Уравнение Бога. В поисках теории всего

Квантовая механика настолько мощный инструмент, что можно даже определить, под каким углом расположены атомы, образующие молекулы. Затем, подобно ребенку, играющему с конструктором вроде «тинкертой» или «лего», можно составить, атом за атомом, нужные цепочки, правильно соединить их и воспроизвести реальную структуру сложной молекулы. Уотсон и Крик поняли, что одним из главных компонентов ядра клетки является молекула ДНК, так что именно эта молекула стала их главной целью. Проанализировав рентгенограммы, сделанные Розалиндой Франклин, они пришли к выводу, что структура молекулы ДНК представляет собой двойную спираль.

В одной из важнейших работ, опубликованных в XX веке, Уотсон и Крик полностью расшифровали при помощи квантовой механики структуру молекулы ДНК. Это был шедевр. Они убедительно продемонстрировали, что фундаментальный процесс, присущий всему живому, – размножение – может быть воспроизведен на молекулярном уровне. Оказалось, что жизнь зашифрована в нитях ДНК, которые можно обнаружить в любой клетке.

Этот прорыв дал ученым шанс реализовать сокровенную мечту биологии – проект «Геном человека», результатом которого стала возможность получить полное атомное описание ДНК любого человека.

Как предсказывал в XIX веке Чарльз Дарвин, теперь ученые получили возможность построить древо жизни на Земле, где каждое живое существо и каждая окаменелость должны занять свое место на одной из ветвей. И все это при помощи квантовой механики.

Таким образом, объединение законов квантовой физики помогло не только раскрыть тайны Вселенной, но и построить единое древо жизни.

Ядерное взаимодействие

Как мы знаем, Эйнштейн не сумел завершить свою единую теорию поля отчасти потому, что в его арсенале отсутствовала громадная часть головоломки – ядерное взаимодействие. Тогда, в 1920-е и 1930-е гг., о нем почти ничего не было известно.

Но в послевоенную эпоху физики, опираясь на головокружительный успех квантовой электродинамики, обратили свое внимание на следующую насущную проблему – применение квантовой теории к ядерным взаимодействиям. Это была сложная и трудоемкая задача, поскольку начинать приходилось с самого начала; кроме того, для успешного продвижения по неизвестной территории требовались совершенно новые инструменты.

Существует два типа ядерных взаимодействий – сильное и слабое. Поскольку протон положительно заряжен, а положительные заряды отталкиваются друг от друга, ядро атома, по идее, должно было бы разлететься на кусочки. Ядерные взаимодействия – это и есть те силы, которые удерживают компоненты ядра в связанном состоянии и противостоят электростатическому отталкиванию. Без них весь наш мир распался бы, превратившись в облако элементарных частиц[35].

Сильного ядерного взаимодействия достаточно, чтобы ядра многих химических элементов могли оставаться стабильными вечно. Многие из них стабильны с начала времен – по сути, с момента возникновения Вселенной, особенно если число протонов и нейтронов в них сбалансировано. Однако некоторые ядра нестабильны, в частности те, в которых слишком много протонов или нейтронов. Если в ядре слишком много протонов, его может разорвать сила электрического отталкивания. Если в нем слишком много нейтронов, к распаду может привести их нестабильность. Слабого ядерного взаимодействия недостаточно, чтобы удерживать нейтрон в целости вечно, так что со временем он распадается. Так, половина любого набора свободных нейтронов распадется в течение четырнадцати минут. При распаде остается три частицы: протон, электрон и еще одна загадочная новая частица – антинейтрино, о которой мы поговорим позже.

Изучать ядерное взаимодействие чрезвычайно трудно, поскольку атомное ядро примерно в сто тысяч раз меньше самого атома. Чтобы прозондировать внутреннее строение протона, физикам понадобился новый инструмент – ускоритель частиц. Мы уже видели, как много лет назад Эрнест Резерфорд, чтобы открыть атомное ядро, использовал излучение радия, помещенного в свинцовую коробочку. Для проникновения глубже внутрь ядра физикам требовались еще более мощные источники излучения.

В 1929 г. Эрнест Лоуренс изобрел циклотрон – предтечу сегодняшних гигантских ускорителей частиц. Базовый принцип работы циклотрона прост. Магнитное поле заставляет протоны двигаться по кольцевой траектории. На каждом обороте протоны получают небольшой энергетический толчок под действием электрического поля. В конечном итоге после множества оборотов пучок протонов может набрать энергию в несколько миллионов и даже миллиардов электронвольт. (Базовые принципы работы ускорителя частиц настолько просты, что я в старших классах школы самостоятельно построил бетатрон – ускоритель электронов.)