Глава 1 - Вселенная

 

Тропа Микрофизическая

 

ТЭЧ

 

Ну вот, “вверх” мы сколько могли забрались. Но чтобы перейти к главной части устройстиву Мира нужно сходить еще и “вниз”. Ибо макро и микро связаны оказались так, что и не разделить...

“Официальные источники” — всяческие справочники — пишут об этом мире примерно вот что:

«Элементарные частицы мельчайшие известные частицы физической материи. Характерная их особенность способность к взаимным превращениям, что не позволяет рассматривать их как простейшие, неизменные “кирпичики мироздания”, подобные атомам Демокрита. Всего сейчас открыто около 300 э.ч. (вместе с античастицами), из которых стабильны: фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные самопроизвольно распадаются за время от 103 с. для свободного нейтрона до 10-24 с. для резонансов.

Термин “элементарная частица” в значительной мере условен, т.к. не существует четкого критерия элементарности...»

Энрико Ферми человек весьма сведущий в этой области высказался язвительнее: «термин “элементарный” относится к уровню наших знаний».

Но перейдем к делу.

 

Зоопарк элементарных частиц зародился в 1897 году, когда помните? Томсон открыл электрон первую элементарную частицу. Этот факт вызвал мозготрясение локального масштаба в среде физиков: он ведь окончательно и бесповоротно утверждал, что атомы структуры сложные и считать их элементарными кирпичиками мироздания можно и нужно лишь с химической точки зрения.

В 1931 году физик Вольфганг Паули высказал гипотезу о существовании нейтрино «нейтрончика, или маленького нейтрона». Гипотеза имела благородные намерения: нужно было спасать закон сохранения энергии, который, похоже, не соблюдался в b-распаде нейтрона: тот распадался на протон и электрон и “баланс масс” не сходился. Вот Паули и предположил (в математическом смысле, естественно, а не в бытовом мол, чесал это в затылке и излагал), что есть еще некая малюсенькая и нейтральная частица, она и уносит часть энергии. Через четверть века ее-таки обнаружили. Ее массу, правда, до сих пор пытаются уточнить:  уж больно мала (хотя в 1980 году впервые удалось измерить, до того считали массы у нейтрино нет вообще).

Зоопарк этот оказался очень сложным — даже просто количество частиц, если их больше трех сотен, уже наводит на размышления типа «что-то тут не так», поскольку интуитивно-то мы все чувствуем, что раз уж «элементарные», так поменьше их должно быть… Но кроме этого есть и трудности принципиальные, не «количественные». Одна из них — что такое масса (или энергия) частицы, откуда она берется? Ведь масса — это проявление каких-то сил, к чему-то эти частицы как бы притягиваются. К чему? Короче говоря, теория элементарных частиц далека от понимания и завершения.

 

Отметим это для себя. А желающие могут перейти к вправлению мозгов самим себе, ибо иначе в этом зоопарке не разобраться. Остальные же могут прыгать сразу дальше. Передаю слово.

 

С.Смирнов, “Неисчерпаемая точка”, (Знание-сила, №8 1982) [приводится с сокращениями; выделения в тексте сделаны мной]

Странное название, не правда ли? Что можно почерпнуть из точки, у которой нет ничего - “ни длины, ни ширины, ни толщины” - как определил еще Евклид... У геометров Эллады точка играла одну-единственную роль - метки, обозначавшей определенное место на прямой или на плоскости... Но в XVII веке... родилась современная физика и потребовался целый ворох новых понятий. Появились и новые точки – физические, или “материальные”. Что же это такое, что нового они умеют делать сравнительно с геометрическими точками?

Во-первых, физическая точка может двигаться, т.е. она имеет особую характеристику - скорость, которая может меняться со временем. Во-вторых, у нее есть масса... И скорость, и масса измеряются числами. При этом физическая точка сохраняет все привычные свойства точки геометрической - она имеет нулевые размеры и в ней нельзя выделить различные части. Как же представить себе объект с таким набором свойств?

Эту трудную задачу сумели решить Декарт и Ферма, и решили довольно хитро... они определили: точка на прямой - это число (равное рас-стоянию до нее от некоей другой, принятой за начало отсчета)... а раз это число, то с точками теперь можно проделывать арифметические действия, и эти действия приобретают геометрический смысл...

А как определить точку на плоскости? Очень просто (сказали Декарт и Ферма): если точка на прямой - это число, то точка на плоскости - это пара чисел... а в пространстве понадобится три числа, оттого мы и называем наше пространство трехмерным.

