Чердак. Только физика, только хардкор! - Дмитрий Побединский

Некоторые частицы, например фотоны, не замечают этого поля, они вообще пофигисты, лихачи. И гоняют всегда со скоростью света в свое удовольствие. Но вот, к примеру, электроны, протоны чувствуют это поле, взаимодействуют с ним. И из-за этого как бы тормозятся, становятся тяжелыми. Тут можно провести аналогию с пенопластовыми шариками. Если их высыпать на стол, то от малейшего дуновения они разлетаются в разные стороны как пушинки. Но на поверхности воды они будут двигаться медленно, словно вода сообщает им какую-то дополнительную массу. Так же и поле Хиггса действует на частицы – как бы утяжеляет их, не дает двигаться слишком быстро.

Ну а что такое масса? Это величина, показывающая, как легко или трудно разогнать тело. Вот и получается, что, если из-за поля Хиггса разгон частиц затруднен, значит, именно из-за него у них и появляется масса.

Пока мы не сказали ни одного слова про сам бозон. Но дело в том, что поле это неощутимо, и единственное доказательство его существования – обнаружение бозона. Если представить себе поле как натянутую атласную ткань в пространстве-времени, то, если пустить по ней волну, ее можно рассматривать как движущуюся частицу (это и есть корпускулярно-волновой дуализм). Иными словами, минимальное возмущение поля – это квант этого поля. У каждого поля он свой. У электромагнитного поля это фотон, у кварк-глюонного (есть и такое!) – глюон. Бозон Хиггса – это квант поля Хиггса, и его открытие на 100 % должно доказывать существование поля Хиггса.

Как видите, бозон Хиггса проливает свет на возникновение масс у частиц и в какой-то степени завершает картину мира. Но эта картина не учитывает темной материи, темной энергии, так что в физике вопросов еще очень много.

6.7. Есть ли ограничение на количество протонов и нейтронов в ядре?

Пока из всех открытых элементов самым большим ядром обладает унуноктий. В нем 118 протонов и 176 нейтронов. Теоретически может быть и больше, но ни в природе, ни в опытах обнаружены не были. Да и унуноктия было получено всего три ядра. Что же ограничивает рост ядер?

Обратите внимание, все протоны заряжены положительно, нейтроны нейтральны. Тогда как ядро не разлетается в разные стороны? Ведь плюс от плюса всегда отталкивается. Гравитационного притяжения недостаточно, чтобы протоны не разлетались. Оно в 1036 раз слабее. Оказывается, в ядре действуют особые силы притяжения совсем другой природы – так называемые сильные взаимодействия. Они действуют и на протоны, и на нейтроны примерно в 100 раз сильней отталкивания, но имеют ограниченный радиус действия и с какого-то расстояния обнуляются. А силы отталкивания действуют на любой дистанции. Получается, что протоны сильно притягиваются к своим ближайшим соседям в ядре, но слабо отталкиваются от всех сразу. Но когда количество протонов приближается к сотне, то силы отталкивания становятся уже сравнимы с силами притяжения, ядро становится нестабильным и разваливается. Именно по этой причине ядра не могут расти бесконечно.

Конечно, в теории можно создать ядро, в котором 130 протонов, где они располагаются хитрым образом, как-то по слоям. Но вот больше 130 протонов в ядре добиться невозможно даже в теории.

Что еще интересно: протоны и нейтроны в ядре движутся! И знаете, какая средняя скорость? 25 % от скорости света! Так что без знания СТО туда лучше вообще не соваться.

Правда, бывает такая ситуация, когда гравитация достаточно сильна для того, чтобы держать все протоны и нейтроны вместе. Это происходит в нейтронных звездах. Звезды огромные, масса у них колоссальная, поэтому и гравитация в них действует сильная. Когда крупная звезда угасает, то гравитация может сжать ее так, что электроны вдавливаются в протоны и получаются нейтроны. В результате сильного сжатия и образуется нейтронная звезда радиусом всего 10–20 км, которая, по сути, является одним огромным ядром из нейтронов.

6.8. Что такое гравитационные волны

11 февраля 2016 года произошло знаковое событие в научном мире: официально было объявлено об обнаружении гравитационных волн. Но если одних людей это привело в восторг, то другие остались в недоумении – а что же такое эти волны и почему так важно это открытие? На самом деле все не так уж сложно.

