Модель структуры протона вместе с присущими ему полями показывает, как, несмотря на то, что он состоит из точечных кварков и глюонов, у него есть конечный и довольно большой размер, возникающий благодаря взаимодействию его внутренних квантовых сил
Основная идея атомной теории состоит в том, что на наименьшем, фундаментальном уровне материю, из которой всё состоит, после какого-то предела уже нельзя делить далее. Эти итоговые строительные блоки материи были бы буквально неделимыми, ἄτομος. Спускаясь на всё меньшие масштабы, мы обнаруживаем, что молекулы состоят из атомов, а те состоят из протонов, нейтронов и электронов, а протоны и электроны можно дальше делить на кварки и глюоны. И хотя кажется, что кварки, глюоны, электроны и прочие являются точечными частицами, у состоящей из них материи есть реальные, конечные размеры. Почему так происходит? Именно это хочет узнать наш читатель:
Многие источники постулируют, что кварки – точечные частицы. Можно было бы подумать, что состоящие из них объекты – нейтроны – тоже точечные. Что не так в моём рассуждении? Или же они связываются между собой таким образом, что у получающегося нейтрона оказывается некий размер?
Давайте отправимся к мельчайшим масштабам и посмотрим, что там происходит.
С макроскопических до субатомных масштабов размеры фундаментальных частиц играют лишь небольшую роль в определении размеров составных структур
На макроскопических масштабах материя ведет себя так, как мы привыкли – и это продолжается вплоть до молекулярных размеров порядка нанометра (10-9 м). А на меньших масштабах приобретают влияние квантовые правила, которым подчиняются отдельные частицы. Атомы с электронами, находящимися на орбитах около ядер, имеют размер порядка ангстрема: 10-10 м. Атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, в 100 000 раз меньше самого атома – это уже шкала порядка 10-15 м. В каждом отдельном протоне и нейтроне находятся кварки и глюоны. И хотя у молекул, атомов и ядер есть размеры, фундаментальные частицы, из которых они состоят – кварки, глюоны и электроны – считаются истинно точечными.
Кварки, антикварки и глюоны в Стандартной модели обладают цветным зарядом, кроме всех остальных свойств вроде массы и электрического заряда. И все эти частицы, насколько мы можем судить, точечные.
Мы определяем точечность частицы, просто сталкивая её с чем только возможно на самых высоких доступных энергиях, и разыскивая доказательства наличия у неё внутренней структуры. В квантовом мире у частиц есть не только физический размер, но и длина волны, определяемая их энергией. Выше энергия – меньше длина волны, а это значит, что мы можем зондировать всё более мелкие и сложные структуры. Энергии рентгеновских лучей хватает для зондирования структуры атомов, и изображения, полученные благодаря рентгеновской дифракции и рентгеноструктурного анализа, проливают свет на то, как выглядят молекулы и отдельные атомные связи.
Карта плотности электронов в структуре белка, определённая при помощи рентгеноструктурного анализа
На энергиях ещё повыше можно получить разрешение получше. Ускорители частиц могут не только разбивать на части ядра атомов – глубоконеупругое рассеяние позволяет раскрыть внутреннюю структуру протона и нейтрона: находящиеся внутри них кварки и глюоны. Возможно, что в какой-то момент мы обнаружим, что некоторые из частиц, которые мы считаем фундаментальными, состоят из ещё более мелких. Но на текущий момент, благодаря энергиям, достигаемым на Большом адронном коллайдере, мы знаем, что если кварки, глюоны или электроны и не фундаментальны, их структуры должны быть меньше 10-18 — 10-19 м. Насколько нам известно, они на самом деле точечные.
Кварк-глюонная плазма ранней Вселенной. Хотя мы часто изображаем кварки, глюоны и электроны в виде трёхмерных сфер, наилучшие из доступных нам измерений говорят нам о том, что их нельзя отличить от точек.
Так как же получается, что все вещи, состоящие из них, оказываются крупнее точек? Всё дело во взаимодействии трёх вещей:
- Взаимодействия.
- Свойства частиц.
- Энергия.
У известных нам кварков есть не только электрический заряд, но и (как у глюонов) цветной. Электрический заряд может быть положительным или отрицательным, одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные – притягиваются. А взаимодействие цветных зарядов – сильное ядерное взаимодействие – всегда заставляет их притягиваться. И работает оно очень похоже на пружину.
