В заключении этой главы давайте вернемся к уравнению Дирака и обсудим еще один очень важный момент. Как мы уже говорили, это уравнение имеет два решения: одно описывает обычные электроны, а второе – позитроны. Оба эти решения абсолютно равноправны, и все процессы, происходящие в природе, симметричны относительно замены частиц на античастицы[107]. Т. е. вероятности рождения частиц и античастиц в точности совпадают. А почему тогда нас окружает только обычная материя? Куда подевалось всё антивещество? Логично предположить, что всё оно аннигилировало при встрече с обычным веществом. Но тогда нужно, чтобы изначально во Вселенной обычного вещества было больше, чем антивещества. Ведь если бы их было поровну, то после аннигиляции во Вселенной не осталось бы никакой материи, а только излучение, фотоны.
Этот вопрос получил название проблемы барионной асимметрии Вселенной[108]. И первым ее решение предложил выдающийся советский ученый Андрей Дмитриевич Сахаров (1921–1989) в своей статье «Нарушение CP-инвариантности, C-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной», опубликованной в 1967 году. Его работа опередила свое время и заложила основу для изучения связей микро– и макромира. Оказалось, что законы взаимодействия микроскопических частиц и механизмы их взаимных превращений определяют облик всей Вселенной. Как же это происходит? Согласно современным представлениям, на одном из ранних этапов эволюции Вселенной, сразу после стадии инфляции[109], произошло нарушение CP-симметрии (симметрии между материей и антиматерией) и на 1 миллиард античастиц образовалось 1 миллиард и еще одна частица. Так что в итоге этот миллиард античастиц аннигилировал с миллиардом частиц, образовав реликтовое излучение[110], а оставшаяся небольшая часть частиц (примерно одна миллиардная от исходного количества) сформировала всю материю Вселенной. О конкретных причинах и механизмах нарушения CP-симметрии до сих пор ведутся научные споры, предлагаются различные гипотезы, проводятся многочисленные эксперименты, но вопрос всё еще остается открытым.
Вопрос 35. Из чего всё состоит (Часть 2), или Кто живет в «зоопарке» элементарных частиц?
Квантовая теория поля описывает материю на самых микроскопических масштабах, даже более микроскопических, чем квантовая механика. В главе «Из чего всё состоит? (Часть 1)» (стр. 154) мы уже описывали структуру материи. Давайте немного повторим основные моменты.
Все макроскопические тела состоят из молекул (мельчайших частичек вещества), т. е. различных веществ в природе столько, сколько возможных сортов молекул – сотни тысяч неорганических и несколько миллионов органических веществ. Все молекулы состоят из более мелких частичек – атомов. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Поэтому ее химическая формула H2O. Молекула сахара (а точнее – сахарозы) C12H22O11 – это уже более сложное органическое соединение, состоящее из 12 атомов углерода (С), 22 атомов водорода (H) и 11 атомов кислорода (O). Все виды атомов перечислены в периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева. На сегодняшний день их открыто 118 штук: 92 из них встречаются в природе, а остальные были искусственно созданы в лабораториях и имеют довольно короткие времена жизни, доли секунды.
Размеры разных сортов атомов различаются и составляют от 60 до 600 пикометров или от 6*10–11 до 6*10–9 метра. Это довольно сложно представить. Давайте попробуем это сделать на примерах. Средняя толщина человеческого волоса составляет примерно 500 тысяч атомов углерода. А если увеличить каждый атом до размеров обычного яблока, то само это яблоко станет размером с Землю.
Однако, несмотря на свое название (ведь в переводе с древнегреческого «атом» означает «неделимый»), атомы также имеют свою внутреннюю структуру: в самом центре находится тяжелое положительно заряженное ядро, а вокруг него – легкие отрицательно заряженные электроны[111]. Размеры атома и ядра различаются примерно в миллион раз! Так что ядро занимает весьма незначительную часть от всего атома, так же как наше Солнце занимает микроскопическую часть всей Солнечной системы[112]. То есть бо́льшую часть атома занимает пустое пространство, а точнее 99,999999999999 % объема атома – это просто пустота[113].
Но давайте вернемся к структуре материи. Электроны разделить на части ученые до сих пор не смогли, а вот ядро дальше делится на составные части: положительно заряженные протоны и электрически нейтральные нейтроны. Это довольно тяжелые частицы, примерно в 2000 раз тяжелее электронов (причем нейтрон немного тяжелее протона). А значит, скорее всего, их тоже можно разделить на составные части. Но что это за части? И как вообще можно разделить на части настолько малые объекты? Мы ведь не можем положить их на разделочную доску и просто разрезать.
