пока они далеко друг от друга, но станут «ощущать» притягивающую силу, которая собирает их в молекулу, когда они придвинутся достаточно близко. Бесцветные протоны, разделенные на расстояние больше, чем несколько их радиусов, не взаимодействуют друг с другом через сильное ядерное взаимодействие. Результат похож на то, как электроны защищены экраном из протонов, что позволяет гравитации не давать плазме разорвать звезду на части, как мы упоминали ранее: присутствие других цветов экранирует сильное взаимодействие между отдельными кварками, оставляя только электромагнитное отталкивание.

Однако на достаточно близком расстоянии отдельные кварки в соседних частицах притягиваются друг к другу, это и держит протоны (и нейтроны) вместе внутри ядра, так и внутри Солнца сильное взаимодействие вступает в игру. При обычных температурах электромагнетизм держит протоны слишком далеко друг от друга для того, чтобы проявилось сильное взаимодействие, но по мере того как формирующая звезду плазма внутри становится все жарче и жарче и протоны движутся все быстрее и быстрее[19], они начинают приближаться друг к другу все ближе. При температурах и плотности материи внутри ядра будущей звезды небольшая часть этих протонов подойдет друг к другу достаточно близко, чтобы сильное взаимодействие проявило себя и соединило их вместе. Этот процесс превращает водород (простейший атом с ядром, содержащим один протон) в гелий (ядро с двумя протонами и двумя нейтронами). Одновременно освобождается невероятное количество энергии.

Откуда же эта энергия? «Из самого известного в мире уравнения, E = mc², то есть часть массы начального водорода превращается в энергию: энергия, исходящая из Солнца, включает превращение четырех миллионов тонн массы в энергию каждую секунду. Но ответ может отчасти ввести в заблуждение, поскольку общее число частиц не изменилось – четыре ядра водорода содержат двенадцать верхних и нижних кварков, точно так же, как и ядро гелия, поэтому не вполне очевидно, откуда происходит недостающая масса. Объяснение требует более глубокого взгляда внутрь протона и природу сильного взаимодействия.

Физики ядерных частиц знали о существовании кварков с 1960-х годов, и свойства верхних и нижних кварков хорошо известны. Если вы будете искать слово «кварк» в Google, вы найдете всевозможные варианты информации об этих частицах, включая массы верхнего и нижнего кварка – 2.3 и 4.8 единиц, которыми физики обычно измеряют подобные штуки[20]. Однако это удивительно, поскольку масса протона в тех же единицах равна 938, что примерно в 100 раз больше, чем масса частиц, из которых он состоит.

Откуда же происходит масса протона? Ответ, конечно, в формуле E = mc². Кварки внутри протона связаны друг с другом сильным ядерным взаимодействием, и это взаимодействие включает в себя огромное количество энергии. Для наблюдателя снаружи, эта энергия взаимодействия выступает как масса. Что-то около 99 % массы протона, таким образом, выступает не в форме материальных частиц, а в виде энергии от сильного взаимодействия, удерживающего протон как единое целое.

Такой же процесс имеет место внутри атома, так как протоны и нейтроны связаны мощной силой. Масса ядра атома – не просто сумма масс составляющих его протонов и нейтронов, но она также включает вклад от энергии сильного взаимодействия, связывающей их вместе.

Точное количество массы, которую привносит сильное взаимодействие, однако зависит от деталей конкретного атома и от того, как он внутри соединен. Для очень легких атомов, типа водорода или гелия, оказывается более эффективным иметь большее ядро – количество энергии, требуемой для удержания вместе двух протонов и двух нейтронов, несколько меньше, чем необходимо для четырех отдельных протонов. Когда четыре протона сливаются, чтобы создать гелий[21], тогда они уже не требуют часть энергии, какую они имели первоначально, и эта энергия высвобождается в виде тепла. Энергия, высвобожденная в ходе реакции, очень мала – бейсбольный мячик добрался бы до конца площадки примерно, за месяц, но количество водорода, подвергающегося слиянию, в недрах Солнца ошеломляюще огромно – 10³⁸ (единица с 38 нулями) таких реакций происходит каждую секунду (с поправкой в ту или другую сторону).

