Неоткрытые миры

– Мне кажется, что моя душа отличается от души Андрея, – сказала Галатея, – Моя душа состоит из зелёных кругленьких телец, а его – склеена из коричневых квадратных частиц.

– Из кубических, – поправил педантичный Андрей младшую сестру.

– Именно это я и имею в виду! – хихикнула Галатея.

– Теория Левкиппа и Демокрита вызвала резкую критику. Афины, тогдашний центр европейской научной мысли, не признали этого учения. Платон высказался за то, что все книги Демокрита надо сжечь. Действительно, ни одной из его книг до нас не дошло, история сохранила лишь отдельные его высказывания. Ещё один титан античности, Аристотель, считал, что ветер, огонь, вода и земля являются непрерывными субстанциями, поэтому существование пустоты между атомами Демокрита противоречит законам природы. Даже спустя тысячи лет, в Средние века, церковь категорически отрицала учение, по которому всё в мире состоит из атомов, и жестоко преследовала сторонников атомизма, считая их еретиками.

История показала, что Демокрит был прав. Учение об атомах стало основой современного научного мировоззрения. По лестнице размеров астрономы идут вверх, в макромир, а физики и химики – вниз, в микромир, но куда бы мы не пришли, мы имеем дело с атомами. Но являются ли атомы простейшими и неделимыми элементами мира? Нет, атомы оказались далеко не такими круглыми и гладкими, как думал Демокрит. Учёные выяснили, что атомы сами состоят из более простых частиц, которые стали называть элементарными. Первой элементарной частицей стал отрицательно заряженный электрон, открытый Дж. Томсоном в 1897 году. Через двадцать с лишним лет Резерфорд и другие физики доказали существование ещё одной элементарной частицы – положительно заряженного массивного протона.

В начале XX века был период, когда, как казалось физикам, мечта человека о познании мельчайших неделимых частиц мира осуществилась. Трёх сортов стабильных частиц – электронов, протонов и фотонов – хватало для объяснения светового электромагнитного излучения от атомов и для построения самих атомов, положительно заряженные ядра которых состояли, по тогдашним воззрениям, из неравной смеси протонов и электронов, а оболочки – из отрицательно заряженных электронов. Значит, именно эти три частицы являются теми простейшими кирпичиками, из которых построен наш мир? Но модель атомного ядра, состоящего из протонов и электронов, вызывала сомнения. Резерфорд и другие физики подозревали, что в ядре существует нейтрон – нейтральная частица, которая прибавляет ядру массу, не добавляя заряд. Именно количеством нейтронов в ядре и отличаются друг от друга изотопы одного и того же химического элемента. В 1932 году нейтрон был открыт Чедвиком. Казалось, что можно вздохнуть с облегчением: мир атомов прекрасно строился из протонов, нейтронов и электронов. Добавить сюда фотоны – и получится, что для построения Вселенной достаточно всего четырёх сортов частиц, из которых только нейтрон был нестабильным и имел время жизни на свободе около четырнадцати минут, хотя внутри ядра он сохранял устойчивость и жил неограниченно долго.

Но была одна проблема: при бета-распаде нестабильных ядер оттуда вылетали электроны. Когда учёные подсчитали энергетический баланс этой реакции, то обнаружили, что энергия системы до распада и после различается, словно закон сохранения энергии не выполняется. Вольфганг Паули в 1930 году выдвинул идею нейтрино – лёгкой нейтральной частицы, которая уносит часть энергии бета-распада. С учётом нейтрино, которое было очень трудно обнаружить, закон сохранения удавалось спасти.

– Значит, для построения мира нужно было пять частиц? – уточнила Галатея.

– Для ядерных сил, скрепляющих атомное ядро, японец Юкава в 1934 году предложил модель, в основе которой лежит новая и нестабильная элементарная частица пимезон.

– Шесть частиц? – Галатея стала загибать пальцы на второй руке.

– В 1936 году нашли частицу, которую приняли за мезон Юкавы. Но это оказался мюон, совсем не та частица, которая ожидалась. Как сказал профессор Исидор Раби, когда был открыт мюон: «Кто заказал это?» Пимезон Юкавы был открыт в 1947 году.

