Страница 42 из 43
На этой грустной ноте, наконец переходим к самому последнему большому пункту. Первый же главный и грустный ответ: да, протоны, нейтроны и электроны - это далеко не все элементарные частицы, которые существуют, и они состоят из ещё более мелких частичек, которых называют "фундаментальными". Есть и другие элементарные частички; некоторые из них могут существовать отдельно, некоторые, как радиоактивные атомы, тоже со временем разваливаются на части (только уже без радиации). Всего их можно разделить по двум признакам: это по виду спина и по виду взаимодействий.
По виду спина частички делятся на фермионы и бозоны. У первых спин полуцелый (+1/2 или -1/2 - это протон, нейтрон, электрон или частица с загадочным названием "нейтрино"), у вторых целый (1 или -1 - например, это фотон или непонятная частичка под названием "мезон").
Если разделять частички по типу взаимодействий, то получится такая классификация: адроны, лептоны, кварки и так называемые "калибровочные бозоны". Что такое адроны, понять проще всего так: это частички, которые участвуют во всех четырех типах фундаментальных взаимодействий. (Да, я не ошибся. Именно четырёх, хотя я пока написал про три. О четвёртом - чуть-чуть попозже.) Они делятся на мезоны и барионы, которые по первой классификации являются соответственно бозонами и фермионами. Итог - мезоны участвуют во всех взаимодействиях, имеют целый спин, являются одновременно бозонами и адронами, барионы участвуют во всех взаимодействиях, имеют полуцелый спин, являются одновременно фермионами и адронами. Жуть, всего два разных слова, а намешали-то кучу какую...
Но я обещал рассказать про последнее известное на данный момент, четвёртое, взаимодействие. Когда копались во всей этой куче элементарных частичек, то во время деления некоторых частичек - например, нейтрона - возникало подозрение на тему, что существует ещё какая-то непонятная частичка, которая ни с чем не взаимодействует, и именно поэтому её не удаётся поймать. Подозрения навевал в основном закон сохранения энергии - какая-то её часть уходила как будто в никуда, что закон не мог допустить. В итоге оказалось, что искомая частичка не участвует ни в электромагнитном, ни даже в сильном взаимодействии! Зато взаимодействует "слабо" - именно так назвали новый тип взаимодействия. Его обнаружили, когда закопались ещё глубже и открыли, что некоторые элементарные частички могут якобы "просто так" обмениваться чем-нибудь друг с другом: энергией, зарядом, массой... Слабое взаимодействие слабее сильного и электромагнитного, но сильнее гравитационного. (Нейтрино, строго говоря, участвует и в гравитационном взаимодействии, но масса у него совсем крохотная.) Название "нейтрино" - видимо, шутка юмора: это уменьшительно-ласкательное от "нейтрон" на итальянском. Вообще, при дальнейшем углублении в физику элементарных частиц начинают прорисовываться термины, которые вызывают улыбку: цвет (?), аромат (??), странность (!), прелесть (!!), очарование (!!!) И всё это - тоже числа, характеризующие свойства тех или иных частиц!
Лептоны - это фермионы, которые не участвуют в сильных взаимодействиях. Известно 6 штук таких лептонов, в их числе - электрон и нейтрино. Лептоны, имеющие электрический заряд, могут также участвовать в электромагнитном взаимодействии. Не имеющие? А кто его знает, тут ещё эксперименты не всё выяснили.
Кварки - это то, из чего состоят адроны. Самые маленькие из всех известных на данный момент частичек, наряду с лептонами и калибровочными бозонами, состоят ли они из чего-нибудь - науке неизвестно, поэтому их пока обзывают "фундаментальными" частицами. В свободном состоянии их нет, зато три кварка образуют адрон. У них есть свои характеристики типа тех, которых я пометил восклицательными знаками выше - заряды и спины у них посчитали, но и этого оказалось мало: два кварка с одинаковыми параметрами по-прежнему вели себя по-разному. Поэтому и стали выдумывать такие забавные словеса типа "цвет". Участвуют в сильных взаимодействиях.
