Вселенная в своём самом малом, или что мы знаем о материи

Древние греки предположили, что вещество Вселенной состоит из мельчайших «неделимых» частиц, которые они назвали атомами. Они высказали гипотезу, что точно так же, как в языках алфавитного типа огромное количество слов строится путём комбинации небольшого числа букв, так и огромное разнообразие материальных объектов может быть результатом комбинации небольшого числа различных элементарных строительных блоков. Это было гениальным предвидением. Спустя более 2000 лет мы продолжаем считать его верным, хотя представления о сущности этих фундаментальных строительных блоков неоднократно подвергались пересмотру. В XIX в. учёные показали, что многие обычные вещества, например, кислород и углерод, состоят из мельчайших компонентов, которые, следуя традиции, идущей от греков, были названы атомами. Название сохранилось, но время показало, что оно было неправильным, поскольку атомы определённо являются «делимыми». К началу 1930‑х гг. совместными усилиями Дж. Дж. Томсона, Эрнеста Резерфорда, Нильса Бора и Джеймса Чедвика была разработана известная большинству из нас модель строения атома, похожая на солнечную систему. Атомы, которые являются далеко не самыми элементарными частицами материи, состоят из ядра (содержащего протоны и нейтроны), окружённого роем движущихся по орбитам электронов.

В течение некоторого времени многие физики считали, что протоны, нейтроны и электроны являются «атомами» в том смысле, который вкладывали в это слово древние греки. Однако эксперименты, проведённые в 1968 г. на Стэнфордском линейном ускорителе и использовавшие возросшую мощь технологий для изучения глубин микромира, продемонстрировали, что ни протоны, ни нейтроны не являются фундаментальными. Эти эксперименты показали, что они состоят из трёх частиц меньшего размера, названных кварками. Это вымышленное название было заимствовано теоретиком Мюрреем Гелл‑Манном, предсказавшим существование кварков, из произведения ирландского писателя Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Экспериментаторы установили, что сами кварки делятся на два типа, которые несколько менее изысканно были названы u‑кварками и d‑кварками. Протон состоит из двух u ‑кварков и одного d ‑кварка, а нейтрон – из двух d ‑кварков и одного u ‑кварка.

Всё, что мы видим на Земле и в небесах, по‑видимому, состоит из комбинаций электронов, u ‑кварков и d ‑кварков. Не существует экспериментальных данных, указывающих на то, что какая‑либо из этих трёх частиц состоит из элементов меньшего размера. Однако имеется масса данных, свидетельствующих о том, что Вселенная содержит дополнительные компоненты. В середине 1950‑х гг. Фредерик Райнес и Клайд Коуэн получили решающее экспериментальное доказательство существования четвёртого типа фундаментальных частиц, названных нейтрино. Существование этих частиц было предсказано в начале 1930‑х гг. Вольфгангом Паули. Нейтрино оказалось очень трудно обнаружить: это частица‑призрак, которая чрезвычайно редко взаимодействует с другими видами материи. Нейтрино средней по величине энергии легко проникает сквозь многие триллионы миль свинца, которые не оказывают ни малейшего влияния на его движение. Эта информация должна принести вам значительное облегчение, поскольку прямо сейчас, когда вы читаете эту книгу, миллиарды нейтрино, испущенных Солнцем, проходят через ваше тело и через Землю в ходе долгих скитаний по космическому пространству. В конце 1930‑х гг. физики, исследующие космические лучи (потоки частиц, которые бомбардируют Землю из космоса), открыли ещё одну частицу, названную мюоном. Эта частица идентична электрону, за исключением того, что она примерно в 200 раз тяжелее. Поскольку в мироздании не было ничего – ни нерешённых загадок, ни пустующих ниш, – что требовало бы существования мюона, нобелевский лауреат, специалист по физике элементарных частиц Исидор Исаак Раби приветствовал открытие мюона не слишком радостной фразой: «Ну, и кто это заказывал?» Тем не менее, мюон существовал. За ним последовали многие другие частицы.

Используя всё более мощную технику, физики продолжали сталкивать крошечные частицы материи всё более высокой энергии. При этом в течение коротких промежутков времени воссоздавались условия, не существовавшие со времён Большого взрыва. Среди образовавшихся осколков учёные искали новые фундаментальные частицы, чтобы добавить их к растущему списку элементарных частиц. Вот что они обнаружили: ещё четыре кварка – c, s, b и t, ещё одного, даже более тяжёлого, родственника электрона, названного тау‑лептоном, а также ещё две частицы, свойства которых схожи со свойствами нейтрино (они получили название мюонного нейтрино и тау‑нейтрино, чтобы отличить их от первого нейтрино, которое стало называться электронным нейтрино). Эти частицы образуются в соударениях при высокой энергии, они существуют только в течение коротких промежутков времени и не входят в состав обычной материи. Но и это ещё не конец истории. Каждая из этих частиц имеет соответствующую ей античастицу, обладающую такой же массой, но являющейся противоположной в некоторых других отношениях, например, противоположной по электрическому заряду (или зарядам других видов взаимодействий, обсуждаемых ниже). Например, античастица электрона называется позитроном, она имеет такую же массу, но её электрический заряд[1] равен +1, тогда как у электрона он составляет −1. При контакте вещество и антивещество взаимно уничтожаются, превращаясь в чистую энергию – вот почему антивещество, образовавшееся естественным образом, крайне редко встречается в окружающем нас мире.

Физики подметили закономерность в свойствах этих частиц (см. табл. 1.1). Частицы материи чётко разделяются на три группы, которые часто называют семействами. Каждое семейство состоит из двух кварков, электрона или одного из его родственников, и одного из типов нейтрино. Свойства соответствующих частиц в трёх семействах идентичны за исключением массы, которая последовательно увеличивается в каждом следующем семействе. В настоящее время физики исследуют структуру вещества в масштабах порядка одной миллиардной от одной миллиардной доли метра; при этом показано, что всё вещество, найденное по сей день – естественное или полученное искусственно при помощи гигантских устройств для столкновения атомов – состоит из комбинаций частиц, входящих в эти семейства, и соответствующих им античастиц.

Таблица 1.1. Три семейства фундаментальных частиц и массы частиц (в долях массы протона). Значения масс нейтрино до сих пор не удалось определить экспериментально

Взгляд на табл. 1.1, несомненно, вызовет у вас ещё большее изумление, чем то, которое испытал Раби при открытии мюона. Разделение на семейства, по крайней мере, вносит какую‑то видимость порядка, но при этом возникают многочисленные «почему». Почему требуется так много фундаментальных частиц, особенно если вспомнить, что для подавляющего большинства окружающих нас тел требуются только электроны, u ‑кварки и d ‑кварки? Почему семейств три? Почему не одно семейство, или не четыре, или не какое‑нибудь другое число? Почему наблюдается такой, на первый взгляд совершенно случайный, разброс значений масс частиц, например, почему масса тау‑частицы в 3 520 раз больше массы электрона? Почему масса t ‑кварка в 40 200 раз больше массы u ‑кварка? Все эти числа выглядят странно, они кажутся случайными. Являются ли они игрой случая, связаны ли они с каким‑то божественным выбором, или эти фундаментальные свойства нашей Вселенной имеют какое‑то разумное научное объяснение?