Про эту вашу физику - Дмитрий Владимирович Ганин
С одной разновидностью нейтрино в 2012 году произошла поучительная история. В известной лаборатории по итогам экспериментов вычислили, что скорость частиц превышает скорость света. Новость преждевременно прокатилась по мировым СМИ. А потом оказалось, что вилка была плохо вставлена в розетку. В общем, если вы обнаружили нарушение законов Ньютона, Эйнштейна или Бора, если вы видите привидение или как что-то мироточит, то не спешите с откровением, а обязательно проверьте розетку и другие объективные причины чуда.
Давайте оставим лептоны на время «в покое» и вернемся к материи. У нас еще ядро атома не разобрано.
Если присмотреться к ядру атома пристальнее, этим занимается у нас ядерная физика, то мы увидим, что ядро состоит из двух типов крошечных деталек. Протонов и нейтронов. Обе частицы довольно тяжелые, но нейтрон чуть-чуть тяжелее.
Протон имеет положительный заряд и вместе с отрицательным зарядом электрона делает атом электрически нейтральным. Если же электронов в атоме меньше, чем положено, или даже больше, то атом приобретает заряд, и его все называют ионом. Мы недавно купили в магазине по акции шампунь с натуральными ионами, которые укрепляют волосы и придают им металлический блеск — видите, как можно бессовестно вставлять в рекламу умные слова. Эх, и ведь за это им деньги платят.
Нейтрон не имеет заряда и вне ядра атома живет очень недолго, примерно, минут десять, а потом ломается: разваливается на протон, электрон и нейтрино. При этом ошибочно считать, что нейтрон состоит из этих частей. Он просто на них разваливается! Но, что важно, не нарушая законы сохранения энергии.
Путаницы добавляет факт, что количество протонов в ядре совсем не обязательно равно количеству нейтронов. Вот, например, из-за этого беспорядка у нас имеется несколько видов водорода. А из них получаются разные виды воды: обычная, тяжелая и сверхтяжелая.
Вообще, если хорошенечко разогнать протон и столкнуть его с другим протоном, то столкнувшиеся частицы разобьются на кучу разных частиц, которые живут, как правило, миллионные доли секунды, а то и меньше. Причем виды частиц, на которые развалится протон, зависят от энергии столкновения. А осколки в свою очередь через некоторое время еще на что-нибудь развалятся. Всяких разных частиц на сегодняшний день открыто более 350 штук. Названия у них одно непонятнее другого, например: мезоны, пионы, каоны, позитроны, мюоны, тау-лептоны, а также античастицы с таким же названием, но приставкой «анти» и т. д.
Античастицы имеют ту же массу, что и обычные частицы (и тот же спин — не спрашивайте пока, что это такое), но другие противоположные характеристики, вроде заряда или квантовых чисел).
Собственно, в этих ваших коллайдерах занимаются краш-тестами частиц. Разгоняют протоны и сталкивают, а потом смотрят следы, которые оставили осколки. По этим следам (длина пути, траектория следа, углы отклонения и т. п.) вычисляют массу частиц, их заряд и прочие данные. Хотим напомнить жуткую правду от конспирологов, что на самом деле в коллайдерах делают черную дыру, которая уничтожит Землю и освободит место для планеты Нибиру — наши остроумные комментарии к этому вы прочитаете в специальной главе про ускорители частиц.
Вот так выглядят следы частиц в специальных устройствах для их наблюдения:
Как мы уже сказали выше, тот факт, что протоны и нейтроны разваливаются на кусочки еще на значит, что они из них состоят.
Долго время считалось, что протоны и нейтроны — это цельные частицы. Но в 70-х годах ученые повторили опыт, чем-то похожий на опыт Резерфорда, но вместо атома были протоны, а вместо альфа-частиц были электроны. То есть стреляли электронами по протонам — чего только не придумают затейники, да?
И выяснилось, что рассеивание электронов на протонах и нейтронах немного не такое, как ожидалось. Это и ряд некоторых других трудно объяснимых явлений дало повод ученым заявить, что ядерные частицы состоят из чего-то еще.
Этому «чему-то еще» дали название «кварки». Поясню еще раз: никто этих кварков пока не видел (они, гады, совсем мелкие, с физически ненаблюдаемыми размерами) и никто этих кварков пока не щупал, но косвенные эксперименты, а самое главное, расчеты, показывают, что протоны и нейтроны состоят из кварков. Причем каждая частица состоит сразу из двух-трех кварков, которые взаимосвязаны между собой и соответственно существуют только группами. Кварк не может свободно гулять вне частицы — во всяком случае одинокий кварк в природе еще не встречался. Из кварков состоят и другие частицы материи (кроме лептонов). Всего ученые открыли или, можно сказать, навычисляли, шесть видов кварков, соотнесенные с тремя поколениями. Хитроумных названий этим кваркам придумать не смогли, поэтому кто-то прикололся и назвал кварки вот так:
Справедливости ради, странному кварку дали такую кличку потому, что частица, в которой его обнаружили, не распадалась «слишком долго». И это, видите ли, было странно.
Обратите внимание, что у кварков дробный заряд. Его также пришлось ввести, чтобы объяснить, как из кварков получается положительно заряженная частица протон или нейтральный нейтрон.
Так что, все составные частицы в нашем мире — это комбинации кварков. Можно спросить, но почему физики-теоретики, не видя этих кварков, считают их реальными фундаментальными частицами?
Во-первых, если предположить, что кварки существуют, то все множество частиц хорошо классифицируется и укладывается в так называемую Стандартную модель. А это научненько!
Во-вторых, на основе кварков можно предсказать, какие частицы еще не открыты. И действительно, ожидаемые частицы рано или поздно находятся, причем с ожидаемыми параметрами.
В-третьих, экспериментально удавалось вырвать кварк из протона, но получился, конечно же, не сам кварк, а некий очень интересный эффект, предсказанный теорией кварков и названный адронной струей: из кварков тут же образуются новые частицы и летят в ту же сторону, что и выбитые кварки.
Между прочим, физики предсказывали существование частиц, сколоченных аж из пяти кварков — так называемых пентакварков. Конец немного предсказуем: их действительно обнаружили в экспериментах на коллайдере. Пентакварк состоит из двух верхних кварков, одного нижнего кварка, и пары из очарованных кварка и антикварка. Что это за зверь такой, еще предстоит выяснить.
Причин считать кварки реальными гораздо больше, но они громоздки для нашего праздного объяснения, поэтому сделаем вид, что все нормально. Самым главным аргументом, которым всегда руководствуется наука, является то, что на сегодняшний день нечем объяснить строение материи как-то иначе. Конечно, есть гипотеза тонкого эфира, однако ее без галоперидола не разобрать — в этом мнении схожи и физики, и психиатры.
На картинке: схемы некоторых
