Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - [20]

В школе мы узнаем об электромагнитной силе, существующей в форме электрического или магнитного отталкивания и притяжения, однако эта сила играет еще большую роль на более мелком, атомном уровне. Атомы связываются в разных сочетаниях, образуя при этом простые молекулы или сложные вещества, а в конечном счете – все разнообразные материалы, которые мы видим вокруг нас. Но то, каким образом осуществляются эти связи, зависит от организации электронов вокруг ядер, что составляет самую суть химии, и эти комбинации атомов, составляющие наш материальный мир, практически полностью обусловлены электромагнитными силами вокруг электронов. По сути, электромагнитная сила наряду с силой притяжения прямо или косвенно порождает почти все явления, которые мы наблюдаем в природе. В микроскопическом масштабе материалы существуют за счет электромагнитных сил, возникающих между атомами. А вот в космическом масштабе материя существует за счет гравитации.

Внутри атомного ядра мир совершенно иной. Поскольку ядра состоят из двух видов частиц, положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов (которые совокупно называются нуклонами), электромагнитное отталкивание должно приводить к распаду ядра; сила притяжения в этом ничтожном масштабе слишком мала, чтобы на что-то влиять. И все же элементы ядра плотно связаны друг с другом. Это происходит благодаря еще одной силе, которая, подобно клею, связывает не только протоны с нейтронами, но и протоны с протонами, хотя положительные заряды отталкиваются друг от друга. Она называется сильным ядерным взаимодействием и больше всего проявляется при взаимодействии еще более мелких частиц протонов и нейронов – кварков, которые связаны друг с другом «переносчиками сильного взаимодействия» – глюонами. Таким образом, кварки связаны друг с другом посредством обмена глюонами, но они взаимодействуют с электронами и через электромагнитное взаимодействие (поскольку и те и другие обладают зарядом) путем обмена протонами.

Квантовые законы, от которых зависит структура, форма и размеры атомных ядер, очень сложны, и я не буду здесь о них рассказывать. Однако в конечном счете именно взаимодействие электромагнитных сил отталкивания между положительно заряженными протонами и сил притяжения между всеми нуклонами внутри ядра (которые отражают остаточное «сильное взаимодействие» – внутреннего «глюонного» притяжения между кварками внутри нуклонов) и обеспечивает стабильность ядер, а значит, атомов и окружающей нас материи, включая нас самих.

Есть еще одна сила природы (из известных) – четвертая и последняя, которая также в основном ограничена пределами атомного ядра. Ее называют просто «слабым ядерным взаимодействием», а возникает она вследствие обмена бозонами W и Z между определенными частицами (точно так же, как кварки обмениваются глюонами, а электроны – протонами). Подобно сильному ядерному взаимодействию, эта слабая сила действует на очень коротком расстоянии; мы не можем непосредственно наблюдать ее воздействие. Между тем физические процессы, запускаемые этой силой, нам хорошо известны, ибо она заставляет протоны и нейтроны превращаться друг в друга, что, в свою очередь, приводит к бета-излучению – испусканию заряженных частиц из ядра. Бета-частицы бывают двух типов – электроны и их партнеры в антиматерии, позитроны, которые являются теми же электронами, но с противоположным зарядом. Весь процесс достаточно прост: если в ядре наблюдается дисбаланс между количеством протонов и нейтронов, что приводит к его нестабильности, то некоторое количество протонов или нейтронов преобразуется в свою противоположность, восстанавливая этот баланс. В таком процессе создается или испускается либо электрон, либо позитрон (что обеспечивает сохранение электрического заряда). Таким образом, ядро, обладающее слишком большим количеством нейтронов, подвергается бета-распаду, при котором нейтрон превращается в протон с испусканием электрона, причем отрицательный заряд последнего уравновешивает положительный заряд вновь образованного протона (поскольку первоначально существовавший нейтрон заряда не имеет). И наоборот, избыток протонов заставляет один из них превратиться в нейтрон плюс позитрон, который уносит положительный заряд протона, тем самым стабилизируя ядра.

Каждый из протонов и нейтронов содержит по три кварка, которые бывают двух типов (или ароматов), известных под незамысловатыми названиями «верхний» и «нижний». Эти два аромата связаны с разными долями электрического заряда. Протон содержит два верхних кварка, каждый с положительным зарядом, равным двум третям отрицательного заряда электрона, и один нижний кварк с отрицательным зарядом, который составляет одну треть электронного. В сумме они составляют +1, что соответствует положительному заряду протона. С другой стороны, нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего, так что его заряд равен нулю.

В целом существует шесть различных ароматов кварков, и у каждого – своя масса. Подобно верхнему и нижнему кваркам, которые составляют атомное ядро, остальные четыре получили совершенно произвольные наименования «странный», «прелесть», «топ» и «ботом». Эти кварки тяжелее, чем верхний и нижний, но существуют только мгновения. Наконец, кроме электрического заряда, кварки обладают еще одним свойством, которое называется цветовым зарядом и связано с сильным ядерным взаимодействием, оно помогает объяснить то, как кварки взаимодействуют друг с другом