От "вечного шарика" к сложному процессу
Согласно Стандартной модели, ядро атома состоит из нейтронов и протонов, вокруг которых движутся электроны. Долгое время протон считался самой стабильной и предсказуемой субатомной частицей во всём известном нам «зоопарке частиц». На протяжении десятилетий физики считали его фундаментальным и неизменным «кирпичиком» материи, чьи свойства можно было точно предсказать.
Однако недавние исследования показали, что наши представления о протоне были слишком упрощёнными. Его свойства оказались гораздо сложнее, чем считалось ранее, что заставило физиков пересмотреть многие устоявшиеся взгляды и признать: протон — это совсем не та частица, которую мы так хорошо, как нам казалось, знали.
Конечный срок жизни протона
Долгое время считалось, что протоны не только стабильны, но и вечны. К примеру, знаменитый физик Артур Эддингтон даже пытался рассчитать их общее количество во Вселенной, исходя из представления о протоне как о неизменной частице. Согласно всем моделям, протоны никогда не распадались, и их время жизни считалось бесконечным, сравнимым со временем существования самой Вселенной. Это предположение было краеугольным камнем во многих теориях, поскольку стабильность протонов обеспечивала стабильность всей видимой материи.
Однако современные исследования внесли важное уточнение: срок жизни протона не бесконечен. Он лишь сопоставим со временем существования Вселенной, что, согласитесь, совершенно разные формулировки. Если протон действительно может распасться, пусть и через триллионы триллионов лет, это означает, что он не вечен и что его структура может быть подвержена изменениям.
Эта идея предсказывается так называемыми теориями Великого объединения (Grand Unified Theories, или GUTs), которые выходят за рамки Стандартной модели и предполагают, что протон может распасться, например, на позитрон и нейтральный пион. Хотя этот распад пока не был зафиксирован экспериментально, сама его теоретическая возможность стала первым шагом к пониманию того, что протон устроен намного сложнее, чем нам казалось.
Внутренняя структура: клубок, а не шарик
Устаревшее представление описывало субатомные частицы как маленькие механические шарики, которые можно "потрогать" и "покатать". Однако переход к квантовой физике показал, что ни одна частица не может быть описана таким образом. У атомов нет конкретной формы, у электронов — материальных аналогов, и то же самое относится к протону.
Первая попытка описать его внутреннюю структуру привела к модели, где протон состоит из трёх кварков: двух верхних и одного нижнего. Эта структура казалась очень стабильной, поскольку учёным до сих пор не удалось обнаружить кварки в свободном, одиночном состоянии. Однако дальнейшие исследования показали, что протон — это не просто три кварка, а очень сложный «клубок шерсти», пронизанный множеством других частиц, таких как глюоны. Глюоны — это частицы-переносчики сильного взаимодействия, которые, по сути, являются «атомным клеем», соединяющим кварки.
Кроме того, внутри протона находится не пустота, а «квантовый суп» — среда, состоящая из виртуальных частиц и различных полей. Этот «суп» включает в себя постоянно возникающие и исчезающие пары виртуальных кварков и глюонов, которые, подобно ряби на воде, наполняют пространство внутри протона. Эта динамичная среда делает внутреннюю структуру протона невероятно сложной и пока до конца не изученной, что полностью разрушает образ простого, твёрдого шарика.
Кризис массы и спина
Кризис массы
Наш привычный опыт говорит: если сложить три кирпича, их суммарная масса будет равна массе всех трёх. С протоном это правило не работает. Масса протона составляет 938 МэВ, в то время как масса двух верхних и одного нижнего кварка — всего 9 МэВ, то есть лишь 1% от общей массы. Остальные 99% — это не «материя», а разные виды энергии, включая энергию взаимодействия между частицами внутри протона.
Это наглядно подтверждает знаменитый принцип эквивалентности массы и энергии, описанный Эйнштейном (E=mc2). Основная часть массы протона формируется за счёт колоссальной энергии сильного взаимодействия, которая удерживает кварки вместе, а также за счёт их кинетической энергии, поскольку они движутся внутри протона с околосветовыми скоростями. Эта энергия, согласно формуле Эйнштейна, и является массой.
Кризис спина
Каждая субатомная частица обладает спином — квантовой характеристикой, которую для упрощения можно представить как внутренний угловой момент. Когда учёные попытались рассчитать спин протона, исходя из спинов составляющих его кварков, они получили лишь 30% от реального значения! Этот «спиновый кризис» указывает на то, что помимо кварков, значительный вклад в движение протона вносят другие частицы, например, те же глюоны.
Также свою роль играет и орбитальный угловой момент самих кварков, которые движутся внутри протона. Однако даже суммирование этих вкладов не даёт полного ответа, и оставшаяся часть спина протона по-прежнему остаётся загадкой.
Парадокс радиуса протона
Ещё одной загадкой стал «кризис радиуса протона». В классической планетарной модели атома размер ядра напрямую влияет на расстояние, на котором находятся электроны. Казалось бы, размер протона должен быть постоянной величиной. Однако это оказалось не так.
Чтобы проверить это, учёные провели эксперимент с так называемым мюонием — экзотическим атомом, в котором электроны заменены на мюоны. Мюон — это нестабильная частица, очень похожая на электрон, но в 207 раз тяжелее. Из-за своей большой массы он находится гораздо ближе к ядру, чем электрон. Это делает его орбиту очень чувствительной к точному размеру протона. Ожидалось, что расчётный размер протона в таком атоме будет таким же, как и в обычном водороде. Но результаты показали, что при наличии мюонов протон как будто «сжимается» и его радиус становится меньше.
Как такое может быть? Пока однозначного ответа нет. Это расхождение в измерениях (около 4%), хоть и кажется незначительным, было статистически значимым и стало серьёзной проблемой для современной физики. Этот парадокс ещё раз доказывает, что наши знания о протоне далеки от полноты, и он ведёт себя не так, как предписывают классические теории, что ставит под сомнение сами фундаментальные константы.
Протон — это процесс, а не статичная частица
Все эти открытия — конечный срок жизни, сложная внутренняя структура, кризис массы, спина и радиуса — подводят нас к одному выводу: протон — это не стационарная частица, а динамичный процесс.
Это не твёрдый «шарик», а сложное, постоянно изменяющееся взаимодействие энергии и материи. Как именно все эти элементы взаимодействуют, пока неясно, но это не делает протон менее интересной частицей. Напротив, это делает его одной из самых интригующих и загадочных областей для современной физики, открывая новые горизонты для исследований.