1.2. Дорога по указателю «вглубь»

Первым делом я предлагаю сходить в направлении загадочного микромира. С каких масштабов можно применить приставку «микро», наверно, оттуда, где приходится применять для измерения микрометры*. Значит, начнем путь с одного миллиметра, который составляет одну тысячную метра (10^-3 м). Микрометр в свою очередь во столько же раз меньше миллиметра (10^-6 м). Миллиметр это то, что мы еще вполне ясно можем различить, например, глядя на деления линейки. Но если объект меньше, то мы обычно говорим «неразличим невооруженным глазом». Взять хотя бы знакомое нам с уроков биологии простейшее одноклеточное существо под названием амеба. Признайтесь, вы когда-нибудь видели эту тварь вживую? А все, потому что ее размеры не превышают полмиллиметра или 500 микрометров (5×10^-4 м). Но вот что занимательно, амеба – простейшее существо – в два раза больше пылевого клеща, который является представителем класса членистоногих, сложных многоклеточных существ. Нас часто пугают этими созданиями в рекламе чистящих средств и чем-то эти страшилки даже правдивы. Существо размером четверть миллиметра или 250 микрометров (2.5×10^-4 м) не так просто разглядеть. Но в принципе наш глаз может видеть и более мелкие вещи. Иногда нам удается выловить в супе волос, еще до того как он попадет к нам в рот. Конечно, волос выдает его длина, но никак не толщина, порой кажется, что это вообще одномерный объект. Тем не менее, если бы у него не было толщины, мы бы вообще не смогли его разглядеть. А это значит, мы способны видеть объекты с размерами в четыре раза меньше пылевых клещей, порядка 80 микрометров (8×10^-5 м), именно такова толщина у волоса.

А вот споры грибов, разглядеть невооруженным взглядом уже невозможно, например, у Трюфеля их размер всего 40 микрометров (4×10^-5 м). Мужские репродуктивные клетки человека меньше еще в восемь раз. Головка сперматозоида в диаметре всего 5 микрометров (5×10^-6 м), а это даже меньше чем размер частиц воды в тумане или частиц копоти в дыму. Следующую нишу масштабов в живой природе занимают бактерии. Кишечная палочка, без которой наш кишечник не смог бы функционировать, и определенные разновидности которой могут вызвать пищевые отравления, имеет длину 2 микрометра (2×10^-6 м), причем она считается довольно крупной бактерией. Удивительно, но разброс масштабов в микромире еще больше чем в мире крупных живых существ. Как вы помните рост человека в 20 раз меньше чем длина Синего кита, но размер бактерии в 250 раз меньше, чем размер амебы, хотя оба организма считаются простейшими.

Спускаясь дальше вниз по лестнице масштабов, будет даже не совсем корректно называть вещи микроскопическими. Во-первых, оптический микроскоп уже бесполезен на масштабах меньших, чем 0.3 микрометров (3×10^-7 м). Потому что самая маленькая длина волны видимого света немного больше 0.3 микрометров, а меньшие длины волн уже относятся к ультрафиолетовому излучению. Другими словами просто невозможно увидеть эти объекты в привычном свете. Ведь каким образом мы видим? Электромагнитные волны света направленные на объект, отражаются от него и попадают на сетчатку глаза. Однако если объект меньше чем длина волны, то она свободно пройдет сквозь него. Чтобы зарегистрировать меньшие объекты используют электронные микроскопы, где в качестве зондирующего инструмента задействованы не электромагнитные волны, а электроны. Но принцип работы остается тот же, поток электронов отражается от объекта и попадает на детектор, в итоге выстраивается картинка. Она естественно черно-белая, потому что для зондирования был использован не свет, а элементарная частица. Да и понятие цвета для таких объектов уже не применимо, потому что они вообще не могут отражать никакой видимый свет и, грубо говоря, прозрачны. Вот уже начинают проявляться странности, которые говорят нам о том, как не похож микромир на наш мир. Ну и наконец, вторая причина, почему не стоит употреблять слово «микроскопический», это потому что для измерения используются уже не микрометры, а нанометры. В одном микрометре тысяча нанометров, и, следовательно, в одном метре нанометров аж целый миллиард. Именно поэтому сейчас уместнее было бы сказать «добро пожаловать в наномир».

Чаще всего мы слышим приставку «нано», когда речь идет о нанотехнологиях, самом перспективном направлении развития техники. Многие футурологи считают, что возможность манипулирования отдельными частицами материи создаст новую промышленную революцию, на основе которой вероятно может образоваться экономика изобилия. Это когда производство любых товаров станет настолько дешевым, что их стоимость сравнится со стоимостью, сырья, из которого они были сделаны. Значит, когда мы освоим подобные производственные мощности, у человечества есть шанс добиться, не понаслышке знакомого русскому человеку, будущего, в котором «каждому по потребности и от каждого по способности». Но подобная утопия это еще не все что могут дать нам нанотехнологии. Более радикальные взгляды уверяют нас, что наномеханизмы могут не только производить, но и работать внутри наших организмов, контролируя их деятельность и усиливая физические и даже умственные способности. Другими словами, они существенно продлят продолжительность жизни, и могут сделать нас сверхлюдьми. Так это будет или нет, точно сказать нельзя. Но можно наверняка предсказать, когда же свершится нанотехнологическая революция. Тут все сходятся во мнении, что ее начало будет положено в момент создания первого наноробота, который будет уметь выполнять как минимум две функции. Первая это манипулирование отдельными атомами и молекулами, чтобы наноробот мог строить из этого материала сложные структуры. И вторая, самая важная способность – умение воспроизводить свои копии.

