Сборник Международной академии наук и искусств. Том 6

Я закрыла глаза и выдохнула. Сосчитала до пяти.

– А почему бы и нет? Чуть позднее расскажу.

– Какая картинка так тебя привлекла?

– Вот эта.

– Это не картинка – это квантовые флуктуации вакуума. Но об этом позднее. В первую очередь хочу тебе сказать, что этот увлекательный, удивительный мир совершенно не похож на наш. Изначально может показаться, что ты попала в другое измерение. Настолько это занимательно. Вспомни мультфильмы про фиксиков. Давай попробуем начать вот с чего: по-твоему, из чего всё состоит в этом мире?

– Лес, горы, континенты.

– Правильно. Но если посмотреть глубже? Смотри, это твоя любимая матрёшка. Мир устроен по принципу этой самой матрёшки: снимаешь одну – под ней следующая, и так далее, пока у нас в руках не окажется самая маленькая, неделимая. Вот это и будут те самые маленькие частицы. Подожди, всё по порядку, иначе запутаешься. Давай так, вот эта матрёшка – твои лес, горы, поля и так далее.

Сняв первую матрёшку и поставив её отдельно, продолжила:

– Однако они ведь тоже из чего-то состоят. Верно? В лесу не только деревья, кусты, ягоды, грибы, звери, птицы – всё, что там находится и живёт. Так же и остальное: горы, они тоже не пустые, начиная от того же леса, пещер у подножия, ледников на вершине, если глубже немного – полезные ископаемые. Согласна? Это будет вторая матрёшка.

Дочка сама сняла и поставила рядом.

– Если будем дальше раскладывать, то рано или поздно дойдём до химических элементов, из которых состоит всё вокруг. Значит, дальнейшее представление о том, из чего состоит весь мир и мы с тобой, – это таблица Менделеева. Одна из важнейших идей науки. На момент её создания считалось, что химические элементы составляют в природе абсолютно всё. Безусловно, всё, что есть в природе, можно разложить на составляющие, или кирпичики. Тем не менее это слишком большие кирпичи. Скажем так – словно большой конструктор лего, который в свою очередь точно так же может раскладываться. Сейчас мы дошли до того, что всё состоит из молекул, а молекулы состоят из атомов. Атом состоит из ядра и облаков электронов вокруг него, которые совершают куда более сложные движения, чем просто вращение. Долгое время считалось, что атомы – мельчайшие и неделимые частицы в мире. И первым, кто это предположил, был Демокрит. Он доказал существование атомов – неделимых частиц, движущихся в пустоте. Атомы притягиваются друг к другу, образуя тела и фигуры. Вот так считал учёный, который жил почти две с половиной тысячи лет назад. Начиная с этого места, мы с тобой сейчас шагнём в кроличью нору, как Алиса в Страну чудес. Поскольку в самом малом масштабе, на микроскопическом уровне, мир намного загадочнее и парадоксальнее, чем мы себе это представляли.

Томсон одним из первых открыл, что даже атомы являются не последней матрёшкой. А его последователь Эрнест Резерфорд спустя пятнадцать лет определил, из чего точно состоят эти атомы. Конечно же, у каждого атома есть ядро. Сам Резерфорд, говоря о размерах ядра, сравнивал его с мухой посреди огромного собора. Вокруг этого ядра вращаются электроны по весьма нечётким орбитам и довольно скудно заполняют собой пространство. Получается, что вновь ядро не фундаментально и оно содержит более мелкие частицы (следующих матрёшек). Это протоны и нейтроны. Только в 1970-х годах все узнали, что и они также раскладываются на следующие матрёшки, а точнее, на кварки, по три мелких частицы на каждый протон либо нейтрон.

Смотри, чтобы было понятнее, опять возьмём лего из разных наборов. Видишь, что у нас получается? Это можно изобразить на доске вот таким образом. Существует два вида кварков: верхний кварк и нижний кварк. Это никак не связано с их положением либо указанием на низ – верх. Просто их так назвали. То есть протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка, а нейтрон, наоборот, из одного верхнего и двух нижних. Вот они и являются основными структурными элементами природы. Ничего меньше кварка пока ещё не открывали. Это и есть последняя маленькая матрёшка. То есть три частицы составляют всё существующее вокруг.

