Пределы материи

С древнейших времен человек задавался вопросом о том, из чего же состоит окружающий нас мир. Античность подарила миру красивую теорию о четырех элементах - огне, воздухе, воде и земле, - которые лежат в основе вещества.

С древнейших времен человек задавался вопросом о том, из чего же состоит окружающий нас мир. Античность подарила миру красивую теорию о четырех элементах - огне, воздухе, воде и земле, - которые лежат в основе вещества. Древнегреческий мыслитель Демокрит предложил концепцию атомов, бесструктурных неделимых частиц материи, носящихся в пустоте и познаваемых только с помощью разума. Будущее показало, что Демокрит кое в чем оказался прав. Однако ученые научились познавать атомы не только в теориях…

В XIX веке наука пришла к выводу, что мир построен из атомов 60-70 элементов, которые Д. И. Менделеев систематизировал в периодической таблице. В 1911 году Эрнест Резерфорд, направив поток альфа-частиц от радиоактивных элементов на тонкую золотую фольгу, показал, что на самом деле атом не является бесструктурной и неделимой единицей материи. Модель атома Резерфорда хорошо известна всем нам: в центре атома, имеющего размеры
10^-8 см, находится область концентрации положительного заряда - ядро размером около 10^-13-10^-12 см, а вокруг него вращаются отрицательно заряженные частицы - электроны. Чтобы представить эти масштабы, прибегнем к аналогии: если бы атом имел размеры в сто метров, диаметр ядра составил бы менее одного сантиметра. В ядре сконцентрировано около 99,95% массы всего атома.

Вскоре после опытов Резерфорда ученые обнаружили, что атомное ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов (общее название - нуклоны, то есть частицы атомного ядра). Однако и нуклоны не являются неделимыми частицами: эксперименты показали, что они состоят из кварков - частичек еще более мелких.

Стандартная модель

В XX веке благодаря развитию экспериментальной физики высоких энергий ученые на все более мощных ускорителях открывали все новые и новые частицы. Таким образом, назрела необходимость в общей теории, систематизирующей данные о строении материи. И она появилась - это так называемая стандартная модель (СМ).

СМ говорит, что окружающий нас мир состоит из шести кварков: down, up, strange, charm, beauty, top и шести лептонов: электрон, мюон, таон и соответствующие им типы нейтрино. Между частицами имеет место три типа взаимодействия:

• электромагнитное - взаимодействие электрических зарядов, переносчиком которого является электрон;

• сильное, благодаря которому существуют ядра, действует между кварками, переносчики взаимодействия - глюоны;

• слабое - возникает в различных процессах мира элементарных частиц, переносчики взаимодействия - W⁺- и Z⁰-бозоны.

К сожалению, СМ не включает в себя силу гравитации, которая играет важную роль в нашем мире, однако на уровне элементарных частиц она пренебрежимо мала. Есть и ряд других проблем в СМ, но, тем не менее, она очень хорошо описывает известные физикам процессы, и многие ее предсказания были подтверждены экспериментально.

В 1995 году американские ученые из Лаборатории Ферми открыли самый тяжелый кварк - top. В Европейском центре ядерных исследований (CERN ¹) на ускорителе LEP было показано, что в области доступных нам энергий существует именно шесть лептонов, а не какое-то другое число. Это подтвердило и недавнее обнаружение последней неоткрытой частицы в СМ - тау-нейтрино - в ходе международного эксперимента DONUT.

Несомненным торжеством СМ стало бы открытие Хиггс-бозона, существование которого предсказал более тридцати лет назад английский физик Питер Хиггс (Peter Higgs). Именно эта частица, как считают ученые, «виновата» в том, что элементарные частицы обладают массой. Поле невидимых нам Хиггс-бозонов должно заполнять все пространство, и чем сильнее частица взаимодействует с ним, тем больше ее масса. В сентябре 2000 года появились сообщения, что на европейском ускорителе LEP зафиксированы события, похожие на рождение Хиггс-бозона (см. «КТ» #356). Однако многие физики к этим сообщениям отнеслись скептически.

Продолжаются и попытки заглянуть в области, не охватываемые СМ. Много надежд ученые возлагают на так называемые суперсимметричные частицы - партнеры обычных частиц, позволяющие объединить свойства лептонов и бозонов - частиц с разными квантовыми числами. В этой новой модели, которая может прийти на смену СМ, нашлось бы место и для гравитации…

Не утихают споры и о том, имеет ли массу нейтрино - элементарная частица, которая очень слабо взаимодействует с веществом (именно из-за этого «неприятного» свойства нейтрино так трудно изучать). Одни ученые считают, что у нейтрино нет массы, другие же придерживаются мнения, что ее масса равна нескольким десятитысячным долям массы электрона. Решение этого вопроса может существенно облегчить жизнь не только ядерщикам, но и астрофизикам - уже давно существует предположение, что ненаблюдаемая масса вселенной (так называемая темная материя), которая фиксируется в ряде астрономических явлений, сосредоточена именно в нейтрино.