В физике элементарных частиц используют в некотором смысле более «грубые» методы. Раз мы не можем ухватить и разрезать отдельную частицу, давайте мы поступим, как делал в начале ХХ века Эрнест Резерфорд[114]: будем бомбардировать одни частицы другими, а точнее – разгоним частицы до огромных скоростей и столкнем их с какой-нибудь мишенью. Если скорости частиц будут достаточно велики, то при таких столкновениях они могут уже развалиться на части, которые мы будем ловить специальными детекторами. И по вылетающим осколкам можно будет делать выводы о том, что происходило в момент столкновения и какова была внутренняя структура сталкивающихся частиц.
Конечно, это не самый «ювелирный» метод исследований, но лучше этого физики пока ничего не придумали. Ведь даже если мы попробуем «разрезать» какой-нибудь протон при помощи лазерного луча (самый тонкий инструмент из всех доступных на сегодня), то это будет та же самая бомбардировка протона пучком фотонов. И еще не факт, что все они в него попадут, поскольку после первого же столкновения протон улетит в неизвестном направлении. Так что физики вынуждены строить специальные ускорители элементарных частиц, чтобы разгонять их до скоростей, близких к скорости света, и сталкивать друг с другом.
Аналогичный метод используют при наблюдении за космическими лучами[115]. Только в этих экспериментах мы не можем сами задать параметры бомбардирующих частиц и вынуждены фиксировать результат их столкновения с частицами атмосферы. Но зато частицы, прилетающие к нам из космоса, иногда обладают энергией, в миллионы раз превышающей энергию самых быстрых частиц на земных ускорителях. Поэтому изначально многие открытия в физике элементарных частиц делались в экспериментах именно с космическими лучами и уже потом проверялись на ускорителях.
Так, к примеру, были открыты пи-мезоны – частицы, при помощи которых осуществляется связь протонов и нейтронов в ядрах атомов. Изначально существование пи-мезонов было предсказано в 1935 году в чисто теоретической работе японского физика Хидэки Юкавы (1907–1981), который не только предложил свою теорию ядерных сил, но и получил приблизительную оценку массы пи-мезонов: чуть больше, чем у электрона, но меньше, чем у протона. Тем не менее сам Юкава сомневался в правильности своей теории, поскольку частицы с такой массой никогда не наблюдались во время эксперимента.
Но уже через пару лет частицы, очень похожие на предсказанные Юкавой мезоны, все-таки удалось обнаружить. В целой серии наблюдений за космическими лучами, проведенных Карлом Андерсоном (отрывшим позитрон) и его студентом Сетом Наддермеером (1907–1988), было показано присутствие в атмосферных ливнях частиц[116] с массой в 200 раз большей, чем у электрона. Это открытие произвело фурор в научной среде, поскольку не только подтверждало теорию, но и открывало совершенно новый составной элемент материи.
Однако последующие исследования свойств этих частиц показали, что они не захватываются атомными ядрами (а, согласно теории Юкавы, должны были) и вообще очень слабо с ними взаимодействуют. Поэтому такие частицы не могут быть переносчиками ядерного взаимодействия. Это какие-то совершенно другие частицы. Физики предположили, что это не мезоны Юкавы, а продукты их распада. И, действительно, так и оказалось: в экспериментах с космическими лучами, проведенных в 1947 году группой ученых под руководством британского физика Сесила Пауэлла (1903–1969), впервые удалось зафиксировать те самые пи-мезоны. А также в наблюдениях Пауэлла были зафиксированы частицы, которые образуются в результате распада пи-мезонов. Их назвали мюонами[117].
Выяснилось, что время жизни пи-мезона чрезвычайно короткое, примерно 2*10–8 с (т. е. две стомиллионные доли секунды). Именно такое время жизни предсказывала теория Юкавы. А вот мюон по меркам микроскопических частиц уже долгожитель, время его жизни оказывается в сто раз больше и составляет порядка 10–6 с (одной миллионной доли секунды). Потом он тоже распадается, и в результате образуется электрон.
Но физики, конечно же, не остановились на этих открытиях. К тому же изучать исключительно частицы, прилетающие к нам в атмосферных ливнях из космоса, не всегда удобно – ведь мы не можем сами задавать их параметры (скорость, энергию, углы прилета и т. д.). Поэтому ученые занялись усовершенствованием своих ускорителей, чтобы на них можно было разогнать частицы до энергий, достаточных для рождения мезонов и исследования их свойств.