– Уже семь частиц! – продолжила счёт девочка.

– Модель элементарных частиц затрещала по швам. В том же году были открыты две новые элементарные частицы – К-мезон и лямбда-гиперон. В 1955 году был открыт антипротон, в 1956 году – нейтрино, предсказанное Паули. Элементарные частицы посыпались, как горох из разорвавшегося мешка.

– Ой! – Галатея посмотрела на свои загнутые пальцы: её персональный компьютер исчерпал память.

– К ним пришлось добавить античастицы, которых, согласно уравнению Дирака, было ровно столько же, сколько обычных частиц. Элементарных частиц открывалось по несколько штук в год, и за несколько десятков лет учёные нашли сотни таких частиц. Целый зоопарк в микромире: даже нейтрино оказалось не одного, а трёх сортов – электронное, мюонное и тау-нейтрино. Стало понятно, что привычные «элементарные частицы» не могут претендовать на звание «элементарных», тем более что они крайне нестабильны и никак не походят на неизменные атомы Демокрита. Значит, они сами построены из более простых и неделимых частичек? Начались интенсивные поиски по-настоящему элементарных частиц. Но пусть лучше об этом расскажет известный физик Ричард Фейнман, или, вернее, его дух, который живёт в моём домашнем компьютере.

Динамики компьютера вдруг ожили, и дух Фейнмана сказал:

– Число частиц в мире не ограничено и зависит от энергии, потраченной на разрушение ядра. В настоящее время открыто более четырёхсот таких частиц. Мы не можем смириться с тем, что существуют четыре сотни элементарных частиц – это слишком сложно! Природа продолжает нагромождать эти частицы как бы с целью нас одурманить. Если 99 % явлений в мире можно объяснить при помощи электронов и фотонов, то оставшийся 1 % явлений потребует в десять или двадцать раз больше дополнительных частиц.

– И что же делать? – спросила Галатея.

– Думать! – рявкнули динамики голосом Фейнмана. – Великие изобретатели вроде Гелл-Манна чуть с ума не посходили, пытаясь вывести правила, которым подчиняются эти частицы, и в начале 70-х годов XX века создали теорию сильных взаимодействий (или «квантовую хромодинамику»), в которой основными действующими лицами являются частицы, получившие название «кварки». Все частицы, состоящие из кварков, разделяются на два класса: одни частицы, например протоны и нейтроны, состоят их трёх кварков (такие частицы получили ужасное название «барионы»), другие – например пион – состоят из кварка и антикварка (они называются «мезонами»), Дзинтара снова взяла нить повествования в свои руки.

– Физики любят исследовать элементарные частицы, сталкивая их лбами. Разгоняют частицы на ускорителях, и – бабах! – только искры из глаз у частиц сыплются. Физики изучают эти искры и траектории заплаканных частиц, разлетающихся после соударения, и узнают о строении частиц много нового.

– Ужас! – сказала Галатея. – Надо организовать союз защиты элементарных частиц.

– Таким способом Эрнст Резерфорд исследовал строение атома: облучил атомы положительно заряженными альфа-частицами и обнаружил, что альфа-частицы иногда сильно отклоняются при рассеянии на атомах. Это возможно, только если атом является не рыхлой крупной структурой, как думал Томсон, а содержит в себе крошечное и плотное ядро с положительным зарядом. Так Резерфорд доказал, что в атоме есть ядро с размером в десять тысяч раз меньше, чем сам атом.

Аналогичное открытие сделали физики более полувека спустя. Они по рассеянию протонов друг на друге нашли, что протон не представляет собой однородный шар – в нём прячутся маленькие и плотные части, которые позже стали называть кварками и глюонами.

Химик Менделеев проанализировал свойства химических элементов и нашёл в них закономерности, которые привели к открытию Периодического закона. На основании этого закона Менделеев предсказал существование ещё не открытых химических элементов и даже заранее вычислил их массу и другие характеристики.