...Таково открытие Декарта и Ферма - простое и гениальное. Причем открывает оно сразу несколько дверей в разные области науки. Можно решать алгебраическими методами наглядно-геометрические задачи - тогда получится аналитическая геометрия. А можно сделать из геометрической точки физическую (раньше ее называли “материальной точкой”, а теперь обычно зовут “элементарной частицей”) - тогда начнется теоретическая физика. На этот путь вступил Ньютон.

Он начал с малого: заметил, что не только положение точки в пространстве можно задать тремя числами... скорость ее тоже задается тремя числами... Теперь всю информацию о физической точке можно задать числами: три - чтобы описать ее положение в пространстве, еще три определяют ее скорость, и седьмое число - масса точки.

Итак, точка физическая не слишком сильно отличается от точки геометрической - это тоже набор чисел, только подлиннее. Но геометрическую точку мы себе хорошо представляем - лежащей где-то на плоскости или в пространстве. Где нам мысленно поместить физическую точку? Ясно, где - в семимерном пространстве, раз у нее семь координат...

...Но кто способен наглядно представить себе такую вещь, как семимерное пространство?... однако для работы с ним приемы не так уж и сложны. Например, сколько вершин имеет семимерный куб? У двумерного квадрата их 22=4, у обыкновенного (трехмерного) куба 23=8; нетру-дно догадаться, что у семимерного их будет 27=128 штук...

Итак, мы договорились: родина физических точек лежит в семимерном пространстве, а у нас, в трехмерье, они “в гостях”. Кстати, точки любого многомерного пространства принято называть векторами, потому что с ними можно проделывать все те же операции, что с привычными векторами... и эти свойства нам придется учитывать при изучении тех физических точек, которые ими изображаются, то есть элементарных частиц.

Вот мы и прикоснулись к XX веку. Именно в нашу эпоху быстро расширяющийся зоопарк элементарных частиц заставляет физиков постоянно совершенствовать свои представления о физической точке... Первым новатором выступил Эйнштейн. Он справедливо возмутился неравноправием среди семи координат физической точки: почему ее масса неизменна, а все остальные могут меняться со временем? Плодом этого возмущения явилась специальная теория относительности. Она требует не путать массу покоящейся частицы с тем “довеском” к ее массе, который возникает при движении... Довесок этот пропорционален кинетической энергии частицы, поэтому именно энергию следует считать седьмой координатой физической точки. И еще - раз уж мы рассматриваем движущиеся точки, стоит явно ввести в нашу картину время в качестве новой, восьмой координаты. После этого мы сможем изучать не только мгновенные фотопортреты физических точек, но и полные их биографии, то есть движения частиц.

Итак, для описания физической точки нужно восемь координат, которые почти равноправны: положение точки во времени и в пространстве, ее энергия и ее скорость или импульс, то есть количество движения материальной точки. Но все же не ясно, почему даже покоящиеся частицы имеют определенные массы, то есть обладают какой-то скрытой (не кинетической) энергией. И хотя мы умеем теперь освобождать часть этой энергии в ядерных реакциях и даже знаем, что Солнце светит за счет той же энергии, а потому непрерывно теряет массу, все-таки непонятно, как природа законсервировала часть энергии физической точки “внутри нее”.

Но, может быть, не внутри? Для сравнения: простейший механизм для консервации механической энергии - пружина. Нельзя ли представить себе, что все физические точки притянуты (с разной силой) какими-то невидимыми для нас пружинами к чему-то большому и тоже невидимому для нас? Энергию натяжения этих пружин мы воспринимаем как массу покоя частиц; когда частица движется, ее пружина натягивается еще больше - масса частицы растет. Модель, конечно, весьма примитивная. Однако сама идея, что масса физической точки “навязана” ей извне, оказалась весьма плодотворной. Но об этом потом, сейчас нам пора заняться фотоном.

Фотон и его родня

Фотон - вещь поистине замечательная: это единственная физическая точка, которую можно увидеть невооруженным глазом. Именно так: тренированый человеческий глаз в полной темноте способен заметить одиночный фотон – элементарную частицу света. Есть у фотона и другие достоинства. Экспериментатор рад тому, что энергия фотона связана с его цветом, а теоретику приятно, что масса покоя фотона равна нулю - стало быть, не нужно ее объяснять. Не случайно теория фотона - квантовая электродинамика - самая безупречная часть современной теоретической физики. Недостатков у фотона совсем нет; зато есть один избыток – волновые свойства, из-за которых ни один здравомысляший физик XIX века не согласился бы считать его точкой.

