Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter
Как живет протон?
 |
Атомы - тоже не элементарны: они состоят из очень тяжелого компактного ядра, и электронных оболочек. Но это маленькое (по сравнению с атомом) и очень тяжелое ядро тоже не элементарно: оно состоит из протонов и нейтронов.
Это все проходится в школе, и, казалось бы, это все очень простые вещи, но на самом деле на эту ситуацию можно посмотреть чуть-чуть с иной стороны, на которую обычно не обращают внимания. Я имею ввиду «принцип комбинирования».
 |
Что это такое? Идея на первый взгляд очень простая. Она говорит о том, что более сложные и более тяжелые объекты можно получать из более простых просто присоединением каких-то дополнительных кусочков. Чем тяжелее объект, тем больше кусочков в нем есть. И поэтому усложнение объекта неизбежно связано с увеличением количества кусочков. Это работает и в обычных молекулах и в атомах, и в атомных ядрах (есть ядра очень маленькие; например альфа-частица — очень маленькое ядро, но если приспособить туда дополнительные протоны и нейтроны, то получаются в результате тяжелые ядра).
Казалось бы, зачем про это столько говорить? Это все вообще элементарно. Казалось бы, как вообще иначе-то может быть? Настолько это очевидно. Но оказывается, если мы окунемся в глубину протона, там будет совсем иначе. Там это работать не будет.
Современная физика «залезла» в самые глубины вещества. Это не так просто, как может показаться, потому что маленькие частички ведь не пощупаешь пальцами, и с помощью маленьких щипцов их тоже не возьмешь, и с помощью света их не разглядишь. В результате физики долго пытались разобраться, как «заглядывать» внутрь частиц, и выяснили, что проще всего их разгонять в ускорителях и сталкивать друг с другом. Рассматривая результаты столкновений, физики и понимают, из чего они состоят.
Проанализировав результаты различных исследований, ученые пришли к выводу, что протон тоже не элементарен. В нем тоже есть структура, и эта структура достаточно простая: там есть три маленьких компактных объекта, которые называются кварками, и вокруг них есть нечто такое, что условно можно назвать - «глюонное облако». (Глюон» — от слова «клей», который как будто склеивает эти кварки). И эти глюонные силы очень необычны.
То, что происходит с большими упрощениями, выглядит примерно так. Те силы глюонного облака, которые притягивают кварки, вдруг перестают быть просто силами — они материализуются. То есть, условно говоря, они выпадают в виде осадка, обволакивают эти кварки и находятся рядом с ними. Эти поля, вдруг начинают жить собственной жизнью. У них появляется материальная сущность.
Например, они весят — у них появляется масса. И они перестают быть просто «прислужниками» этих кварков, не просто притягивают их — они начинают притягивать сами себя. То есть разные части глюонного облака, тоже чувствуют друг друга и не позволяют этому облаку расшириться, они его сдерживают Именно благодаря этому получается, что протон — достаточно компактный. Благодаря этому получается, что кварк не может далеко улететь.
И представьте себе, что, если взять эти кварки и пытаться раздвинуть, естественно не руками, а выстрелив каким-нибудь электроном, то кварк пытается улететь, сколько у него силы есть, но он не может улететь из глюонного облака: ведь он сам это облако порождает. В результате получается, что глюонное облако пытается растянуться, оно пухнет, пухнет, становится более тяжелым, и в результате распадается на частицы. Кварк просто так из этого не может выбраться — это одно из проявлений необычности глюонных сил.
 |
Дальше будет еще интересней. Благодаря этому получается так, что — принцип комбинирования, который прекрасно работал в атомных ядрах, вообще не работает в протоне. Как это выглядит?