Чтобы создать такой наноробот нам нужно не только сложное оборудование. Главное, что нам нужно, так это разработать принципы, по которым будет происходить его деятельность. Возможно, нам стоило бы поучиться у природы, наблюдая за самыми маленькими, самыми простейшими, но в свою очередь, самыми опасными созданиями – вирусами. Вирусы представляют собой комки из спиралевидных молекул ДНК, заключенные в белковую оболочку. Они легко могут воспроизводить сами себя, пользуясь чужой ДНК. Поэтому эволюция вирусов это очень быстрый процесс и так часто в новостях можно услышать об эпидемии вызванной новым штаммом вируса. Считается, что вирусы произошли от бактерий, более сложных и бóльших по размерам организмов. Но к паразитическому образу жизни они приспособились даже лучше своих прародителей, тут прослеживается явление эволюционной деградации. Вирус гриппа имеет размеры от 80 нанометров (8×10^-8 м) до 120 нанометров (1.2×10^-7 м), а это в 20 раз меньше длины бактерии кишечной палочки.

На самом деле наши технологии уже позволяют создавать объекты по размеру даже меньшие чем вирусы. На 2010 год транзисторы в компьютерных процессорах достигли размера в 32 нанометра (3.2×10^-8 м). А всего в одном процессоре их содержится более миллиарда. Планируется, что к 2015 году размер транзисторов станет еще меньше, где-то порядка 12 нанометров (1.2×10^-8 м), что в 10 раз меньше чем вирус гриппа. А если мы вооружимся нашими сравнительными инструментами, то можно сказать что один такой транзистор меньше блохи во столько же раз, во сколько блоха меньше длины шестиподъездного девятиэтажного дома. Современные «левши» явно имеют все шансы на создание наноблохи. Самым миниатюрным достижением являются углеродные нанотрубки. Это сверхпрочные нити, которые могут выдерживать нагрузки весом в одну тонну и все это несмотря на то, что диаметр нанотрубок всего 1 нанометр (1×10^-9 м). К сведению, диаметр спирали ДНК – 2 нанометра (2×10^-9 м). Это кажется невероятным, но мы живем в эпоху, когда нанотехнологии только зарождаются, дальше все будет развиваться только быстрее.

На этом мы покидаем наномир и отправляемся глубже, где уже нанометр становится слишком длинной единицей измерения. Следующим идет на очереди пикометр  (1×10^-12 м), тысяча которых составляет один нанометр, но обычно такую единицу измерения редко используют. Дальше я буду пользоваться долями нанометра, где это еще целесообразно, а потом вообще перейду только на логарифмическую запись метра. Итак на этих масштабах мы попадаем в мир молекул и атомов. Из этих составляющих сделаны все окружающие нас объекты, и мы с вами в том числе. Многие характеристики, привычные в мире людей пропадают, когда мы говорим об элементарных составляющих, в основном, потому что они являются их производными. Бессмысленно спрашивать какой цвет, вкус или запах у отдельных атомов, а так же выяснять мягкие они или твердые. Все эти характеристики присущи только веществу, составленному из атомов, и появляются они за счет совокупности химических свойств атомов. Так же отдельные атомы и молекулы не могут иметь температуру, потому что на самом деле температура это, не что иное, как средняя скорость движения этих элементов в структуре вещества. Но про них можно сказать, что они обладают разными размерами, и между ними может быть разное расстояние – все это определяют их химические свойства.

Молекула сахарозы довольно крупная она состоит из 55 атомов, а ее размер 0.9 нанометров (9×10^-10 м). Молекула воды состоит всего из трех атомов, однако она лишь в три раза меньше – 0.3 нанометра (3×10^-10 м), а в структуре льда молекулы воды образуют кристаллическую решетку, в которой расстояние между молекулами примерно сопоставимо с их размерами. Алмаз намного прочней, чем лед, во-первых, потому что его кристаллическая решетка состоит из отдельных атомов углерода их химические связи гораздо прочнее, чем у молекул, ну а во-вторых, потому что расстояние между отдельными атомами там всего 0.15 нанометров (1.5×10^-10 м). Размеры же самих атомов точно установить не так просто. Считается, что граница где кончается атом там, куда не может добраться ни один из его электронов, но как вы увидите потом, эта граница очень размазана. Границы принято устанавливать на тех расстояниях, где вступает в силу химическая атомная связь между атомами, а это зависит от их электронных оболочек. Так, например, размер атома золота считается равным 0.15 нанометрам (1.5×10^-10 м), при этом атом содержит в своем составе 79 электронов. Атом гелия, самый маленький, всего 0.03 нанометра (3×10^-11 м), что в 5 раз меньше атома золота, в 10 раз меньше молекулы воды и в 30 раз меньше молекулы сахарозы. Атом гелия имеет два электрона, и все же он остается меньшим по размеру, чем атом водорода, который обладает всего одним электроном. Тут все дело в силе притяжения атомного ядра, которое и определяет общие свойства атома, а в частности количество и характер распространения электронов.

Дальше мы натыкаемся на большой пробел среди этажей масштабов. Следующей остановкой должны быть атомные ядра, а их размеры невероятно малы по сравнению с размерами самого атома. Ядро золота в 10 тысяч раз меньше атома золота, а ядро гелия в 15 тысяч раз меньше атома гелия. Их размеры 0.000015 нанометров (1.5×10^-14 м) и 0.000002 нанометров (2×10^-15 м) соответственно. Для наглядности представим диаметр молекулы воды в качестве длины девятиэтажки, в таком случае ядро отдельного атома будет размером с блоху. Кроме того при таких сопоставлениях толщина волоса станет размером с диаметр земли, если не больше. Должно шокировать, насколько атомы малы, но еще больше шокирует то, что мы с вами фактически состоим из пустоты. Вся масса атома заключена в его ядре, которое состоит из нейтронов и протонов. Их масса практически одинакова и почти в 2000 раз больше массы электрона. Кроме того размеры, витающих в атоме электронов намного меньше размеров ядра. В принципе ученые до сих пор не знают их точных размеров, поэтому электронами можно вообще пренебречь. Вот и получается, что в молекулах расстояние между атомными ядрами в сто тысяч раз больше самих ядер, и все оно пустое. Это как если бы две блохи сидели по краям девятиэтажного дома. Каким образом они могут взаимодействовать, так чтобы получались сложные структуры? Чтобы это понять, нужно разобраться в природе элементарных частиц.