Оказывается, когда фотон летит по пространству, в нем что-то периодически изменяется; и это загадочное “что-то” удобно представлять в виде вектора (по имени фаза), который торчит из фотона перпендикулярно оси его полета и вращается вокруг этой оси с постоянной скоростью, пропорциональной энергии фотона. Как будто фотон - это пропеллер (без самолета); кстати, ось такого пропеллера называют спином. И если мы хотим полностью задать состояние фотона в какой-то момент времени, то надо... указать еще его фазу, то есть еще один двумерный вектор.

Далее: энергия фотона-пропеллера пропорциональна скорости его вращения вокруг оси полета, и эту энергию невозможно узнать за время, меньшее, чем период обращения фотона, а за это время фотон сдвинется по пространству на вполне определенное расстояние (называемое длиной его волны). Значит, точно измерив энергию фотона, мы не можем одновременно точно измерить его положение в пространстве! Этот факт был известен давно и физики делали из него простой вывод: фотон не точка, а протяженная частица, вроде отрезка с длиной, равной длине волны фотона. Но в протяженной частице можно выделить разные части (хотя бы переднюю и заднюю половины), а с фотоном это не получается – невозможно забраться внутрь него, а если попробовать расколоть фотон (например, ударив его об атом), то он распадается на обломки, каждый из которых есть опять целый фотон, да еще с длиной волны, большей, чем у исходного фотона!..

...Ничего не поделаешь - мы вынуждены считать фотон точкой... только точка эта, как мы теперь знаем, многомерная, ее родина лежит в десятимерном (точнее, (9+1)-мерном) пространстве-времени, а мы в нашем (3+1)-мерном доме видим только движущуюся трехмерную “тень”, вернее, “отблеск” фотона. Отсюда – кажущаяся парадоксальность свойств этой точки. У нее есть “длина волны”, но это не длина самого фотона, а просто размер наименьшей “клетки”, в которую можно заключить его трехмерный образ. У себя дома фотон задается десятью числами, но измерить их все вместе в нашем трехмерном пространстве невозможно - это следует из соотношения неопределенностей Гейзенберга... такова расплата за попытку изучать свойства многомерного объекта по его трехмерной проекции.

Но ведь это дело не новое! Вспомним, как трудно бывает восстановить форму трехмерного тела даже по трем его проекциям на разные плоскости. Однако геометры успешно справляются с такой задачей и сложили даже поговорку: “Геометрия есть искусство правильно рассуждать, глядя на неправильный чертеж”... Вот что значит стоять на плечах гигантов! Все видно: физические точки суть многомерные векторы, и фотон - их типичный представитель. А все остальные элементарные частицы... Стоп! Что за остальные частицы? Мы помним, что все векторы много-мерного пространства равноправны, и все геометрические точки тоже. Почему же существуют разные сорта физических точек? Логично было бы ожидать, что электрон, нейтрино и т.п. отличаются от фотона только тем, что у них есть массы покоя... Увы, нет, разница между фотоном и электроном гораздо глубже, и это вынудит нас поправить наше определение физической точки. Но сначала перечислим все известные сорта физических точек.

Кроме фотона, элементарными частицами являются:

электрон и два его более тяжелых родственника (лептоны мю и тау), а также соответствующие всем им три вида нейтрино;

дальние родственники лептонов - кварки (их, скорее всего, шесть видов), из них состоят протоны, нейтроны, мезоны и вообще подавляющее большинство частиц, прежде считавшихся элементарными;

родственники фотона - близкие (бозоны Z и W) и дальние (глюоны);

наконец, двое никому не родственных одиночек - склярный бозон Хиггса и гравитон Эйнштейна (они еще не наблюдались, но огромное большинство теоретиков согласно с их существованием).

Может быть, в природе есть и другие сорта физических точек; но хорошо бы разобраться хоть с этими, которые сами лезут - если иногда и не в приборы экспериментатора, то уж в уравнения теоретика обязательно.

Симметрии точек

Как видно, в зоопарке физических точек есть порядок. Элементарные частицы группируются в семейства по простому признаку: все члены одного семейства имеют одинаковую симметрию. Однако что такое симметрия многомерного вектора?

