Тонкая физика. Масса, эфир и объединение всемирных сил - Фрэнк Вильчек

«Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, могло бы передать наибольшую информацию? Я считаю, что это — атомная гипотеза (или факт, или как угодно), которая заключается в том, что все тела состоят из атомов...» (выделение автора).

Тем не менее великий и самый полезный «факт» того, что все вещи состоят из атомов, является неполным в трех важных отношениях. (Подобно нулевому закону Ньютона или величайшему открытию в астрономии, эта глубокая, в значении Бора, истина является глубоко ложной.)

Одним из них является существование темной материи и темной энергии, о которых мы уже упоминали. Когда фейнмановские лекции в 1963 году были опубликованы, о их существовании только начали подозревать. Несколько астрономов, начиная с Фрица Цвикки, начали работу над решением того, что они назвали проблемой недостающей массы, уже в 1933 году. Однако замеченные ими аномалии представляли собой только небольшую часть из многих других в зарождающейся науке наблюдательной космологии, и лишь некоторые ученые сразу восприняли их всерьез. В любом случае существование темной материи и темной энергии на самом деле не влияет на смысл сказанного Фейнманом. На начальных этапах реконструкции науки после катаклизма[3]знание о существовании темной материи и темной энергии было бы обременительной роскошью.

Два других гораздо более приземленных уточнения на самом деле имеют центральное значение. Они действительно должны быть включены в наше состоящее из единственного предложения послание к будущим поколениям существ, даже если бы это привело к тому, что одна фраза превратилась бы в такое длинное предложение, использования которого мои учителя рекомендовали мне избегать и за которое снимали баллы на экзамене, несмотря на то что Генри Джеймс и Марсель Пруст стали очень известными, несмотря на использование только такого рода предложений, потому что они приемлемы, если вы пишете литературные произведения, но никуда не годятся при передаче информации.

Во-первых, есть материя света. Свет является самым важным элементом «всех вещей», и он, разумеется, совершенно отличен от атомов. Существует естественная склонность рассматривать свет в качестве чего-то абсолютно непохожего на материю, в качестве нематериального или даже духовного. Свет действительно на вид довольно сильно отличается от вещественной материи, то есть от материи, о которую вы можете споткнуться и потоки которой могут сбить вас с ног. Было бы целесообразно поведать тем, кто уцелеет после апокалипсиса, гипотезу Фейнмана о том, что свет представляет собой еще одну форму материи. Можно даже сказать им, что свет тоже состоит из частиц — фотонов.

Во-вторых, атомы — это еще не все. Они состоят из более фундаментальных строительных блоков. Несколько подобных подсказок направили бы уцелевших людей по пути развития научной химии и электроники.

Соответствующие факты можно резюмировать в нескольких предложениях. (Я не буду пытаться уместить их в одной фразе.) Все вещи состоят из атомов и фотонов. Атомы, в свою очередь, состоят из электронов и атомных ядер. Размер ядра гораздо меньше, чем размер самого атома (он составляет примерно одну стотысячную, или 10–5, радиуса), однако ядро содержит весь положительный электрический заряд и почти всю массу атома — более 99,9 %. Целостность атома поддерживается благодаря электрическому притяжению между электронами и ядрами. И наконец, ядра состоят из протонов и нейтронов. Ядра скрепляются другой силой, которая является гораздо более мощной, чем электрическая сила, но действует только на коротких расстояниях.

Этот рассказ о материи отражает состояние научного знания, характерного для 1935 года. Это то, что вы по-прежнему находите в большинстве вводных курсов физики. Чтобы отдать должное нашему самому лучшему современному пониманию, мы должны будем проверить, изменить и уточнить почти каждое написанное в этих учебниках слово. Например, теперь мы знаем, что протоны и нейтроны представляют собой сложные объекты, состоящие из более элементарных кварков и глюонов. Мы доберемся до этих уточнений в последующих главах. Однако представление 1935 года полезно в качестве удобного эскиза, общего описания, позволяющего достаточно ясно видеть только то, что нам нужно сделать для выяснения происхождения массы.

Большая часть массы находится в атомных ядрах, а ядра состоят из протонов и нейтронов. Масса электронов составляет менее 1 %, а масса фотонов — еще меньше. Таким образом, вопрос о происхождении массы обычной материи принимает вполне определенную форму. Чтобы определить происхождение большей части массы вещества — более 99 %, — мы должны выяснить происхождение массы протонов и нейтронов, а также понять, как эти частицы объединяются в атомные ядра. Ни больше ни меньше.

В 1930 году стало понятно направление для следующего шага на пути к созданию полной теории материи. Путешествие вглубь атома достигло предела — его ядра.

Большая часть массы вещества заключена в атомных ядрах. Электрический заряд, сосредоточенный в них, создает электрические поля, которые определяют движение окружающих электронов. Ядра намного тяжелее, и поэтому обычно движутся гораздо медленнее, чем электроны. Последние являются действующими лицами в химических и биологических процессах (не говоря уже об электронике), а ядра находятся за кулисами и пишут сценарии.

Несмотря на то что в биологии, химии и электронике атомные ядра в основном остаются в тени, они блистают в истории о звездах. Именно из перекомпоновки и превращений ядер звезды, в том числе, конечно же, наше Солнце, черпают свою энергию. Таким образом, важность понимания атомных ядер была и остается очевидной.

Однако в 1930 году упомянутое понимание было примитивным, и задача его развития встала в физике очень остро. В своих лекциях Энрико Ферми рисовал нечеткое облако в центре диаграммы атома с пометкой: «Здесь драконы», как в древних картах. Здесь проходила граница того, что предстояло изучить.

С самого начала было ясно, что ядерным миром правят другие, новые силы. Классическими силами доядерной физики являются гравитация и электромагнетизм. Однако в ядрах действуют отталкивающие силы: ядро имеет общий положительный заряд, а одноименные заряды отталкиваются. Гравитационные силы, действующие на небольшое количество массы в любом отдельно взятом ядре, слишком слабы, чтобы преодолеть электрическое отталкивание. (Мы гораздо подробнее поговорим о слабости гравитации во второй части этой книги.) Нужна была новая сила. Она получила название сильного взаимодействия. Чтобы ядра оставались плотно связанными друг с другом, сильное взаимодействие должно было быть более мощным, чем любое из ранее известных.