Удивительный мир внутри атомного ядра

Удивительный мир внутри атомного ядра

Игорь Иванов, кандидат физико-математических наук, Институт математики СО РАН (Новосибирск) и Льежский университет (Бельгия) Научно-популярная лекция для школьников, ФИАН, 11 сентября 2007 года

Удивительный мир внутри атомного ядра

Сначала я вам расскажу, ну, как бы идеи, которые есть в современной физике, которая изучает то, что происходит внутри атомных ядер и даже еще глубже — внутри частичек, а потом, в самом конце, я покажу несколько слайдов про тот эксперимент, которого физики ждут уже многие годы. Этот эксперимент уже начали собирать по кусочкам, по деталькам уже 10 лет назад, и в следующем году его запустят. Сейчас уже приготавливаются элементы самой большой экспериментальной установки в мире — это Большой адронный коллайдер в Швейцарии. И вот этот эксперимент, который в следующем году запустится, даст ответ на многие вопросы и, фактически, подтолкнет физику к развитию дальше. Поэтому несколько слайдов, технических, экспериментальных покажу и, вот, про этот эксперимент. Ну что ж, поехали.

Как живет протон?

Вы вот здесь собрались, а раз собрались, значит вам интересна физика. Наверное, вы читали какие-нибудь научно-популярные книжки или статьи и поэтому про устройство мира немножко знаете. Если вам первые две-три минуты покажутся чем-то знакомым — ничего страшного, потому что я начну с простых вещей. Но будьте внимательны, потому что быстро достаточно я перейду к вещам, о которых в школе не говорят. Но они достаточно простые, поэтому я тоже хочу про них рассказать. (Вопросы, если будут, задавайте.)

Итак, начнем с самых простейших вещей, которые знают, наверное, все, ну или почти все. Вот всё, что есть вокруг нас, — люстра, например, пол, воздух — всё это состоит из молекул. Молекулы состоят из атомов. Это всё вы прекрасно знаете, это проходится даже, наверное, в средних или в начальных классах школы. Молекул на свете очень много. Я не знаю, сколько химики понасинтезировали веществ — думаю, что миллионы. И каждое вещество — особенное, потому что у него есть своя особенная молекула. Вот эти миллионы разных молекул на самом деле конструируются из атомов, которых не так много. Вот вы тоже, наверное, знаете периодическую систему: там чуть больше сотни атомов открыты сейчас, сотни элементов. В природе реально встречается и того меньше.

Так вот, из этого небольшого количества атомов можно комбинированием создать очень много разных молекул. Атомы — ну, вы тоже это хорошо знаете — не элементарны: они состоят из компактного ядра, которое там, вот, в центре находится, оно очень тяжелое, и электронных оболочек, которые сидят. (Я вам сейчас рассказываю эти простые вещи просто для того, чтобы ввести слова. Потом эти слова будут важны.) И, в конце концов, то ядро, которое сидит внутри каждого атома, которое очень маленькое по сравнению с атомом, но очень тяжелое, — оно тоже не элементарно: оно состоит из протончиков и нейтрончиков. Это вы тоже прекрасно знаете.

Это всё проходится в школе, и, казалось бы, это всё очень простые вещи, но на самом деле на эту ситуацию можно посмотреть чуть-чуть с иной стороны, на которую обычно не обращают внимания. Я сформулирую это так: во этих всех ситуациях, которые здесь у нас есть, — молекулы, атомы и ядра — везде работает принцип, который я назвал «принципом комбинирования».

Что это такое? Давайте я поясню. На самом деле, идея очень простая, даже слишком простая на первый взгляд. Она говорит о том, что более сложные и более тяжелые объекты можно получать из более простых просто присоединением каких-то дополнительных кусочков. Чем тяжелее объект, тем больше кусочков в нём есть. И поэтому усложнение объекта неизбежно связано с увеличением количества кусочков. Это работает и в обычных молекулах (вы представляете, какие бывают молекулы — бывают совсем маленькие, но если их соединить вместе, получаются большие, а есть и совсем гигантские молекулы, состоящие из большого числа атомов). То же самое работает и в атомах, и в атомных ядрах (есть ядра очень маленькие; например альфа-частица — очень маленькое ядро, но если присобачивать туда дополнительные протоны и нейтроны, то получаются в результате тяжелые ядра).

Казалось бы, зачем про это столько говорить? Это всё вообще элементарно. Казалось бы, как вообще иначе-то может быть? Настолько это очевидно. Так вот, когда мы окунемся в глубину протона, там будет совсем иначе. Там это не будет работать.

Но это будет через пять минут, а пока давайте посмотрим, до чего докопалась физика сейчас.