Элементарные частицы на пальцах™
эпиграф
"Весь мир лишь атомы и пустота"
Демокрит -400 год

Все тела состоят из атомов. Атомы находятся в бесконечной пустоте и при этом неделимы и неотличимы друг от друга. Все разнообразие мира возникает лишь от разности конфигурации атомов в структуры высшего порядка.

Как и другие философы Древней Греции, Демокрит выдвинул свою идею об атомах и общем устройстве мира абсолютно из головы. Посидел, подумал, почитал труды предшественников и современников и задвинул такую мощную телегу. Ни на чем не основываясь, лишь потому, что идея красивая и в слова складывается ладно. Древние греки вообще доказательствами себя сильно не морочили. Философские споры того времени решались просто — кто красивей выступил на публичном форуме, тот и прав. Многие современные аспекты человеческой деятельности так и остались на древнегреческом уровне развития, но вот наука со временем отмежевалась от философии и перешла к оперированию сущностями объективной реальности, данной нам в ощущениях, а нашим приборам в измерениях.

Идея Демокрита о фундаментальных и неделимых атомах прожила 2500 лет и лишь совсем недавно получила научные подтверждения. Конечно, в нее внесли кое–какие корректировки, все знают, что атомы оказались не такими уж и неделимыми, что они состоят из элементарных частиц — электронов, протонов и нейтронов. Которые, в свою очередь, тоже, вроде бы состоят из неких кварков, но тут еще не до конца все понятно, так как состоят–то они состоят, но разделить их на отдельные части–кварки не получается, ибо конфайнмент.

Кроме этих трех вроде бы основных, существует еще масса других экзотических элементарных частиц, всяческие бозоны Хиггса и нейтрино, с разными параметрами и свойствами, их открыто уже более двухсот, так официально и называют "зоопарк частиц" или "particle zoo" по–английски.

Ученые знают (потому что тестировали, потому что проводили эксперименты) множество законов, которым эти частицы подчиняются, какими способами они могут соединяться друг с другом и даже превращаться друг в друга, однако до сих пор в научных кругах нет единого мнения, что же из себя представляют частицы, что они есть, в чем их суть?

В данной статье попытаюсь рассказать на пальцах™, как современная наука понимает суть элементарных частиц, повторюсь — единого мнения нет, есть множество формул, глядя на которые ученые мужи кивают головами и говорят — "да, сие есть правда". Но попробуй попросить объяснить, что эти формулы означают. Тут каждый выйдет вперед со своим толкованием, во–первых потому, что как я уже (три раза) упоминал — единого мнения до сих по нет, а во–вторых, потому что формулы описывают настолько заумные и далекие от повседневной жизни сущности, которые и представить себе сложно или даже невозможно, если не упрощать и не пользоваться доступными аналогиями. Если начать копать в глубину, у нормального человека мозг заканчивается уже на подступах, да и сами ученые на каком–то этапе бросают попытки визуализировать и как–либо представить себе происходящее, а просто продолжают гонять формулы туда–сюда, получая при этом (это важно!) предсказания, согласующиеся с результатами эксперимента.

И это совсем не значит, что "вот такие ученые дураки, даже элементарной частицы представить себе не могут!", как раз наоборот, наука продолжает давать верные ответы (что для нас означает — новые айфоны, автомобили и телевизоры) там, где человеческая фантазия и способность удерживать картинку в голове заканчивается. Натренированное на сказках "о драконах и принцессах" человеческое воображение пасует перед визуализацией "гамильтониана энергетических переходов многомерной вложенности" и прочими прелестями микромира. Но отчаиваться не стоит, не забираясь в детали и упрощая аналогии, любой неподготовленный человек может составить себе хоть какую–то картину, возможно данный пост поможет вам в этом.

Демокрит отказался провидчески прав, кроме неких деталей он почти все угадал верно — сегодня ученые считают, что даже атомы не нужны, весь мир лишь энергия и пространство–время (пустота).

Сначала люди думали, что элементарные частицы (которые тогда еще называли "атомы") это такие малююююсенькие шарики, которые непонятно как цепляются друг к другу, образуя все привычные вещества и предметы окружающей реальности. Почему шарики? Просто потому, почему бы и нет. Сфера — простейшая фигура, идеальная и симметричная со всех сторон. Природа ведь во всем стремится к простоте, в науке этот тезис звучит как "принцип наименьшего действия".

