Пол Хэлперн - Коллайдер

• Название: Коллайдер
• Автор: Пол Хэлперн
• Издательство: Эксмо
• Жанр: Физика
• Год: 2010

Осенью 2008 года газеты запестрели заголовками, сообщавшими» будто в недрах Большого адронного коллайдера (БАК), на котором физики собирались расщепить вещество на элементарные частицы, родятся микроскопические черные дыры, способные поглотить Землю.

Какое значение имеет БАК для науки? Что ученые ищут? Почему физика, возможно, вскоре совершит один из величайших рывков в своей истории? Все эти вопросы обсуждаются в книге «Коллайдер». Автор, кроме всего прочего, доказывает, почему невозможно ни практически, ни теоретически, что на БАК появятся черные мини-дыры, которых все так боятся.

---

Бойль был ярым сторонником атомизма и дотошным экспериментатором. Не желая мириться с гипотезой, основанной на чистом умосозерцании, он разработал оригинальный эксперимент, целью которого было проверить, состоит ли вещество из маленьких частичек - он их называл корпускулами - с пустым пространством между ними. Бойль взял изогнутую стеклянную трубку, запаянную с одного конца, а на другом сообщающуюся с атмосферой. Затем начал заливать через открытый конец ртуть, которая запирала оставшийся в трубке воздух во все меньшем объеме. Когда Бойль стал медленно убирать ртуть, он заметил, что объем запертого воздуха увеличивается обратно пропорционально давлению (сегодня этот факт известен как закон Бойля-Мариотта). Это, по мнению Бойля, доказывало, что воздух состоит из мелких частиц, разделенных пустыми промежутками.

А манчестерский химик Джон Дальтон (1793-1844), подающий надежды молодой квакер, интересовался тем, в какие реакции вступают различные вещества и что из этого выходит. Так он пришел к потрясающему выводу: каждому химическому элементу отвечает свой сорт атомов. По сути, Дальтон первым употребил слово «атом» в современном смысле - мельчайшая часть химического элемента, обладающая всеми его свойствами.

Английский ученый к тому же придумал экономную систему обозначений, помогающую записывать различные комбинации атомов. Он изображал элементы с помощью кружочка с каким-нибудь знаком в центре. Для водорода это была точка, для натрия (его Дальтон называл «содой») - две вертикальные линии, а для серебра - буква «s». Дальтон насчитал 20 элементов. Сегодня известно 92 элемента, встречающихся в природе, и еще по крайней мере 25 мы умеем получать в лаборатории. Составляя из своих круглых значков разные схемы, Дальтон продемонстрировал, как из отдельных «кубиков “Лего” - водорода, кислорода и углерода - можно собрать воду и углекислый газ. Кроме того, он обосновал гипотезу, названную им законом кратных соотношений: элементы, образующие какое-либо вещество, всегда вступают в реакцию в определенных пропорциях.

Дальтон также попробовал приписать атомам относительные веса. Хотя многие его оценки оказались неточными, благодаря этой попытке химия обзавелась простыми арифметическими методами. В 1808 г. шотландский химик Томас Томсон, смешивая щавелевую кислоту* с некоторыми химическими элементами, включая стронций и калий, получил много разных солей. Взвесив их, он определил коэффициенты пропорциональности между весами тех элементов, которые он брал. Результаты Томсона, опубликованные им в книге «Система химии», помогли теории Дальтона завоевать доверие научного сообщества.

Теория Дальтона, однако, оказалась не всесильна: она не способна была предсказать новые элементы. Глядя на ряд атомов, расположенных в порядке возрастания или убывания их относительных весов, ученые не могли сказать, есть ли у этого ряда продолжение. Это как если бы мать привела троих своих сыновей в новую школу и сообщила бы только их имена и возраст. Так как учителя ничего больше про них не знают, они не могут сказать, есть ли у этих ребят старшие или младшие братья и сестры.

А на самом деле в семье химических элементов было гораздо больше членов, чем изначально думал Дальтон. К середине XIX в. количество известных элементов утроилось и достигло почти 60. Примечательно, что некоторые из них имели похожие свойства, хотя атомные веса у них иногда сильно разнились. Взять хотя бы натрий и калий - отличаясь своими относительными весами, они почти одинаково реагировали с другими веществами.

В конце 60-х гг. XIX в. русский химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) взялся написать учебник по химии, отражающий последние ее достижения. Чтобы проиллюстрировать успехи атомной теории, он включил в него карту всех известных тогда химических элементов, расположенных в порядке возрастания веса. Причем - и это была гениальная догадка Менделеева - элементы с похожими свойствами ученый поставил в таблице в один столбец. Таким образом он показал, что все химические элементы укладываются в единую схему, которая состоит из повторяющихся блоков. Некоторые ячейки в схеме, известной сегодня как периодическая таблица Менделеева, химик оставил пустыми, утверждая, что в них должны стоять еще не открытые элементы. И его предсказание полностью сбылось: как в судоку, все пустые клетки в таблице Менделеева в конце концов заполнились.