Давайте представим, например, по аналогии с атомным ядром. Пусть есть протон, который состоит из кварков. Давайте попробуем присоединить к нему еще несколько кварков, чтобы получить какой-нибудь один большой и толстый мега-протон. Такие эксперименты проводились, но что получается? Получается, эти дополнительные кварки не хотят лезть внутрь. Мы пытаемся их засунуть, а они не хотят лезть — они хотят обособиться. И вот это физики до конца сейчас не понимают, общей понятной картинки, к сожалению, пока нет. Но получается такой результат, что объединить много кварков вместе не удается.
Казалось бы, ладно — нет, так нет, попытаемся изучать, что есть. Начинаем изучать частицы и вдруг видим, что на самом деле есть аналоги протона (их около десятка), — которые экспериментально открыты, экспериментально изучены — они все очень похожи на протон. И, что самое интересное, у них большая масса. Ученые заинтересовались — как так? Из чего тогда эти частицы состоят? Провели эксперименты и выяснили, что все они состоят из тех же трех кварков. И там есть три кварка, и там есть три кварка. Эти кварки все одинаковы. Но отличие заключается в том, что они сидят по-другому. Они расположены в какой-то хитрой форме относительно друг друга, и немножко по-другому двигаются.
Если вдуматься, это тоже очень необычная вещь, потому что, в обычной повседневной жизни, если вы возьмете и переставите части, например, кубика Рубика, то ничего из него нового — какого-нибудь более тяжелого объекта — вы не получите. А здесь получается именно так: если вы как-то переставляете кварки, то в результате глюонное облако пухнет, а поскольку оно тоже весит, масса получается больше. То есть принцип комбинирования полностью нарушается.
В этом глюонном облаке нет закона сохранения «вещества облака». Если взять и внаглую кусок этого облака вытащить — такое тоже можно экспериментально сделать, — то его там не убудет вовсе. Если взять и попытаться вытащить половину облака, оно снова там нарастет, потому что кварки не могут без этого.
Закон сохранения энергии при этом конечно не нарушается. Просто если вы действительно отрываете кусок, то вы воздействуете на этот протон (вы же не можете просто взять и отцепить кусочек). Если же вы хотите забрать из протона кусок гоюонного облака, то вы должны его как-то потянуть. И в этот момент вы вкладываете дополнительную энергию в этот протон. Эта энергия целиком тратится на наращивание нового гоюонного облака.
Это можно описать примерно так: Вот есть силы, которые вы знаете, — электромагнитные силы. Это силы притяжения между электрическими зарядами. И в каком-то смысле их можно представлять как обмен частицами — эти частицы называются «фотоны». Фотоны друг с другом не взаимодействуют. Если, скажем, где- то есть сколько-то фотонов, и туда добавить еще немного фотонов, то на тех, на предыдущих фотонах это вообще никак не скажется. Это называется «принцип суперпозиции». Электрические и магнитные поля просто складываются, и все. А вот с глюонными полями такое дело не проходит. Если в облаке станет слишком мало глюонов (например, возьмете облако — и половинку облака уберете), то оставшиеся глюоны испустят новые, и они рассядутся так, чтобы все было стабильно, стационарно. Это такое свойство, которое люди раньше вообще не знали.
Здесь не работает нормальная точка зрения на то, откуда берется масса. Обычно масса складывается из массы каких-то кирпичиков. Если у нас есть три кирпича, то суммарная масса кучки из трех кирпичей будет равна утроенной массе одного кирпича. В ядерной физике тоже самое, когда протоны и нейтроны соединяются вместе, масса ядра примерно пропорциональна количеству нуклонов. А внутри протонов все абсолютно другое.
Физики посчитали — сверили теоретические расчеты с экспериментальными данными — и вычислили массу тех кварков, которые там сидят. И выяснилось, что масса их составляет примерно 2% — всего лишь! — от массы всего протона. Вы только представьте: вот есть человек, масса у него — 60 кг, и лишь около 1 кг в нем — собственно материя: всякие электроны, кварки — то есть то, что мы, собственно, называем материей. А остальные 59 — это глюонные облака, которые и весят, притягивают к земле, дают инерцию телу.
 |
Когда физики это поняли, то поудивлявшись задумались: как же можно вот эти свойства глюонного облака изучать?