Здесь мы встречаемся с самыми необычными странностями, которые приготовил для нас микромир. Мы погружаемся в мир элементарных частиц, которым бессменно правит квантовая механика. Ученые считают элементарные частицы точечными объектами, то есть не имеющими формы в привычном смысле этого слова. Какие же из характеристик тогда у них остаются. Среди постоянных характеристик: масса, заряд и вращательный момент. Среди переменных характеристик: скорость и местоположение. В этих переменных характеристиках частиц и кроется их отличие от больших объектов. Оказывается у частиц невозможно точно установить скорость и местоположение одновременно. Например, мы пытаемся зарегистрировать эти характеристики у электрона, для этого мы ударяем по нему другим электроном, который отражается, и по характеру отражения определяем местоположение первого. Загвоздка в том, что после такого удара скорость измеряемого электрона тоже изменится. Получается, чем точнее мы пытаемся установить местоположение, тем все больше будет расти неопределенность скорости, и наоборот. Неопределенность будет присутствовать всегда, это закон природы и невозможно абсолютно точно определить ни скорость, ни местоположение. Однако приблизительно зная скорость и направление движения частицы, можно предсказать вероятность нахождения частицы в той или иной точке. Если в виде графика нарисовать эту вероятность, то она будет походить на волну (см. рис.2). Таким образом, можно сказать, что в пространстве движутся не частицы, а их волны вероятности. Получается что скорость и местоположение в мире больших вещей это, подобно температуре или запаху тоже не фундаментальные характеристики, а всего лишь производные волн вероятности частиц.

Этот немного необычный для восприятия принцип основа квантовой механики. Можно даже сказать, что у частиц нет таких параметров как скорость и местоположение, а есть только их волны вероятности. Частицы как будто размазаны в пределах своих волн вероятности. Эти точечные объекты существуют везде и в то же время нигде, а волна вероятности как будто распределяет в пространстве соотношение областей «везде» и «нигде». Здравый смысл отказывается представлять такое, но если вы сможете это понять, то вам будет легче разобраться с тем, о чем пойдет речь в дальнейшем.

Чем больше скорость частицы, тем меньше становятся эти волны вероятности. Однако такие частицы, как фотоны вообще не обладают массой, и они всегда движутся с постоянной скоростью света, поэтому у них чем меньше длина волны, тем меньше энергия частицы*. Собственно, таким образом, и объясняется, что с одной стороны свет рассматривается как волны, а с другой как поток частиц. Благодаря своей волновой природе частицы могут проделывать такие вещи, которые просто немыслимы в мире больших вещей. Гребень волны вероятности может разделиться на два, в этом случае говорят, частица находится в состоянии суперпозиции, или, если сказать простым языком, пребывает в двух местах одновременно (см. рис.3). Именно за счет этого принципа атомы связываются в молекулы. Например, в молекуле воды, которая состоит из водорода и кислорода, электрон водорода находится одновременно в химической связи с ядром водорода и с ядром кислорода.

Расположение электронов внутри атома совсем не такое, как расположение планет вокруг солнца, оно больше похоже на сплошной волновой хаос, в котором распространяются электроны. Однако среди этого хаоса тоже есть некоторая упорядоченность. Подобно тому, как определенный духовой инструмент может издавать звуковые колебания только одного тембра, так и волны вероятности электронов занимают определенные положения внутри атома, которые принято называть орбиталями. Орбиталь можно представить как область, в которой наиболее вероятно местонахождение электрона. Количество протонов в ядре определяет тип атома и число электронов, которые он может иметь, а вот определяемое квантовой механикой распределение электронов по орбиталям, придает разным атомам отличающиеся химические свойства, на этом и построена периодическая таблица Менделеева*. Чем больше в атоме электронов, тем более сложные орбитали он будет иметь для их расположения. Но не стоит забывать, что орбиталь это только наиболее вероятная область распространения электрона, а в целом его волна вероятности в принципе может распространяться по всему пространству, при этом постепенно уменьшаясь, но нет такого места, где она бы полностью равнялась нулю. Теперь становиться понятно, почему атомы не имеют четких границ. Более того получается, что всегда есть отличная от нуля вероятность, что частица случайно окажется в другой галактике. Вот такой он странный этот квантовый мир.

Следующее отличие от привычных объектов в том, как частицы вращаются, а это не менее странное явление, чем их движение. Как вообще могут вращаться точечные объекты, не имеющие формы. Они обладают квантовым вращением, которое называют словом «спин». Это квантовое вращение не имеет аналогов в мире больших вещей. Нельзя сказать, сколько оборотов в секунду делает частица. Можно только определить характер этого вращения. Фотоны относят к классу частиц, называемых бозонами. Их отличительная особенность в том, что характер вращения бозонов в принципе такой же, как и у обычного мяча. Если бы мы могли поставить на фотоне точку и повернули бы его на 360 градусов, то точка вновь бы смотрела на нас. Электроны же относят к классу фермионов. Если на электроне поставить точку, то она бы вернулась в прежнее положение только после двух полных оборотов. Представьте себе человека, который сделал один полный оборот, вокруг своей оси и вы бы по-прежнему видели его затылок, и только еще раз повернувшись, он бы предстал перед вами лицом. Согласитесь жуткая картина, но для электронов это обыденность. Именно из-за этого необычного свойства их волны вероятности не могут наслаиваться друг на друга. То есть два электрона не могут одновременно занимать одно и то же место в пространстве. Однако для бозонов это обычное дело, на них запрет не действует, их волны вероятности могут бесконечно наслаиваться друг на друга, и эти частицы могут занимать одинаковое место в пространстве. На этом основан принцип действия луча лазера, в котором можно наслаивать фотоны, являющиеся по природе бозонами. В итоге получается, что фермионы – частицы, благодаря которым образуется объемная материя, а бозоны это частицы, которые могут свободно сновать между фермионами, удерживая их вместе, за счет этого образуются силы. Фермионы не могут взаимодействовать между собой без посредничества бозонов, а бозоны не могут формировать плотную материю, поэтому без правил квантовой механики наш мир вообще не смог бы существовать.

