Речь на этот раз пойдет не о теории бесконечной вложенности материи, и не о книге Далай-ламы. А о том, что все фундаментальные силы, которые мы можем наблюдать во Вселенной, активно работают и на квантовом уровне. Когда любые два кванта энергии взаимодействуют (независимо от их свойств, будь они частицами или античастицами, массивными или безмассовыми, фермионами или бозонами) — результат этого взаимодействия сообщает нам что-то о законах и правилах, которым подчиняется мир. И если мы хотим открыть тайны Вселенной, всё, что нам нужно сделать — продолжать задавать ей вопросы. Там, где это доступно.

Хотя «теория всего» еще не открыта, очевидно, что законы, которые действуют в космосе, влияют на объекты всех размеров, плоть до самого маленького из известных нам: атома. Атом остается наименьшей известной нам единицей, которая сохраняет характеристики макроскопического мира. У него есть физические и химические свойства, виды, конфигурации, возможности для сложных взаимодействий. И все же атом по своей сути остается квантовым объектом: с энергетическими уровнями, законами сохранения, зависимостью от принципов неопределенности. Это та единица, которая сводит два мира вместе

Но самое важное для нас то, что даже самый скромный атом взаимодействует со всеми четырьмя известными нам фундаментальными силами. И все они влияют на него, вплоть до гравитации. Поэтому на самом деле вся известная нам физика наблюдается даже внутри одного атома. И если мы будем глядеть вглубь, а не вдаль, то сможем узнать многое о той Вселенной, которая нас окружает.

Гравитация в атоме

Гравитация — самая «большая» из известных нам сил. Её эффекты прослеживаются на огромных расстояниях. И тем не менее мы можем наблюдать её отголоски даже в простейшем атоме.

Здесь, на Земле, в природе нам встречаются около 90 элементов. Большинство из них были созданы в результате космических процессов: формирования звезд и планет, взрывов сверхновых, излучения квазаров. Любой такой элемент — это атом с ядром, состоящим из протонов и (возможно) нейтронов, вокруг которого вращается количество электронов, равное числу протонов. При этом каждый элемент имеет свой уникальный набор свойств:

• твердость,

• цвет,

• температуры плавления и кипения,

• плотность

• проводимость (насколько легко переносятся его электроны при приложении напряжения),

• электроотрицательность (насколько сильно его атомное ядро удерживает электроны, когда оно связано с другими атомами),

• энергия ионизации (сколько энергии требуется, чтобы выбросить электрон).

Что примечательно в атомах, так это то, что есть только одно свойство, которое определяет все остальные: количество протонов в ядре. Очень часто один «лишний» протон полностью меняет все характеристики элемента, превращая инертный газ в жидкость, гелий — в литий, а натрий — в кислород.

Каждый элемент имеет определенное количество протонов в ядрах своих атомов. За счет этого образуется уникальный набор связей с другими атомами, и открывается почти неограниченный набор возможностей для типов молекул, ионов, солей и более крупных структур, которые он может образовывать. Эти структуры, состоящие из определенных атомов, иногда становятся массивнее галактик (в случае с межзвездными облаками).

Чем больше протонов и нейтронов в ядре, тем атом массивнее. И, как мы знаем из уравнений Эйнштейна, любой объект, обладающий энергией,  включая даже энергию покоя, искривляет ткань пространства-времени. Независимо от количества атомов, будь то 1057 (как в звезде), 1028 (как у человека), или только 1 (как у гелия), искривление произойдет точно так, как предсказывают формулы общей теории относительности.

Электромагнетизм в атоме

Атомы состоят из множества разных электрически заряженных частиц. Все протоны и нейтроны связаны вместе в ядре диаметром всего один фемтометр (~ 10–15 м). В то время как электроны вращаются в облаке, размер которого примерно в 100 000 раз больше (около 10–10 м). Каждый электрон занимает свой уникальный энергетический уровень, и электроны могут переходить только между этими дискретными энергетическими состояниями; никакие другие переходы, насколько мы знаем, не допускаются.

