По мере появления все большего количества частиц постепенно у некоторых из них начали выделять общие черты – значит, все они не являются независимыми, а принадлежат к нескольким семьям. Происходящее напоминало то, что произошло с элементами атома в предыдущем столетии. Менделеев обратил внимание на регулярность среди элементов, на основании чего построил свою периодическую систему элементов. В дальнейшем было найдено объяснение этой периодичности: атомы состоят из нескольких общих составляющих, электроны вращаются вокруг ядра из протонов и нейтронов. Доказательство того, что атомы на самом деле состоят из более мелких частей, впервые было получено Джозефом Джоном Томсоном, когда он высвободил из них электроны, о чем мы рассказывали выше, а потом Эрнестом Резерфордом, открывшим существование атомного ядра. Все шло подобным образом и с множеством других частиц, которые живут очень недолго, в духе «атомного дела», хотя имелись отличия в деталях.
Открыв ядро атома, Резерфорд негативно отзывался о перспективах ядерной энергетики: «Каждый, кто надеется, что преобразования атомных ядер станут источником энергии, исповедует вздор». Также он открыл альфа– и бета-лучи и установил их природу, разработал теорию радиоактивности, осуществил первую искусственную ядерную реакцию и именно он предсказал существование нейтрона. Правда, Нобелевскую премию Резерфорд получил по химии – за исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ.
Резерфорд был ярким представителем английской экспериментальной школы в физике, для которой характерно стремление разобраться в сути физического явления и проверить, может ли оно быть объяснено существующими теориями. Этим английская школа отличается от немецкой школы экспериментаторов, которая исходит из существующих теорий и стремится проверить их опытом. Резерфорд мало пользовался формулами и мало прибегал к математике, но был гениальным экспериментатором. Важным качеством Резерфорда как экспериментатора была его наблюдательность, что отмечали многие коллеги. Резерфорд понял, что у атома имеется некий твердый центр, после того как наблюдал за альфа-частицами, ударяющими атомы. Иногда они отскакивали от атомов так сильно, будто ударили по какому-то твердому предмету внутри. Это и было атомное ядро. Подобное произошло и много лет спустя, но в более грандиозных масштабах, когда открылось, что протон, нейтрон и их многочисленные родственники не являются основными зернами материи, а сделаны из еще более мелких частиц под названием кварки.
Резерфорд с помощниками открыл атомное ядро, проводя эксперименты в Манчестерском университете, а для проникновения внутрь протонов и нейтронов потребовался ускоритель длиной 3 километра. Электронные лучи выходили из ускорителя на территории Стэнфордского университета, который находится к югу от Сан-Франциско, и ударяли по цели из водорода, а затем прокладывали путь глубоко внутрь протонов, которые находятся в центре каждого атома. Время от времени электроны резко отскакивали, сбиваясь с курса, причем гораздо сильнее, чем было бы, если бы протоны являлись просто миниатюрным мячиком с электрическим зарядом. Как было и с ядром атома, так и с протоном: электрический заряд протона не размазан ровно по всему объему, а вместо этого сконцентрирован на трех гораздо меньших частицах внутри, известных как кварки. В действительности то, что мы называем протоном, – это не больше, чем три кварка, которые дергаются в разные стороны, пойманные и заключенные в постоянную тюрьму, размер которой не больше одной миллионной части одной миллиардной метра. Если взглянуть на муравейник, то он на первый взгляд кажется единой коричневой кучей, но если приглядеться повнимательнее, он окажется шевелящейся массой крошечных существ. Точно так же протон издали кажется компактным шаром с зарядом, но при внимательном рассмотрении оказывается беспорядочной смесью кварков.
Кварк – фундаментальная частица, обладающая электрическим зарядом. Кварки не встречаются в свободном состоянии, но входят в состав других сильно взаимодействующих частиц, например, протонов и нейтронов. Кварки являются бесструктурными, точечными частицами. В настоящее время известно 6 разных типов кварков, иногда говорят – «ароматов» кварков (u, d, s, c, b, t). Они обладают и дополнительной внутренней характеристикой, которая называется «цвет» (что является специфическим квантовым числом). Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами.
