С того самого момента, когда около 100 лет назад Эрнест Резерфорд с помощью Ханса Гейгера и Эрнеста Марсдена впервые заглянул внутрь атома, когда он направил альфа-частицы на лист золота и наблюдал, как одни проникают сквозь лист, а другие отскакивают, физики поглощены идеей проникнуть поглубже в субатомный мир. Они впервые открыли структуру самих атомов – электронных облаков, окружающих крошечное плотное ядро. Затем они заглянули внутрь ядра и выяснили, что оно состоит из более мелких строительных блоков, протонов и нейтронов. И наконец, нырнув еще глубже, они открыли элементарные частицы – кварки, скрытые внутри протонов и нейтронов. Чтобы вы представили себе соответствующий масштаб, скажу: если бы атом удалось увеличить до размеров дома, то размер кварка внутри протона или нейтрона был бы равен крупице соли. Напомню, что атомы и сами по себе чрезвычайно малы: в одном стакане воды помещается больше атомов, чем количество стаканов воды во всем Мировом океане.

В школе мы узнаем об электромагнитной силе, существующей в форме электрического или магнитного отталкивания и притяжения, однако эта сила играет еще большую роль на более мелком, атомном уровне. Атомы связываются в разных сочетаниях, образуя при этом простые молекулы или сложные вещества, а в конечном счете – все разнообразные материалы, которые мы видим вокруг нас. Но то, каким образом осуществляются эти связи, зависит от организации электронов вокруг ядер, что составляет самую суть химии, и эти комбинации атомов, составляющие наш материальный мир, практически полностью обусловлены электромагнитными силами вокруг электронов. По сути, электромагнитная сила наряду с силой притяжения прямо или косвенно порождает почти все явления, которые мы наблюдаем в природе. В микроскопическом масштабе материалы существуют за счет электромагнитных сил, возникающих между атомами. А вот в космическом масштабе материя существует за счет гравитации.

Внутри атомного ядра мир совершенно иной. Поскольку ядра состоят из двух видов частиц, положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов (которые совокупно называются нуклонами), электромагнитное отталкивание должно приводить к распаду ядра; сила притяжения в этом ничтожном масштабе слишком мала, чтобы на что-то влиять. И все же элементы ядра плотно связаны друг с другом. Это происходит благодаря еще одной силе, которая, подобно клею, связывает не только протоны с нейтронами, но и протоны с протонами, хотя положительные заряды отталкиваются друг от друга. Она называется сильным ядерным взаимодействием и больше всего проявляется при взаимодействии еще более мелких частиц протонов и нейронов – кварков, которые связаны друг с другом «переносчиками сильного взаимодействия» – глюонами. Таким образом, кварки связаны друг с другом посредством обмена глюонами, но они взаимодействуют с электронами и через электромагнитное взаимодействие (поскольку и те и другие обладают зарядом) путем обмена протонами.

Квантовые законы, от которых зависит структура, форма и размеры атомных ядер, очень сложны, и я не буду здесь о них рассказывать. Однако в конечном счете именно взаимодействие электромагнитных сил отталкивания между положительно заряженными протонами и сил притяжения между всеми нуклонами внутри ядра (которые отражают остаточное «сильное взаимодействие» – внутреннего «глюонного» притяжения между кварками внутри нуклонов) и обеспечивает стабильность ядер, а значит, атомов и окружающей нас материи, включая нас самих.

Есть еще одна сила природы (из известных) – четвертая и последняя, которая также в основном ограничена пределами атомного ядра. Ее называют просто «слабым ядерным взаимодействием», а возникает она вследствие обмена бозонами W и Z между определенными частицами (точно так же, как кварки обмениваются глюонами, а электроны – протонами). Подобно сильному ядерному взаимодействию, эта слабая сила действует на очень коротком расстоянии; мы не можем непосредственно наблюдать ее воздействие. Между тем физические процессы, запускаемые этой силой, нам хорошо известны, ибо она заставляет протоны и нейтроны превращаться друг в друга, что, в свою очередь, приводит к бета-излучению – испусканию заряженных частиц из ядра. Бета-частицы бывают двух типов – электроны и их партнеры в антиматерии, позитроны, которые являются теми же электронами, но с противоположным зарядом. Весь процесс достаточно прост: если в ядре наблюдается дисбаланс между количеством протонов и нейтронов, что приводит к его нестабильности, то некоторое количество протонов или нейтронов преобразуется в свою противоположность, восстанавливая этот баланс. В таком процессе создается или испускается либо электрон, либо позитрон (что обеспечивает сохранение электрического заряда). Таким образом, ядро, обладающее слишком большим количеством нейтронов, подвергается бета-распаду, при котором нейтрон превращается в протон с испусканием электрона, причем отрицательный заряд последнего уравновешивает положительный заряд вновь образованного протона (поскольку первоначально существовавший нейтрон заряда не имеет). И наоборот, избыток протонов заставляет один из них превратиться в нейтрон плюс позитрон, который уносит положительный заряд протона, тем самым стабилизируя ядра.

Каждый из протонов и нейтронов содержит по три кварка, которые бывают двух типов (или ароматов), известных под незамысловатыми названиями «верхний» и «нижний». Эти два аромата связаны с разными долями электрического заряда. Протон содержит два верхних кварка, каждый с положительным зарядом, равным двум третям отрицательного заряда электрона, и один нижний кварк с отрицательным зарядом, который составляет одну треть электронного. В сумме они составляют +1, что соответствует положительному заряду протона. С другой стороны, нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего, так что его заряд равен нулю.

В целом существует шесть различных ароматов кварков, и у каждого – своя масса. Подобно верхнему и нижнему кваркам, которые составляют атомное ядро, остальные четыре получили совершенно произвольные наименования «странный», «прелесть», «топ» и «ботом». Эти кварки тяжелее, чем верхний и нижний, но существуют только мгновения. Наконец, кроме электрического заряда, кварки обладают еще одним свойством, которое называется цветовым зарядом и связано с сильным ядерным взаимодействием, оно помогает объяснить то, как кварки взаимодействуют друг с другом.

Электроны принадлежат к другому классу частиц, под названием лептоны, и их тоже шесть видов. Наряду с электронами, известны еще мюоны и тау (недолговечные тяжелые «кузены» электронов) и три вида нейтрино (очень легкие, почти неуловимые частицы, образующиеся в процессе бета-распада). Лептоны не воспринимают сильного ядерного взаимодействия и не несут цветного заряда.

Теперь подытожим. Согласно современным воззрениям, стандартная модель физики частиц говорит нам, что существует два вида частиц: материальные (фермионы), которые включают в себя шесть ароматов кварков и шесть – лептонов, и частицы – переносчики силы (бозоны), которые включают в себя фотоны и глюоны, W и Z, и, конечно, бозон Хиггса, о котором мы поговорим позже.

Если все эти рассуждения звучат слишком сложно, то вам будет приятно услышать, что в большинстве жизненных ситуаций их можно не учитывать. Все, что вы видите, – вся материя, из которой состоит наш мир, включая наши тела, все, что мы видим в космосе, – Солнце, Луна и звезды – состоит из атомов, а атомы, в свою очередь, только из двух видов частиц – кварков и лептонов. На самом деле атомы состоят только из кварков двух видов (верхних и нижних) плюс один вид лептонов (электрон). Вот и все. Если иметь это в виду, то основные строительные блоки материи даже менее сложны, чем четыре стихии древних греков.