Удивительный мир внутри атомного ядра - Игорь Иванов

Когда сталкиваешь друг с другом частицы — ну вот протоны — с энергией, которая в 50-100 раз превышает их энергию покоя, то получается, что эти кварки могут столкнуться и резко разлететься. Когда они разлетаются, в результате получается струя. Эта струя — поток частиц, который идет примерно в направлении исходных кварков. То есть летят кварки, стукаются, разлетаются, и в результате в эксперименте мы видим поток частиц в эту сторону, поток частиц в эту сторону. Никакими иными способами, кроме как предположением о том, что там есть компактный маленький объект, который очень близко подошел и очень сильно оттолкнулся, мы не можем это описать. То есть, может быть, некоторые люди могут всю физику полностью переписать, но, к сожалению, пока такой иной теории нет.

Но есть и другие разнообразные способы, как определить наличие кварков в протоне. Например, если протон неподвижный, то у него есть статические свойства, то есть свойства неподвижного протона — ну, масса, это понятно; у него может быть спин, спин — это квантовая такая вещь; у него есть магнитный момент. У него есть несколько характеристик, которые можно экспериментально измерить с высокой точностью, причем не только в протоне, но и в других частицах такого типа. Оказывается, что если применить эту простую кварковую модель к неподвижному протону, то вроде получается очень похоже на то, что в реальности мы и наблюдаем.

Ну есть еще и третий и четвертый тип экспериментов и так далее...

На самом деле, эти кварки — здесь, конечно, всё тонко, потому что кварки, которые находятся в неподвижном протоне — это одни кварки, а кварки, которые находятся в быстродвижущемся протоне, они уже совсем другие объекты. Это все очень непросто, но вы не обращайте на это внимания. Просто поверьте, что на самом деле из разных экспериментов складывается такая картина, что есть компактные частички, которые связаны разными силами. И это всё погружено в глюонное облако. Какой-то другой картины, которая так же хорошо описывает экспериментальные данные, которых очень много, к сожалению, нету. К сожалению — потому что было бы интересно, если бы получилась совсем другая картина, которая так же хорошо описывала бы это дело.

Вопрос: Протон издалека виден как магнитный момент и электрический заряд. Если подобраться очень близко, то, может быть, эти кварки, которые его составляют, тоже имеют свои собственные магнитные моменты? Издалека эта структура похожа на баклажан, а если посмотреть ближе, они кажутся покрытыми иголками, как кактус.

Фактически это переформулировка того, что я сказал. Есть протон, который мы раньше видели как протон, какая-то частица в ядре, а потом, когда эксперименты провели и заглянули внутрь, то увидели какую-то тонкую структуру. Следующий вопрос — есть ли у кварка тонкая структура? Эксперименты на самых высоких энергиях пока что говорят, что не видно этой структуры. Может быть, она есть, но пока не видно. Ну а теоретики, конечно, горазды на выдумки, они уже кучу моделей придумали.

Недавно я видел одну статью — там дальше будет частица такая, бозон Хиггса, интересная частица, про нее все говорят — так вот, нормальная научная статья, но она не совсем обычная: там нет ничего своего. Это статья, в которой просто перечислены 200 ссылок на разнообразные исследовательские группы, которые предсказывали такую массу, такую массу, такую... В результате получается, что не важно, какую откроют — что-нибудь уже будет. То есть теоретики придумают сотню моделей с разной степенью правильности. Окончательный ответ, конечно, за экспериментом.

Самовозникающие явления

«Самовозникающие явления — явления, которые не были заложены изначально, а возникли сами собой. Встречаются повсюду в физике. Жутко интересное явление!»

Вот эту часть я закончил, но сейчас я хочу сделать небольшую паузу, небольшое такое отступление. Мне кажется, что полезно сейчас рассказать про то явление возникновения массы как будто бы из ничего в широком контексте. Потому что это довольно простая вещь, но очень важная в физике. По-моему, это одно из главных открытий в теоретической физике. Открытие заключается в том, что существуют явления, которые могут возникать сами по себе, их не надо изначально закладывать в какие-то детальки, кирпичики и формулы. Они сами по себе возникнут именно в той форме, в которой мы видим их в природе. Это поразительнейшая вещь. То, что я до этого рассказывал, — это фактически масса (ну, протона, например), которая возникала на 90% спонтанно, сама по себе. Такого типа самовозникающие явления встречаются в физике повсюду.

Давайте возьмем пример из совсем другой области. Вот есть такое явление — сверхпроводимость. Может быть, вы даже знаете. 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... Это называется сверхпроводимость. Явление это, конечно, замечательное, и физики попытались разобраться, как оно возникает.

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 — почти ничего — не знает про атомы, а атомы ничего — почти ничего — не знают про сверхпроводимость.

Если взять один атом, то в нем не будет сверхпроводимости, просто будет атом, и всё. Если два, три атома — то же самое. Ну, получится какая-нибудь там молекула маленькая. Если взять много атомов, то вдруг оно возникает. Ну, конечно, не вдруг, не скачком — оно плавно проступает, оно как будто цветок из бутона поднимается, когда вы много-много атомов берете. Но такие явления возникают сами по себе, просто из-за того, что частицы взаимодействуют. Их не надо было закладывать изначально.

Я вам историю расскажу. Я в детстве — компьютерных игр у меня тогда не было — любил фантазировать. Я себе придумывал всякие виртуальные миры, и поскольку компьютеров не было, я их рисовал. Придумал планету и решил: пусть будут на ней животные, нарисовал зоологию этой планеты. Потом дальше придумал: пусть на ней будет своя химия. Это, конечно, глупость, потому что мы понимаем, что химия во всей Вселенной одинакова, а химические элементы — они везде одинаковы. Но захотелось пофантазировать, и я нарисовал периодическую систему элементов имени Иванова и просто населял ее новыми элементами. Я смотрел на окружающий мир и думал: что бы такого придумать? Решил, что, например, элементы такого-то ряда будут магнитные. То есть я решил, что внутри атома будет такой маленький магнитик, специальный, который приводит к магнетизму, если создать вещество из этого элемента.

Это тоже очень наивный взгляд на вещи, потому что он ориентируется на то, что если есть магнетизм (точнее, в физике это называется «ферромагнетизм» — то, что магнит притягивает металлические штуки), то он должен оставаться, даже если мы распилим его на отдельные атомы. То есть если, буквально, взять отдельные атомы, то железо, которое, как мы знаем, ферромагнитное, должно чем-то таким отличаться от всех, раз оно обладает таким сильным магнетизмом.

На самом-то деле магнетизм — ферромагнетизм — уже давно исследован, и получается, что ферромагнетизм в железе возникает именно из-за взаимодействия. Ничего такого особого, специфического в атомах железа — именно в атомах — нету. Всё это возникает после того, как вы много этих атомов поставите и учтете, как они взаимодействуют друг с другом, — вот там-то самая хитрость получается — и возьмете большой объемчик, и вот тогда-то проступит постепенно отличие между железом и остальными элементами. Конечно, есть и другие вещества, которые магнитят, но железо — самое известное.

Я еще хочу сказать, что эта вещь возникает не только в физике, разных ее областях. В математике есть самовозникающие явления, в экономике есть самовозникающие явления, даже в биологии они есть. При желании многое можно интерпретировать как самовозникающее явление — явление, которое возникает из-за взаимодействия.