Как человек исследует атом?
Когда-то учёные считали, что атом — это крошечная и неделимая частица. Но XX век перевернул это представление: оказалось, что атом не просто можно «разделить» — внутри него скрыт целый микромир. И чтобы туда заглянуть, человек изобрёл потрясающие инструменты — от микроскопов, способных видеть атомы, до гигантских машин, разгоняющих частицы почти до скорости света.
Атомные коллайдеры: что это и зачем?
Коллайдер — это, по сути, огромный ускоритель частиц. Представьте длинную трубу, в которой частицы (например, протоны) разгоняются при помощи мощных магнитов. Они движутся навстречу друг другу со скоростью, близкой к скорости света — почти 300 000 километров в секунду — и сталкиваются.
А теперь представьте две пули, летящие навстречу друг другу. При столкновении они разлетаются на кусочки, и можно рассмотреть, из чего они сделаны. То же самое происходит в коллайдере — только вместо пуль у нас протоны, а вместо металла — чистая энергия. Когда частицы сталкиваются, высвобождается гигантская энергия, и из неё рождаются новые, более мелкие частицы. Учёные наблюдают эти «осколки» и по их следам восстанавливают картину того, что происходит внутри материи. Это как если бы вы бросили часы о стену, сфотографировали разлетающиеся шестерёнки и по их форме поняли, как устроен механизм.
Коллайдеры — это инструменты, которые позволяют «вскрывать» материю, чтобы понять, как устроена Вселенная на самом глубоком уровне.
Большой адронный коллайдер: открытия и мифы
Самый известный из всех — Большой адронный коллайдер (БАК), построенный Европейским центром ядерных исследований (CERN). Он расположен под землёй на границе Швейцарии и Франции и представляет собой гигантское кольцо длиной 27 километров.
Внутри по вакуумным трубам мчится пучок частиц. Чтобы удержать его на нужной траектории, используются сверхпроводящие магниты, охлаждённые жидким гелием до температуры –271 °C — холоднее, чем в открытом космосе!
Зачем такая сложность?
Чем выше скорость частиц, тем больше энергия столкновения, а значит — тем глубже мы можем заглянуть в микромир. В результате этих столкновений в 2012 году учёные открыли частицу Хиггса — ту самую, которая объясняет, почему всё в мире имеет массу.
Без неё электроны не смогли бы «приклеиться» к атомам, и Вселенная осталась бы облаком бесплотного света.
Вокруг БАК ходило много мифов. Некоторые боялись, что при запуске образуется миниатюрная чёрная дыра, которая «поглотит Землю». На деле энергия таких столкновений ничтожно мала по сравнению с тем, что происходит в космосе каждую секунду — когда космические лучи врезаются в атмосферу. БАК абсолютно безопасен. Он просто воссоздаёт условия первых мгновений после Большого взрыва, когда материя только зарождалась.
Как коллайдер показывает невидимое
Внутри коллайдера частицы настолько малы, что их нельзя «увидеть» напрямую.
Но при столкновении они оставляют следы — вспышки, траектории, крошечные спирали.
И вот здесь на помощь приходят детекторы — огромные приборы, похожие на многослойные микроскопы. Один из таких — ATLAS. Он весит около 7000 тонн и состоит из миллионов датчиков.
Когда происходит столкновение, детектор фиксирует все рождающиеся частицы и измеряет:
• куда они полетели,
• с какой энергией,
• и как быстро исчезли.
Компьютеры собирают эту информацию, и учёные восстанавливают «кадр» столкновения — как если бы снимали фильм замедленной съёмкой, но на уровне элементарных частиц.
Будущее коллайдеров
Человеческое любопытство не знает границ.
Сейчас учёные планируют построить новое поколение ускорителей, ещё более мощных.
Проект Future Circular Collider (FCC) — это кольцо длиной более 100 километров, которое сможет разгонять частицы до энергий, недостижимых для нынешней техники. Но зачем? Чтобы понять, что такое тёмная материя — загадочная субстанция, из которой состоит почти 85% Вселенной, но которую никто ещё не видел напрямую. Чтобы узнать, почему материи во Вселенной больше, чем антиматерии, хотя по законам физики их должно быть поровну. И, возможно, чтобы открыть новые частицы, которые расширят нашу картину мира.
Методы «увидеть атом»: микроскопы
Когда мы говорим «увидеть атом», это не фигура речи.
Современная техника действительно позволяет рассмотреть и даже перемещать отдельные атомы. Обычный световой микроскоп не справится — атом слишком мал, а длина световой волны слишком велика. Поэтому учёные придумали другие способы «видеть».
Один из них — электронный микроскоп. Он использует пучок электронов вместо света.
Поскольку электроны гораздо мельче длины волны света, они позволяют различать детали размером в миллионные доли миллиметра. Но самый невероятный шаг вперёд — это сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), изобретённый в 1981 году.
Он не «снимает фото», а буквально ощупывает поверхность атом за атомом.
Представьте иглу, заострённую до одного атома. Она движется по поверхности материала на расстоянии всего нескольких миллиардных долей метра. Между иглой и атомами проходит слабейший электрический ток — туннельный ток. Измеряя, как он изменяется, микроскоп создаёт карту поверхности. На экране учёные видят не плоское изображение, а трёхмерный рельеф атомов, как горы и долины — только в масштабе, где один «метр» равен миллиарду реальных.
Управление атомами
Самое удивительное, что с помощью таких микроскопов можно не только наблюдать, но и переставлять атомы местами. Учёные делают это с ювелирной точностью. В 1989 году исследователи IBM выложили из 35 атомов ксенона надпись IBM. Это стало символом новой эпохи — нанотехнологий, когда человек научился строить материю буквально по кирпичикам.
Сегодня мы знаем: атом — не предел. Он — целая вселенная внутри, со своими законами, энергией и движением. Мы научились видеть атомы, управлять ими и даже создавать новые частицы, которые существовали лишь в первые мгновения после рождения мира.
И в этом — суть науки: каждый инструмент, будь то микроскоп или коллайдер, помогает нам приблизиться к ответу на главный вопрос — из чего же всё сделано?