Мы привыкли говорить о симметрии квадрата или равностороннего треугольника, там дело ясное: квадрат достаточно повернуть на 90°, чтобы он перешел в себя, а треугольник совмещается с самим собой только при повороте на 120°. А как можно повернуть многомерный вектор? Только одним способом: надо вертеть его проекцию в нашем обычном пространстве, ту самую проекцию, которую мы регистрируем нашими приборами и называем элементарной частицей. Точнее, надо повернуть или отразить в зеркале четырехмерное пространство-время так, чтобы ось полета элементарной частицы перешла в себя, и посмотреть, в себя ли перейдет при этом сама частица. Этого может и не случиться; например, при отражении в зеркале “левовращающийся” пропеллер переходит в “правовращающийся”. Значит, подобный пропеллеру фотон перейдет при отражении в другой фотон! А вот гравитон - частица, порождающая тяготение - при отражении в зеркале переходит сам в себя, такова его фаза.

Эта небольшая разница между частицами вызывает большое различие между тяготением и электричеством, поскольку фотон переносит электромагнитное взаимодействие... как гравитон - гравитационное. В результате электрические силы могут вызывать как притяжение, так и отталкивание тел, а гравитация всегда есть притяжение. Антигравитации нет - любая массивная частица в поле тяготения Земли падает вниз, а не вверх, даже если это антипротон или позитрон.

Кстати, об античастицах. Они тоже возникают из соображений симметрии. Дело в том, что симметрия электрона и всех его родственников совсем особая: при повороте нашего пространства на 360 градусов они переходят не в себя, а в “минус себя” - в свои античастицы! Как это можно себе представить? По аналогии с Землей и часами: пока наша планета делает полоборота, часовая стрелка делает полный оборот. То есть поворот стрелки на 360 градусов переводит день в ночь, но это не особое свойство дня и ночи, а просто такие мы себе сделали часы. Видимо, так и с электроном: в многомерье он ведет себя как обычный вектор, но его проекция в наше пространство увеличивает угол поворота вдвое. Поэтому в нашей Вселенной сосуществуют на равных правах обычные электроны и их “отрицания” - позитроны.

Но ведь не все элементарные частицы таковы! “Антифотон” - это просто другой фотон, а вот антиэлектрон - частица совсем иная, чем электрон. Неизбежный вывод: многомерные векторы, изображающие фотон и электрон, проектируются в наше трехмерное пространство по разным законам. А это значит, что различны сами многомерные пространства, где лежат эти векторы - фотоны лежат в одном пространстве, электроны - в другом, гравитоны - в третьем... Вот мы и добрались до самой новейшей идеи физиков-теоретиков: до суперпространства и суперсимметрий в нем. Замысел прост: надо построить такое суперпространство (быть может, очень многомерное, или, как говорят математики, высокомерное), в котором лежали бы, не пересекаясь (или пересекаясь в одной точке - как две прямые на плоскости), все нужные нам пространства элементарных частиц: фотонное, гравитонное, электронное и другие. Далее, надо придумать такие естественные преобразования суперпространства, ко-торые бы переводили все выделенные нами пространства друг в друга...

Вот и вся программа; ее в основном удалось реализовать в 1970-х годах. Тем самым было установлено физическое единство элементарных частиц, к каким бы типам симметрии они ни принадлежали. И остался один проклятый вопрос: почему бывают разные частицы с одним и тем же типом симметрии - например, электрон и кварк, фотон и глюон? Здесь даже суперсимметрии не выручают нас.

Дело в том, что до сих пор мы рассматривали каждую физическую точку отдельно, как будто она одна в природе. А при этих условиях невозможно отличить электрон от нейтрино или от кварка; различие между ними проявляется только во взаимодействиях элементарных частиц. Такой способности к взаимодействию у геометрических точек не было, но у физических она есть - именно поэтому физические точки объединяются в большие, наблюдаемые невооруженным глазом тела, например в этот номер журнала.

...взаимодействие элементарных частиц можно рассматривать как распад одной из них на две другие: например, фотон распадается на электрон и позитрон... но физикам этого мало - для полного понимания процесса надо знать его интенсивность, то есть среднюю продолжительность реакции... заметим, что физики составили прейскурант интенсивностей различных реакций (его зовут лагранжианом). Зная хотя бы часть этого прейскуранта... можно рассчитывать свойства многих физических систем. Например, нетрудно рассчитать спектр атома позитрония, а потом сверить свои предсказания с экспериментом, благо создать из электрона и позитрона такой атом - дело несложное.