Есть ли смысл спускаться ниже ядерного уровня? Полагаю, что смысл имеется, поскольку протоны и нейтроны не фундаментальные частицы, а состоят из трех кварков. Сами же кварки бывают разных типов, именно поэтому протон с нейтроном структурно различаются. А раз протон и нейтрон имеют внтуреннюю струкутуру, то их уже нельзя считать точечными объектами, значит у них можно определить размер. Он равен сфере распространения кварков внутри этих частиц и составляет 0.0000015 нанометров (1.5 × 10^-15 м), что в 10 раз меньше ядра золота. Нам неизвестны объекты меньше протона и нейтрона, имеющие реальные размеры, которые можно точно измерить. Но мы можем продолжать спуск вниз, если будем говорить о природе сил, что удерживают эти частицы вместе. Однако прежде нам опять же нужно совершить краткий экскурс и объяснить принцип действия фундаментальных сил.

Все фундаментальные силы построены на свойстве фермионов испускать и поглощать бозоны. В атоме протоны и электроны постоянно обмениваются фотонами, но эти фотоны невозможно зарегистрировать из-за квантовой неопределенности, что царит на субатомных масштабах. Поэтому нам кажется, что какая-то сила удерживает электроны на своих орбиталях вокруг ядра, и мы называем ее электромагнитной. Каждый объект, который обладает электрическим зарядом, обязан постоянно испускать и поглощать фотоны. Но помимо электрического заряда в природе существует еще один тип заряда, который называют цветовым. Только кварки обладают цветовым зарядом, а значит, по аналогии с электромагнитной силой они постоянно должны испускать и поглощать другие частицы из класса бозонов, которые называют глюонами. Название глюон произошло от английского слова glue, что в переводе значит клей. Их особенность в том, что они сами могут притягиваться кварками, потому что тоже обладают цветовым зарядом. В этом их отличие от фотонов, которые электрическим зарядом не обладают, и, следовательно, не притягиваются электронами. При определенных условиях фотоны вообще могут покидать атом, и тогда мы воспринимаем их как свет или излучение. Так же это приводит к тому, что сила между электрически заряженными объектами ослабевает с расстоянием. У кварков все наоборот, с расстоянием сила между ними только растет, поэтому кварки никогда не наблюдаются по отдельности. Глюоны не могут покидать протоны и нейтроны, они действуют как клей, который склеивает кварки, отсюда и название. Радиус распространения глюонов равен  10^-15 м (одна миллионная нанометра), соответственно это же расстояние и является дальностью действия сильной ядерной силы. Кварки не могут отходить друг от друга дальше, чем на 10^-15 м. Чтобы между протонами и нейтронами образовалась ядерная связь, они тоже должны подойти друг к другу на это расстояние.

Интересен еще один факт, связанный с глюонами. Как я уже говорил протоны и нейтроны почти в 2000 раз легче электронов, и поэтому именно в них сосредоточена вся масса атома. Но вот что удивительно, суммарная масса трех кварков, из которых сделаны протоны и нейтроны, тоже почти в 100 раз меньше, чем масса вышеупомянутых частиц. Фактически атомы сделаны из кварков и электронов, при этом между кварками и электронами курсируют фотоны, а между самими кварками снуют глюоны. Глюоны и фотоны массой не обладают вообще, масса кварков составляет 1% от массы атома, а масса электронов и вовсе 0,05%. Возникает вопрос, что же образует остальные 99% массы? Эта масса возникает за счет энергии, создаваемой глюонным обменом. Глюоны, обладающие цветовым зарядом, по пути между кварками сами могут испускать другие глюоны, те, в свою очередь, делают то же самое, и так далее. В итоге получается, что кварки плавают в сплошном глюонном облаке, энергия которого и формирует 99% массы атома. Этот вывод дает далеко идущие следствия для нашего миропонимания. Получается, что мы не только состоим из пустоты, но почти вся масса наших тел, да и всех других объектов, заключена в энергии. Более того сегодня ученые считают что даже кварки и электроны приобретают свои незначительные массы за счет взаимодействия с вакуумом, а точнее с особым полем, которое является частью нашего вакуума. Предполагается, что при крайне экстремальных температурах частицы перестают с ним взаимодействовать и полностью лишаются массы. Сейчас пытаются получить доказательства этому на Большом адроном коллайдере, чтобы можно было сказать, что мы на 100% состоим из энергии.

Резонный вопрос, а что такое вакуумное поле. Вероятно, существует несколько разновидностей вакуумных полей, каждое из них влияет на характер взаимодействий между бозонами и фермионами, определяя, таким образом, все процессы в нашей вселенной. Они состоят из особых составляющих, которые называют скалярными частицами*. Экспериментально эти частицы еще ни разу не были обнаружены, именно их и пытаются поймать на Большом Адронном Коллайдере**. Мы помним, что бозоны (частицы сил) отличаются от фермионов (частиц материи) характером вращения. Скалярные частицы отличаются тем же, их особенность в том, что как не крути, они больше не вернуться в свое прежнее положение. Если применить аналогию с головой человека, который поворачивается вокруг себя, то после того как он начнет свое вращательное движение, сколько бы он не крутился, вы больше не увидите его лица, а только затылок. Подобный необычный тип вращения обеспечивает этим частицам равномерное распределение в пространстве, поэтому они и составляют так называемые вакуумные поля. Скалярные частицы постоянно взаимодействуют с остальными частицами и, таким образом, определяют характер их поведения (см.рис.4), поэтому они являются неотъемлемой частью физического устройства нашего мира.

