Удивительный мир внутри атомного ядра - Игорь Иванов

Удивительный мир внутри атомного ядра

Игорь Иванов,

кандидат физико-математических наук,

Институт математики СО РАН (Новосибирск) и Льежский университет (Бельгия)

Научно-популярная лекция для школьников, ФИАН, 11 сентября 2007 года

Удивительный мир внутри атомного ядра

Сначала я вам расскажу, ну, как бы идеи, которые есть в современной физике, которая изучает то, что происходит внутри атомных ядер и даже еще глубже — внутри частичек, а потом, в самом конце, я покажу несколько слайдов про тот эксперимент, которого физики ждут уже многие годы. Этот эксперимент уже начали собирать по кусочкам, по деталькам уже 10 лет назад, и в следующем году его запустят. Сейчас уже приготавливаются элементы самой большой экспериментальной установки в мире — это Большой адронный коллайдер в Швейцарии. И вот этот эксперимент, который в следующем году запустится, даст ответ на многие вопросы и, фактически, подтолкнет физику к развитию дальше. Поэтому несколько слайдов, технических, экспериментальных покажу и, вот, про этот эксперимент. Ну что ж, поехали.

Как живет протон?

Вы вот здесь собрались, а раз собрались, значит вам интересна физика. Наверное, вы читали какие-нибудь научно-популярные книжки или статьи и поэтому про устройство мира немножко знаете. Если вам первые две-три минуты покажутся чем-то знакомым — ничего страшного, потому что я начну с простых вещей. Но будьте внимательны, потому что быстро достаточно я перейду к вещам, о которых в школе не говорят. Но они достаточно простые, поэтому я тоже хочу про них рассказать. (Вопросы, если будут, задавайте.)

Итак, начнем с самых простейших вещей, которые знают, наверное, все, ну или почти все. Вот всё, что есть вокруг нас, — люстра, например, пол, воздух — всё это состоит из молекул. Молекулы состоят из атомов. Это всё вы прекрасно знаете, это проходится даже, наверное, в средних или в начальных классах школы. Молекул на свете очень много. Я не знаю, сколько химики понасинтезировали веществ — думаю, что миллионы. И каждое вещество — особенное, потому что у него есть своя особенная молекула. Вот эти миллионы разных молекул на самом деле конструируются из атомов, которых не так много. Вот вы тоже, наверное, знаете периодическую систему: там чуть больше сотни атомов открыты сейчас, сотни элементов. В природе реально встречается и того меньше.

Так вот, из этого небольшого количества атомов можно комбинированием создать очень много разных молекул. Атомы — ну, вы тоже это хорошо знаете — не элементарны: они состоят из компактного ядра, которое там, вот, в центре находится, оно очень тяжелое, и электронных оболочек, которые сидят. (Я вам сейчас рассказываю эти простые вещи просто для того, чтобы ввести слова. Потом эти слова будут важны.) И, в конце концов, то ядро, которое сидит внутри каждого атома, которое очень маленькое по сравнению с атомом, но очень тяжелое, — оно тоже не элементарно: оно состоит из протончиков и нейтрончиков. Это вы тоже прекрасно знаете.

Это всё проходится в школе, и, казалось бы, это всё очень простые вещи, но на самом деле на эту ситуацию можно посмотреть чуть-чуть с иной стороны, на которую обычно не обращают внимания. Я сформулирую это так: во этих всех ситуациях, которые здесь у нас есть, — молекулы, атомы и ядра — везде работает принцип, который я назвал «принципом комбинирования».

Что это такое? Давайте я поясню. На самом деле, идея очень простая, даже слишком простая на первый взгляд. 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 нём есть. И поэтому усложнение объекта неизбежно связано с увеличением количества кусочков. Это работает и в обычных молекулах (вы представляете, какие бывают молекулы — бывают совсем маленькие, но если их соединить вместе, получаются большие, а есть и совсем гигантские молекулы, состоящие из большого числа атомов). То же самое работает и в атомах, и в атомных ядрах (есть ядра очень маленькие; например альфа-частица — очень маленькое ядро, но если присобачивать туда дополнительные протоны и нейтроны, то получаются в результате тяжелые ядра).

Казалось бы, зачем про это столько говорить? Это всё вообще элементарно. Казалось бы, как вообще иначе-то может быть? Настолько это очевидно. Так вот, когда мы окунемся в глубину протона, там будет совсем иначе. Там это не будет работать.

Но это будет через пять минут, а пока давайте посмотрим, до чего докопалась физика сейчас.

Возможно, и эту картинку вы тоже знаете, по крайней мере в 11-м классе по физике ее проходят. Современная физика «залезла» в самые глубины вещества. Это не так просто, как может показаться, потому что маленькие частички — их 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 каких-то частиц, и выяснили, что проще всего их просто сталкивать друг с другом.

Сейчас эти эксперименты ставятся в разных центрах мира — это ускорители, которые разгоняют частицы и сталкивают их друг с другом. Если будут вопросы, я потом расскажу детали, и в конце тоже расскажу немного про эти эксперименты. Пока что нам важно знать, что эти эксперименты есть, что частицы сталкиваются друг с другом, и когда результаты столкновений рассматриваешь, то просто понимаешь, из чего они состоят.

Проанализировав всё это — а эти эксперименты начались примерно 40 лет назад, — физики быстро пришли к выводу, что протон тоже не элементарен. В нем есть тоже структура, и эта структура достаточно простая: там есть три маленьких компактных объекта, которые называются кварками...

Голос из зала: Это ошибка!

И.И.: Ошибка?

Голос из зала: Да. Очень просто. Значит, во-первых, сам подход...

И.И.: Подождите, подождите...

Голос из зала: Уже здесь вот, при модели трех кварков — уже ошибка...

И.И.: Понятно. Можно я отвечу сразу?

Голос из зала. (Неразборчиво.)

И.И.: Я охотно верю, что вы можете это объяснить. Дело в том, что, естественно, что на всех этих слайдах будет огромное количество упрощений, то есть на самом деле с научной точки зрения там есть много неточностей. Но вот поскольку эта лекция ненаучная, да то я эти неточности просто опускаю, я их не обсуждаю.

Голос из зала. (Неразборчиво.)

И.И.: То есть вы считаете, что это все неправильно?

Голос из зала: Я это не считаю, это очевидный факт.

И.И.: Так. Ну давайте продолжим, а потом можно пообсуждать...

На самом деле, я просто хочу сказать следующее: что тема эта довольно опасная, потому что есть много людей, которые плохо разбираются в этой теме. На самом деле, серьезно. Просто, действительно, в науке есть несколько тонких моментов, вокруг которых идут споры. Тем не менее, есть экспериментальные данные — их очень много, — которые сейчас общепринято формулировать в таком виде: есть три компактных объекта (на всякий случай — в покоящемся протоне), которые примерно окружены таким... нечто такое окружает их, которое можно условно назвать «глюонное облако». Глюоны — это частицы, которые фактически приводят к притяжению этих кварков. И вот здесь происходит на самом деле очень интересная вещь — я, более того, даже смело скажу: вещь, с которой человечество раньше вообще никогда не встречалось. Эти глюонные силы очень необычны.

То, что происходит, выглядит примерно так. Опять же, с большими упрощениями, очень кратко, но выглядит это примерно так. Те силы, 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. Представляете? То есть не просто есть какие-то частицы, связанные силами, а вот эти поля, которые их связывают, вдруг начинают жить собственной жизнью. У них появляется материальная сущность.