Осталось ещё два момента по элементарным частицам: это последняя категория ("калибровочные бозоны") и античастицы. Совсем коротенько о последних: когда ещё зарождалась квантовая механика, обрастая страшной математикой, товарищ по фамилии Дирак, решая тамошние уравнения, наткнулся на то, что одно из них может иметь решение в виде отрицательной энергии. Товарищ не растерялся и решил принять это таким образом: частица с отрицательной энергией - это вовсе не неподходящее по условию задачи решение и не бредовый сон очередного физика-шизика, а всего лишь "античастица". И всё бы ничего, но народ поверил и начал копать даже в этом направлении. До сих пор не знаю, каким образом, но в итоге, чуть более 40 лет спустя после открытия электрона, был открыт антиэлектрон, первая античастица. Его назвали позитроном: разница между ним и электроном заключается только в том, что у него заряд с плюсом, а не с минусом (+1.6*10^-19 Кл). Потом стали открывать другие античастицы, но местами поджидал облом: частица и соответствующая ей античастица полностью совпадали. Такие частички стали называть истинно нейтральными. Самый известный из таких - фотон. Ну а для остальных возможно как рождение античастиц, так и их смерть: при встрече частицы с соответствующим её "двойником" (хоть тех же электрона и позитрона) они могут взаимно уничтожиться, или - как выражается наука - может произойти реакции аннигиляции. ("Нигил" означает "ничто": когда частица и её антипод встретятся, то они взаимно уничтожат друг друга так, что от них не останется вообще ничего, кроме энергии, конечно.) Электрон + позитрон = 2 гамма-кванта. И такой же результат (2 гамма-кванта, иногда 3 - если энергия большая) для всех остальных пар "частица-античастица"! Более того, получив античастички, стали добиваться их соединения в вещество - так получили не то антиводород, не то антигелий. Но он почему-то сам собой разваливается, и вообще - современная физика всё ещё чешет репу при вопросе на тему, почему вообще у нас во Вселенной толком нету антивещества, если оно вроде бы равноправно по сравнению с нашим обычным веществом. Во как, дискриминация добралась даже до уровня элементарных частиц! А народ о мировой справедливости канючит...
И заключительный аккорд умных слов - калибровочные бозоны. Как уже я выше написал, выделяют четыре типа фундаментальных взаимодействий. И народ стал копать и в эту сторону: а какова их природа? Особенно насторожило то, что при электромагнитном взаимодействии везде летают эти непонятные фотоны; именно обмениваясь ими, вещества получают или теряют энергию! А ну как у остальных взаимодействий так же? И понеслось: сильному взаимодействию приписали обмен частичками под названием "глюон" - именно ними обмениваются протоны, нейтроны и даже самые мелкие - кварки. Слабому взаимодействию тоже нашли своих "поводырей" - специальные три бозона, два из которых обозвали буквами W (одна с плюсом, другая с минусом), третьего - Z. (Не надо спрашивать, почему такие буквы, я и сам тут уже плохо понимаю.) Именно этими бозонами обмениваются, например, нейтрино - и именно благодаря ним удалось обнаружить эту "неуловимую" частичку. Наконец, гравитационному взаимодействию тоже приписывают обмен частичками - гравитонами. Но их пока не обнаружили, хоть и очень надеются.
Ну и гвоздь программы, о котором в школе уже не спрашивают, но которым звонят в уши последние года три уже много раз: бозон Хиггса! Да, эта штука отвечает за наличие массы у вещества. Но больше о нём мало что известно. Да, его получили на той самой здоровенной штуковине, которая заставила народ бежать в магазин за фомками, отращивать бороды, портить зрение (чтобы с чистой совестью надеть очки) и надевать защитные костюмы H.E.V. - Большой адронный коллайдер. Что такое адрон - я страшно ломаным языком объяснил (хоть что-нибудь можно понять?..), а "коллайдер" значит "сталкивающий", от английского "collide" = "сталкиваться". То есть в этом кольце сталкиваются разогнанные до сумасшедших скоростей частички типа тех же протонов: при их столкновении, как брызги, разлетаются во все стороны очень много более мелких частичек, все из которых подлежат изучению. Находится этот здоровенный аттракцион где-то под границей Франции и Швейцарии. Несмотря на устрашающие размеры (длина его окружности - 27 километров), частички там разгоняются до энергий, хоть и пугающих своими приставками - тераэлектронвольты! - но при этом толком и опасности не представляющих. Во-первых, 1 ТэВ - это один триллион электронвольт (10^12 эВ). В джоулях это будет примерно 10^-7 - одна десятимиллионная доля джоуля! Да даже два комара сталкиваются с большей энергией! Миниатюрные чёрные дыры, которыми обожают пугать, если и существуют, то их время существования будет очень мало, и они тупо не успеют ничего к себе притянуть - да хоть всю Землю попытаются засосать, времени у них слишком мало! Это как если бы бабочка-подёнка (которая живёт один день) попыталась бы выпить весь океан. Здесь примерно то же самое. Кто совсем-совсем боится - включаем голову; читаем всё, что пишут про коллайдер, фильтруем инфу через свой котелок, при необходимости спрашиваем о том или ином факте более умных товарищей. Каков итог - решить самостоятельно. Я для себя решил, что ничего архистрашного в этих экспериментах нет. А кто хочет бояться - тот боится.