Помимо сильной ядерной силы, которая удерживает кварки вместе и формирует атомные ядра, в природе существует другая сила, которую называют слабая ядерная. Она наоборот приводит к ядерному распаду. Ни глюонный, ни фотонный обмен не являются ее причиной. Источником этой силы служат так называемые слабые бозоны, они тоже имеют свои отличительные черты. Во-первых, если частица испустит и поглотит слабый бозон, то она изменит свой тип. Во-вторых, слабые бозоны очень тяжелые и по законам квантовой механики должны распадаться практически сразу, после излучения. Максимальное расстояние, которое может пройти слабый бозон равно 10^-18 м (одна миллиардная нанометра), это в тысячу раз меньше чем, то расстояние, на которое глюон способен отлучиться от кварка. Чтобы лучше понять как это происходит, вот один из примеров того как действуют слабые ядерные силы. Нейтрон, оставшись в свободном состоянии или находясь внутри тяжелого ядра, такого как уран, становится нестабильным. В итоге один из его кварков излучает слабый бозон, который, пройдя 10^-18 м, распадается на электрон и нейтрино. Про нейтрино я расскажу немного позже, сейчас вернемся к нейтрону. Так как после излучения слабого бозона один из его кварков изменил свой тип, то теперь конфигурация нейтрона, становиться такой же, как конфигурация протона. Или говоря другими словами, нейтрон превращается в протон, и если этот процесс произошел внутри ядра, то он приводит к его распаду.

Еще одно проявление слабых ядерных сил встречается в ускорителях частиц. Часто можно слышать, что в этих ускорителях частицы сталкивают друг с другом. На самом деле это не совсем корректное высказывание, ведь как мы выяснили, частицы обладают точечными размерами, то есть в принципе не могут столкнуться. Конечно, если речь идет о фермионах, помня о том, что их волны вероятности не могут наслаиваться, можно сказать что происходят столкновение их областей распространения. Это заставляет фермионы менять свои направления, но по-прежнему нельзя сказать, что мы столкнули именно частицы. Мы так же знаем, что чем большую энергию мы придадим частице, тем меньше станет ее волна вероятности. А значит, частицы смогут ближе подойти друг к другу. Так вот если удастся сблизить две частицы на расстояние 10^-18 м, то они успеют обменяться слабыми бозонами, а это приведет к тому, что обе частицы изменят свои типы. Так, например если удастся столь сблизить кварк и электрон, то кварк изменит свой тип, а электрон превратится в нейтрино. Именно этим занимаются ученые на ускорителях, изучают превращения частиц, что дает возможность постигнуть их природу.

Ускорители, вдобавок, являются своего рода гигантскими микроскопами. Учитывая то, что с повышением энергии, волны вероятности частиц становиться меньше, получается, что увеличивая мощность ускорителя, мы все глубже и глубже зондируем мир элементарных частиц. Пока что самый мощный ускоритель это Большой Адронный Коллайдер в Женеве и все что он нам может сказать, это то, что и кварки и электроны вплоть до расстояний 10^-18 м остаются точеными частицами, ни форма, ни структура не прослеживаются. Если таковые у них и имеются, то их нужно наблюдать на гораздо меньших масштабах. Но сегодня нам не хватает мощности, чтобы заглянуть глубже. Большой Адронный Коллайдер, является одной из самых дорогих, трудоемких и сложных построек за всю историю человечества. Пучок частиц, разогнанный внутри этого ускорителя, имеет энергию, которая способна мгновенно вскипятить две тонны воды. Энергия отдельных частиц при этом в миллион раз выше, чем та, что вырабатывается в термоядерном взрыве. Но даже такая энергия не в силах, рассказать нам о том, что происходит на расстояниях меньших, чем 10^-18 м.

Теперь, как и обещал, расскажу про нейтрино. Это частица из семейства электронов, но не имеющая электрического заряда, кроме того она в двести тысяч раз легче электрона. Из-за этих своих свойств она практически не взаимодействует с веществом, только если ей не удастся сблизиться с другими частицами на расстояние 10^-18 м, а такие случаи очень редки. Основной источник нейтрино это ядерные реакции, которые идут на солнце. Ежесекундно сквозь наше тело проходят сотни триллионов нейтрино, испущенных солнцем, не оказывая никаких последствий. И вполне вероятно, что ни одна из них так и не пролетит мимо на расстоянии ближе, чем 10^-18 м к атомному ядру, чтобы ей удалось повлиять не него. Таким образом, мы полностью прозрачны для нейтрино, как и вся планета. Более того этой частице удалось бы свободно преодолеть свинцовую стену толщиной в световой год. Это еще раз подтверждает то, что все объекты, которые кажутся нам плотными и объемными, фактически состоят из пустоты. Нет смысла пытаться наблюдать нейтрино на ускорителях, чтобы их обнаружить строят детекторы другого типа. Для этих целей глубоко под землей, куда не проникает космическое излучение, распологают огромные резервуары с жидкостью. На каждые 60 тонн жидкости, раз в сутки случаются столкновение нейтрино с атомным ядром. Эти исследования могут многое рассказать о природе этих частиц, в частности удалось выяснить, что размеры нейтрино меньше 10^-20 м, ибо на этих масштабах они все еще ведут себя как точки. Данный результат говорит нам о том, что размер частиц, должен быть, по крайней мере, в 100 раз меньше, чем это удалось выяснить на ускорителях.

Нейтрино не участвуют в строении атомов, и если бы этих частиц не существовало в природе, никто даже бы и не заметил. В строении материи принимают участие три вида фермионов: два типа кварков и электрон, а за их скрепление отвечают два типа бозонов: фотон и глюон. Немаловажную роль в том, что светят звезды и образуются тяжелые элементы, играет слабый бозон, без него некоторые ядерные реакции были бы невозможны. Еще ученые уверены, что должны существовать гравитоны: бозоны ответственные за гравитацию, хотя они до сих пор не наблюдались. Поэтому все четыре вида бозонов в той или иной мере важны, чего нельзя сказать о некоторых фермионах. Как мы выяснили атомы включат в себя только 3 вида фермионов, но в природе может существовать 12 видов фермионов: шесть типов кварков и шесть типов частиц из семейства электронов. Вообще фермионы классифицируются по поколениям. Первое поколение это два типа кварков, электрон и нейтрино. Второе и третье поколение включают в себя такое же количество частиц, причем все их характеристики кроме массы идентичны характеристикам частиц первого поколения (см. таб.1). Ну а масса у частиц второго и третьего поколения достаточно велика, поэтому они нестабильны и стремятся испустить слабый бозон, чтобы превратится в частицы первого поколения.