Если резюмировать сказанное: по мере формирования такой звезды, как Солнце, гравитация и электромагнетизм начинают процесс разогрева газа по мере его падения к центру. Когда температура поднимается достаточно высоко для того, чтобы несколько атомов водорода начали сливаться в атом гелия, энергия, выделяющаяся при этом, быстро поднимает температуру, что, в свою очередь, увеличивает количество слияний. Постепенно достигается равновесие между гравитацией, которая тянет внутрь, и давлением наружу, производимым этим теплом. Соответственно, звезда остается стабильной до тех пор, пока в ядре есть водород, чтобы «гореть».

Жизнь звезды длительностью в несколько миллиардов лет, таким образом, определяется гравитацией, электромагнетизмом и сильным взаимодействием. Гравитация стягивает газ вместе, электромагнетизм сопротивляется схлопыванию (коллапсу) и увеличивает температуру. Когда температура достаточно высока, так что электромагнетизм уже не может удерживать протоны вместе, сильное ядерное взаимодействие освобождает огромное количество энергии по мере слияния водорода и превращения его в гелий. Соревнование между этими тремя силами создает стабильную звезду, излучая свет и тепло, которые поддерживают жизнь на нашей планете.

Может показаться, что мы рассказали всю историю с помощью только трех из четырех фундаментальных взаимодействий, пренебрегая, к сожалению, слабым ядерным взаимодействием (оно уже было названо худшим наименованием из всех). В реальности же слабое взаимодействие также играет свою роль в снабжении Солнца энергией – вклад меньший, чем у других, но не менее существенный.

Слабое ядерное взаимодействие

Слабое ядерное взаимодействие занимает необычное место в Стандартной модели, будучи, возможно, менее очевидным из фундаментальных взаимодействий и при этом одним из наиболее понятных. Математическая теория слабого взаимодействия и ее тесная связь с электромагнетизмом была разработана в 1960-е и начале 1970-х годов, а кульминацией экспериментального подтверждения этой теории стало открытие «бозона Хиггса» в 2012 году, ставшее одним из величайших триумфов Стандартной модели. Сильное ядерное взаимодействие в то же время продолжает создавать проблемы для теоретиков, вычисляющих свойства материи, и одновременно гравитация печально известна своей математической несовместимостью с остальными тремя взаимодействиями[22].

При всем при этом, однако, очень трудно указать точно, что же делает слабое взаимодействие. Что делает слабое взаимодействие особенно трудным для объяснения неспециалистам в физике по сравнению с другими силами, так это то, что она не выступает в виде силы, которую можно ощутить в обычном смысле. Тяга гравитации является центральным элементом нашего повседневного опыта, и электромагнитные силы между зарядами и магнитами тоже являются чем-то, что можно почувствовать. И хотя сильное взаимодействие проявляет себя на очень удаленной шкале, все же довольно легко понять силу, удерживающую ядро против электромагнитного отталкивания.

А вот слабое взаимодействие не используется, чтобы что-то удерживать вместе или отталкивать друг от друга. Вот почему большинство физиков отбросили приятный и неточный термин «фундаментальные силы» в пользу «фундаментальных взаимодействий». Вместо того чтобы тянуть или толкать частицы, слабое ядерное взаимодействие выполняет важную функцию по обеспечению превращений частиц: если быть более точным, она превращает частицы из семейства кварков в частицы из семейства лептонов. Это позволяет нижнему кварку (отрицательно заряжен) превращаться в верхний кварк (имеет положительный заряд), излучив электрон и третью частицу, известную как нейтрино. Или верхний кварк может превратиться в нижний, поглотив электрон и испустив антинейтрино. Эти превращения позволяют нейтронам превращаться в протоны, и наоборот.

Процесс, имеющий место в Солнце, включает в себя как раз последний вариант и становится обратной стороной явления, более известного как «бета-распад», когда нейтрон в ядре атома испускает электрон и превращается в протон. Бета-распад был известен с самого начала исследований радиоактивности, но его объяснение было раздражающим вызовом на заре квантовой теории, приводя к ярким анекдотам физики XX века.