Но позвольте... причем же тут фотон? В атоме позитрона обе частицы, очевидно, вращаются вокруг общего центра тяжести; ни одна из них не распадается... и никаких фотонов в атоме не видно! Да, не видно, но они есть - иначе не было бы атома. Ведь он существует за счет силы электрического притяжения между электроном и позитроном, а эта сила возникает (согласно представлениям современной физики) вследствие обмена фотонами между частицами-партнерами. Именно так: каждый из партнеров непрерывно излучает фотоны, и в то же время поглощает другие фотоны, излученные его визави. Ни один из этих фотонов не вылетает за пределы атома, поэтому наблюдатель их не видит; такие “фо-тоны для внутреннего употребления” принято называть виртуальными. Подобные же стада виртуальных гравитонов постоянно летают между Солнцем и планетами, вызывая притяжение между ними и сохраняя солнечную систему в ее привычном виде. Этот же механизм склеивает три кварка в протоне, но там кварки обстреливают друг друга глюонами...

А теперь попробуем ответить на вопрос: из каких физических точек состоит атом позитрония? Казалось бы, ясно - из электрона, позитрона и многих виртуальных фотонов. Но “многих” - это скольких?... о виртуальных фотонах мы можем узнать только одно: какие у них могут быть энергии, импульсы, спины. А этого недостаточно для индивидуализации виртуальных фотонов, и мы вынуждены рассматривать их все вместе как единое целое, не делимое на части, то есть как новую, особого рода физическую точку.

Да, неуютная картина получается: столько труда потрачено на выяснение свойств нормальных физических точек... и вдруг выясняется, что физика не может обойтись ими одними, а нужны еще “ненормальные” точки для изображения физических систем. Как же математики сумели обойтись без таких точек? Оказывается, и они не обошлись. Впервые о необычных - незамкнутых точках заговорили в самом начале XX века; тогда родилась новая наука - теоретико-множественная топология, которая подвергла строгому анализу понятие геометрической фигуры.

часть без целого?

Вспомним повесть Гоголя “Нос” - в ней действует как реальный объект такая часть человеческой фигуры, которая не способна к самостоятельному существованию. Вот такие “части фигур, сами не являющиеся фигурами”, есть и в геометрии; даже одна точка может оказаться таким “носом без владельца”. На языке геометров эти “обломки фигур” называют незамкнутыми множествами, а те фигуры, от которых их отломили - замыканиями этих множеств...

...Теперь ясно, как устроен атом позитрония: кроме двух обычных (замкнутых) физических точек - электрона и позитрона, в него входит еще одна незамкнутая точка - облако виртуальных фотонов, циркулирующих внутри атома... Вот так топология пробралась в физику...

Свойства незамкнутых точек, конечно, иные, чем у привычных замкнутых точек... Но по крайней мере одно общее свойство должно быть у всех физических точек - они должны обладать энергией. И тут мы видим первое резкое различие между точками старыми и новыми: энергия замкнутой точки была положительна, а энергия незамкнутой точки может быть и отрицательна. Дело в том, что масса любой физической системы всегда меньше, чем сумма масс всех ее наблюдаемых частей, только при этом условии система устойчива. Например, масса атома позитрония примерно на одну стотысячную меньше суммы масс электрона и позитрона. Этот дефект массы атома, то есть (в пересчете на энергию по формуле Эйнштейна) отрицательную энергию облака виртуальных фотонов, мы считаем энергией незамкнутой точки атома.

А теперь перейдем к протону - и удивимся еще больше. Если бы протон состоял только из трех кварков и скрепляющего их облака виртуальных глюонов, то его масса была бы меньше, чем сумма масс кварков, а она оказывается больше в полсотни раз! И все же протон устойчив - значит, кроме кварков, в нем есть еще что-то очень массивное. Может быть, протон - это капля какой-то жидкости, вроде супа, в котором плавают три крупинки - кварка? Да, такова гипотеза современных физиков; жидкость эту они называют конденсатом - глюонным и кварковым...

...Вспомним, что незамкнутая точка изображает облако виртуальных элементарных частиц - нечто вроде газа. А газ отличается от одиночной частицы тем, что он может пребывать во многих разных состояниях: он может быть более или менее нагрет, может занимать больший или меньший объем; наконец, при некоторых условиях он может конденсироваться в жидкость и даже замерзнуть - затвердеть. Все перечисленное может происходить и с незамкнутыми физическими точками... Эта новейшая глава теоретической физики пока еще не дописана, и не все в ней сверено с экспериментом.

Топология вакуума

Обсудим два наиболее законченных раздела этой главы: “Происхождение массы” и “Из чего состоит протон”, а также поговорим о некоторых надеждах на будущее.

