Квант - Джим Аль-Халили Страница 44

обратно. Квантовое туннелирование позволяет мячу внезапно пропадать с одного склона холма и появляться на другом склоне. Хотя в макромире мы не сталкиваемся с таким волшебством, этот процесс вполне зауряден для квантового мира. Само собой, в этом случае холм является энергетическим и его можно представить в качестве такого типа силового поля, преодолеть которое квантовая частица должна быть не в состоянии.

И бета-, и альфа-распад представляют собой способы, которыми ядра могут преобразовываться из одного вида в другой. Вместе с процессами деления и синтеза, в ходе которых ядра распадаются пополам или объединяются, это объясняет, как впервые сформировались некоторые элементы, которые мы видим вокруг, в том числе и те, что входят в состав наших тел. Углерод, кислород и азот, а также другие элементы, формирующие необходимые для жизни химические составы, миллиарды лет назад были синтезированы внутри звезд. Этих звезд уже нет, поскольку они взорвались и стали сверхновыми, а существенная доля их содержимого была выброшена в космос и в конце концов сформировала часть нашей Солнечной системы. Именно поэтому и появилось заезженное, но довольно верное выражение, что все мы состоим из звездной пыли.

Многие более тяжелые элементы создаются только при мощном взрыве крупной звезды, превращающейся в сверхновую. Чем выше температура и экстремальнее условия внутри звезды, тем дальше сможет зайти процесс синтеза и тем тяжелее будут сформированные элементы. Внутренняя часть звезды становится достаточно горячей и плотной для создания тяжелых элементов только в эти последние и напряженные мгновения ее жизни[56].

Два самых легких элемента, водород и гелий, были созданы не внутри звезд, а на заре существования Вселенной, сразу же после Большого взрыва. Сегодня примерно 98 процентов всего видимого вещества во Вселенной состоит из этих двух элементов, а оставшиеся 2 процента – из всего остального.

Богатое разнообразие ядер, которые могут существовать в зависимости от того, как именно комбинируются протоны и нейтроны (пока мы изучили всего несколько сотен из около семи тысяч их возможных видов)[57], объясняется двумя причинами. Во-первых, протоны и нейтроны подчиняются сходным квантовым правилам с вращающимися вокруг ядра электронами, которые определяют, как именно они могут располагаться внутри ядер. Подобно электронам, которые должны описываться волновыми функциями, чью форму определяют соответствующие квантовые числа, нуклоны тоже правильнее представлять в качестве распространенных сущностей, распределяющихся внутри ядра согласно их квантовым числам.

С электронами мы хотя бы можем позволить себе роскошь представить их в качестве крошечных мячиков, вращающихся вокруг ядра, даже если это неправильно. Внутри ядра пространство ценится на вес золота и нуклоны так плотно стоят друг к другу, что мы можем лишь представить сумку с мячами, которые борются за место.

На практике наше представление о нуклоне зависит от того, как мы пытаемся его изучить. Если нам хочется описать, как высокоэнергетические протоны или нейтроны, бомбардирующие ядро, взаимодействуют с другими нуклонами, мы обнаруживаем, что их довольно логично считать крошечными локализованными частицами. Однако внешний нейтрон в нейтронном облаке (см. статью «Ядерные облака» в Главе 3) обладает волновой функцией, которая распространяется на большой объем вокруг всего ядра.

Вторая причина сложности ядер связана с природой сильного ядерного взаимодействия, которое, как оказывается, имеет даже более фундаментальное происхождение, чем предполагал Юкава, предлагая свою картину обмена пионами. Ко второй половине XX века физики начали задумываться, не происходят ли внутри нуклонов некие более глубинные процессы.

Кварки

К середине 1930-х годов было известно о существовании нескольких элементарных частиц. Помимо протонов, нейтронов и электронов, которые составляют атомы обычной материи, и фотонов электромагнитного излучения, физики также обнаружили позитроны и нейтрино. Затем, вскоре после появления теории о пионах Юкавы, в космических лучах засекли новую частицу, которую сначала ошибочно приняли за пион Юкавы. На самом деле она напоминала тяжелый и нестабильный электрон и сегодня называется «мюоном». Мюоны формируются в верхних слоях атмосферы Земли, когда высокоэнергетические протоны, прилетающие из космоса, сталкиваются с молекулами воздуха, и продолжительность их жизни составляет всего лишь долю секунды. Пионы были экспериментально обнаружены несколькими годами позже.

Чтобы глубже изучить структуру квантового мира, вскоре были построены ускорители частиц (или дробилки атомов, как их сначала называли). Идея была проста: вместо использования света для исследования субатомных структур физики последовали примеру Резерфорда с альфа-частицами. Однако, чтобы изучать более маленькие линейные масштабы, им нужны были более энергетические частицы. Что важно, они использовали волнообразные свойства частиц материи, а не световые волны. Чем выше энергия пучка частиц, тем короче длина волны де Бройля и меньше итоговый линейный масштаб. Кроме того, чем больше энергии можно освободить из крошечного объема посредством все более мощных столкновений частиц, тем выше вероятность создания из этой энергии все более и более экзотических частиц.

Ко второй половине XX века было открыто так много новых элементарных частиц, что физики начали задумываться, действительно ли их можно называть элементарными. Как выяснилось, атомы 92 различных элементов состояли всего из трех частиц – протонов, нейтронов и электронов, – так, может, все эти частицы тоже состояли из нескольких более фундаментальных компонентов?

При классификации частиц было обнаружено, что одно семейство включает в себя слишком много вариаций. Подверженные сильному взаимодействию адроны подразделяются на две группы. Первую составляют барионы, включая протон и нейтрон. К ним вскоре добавился целый ряд новых частиц-барионов, в том числе «лямбда», «сигма», «кси» и «омега». Вторая группа, называемая мезонами, включает в себя пион, а также несколько других, более тяжелых частиц, таких как «эта» и «каон».

Мы не можем вынуть отдельные кварки из частицы вроде нуклона. Даже если мы дадим достаточно энергии, чтобы разорвать связь между кварками, с помощью этой энергии у нас получится лишь создать новую пару кварк/антикварк посредством так называемого «рождения пар» (см. рисунок на странице 188). Новый кварк встанет на место вынутого из нуклона, а антикварк объединится с вынутым кварком и сформирует мезон.

В попытке восстановить простоту и лаконичность два теоретика, Марри Гелл-Ман и Джордж Цвейг, предположили, что все адроны (барионы и мезоны) обладают внутренней структурой. Они продемонстрировали, что все различные вариации можно представить состоящими из более элементарных частиц, называемых «кварками».

Всего несколькими годами позже эта гипотеза получила подтверждение в Стэнфордском центре линейного ускорителя в Калифорнии. В ходе эксперимента, который в значительной степени напоминал знаменитый опыт Резерфорда с рассеянием альфа-частиц, в свое время подтвердивший гипотезу о внутреннем строении атомов, высокоэнергетические электроны отскакивали от протонов и нейтронов. На этот раз направление отталкивания электронов показало, что внутри каждого нуклона содержится три