Итак, согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитация – это следствие искривления пространства-времени телами, имеющими массу. Условно можно представить себе Вселенную как резиновую упругую поверхность, которую массивные тела деформируют своей тяжестью. Если на плоском пространстве-времени начать двигать предметы, то по поверхности побежит рябь, это и есть гравитационные волны – словно волны на воде. Правда, ощущаются они совсем иначе. Если волны на воде – это колебания молекул, то гравитационные волны – это сжатие и растяжение самого пространства-времени. Если по вам проходит плоская гравитационная волна, то, когда вы оказываетесь на ее гребне, вас растягивает по вертикали и сжимает по горизонтали, а когда оказываетесь на впадине – наоборот.

Стоит отметить, что мы не вклеены в пространство-время намертво: мы будем сопротивляться деформации за счет сил упругости, и нас будет корежить, плющить и растягивать. Но гравитация – очень слабая сила, она слабее электромагнитных сил в 1040 раз, так что вряд ли мы когда-либо почувствуем все эти эффекты.

Образуются гравитационные волны при движении любых массивных тел с переменным ускорением. И даже если вы махнете рукой, от нее побежит такая волна. Но она будет ничтожна, все равно что апперкот от муравья. Поэтому и засечь такие волны очень сложно. Единственное, что может обнаружить современная техника, это волны от сливающихся нейтронных звезд или черных дыр (ведь у них огромная масса). А раз они сливаются, вращаются, то и с ускорением все в порядке. Конечно, такие объекты находятся далеко в космосе, и волна, дойдя до нас, сильно ослабевает (в 1020 раз).

Но пока это самые сильные возмущения, доступные для наблюдений.

Теория гравитации предсказала очень много явлений. Например, искривление световых лучей возле массивных объектов, замедление времени в относительно сильном гравитационном поле. В общем, все важнейшие предсказания, вытекающие прямо из формул, были подтверждены точнейшими экспериментами, кроме одного – существования гравитационных волн. Но наконец и их удалось обнаружить!

Впервые ученым удалось пронаблюдать за этими возмущениями 14 сентября 2015 года. Это были гравитационные волны от слияния двух черных дыр на расстоянии 1,3 млрд световых лет в области в южном полушарии. Две черных дыры массами в 29 и 36 солнечных масс слились в одну. Ее масса равна 62 солнечным. Но если к 29 прибавить 36, то получится 65. Куда делись три солнечных массы? Они превратились в энергию, но не световую или какую-то другую, а в энергию гравитационных волн.

Пойманное излучение оказалось в области звуковых частот. Его, конечно же, перевели в звук, так что мы можем услышать, как сливаются черные дыры, или даже использовать этот звук как сигнал для входящих сообщений на телефоне.

Зафиксировали это явление с помощью интерферометра Майкельсона. Это вполне обыденный инструмент, студенты используют его в своих лабораторных работах. Но этот интерферометр невероятно огромен и точен. На его создание потребовалось 25 лет работы и 650 млн долларов.

Интерферометр Майкельсона представляет собой две перпендикулярных трубы с вакуумом длиной 4 километра. На концах этих труб подвешиваются зеркала. Луч лазера расщепляется на два пучка, которые направляются на зеркала по трубам, отражаются и, вновь соединяясь друг с другом, попадают на детектор. Длины подобраны так, что в «спокойном» состоянии лучи лазеров при воссоединении гасят друг друга. Но когда проходит гравитационная волна, одна труба сжимается, другая растягивается, лучи проходят другое расстояние, компенсация становится неполной, и это улавливает детектор. Причем речь идет о совсем ничтожных изменениях длины – в тысячи раз меньше атомного ядра! Это то же самое, как заметить, что Солнце сжалось на несколько сотых долей нанометра.

Гравитационные волны приходят со всех направлений, ведь гравитация ничем не экранируется, она спокойно проходит сквозь Землю. Сигнал поймали две лаборатории на расстоянии 3000 км друг от друга, и вероятность того, что это случайное событие, практически нулевая. Для того чтобы детекторы чисто случайно выдали подобный результат, пришлось бы ждать 200 тысяч лет. Так что дополнительных проверок не нужно.