Напрыгали, как черти из табакерки!
В прошлой главе мы одну хорошую вещь с вами повторили и проговорили – в мире существуют вещество и поле. Если два куска вещества сталкиваются непосредственно – как, например, лоб человека с дверным косяком, они со стуком взаимодействуют. Здесь взаимодействие передается касанием. Но бывает и дистанционная передача, похожая на колдовство, – на расстоянии воздействие передается с помощью поля, которое простирается в пространстве вокруг магнита, притягивающего разложенные скрепочки. Или вокруг Земли, если речь идет не об электромагнитном поле, а о гравитационном.
Кроме того, в предыдущих частях книги мы узнали, что бывают разные виды взаимодействия – сильное и слабое. Сильное весьма мощное, но короткодействующее, и отвечает за удерживание нуклонов в ядре атома (напоминаю, оно противодействует электростатическому отталкиванию положительно заряженных протонов). А слабое – это распадное взаимодействие, отвечающее за распад частиц и развал атомных ядер. Помните – распад одинокого нейтрона…
Возникает вопрос: если гравитационное взаимодействие передается полем и электромагнитное передается тоже полем, то, может быть, слабое и сильное также имеют полевую природу?
Да, имеют. Но об этом чуть позже. Сейчас же вернемся к тому простому и незатейливому случаю, с которого начали эту главу и который не должен, казалось бы, вызывать никаких вопросов – например, с приятным стуком сталкиваются и разлетаются два бильярдных шара или голова незадачливого гражданина и дверной косяк. Как передается взаимодействие между твердыми электронейтральными и немагнитными телами в момент их соприкосновения?
Что при этом происходит на уровне атомов?
Вопрос непростой! Мы ведь уже знаем, что атомы практически пусты внутри, в них чуть-чуть «реального» вещества, да и то практически целиком сосредоточено в ядре, а от плотного ядра до крайних электронных оболочек – огромное, по атомным меркам, расстояние. Сами же электронные облака, оболочки или орбита́ли, как их еще называют, почти ничего не весят, электроны-то легонькие и крохотные! Во взрослом человеке массой примерно 70 кг электроны весят всего 20 граммов, а весь остальной вес приходится на ядра атомов.
Короче, 99,9999 % объема атома – это пустота, не занятая никаким веществом. Ядро в атоме занимает одну стотриллионную часть объема атома. А электроны атома занимают еще меньший объем, чем ядро.
Атом практически пуст!
И вот мы берем воображаемый супермикроскоп и начинаем смотреть в него с целью выяснить, что же происходит, когда сближаются два бильярдных шара. Шары на первый, то есть невооруженный, взгляд гладкие. Но мы видим при большом увеличении, как они вот-вот коснутся друг друга довольно шероховатыми поверхностями, напоминающими горы на планете. Прибавляем увеличение воображаемого микроскопа и начинаем различать уже отдельные молекулы, затем атомы. Вот атомы двух шаров приближаются друг к другу. Точнее, приближаются их электронные шубы. Но электронные шубы – практически пустота. Электрончики мало того что крохотные и болтаются на очень удаленных от ядра орбитах, так они еще одновременно и волны, то есть «существа» весьма эфемерные. По сути, атомам нечем соприкасаться!
Отчего же они не проходят друг сквозь друга?
Почему атомы не проходят друг сквозь друга, как на этом рисунке?
А оттого, что одноименно заряженные частицы (например, электроны) отталкиваются. Чем? Полем. И это значит, что никакого соприкосновения твердых тел на самом деле не существует! Ничто там не соприкасается, потому что соприкасаться практически нечему – пустота одна с эфемерным трепетанием электронных облаков! Фактически внешние электроны атомов двух стукающихся друг о друга бильярдных шаров взаимодействуют друг с другом дистанционно, на расстоянии, через поле! Правда, это расстояние очень маленькое, но все равно мы наблюдаем типичное дальнодействие.
Именно так и происходят все соударения всех твердых тел – через электростатическое отталкивание электронных оболочек их внешних атомов.
А как поля двух сближающихся электронов «общаются» друг с другом, как они друг друга чувствуют? И что такое вообще – поле? Из чего оно сделано?