Предполагается, что разделение типов частиц на поколения произошло, в первые мгновения Большого взрыва, когда частицы приобрели массу. Почему допускается наличие только трех поколений частиц материи, отличающихся лишь своей массой, и почему им дозволено обладать именно такими массами, какие они имеют, мы до сих пор не знаем. Кроме этого каждая частица имеет свою античастицу, у которой все заряды противоположные. Когда частица и античастица сталкиваются, они аннигилируют, от них остается только излучение. Однако античастиц мы так же не наблюдаем в природе, как и более тяжелых поколений. Полагают причина в том, что в начале большого взрыва античастиц родилось немного меньше чем частиц. В результате тотальной аннигиляции выжил только незначительный избыток частиц, из которого позже и сформировался наш мир. В итоге можно сделать вывод, что природа создала 24 типа частиц материи, но, тем не менее, все, что нас окружает, построено только из трех (см. таб.2 и таб.3). Это наталкивает на мысль о том, что раз во вселенной так много лишнего, то она не была создана специально для того чтобы в ней зародилась жизнь и в дальнейшем могли жить разумные существа. Нет, мы скорей всего лишь побочный продукт Большого взрыва.

Что тогда можно сказать о природе частиц. Если есть 24 вида фермионов – частиц материи, еще 4 разновидности бозонов – частиц сил, плюс скалярные частицы, то должен существовать какой-то принцип в их строении, который различает частицы и придает им те или иные характеристики*. Что-то вроде периодической таблицы Менделеева, только не для атомов, а для частиц. Однако нам ничего об этом принципе не известно. Сегодня все виды частиц описываются так называемой Стандартной моделью, в рамках которой все они тоже занесены в таблицу, но, в отличие от периодического закона Менделеева, Стандартная модель не может объяснить принцип построения этой таблицы. Наш экспериментальный предел 10^-20 м, его можно представить как блоху, а размер протона в данном масштабе будет сопоставим с девятиэтажным домом. Даже при таком сравнении, взирая на частицы, мы можем лишь развести руками, заявив, что блоха по-прежнему не имеет четких очертаний и кажется нам всего лишь безразмерной точкой. Предлагались гипотезы, которые утверждали, что все частицы, так же как и атомы сделаны из еще более мелких составляющих. Однако они были отвергнуты по следующей причине. Эти составляющие подобно частицам должны иметь квантовую природу и обладать волнами вероятности. Учитывая их размеры, которые должны быть меньше 10^-20 м, то и волны вероятности должны быть очень маленькими. Вспомнив о том, что чем меньше волна вероятности, тем больше энергия частицы, можно сделать вывод, что энергия взаимодействия этих составляющих между собой была бы просто огромной. Энергия взаимодействия глюонов образует 99% массы протона, а в этом же случае энергия составляющих образовывала бы более 100% массы частиц. На лицо парадокс, следовательно, элементарные частицы не могут быть составлены из меньших элементов, и их свойства должны быть обусловленны чем-то другим.

Есть ли смысл продвигаться дальше, в области, которые мы пока еще не имеем возможности исследовать экспериментальным путем? Смысл есть, потому что у нас в запасе осталось несколько надежных научных теорий, которые способны рассказать, что должно происходить глубже. Хотя вполне возможно, что на расстояниях меньших, чем 10^-20 м могут существовать такие явления, о которых мы даже не догадываемся. Прежде всего, приведу последний экспериментальный факт. Длина волны самого мощного электромагнитного излучения, которое было зарегистрировано человеком, равнялась 10^-25 м. Электромагнитное излучение в связи с его квантовой природой имеет двойственную натуру, это и волны и частицы. Можно объединить два этих объяснения, сказав, что мы зарегистрировали фотон с невероятной энергией, волна вероятности которого сжалась до 10^-25 м. Волны вероятности фотонов, что способен воспринимать наш глаз, варьируются от 0.7 микрометров (7×10^-7 м) до 0.3 микрометров (3×10^-7 м), этот диапазон мы называем видимым светом. Наша техника даже близко не позволит нам создавать фотоны с длиной волны 10^-25 м. Электромагнитное излучение такой мощности может приходить только из космоса. Врываясь в атмосферу этот луч, превращает свою энергию в рождение целого ливня из частиц. Столь мощные лучи могли родиться только где-то в недрах космических катастроф, таких как взрыв звезд или активность черных дыр.

Предлагаю для наглядности обсудить тот спектр электромагнитного излучения, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни. О видимом свете мы уже говорили, можно только добавить, что более длинные волны воспринимаются нами как красный цвет, а более короткие как синий цвет. Вспомните радугу, это не что иное, как весь спектр воспринимаемого нами электромагнитного излучения. Данный диапазон очень маленький, и поэтому мы может видеть лишь ничтожную часть происходящего во вселенной. Фотоны с волнами вероятности длиннее 0.7 микрометров (7×10^-7 м) относят к инфракрасному излучению. Инфракрасные лучи мы воспринимает как тепло идущее от углей, которые на первый взгляд уже погасли, но на самом деле еще продолжают излучать, просто волны их излучения стали уже слишком длинными и глаз не может их увидеть. Электромагнитные волны длиннее миллиметра принято считать радиоволнами. Наиболее короткие радиоволны мы называем сверхвысокочастотными и используем их в микроволновых печах для разогревания пищи, а так же в сотовых телефонах для связи между собой. Более длинные волны используются в теле и радиовещаниях. Самая длинная радиоволна, которую еще способны зарегистрировать наши датчики это около 40000 километров, что равно длине земного экватора. Естественно, в природе есть фотоны с еще более низкими энергиями и соответственно с более длинными волнами. Нижней границы энергии фотонов в принципе не существует, просто наша аппаратура уже не может зарегистрировать сверхдлинные волны.