Но все эти ограничения применимы только к отдельным, изолированным атомам. Когда один атом приближается к другому, они могут взаимодействовать. На квантовом уровне это значит, что волновые функции этих нескольких атомов перекрываются, позволяя атомам связываться вместе в молекулы, ионы и соли. Эти связанные структуры обладают своими уникальными конфигурациями электронных облаков, за счет чего они приобретают собственные уникальные наборы энергетических уровней. Эти уровни поглощают и излучают фотоны (частицы света) только в определенном наборе длин волн, за счет чего они даже обретают свой собственный цвет, не говоря уже о многих других ключевых свойствах.

В любой точке Вселенной атомы и молекулы подчиняются одним и тем же правилам: законам классической и квантовой электродинамики, которые управляют каждой заряженной частицей. Они действуют даже внутри самого атомного ядра, которое состоит из (заряженных) кварков и (незаряженных) глюонов.

Электрическая сила имеет очень большой радиус действия  —  фактически тот же, что и гравитация, то есть бесконечность. При этом она фантастически велика: два протона будут отталкивать друг друга с силой, которая примерно в 1036 раз превышает их гравитационное притяжение. Отсюда — атомная энергия и атомная бомба. К счастью для нас, в обычном состоянии атомы электрически нейтральны, поскольку протоны уравновешиваются электронами, и вся эта разрушительная энергия не высвобождается.

Поскольку макроскопические объекты, к которым мы привыкли, состоят из очень большого количества атомов, а сами атомы в целом электрически нейтральны, мы можем заметить силу электромагнетизма только тогда, когда:

• что-то имеет заряд — например, заряженный электроскоп,

• когда заряды перетекают из одного места в другое — например, при ударе молнии,

• когда заряды разделяются, создавая электрический потенциал (или напряжение) — например, в аккумуляторе.

Один из самых простых и забавных примеров — трение надутого воздушного шарика о рубашку, а затем попытка «прилепить» его к волосам или к стене. Это работает только потому, что перераспределение совсем небольшого количества электронов дает легкий дисбаланс электрических зарядов на поверхности шарика, и уже это позволяет ему полностью преодолеть силу гравитации.

Эти силы Ван-дер-Ваальса являются межмолекулярными, и обеспечивают настолько разные физические явления, как сцепление частиц астероидов в кольцах Сатурна — и способность гекконов взбираться по стеклу. Даже объекты, которые в целом остаются нейтральными, могут создавать подобные электромагнитные силы, преодолевающие силу гравитации на коротких расстояниях. Всё начинается от одного атома — и доходит до масштабов планет.

Сильное и слабое ядерные взаимодействия в атоме

Если мы рискнем пойти еще дальше вглубь атома, внутрь протонов и нейтронов в ядре, то мы начнем открывать природу и свойства оставшихся фундаментальных сил: сильного и слабого ядерных взаимодействий. Чтобы их ощутить, нужно приблизиться к масштабам фемтометра (10-15 м). В целом там пока еще существует обычная электромагнитная сила, которая либо отталкивает нуклоны в ядре (если это два протона, которые имеют одинаковые электрические заряды), либо равна нулю (если это нейтрон+протон или два нейтрона).

Но постепенно мы начнем замечать другую силу, влияющую на электромагнитное взаимодействие нуклонов. Это будет так называемая «сильная» ядерная сила, возникающая между кварками в результате обмена глюонами. За нее отвечают связанные структуры пар кварк-антикварк, известные как мезоны. Протоны и нейтроны обмениваются ими, связывая вместе ядро, и легко преодолевая отталкивающую их обычную электромагнитную силу. Отсюда мы видим, что «сильная» сила на этих дистанциях — куда сильнее, чем даже электромагнетизм (самый мощный характер взаимодействия, который мы рассматривали до этого)

Каждый такой обмен глюонами — невероятно сложный процесс, подчиняющийся целому большому перечню квантовых правил. Начать хотя бы с того, что кроме гравитационных и электромагнитных зарядов, которыми обладает материя, существует также третий тип заряда, характерный только для кварков и глюонов: цветовой заряд. Это не один заряд (притягивающий, как в гравитации). И не два типа зарядов (положительный и отрицательный, как в электромагнетизме). Вместо этого типов зарядов тут сразу три, «красный», «зеленый» и «синий», и они действуют в комбинации.