На этот вопрос физики вам не ответят. На этот вопрос знают ответ только философы. Они говорят так: поле – это особый вид материи. И многозначительно замолкают, закатывая глаза.
Зато на первый вопрос – как полевое взаимодействие передается – физики ответ имеют. Передатчиком электромагнитного взаимодействия являются кванты электромагнитного поля – те самые фотоны, о которых мы уже знаем. То есть: два сближающихся внешних электрона разных атомов обмениваются «приветственными телеграммами» – квантами – и таким образом «узнают» друг о друге: ага! на подлете другой электрон, нужно отталкиваться!
Точно так же происходит обмен электромагнитными квантами между электронами и протонами в одном атоме: они шлют друг другу постоянные опознавательные сообщения: привет! рядом противоположный заряд, надо притягиваться!
– Так, может, поле состоит из квантов? – озарит кого-то внезапная мысль.
Мысль хорошая. Но неправильная.
Как океан не состоит из волн, так и поле не состоит из квантов. Кванты поля – это лишь возмущения, волнение физического поля. Но даже не это самое интересное.
Удивительнее другое – те самые обменные кванты не простые, а виртуальные, то есть как бы несуществующие. Что это значит? А это значит, что их нельзя перехватить или засечь никаким приборным методом. То есть даже убедиться в их существовании невозможно.
Неплохо завернуто? Такова современная физика, привыкайте.
Слова «виртуальная реальность» известны нынче всем из-за массового распространения компьютеров и компьютерных игр. Виртуальная – значит несуществующая, придуманная, сказочная, игровая. Но если для компьютерных миров это определение вполне понятно, то в устах строгой науки физики выглядит странно. И это еще очень мягко сказано! С каких это пор физика оперирует сказочными, выдуманными категориями? А вот с тех самых пор, когда Планк и Эйнштейн себе на голову придумали кванты и потом весьма страдали через это интеллектуально. Родив новый раздел физики – квантовую механику, они сами были ею очень недовольны, уж больно непривычная какая-то физика начинала вырисовываться на горизонте! Недаром Эйнштейн называл квантовую механику «магией» и даже «не-физикой».
Но великий Эйнштейн ошибался! Кванты прочно укоренились в физике вместе с квантовой механикой, и современные физики теперь не только отказались от прежних наивных представлений о физической реальности (об отказе физиков от реальности можно прочитать ниже в специальном разделе), но и вовсю оперируют виртуальными квантами, само существование которых доказать нельзя, потому что их принципиально невозможно поймать. Это своего рода «шифрограммы», которыми обмениваются заряженные частицы.
Настоящие, реальные кванты, частицы или фотоны отличаются от виртуальных тем, что реальные фотоны – это обычный свет, то есть обычное электромагнитное излучение. Его можно «поймать» на фотопластинку или глазом, отразить зеркалом, уловить антенной. А вот виртуальные фотоны – никак. Едва возникнув, они обязаны тут же поглотиться, не успев как следует проявиться в этот мир.
Почему?
Потому что в нашем мире, друзья мои, ничто не возникает из ниоткуда и никуда не пропадает, ибо действуют строгие законы сохранения. Подумайте сами – электроны все время пуляют вокруг себя этими фотонами. А ведь каждый фотон – это «порция энергии» в чистом, рафинированном виде. При таком «расходе патронов» электрон вскоре вовсе потерял бы всю энергию своего существования! А он ничего не теряет, а спокойно живет.
Да, бывают случаи, когда электрон излучает реальный, настоящий фотон. Но для излучения фотона электрон должен быть возбужденным, то есть ранее уже поглотившим фотон света. Принцип прост: сначала электрон поглотил фотон, возбудился, то есть стал энергичнее ровно на эту порцию энергии, а потом выплюнул ее обратно в виде фотона. Именно так и происходит отражение света от предметов. Чуть позже мы об этом еще поговорим подробнее.
Но обычный спокойный, «домашний» электрон в атоме, кружащийся в мягких тапочках по своей уютной орбитали вокруг ядра, просто не имеет лишней энергии, чтобы бездарно тратить ее, выстреливая из себя фотон за фотоном, дабы информировать всех о своем присутствии!
