Просто о сложном

 —  Уважаемые родители, садитесь за парты в том порядке, как сидят ваши дети.
 Родители - вероятно это самые послушные ученики. Мы быстро расселись. На своих местах нас ждали оценки любимых чад за вторую четверть. Окинув взглядом оценки поняла, что новых нет и тот вердикт, который мысленно вывела для себя уже становиться явью. До нового года, а значит и до каникул, осталась одна неделя. Вряд ли за такой период что-то кардинально измениться. Преподаватель, как и ожидалось, отметила учеников отстающих, что еще можно сделать дабы исправить положение и не испортить всем праздники. Затронули ёлку и программу на каникулы. Рутина. Хоть и необходимая.
— И в завершение нашей встречи еще одно. Ваши дети должны принести после каникул работу. Объем – не менее пяти машинописных страниц. Работа должна включать в себя введение, основную часть, заключение, список использованной литературы, приложения. Ребенок должен будет объяснить как он пришел к теме, объяснить рассказать, полностью раскрыть тему. Должен будет ответить на все возникающие вопросы по теме и доказать. А также провести все опыты, если таковые имеются.
Ой! Я не выдержала и сказала в полной тишине:
 — Простите, но ведь это какая-то дипломная работа!
— Что тут такого?
— Да, но на написание диплома дается несколько больше времени, чем две-три недели, да еще с плотным графиком.
— Вы что не согласны? Объем дипломной работы гораздо больше, чем пять страниц.
Обведя взглядом притихших родителей, добавила. – У остальных похоже нет возражений. Вообщем, если мы закончили…
Еще одна мать встала
— Можно узнать по подробнее, что входит в развитие темы?
— Вы сами не можете? Ну вот допустим, простая тема «Почему осенью листья на деревьях меняют цвет».
— Достаточно детская. А что она должна в себя включать?
— Вот видите всё просто. Ребенок должен описать все макро и микро процессы как в природе так и конкретно в деревьях. Конечно же раскрыть времена года и их смену. Объяснить, почему у разных деревьев окрас листьев разный. Опытным путем показать и доказать, что именно так. Далее
— Простите, а остальные темы?
Преподаватель вздохнула:
— Если вы уж совсем не можете придумать, можете у меня посмотреть примерные темы для работ.
И, показала брошюру. Для родителей словно прозвучала команда на старт. Мы ринулись к этой книжонке. Однако! Даже пробежав взглядом по разделам, мне стало что-то плохо. Физика, химия, астрономия… Я уж не говорю об тривиальных математика, русский, природоведение и далее. А сами темы: числа Фибоначчи, черные дыры, вселенная, развитие отдельных звезд, как элементарная модель развития вселенной, электроника, магнетизм, доказательство теорем. Учитывая, что они требуют для раскрытия данных тем. Да ладно?! Рядом со мной стоял мужчина. Пока листали темы он всё больше тер свою лысину и после окончания произнес:
— Простите, может я не туда попал? Мой сын учится во втором классе.
Со смешком я ему ответила:
— У меня дочь тоже. Вы же видели отметки сына? Значит правильно попали.
И продолжила уже обращаясь к учителю:
— Здесь пожалуй двух направлений не хватает – физика элементарных частиц и атомного ядра, да вы к тому же пропустили открытие новых элементов. Всё остальное есть.
Видимо это было уже истерическое. Смеясь добавила – у меня как раз дома на данную тему есть работа.
Впрочем не у меня одной. У всех родителей вид был словно нас отходили битами по голове. Одна из мам мне положила руку на плечо и сказала:
— Не переживай, отдашь ребенку в следующем году.
Пока пришла домой немного улеглось. Всё что было до этого ушло куда-то далеко. Словно на собрании кроме разговора о работах больше ничего и не было. И это за неделю до нового года, а принести необходимо после праздников? Да вы что. Пока шла домой, готовила, делала работу по дому в голове где-то в отдалении, всё время крутилась песня:
 « Нагружать все больше нас стали почему-то,
Нынче в школе первый класс вроде института.
Нам учитель задает с иксами задачи,
Кандидат наук - и тот над задачей плачет.
То ли еще будет,
Ой-ой-ой!
А у нас стряслась беда: сочинение снова.
Лев Толстой в мои года не писал такого.
Не бываю я нигде, не дышу озоном,
Занимаюсь на труде синхрофазотроном.