Однако основные структурные элементы в природе – это нечто более размытое и абстрактное: текучие вещества, которые распространяются по всей Вселенной и колеблются странными и завораживающими способами. Это и называется фундаментальной реальностью, в которой мы живём. Их называют полями – это нечто, что распространено повсюду во Вселенной, и это нечто имеет определённое значение в каждой точке пространства, которое меняется во времени. Чтобы было проще это представить – жидкость, которая колеблется и колышется по всей Вселенной. Помнишь, ездили на море? На само море можно смотреть часами – оно все время в движении. Одним из первых высказал эту идею Фарадей. Он считал, что всё в мире пронизано невидимыми объектами – электрическим и магнитным полями. Как пример, магниты. Возьми в руки два магнита и попробуй их поднести друг к другу разными сторонами. В одном случае – они притягиваются, в другом – отталкиваются. Смотри, здесь нет ничего. Их никто не притягивает и не отталкивает, но тем не менее – чувствуешь? Оба состояния очень хорошо ощущаются. Видишь? Можно сказать – волшебство, в этом есть нечто завораживающее. «Даже если пространство кажется пустым – там что-то есть» – так сказал Фарадей. Он назвал это силовыми линиями. Сейчас это просто магнитное поле. Одним из его экспериментов было заставить колебаться иглу – притом, что к ней никто не подходил и не трогал. Он открыл индукцию. Сейчас тот же эксперимент, только более современный – обычный разговор по сотовому телефону. И это тоже наследие Майкла Фарадея. Он предположил, что эти невидимые поля в буквальном смысле единственное, что мы видим. Иными словами, именно колебания электрического и магнитного полей и есть свет.

Прошло ещё пятьдесят лет, прежде чем его догадку подтвердил Максвелл. Лишь совсем недавно пришло осознание, что идея полей гораздо важнее, чем думал Фарадей. Речь идёт о теории квантовой механики. Ключевой момент квантовой механики – энергия не непрерывна. В мире энергия всегда упакована в небольшие неделимые порции (именно это и обозначает слово «квант» – «неделимый», или «порция»). Вот если взять данную идею и объединить её с идеями полей Фарадея – это и есть теория квантового поля. Из этой теории следует, что именно волны электромагнитного поля мы называем светом, а если к ним применить квантовую механику, то получится, что эти волны не такие уж гладкие и неделимые. Если пристально к ним присмотреться, то можно увидеть, что они состоят из маленьких частиц – фотонов. Наглядно это можно увидеть, допустим, в туман или тёмное время суток.

Теперь вспомни – осенью ездили к бабушке. Стоял очень густой туман. Практически ничего не было видно.

Не забыла, что тогда произошло? К нам навстречу вышел лесник с фонариком. Припоминаешь? А сейчас вспомни, как ты видела свет фонарика, когда он начал от нас удаляться. Очень скоро его не стало видно. Я тебе открою одну тайну лягушек. Хочешь? У них зрение другое. И если б рядом была лягушка, то она видела бы всё иначе: для неё свет так же изначально отдаляется, но когда ты уже перестала его видеть – лягушка по-прежнему видит, правда, не постоянный луч – прерывистый. Как будто фонариком играют: включают – выключают. По сути, она видит прерывистые частички света – фотоны.

Волшебство этой идеи заключается в том, что этот же принцип применим к каждой частице во Вселенной. Говоря иными словами, по всей этой комнате распространено нечто, называемое электрическим полем. Оно, как жидкость, наполняет эту комнату, да и, по сути, всю Вселенную, а колебания этой жидкости объединяются в маленькие комочки энергии, которые принято называть электронами. Все электроны в нашем теле не фундаментальны: они волны одного лежащего в основе поля, и все мы связаны друг с другом. Так же, как волны являются частью одного океана, электроны внутри твоего тела или тела твоей подружки, одноклассников являются электронами того же поля, что и внутри моего тела. Но это ещё не всё. В данной комнате присутствуют ещё и волны двух кварков. Все колебания этих полей дают начало тому, что мы называем верхним кварком и нижним кварком.

То же самое относится и к другим видам частиц во Вселенной. В основе всего лежат поля. И то, что нам видится частицами, совсем не частицы, а волны этих полей, собранные в небольшие комочки энергии. В мире не существует частиц, основные структурные элементы – это поля. Квантовые поля. И частицы – электрон, верхний кварк, нижний кварк и нейтрино. Последние частицы не играют роли в том, из чего мы состоим, но они очень важны во всём остальном, и они чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом (нейтрино). Эти четыре частицы составляют краеугольный камень нашей Вселенной. Однако это не всё. По непонятным пока причинам природа решила дважды продублировать данные частицы, только с отличной массой. Так, у электрона имеются близнецы: мюон и тау-лептон. Различия у них лишь в массе, они гораздо тяжелее (мюон в 207 раз тяжелее электрона, а тау-лептон в 17 раз тяжелее мюона).