Поэтому физикам пришлось придумывать, то есть дополнять свою теорию некими виртуальными фотонами. Которые все-таки как бы излучаются электроном, как бы нарушая закон сохранения энергии. Но само это нарушение, само появление или «полупоявление» этих виртуальных фотонов в нашем мире возможно лишь потому, что существует принцип неопределенности, допускающий на короткое время нарушение законов сохранения, – но на такое короткое время, чтобы засечь это нарушение было никак нельзя. Этакая флуктуация, то есть случайное колебание в рамках допустимой неопределенности.
И если реальные фотоны видят все кому не лень, то виртуальные «видят» только обменивающиеся ими частицы. По сути – это призраки. Чистая выдумка физиков. Теоретический конструкт, рожденный в их головах. Однако эти неуловимые призраки передают вполне реальное взаимодействие: бац! и бильярдные шары со стуком разлетелись в разные стороны – просто потому, что электроны, находящиеся на их поверхностях, обменялись виртуальными фотонами. Которых как бы и не существует. Или их не существует без всяких «как бы»? Ведь что такое «существует»?
Существует – значит проявляет себя! А виртуальные фотоны принципиально невозможно засечь никакими приборами. И проявляют они себя только так – через взаимодействие между элементарными частицами, из которых состоит весь мир.
Ну и как проверить, есть ли они «на самом деле»? Да никак! В теории они существуют и объясняют, как происходит взаимодействие. А кроме теорий, наука больше ничем в общем-то и не оперирует.
Ладно. С этим примерно разобрались – электромагнитное взаимодействие передается с помощью фотонов. А остальные виды взаимодействия?
Да так же!
Гравитационное – передается с помощью квантов гравитационного поля – гравитонов. Причем если реальные электромагнитные фотоны прекрасно изучены и легко наблюдаемы, то гравитоны экспериментально еще не обнаружены.
Сильное взаимодействие, которое скрепляет в ядре атома между собой протоны и нейтроны, передается сильным полем, носителем которого являются кванты этого поля – виртуальные пи-мезоны. Нуклоны в ядре буквально окружены шубой из виртуальных пи-мезонов.
Ну, а носителем слабого взаимодействия являются кванты слабого поля со странным названием «векторные бозоны».
Подробный рассказ об этих и других элементарных частицах – тема для отдельной книжки, однако пару слов об этом сказать стоит.
Мы с вами твердо знаем: самые лучшие элементарные частицы – электрон, протон и нейтрон. Я бы на каждом из них знак качества поставил, настолько они отличные! Именно из этих кирпичиков сделан весь окружающий нас мир – воздух, зеркало, автомобили, колбаса, деньги, солнце и прочие полезные в быту предметы. Все остальные частицы по сравнению с этими – сущий мусор.
А какие остальные?
Ну, вот, например, уже знакомое нам нейтрино, про которое мы вскользь упоминали ранее и которое получается при распадных, то есть слабых взаимодействиях. Напомню: при распаде свободного нейтрона, который живет 15 минут, получаются протон, электрон и то самое нейтрино. Возникнув, оно уже не взаимодействует с веществом и улетает прочь навсегда со скоростью света, более никому никогда уже не мешая и практически не вступая ни в какие реакции. Сущий пустяк! Вселенский вздор. Мировой мусор.
Ну, еще мы с некоторой натяжкой можем включить в список известных нам частиц фотон – «кусочек света», хоть это и безмассовая частица в том смысле, что она не имеет массы покоя: фотон нельзя остановить, он может только лететь со скоростью света, как и нейтрино. Только нейтрино просто пронзает любую материю, не замечая, и улетает дальше, а когда фотон хлопается о какое-то вещество, он просто перестает существовать. Куда же он девается? Мы ведь твердо знаем из законов сохранения, что масса и энергия никуда не пропадают и не возникают из ниоткуда.
Совершенно верно: фотон, будучи порцией чистой энергии, всю ее (себя) передает тому электрону того атома того вещества, в которое попал. Электрон целиком проглатывает этот квант энергии и становится возбужденным, то есть более энергичным, перескакивая при этом на более высокую орбиту.
А потом?
