В детстве я любил разбирать вещи. Не из хулиганских побуждений, а из-за жгучего любопытства: а что там, внутри? Вот этот стол — он из дерева. Дерево — из волокон и клеток. Клетки — из молекул. Молекулы — из атомов.
А дальше начиналась магия. Атом, оказывается, это почти пустота. В его центре — крошечное ядро, а вокруг носятся, как рои разъяренных пчел, электроны. Но и это не предел. Ядро состоит из протонов и нейтронов, а те, в свою очередь, — из еще более мелких частиц, кварков.
И тут мой мозг вставал с вопросом: а это что, самое дно? Из чего же всё состоит в самом-самом конце?
Оказалось, что мое детское «а что там внутри?» — это главный вопрос, на который ищет ответ вся фундаментальная физика. И ответы, которые ученые нашли, фантастичнее любого блокбастера.
Квантовый суп: где кончается понятие «частица»
Итак, спускаясь вглубь материи, мы дошли до:
· Молекул
· Атомов
· Протонов, нейтронов и электронов
· Кварков (из них состоят протоны и нейтроны)
Казалось бы, вот он, фундамент! Кирпичики мироздания! Но не тут-то было. На этом уровне в игру вступает квантовая механика, и привычный нам мир разваливается на куски.
Выяснилось, что самые маленькие «жители» вселенной — эlementary particles (фундаментальные частицы) — ведут себя не как шарики, а как… нечто невообразимое.
Они не являются «кусочками» материи в бытовом понимании. Это скорее возбуждения квантовых полей, которые заполняют всю Вселенную.
Представьте себе бескрайнее, спокойное море. Это квантовое поле. А теперь бросьте в него камень — по воде побегут волны. Вот эти волны и есть частицы! Электрон — это волна в «электронном поле», кварк — волна в «кварковом поле».
Это и есть тот самый квант — наименьшая возможная «порция» чего-либо. Нельзя иметь половину электрона. Он существует только как целый «квант» своего поля.
Стандартная модель — наша новая таблица Менделеева
Ученые смогли систематизировать этих «жителей» квантового мира в теорию, которая называется Стандартная модель. Это своего рода каталог всех известных фундаментальных кирпичиков мироздания.
Вот главные «звезды» этого каталога:
1. Фермионы — «строительные кирпичики». Это как раз те самые кварки (из них собраны протоны и нейтроны) и электроны. Из них состоит вся материя, включая нас с вами, планеты и звезды.
2. Бозоны — «силовые посредники». Эти частицы переносят фундаментальные взаимодействия.
· Фотон переносит электромагнитное взаимодействие (свет, радиоволны, магнетизм).
· Глюоны «склеивают» кварки внутри протонов.
· W и Z-бозоны отвечают за радиоактивный распад.
· А знаменитый бозон Хиггса отвечает за массу частиц! Это то самое «липкое» поле Хиггса, которое тормозит частицы и наделяет их массой.
Так что ваш деревянный стол — по сути, набор возбуждений в нескольких квантовых полях, которые удерживаются вместе благодаря постоянному обмену частицами-переносчиками. Это не статичный объект, а бешеный, кипящий танец энергии, подчиняющийся строгим математическим правилам.
Так что же на самом дне? Граница неизвестного
На сегодняшний день кварки и электроны считаются бесструктурными и точечными. Ученые не нашли никаких признаков того, что внутри них есть что-то еще. Они — фундамент Стандартной модели.
Но это точно не конец истории.
Физики уверены, что за пределами Стандартной модели лежит новая, еще более глубокая реальность. Возможно, все частицы — это крошечные vibrating strings (вибрирующие струны) в многомерном пространстве, как предполагает теория струн. Возможны и другие, еще не открытые теории.
Так что мое детское любопытство в итоге привело меня к самому фронту современной науки. Оказалось, что вопрос «из чего всё состоит?» не имеет простого ответа. На самом дне материи нас ждет не твердая опора, а ошеломляющая, призрачная и невероятно красивая реальность — мир квантовых полей и энергий, где сама концепция «частицы» растворяется в волне вероятностей.
И этот поиск «самого маленького» — это, по сути, поиск ответа на вопрос, как устроена Вселенная на самом фундаментальном уровне. А это, согласитесь, куда интереснее, чем просто разобрать на части старый стол.
А вы когда-нибудь задумывались, из чего на самом деле состоит мир вокруг? Что для вас стало самым большим открытием? Делитесь в комментариях!