Пузырьковая камера Глейзера произвела революцию – и появились целые семьи новых частиц. Упорядочить их удалось только спустя десять лет
Гипотеза о существовании кварков, то есть о специфических субъединицах, из которых состоят протоны, нейтроны и другие частицы, была впервые выдвинута в 1964 году, причем это сделали двое ученых – американский физик Мюррей Гелл-Манн и американский физик и нейробиолог Джордж Цвейг – независимо друг от друга. Оба предложили свои названия. Цвейг называл их «тузами» (он предполагал, что существует четыре кварка), но это название не прижилось, поскольку кварков в признанной модели три, а к настоящему времени известно шесть типов. Гелл-Манн позаимствовал слово «кварк» из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», в котором чайки кричат: «Три кварка для мистера Марка!». Скорее всего, это подражание звукам, которые издают чайки, но точно это неизвестно. Еще в 1961 году Гелл-Манн предложил классификацию элементарных частиц – и в настоящее время она объясняется при помощи кварковой модели. Вообще, современная теория взаимодействия кварков основывается на работах Гелл-Манна. Он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1969 году за открытия, связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействий.
Кварки естественным образом группируются в три так называемых поколения (правда, пока неизвестно, почему это происходит). Кваркам, таким образом разделенным на группы, были даны интересные названия: верхний и нижний (первое поколение); странный и очарованный (второе поколение); прелестный и истинный (третье поколение). В каждом поколении один кварк обладает зарядом +2⁄3, а другой – зарядом -1⁄3.
Эрнест Резерфорд (1871–1937) – создатель учения о строении атома. Предложил планетарную модель атома (положительно заряженного очень маленького ядра, содержащего бо́льшую часть массы атома, и отрицательно заряженных легких электронов, вращающихся вокруг него)
Кварки участвуют в различных взаимодействиях, среди которых можно назвать электромагнитные, гравитационные, сильные и слабые. Сильные взаимодействия могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут повлиять на аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не способен удалиться на какое-либо существенное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде, как было сказано выше. Разлететься могут лишь «бесцветные» комбинации кварков, они называются адронами.
Естественно возникает вопрос: а почему ученые уверены в существовании кварков, если в свободном виде их увидеть нельзя? Не будем нагружать вас многочисленными подтверждениями, которые приводились до появления мощных ускорителей частиц. Но теперь они есть, и их энергии постоянно повышаются, поэтому стало возможным попытаться выбить отдельный кварк из адрона при высокоэнергетическом столкновении. Кварковая теория давала четкие предсказания, как должны выглядеть результаты таких столкновений – в виде струй. Такие струи действительно наблюдаются в экспериментах. А если бы протон ни из чего не состоял, то струй бы не было. Также эксперименты подтвердили, что, например, для протона скорость получается точно такая, какая теоретически ожидалась для объекта, состоящего из трех кварков. А при столкновениях протонов с высокими энергиями экспериментально наблюдается аннигиляция кварка одного протона с антикварком другого протона с образованием пары мюон—антимюон. Также можно сказать, что гипотеза кварков и все, что из нее вытекает относительно строения адронов, способна объяснить имеющиеся экспериментальные данные. Попытки обойтись без кварков наталкиваются на трудности с описанием всех тех многочисленных экспериментов, которые очень естественно описывались в кварковой модели.
Однако до сих пор не найдены ответы на ряд вопросов. Почему существует три поколения кварков? Почему существует три цвета? Почему такой разброс в массах и из чего состоят сами кварки? Некоторые ученые считают, что кварки состоят из чего-то более простого. Рабочее название для гипотетических частиц—составляющих кварков уже придумано: преоны. С точки зрения данных экспериментов, до сих пор никаких подозрений на неточечную структуру кварков не возникало. Однако попытки построить такие теории делаются независимо от экспериментов.