Древнегреческий математик и философ Платон решил, что шарики это слишком просто. Он наделил атомы формой, считая, что как и все совершенное, атомы должны представлять из себя правильные многогранники.

Атомы по Платону

Как вы наверное слышали, в девятнадцатом веке ученые решили, что элементарные частицы вовсе не частицы, а наоборот волны. А в начале двадцатого придумали квантовую механику, решили, что элементарные частицы сразу одновременно и волны и частицы, нарекли их "волночастицами", породив тем самым корпускулярно–волновой дуализм.

Однако уже к тридцатым годам прошлого столетия от этой концепции решили отказаться. Да–да, вот уже почти сотню лет никакого корпускулярно–волнового дуализма в науке нет. Что бы там ни рассказывали в школе, это устаревшее понятие, и ученые им больше не пользуются. Однако широкую публику решили не шокировать и пока от волночастиц вслух не открещиваться. Народу даже с дуализмом смириться, и то серьезных ментальных усилий стоит. А реальность уж куда удивительней и загадочней.

Дело в том, что любая элементарная частица это как бы хитросплетенный сконденсированный кусочек чистой энергии. Визуально представить подобное почти невозможно, воображение заканчивается. В этой статье я как раз пытаюсь на пальцах™ объяснить, что это может значит. Как способен существовать кусочек чистой энергии? А если способен, то почему элементарные частицы отличаются друг от друга, энергия–то одна и та же. Или все–таки разная?

Нет, энергия одна, хоть и принимает различные физические формы, как вода, разлитая по разным сосудам. Действительно, так как все элементарные частицы состоят из одной и той же энергии, то теоретически, они могут превращаться друг в друга в любой комбинации. Что, кстати говоря, и делают в реальности. Точнее, не совсем в любой. В мире элементарных частиц, как, впрочем, и в нашем, действуют так называемые законы сохранения. Существуют некоторые свойства, от которых невозможно избавиться никакими метаморфозами. Например закон сохранения электрического заряда, закон сохранения энергии, импульса и так далее, подробности чуть ниже.

Для начала подумайте, как устроены и для чего предназначены разнообразные ускорители частиц, вроде Большого Адронного Коллайдера и прочих синхрофазотронов? Весь смысл их работы — собрать большое количество энергии в малом объеме. Точка. Как это достигается, не так уж и важно. Самый простой способ, это разогнать две частицы и столкнуть их лоб в лоб. То есть берут два протона (на самом деле конечно же миллиарды протонов), разгоняют их по кругу в противоположных направлениях до практически световых скоростей и сталкивают друг об друга. От удара выделяется большая энергия. В достаточно небольшом объеме. Сами протоны уничтожаются в этом столкновении, на какой–то миг переходят в состояние чистой энергии, как бы "возносятся в небеса", чтобы потом "вернуться и осесть" в виде каких–то других частиц, если повезет, даже доселе неизвестных науке.

Вкратце, это все, чем занимаются ученые. Концентрируют большую энергию в малом объеме, и смотрят, что из этого получится. Для этого необязательно сталкивать протоны. Можно сталкивать электроны, нейтроны или атомы свинца. Можно вообще ничего не сталкивать, есть другие виды экспериментов, например очень мощный лазер фокусируют на мельчайшей мишени и расстреливают ее в упор, это тоже способ собрать большую энергию в малом объеме. В конце концов можно просто взять молоток и со всей дури начать херачить им по наковальне. При этом тоже будет выделяться некая энергия и при большой удаче можно будет получить какую–то элементарную частицу. Это я шучу, конечно, все–таки порядки энергий не совсем те, но в принципе идея та же самая. "Возгоняем" материю до состояния чистой энергии, а потом смотрим, во что она "оседает".