Проблема с бета-распадом заключается в том, что электроны, испускаемые распадающимся ядром, возникают с широким спектром энергий (до крайне высоких значений). Такое не должно было быть возможным для реакции, включавшей лишь две частицы – законы сохранения энергии и сохранения импульса указывают, что возможно лишь одно значение энергии для отделяющегося электрона (как в случае с процессом «альфа-распада», где тяжелое ядро распадается, испуская ядро гелия: два протона и два нейтрона, скрепленных вместе). Объяснение широкого спектра значений энергии, получаемых при бета-распаде, долгое время загоняло в угол физиков и довело некоторых до предложения радикальных мер – отказа от идеи сохранения энергии как фундаментального физического принципа.

Решение было найдено молодым австрийским физиком Вольфгангом Паули. В 1930 году он предположил (в письме, посланном на конференцию, которую он пропустил из-за бала в Цюрихе), что в бета-распаде участвуют не две, а три частицы, – нейтрон, превращающийся в протон, электрон и третья, неуловимая частица с очень малой массой. Новой частице быстренько подобрали название – «нейтрино» (похоже на «маленькая и нейтральная» по-итальянски). Она уносит часть энергии, точное количество которой зависит от точного импульса электрона и нейтрино, когда они покидают ядро.

Введение нейтрино сначала показалось не менее отчаянным шагом, чем отказ от закона сохранения энергии. Паули сам писал другу: «Я сделал нечто ужасное. Я ввел частицу, которую невозможно поймать. Это нечто такое, что теоретик никогда не должен делать». В течение нескольких лет великий итальянский физик Энрико Ферми развил общее предположение Паули в полную и исключительно успешную математическую теорию бета-распада, после чего эта идея была быстро принята. Нейтрино Паули оказалось одним из трех (изначально было предложено нейтрино, мюон и тау-нейтрино), и, несмотря на все начальные сложности, в итоге оказалось возможным его обнаружить, что и было подтверждено Клайдом Коуэном[23] и Фредериком Райнесом[24] в 1956 году[25].

Какое все это имеет отношение к Солнцу? Ответ достаточно деликатен, но мы уже намекали на это несколько раз по ходу обсуждения раньше. Солнце подпитывается энергией от слияния ядер водорода, которые представляют единичные протоны, в ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Где-то в ходе этого процесса два протона должны обратиться в нейтроны, что делается возможным благодаря слабому ядерному взаимодействию и процессу «обратного бета-распада», упомянутого ранее: протон превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино[26]. В результате Солнце производит невероятное количество нейтрино, которые были обнаружены на Земле, и их измерения дают информацию как о ядерных реакциях в ядре Солнца, так и о свойствах самих нейтрино.

Превращение протонов в нейтроны внутри звезд является существенно важным для существования огромного количества элементов, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни – кислород в воздухе, которым мы дышим, и вода, которую мы пьем, углерод в пище, которую мы едим, кремний в земле под нами. Когда очень тяжелая звезда выжигает большую часть водорода в своем ядре, она начинает реакцию слияния гелия в еще более тяжелые элементы. Когда гелия остается мало, очень тяжелые звезды начинают выжигать углерод и так далее по всей Периодической таблице элементов. На каждой стадии этого процесса энергия сильного взаимодействия, высвобождающаяся за счет слияния, уменьшается[27], пока кремний не будет превращаться в железо. Ядерная реакция слияния кремния в железо уже не дает никакой энергии, производство тепла, поддерживающего ядро звезды, останавливается. В этой точке процесса внешние слои звезды обрушиваются внутрь, чтобы произвести взрыв суперновой звезды, высвобождая так много энергии, что взрывающаяся звезда зачастую на некоторое время становится самой яркой в своей галактике.

В суперновой звезде большинство массы вырывается с огромной скоростью наружу в виде расширяющегося облака газа, унося с собой более тяжелые элементы, произведенные в ядре во время поздних стадий слияния. Эти облака газа расширяются, охлаждаются и взаимодействуют с окружающим газом, создавая сырье для следующих поколений звезд, а также скалистых планет, похожих на Землю, которые в основном сделаны из тяжелых элементов, созданных в ядре умирающей звезды.

Невероятное разнообразие веществ, которое мы видим на Земле – скалы и минералы, воздух, – всё построено из пепла мертвых звезд и создано с помощью всех четырех фундаментальных взаимодействий. Начиная с простых облаков водорода, сформировавшихся вскоре после Большого Взрыва, гравитация стягивает газ вместе, электромагнетизм сопротивляется коллапсу и нагревает газ, сильное ядерное взаимодействие освобождает огромное количество энергии в ядерном слиянии, и, наконец, слабое ядерное взаимодействие обеспечивает трансформацию частиц, превращает водород в более тяжелые и интересные элементы. Уберите хотя бы одно из этих фундаментальных взаимодействий, и наше повседневное существование станет невозможным.

