Удивительный мир внутри атомного ядра

ничего — почти ничего — не знают про сверхпроводимость.

Если взять один атом, то в нем не будет сверхпроводимости, просто будет атом, и всё. Если два, три атома — то же самое. Ну, получится какая-нибудь там молекула маленькая. Если взять много атомов, то вдруг оно возникает. Ну, конечно, не вдруг, не скачком — оно плавно проступает, оно как будто цветок из бутона поднимается, когда вы много-много атомов берете. Но такие явления возникают сами по себе, просто из-за того, что частицы взаимодействуют. Их не надо было закладывать изначально.

Я вам историю расскажу. Я в детстве — компьютерных игр у меня тогда не было — любил фантазировать. Я себе придумывал всякие виртуальные миры, и поскольку компьютеров не было, я их рисовал. Придумал планету и решил: пусть будут на ней животные, нарисовал зоологию этой планеты. Потом дальше придумал: пусть на ней будет своя химия. Это, конечно, глупость, потому что мы понимаем, что химия во всей Вселенной одинакова, а химические элементы — они везде одинаковы. Но захотелось пофантазировать, и я нарисовал периодическую систему элементов имени Иванова и просто населял ее новыми элементами. Я смотрел на окружающий мир и думал: что бы такого придумать? Решил, что, например, элементы такого-то ряда будут магнитные. То есть я решил, что внутри атома будет такой маленький магнитик, специальный, который приводит к магнетизму, если создать вещество из этого элемента.

Это тоже очень наивный взгляд на вещи, потому что он ориентируется на то, что если есть магнетизм (точнее, в физике это называется «ферромагнетизм» — то, что магнит притягивает металлические штуки), то он должен оставаться, даже если мы распилим его на отдельные атомы. То есть если, буквально, взять отдельные атомы, то железо, которое, как мы знаем, ферромагнитное, должно чем-то таким отличаться от всех, раз оно обладает таким сильным магнетизмом.

На самом-то деле магнетизм — ферромагнетизм — уже давно исследован, и получается, что ферромагнетизм в железе возникает именно из-за взаимодействия. Ничего такого особого, специфического в атомах железа — именно в атомах — нету. Всё это возникает после того, как вы много этих атомов поставите и учтете, как они взаимодействуют друг с другом, — вот там-то самая хитрость получается — и возьмете большой объемчик, и вот тогда-то проступит постепенно отличие между железом и остальными элементами. Конечно, есть и другие вещества, которые магнитят, но железо — самое известное.

Я еще хочу сказать, что эта вещь возникает не только в физике, разных ее областях. В математике есть самовозникающие явления, в экономике есть самовозникающие явления, даже в биологии они есть. При желании многое можно интерпретировать как самовозникающее явление — явление, которое возникает из-за взаимодействия.

На самом деле, это жутко интересно, потому что вот как физик-теоретик реально работает с этим? Когда он хочет исследовать какой-нибудь объект, он что-то знает про него — например, когда он исследует вещество, то знает, что вещество состоит из атомов. Он пишет уравнения: есть атомы и силы взаимодействия между ними — это как бы начальные данные. Это очень просто и в них ничего не видно. А вот потом он пытается эти уравнения решать. Как в школе, только эти уравнения решать очень сложно, поскольку они друг с другом сильно перепутаны. Но тем не менее пытаемся решать. И когда мы начинаем их решать, какие-то формулы появляются, и вот там это всё вдруг проступает. И вот это — очень завораживающее зрелище, потому что вы ничего изначально не закладывали, но какое-то явление, которое вы видите в нашем мире, вдруг само по себе рождается из формул. Это очень впечатляет, когда это всё видишь реально.

Хиггсовское поле

«Еще один источник массы: Всю Вселенную заполняет невидимое хиггсовское поле. Частицы «цепляются» за него и становятся массивными. На коллайдере LHC изучат, как именно возникает это поле».

Тот источник массы, про который я говорил, — масса протона — на самом деле только один из возможных. Реально в природе действуют по крайней мере два — может быть, больше, мы не знаем. Второй источник массы дает массу легким частичкам типа электронов, кварков и т. д. И это совсем другой механизм, и теория, которая его описывает, тоже совсем другая. Эту теорию до конца еще не проверили, но многие ее предсказания уже сбылись, и ее будут очень активно исследовать на этом большом, огромном коллайдере, этом большом эксперименте.

Вкратце теория такая. На самом деле, там много деталей, теорем строго математических, но основное утверждение такие. Изначально все частицы — кварки, электроны и так далее — были абсолютно безмассовые. Это значит, что вот, например, летит рой электронов, на него подействовала небольшая сила, и он улетел куда-то вбок. То есть это частицы, у которых нет практически никакой инертности, они легко под действием маленьких сил улетают куда-то вбок. Потом, в силу какого-то механизма, каких-то особенностей — это всё тоже изучается — всю Вселенную заполняет некое невидимое хиггсовское поле. «Хиггсовское» — от фамилии английского ученого Питера Хиггса, который придумал эту вещь, английский ученый, в честь него это всё и называется.

Это поле равномерно заполняет всю Вселенную, его не видно, потому что все частицы движутся сквозь него. Но, когда они движутся сквозь него, они за него немножко цепляются. Это сложно представить себе, но вот поверьте, в некотором смысле они за него цепляются. Это значит, что поле не дает частицам слишком быстро разгоняться. Пролетели частицы, на них подействовали какой- нибудь силой, они попытались отлететь, но поле им мешает. В результате они, конечно, отлетают, но как-то неохотно, как будто у них появилась дополнительная инертность, как будто им просто не хочется двигаться. В результате в формулах это выглядит так, будто у них появилась масса. Это совсем другой тип появления массы. Здесь нет никакой исходной энергии, которая как бы конденсировалась. Есть просто движение сквозь некоторую среду, которую мы не видим, но эта среда сказывается, а именно, она придает массу этим частицам.

В этом механизме есть много деталей, я их не буду рассказывать, но хочу, чтобы вы прочувствовали этот механизм. Для этого я расскажу аналогию, которую вы можете даже дома провести, просто реальный эксперимент. Возьмите кусок пенопласта и покрошите его. Когда он крошится на мелкие кусочки, получаются маленькие пенопластовые шарики. Он очень легкие. Вы можете их накрошить на стол и подуть на них — они разлетятся. Это аналогия безмассовых частиц — то есть частиц, у которых очень маленькая инертность.