Сергей Чумаков - Не фантастика, а наука

Впрочем, не буду затягивать вступление, хотя без него никак. «Истинным» вакуумом считается некое состояние пространства, имеющее минимальные значения энергии. Даже если вы убрали из бутылки вообще все молекулы, то на самом микроскопическом уровне, таком, что сравним с размерами атомов, в ней всё равно существуют поля. Вы наверняка сталкивались с проявлениями полей в обычном, макроскопическом мире, мире вещей гораздо больших, чем элементарные частицы. Например, если пытаться совместить магниты одинаковыми полюсами, то явно можно почувствовать сопротивление. При этом, проведя между магнитами листом бумаги или пластмассовой ручкой, можно убедиться, что никакого особого веществами в зазоре нет, а сила отталкивания всё равно существует. То есть, поле проявляет себя в виде некоторого взаимодействия, которому не нужно вещество для передачи на расстояние. Конечно, раз поле может действовать, то оно обладает энергией.

В квантовом мире всё чуть сложнее, и перед нами один из феноменов квантового поля. Благодаря ему можно ввести понятие физического вакуума.

Точное определение вакуума на данный момент достаточно простое – это поле с минимальным значением энергии или, что точнее, с наименее низким энергетическим состоянием. Давайте прибегнем к сравнению, хоть и не совсем логичному: описываемое состояние можно представить как поверхность пруда в безветренную погоду. Она кажется гладкой и ровной, а когда вы приглядитесь, то увидите небольшие вздрагивания и волны, вызванные едва ощутимыми внутренними процессами. Такое состояние для воды будет считаться состоянием с минимальной энергией. То же и с вакуумом.

При этом, вакуумов несколько, в зависимости от того, как «вздрагивают» наши поля. Стоит вакууму немного увеличить энергию, как образуются высокоэнергетические участки, словно всплески на воде. Эти состояния называют ложными вакуумами. Существуют они очень недолго, ибо крайне нестабильны и стремятся отдать лишнюю энергию. В процессе распада такого вакуума образуются элементарные частицы, из которых затем складываются атомы.

Наш мир формально создаёт пустота. Которой в бытовом смысле слова вообще нет.

Ещё мыслители Древней Греции выдвинули смелую гипотезу о том, что всё вещество состоит из мельчайших частиц, которые невозможно разглядеть и разделить. Но только множество веков спустя люди подтвердили догадку мыслителей прошлого, открыли атом и атомное ядро, удивительные структуры, описанию и исследованию которых посвящено множество книг. Теперь мы знаем, как же примерно выглядят составные части молекул, какой обладают массой и на что способны. Фактически, это удивительное знание о микромире, который ничем не уступает по возможностям, а местами и превосходит знакомое нам пространство из крупных объектов. Однако, одно из самых замечательных свойств атомного мира – силы, которые не позволяют ядрам химических элементов развалиться, про них и пойдёт речь в этой заметке.

Начнём с того, что мы будем представлять ядро атома не как целый шарик, а как связанные между собой частицы, протон и нейтрон. Это не хитрый приём для упрощения материала, такие частицы существуют в реальности и называются нуклонами. Название подобрано соответствующее, от латинского nucleus «ядро». Нейтрон и протон вместе составляют бОльшую часть массы атома, хотя масса самого протона несравнимо меньше массы самого маленького кристаллика сахара в стакане вашего чая. Гравитация, чьё воздействие кажется нам огромным и универсальным, бесполезна на подобных масштабах. Тяготение заслуженно считается самой слабой силой во Вселенной и удержать вместе нуклоны только лишь гравитационным взаимодействием абсолютно немыслимо. Так что для связи нейтрона и протона в природе существует иной механизм, гораздо более эффективный и гибкий – так называемое сильное взаимодействие. Как видите, в этом случае физики придумали название без лишней помощи фантазии.

Сильное взаимодействие настолько сурово, что не будь у него ограничений, скрутило бы всю материю и изменило бы наш мир до неузнаваемости. Но здесь срабатывает некая вселенская защита от дурака, ведь у сильного взаимодействия есть своя сфера «применимости», это совсем микроскопическое расстояние, 10 в минус 15-й степени метра. Дальше оно никак себя не проявляет, и это, поверьте мне, здорово.

Ещё более экстраординарным можно считать сам механизм сильного взаимодействия – его так же называют обменным. Уже по одному слову можно догадаться, что в основе феномена лежит процесс распределения чего-то между нуклонами. Когда один нуклон притягивает второй, происходит обмен мезонами, элементарными частицами, которые являются переносчиками этого самого сильного взаимодействия. Хорошим примером механизма служит перебрасывание мячика двумя игроками. Когда один кидает, а другой ловит и происходит взаимодействие. Мезоны, столь важные для существования материи, несмотря на свою роль, относятся к короткоживущим частицам, время их существования не превосходит стомиллионных долей секунды.