Вперед в прошлое

Думаю, все читатели хотя бы раз в жизни слышали про теорию Великого объединения. Речь идет о том, что все силы, существующие в природе, являются проявлением одной всеобщей фундаментальной силы. Есть ряд соображений, дающих основания полагать, что в момент Большого взрыва, породившего нашу вселенную, существовала только эта сила. Однако с течением времени вселенная расширялась, а значит, остывала, и единая сила расщепилась на несколько разных, которые мы сейчас и наблюдаем. Теория Великого объединения должна описать электромагнитную, сильную, слабую и гравитационную силы как проявление одной всеобщей силы. Определенный прогресс уже есть: ученым удалось построить теорию, объединяющую электромагнитное и слабое взаимодействия. Однако основная работа над теорией Великого объединения еще впереди.

В близкой сфере работают и ученые, посвятившие себя изучению возможности существования пятого состояния вещества - кварк-глюонной плазмы. В обыденной жизни мы сталкиваемся с твердым, жидким и газообразным состояниями материи. Если нагреть вещество до температур, достаточных, чтобы какая-либо часть или все электроны атомов перешли в свободное состояние, - мы получим обычную плазму. Как отмечалось выше, протоны и нейтроны, из которых состоит атомное ядро, в свою очередь состоят из кварков и связывающих кварки глюонов. Как считают ученые, если сильно нагреть и/или сжать атомное ядро, то сильное взаимодействие перестанет удерживать кварки, и ядро превратится в «суп» из кварков и глюонов - то есть в кварк-глюонную плазму. Сделать это можно на мощном ускорителе, столкнув два ядра, разогнанные до очень высоких энергий. При столкновении на миг может возникнуть кварк-глюонная плазма, что удастся зафиксировать рядом тестов. В конце 1990-х годов на ускорителе SPS в ЦЕРНе было получено косвенное свидетельство того, что кварк-глюонная плазма действительно существует. Задача ученых XXI века - подтвердить или опровергнуть существование пятого состояния вещества. В изучении кварк-глюонной плазмы заинтересованы и астрофизики - они предполагают, что вселенная существовала в виде кварк-глюонного «супа» до момента около 10^-5 секунды от Большого взрыва, положившего начало миру, и надеются, что свойства кварк-глюонной плазмы помогут лучше понять историю и механизмы образования вселенной.

Пустота и яма

Уже лет пятьдесят прошло с тех пор, как ученые извлекли из архивов подзапылившуюся идею Аристотеля, сказавшего более двух тысяч лет назад: «Природа не терпит пустоты». Что есть вакуум? Пустое место, вместилище частиц? Нет! В соответствии с представлениями квантовой механики в вакууме на короткие мгновения наблюдаются отклонения от закона сохранения энергии: рождаются пары «частица-античастица», которые тут же аннигилируют, то есть взаимоуничтожаются, превращаясь в другие частицы. Такие пары принято назвать виртуальными. Например, виртуальная пара электрон-позитрон может существовать 10^-21 секунды. Вакуум, на взгляд современных физиков, - кипящее пространство виртуальных частиц. Для того чтобы подчеркнуть, что вакуум не так пуст, как кажется, ученые используют термин «физический вакуум». Вакуум перестает быть нулевым уровнем энергии, и это приходится учитывать в физике элементарных частиц.

Еще более экзотический вопрос, встающий перед физиками XXI века: сколько же пространственных измерений у нашей вселенной? Теоретики в своих построениях микромира зачастую прибегают к странному на первый взгляд методу: они постулируют, что на уровне кирпичиков мироздания у вселенной появляются дополнительные степени свободы - новые пространственные измерения.

Однако у окружающего нас мира только три пространственных измерения - длина, ширина и высота; и одно - временное. Как же совместить полет фантазии ученых и реальную жизнь?

Современные теоретики нашли объяснение этому, основываясь на пионерских работах немецких математиков Теодора Калузы и Оскара Клейна, которые еще в 1920-е годы занимались различными вопросами теории многомерных пространств.

Согласно этому объяснению, наш мир в пятом измерении располагается в очень узкой энергетической потенциальной яме. В соответствии с некоторыми теориями, ее ширина в пятом измерении - около одного миллиметра. Поскольку мы и окружающие нас вещи обладаем небольшими энергиями, мы не можем выйти за пределы этой потенциальной ямы. Чтобы начать двигаться в пятом измерении, надо обладать очень большой энергией. Предполагается, что строящийся в ЦЕРНе ускоритель LHC позволит достичь нужных значений энергии. В этом случае при столкновениях частиц будут наблюдаться странные вещи… Святая святых современной физики - закон сохранения энергии - будет нарушаться! Поскольку частицы, приобретя энергию, достаточную для выхода из потенциальной ямы, будут «убегать» в пятое измерение и тем самым исчезать из нашего четырехмерного мира. Такие исчезновения, если они будут иметь массовый характер, довольно легко зафиксировать.

Если окажется, что наш мир изогнут в пятом измерении, перестают быть мечтой полеты со сверхсветовыми скоростями: чтобы быстро преодолевать большие расстояния, надо всего лишь двигаться… в пятом измерении. Вы скажете: фантастика! Но как знать, ведь многое из того, что кажется нам обыденным, в глазах наших предков выглядело бы чудом.

[i39526]