Чтобы понять, откуда берется масса частиц, придется (внимание, читатель!) рассматривать весь вакуум как одну незамкнутую точку. Однако позволительно ли это? Да, ведь вакуум - это не какое-то бессмысленное “ничто”, а просто такое место, где мы ничего не различаем... Представим себе, что вакуум - не абсолютная пустота, а облако виртуальных частиц, вроде фотонного облака внутри атома позитрония. Только размеры этого нового облака гигантские - во всю нашу Метагалактику, и частицы облака - не фотоны, а упоминавшиеся уже склярные бозоны Хиггса. Предположим далее, что это “вселенское облако Хиггса” может пребывать в двух разных состояниях - “газообразном” и “жидком”, которые имеют разную энергию, причем переход из газообразного состояния в жидкое происходит с выделением энергии (так и обычный водяной пар конденсируется в воду). Наконец, предположим, что “облако Хиггса” в этих двух состояниях по-разному взаимодействует с элементарными частицами: когда оно - газ, взаимодействие почти незаметно, а когда оно - жидкость, частицы приобретают массу. Все электроны в Метагалактике одинаковы по массе, то же относится к протонам и т.д.; это означает, что каждая частица любого сорта взаимодействует с “облаком Хиггса” как с единым целым - с “незамкнутой точкой Хиггса”, которая в нашу эпоху пребывает в “жидком” состоянии... а раньше было иначе: “облако Хиггса” было “газообразным”, и все элементарные частицы имели нулевую массу. Потом “газ” превратился в “жидкость” с выделением огромной энергии - это был один из эпизодов Большого Взрыва... здесь важно то, что введение в физическую картину мира вакуума как незамкнутой точки помогает объяснить и даже рассчитать ход реальных наблюдаемых процессов.

Двинемся теперь дальше. Чтобы понять природу массы частиц, нам пришлось ввести в вакуум дополнительную незамкнутую точку – склярный конденсат Хиггса. Сколько и каких точек нужно добавить в старый добрый протон, чтобы его теоретический портрет стал похож на фотографию, то есть на экспериментальные данные о протоне?.. Картина представляется такой: протон есть “пузырек” в жидкости Хиггса, заполняющей все наше пространство...

...Внутри этого пузырька летают три реальных кварка - они образуют “скелет” протона,- а между ними перескакивают виртуальные глюоны - их мы изобразили одной незамкнутой точкой. Но кроме всего этого, внутри протона присутствует еще некая смесь виртуальных глюонов и кварков, пребывающая под влиянием реальных кварков в “жидком” состоянии. Ее физики называют кварково-глюонным конденсатом, и, судя по недавним расчетам, наличие этой “капли” дает именно такую массу протона, которая наблюдается в эксперименте. Так что в создании протона участвуют, видимо, по крайней мере шесть точек - три замкнутые (кварки) и три незамкнутые: жидкость Хиггса, глюонный газ и глюонно-кварковая жидкость...

...Можно представить себе, что изначально все замкнутые физические точки различались только своими симметриями, не имея ни массы, ни электрического заряда, ни иных характеристик. Кроме этих замкнутых точек, были пронизывающие весь вакуум облака виртуальных частиц, то есть незамкнутые точки. Вся эта совокупность обладала энергией и развивалась со временем - попросту говоря, наш мир расширялся и остывал. В ходе этого охлаждения по очереди “сжижались” все новые и новые группы виртуальных частиц, то есть соответствующие незамкнутые точки скачком изменяли свои свойства - они начинали более интенсивно взаимодействовать с замкнутыми точками, и те приобретали все новые и новые характеристики. Сначала стали отличаться друг от друга предки лептонов – электрона, мюона и тау-лептона (и соответствующих нейтрино), они же были и предками кварков. Затем в каждом из этих трех “первородных” семейств произошло разделение на лептоны и кварки. Одновременно фотон отделился от глюонов. Наконец, конденсация газа Хиггса в жидкость обеспечила частицы массами; при этом фотон отделился от своих отяжелевших родственников - бозонов Z и W. Тем самым оформилось электромагнитное взаимодействие между элементарными частицами как обмен виртуальными фотонами между ними; частицы получили те электрические заряды, которые мы наблюдаем в современную эпоху. Таков был последний шаг в эволюции физических точек - единственный шаг, понятный нам уже сейчас.

Все предыдущие события нашей схемы относятся пока к области научной фантастики; возможно, что “домассовый” мир развивался совсем иначе. Но огромная роль незамкнутых физических точек в этом процессе сомнению не подлежит. Похоже, что развитие теоретической физики в наши дни повторяет на более высоком уровне историю развития геометрии в начале нашего века. Мы знаем, что такое уже бывало: Ньютон развивал в физике геометрическую идеологию Декарта и Ферма, Эйнштейн принес в физику идеи неевклидовой геометрии....