Как говорилось выше, частицы изучают так: берут и сталкивают их, при этом они разлетаются, и может рождаться что-то новое. Этот способ прекрасно работает, если вы хотите узнать, например, какая энергия сидит вот в этих кварках. Именно в кварках, потому что они несут основную часть энергии. Но, к сожалению, это не помогает узнать про структуру облака.
И вот физики придумали способ: надо тоже сталкивать частицы с большой скоростью, но надо обращать внимание не на столкновения лоб в лоб, когда рождается куча всего, а на столкновения, когда они чуть-чуть задевают друг друга — пролетая слегка чиркают друг друга. Тогда кварки летят не чувствуя этого столкновения. А вот облака слегка задевая друг друга, взаимодействуют, и между ними проскакивает маленький кусочек.
Этот проскакивающий объект физики назвали «померон». В процессе перепрыгивания он существует сам по себе. Он там не зацеплен ни за какие кварки, а как будто локализован в пространстве, как будто сам по себе живет. И есть даже предположения, что он может отдельно жить. Если по протону стукнуть, то при определенных условиях померон может вырваться, отлететь и какое-то время пожить там сам по себе, без каких-либо кварков.
То есть то, что раньше было просто силой, теперь материализовалось и даже оторвалось от своих родительских кварков и сидит в пространстве. Такие объекты люди уже давно ищут, но, к сожалению, не нашли, хотя в принципе это возможно.
Самовозникающие явления
Давайте для примера, возьмем несколько иную область. Есть такое явление — сверхпроводимость. Сверхпроводимость — это когда какое-нибудь тело полностью теряет электрическое сопротивление, ток через него может течь без всякого сопротивления вообще. Если сверхпроводник замкнуть в круг и пустить через него ток, без всякого напряжения, то он будет крутиться часами, днями, годами — такие эксперименты делались. Он не затухает, крутится, крутится...
Если совсем наивно подходить к пониманию природы, то можно сказать: раз это явление есть в таком вот веществе, давайте разделим его на атомы и покопаемся в каждом атоме или каждой молекуле, попытаемся найти происхождение — что-нибудь такое, что дает ему сверхпроводимость. Вы, конечно, можете это сделать: распилить на атомы, распылить его, изучить отдельные атомы — теоретически, экспериментально, как угодно. И вы там ничего не увидите! Там не будет ни малейшего намека на сверхпроводимость, потому что сверхпроводимость ничего не знает про атомы, а атомы ничего не знают про сверхпроводимость.
Если взять один атом, то в нем не будет сверхпроводимости, просто будет атом, и все. Если два, три атома — то же самое. А вот если взять много атомов, то вдруг оно возникает. Такие явления возникают сами по себе, просто из-за того, что частицы взаимодействуют. Их не надо было закладывать изначально.
Или, например, взять явление магнетизма. Можно подумать, что если магнит притягивает железо, то он должен оставаться таким, даже если мы распилим его на отдельные атомы. На самом деле магнетизм (или правильнее - ферромагнетизм), в железе возникает из-за взаимодействия. Ничего такого особого, специфического в атомах железа нет. Все это возникает после того, как вы много этих атомов поставите и учтете, как они взаимодействуют друг с другом. Вот тогда-то постепенно и проступит отличие между железом и остальными элементами.
«Самовозникающие явления» есть не только в физике. Есть они также в математике, в экономике и даже в биологии. При желании многое можно интерпретировать как самовозникающее явление — явление, которое возникает из-за взаимодействия.
Это жутко интересные явления. Как вот физик-теоретик реально работает с этим? Когда он хочет исследовать какой-нибудь объект, он что-то знает про него — например, когда он исследует вещество, то знает, что вещество состоит из атомов. Он пишет уравнения: есть атомы и силы взаимодействия между ними — это как бы начальные данные. Это очень просто и в них ничего не видно. А вот потом он пытается эти уравнения решать. Как в школе, только эти уравнения решать очень сложно, поскольку они друг с другом сильно перепутаны. Но, тем не менее, пытается решать.
