Вторжение из космоса: как физика элементарных частиц открыла устройство материи
Мир, который мы видим вокруг себя, кажется незыблемым, однако сквозь каждого человека ежесекундно проходят миллионы невидимых частиц — космических лучей. Эти частицы, рожденные в результате катастрофических процессов в глубинах космоса, являются «посланниками» из эпохи Большого взрыва. Фрэнк Клоуз, физик-теоретик и лектор Королевского института (The Royal Institution), в своей лекции 1993 года подробно рассказывает, как человечество научилось «видеть» эти невидимые следы, расшифровывать их и в конечном итоге добраться до фундаментальных кирпичиков мироздания — кварков.
🌌 Охота за космическими пришельцами 0:53
Космические лучи — это частицы, летящие из далекого космоса, где взрывы звезд разгоняют их до огромных энергий в магнитных полях галактики. При столкновении с атмосферой Земли они разбиваются, создавая ливни вторичных частиц, которые достигают поверхности планеты. По мнению Фрэнка Клоуза, именно эти процессы могут быть связаны с эволюцией живой материи и представляют технологический вызов для миниатюризации компьютерных чипов.
Чтобы «увидеть» эти частицы, ученые используют камеру Вильсона или, как в демонстрации Клоуза, искровую камеру. Внутри нее газ и металлические пластины под высоким напряжением позволяют зафиксировать прохождение заряженной частицы — она оставляет след в виде яркой искры.
🎈 От Эйфелевой башни до стратосферы 9:03
История открытия космических лучей парадоксальна: к началу XX века ученые не могли объяснить, почему заряженные приборы (электроскопы) разряжаются даже при тщательном экранировании.
- Теодор Вульф: Jesuit priest, попытался выяснить источник излучения, поднявшись на Эйфелеву башню с электроскопом. Он заметил, что излучение на вершине не слабеет, а скорее усиливается, но не решился продолжить исследования.
- Виктор Гесс: В 1911 году австрийский физик поднялся на воздушном шаре на высоту 5000 метров и доказал: радиация усиливается с высотой, а значит, она приходит из космоса. За это открытие он впоследствии получил Нобелевскую премию.
После Второй мировой войны ученые из Бристольского университета начали отправлять автоматические аэростаты в верхние слои атмосферы, где космические лучи еще не успели разбиться. На фотоэмульсиях, вернувшихся на Землю, ученые обнаружили следы разрушения атомных ядер — это были «космические футбольные мячи», обладающие энергией, способной совершить колоссальную работу.
🧬 Хаос частиц и появление кварков 38:47
К 1950–1960-м годам, благодаря ускорителям частиц и пузырьковым камерам (изобретение Дональда Глейзера, вдохновленное пузырьками в стакане пива), физики обнаружили огромное количество новых частиц, что привело к состоянию, которое Клоуз называет «хаосом».
Систематизировать этот «зоопарк» удалось Марри Гелл-Ману и Ювалю Неэману, которые заметили, что частицы можно классифицировать по заряду и «странности». Они предсказали существование частицы «омега-минус», которая идеально дополнила их теоретическую схему — и вскоре она была найдена.
Фундаментальные кирпичики: кварки 44:50
Дальнейшие эксперименты на ускорителе в Стэнфорде с использованием «микроскопа» невероятной мощности — электронов с энергией 20 миллиардов вольт — позволили заглянуть внутрь протона. Выяснилось, что протон не является элементарным объектом, внутри него находятся три кварка, удерживаемые «цветовым» взаимодействием.
Клоуз поясняет суть кварков:
- Их всего шесть типов: верхний (up), нижний (down), странный (strange), очарованный (charm), нижний (bottom) и топ-кварк (top).
- Для создания материи, из которой состоим мы, достаточно двух: верхнего и нижнего.
- Название «кварк» предложил Марри Гелл-Ман, вдохновившись строкой из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану».
По мнению физика, природа словно создала «фотокопии» кварков, которые тяжелее, но идентичны по свойствам, что остается одной из величайших загадок мироздания.