 

Ну вот, вправились мозги? По-моему, все извилины заплелись в кучу вроде змей в свадебный период. Во всяком случае у меня.

Об элементарных частицах можно писать еще очень и очень много: и кварковую гипотезу следовало бы упомянуть, и о симметриях и суперсимметриях поговорить подробнее... Но эта книжка все-таки ведь не учебник. А потому остановимся здесь, отложив главные мысли этого «зоопарковедения» в наш

Чулан:

итак, имеются «двое никому не родственных одиночек» склярный бозон Хиггса и гравитон Эйнштейна. Они выпадают из общего зоопарка элементарных частиц и их, следовательно, нужно считать чем-то немножечко другим своего рода структурными единицами самого пространства-времени (или его “нулевого” уровня –физического  вакуума), что ли.

Кроме того, имеется тьма-тьмущая других частиц (лептоны, бозоны, кварки, глюоны...), объединенных некими общими признаками (хотя бы по принципу симметрий) и являющихся этакими «зернышками», «строительным материалом» для последующего изготовления протонов, нейтронов, атомов… то есть уже привычного нам обычного вещества.

Наконец, хочу еще отметить: эта картина разработана нами в самом конце ХХ века и пока все еще является самым-самым «передовым краем» в попытках понять устройство вещества…

 

Все это выглядит достаточно запутанным, однако зоопарк элементарных частиц и попытки ЧЧ разобраться в его устройстве уже привели ко многим открытиям и позволили многое понять к примеру, ответить на вопрос, который нам встречался где-то далеко позади: почему Таблица Менделеева устроена именно так, а не иначе? Хоть тут вроде и не очень к месту, но давайте поразмышляем над этим, тем более что оно нам пригодится в дальнейшем.

 

таблица Менделеева

 

Для начала предоставлю слово нобелевскому лауреату Ричарду Фейнману «Фейнмановские Лекции по Физике» (том 8-9, стр 457) [кстати сказать, на сегодняшний день это считается лучшим изложением курса физики; выделения в тексте сделаны мной].

 

§ 6. Периодическая таблица

Теперь мы хотели бы применить теорию атома водорода к объяснению химической периодической таблицы элементов. В атоме элемента с атомным номером Z имеется Z электронов, которые удерживаются электрическим притяжением ядра, но при этом взаимно отталкиваются друг от друга. Чтобы получить точное решение, пришлось бы решить уравнение Шредингера для Z электронов в кулоновом поле…

…Когда электронов 3, 4 или 5, безнадежно пытаться получить точные решения. Поэтому было бы опрометчиво утверждать, что квантовая механика до конца объяснила периодическую таблицу. Но все же можно сказать, что даже с помощью сомнительных приближений (и кое-какой последующей отделки) удается, по крайней мере качественно, понять многие химические свойства, проявляющиеся в периодической таблице…

…Уравнение Шредингера явилось одним из величайших триумфов физики. Снабдив нас ключом к механизму, лежащему в основе строения атома, оно объяснило атомные спектры и всю химию, благодаря чему стала понятна физическая природа материи.

 

Теперь — из “официальных источников”: «Справочник по физике»

§ 6. Принцип Паули. Периодическая система элементов.

Квантовая механика на основе принципа тождественности одинаковых частиц приводит к выводу о двух типах частиц, зависящих только от их природы. В природе существуют: а) частицы, обладающие спином, равным целому числу единиц (бозоны)… и б) частицы, имеющие спин, равный полуцелому числу единиц (фермионы)

Для частиц, обладающих полуцелым спином (фермионов), справедливо утверждение: в данной квантовой системе в одном и том же квантовом состоянии не может находиться более одного фермиона. Это утверждение называется принципом Паули...

В применении к атому… принцип Паули гласит: в атоме каждый электрон обладает своим набором квантовых чисел n, l, ml и ms, отличным от набора этих чисел для любого другого электрона.

…Принцип Паули лежит в основе систематики заполнения электронных состояний в атомах и дает объяснение периодичности свойств химических элементов периодической системе элементов Д.И.Менделеева… Электроны, занимающие совокупность состояний с одинаковым значением числа n, образуют электронную оболочку.