И вот это — очень завораживающее зрелище, потому что вы ничего изначально не закладывали, но какое-то явление, которое вы видите в нашем мире, вдруг само по себе рождается из формул. Это очень впечатляет.
Хиггсовское поле
Вкратце теория такая. Изначально все частицы — кварки, электроны и т.д. — были абсолютно безмассовые. Это значит, что вот, например, летел рой электронов, на него подействовала небольшая сила, и он улетел куда-то вбок. Потом, в силу каких- то особенностей (это изучается) всю Вселенную заполняет некое невидимое хиггсовское поле. «Хиггсовское» — от фамилии английского ученого Питера Хиггса, который придумал эту вещь.
Это поле равномерно заполняет всю Вселенную, его не видно, потому что все частицы движутся сквозь него. Но, когда они движутся сквозь него, они за него немножко цепляются. Это значит, что поле не дает частицам слишком быстро разгоняться. Пролетели частицы, на них подействовали какой-нибудь силой, они попытались отлететь, но поле им мешает. В результате они, конечно, отлетают, но как- то неохотно, как будто у них появилась дополнительная инертность, как будто им просто не хочется двигаться. В результате в формулах это выглядит так, будто у них появилась масса.
Можно привести такую аналогию: Возьмите кусок пенопласта и покрошите его. Когда он крошится на мелкие кусочки, получаются маленькие пенопластовые шарики. Они очень легкие. Вы можете их накрошить на стол и подуть на них — они разлетятся. Это аналогия безмассовых частиц — то есть частиц, у которых очень маленькая инертность.
Теперь аккуратно налейте на стол воды и покрошите сверху пенопласт, и снова слегка подуйте на него. Вы увидите, что шарики отплывают, но как-то уже неохотно. Если бы мы не видели эту воду, нам бы казалось, что у них появилась какая-то странная инертность, которой раньше не было. Эта инертность возникает из-за того, что им при движении приходится пробираться сквозь среду. В данном случае — сквозь воду, а в реальности — сквозь хиггсовское поле. Причем откуда берется само хиггсовское поле пока не известно.
Эта теория считается общепринятой, и по косвенным проявлениям работает, но для того, чтобы ее окончательно доказать, надо провести эксперимент на Большом адронном коллайдере, и найти особенную частицу — бозон Хиггса, ту частицу, за которую люди обязательно получат Нобелевскую премию.
Хиггсовский бозон — это колебание хиггсовского поля.
Этот пример тоже можно проиллюстрировать. Выше, я рассказывал про пенопласт и воду. Когда вы дуете на эту воду, то не просто вы видите, что сами частички куда-то поплыли, но иногда, особенно если сильно подуете на воду, увидите волны на поверхности воды, которые разбегаются. Волны — это и есть колебания той среды, которая сдерживает частицы. Так вот, бозон Хиггса — это тоже колебание хиггсовского поля. Для того чтобы его получить, надо столкнуть с большой скоростью, с большой энергией частицы. И вот поэтому его надо открыть.
Кстати существует еще проблема - масса этого гипотетичного бозона, совершенно не известно какая она, более того неизвестно есть ли она.
Есть такой термин из истории физики — эфир. Это некая постулированная среда, колебания которой являются электромагнитными волнами. Так считали более ста лет назад. Хиггсовское поле может показаться немного похожим на эфир, потому что оно тоже пронизывает всю Вселенную. Но на самом деле, оно не обладает свойствами, которые нужны для эфира. Оно, например, совершенно не воздействует на фотоны. Фотоны просто проходят и проходят, им наплевать. Ведь тот факт, что мы видим очень далекие квазары, свет от которых шел к нам 10 миллиардов лет, означает, что с фотонами за это время ничего не случилось. Иначе они бы как-то распределились, размазались, а мы видим четкое изображение этих квазаров.
