Удивительные числа Вселенной. Путешествие за грань воображения

Внезапно вы оказываетесь в крошечной солнечной системе с планетарными электронами на орбитах вокруг микроскопического «Солнца», которое называют ядром. Конечно, этими атомными орбитами управляет не гравитация, как в настоящей Солнечной системе, а электромагнетизм. Электромагнитное взаимодействие между отрицательно заряженным электроном и положительно заряженным ядром примерно в тысячу триллионов триллионов триллионов раз сильнее, чем гравитация. Ядро состоит из протонов и нейтронов: протоны придают ему положительный электрический заряд, необходимый для притягивания электронов, а нейтроны электрически нейтральны, как следует из их названия. В зависимости от элемента в ядре может оказаться разное количество протонов. В ядре атома водорода всего один протон, а в ядре атома золота – семьдесят девять. Это приводит нас к первой загадке атома: хорошо известно, что положительные электрические заряды отталкиваются друг от друга, так каким же образом семьдесят девять протонов собираются вместе в таком ничтожном пространстве? Что-то должно притягивать нейтроны и протоны с достаточной силой, чтобы преодолеть электромагнитное отталкивание. Мы знаем, что это не гравитация: она слишком слаба. Здесь нужно что-то посильнее.

Сильное ядерное взаимодействие

Если бы нас заботили только протоны и нейтроны, история сильного взаимодействия была бы относительно простой. Однако за десятилетия, последовавшие за Второй мировой войной, физика элементарных частиц стала куда богаче и страннее, чем кто-либо мог себе представить. Фотографии начали фиксировать следы космических лучей, пробивающих путь через атмосферу Земли. Обнаружилось множество новых великолепных частиц, многие из которых танцевали под дудку сильного ядерного взаимодействия. Тут были пионы и каоны, эта- и ро-мезоны, лямбда-барионы и кси-гипероны – члены большого семейства частиц, сейчас называемых адронами. Многим ученым было трудно идти в ногу со всеми новыми открытиями. Говорят, что Паули, который никогда не стеснялся выражать свое мнение, жаловался: «Если бы я предвидел это, я бы занялся ботаникой».

Возможно, Паули и хмурился, глядя на этот зоопарк шумных новых открытий, а вот молодой ученый из Нижнего Манхэттена по имени Марри Гелл-Манн начал улавливать в них закономерности. Вместе с израильским физиком Ювалем Неэманом Гелл-Манн исследовал свойства этих новых частиц и уложил их в красивые конструкции из восьми и десяти элементов, которые могли быть вполне уместны в Альгамбре в Испании. Такая организованная красота не могла возникнуть случайно, в ее основе должна лежать какая-то структура, и Гелл-Манн понял какая. К той же гипотезе пришел Джордж Цвейг – молодой американский ученый, только что защитивший диссертацию в Калифорнийском технологическом институте под руководством Ричарда Фейнмана.

Гелл-Манн назвал придуманные частицы кварками, Цвейг – тузами, но это было одно и то же. Из этих кирпичиков построены протоны, нейтроны, пионы и все остальные адроны. Сейчас нам известно шесть типов кварков: верхний, нижний, странный, очаровательный, истинный и прелестный[113]. Все они фермионы, некоторые легче других, обладают различным электрическим зарядом и другими квантовыми свойствами, например изотопическим спином, очарованием и странностью. При объединении трех кварков получается частица, которая называется барионом; к барионам принадлежат, например, протон и нейтрон. Мезоны (к которым относится, например, пион) состоят из двух кварков. Различные комбинации кварков обеспечивают разные свойства частиц. Например, протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего. Кварки имеют дробные электрические заряды, – например, верхний кварк имеет заряд +²/₃, а нижний – ¹/₃. Отсюда вытекает, что протон имеет единичный положительный заряд. Нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего, поэтому оказывается электрически нейтральным.

Базовая структура протона и нейтрона. Они состоят из верхних и нижних кварков различного цвета, соединенных вместе глюонами

В этот момент призрак Паули должен что-то прошептать вам на ухо. Кварки – это фермионы. Как может протон содержать два верхних кварка – иными словами, два одинаковых фермиона? Разве это не запрещено принципом исключения? Безусловно, запрещено, и это было бы невозможно, если бы два верхних кварка были действительно одинаковыми. Но это не так. Кварки также могут обладать разными цветами: красным, зеленым или синим. Соответственно, если один верхний кварк в протоне красный, другой должен быть либо зеленым, либо синим. Конечно, этот цвет не имеет ничего общего с тем, что мы обычно называем цветом; это просто название для нового типа заряда. Фейнман был не в восторге от этой двусмысленности и заявил, что эти «физики-идиоты», должно быть, «не способны придумать какие-нибудь замечательные греческие слова» для этого нового причудливого признака.