Атомизм, то есть учение о существовании мельчайших неделимых частиц, из которых состоит материя, возник задолго до того, как ученые смогли проверить его положения экспериментом. Однако, когда они все-таки сделали это, оказалось, что микромир наполнен не только атомами, но и еще более мелкими частицами, которые демонстрируют поразительные свойства.
Глубины микромира
В научный обиход понятие «атом» вернул Джон Дальтон, школьный учитель из Манчестера, создавший в начале XIX века убедительную теорию химического взаимодействия. Он пришел к выводу, что в природе существуют простые вещества, названные им «элементами», причем каждое складывается из атомов, характерных только для него. Дальтон также ввел понятие атомного веса, позволившее упорядочить элементы в рамках знаменитой Периодической таблицы, предложенной Дмитрием Менделеевым в марте 1869 года.
О том, что помимо атомов существуют еще какие-то частицы, ученые начали догадываться при изучении электрических явлений. В 1891 году ирландский физик Джордж Стоуни предложил называть гипотетическую заряженную частицу электроном. Через 6 лет англичанин Джозеф Томсон установил, что электрон гораздо легче, чем атом самого легкого элемента (водорода), по факту открыв первую из фундаментальных частиц.
В 1911 году Эрнест Резерфорд на основе экспериментальных данных предложил планетарную модель атома, согласно которой в его центре находится плотное и положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Субатомную частицу с положительным зарядом, из которых складываются ядра, назвали протоном.
Вскоре физиков ждало еще одно удивительное открытие: число протонов в атоме равно номеру элемента в таблице Менделеева. Затем возникла гипотеза, что в составе атомных ядер есть еще какие-то частицы. В 1921 году американский химик Уильям Харкинс предложил именовать их нейтронами, однако понадобилось еще 10 лет, чтобы зафиксировать и описать нейтронное излучение, открытие которого, как мы знаем, имело ключевое значение для развития атомной энергетики.
Фантомы антимира
В начале 1930-х годов физики знали четыре фундаментальные частицы: фотон, электрон, протон и нейтрон. Казалось, что их достаточно для описания микромира.
Ситуация резко изменилась, когда Поль Дирак доказал теоретическую возможность существования антиэлектронов. Если электрон и антиэлектрон столкнутся, то произойдет аннигиляция с выделением фотона высокой энергии. Сначала Дирак полагал, что антиэлектроном является протон, но коллеги высмеяли его идею, ведь тогда все атомы в мире мгновенно аннигилировали бы. В сентябре 1931 года ученый предположил, что должна существовать особая частица (позднее ее назвали позитроном), которая рождается из вакуума при столкновении жестких гамма-лучей. Вскоре выяснилось, что такую частицу ученые регистрировали ранее, но не могли дать ее проявлениям разумное обоснование. Открытие позитрона наводило на мысль, что должны быть такие же аналоги у протона и нейтрона.
Русский физик Владимир Рожанский пошел еще дальше, опубликовав в 1940 году статью, в которой утверждал, что некоторые тела в Солнечной системе (например, метеориты, кометы и астероиды) состоят из антивещества. Образованная публика, прежде всего фантасты, подхватили идею, уверовав в физическую реальность антимира, существующего где-то рядом.
Процесс искусственного получения античастиц оказался довольно трудоемким: для этого пришлось построить специальный ускоритель «Беватрон». Антипротоны и антинейтроны были зафиксированы на нем в середине 1950-х годов. С тех пор, несмотря на растущие трудозатраты, удалось получить лишь ничтожные количества антивещества, поэтому поиски его природных «месторождений» продолжаются.
Надежду сторонников гипотезы Рожанского подпитывает зарегистрированное расхождение (в 100 раз!) между теоретически предсказанной и реальной интенсивностью потоков антипротонов в космических лучах. Объяснить такое расхождение можно, в том числе с помощью допущения, что где-то за пределами нашей Галактики (или даже Метагалактики) действительно существует обширная область, состоящая из антивещества.
Неуловимая частица
В 1900 году физики установили, что бета-лучи, возникающие при радиоактивном распаде, — это на самом деле электроны.
В ходе дальнейших наблюдений выяснилось, что энергия вылетающих электронов получается разной, что явно нарушало закон сохранения энергии. Никакие теоретические и практические ухищрения не помогали объяснить происходящее, и в 1930 году Нильс Бор, патриарх квантовой физики, призвал отказаться от этого закона применительно к микромиру.
Выход нашел швейцарец Вольфганг Паули: он предположил, что при распаде атомных ядер выделяется еще какая-то субатомная частица, которую он назвал нейтроном и которую невозможно обнаружить имеющимися приборами. Поскольку как раз в то время был наконец-то открыт предсказанный ранее нейтрон, то гипотетическую частицу Паули решили именовать нейтрино (впоследствии выяснилось, что при бета-распаде рождается не нейтрино, а антинейтрино).
Хотя идею нейтрино изначально приняли скептически, со временем она овладела умами. При этом возникала новая проблема: частица столь мала и имеет столь ничтожную массу, что ее практически невозможно зафиксировать даже при прохождении через самые плотные вещества. Все же исследователи не сдавались: когда появились ядерные реакторы, их удалось использовать как генераторы мощного потока нейтрино, что и привело к его открытию в 1956 году.
«Призрачные» частицы научились регистрировать и даже построили огромную нейтринную обсерваторию «Ледяной куб» в Антарктиде, однако сами они во многом остаются загадкой. Например, существует гипотеза, что антинейтрино взаимодействуют с веществом как обычное нейтрино. Если гипотеза будет подтверждена экспериментом, станет ясно, почему при формировании Вселенной возникла глобальная асимметрия и вещества сегодня намного больше, чем антивещества.
Ученые связывают с дальнейшим изучением нейтрино получение ответов о возможности движения со сверхсветовой скоростью, о природе «темной материи», об условиях ранней Вселенной. Но, пожалуй, самое главное — доказанное недавно наличие массы у нейтрино разрушает Стандартную модель, покушаясь на основы современной физики.
Вне Стандартной модели
Исследование космических лучей и строительство мощных ускорителей способствовали открытию десятков неизвестных ранее частиц, для которых пришлось вводить дополнительную классификацию. Например, элементарными сегодня называют все субатомные частицы, которые невозможно расщепить на составные части, а фундаментальными — только те из них, которые, как считается, не имеют внутренней структуры (электроны, нейтрино и т. п.).
В начале 1960-х годов начала формироваться Стандартная модель — теория, учитывающая все известные частицы и силовые взаимодействия, кроме гравитации. Актуальная версия описывает 61 элементарную частицу, включая легендарный бозон Хиггса. Успех Стандартной модели в том, что она предсказывает свойства частиц, которые пока не открыты, тем самым облегчая их поиск. И все же есть поводы для того, чтобы говорить если не о пересмотре, то о расширении модели. Именно этим и занимаются сторонники Новой физики, которая призвана решить накопившиеся теоретические проблемы.
Выход за рамки Стандартной модели будет сопровождаться открытием новых элементарных частиц, которые пока остаются гипотетическими. Возможно, ученые обнаружат тахионы (двигающиеся со сверхсветовой скоростью), гравитоны (переносящие гравитационное взаимодействие) и вимпы (составляющие «темную» материю). Но столь же вероятно, что они наткнутся на нечто еще более фантастическое. Впрочем, и тогда не будет гарантии, что мы познали микромир целиком.
Антон Первушин