По другую сторону от видимого света находится ультрафиолетовое излучение с длинами волн менее 0.3 микрометров (3×10^-7 м), которое так же невидимо глазу, но оно способно изменять пигментацию кожи, и за счет него мы с вами загораем на пляже. Излучение длиной менее 10 нанометров (10^-8 м), называют рентгеновским. Рентгеновские лучи могут свободно проходить сквозь мягкие ткани нашего тела, но задерживаются прочной кристаллической решеткой твердых костей, где расстояние между молекулами мало и их химические связи не дают им пройти. Благородя этому после рентгеновского обследования, на снимке четко виден наш скелет. Если волны фотонов менее 0.005 нм (5×10^-12 м), то это излучение называют гамма-лучами. Такая длина волны фотона, сопоставима с длиной волны вероятности электрона. Поэтому гамма-лучи, попадая по атомам, срывают электроны с их орбиталей, а все химические связи при этом естественно нарушаются. Если мы подвергнемся сильному воздействию гамма-лучей, то в итоге заработаем лучевую болезнь. Биохимия внутри клеток будет расстроена и ткани нашего организма начнут отмирать. Гамма-лучи могут рождаться при ядерных процессах, таких как деление ядер, поэтому они наряду с потоками высокоэнергетических электронов и осколков ядер, составляют основу губительной радиации.

Казалось бы, верхней границы энергии фотонов тоже не должно существовать, но это не так. Процессы, при которых рождаются, фотоны с длинами волн 10^-25 м должны быть очень мощными, энергии деления атомного ядра тут явно не хватит. Вот один из сценариев рождения таких суперлучей. Сверхмассивная черная дыра засасывает звезду, при этом разрывая ее на части. Остатки звезды начинают вращаться под воздействием гравитации по спиралевидной орбите вокруг черной дыры, раскаляясь до предела. Формируется магнитное поле невероятной силы, благодаря которому излучение от раскаленного вещества ускоряется и выбрасывается по обе стороны полюсов черной дыры. Нам неизвестны более мощные процессы, поэтому на практике фотоны с длинами волн менее 10^-25 м, рождаться не могут. А в теории? Оказывается и в теории есть предел на длины электромагнитных волн. Это касается не только длин волн вероятности фотонов, но и всех остальных частиц. Однако мы перейдем к нему позже, сейчас рассмотрим еще один масштаб, который встретится нам по пути до этого предела.

Как вы уже поняли, в квантовой механике есть тенденция: более тяжелые частицы стремятся распасться, то есть испустить слабый бозон и превратиться в более легкие. Этим объясняется нестабильность частиц второго и третьего поколений. Обычно их получают только на ускорителях, где наоборот легкие частицы, но с высокой энергией сближаются друг с другом настолько, что они успевают обменяться слабым бозоном и превращаются в более тяжелые частицы. Те в связи со своей нестабильностью почти мгновенно распадаются. Нейтрон в свободном состоянии так же является более тяжелой конфигурацией кварков, чем протон, поэтому он тоже стремится распасться. На ускорителях получают различные конфигурации из кварков, которые еще тяжелее нейтрона, но с совсем малым временем жизни. Все частицы, состоящие из кварков, принято называть адронами. Среди этих частиц протон самый стабильный, потому что является самой легкой конфигурацией кварков. Кварки внутри него находятся в энергетическом равновесии и не имеют излишков энергии, чтобы испустить слабый бозон. На стабильности протона построен весь наш мир. Протоны уравновешивают нейтроны в ядрах и те тоже становятся стабильными, поэтому атомы могут существовать. Если бы протон, как и нейтрон, стремился испустить слабый бозон и распасться, то атомные ядра не просуществовали бы и часа после их зарождения в Большом Взрыве.

Однако случается так, что и протоны иногда могут распасться. Кварки внутри протона свободно распространяются и иногда могут совсем близко подходить друг другу. Но, даже подойдя на расстояния в 10^-18 м, они не смогут обменяться слабым бозоном, потому, что это запрещено правилами, по которым действуют слабые ядерные силы. Однако кварки могут сближаться еще на более короткие расстояния. Так вот если двум кваркам удастся подойти друг к другу на расстояние 10^-30 м, вот тогда протон распадется. Кварки внутри него испытают превращение в другие частицы*, и все что от протона в итоге останется это нейтрино, позитрон (античастица электрона) и немного излучения. С одной стороны квантовая механика запрещает такие сближения из-за невозможности наслаивания волн вероятности у кварков. Кварки должны обладать гигантской энергией, чтобы их волны вероятности уменьшились, и они могли бы сойтись на такие расстояния. Откуда внутри протона взяться такой энергии? С другой стороны та же квантовая механика поощряет неопределенность в поведении частиц и всегда остается вероятность, что так сложатся обстоятельства, чтобы кварки смогли спонтанно сблизиться на расстояние 10^-30 м. Однако вероятность этого очень мала, поэтому у протона достаточно времени жизни. Протоны переживут и звезды, и галактики, но в итоге все равно распадутся. Это не значит, что все они распадутся одновременно, сей процесс постепенный, но редкий. Возможно, даже сегодня внутри вашего тела распался один протон. Ученые подсчитали вероятность этого события: в резервуаре, вмещающем в себя тысячу тон воды, в год распадется всего один протон. Из-за такой крайне малой вероятности до сих пор экспериментально не было зарегистрировано ни единого распада. Самая крупная лаборатория находится в Японии и содержит 50 тысяч тон воды, но пока обнаружить ничего так и не удалось; эксперименты продолжаются. Когда мы экспериментально установим, как распадается протон, то сможем точно определить, сколько вселенная отвела времени для существования атомов. Между прочим, нейтроны, которые уравновешены от обычного распада протоном, тоже может постигнуть такая же участь, если кварки внутри окажутся столь близко. Когда же все протоны и нейтроны распадутся, во вселенной останутся только нейтрино, электроны и их античастицы.

