Космический ландшафт - Страница 66

Что удерживает валентные электроны на своих орбитах? Почему они не улетают прочь, говоря «Адью!» протонам и нейтронам? Ответ: сила электрического притяжения между разноимённо заряженными электронами и атомными ядрами. Электрическое притяжение отличается от притяжения между мухой и липкой лентой. Муха может быть очень крепко приклеена к липкой ленте, но раз от неё оторвавшись, даже очень лёгкая муха немедленно освободится от ленты. Муха улетит прочь и, если только она не настолько глупа, чтобы вернуться обратно, она будет полностью свободна. На физическом жаргоне силы, удерживающие муху на липкой ленте, называются короткодействующими – они не простираются на большие расстояния.

Короткодействующие силы не играют роли в удерживании электронов около ядер. Атом похож на миниатюрную Солнечную систему, и все валентные электроны похожи на наиболее удалённые от Солнца планеты, это своеобразные атомные Нептуны и Плутоны. Только силы, способные действовать на больших расстояниях, могут удержать их от «отлёта» во «внешнее пространство».

Дальнодействующие силы, способные захватить частицу на большом расстоянии, являются редкостью. Из множества различных типов сил в природе только две являются дальнодействующими. С обеими этими силами мы хорошо знакомы, и лучше всего знакомы с гравитацией. Когда мы прыгаем вверх, земная гравитация тянет нас обратно. Она простирается на сотни миллионов километров, удерживая планеты на их орбитах вокруг Солнца, и на десятки тысяч световых лет, удерживая звёзды в галактиках. Именно сила такого типа необходима, чтобы удерживать в атоме внешние электроны. Разумеется, гравитация не годится на эту роль, потому что она слишком слаба, чтобы обеспечить устойчивость атома.

Вторым знакомым нам типом сил является сила притяжения между магнитом и железной скрепкой. Магниту не нужен непосредственный контакт со скрепкой, чтобы притянуть её. Сильный магнит притягивает скрепки даже на большом расстоянии, но на электроны в атоме действует кузина магнитной силы – дальнодействующая электрическая сила между заряженными частицами. Она похожа на силу гравитационного притяжения, но гораздо сильнее. Электрическое притяжение удерживает валентные электроны в атоме так же, как гравитация удерживает Плутон в Солнечной системе.

Как уже говорилось в главе 1, электрические силы между заряженными частицами переносятся фотонами, которыми частицы обмениваются между собой. Сверхлёгкие фотоны (вспомните, что у них нет массы) способны перепрыгивать на большие расстояния, создавая дальнодействующие силы, привязывающие далёкие валентные электроны к ядру. Удалите фотон из списка частиц, и у вас не останется ничего, что удержало бы атом от распада.

Фотон – частица исключительная. Это единственная элементарная частица, помимо гравитона, не имеющая массы. Что бы произошло, если бы фотон не обладал такой исключительностью и имел массу? Теория Фейнмана говорит нам, как вычислить силу взаимодействия в случае, когда прыжки между ядрами и электронами совершают гипотетические массивные фотоны. Одним из следствий будет невозможность для тяжёлого фотона совершать далёкие прыжки. Даже если масса фотона будет составлять ничтожную часть от массы электрона, электрическое взаимодействие станет короткодействующим и не удержит далёкие валентные электроны.

Дальнодействие электрических сил не единственный фактор, важный для стабильности атомов. Сила взаимодействия также критична. Сила, удерживающая электрон в атоме, не очень велика по нашим повседневным стандартам. Она исчисляется миллиардными долями килограмм-силы. Что же определяет силу электрического взаимодействия между заряженными частицами? И снова теория Фейнмана даёт нам ответ. Ещё один, помимо частиц, компонент фейнмановских диаграмм – вершинная диаграмма. Вспомним, что каждая вершинная диаграмма имеет числовое значение – константу связи, – и для процесса испускания и поглощения фотона такой константой связи является постоянная тонкой структуры α, равная приблизительно 1/137. Малость α является математическим обоснованием того, почему электрическое взаимодействие слабее своего ядерного коллеги.

Что бы произошло, если бы постоянная тонкой структуры превышала, скажем, единицу? Это привело бы сразу к нескольким катастрофам, одной из которых стала бы гибель атомных ядер. Ядерные силы, удерживающие нуклоны (протоны и нейтроны) вместе, похожи на силу, действующую на муху со стороны липкой ленты, – они сильные и короткодействующие. Само ядро похоже на липкий шар для мух. Каждый нуклон «приклеен» к своим ближайшим соседям, но если он сумеет «отклеиться», то свободно улетит прочь.

Ядерным силам противодействует электрическая сила отталкивания. Протоны имеют положительный электрический заряд и отталкиваются друг от друга, притягивая отрицательно заряженные электроны. Нейтроны электрически нейтральны и не играют роли в балансе электрических сил. Если ядро содержит около 100 протонов, то их суммарной силы электрического отталкивания достаточно, чтобы разорвать ядро на части.

Что произойдёт, если электрические силы станут такими же сильными, как и ядерные? Очевидно, что все составные ядра станут нестабильными, поэтому электрические силы должны быть слабее ядерных, чтобы по крайней мере ядра углерода и кислорода были стабильными. Почему же постоянная тонкой структуры мала?

Этого не знает никто, но если бы она была больше, то некому было бы задавать этот вопрос.

Протоны и нейтроны больше не считаются элементарными частицами. Каждый из них состоит из трёх кварков. Существуют несколько различных типов кварков: u-кварк, d-кварк, s-кварк, c-кварк, b-кварк и t-кварк. Имена у них малозначащие, но различия между типами кварков очень важны. Если пробежаться по списку масс элементарных частиц, приведённому в главе 3, то можно обнаружить, что массы кварков варьируются в очень широких пределах: от порядка 10 масс электрона для u-кварка до 344 000 масс электрона для t-кварка. Долгое время физики ломали голову, почему t-кварк такой тяжёлый, но недавно пришли к пониманию, что это не t-кварк аномально тяжёлый, а u-кварк и d-кварк абсурдно лёгкие, и тот факт, что они в 20 000 раз легче, чем такие частицы, как Z-бозон и W-бозон, нуждается в объяснении. Стандартная модель такого объяснения предоставить не может.