Большая загадка маленькой частицы.
Если оглянуться вокруг, то все что мы увидим - твердое, жидкое или газообразное, - все это состоит из физической материи. Мы иногда называем это «обычной» материей, хотя, учитывая, что темная материя превосходит ее по массе в соотношении 6 к 1 во Вселенной, какая из них является нормальной?
Так или иначе, обычная материя в подавляющем большинстве состоит из трех компонентов: электронов, протонов и нейтронов. Это субатомные частицы, настолько маленькие, что представление о размере трудно описать. В мире такой размерности правит квантовая механика, и многие вещи, которые считаются фиксированными и измеримыми, такие как скорость, размер и местоположение, в нем совсем не поддаются точному определению. Фактически, чем больше становится известно об одной характеристике субатомной частицы, тем меньше становится известно о другой; Принцип неопределенности Гейзенберга — довольно известная, хотя и сбивающая с толку управляющая квантовой механикой идея.
Более того, протоны и нейтроны в свою очередь состоят из трех меньших частиц, называемых кварками, каждый из которых связан очень мощной силой, называемой сильным взаимодействием, которое удерживает их вместе. Так что говорить о размере протона рискованно.
Но, как бы то ни было, размер это очень полезная концепция для физики, поэтому знать его необходимо. Известно, что у протонов не нулевой размер, и они явно не метр в поперечнике. Так насколько они велики?
До недавнего времени эксперименты, проведенные для определения размера протона, утверждали, что его диаметр составляет около 1,76 фемтометра — 1,76 квадриллионной метра, или 0,000000000000000176 метра. То есть очень, очень маленький.
Но затем, в 2010 году, некоторые физики провели продвинутый эксперимент, который оказался гораздо более точным.
Метод заключался в том, чтобы связать мюон — отрицательно заряженную частицу, похожую на электрон, но в 200 раз более массивную — с протоном, создать странную симулякру тяжелого атома водорода, называемую мюонным атомом, и точно измерить, сколько энергии требуется, чтобы привести мюон в движение. А это также зависит от размера протона, и они обнаружили, что протон был меньше, чем ожидалось - около 1,68 фемтометра. Это может показаться не так уж много, но разница в 5% для физика элементарных частиц — это как галактика для астронома. Большая разница. Огромная. Последующий эксперимент, проведенный аналогичным образом с электроном вместо мюона, подтвердил результат.
Мир квантовой механики погрузился в задумчивость. Ошибаются старые эксперименты или новые, или здесь задействована новая физика?
Последний вариант был бы очень захватывающим, потому что это означало бы, что наше понимание природы является неполным, а это означает, что есть еще много интересных вещей, которые нужно выяснить. Это мечта любого ученого. Увы, этому не суждено было оправдаться, но ответ все равно оказался очень интересен.
Что выяснили?
Недавно другая группа физиков попробовала совершенно иной способ измерения размера протона. Они рассмотрели ранее полученные данные об обстреле пучками электронов протонов. В общем случае путь электрона искривляется протоном, подобно магниту, притягивающему катящийся мимо него шарик от подшипника. Но при достаточно высокой энергии и направленных прямо на протон электроны отскакивают от протонов, этот процесс называется рассеянием. Электроны должны подобраться достаточно близко к протону, чтобы отскочить от него, как при столкновении бильярдных шаров, а это означает, что тщательное измерение того, как взаимодействуют электроны, может дать размер протона.
Они использовали новую теоретическую основу для повторного анализа этих старых результатов. И они выяснили, что протоны имеют диаметр именно 1,68 фемтометра.
Здесь важно, что это совершенно другой способ измерения размера протона, независимый от измерений протон+электрон/мюон. И все же результаты согласуются.
Так что, похоже, протон действительно меньше, чем ученые думали ранее. Это не меняет размер нашей обуви, принцип работы наших компьютеров или такие вещи, как величину Солнца или что-то в этом роде, но это означает, что понимание того, как эти вещи работают на сверхсубмикроскопическом уровне, теперь немного точнее.
Например, то же Солнце питается от слияния ядер водорода - точнее, протонов. Для этого требуется много шагов, но в конце четыре протона плюс несколько других частиц сжимаются вместе, образуя ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Это высвобождает энергию, которая питает все Солнце (ну, по крайней мере 99% него). Этот синтез в некотором роде зависит от размера протонов, поэтому, зная его лучше, мы можем лучше понять данный процесс. А это уже серьезно!
Ведь кроме того, что теперь ученые чуть лучше (хотя и не на 5%) понимают Вселенную и процессы в ней происходящие, этот результат может дать импульс для поиска решения задачи управляемого ядерного синтеза, о котором они давно грезят.