Интересно узнать насколько вообще могут сблизиться частицы. Теоретические исследования говорят, что самое короткое расстояние между ними может быть равно 10^-35 м. Если две частицы подойдут на такое расстояние, то превратятся в черную дыру. Так произойдет потому, что на расстоянии 10^-35 м гравитация преобладает над всеми остальными силами, в том числе и над квантовой неприязнью фермионов. Сила гравитации зависит не только от массы объекта, но и от его плотности, то есть от расстояния между частицами. Гравитация, как и электромагнитная сила, убывает с расстоянием, а на дистанции в 10^-35 м нет ничего сильней гравитации, поэтому частицы на таких расстояниях продолжат притягиваться, сжимаясь в комок нулевых размеров с бесконечной плотностью, так рождается черная дыра. Одно время в средствах массовой информации нагоняли панику, что внутри Большого Адронного Коллайдера может образоваться черная дыра и поглотить всю землю. Но теперь мы знаем, что экспериментальный предел, на который мы можем сдвинуть частицы, не превышает 10^-20 м, даже на Большом адронном коллайдере. Мы находимся на 15 порядков дальше от рукотворного создания черных дыр, поэтому все опасения были напрасны*. Однако, как мы помним, всегда есть вероятность, что частицы спонтанно сблизятся. Вероятность, что частицы сойдутся на расстояние 10^-35 м, еще меньше чем вероятность распада протона, и все-таки она остается. Получается, вокруг нас спонтанно могут рождаться черные дыры, так почему мы еще живы. Все дело в том, что черные дыры испаряются, и чем меньше их размер, тем больше интенсивность испарения. Черные дыры, рожденные столкновениями частиц, соответственно будут иметь размер 10^-35 м, и испарятся быстрее, чем успеют, что-либо поглотить. Если где-то возле вас родится такая миниатюрная черная дыра, вы ничего даже не заметите.

Мы до сих пор полностью не понимаем природу черных дыр, нам лишь известно, что это полная деформация пространства-времени. Так же можно уверенно говорит о том, что не бывает черных дыр меньше 10^-35 м, а потому как природа черных дыр тесно связана с гравитацией, из этого следует сделать еще один вывод. Гравитация по теории относительности это искривление пространства-времени, и в масштабах 10^-35 м искривления, создаваемые квантовым хаосом элементарных частиц, должны проявлять себя. Наш пространственно-временной континуум на масштабах 10^-35 м уже не может быть ровным. Пространство здесь ведет себя хаотично, оно набухает, дрожит, и даже рвется. Исходя из этих и многих других теоретических предпосылок, ученые сделали выводы, что вообще не может существовать объектов меньших 10^-35 м. А значит, на этих масштабах элементарные частицы должны проявить свою истинную структуру.

В одних теориях предполагается, что все частицы могут быть протяженными одномерными струнами чистой энергии, длиной всего 10^-35 м. Тип колебаний, производимых струной, как раз и определяет тип частицы, который данная струна представляет. Подобные идеи, так и называют теориями струн. Чтобы эти струны могли функционировать по законам квантовой механики, делается допущение, что должны существовать дополнительные измерения. Один из вариантов объяснения ненаблюдаемости дополнительных измерений называется компактификацией. Он предполагает, что дополнительные измерения скручены и переплетены в своего рода, комок размером 10^-35 м, поэтому не ощущаются нами (см. рис.5.1 и рис.5.2). Однако они тесно связаны со струнами и определяют характер их колебаний, а значит, формируют все типы частиц и все их квантовые свойства. Если бы мы могли обладать энергией, которая позволила бы заглянуть глубже 10^-35 м, то все чего нам удалось бы добиться, это увеличить размер данных струн, а это привело бы и к увеличению комка скрученных измерений. Например, мы набрали энергии достаточной для зондирования расстояний в 10^-36 м, но в итоге исследуемые нами струны, а так же само пространство увеличились бы в зондируемом месте до 10^-34 м. Из этого можно сделать вывод, что расстояний меньше 10^-35 м просто нет в природе. Второй вариант объяснения ненаблюдаемых дополнительных измерений называется локализацией, я опишу его в одной из последующих глав, однако суть приведенного здесь вывода он не меняет.

Другие теории считают, что на масштабах 10^-35 м пространство сделано из неделимых составляющих, так называемых атомов пространства. Отсюда тоже следует вывод, что не может быть расстояний меньше 10^-35 м. Частицы в таких теориях являются устойчивыми конфигурациями из переплетенного пространства-времени. Размер этих петель так же лежит в районе 10^-35 м, а пространственно-временная природа частиц, способна объяснить их странное квантовое поведение. Даже черные дыры в рамках этих теорий и те нашли свое объяснение, считается, что это зародыши новых вселенных, а значит и внутри черных дыр, не может быть дистанций меньше 10^-35 м. Подобные концепции названы теорией петлевой гравитации.

Расстояние 10^-35 м принято называть планковской длиной. Мы не знаем, какая из теорий описывающих физику планковских длин верна, пока что и струны и петли носят статус гипотез, поскольку мы не имеем экспериментальных средств для их проверки. Но почти никто из физиков не сомневается, что само пространство в масштабах меньших 10^-35 м уже не существует. Или то, что там есть, уже нельзя назвать пространством, потому что эту сущность нельзя измерить метрами, у нее нет ни длины, ни ширины, ни высоты. Поэтому теперь мы можем сказать, что нет ничего меньше планковской длины и остановить свой спуск в микромир.

Было бы занимательно, находясь в области планковских длин, оглянуться назад в наш мир больших вещей. Чтобы представить, насколько мала планковская длина, тут одним сравнением не отделаешься. Для начала представим, что длина протона сопоставима с длиной блохи. В таком случае длина ваших брюк была бы сравнима с расстоянием между Землей и Сатурном. Подобное сравнение уже в достаточной степени поражает своей непостижимостью. Теперь сопоставим планковскую длину с длиной блохи. Получим, что расстояние, на которое кварки должны сблизиться, чтобы распался протон, станет эквивалентно длине девятиэтажного дома. Длина волны самого высокоэнергетического фотона зарегистрированного человеком будет эквивалентна диаметру земли. Экспериментальные пределы наших исследований микромира сопоставимы с расстоянием между Землей и Сатурном. И наконец, размер протона, при таком сравнении будет равен расстоянию до ближайших звезд. Чтобы окончательно шокировать читателя скажу, что финалом этого сравнения станет молекула ДНК, ширина которой в миллион раз меньше блохи. Так вот если принять планковскую длину за длину блохи, то диаметр спирали ДНК будет больше размера всей видимой вселенной.

следующая глава...