Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд

Многие сочетания этих и четырех других разновидностей кварков возможны в принципе и могут на мгновения возникать в лабораториях. Но для нашего мира важны два – это триплет uud, образующий протон, и триплет udd, благодаря которому создается нейтрон. Простое суммирование даст нам заряды этих составных частиц: uud — +2/3 + 2/3 – 1/3 = +1 для протона и udd – + 2/3 – 1/3 – 1/3 = 0 для нейтрона. Их спины, сочетаясь, дают чистую величину в ± 1/2. Но с их массами дело обстоит совершенно иначе.

Кажется очевидным, что масса трех кварков должна просто составлять сумму масс каждого отдельного кварка. Согласно таким расчетам, масса протона должна была бы оказаться в 4,0 + 4,0 + 9,4 = 17,4 раза больше массы электрона. Но, взвесив протон, мы получим совершенно иной результат: его масса превышает массу электрона в 1836 раз, иными словами, она в сто с лишним раз больше простой суммы отдельных масс (и эквивалентна 1,67 × 10–27 кг). Откуда берется вся эта избыточная масса? Ее источник – «клей», благодаря которому кварки соединяются воедино. Как мы уже говорили, кварки – это уникальные обитатели «зоопарка частиц», поскольку только они реагируют на сильное ядерное взаимодействие. Точно так же, как и дополняющее его слабое ядерное взаимодействие, оно имеет свои особенности, поскольку существует только на масштабах, сравнимых с размерами атомного ядра (примерно 10–14 м, 1 % от триллионной доли метра). Кварк, проходящий мимо протона, скажем, в 5 % от триллионной доли метра, не отреагирует совершенно никак.

Это радикально отличается от других взаимодействий, знакомых нам по повседневной жизни, а именно электромагнитного и гравитационного – их дальность неограниченна. Чем дальше друг от друга располагаются два объекта, обладающие массой или зарядом, тем слабее воздействие электромагнетизма и гравитации, которому они подвергаются, но само оно не исчезает. Нептун находится на расстоянии в 4,5 миллиарда километров от Солнца, и сила притяжения воздействует на него в 900 раз слабее, чем на Землю, но он тем не менее движется по орбите вокруг Солнца из-за их взаимного гравитационного взаимодействия. Оба ядерных взаимодействия, напротив, просто исчезают за пределами атомного ядра.

И именно глюоны, сами по себе не обладающие массой, но в изобилии переносящие энергию, увеличивают массу протона в сто с лишним раз по сравнению с простой суммой масс составляющих его кварков (сюда вносит свой вклад и кинетическая энергия самих кварков, болтающихся в своем маленьком мешочке). У нейтрона, по сравнению с протоном, один из u-кварков заменен на немного более тяжелый d-кварк, и сам нейтрон тоже слегка массивнее (на 0,14 %). За исключением атома Водорода, ядро которого составляет один-единственный протон, все остальные атомы, о чем мы подробно поговорим чуть позже, содержат как протоны, так и нейтроны, соединенные вместе.

Ядро

Сердце атома и его сущность, воплотившая в себе все его своеобразие, – это ядро, тугой маленький шарик из протонов и нейтронов, упакованных в пространстве, диаметр которого равен всего нескольким триллионным долям миллиметра12. Здесь, где все положительно заряженные частицы находятся в такой тесноте, электростатическое отталкивание, которое испытывают протоны по отношению друг к другу, огромно, но сильное ядерное взаимодействие оказывается сильнее и удерживает частицы, не позволяя им разлететься.

Своеобразие атома определяется количеством его протонов, и все возможности, от 1 до 94, представлены в природе. Количество протонов называется атомным номером и символически записывается как подстрочный индекс, предшествующий химическому символу элемента. У Углерода это выглядит так: 6С. Поскольку у каждого элемента есть уникальный символ, а также уникальное количество протонов, подобная система обозначений в каком-то смысле избыточна, и подстрочный индекс часто не указывают: если это атом Углерода, то у него шесть протонов, а если у атома шесть протонов, то это Углерод.

Другие обитатели ядра – нейтроны. Они электрически нейтральны и не усиливают электростатическое отталкивание, однако вносят свой вклад в большую часть притяжения, обусловленного сильным ядерным взаимодействием, и тем самым помогают стабилизировать ядро. У самой легкой пары из десятка элементов число протонов и нейтронов, как правило, примерно равно, но по мере того как мы восходим все выше в иерархии и добираемся до более тяжелых элементов с большим количеством протонов, приходится добавлять дополнительные нейтроны, чтобы противостоять уже упомянутым силам электростатического отталкивания: например, у Урана 92 протона обычно сопровождаются 146 нейтронами.

Обратите внимание на слово «обычно» в последнем предложении. В то время как число протонов однозначно определяет, какой именно перед нами элемент, у числа нейтронов нет столь явно выраженной «обязанности». В главе 5 мы еще поговорим о том, что в ядре того или иного элемента может присутствовать разное количество нейтронов. Более того, этот факт станет критически важным по мере того, как мы начнем применять атомы для воссоздания истории.

Атом

Теперь, когда мы разобрались с ядром, нужно только добавить электроны, и мы получим завершенный атом. Для этого требуется сделать так, чтобы положительно заряженное ядро привлекло к себе свиту из отрицательно заряженных электронов, и в этом ему помогает электромагнетизм: противоположности притягиваются. Поскольку заряды протона и электрона в точности равны и противоположны по знаку, у нейтрально заряженного атома количество электронов совпадает с количеством протонов: у Водорода один электрон, у Углерода шесть, у Кислорода восемь, а у Урана девяносто два.

Повторим, что два взаимодействия, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни, – это гравитация и электромагнетизм. Гравитационное взаимодействие, которое, в сущности, представляет собой отклик на свойство вещества, называемое массой, позволяет вам стоять на земле (и сидеть на стуле) и ощущается в вашей жизни как довлеющая сила – даже Майкл Джордан в свои лучшие годы мог подпрыгнуть вверх не более чем на 120 см. Электромагнитное взаимодействие, происходящее благодаря положительным и отрицательным зарядам, рождает свет, служит основой химических реакций, движет стрелкой компаса и заряжает ваш телефон, но вы почувствуете его только в том случае, когда пройдете по ковру, коснетесь металлической дверной ручки и получите краткий удар током. На основе такого опыта можно предположить, что гравитация сильна, а электромагнетизм слаб.

И если мы сделаем такое предположение, то окажемся в высшей степени неправы. На самом деле электромагнитное взаимодействие в триллион триллионов триллионов (это не опечатка, в 1036 раз) сильнее гравитации. Ключевая разница между двумя этими фундаментальными силами заключается в том, что у гравитации только один знак – она всегда притягивает, – в то время как в электромагнитном взаимодействии участвуют два заряда, положительный и отрицательный, которые в обычных условиях, причем в масштабах от одного-единственного атома до планеты, совершенно нейтрализуют друг друга.