Тут важно помнить и понимать два существенных фактора. Первый я уже упоминал, это наличие законов сохранения. Вполне интуитивная концепция — существуют несколько не меняющихся характеристик, которые как вошли в реакцию, точно так же и выдут из нее. Самый главный тут, конечно — закон сохранения энергии. Посчитаем, сколько у нас частиц (по массе) участвовало в реакции, ведь, что масса, что энергия, все равно E=mc2. Плюс добавим сюда ту энергию, которую частицы приобрели за счет своей скорости (а их для того и разгоняют в ускорителях, чтобы добавить дополнительной энергии). Ровно столько же энергии мы получим на выходе, она никуда не денется, не исчезнет. То есть теоретически (теоретически!), мы можем так разогнать два протона, что после столкновения их лоб в лоб у нас окажется столько энергии, что ее хватит на образование сразу миллиона протонов. Теоретически да, но тут нельзя забывать, что кроме закона сохранения энергии существуют и другие законы сохранения.

Например закон сохранения заряда. Если в реакцию "влетело" два протона, и каждый имел при этом положительный заряд +1, то и на выходе мы должны получить что–то, что будет иметь суммарный заряд равный +2. Например на выходе нас могут ожидать 1000 нейтронов (заряд 0), 1000 электронов (заряд –1) и 1002 позитрона (заряд +1), чтобы в сумме все равно получалось +2. Или любая другая комбинация, главное, чтобы общий баланс в итоге сошелся. Кроме этого есть и другие законы сохранения: закон сохранения момента импульса, барионного числа, спина, четности и т.д. Некоторые из них безусловные, т.е. работают всегда и при любых обстоятельствах, другие выполняются лишь в определенных конфигурациях, но в целом идея весьма простая. Что, грубо говоря, влетело в реакцию, то (в сумме) из нее и вылетит. Хоть и в совершено неузнаваемом виде, не обязательно это будут те протоны, которые изначально в нее влетали.

Отмечу, что у нас тут не обычная химическая реакция, а некий процесс перехода материи в состояние чистой энергии, а затем возвращение ее назад, но уже в абсолютно ином, точнее, абсолютно любом виде. Вылететь из этой реакции может все что угодно. Все, что не нарушает законы сохранения. Это могут оказаться совершенно экзотические частицы, вместо привычных протонов, электронов и нейтронов. Могут вылететь какие–нибудь тау–мезоны, мюонные антинейтрино, отрицательные W– бозоны, или вообще неведомая зверушка, для которой и названия не придумали. Как раз упомянутый выше "зоопарк частиц", который еще не полон и ученые периодически открывают новые, все более экзотические экземпляры.

Чем более массивная получилась частица, чем больше энергии мы затратили на ее изготовление, тем короче она живет. Практически все тяжелые экзотические частицы нестабильны, и в сжатое время (мы говорим о порядках 10–24 секунды) они распадаются на другие, уже более легкие, которые тоже могут распасться на еще более легкие, покуда в итоге мы не вернемся к привычным стабильным протонам с электронами. Ну, и фотонам, конечно же. Фотоны — частицы света, частицы этой самой "чистой энергии" тоже рождаются в таких реакциях, и если не удается "осадить" в виде какой–нибудь стабильной частицы, то они просто разлетаются в стороны, унося энергию с собой в виде тепла. Получается, что энергия может существовать как–бы в двух состояниях. Состоянии собственно чистой энергии — не имеющих массы покоя и движущихся со скоростью света фотонов, или же она может "сконденсироваться и осесть" в виде какой–либо элементарной частицы, с массой покоя и другими присущими материи характеристиками. Это, если повезет, конечно.

Ведь есть еще и второй, очень важный фактор, который играет огромную роль во всех этих превращениях частиц друг в друга, но который совершенно не интуитивен с точки зрения каждодневного человеческого опыта. Все реакции "возгонки и осаждения" элементарных частиц происходят в мире, которым управляют законы квантовой механики. А если вы хоть чуточку знакомы с принципами этой механики, то должны бы знать — все процессы в ней принципиально вероятностны и абсолютно случайны. Например, влетело у нас в реакцию два протона, с суммарной энергией, скажем, 10 ТэВ (10 триллионов электронвольт). Цифра не значит абсолютно ничего и приведена лишь для примера, не нужно ей особо заморачиваться. Следуя законам квантовой механики, каждый раз из этой реакции будут вываливаться другой набор частиц. Учитывая все законы сохранения, естественно, о которых я писал выше. Но никогда не узнаешь наперед, что вывалится в следующей конкретной реакции. Вот у нас из двух протонов на энергии столкновения 10 ТэВ получился топ–кварк и три тау–лептона (еще раз напоминаю, все реакции не соответствуют действительным, и приведены лишь в качестве примеров), а вот из таких же двух протонов (или даже тех же самых) на той же энергии столкновения, родилось 10 каонов, 11 мюонов, 7 тау–нейтрино и один бозон Хиггса. И никогда не угадаешь, почему так, а не иначе.