 Рис. Устройство коллайдера LHC |
Нужно сказать несколько слов об главном инструменте исследователей атома строящемся - Большом адромнном коллайдере в Европейском центре ядерных исследований CERN.
Коллайдер LHC — это ускоритель встречных частиц, самая большая экспериментальная установка в мире, длина этого кольца — туннеля — составляет 27 км, а диаметр почти 9 км, глубина залегания около 100 метров.
Работает он так. Есть кольцо, по которому летают частицы. Их разгоняют в специальных ускорительных секциях до жутких энергий, а потом сталкивают. Сталкивают их в определенных местах, вокруг которых стоят чувствительные датчики. Это очень большие датчики, называются они «детекторы».
Представьте себе: частицы летают по вакуумной трубе, которая имеет несколько сантиметров в диаметре и тянется на 27 км. Траектория полета частиц подправляется магнитными и электрическими полями. Группы движущихся частиц находятся не в форме какого-то сгустка, как может показаться, а в форме длинных игл. Они очень тонкие, толщиной меньше человеческого волоса и имеют длину от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров.
Если все эти частицы и протоны собрать, то вы не сможете их увидеть, потому что их очень мало, около нанограмма. Но когда они так разгоняются, то их суммарная энергия равняется энергии реактивного самолета в движении!
Причем все это происходит при очень низких температурах: там всего 2 градуса Кельвина. Труба это не просто какая-то железка — это достаточно точная техника. Скажем, когда секции ускорительного кольца друг с другом сопоставляют, по высоте их выравнивают с микронной точностью. Это не просто взять и присобачить кусок трубы к другому куску. Эта установка очень длинная, поэтому, чтобы проехать в другой конец экспериментальной установки, нужно сделать немаленькую велопробежку, или иногда ездят на небольших машинках.
 Рис. Так выглядит тоннель коллайдера внутри |
 Рис. Внутренняя часть детектора CMS |
Вся эта техника не только сложная, но и опасная. Были, например, травмы, когда люди забывали отключить магнитное поле. Когда проходишь мимо, а в кармане, например, гаечный ключ, при таком напоре он просто вылетает из кармана и может поранить. Там, огромные энергии, и они действительно ничего не оставляют в том месте, куда попадают.
Всего на коллайдере LHC будет работать два больших детектора, которые предназначены для всего на свете — ATLAS и CMS, плюс два детектора поменьше — ALICE и LHCb. Ну, и еще несколько совсем маленьких. То есть реально там будет семь экспериментов работать, но крупных — два.
На рисунке вы видите детектор CMS. Он кажется очень мелким, но реально он размером с человека. Это цилиндр, напичканный сложной электроникой. Справа сделано небольшое увеличение, чтобы показать, сколько туда проводочков идет. И по каждому про водочку будет идти сигнал, что частица такая-то пролетела здесь, оставила столько-то заряда, и так далее. Когда все это вместе будет анализироваться — с десятков, сотен тысяч проводочков, — это все вместе и дает картину того, что же все же произошло.
События не всегда будут простые, иногда они очень сложные. На рис. 8 показано столкновение двух ядер в детекторе ALICE (моделирование). Представьте: столкнулись два ядра свинца, в них самих уже 400 частиц вместе, да еще куча родилась, и эти тысячи частиц разлетаются в разные стороны из одной точки. Детектор должен не просто посмотреть и сказать: «Ох, сколько частиц!» Он должен измерить все эти траектории, посчитать количество частиц, их энергии, все это просуммировать вместе и понять, как разлетались эти частицы. Все это требуется для лучшего понимания устройства атома. Поэтому и создают такую сложную технику.
Заключение
Этот большой коллайдер даст ответы на вопросы, которые мучают физиков уже много лет, потому что теоретики уже и не знают, что выдумывать, надо, чтобы природа на них ответила. Кроме того, он также откроет новую дорогу к дальнейшим теориям. Физики поймут, куда надо дальше двигаться и что разрабатывать.