Внутренняя структура протона — показаны кварки, глюоны, и спин кварков. Сильное ядерное взаимодействие работает как пружина, его сила пренебрежимо мала в расслабленном состоянии, но оказывается большой и притягивающей при растяжении.
Когда два объекта с цветными зарядами находятся рядом, сила между ними падает до нуля, как у нерастянутой пружины. Когда кварки сближаются, в дело вступают электрические силы, и часто это приводит к взаимному отталкиванию. Но когда объекты с цветным зарядом находятся далеко друг от друга, сильное взаимодействие становится сильнее. Оно, как натянутая пружина, работает на стягивание кварков вместе. Исходя из мощности цветных зарядов, силы сильного взаимодействия и электрических зарядов каждого кварка, мы получаем размер протона и нейтрона – он такой, на котором сильное и электромагнитное взаимодействие приходят в равновесие.
Три валентных кварка в протоне вносят вклад в его спин, но это делают и глюоны, морские кварки и антикварки, а также орбитальный момент импульса. Электростатическое отталкивание и притягивающее сильное ядерное взаимодействие совместно придают протону размер
На чуть более крупных масштабах сильное ядерное взаимодействие удерживает протоны и нейтроны в атомном ядре, преодолевая электростатическое отталкивание отдельных протонов. Это ядерное взаимодействие – остаточный продукт сильного ядерного взаимодействия, работающего на очень малых расстояниях. Поскольку отдельные протоны и нейтроны нейтральны по цветы, перенос взаимодействия осуществляется виртуальными нестабильными частицами, пионами, что объясняет, почему ядро после превышения определённых размеров становится нестабильным; пионам слишком сложно переносить взаимодействие на большое расстояние. Только в нейтронных звёздах добавление связывающей гравитационной энергии подавляет стремление ядер к перестройке в более стабильную конфигурацию.
Отдельные протоны и нейтроны цвета не имеют, но между ними действует остаточное сильное ядерное взаимодействие
На атомных размерах самая низкая из возможных энергий электрона, связанного с ядром, получается не нулевой, а довольно высокой по сравнению с массой покоя электрона. Эта квантовая конфигурация означает, что электрону нужно шнырять внутри атома на очень больших скоростях; хотя ядро и электрон имеют разные заряды, электрон не сможет столкнуться с ядром и успокоиться. Вместо этого электрон существует в виде некоего облака, носясь и вращаясь вокруг ядра (а также проходя сквозь него) на расстоянии почти в миллион раз большем, чем размер самого ядра.
Уровни энергии и волновые функции электрона, соответствующие различным состояниям внутри атома водорода – хотя у других атомов конфигурация будет очень похожей. Уровни энергии квантуются кратно постоянной Планка, но размеры орбиталей и атомов определяются энергией основного состояния и массой электрона.
Существует несколько забавных лазеек, позволяющих нам изучать изменение этих размеров в экстремальных условиях. У чрезвычайно массивных планет атомы начинают сжиматься из-за огромных гравитационных сил, из-за чего большее их количество может вместиться в меньший объём. К примеру, масса Юпитера в три раза больше массы Сатурна, но первый всего на 20% больше второго. Если заменить в атоме водорода электрон мюоном, нестабильной электроноподобной частицей, с тем же зарядом но с массой в 206 раз больше, размер мюонного атома водорода будет в 206 раз меньше. Атом урана на самом деле больше, чем сумма размеров отдельных протонов и нейтронов из-за дальнодействия электростатического отталкивания протонов по сравнению с близко действующим сильным ядерным взаимодействием.
Планеты Солнечной системы в масштабе их истинных размеров. Размер Сатурна почти такой же, как у Юпитера – но Юпитер в 3 раза тяжелее, что говорит о том, что его атомы чрезвычайно сильно сжаты из-за гравитационного давления
Используя различные взаимодействия различной силы, можно создать протон, нейтрон или другой адрон конечного размера из точечных кварков. Комбинируя протоны и нейтроны, можно создавать ядра большего размера, чем сумма составляющих их компонентов. А привязывая электроны к ядрам, можно создать более крупную структуру, всё благодаря тому, что энергия основного состояния электрона, привязанного к атому, гораздо больше нуля. Чтобы заполнить Вселенную структурами, занимающими конечное пространство и имеющими ненулевой размер, не понадобится ничего кроме точечных нульмерных строительных блоков. Сил, энергии и квантовых свойств, присущих частицам, будет для этого вполне достаточно.
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части .
Автор: Вячеслав Голованов