Ну, ученые тоже не совсем зря хлеб едят. Они все подсчитали, и чисто статистически, учитывая все тонкости, могут сказать — с вероятностью 40% при столкновении на такой энергии из реакции вывалятся три тау–лептона. С вероятностью 25% родятся 11 мюонов и 13 позитронов. А 11 мюонов и 12 позитронов вообще никогда не родятся, ибо при этом нарушится закон сохранения электрического заряда. Но с вероятностью в 3% могут родиться 11 мюонов, 13 позитронов и один нейтрон, так как он нейтральный и своей лепты в закон сохранения заряда не вносит.

В принципе, если сильно не лезть в детали, самое важное в реакции это масса, т.е. энергия родившейся частицы. Например частица Z–бозон имеет массу около 1.6·10–25 килограмм, и это уже не с потолка цифра, а из википедии взята. Значит, если мы столкнем два протона на энергии 91.2 ГэВ (91.2 миллиардов электронвольт), а это как раз эквивалентно массе 1.6·10–25 килограмм по всем уже полюбившейся формуле эквивалентности энергии и массы E=mc2, то скорее всего мы этот Z–бозон в результате и получим. Если все другие законы сохранения не нарушены, естественно. А можем и не получить. Все вроде есть, энергия присутствует, заряды на месте, все указывает на то, что в результате реакции должен родится Z–бозон. А он раз, и не родился. Вероятность не выпала, не судьба. Короче говоря — "без выигрыша, попробуйте еще раз".

Именно таким образом и искали небезызвестный бозон Хиггса, про которого столько шума было в прессе пару лет назад. Ученые не знали точной его массы, но предполагали, что по теоретическим расчетам, она должна быть не менее такой–то величины, но в то же время и не более другой. В этом промежутке энергий и сталкивали протоны наугад, в надежде, что попадут в верное место и бозон Хиггса все–таки родится. Потому его поиски заняли несколько лет, если очень упрощенно говорить — все это время наугад тыкали, на каких же энергиях необходимо сталкивать протоны, чтобы получился бозон Хиггса. Перебирали разные варианты и в результате в конце концов вроде бы нашли его на энергии 125 ГэВ, что составляет примерно 2.22·10–25 килограмма, или около 133 масс протона.

Теперь собственно, основная часть статьи. Аналогия, которая, возможно, поможет хоть как–то визуализировать, что из себя представляет элементарная частица, каким образом она рождается и как умирает.

Представьте себе некую ткань, например полотенце, которое небрежно уронили куда–то. На полотенце лежат две кучки песка, символизирующие два протона. Затем по этой ткани снизу ударили рукой, песок из кучек поднялся в воздух и посыпался обратно на полотенце. А оно совсем не натянуто, оно скомкано, в горах и долинах, ямы то тут, то там, совершенно измятая структура. Песок в данной аналогии у нас представляет собой энергию, которая поднявшись вверх затем "осаждается" в виде частиц, а полотенце даже сразу и не соображу, что символизирует. Оно символизирует одновременно и начальные условия и законы сохранения этих условий, и конфигурацию пространства–времени в месте, где происходит реакция "нисхождения" энергии, и расположение локальных минимумов энергии в этом пространстве–времени и еще много чего. Короче говоря — символизирует условия, в которых происходит процесс "осаждения" энергии. Что–то такое эфемерное и надуманное, ну, так аналогия же. Не нужно к ней слишком сильно придираться, конечно можно найти кучу нестыковок, она для образного представления приведена, а не для точного описания физики элементарных частиц.