Продолжение истории

Описанное выше ни в коем случае нельзя считать полной историей фундаментальной физики. Четыре фундаментальных взаимодействия, которые питают Солнце энергией, единственные, которые мы знаем, но Стандартная модель включает четыре типа кварков помимо семейств верхних и нижних, которые составляют протоны и нейтроны, а также четыре дополнительных лептона, кроме электрона и электронного нейтрино. Частицы в Стандартной модели также имеют эквиваленты из антиматерии – частицы с такой же массой, но противоположным зарядом. Когда частица встречает своего двойника из антиматерии, они взаимно уничтожаются (аннигилируют), превращая их массу в высокоэнергетические фотоны света.

Существование всех этих частиц было экспериментально подтверждено, и их свойства изучены очень детально. Однако ни одна из этих дополнительных частиц не «живет» слишком долго. Самая длительная по времени существования частица – наверное, мюон со средней продолжительностью жизни около двух миллионных секунды, поэтому их влияние на повседневное бытие весьма минимально. Они создаются на скоротечный миг в высокоэнергетическом слиянии между более обычными частицами как в земных физических экспериментах, так и в астрофизических событиях. Они очень быстро распадаются на верхний и нижний кварки (обычно в форме протонов и нейтронов), электроны и нейтрино. История их открытия и развитие Стандартной модели восхитительна, но она лежит за пределами нашей книги.

В целях исследования физики повседневных предметов мы можем ограничить себя всего тремя, наиболее знакомыми, материальными частицами: протонами, нейтронами и электронами. Они комбинируются для создания атомов, которые, в свою очередь, создают все, с чем мы взаимодействуем в ходе нашего обычного дня. В терминах фундаментальных взаимодействий типичная утренняя рутина в основном связана с электромагнетизмом, он ответственен за удержание атомов и молекул между собой и объединяет материю и свет.

Стоит помнить, что все четыре взаимодействия, действуя среди кварков и лептонов, требуются для работы нашего самого существенного ежедневного товарища – Солнца.

На кухне я наливаю воду для чая, проверяя, светится ли нагревательный элемент, чтобы убедиться, что я спросонок опять не поставил чайник не на ту конфорку…

Красное свечение горячего предмета – один из простейших и наиболее универсальных явлений в физике. Если вы возьмете кусочек любого материала, достаточно горячего, то он начнет светиться сначала красным цветом, потом желтым, потом белым. Цвет зависит только от температуры предмета. Неважно, что за материал был взят – стержень чистого стекла или чугуна, нагретый до той же температуры он будет светиться абсолютно тем же цветом. Метод нагревания также не важен, пропускаете ли вы электрический ток через виток металла, как в моей электрической печке, или помещаете этот виток в раскаленный уголь, цвет горячего металла будет одинаковым при определенной температуре.

Такое простое и универсальное поведение действовало на физиков как валерьянка на котов, потому что оно предполагало, что в основе этого явления должен быть простой и всеобщий принцип. В поздние 1500-е годы Галилео Галилей и Симон Стевин эмпирически продемонстрировали, что различные материалы и гири падают с одинаковым ускорением: Стевин бросал два свинцовых шара, один в десять раз тяжелее, чем другой, с церковной колокольни[28].

Это наблюдение позволило Исааку Ньютону разработать закон всеобщего тяготения в 1600-х годах. Через несколько сотен лет еще одно направление, основанное на том же принципе, вдохновило Альберта Эйнштейна на создание общей теории относительности, которая до сих пор остается нашей лучшей теорией гравитации.

Эйнштейн вспоминал ключевой момент в развитии своей теории – в 1907 год, когда его озарило понимание, что человек, падающий с крыши, будет чувствовать невесомость во время падения. Появилась связь между ускорением и гравитацией, что и является основой общей относительности. Эйнштейн говорил об этом как о «самой счастливой мысли всей своей жизни». Математическая проработка последствия этой счастливой мысли заняла почти восемь лет, но ученый создал одну из величайших и наиболее успешных теорий современной физики.