А потом возбужденный электрон сбрасывает возбуждение, излучая фотон, и «успокаивается», вновь опускаясь на прежнюю низкую орбиту. Так происходит отражение света от зеркала. И почти так же происходит переизлучение в другом диапазоне: например, закопченное, то есть покрытое черной сажей стекло свет не отражает, а поглощает. То есть электроны сажи хватают фотон, возбуждаются, но потом, в силу особых свойств сажи, переизлучают его с другой частотой – в виде квантов инфракрасного, то бишь теплового излучения. Это значит, что черные тела быстро нагреваются на свету. Поэтому на юге, где много солнечного света, лучше иметь белый автомобиль или серебристый – меньше нагреваться будет и больше отражать. А вот бак для нагрева воды солнцем надо непременно делать черным – вода в нем быстрее прогреется.
Впрочем, мы отвлеклись… Итак, еще сто лет назад физики знали всего три частицы – протон, электрон и нейтон, причем нейтрон был еще не открыт, а только предсказан (открыт он был лишь в 30-е годы XX века).
Ну, чего еще желать? Зачем нужны еще какие-то частицы, если из этих трех прекрасно складывается все?
Однако, изучая в верхних слоях атмосферы космические лучи, то есть прилетающее на Землю из космоса излучение разного рода, ученые обнаружили и другие частицы. И даже античастицы! Именно так была обнаружены первая античастица – позитрон. Потом нашлись и другие.
Почему их назвали античастицами? Потому что свойства античастиц как бы противоположны свойствам частиц, и при встрече частицы с античастицей происходит их аннигиляция, то есть взаимоуничтожение – этакий микроскопический взрыв, при котором обе массы (частицы и античастицы) переходят в чистую энергию, то есть в кванты электромагнитного излучения – на месте двух солидных частиц с массой образуется яркая и безмассовая фотонная вспышка.
Позитрон – это антиэлектрон. Он имеет точно такую же массу, точно такой же размер, что и электрон. У него такой же спин, то есть свойство вращения, как у электрона, но электрический заряд у позитрона положительный, а не отрицательный. Иными словами, позитрон – точная копия электрона, только с противоположным зарядом. И этого хватает для взрывного взаимоуничтожения при встрече – аннигиляции.
Позже были найдены античастицы и для других частиц. Антипротон, например, имеет все те же характеристики, что и обычный протон, вот только заряд у него не положительный, а отрицательный. Однако при встрече антипротона с протоном происходит все то, что и должно происходить при встрече античастиц, – аннигиляция.
Вообще говоря, аннигиляция – самый энергичный процесс из известных человечеству. Аннигиляционный взрыв в тысячи раз мощнее взрыва водородной бомбы. Потому что при взрыве атомной или водородной бомбы только часть массы реагирующего вещества переходит в энергию. А тут – вся масса! В том и состоит основной прикол аннигиляции, что она целиком превращает массу в излучение.
Самая большая водородная бомба, когда-либо взорванная человечеством, имела мощность в 50 мегатонн в тротиловом эквиваленте, то есть для взрыва такой же силы потребовалось бы 50 миллионов тонн обычной взрывчатки (тротила) – это миллион грузовых вагонов по 50 тонн каждый, что превышает мощность всей взрывчатки, использованной во Второй мировой войне. При этом сама водородная бомба весила всего 27 тонн, а действующего вещества (дейтерия) в ней было всего-то несколько тонн, все остальное – вспомогательное оборудование. А вот если бы могли осуществить взрыв такой мощности при помощи антивещества, потребовались бы уже не тонны, а всего 1 кг антивещества и 1 кг вещества.
Вот только взять его негде, это антивещество, его очень мало в нашей Вселенной. Ученым на ускорителях удается получать буквально считаное количество этих античастиц. И однажды, кстати, удалось даже собрать из них атом антиводорода. Что такое водород, мы знаем – это один протон, вокруг которого вращается один электрон, самое простое вещество. А антиводород – это антипротон, вокруг которого вращается позитрон. У обычного водорода плюсовой заряд в центре атома, а «минус» болтается вокруг, а у антиводорода все наоборот. Антивещество!
Водород и антиводород
