Терри Пратчетт - Наука плоского мира IV: Судный день

Все элементы водород, гелий, углерод, сера и так далее состоят из этих трех частиц. Они обладают различными химическими свойствами, потому что количество частиц в их атомах отличается. Атомы подчиняются некоторым общим правилам. Частицы, к примеру, переносят электрический заряд: электроны отрицательный, протоны положительный, нейтроны нулевой. Таким образом, чтобы суммарный заряд был равен нулю, количество протонов должно совпадать с количеством электронов. Самый маленький атом это атом водорода, который состоит из одного электрона и одного протона; атом гелия состоит из двух электронов, двух протонов и двух нейтронов.

Химические свойства атома главным образом зависят от его электронов, поэтому разница в количестве нейтронов не оказывает на его химию существенного влияния. Но небольшая разница все же есть. Этим объясняется существование изотопов, разновидностей конкретного элемента, которые слегка отличаются химическими свойствами. К примеру, атом наиболее распространенного изотопа углерода содержит шесть электронов, шесть протонов и шесть нейтронов. Но есть и другие изотопы, в которых количество нейтронов варьируется от двух до шестнадцати. Углерод-14, который используется археологами для определения возраста органического материала, содержит восемь нейтронов. Атом самой распространенной формы серы состоит из шестнадцати электронов, шестнадцати протонов и шестнадцати нейтронов; всего известно 25 изотопов.

Роль электронов в химических свойствах атомов особенно важна, так как они находятся снаружи и, значит, могут контактировать с другими атомами, образуя молекулы. Протоны и нейтроны плотно упакованы в центре атома и составляют его ядро. В ранних моделях атома предполагалось, что электроны движутся вокруг ядра по орбитам, как планеты вокруг Солнца. На смену им пришла модель, представляющая электроны в виде вероятностных облаков, которые не сообщают, где именно находится частица, а указывают ее вероятное местонахождение с точки зрения наблюдателя. Сегодня даже она воспринимается как чрезмерное упрощение довольно сложной математической модели, в которой электрон находится везде и в то же время нигде.

Три частицы электрон, протон и нейтрон свели воедино физику и химию. Они объяснили весь перечень химических элементов от водорода до калифорния самого сложного элемента, существующего в природе и даже различные короткоживущие элементы, созданные искусственно и обладающие еще большей сложностью. Все блистательное многообразие материи можно было получить из небольшого набора частиц, фундаментальных в том смысле, что их нельзя разделить на более мелкие составляющие. Это было просто и понятно.

Но простота, понятное дело, оказалась недолговечной. Во-первых, для объяснения многочисленных экспериментальных данных, касающихся мельчайших деталей материи, потребовалось ввести в дело квантовую механику. Затем были обнаружены новые, столь же фундаментальные, частицы, например, фотон частица света и нейтрино электрически нейтральная частица, которая настолько редко взаимодействует с прочей материей, что могла бы без труда пройти сквозь свинцовую плиту толщиной в несколько тысяч миль. Каждую ночь мириады нейтрино, порожденных ядерными реакциями на Солнце, проходят сквозь твердую оболочку Земли и сквозь ваше тело, не вызывая практически никаких последствий.

Но нейтрино и фотоны были лишь началом. Через несколько лет фундаментальных частиц стало больше, чем химических элементов, и это вызвало некоторое беспокойство, потому что объяснение оказалось сложнее объясняемых явлений. Но в итоге физики выяснили, что некоторые частицы более фундаментальны, чем другие. Протон, к примеру, состоит из трех более мелких частиц, которые называются кварками. То же самое касается и нейтрона, только кварки скомбинированы иначе. Электроны, нейтрино и фотоны, тем не менее, остались фундаментальными частицами: насколько нам известно, они не состоят из более простых частей [7] С 1970-х годов физики высказывали предположения о том, что кварки и электроны на самом деле состоят из еще более мелких частиц. Называли их по-разному: альфоны, гаплоны, гелоны, маоны, прекварки, примоны, кинки, ришоны, субкварки, твидлы и Y-частицы. В настоящее время такие частицы обозначаются универсальным термином «преоны».

Одной из главных причин строительства БАК было исследование последнего недостающего компонента стандартной модели, которая, несмотря на свое скромное название, дает почти полное объяснение физики элементарных частиц. В соответствии с этой моделью, в пользу которой говорят довольно убедительные факты, из шестнадцати по-настоящему фундаментальных частиц можно составить любую элементарную частицу. Шесть из них называются кварками и образуют пары с довольно необычными названиями: верхний/нижний, очарованный/странный, истинный/прелестный. Нейтрон состоит из одного верхнего и двух нижних кварков; протон из одного нижнего и двух верхних.

Далее идут так называемые лептоны, и снова парами: электрон, мюон и тауон (обычно его называют просто тау) вместе с соответствующими нейтрино. Самое первое нейтрино теперь называется электронным и образует пару с электроном. Все вместе эти двенадцать частиц называются фермионами в честь выдающегося американского физика итальянского происхождения Энрико Ферми.

Оставшиеся четыре частицы имеют отношение к силам, а значит, удерживают вместе всю остальную материю. Физики выделяют четыре основных силы природы: гравитацию, электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие. Пока что вписать гравитацию в квантовомеханическую картину не удалось, поэтому в стандартной модели она не играет никакой роли. Остальные три силы связаны с особыми частицами, которые называются бозонами в честь индийского физика Сатьендры Ната Бозе. Различие между фермионами и бозонами играет важную роль, так как эти частицы обладают различными статистическими свойствами.

Четыре бозона выступают в качестве «посредников» соответствующих взаимодействий по аналогии с тем, как два игрока в теннис держатся вместе, благодаря тому, что их внимание приковано к мячу. Посредником электромагнитного взаимодействия служит фотон, посредником слабого ядерного взаимодействия Z-бозон и W-бозон, а посредником сильного глюон. Это и есть стандартная модель: двенадцать фермионов (шесть кварков и шесть лептонов) удерживается вместе четырьмя бозонами.

Всего шестнадцать фундаментальных частиц.

Ах да, еще бозон Хиггса семнадцатая фундаментальная частица.

Конечно же, при условии, что этот легендарный Хиггс (как его называют в разговорной речи) действительно существует. До 2012 года он существовал только в теории.