Вроде бы равномерно (но все–таки случайным образом) падающий на ткань песок будет накапливаться в ямках, формируя какие–то структуры. Тут горка, там горка, а тут целая горища, потому что ямка в этом месте была глубокая. Горищи окажутся скорее всего неустойчивыми и при малейшем колебании рассыпятся на более мелкие кучки, а кое–где так и останутся ни с чем не связанные отдельные песчинки–фотоны.

Читатели со звездочкой(*) знают, что хотя издалека полотенце кажется однородным и скомканным примерно равномерно, все время выходит так, что левые склоны формирующихся горок постоянно оказываются чуть более пологими, чем правые. Сразу и не заметишь, однако такая интересная закономерность была экспериментально обнаружена. Как и множество других, по кусочкам воссоздающих единую картину физики микромира.

Вот такая вот аналогия. Каждая образовавшаяся кучка песка в нашем воображаемом эксперименте представляет из себя некую стабильную частицу, получившуюся в результате "осаждения" энергии, высвободившейся при столкновении протонов. Причем не красивые ровные горы, а такие скрюченные складками полотенца, размазанные по пространству хреновины непонятной формы. А те горки, что развалились, представляют нестабильные частицы, которые вроде бы формируются, но потом опять распадаются под тяжестью собственного веса.

Какие в результате окажутся у нас частицы заранее и не скажешь, все будет зависеть от конфигурации изгибов ткани, а она у нас, напомню, брошена совершенно случайным образом. Но случайность–случайностью, а законы сохранения плюс статистика позволяют ученым делать кое–какие проверяемые предсказания.

Однако каждая кучка, по сути, состоит из одинакового песка. Просто сложенного в виде какой–то хитрой фигуры, заданной формой ткани полотенца. Каждая частица это одна и та же, но в разном количестве и по разному скомканная энергия. Еще раз особо подчеркну — не нужно думать, что наше помятое полотенце, это искривленное пространство–время, в складках которого "застревает" энергия, образуя элементарные частицы. Не нужно понимать эту аналогию конкретно и буквально, искривления пространства–времени это совсем другой оперы либретто, это вам в Общую Теорию Относительности надо. От читателя хочу добиться лишь образной визуализации — каждая элементарная частица, это кусочек особым образом сконфигурированной (внешними обстоятельствами) энергии, висящей в окружающей пустоте. Вроде (только вроде!) нижеприведенной картинки, хотя это и вольная фантазия художника, а не реальная фотография частицы, естественно.

Конфигурация (фигура, если можно так сказать) данной энергии очень важна. Конфигурация энергии воспринимается нами, наблюдателями, как свойства конкретной частицы — заряд, спин, барионное число, масса покоя и так далее. Именно от этих свойств зависит, как частицы взаимодействуют между собой, или даже как превращаются друг в друга. Некоторые частицы вообще не будут друг с другом взаимодействовать. Не подходят их конфигурации друг другу, не входят "штырьки в отверстия, а ключи в замки", они просто пролетают мимо друг друга, а иногда и сквозь друг друга в прямом смысле слова, без взаимодействия. Потому что энергия же, ничего твердого внутри частиц нет.

Если конфигурация иная, частицы сталкиваются лоб в лоб, и разлетаются, словно бильярдные шары. Как будто–бы их энергия становится твердой. Хоть так и неправильно говорить, конечно. Просто при взаимодействии двух кусочков энергии они так идеально подходят друг другу, что образуют взаимодействия притягивания или отталкивания. А если конфигурация третья — то и могут объединиться в единую систему, стать запутанными частицами, образовать единую волновую функцию. А то и вовсе слиться из двух в одну устойчивую частицу, так тоже бывает.

И еще раз, теперь уже в последний, напомню и предостерегу. Представление частицы, как некой "хитрым образом размазанной по пространству энергии" призвано лишь помочь в визуализации. Это лучше чем "корпускулы", лучше чем "волны" и даже лучше, чем "корпускулярно–волновой дуализм". Но это все еще очень далеко от реальности. В реальности придется долго–долго перемножать многоэтажные тензоры комплексного гильбертова пространства, чтобы хоть как–то что–то предсказать и рассчитать. А как там оно на самом деле до сих пор не знает никто.