Универсальное поведение теплового излучения в таком случае представляется похожим на многообещающий источник озарения: на этом явлении хорошо тестировать идеи о распределении энергии в горячих объектах и способах взаимодействия света и материи. К несчастью, в конце 1800-х годов усилия физиков предсказать цвет света, испускаемого горячими предметами при различных температурах, потерпели неудачу.

В конце концов объяснение температурного излучения потребовало радикального разрыва с существующей физикой. Начальная точка для всей квантовой теории, чье применение физики все еще обсуждают по прошествии столетия, обнаруживается в красном свечении нагревательных элементов, которые мы используем для приготовления завтрака.

В практическом смысле все экзотические явления, связанные с квантовой физикой – дуальная волновая природа частиц, кот Шрёдингера, «спутанная связь» на расстоянии, могут быть продемонстрировано прямо на вашей кухне.

Световые волны и цвета

Как часто случается, самый простой способ объяснить необходимость в радикально новой теории – это демонстрация провала прежней теории. До того, как мы поймем, как квантовая модель решила проблему теплового излучения, мы должны увидеть, почему этого не смогла сделать классическая физика. Для этого, несомненно, нужно разобраться в основах того, что классическая физика говорит о свете, тепле и материи.

Первой, очень важной, концепцией, лежащей в основе экспериментов, которые привели к разрушению классической физики, считается идея, что свет – это волна. Волновая природа света была известна за полвека до уравнений Максвелла, по большей части благодаря экспериментам, выполненным около 1800 года английским эрудитом Томасом Юнгом[29]. Физики спорили, представлять свет лучше всего как поток частиц или как волну в какой-то субстанции, но Юнг убедительно продемонстрировал волновую природу своим гениально простым экспериментом со светом «на двух щелях»: свет проходил через две узкие щели, прорезанные в экране. Юнг обнаружил, что свет, который проникал через две близко расположенные прорези в экране, с другой стороны не превращался в две яркие полоски, как можно было бы ожидать (как в случае со светом, проходившим через одну прорезанную щель). Вместо этого на экране появлялся ряд светлых и темных точек[30].

Эти пятна возникают в ходе процесса, известного как «интерференция», который происходит тогда, когда складываются волны из двух различных источников. Если две волны приходят в конкретную точку пространства «в фазе», так что пики (гребни, максимумы) одной волны совпадают с гребнями другой волны, они складываются и образуют волну с более высоким гребнем, чем каждая по отдельности. С другой стороны, если волны приходят «не в фазе», например, гребень одной волны и впадина другой, они взаимно вычитаются, и гребень одной волны заполнит долину другой, в результате волны не будет совсем. Это работает для любых источников волн, например, так бывает при возникновении сложных паттернов (картинок) от волн в прудах развлекательных парков. Тот же процесс интерференции используется для уничтожения волн и подавления «шума» в наушниках.

Интерференция в эксперименте Юнга получается потому, что волнам света от каждой щели нужно различное количество времени, чтобы дойти до определенной точки на экране. В точке ровно по центру между двумя щелями обе волны идут одно и то же расстояние и таким образом приходят в фазе, образуя яркое пятно. В точке несколько слева от центра волны от щели с левой стороны проходят более короткий путь до экрана, чем волны от щели с правой стороны. Это дополнительное расстояние означает, что волны от правой щели чуть дольше колебались и пики правощелевых волн совпадают с долинами лево-щелевых, образуя темное пятно. Еще чуть дальше, и дополнительное расстояние позволяет волнам закончить колебание до полного цикла, накладывая пики волн от правой и левой щели друг на друга и создавая следующее яркое пятно.

Этот паттерн повторяется много раз, создавая ряд светлых и темных пятен. Расстояние между светлыми пятнами имеет простую зависимость от длины волны, обеспечивая удобный способ измерять длину волны видимого света. В современных единицах она варьируется от 400 нанометров для фиолетового цвета до примерно 700 нанометров[31] для глубоко красного цвета. Добавление дополнительных щелей будет делать яркие точки уже и более отчетливыми. К 1820-м годам Йозеф фон Фраунгофер[32] использовал «дифракционные решетки», основанные на интерференции света, для того, чтобы сделать первые достаточно точные измерения длин волн света, испускаемого Солнцем и другими звездами.