 

главное квантовое число n

1

2

3

4

5

6

7

макс. число возм. электронных состояний

2

8

18

32

50

72

98

символ оболочки

K

L

M

N

O

P

Q

 

В каждой из оболочек электроны распределяются по подгруппам, или подоболочкам (уровням), соответствующим данному значению l

 

орбитальное квантовое число l

0

1

2

3

4

число возм. электронных состояний

2

6

10

14

18

символ уровня

s

p

d

f

g

 

Порядок заполнения электронных состояний в оболочках, а в пределах одной оболочки в подгруппах следует порядку расположения энергетических уровней с данными n и l. Сначала заполняются состояния с наименьшей возможной энергией, затем состояния со все более высокой энергией. Для легких атомов этот порядок соответствует тому, что сначала заполняется оболочка с меньшим n и лишь затем начинается заполнение электронами следующей оболочки...

Начиная с калия (Z=19) указанный порядок заполнения… часто нарушается… Элементы, у которых происходит достройка предыдущих оболочек … при уже частично заполненных последующих оболочках, называются переходными.

 

Пожалуй, это точное, но сухое объяснение следует “разжижить”. Давайте попробуем восстановить «инструкцию по сборке Вселенной» хотя бы в этой части. Итак, когда появились упомянутые выше «строительные материалы», начинается конструирование вещества атомов то бишь, ибо именно сами они являются простейшими веществами и основой всех более сложных веществ.

Для начала возьмем самое простое вещество водород (Z=1), то есть один протон и один электрон. Куда этот электрон “сядет”, когда мы попытаемся пристроить его к протону? На самый низший энергетический уровень то есть на уровень s в оболочке K.

А в следующем веществе (Z=2), где два протона, куда “сядет” второй электрон? Туда же на уровень s в оболочке K, поскольку принцип Паули разрешает находиться там двум электронам (но в разных состояниях: у одного спин направлен вверх, у другого вниз). Но это уже все: оболочка K теперь занята, поскольку в ней всего один уровень s, а «семья» этого уровня может состоять только из двух “жителей”.

Третьему и четвертому электронам придется садиться на следующий уровень тоже s, но уже в оболочке L. И туда могут “сесть” тоже всего два электрона, семья уровня s всегда, в любой оболочке, состоит из двух жителей.

А вот следующий уровень p позволяет расселиться уже шести электронам, и только после “усадки” всех шести оболочка L заполнится. То есть заполнение семей уровней пока идет красиво: два; два + шесть.

Беды начинаются с оболочки M. Она имеет три уровня - s, p, d. И казалось бы, заполнение должно идти так же красиво: два, потом шесть, потом десять (столько могут сесть на уровень d). Ан нет. После заполнения шестерки уровня p, очередные два прыгают на уровень s уже следующей оболочки N, и только затем (со Скан-дия, 21-й элемент) начинает заполняться “десятка” предыдущей оболочки…

Попробуем теперь составить весь “график” заполнения оболочек.

Сколько всего у нас должно быть уровней-семей? В оболочке K - один (s), в L - 2 (s,p)… До оболочки O включительно все понятно: (1+2+3+4+5) = 15 уровней.

Дальше возникают вопросы. Оболочка P позволяет расселиться 72 электронам, но в разрешенных уровнях (s,p,d,f,g) их может быть только 50, других уровней нет; то же и в оболочке Q: расселиться могут 98 элект-ронов, а в уровнях — только 50. Почему такое “разногласие” между оболочками и их уровнями? Что тут не так?

Но если “все так”, то в двух последних оболочках не может быть больше, чем по пять уровней-семей в каждой. Итого возможно существование 25 семей. А сколько из них могут реально существовать?

А теперь взгляните — если не лень — на полный “график”, может что придет в извилину. Когда-то давно, когда Менделееев взобрался-таки на вторую ступеньку в этой области (ответил на вопрос “как” же следует классифицировать химические элементы), радость была несколько омрачена лантаноидами: целых 14 элементов приходилось “впихивать” в одну клеточку таблицы вместе с Лантаном. Чувствовалось, что что-то здесь не так. Но один вывод неизбежен: требуются ЧЧ.

 

А пока давайте отложим в наш Чулан:

Всего, как мы решили, может быть (“теоретически”) 25 «семей». На “графике” видны 19 «семей», в которые объединяются все известные нам сегодня атомы, дальше мы пока не знаем. Деление на эти семьи более или менее достоверно только до Лантана (Z=57), дальше точность сильно снижается

И еще: узнали мы обо всем этом только недавно, в самом конце XX века, да и узнали пока не очень надежно…

 

 

 

 

Домой Оглавление Назад Дальше