Леонид Дюк - Теория поля

– Ну хорошо. В конце концов, как сказал Резерфорд, «если ученый не может объяснить смысл своей работы уборщице, моющей пол в его лаборатории, значит, он и сам не понимает толком, что делает». Вот и узнаем, имею ли я представление о том, чем занимаюсь.

Вика хихикнула, Арсений продолжил:

– Знаешь, для меня физика – как детективная история, только гораздо интереснее! Представь, сначала, пока учишься, тебе на блюдечке преподносят разгадки таких тайн, которых ни в одном романе не придумаешь. Тайны устройства нашего мира, раскрытые до тебя множеством выдающихся умов всех времен и народов. А потом, когда начинаешь работать, у тебя самого появляется возможность участвовать в общем деле, познавать непознанное, поставить себя в один ряд с Архимедом, Галилеем, Коперником, Ньютоном, Паскалем, Бором, Планком, Эйнштейном… Перечислять можно бесконечно. Но и это даже не главное! Раскрытие одной тайны, как правило, порождает новые, более сложные, а потому и еще более интересные загадки.

– Например?

– Ну что, ну я не знаю… Ну давай возьмем для примера строение материи, из которой состоит абсолютно все! Все, что мы наблюдаем здесь на Земле или в далеком космосе. Тем более что это как раз близкая для меня тема. Еще древние греки, например Демокрит, считали, что любое вещество образуют мельчайшие неделимые частицы, которые они назвали атомами. И сейчас, через две тысячи лет, ученые по-прежнему продолжают искать эту минимальную неделимую частицу и до сих пор считают, что древние греки были в общем-то правы. Когда наука в девятнадцатом веке наконец добралась до чего-то похожего, обнаружив, что обычные вещества состоят из мельчайших компонентов, ученые не стали долго ломать голову над названием и использовали готовый термин – «атомы». В то время действительно считалось, что атом представляет собой конечную, минимальную частичку из всех возможных. Потом выяснилось, что атомы существенно отличаются друг от друга и тоже, в свою очередь, состоят из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Да и ядро само по себе не конечно, оно состоит из нуклонов: протонов и нейтронов. Эти открытия произошли гораздо позднее, в двадцатом веке. И поскольку слово «атом» было уже занято, ученые назвали обнаруженные частицы «элементарными», опять-таки указывая на то, что вот теперь-то уж точно найдена самая маленькая, неделимая частица.

– Это действительно так?

– Нет, оказалось, что и на этот раз ученые несколько поторопились. Довольно скоро выяснилось, что и нейтроны, и протоны состоят из одних и тех же составных частей, которые назвали кварками. Теперь уже они стали выполнять роль «атомов» Демокрита. Кварков всего два: верхний и нижний. Ну то есть их на самом деле шесть, но для нас остальные четыре сейчас не так интересны. Эти кварки, как выяснилось, имеют электрический заряд. Ты же знаешь, что такое электричество?

– Ну так, в общих чертах. Светом умею пользоваться.

– Ну вот, электрический заряд – одно из свойств частиц, которые теперь назвали фундаментальными.

– Я поняла, это потому что слово «элементарные» было уже занято, да?

– Наверное, – Арсений улыбнулся. – Так вот, верхний кварк имеет электрический заряд, равный плюс 2/3, а нижний – минус 1/3. Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего, его суммарный заряд получается равным плюс 1, а нейтрон – наоборот, из двух нижних и одного верхнего. Поэтому он электрически нейтрален. Потому, собственно, и назван нейтроном. Вот и получается, что все ядро в целом имеет положительный заряд, а вокруг него по хитрым орбитам вращаются отрицательные электроны. Понятно?

– Пока понятно. А чем протоны, нейтроны и кварки друг с другом соединяются?

– Хороший вопрос! А соединяются они в буквальном смысле клеем. То есть фундаментальной частицей под названием глюон, от английского слова glue, что означает «клей». Кроме частиц, образующих материю, физики обнаружили частицы, передающие взаимодействие. И если для электромагнитных волн, например для видимого света, этой частицей является фотон, ты наверняка про него слышала, то для сильного ядерного взаимодействия, заставляющего кварки быть жестко сцепленными между собой, эту роль выполняет как раз глюон. А всего таких взаимодействий пока открыто четыре. Кроме названных еще слабое ядерное и его частица-переносчик – слабый калибровочный бозон – и гравитационное. Для гравитационного взаимодействия частица теорией предсказана, но, поскольку это самое слабое из всех взаимодействий и проявляется гораздо менее ярко, она до сих пор не подтверждена экспериментально. Тем не менее название у нее уже есть – гравитон.

– Я не понимаю, как это частица переносит взаимодействие?

– Представить не просто, но можно. Допустим, мы с тобой плывем рядом на разных лодках по морю. И я тебе кидаю, например… ну что ты любишь? Например, бутылку шампанского. Раз я ее тебе кинул, как бы оттолкнулся от бутылки, то моя лодка немного отклонилась от курса в сторону «от тебя», а раз ты ее поймала, то и твоя лодка отклонилась немного от курса в сторону «от меня». Таким образом, бутылка шампанского выступила в роли передатчика взаимодействия. Это очень упрощенно, на атомном уровне частицы передают не само взаимодействие, а скорее информацию о том, как надо взаимодействовать, притягиваться или отталкиваться. Их так и называют поэтому – частицы-посланники.

Молодой человек рассказывал очень увлеченно. Ему, несомненно, нравилась эта тема, нравилась наука, нравилось направление, в котором он повернул свою жизнь. Он относился к физике как к некому таинству. Откровение для избранных, для посвященных, для тесного круга. Подобные ощущения не были для него в новинку. Важнее и неожиданней было то, что ему нравилось говорить об этом, нравилось посвящать человека, ставшего ему дорогим всего за несколько дней, во что-то очень близкое, родное, почти интимное.

Вика задумчиво гладила его руку, которой Арсений продолжал крепко обнимать ее.

– Интересно, и что из этого всего следует? Зачем все это знать?

– Ну, фундаментальная наука не всегда отвечает на вопрос «зачем», этим занимается прикладная физика. Нам важен принцип. Но я все же отвечу. Примеров множество. Сильное ядерное взаимодействие очень быстро уменьшается в зависимости от расстояния. Поэтому крайние, внешние, протоны и нейтроны больших ядер – ядер тяжелых металлов, таких как уран, – очень слабо связаны и легко от него отрываются. Этот процесс называется радиоактивным распадом, в результате образуются ядра других, более легких элементов. Важно, что суммарная масса двух новых ядер меньше, чем масса исходного ядра. А масса и есть энергия! Помнишь знаменитую формулу Эйнштейна? Ее даже ты наверняка знаешь: «как я рад, как я рад, е равно эм-це-квадрат!» Разница масс выделяется в виде колоссальной энергии, которая может быть использована для разрушения в атомных бомбах или для созидания в ядерных электростанциях.