Обмен глюонами, особенно когда кварки отдаляются друг от друга — это то, что довольно прочно удерживает вместе в ядре отдельные протоны и нейтроны. Но не каждый атом будет вечно существовать в этой стабильной конфигурации. Многие атомы неустойчивы к радиоактивному распаду, а это означает, что в конечном итоге они выплюнут частицу (или набор частиц), фундаментально изменив тип атома, которым они являются.

Наиболее распространенным типом радиоактивного распада является альфа-распад, при котором нестабильный атом выбрасывает ядро гелия (с двумя протонами и двумя нейтронами). Он зависит от «сильной» ядерной силы. Но вторым по распространенности является бета-распад, при котором атом выбрасывает электрон и нейтрино; при этом один из нейтронов ядра превращается в протон.

Для этого типа реакции требуется еще одна, последняя фундаментальная сила: слабое ядерное взаимодействие. Эта сила основана на совершенно новом типе заряда: «слабом» заряде, который сам по себе представляет собой комбинацию слабого гиперзаряда и слабого изоспина.

Слабый заряд оказалось чрезвычайно трудно измерить, потому что его воздействие на материю в миллионы раз меньше сильного или электромагнитного взаимодействия — по крайней мере, до тех пор, пока вы не доберетесь до чрезвычайно малых масштабов расстояний, например 0,1% диаметра протона. Он действует на еще более коротких расстояниях, чем сильный, «цветной» заряд, работающий между протонами и нейтронами. Но в 2019 году ученые выяснили, что с правильным атомом, неустойчивым к бета-распаду, можно всё-таки увидеть и измерить слабое взаимодействие — в гамма-лучах, образующихся при разделении ядра. А это значит, что все четыре фундаментальные силы можно исследовать, просто заглянув на атом. И каким бы атом ни был, он всегда будет поддаваться воздействию и быть продуктом всех четырех фундаментальных сил.

Кстати, если кому интересно: «слабая» сила в этом эксперименте оказалась примерно в 33 млн раз слабее, чем «сильная» сила. Хотя интенсивность её воздействия во многом зависит от расстояния, так что разница в миллион раз, встречающаяся в Интернете, тоже может быть справедливой.

Атом — целая Вселенная

Чем глубже мы заглядываем внутрь строительных блоков материи, тем лучше понимаем природу нашей Вселенной. От того, как эти различные базовые кванты связываются вместе, возникает всё многообразие мира. Основным правилам подчиняется всё, вплоть до каждой маленькой частицы и античастицы. Поскольку до этих частиц мы можем добраться, в отличие от черных дыр и межзвездных облаков, значит, свойства и законы Вселенной нужно находить в них. В этом и есть ключ к науке: вы задаете вопросы, и смотрите, куда вас приведут ответы.

Поэтому ученые так радуются открытию новых частиц: это позволяет открывать невиданные ранее разделы физики, и узнавать много нового о целых пластах окружающего нас мира. Любая частица действует, подчиняясь четырем фундаментальным силам, и открывает нам новые их аспекты. Мы смогли обнаружить очень много частиц, включая все разные типы нейтрино и антинейтрино, благодаря их разнообразным взаимодействиям с силами внутри скромного атома. В фундаментальном смысле атом, одна из самых мельчайших известных нам единиц материи, — это огромное окно в истинную природу мира. Которое открывает нам всё больше и больше, чем глубже мы смотрим.