Открытие Менделеева долгое время оставалось для ученых непонятным, пока десятилетия спустя на арену не вышла квантовая механика. Повторяющиеся блоки в периодической таблице свидетельствуют о том, что «атом» Демокрита не такой уж «неделимый».

Каждый атом - это целый мир, в котором механика Ньютона уже не действует. Действуют особые законы, которые устанавливают иерархию атомных состояний, подобную иерархии прав наследования королевского престола. Как при монархии первенцы имеют больше прав на престол, чем их братья, так и в периодической системе - одним элементам квантовая механика позволяет занять место в таблице Менделеева прежде других.

Атом иногда сравнивают с Солнечной системой. Хотя это довольно грубое сравнение (планеты не квантовые объекты), у этих двух систем есть две общие черты. Во-первых, и там и там есть центральное тело (так называемое атомное ядро и Солнце соответственно), а во-вторых, в обеих системах действуют силы, обратно пропорциональные квадрату расстояния. Из «закона обратных квадратов» следует, что если увеличить расстояние между парой тел в два раза, сила взаимодействия упадет в четыре раза, если расстояние утроить, сила ослабнет девятикратно и т. д. Физики поняли, что систему, где действует закон обратных квадратов, легко сделать стабильной. Напоминает добротный электронный собачий поводок: тот дает свободно ходить вокруг дома, но сбежать с ним не получится.

Одни ученые, такие как Бойль, Дальтон и Менделеев, посвятили свою жизнь поиску частей, из которых состоит наш мир, а другие в это время пытались открыть и понять те невидимые силы, что заставляют тела взаимодействовать и переходить друг в друга. Сэр Исаак Ньютон, чей день рождения в 1642 г. пришелся на Рождество, обладал редким талантом улавливать связи в природе и угадывать законы, управляющие ее поведением. Сформулированные Ньютоном законы механики превратили физическую науку из пестрого набора отрывочных фактов в стройную систему, обладающую невиданной доселе предсказательной силой. Они дают описание того, как силы - сближающие и удаляющие - направляют все тела в мире по присущему им пути.

Если задать положения и скорости системы тел и учесть все до единой силы, действующие на них, законы Ньютона однозначно предскажут, что с этой системой случится потом. В отсутствие внешних сил или же если все силы уравновешивают друг друга, покоящееся тело будет и дальше оставаться в покое, а движущиеся тела будут продолжать двигаться с постоянной скоростью, по инерции. С другой стороны, если сумма сил не равна нулю, тело начнет разгоняться с ускорением, пропорциональным равнодействующей всех сил. Величина этого ускорения определяется физическим свойством тела под названием масса. Чем тяжелее тело, тем труднее его ускорить заданной силой. Например, при прочих равных эвакуатор будет тащить громадную фуру гораздо дольше, чем крошку «Дэу Матиз».

Как известно, Ньютон показал, что гравитация - универсальная сила, действующая между любыми массивными телами. Луна, Международная космическая станция или крошка хлеба, сброшенная с закусочного столика своенравным муравьем, - все они притягиваются к Земле. Чем больше у тел массы, тем сильнее между ними сила притяжения. Таким образом, в физике масса играет двоякую роль: характеризует силу тяготения и определяет величину ускорения. Из-за этого она полностью исчезает из уравнения, определяющего ускорение под действием силы тяжести. Другими словами, когда тела притягиваются, например, к Земле, они ускоряются одинаково независимо от массы. Если бы не свистящий в ушах воздух, (вымерший) водный слон и мышь, соревнующиеся в прыжках с 10-метровой вышки, вошли бы в воду одновременно. Тот факт, что гравитационное ускорение тела не зависит от его массы, ставит гравитацию на особое место среди сил природы.

Силы притяжения - хорошее средство, с помощью которого можно собирать большие системы из маленьких, во всяком случае, в астрономических масштабах. Возьмите медленно блуждающие тут и там комочки, подождите, пока сила притяжения возьмет свое, и вы увидите, как они начинают скучиваться (если, конечно, нет более мощных сил отталкивания). Притяжение естественным образом объясняет, как материя может собираться из более мелких частей. Неудивительно, что Ньютон выбрал атомизм. Он считал, что из крошечных корпускул состоит не только материя, но и свет.

В своем трактате об оптике Ньютон писал: «При размышлении о всех этих вещах мне кажется вероятным, что Бог вначале дал материи форму твердых, массивных, непроницаемых, подвижных частиц таких размеров и фигур и с такими свойствами и пропорциями в отношении к пространству, которые более всего подходили бы к той цели, для которой он создал их. Эти первоначальные частицы, являясь твердыми, несравнимо тверже, чем всякое пористое тело, составленное из них, настолько тверже, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются в куски. Никакая обычная сила не способна разделить то, что создал сам Бог при первом творении»9.