То ли еще будет,
Ой-ой-ой!»
Ну надо же – вспомнила! А ведь не слышала ее с тех пор, как пели. Правда в то время услышала и забыла. Теперь же она всплыла из памяти сама.
Время до ужина пробежало незаметно. Тем не менее даже во время ужина мой мозг работал в трех направления и на вопросы я отвечала механически пока дочка меня не окликнула
— Мам?
Встряхнувшись, наконец-то обратила внимание, что делается за столом. Со стыдом поняла, что не слышала обращения дочуры.
— Солнышко, что ты сказала?
— Мам я спрашивала, чем Бозон Хиггса отличается от остальных частиц?
Моя рука остановилась на полпути ко рту, а нож выпал из рук.
Если ранее я была в шоке, то сейчас меня вернули в реальность. Похоже клин клином вышибает. Однако. Немного помолчав, смогла выдавить из себя:
— А ты где это видела?
— У тебя на компьютере.
Точно! Я совсем забыла, что материалы работ там висят, как раз занималась перед собранием.
— Ты что-то поняла?
— Не совсем. Но мне интересно, расскажешь?
— Если кратко – это пятая сила со своим взаимодействием и значением, отвечает за инертную массу элементарных частиц — именно массу, ответственную за эффекты инерции, а не притяжения.
— Ну нет. Так я ничего не поняла. У тебя там картинка очень интересная.
Я закрыла глаза и выдохнула. Сосчитала до пяти.
— А почему бы и нет? Чуть позднее расскажу.
******************
— Какая картинка так тебя привлекла?
— Вот эта.
Это не картинка – это квантовые флуктуации вакуума. Но об этом позднее.
В первую очередь хочу тебе сказать, что это увлекательный удивительный мир совершенно не похож на наш. Изначально может показаться, что ты попала в другое измерение. Настолько это занимательно. Вспомни мультфильмы про фиксиков.
Давай попробуем начать вот с чего – как по твоему, из чего все состоит в этом мире.
— Лес, горы, континенты.
— Правильно. Но если посмотреть глубже? Смотри это твоя любимая матрешка. Мир устроен по принципу этой самой матрешки снимаешь одну под ней – следующая и так далее пока у нас в руках не окажется самая маленькая неделимая. Вот это и будут те самые маленькие частицы. Подожди все по порядку иначе запутаешься.
Давай так – вот эта матрешка – твои лес, горы, поля и т.д.
Сняв первую матрешку и поставив ее отдельно, продолжила -Однако они ведь тоже из чего-то состоят. Верно? В лесу не только деревья кусты, ягоды, грибы, звери, птицы все что там находиться и живет. Также и остальное горы – они тоже не пустые начиная от того же леса, пещер у подножия, ледники на вершине, если глубже немного – полезные ископаемые. Согласна? Это будет вторая матрешка. Дочка сама сняла и поставила рядом. Если будем дальше раскладывать, то рано или поздно дойдем до химических элементов из которых состоит все вокруг. Значит дальнейшее представление о том из чего состоит весь мир и мы с тобой – это таблица Менделеева. Одна из важнейших идей науки. На момент ее создания, считалось, что они составляют в природе абсолютно все. Безусловно, всё, что есть в природе можно разложить на составляющие или кирпичики. Тем не менее, это слишком большие кирпичи, скажем так – словно большой конструктор лего, которые в свою очередь точно так же могут раскладываться. Сейчас мы дошли до того, что все состоит из молекул, а молекулы состоят из атомов. Атом состоит из ядра и облаков электронов вокруг него, которые совершают куда более сложные движения, чем просто вращение. Долгое время считалось, что атомы – мельчайшие и не делимые частицы в мире. И первым кто это предположил был Демокрит – он одним из первых доказал существование атомов – неделимых частиц, движущихся в пустоте. Атомы притягиваются друг к другу, образуя тела и фигуры. Вот так ученый, который жил почти две с половиной тысячи лет назад. Начиная с этого места мы с тобой сейчас шагнем в кроличью нору, как Алиса в страну чудес. Поскольку в самом малом масштабе, на микроскопическом уровне мир намного загадочнее и парадоксальнее, чем можно это представить.
 Томсон одним из первых открыл, что даже атомы являются не последней матрешкой. А его последователь Эрнест Резерфорд спустя пятнадцать лет определили из чего точно состоят эти атомы. Конечно же у каждого атома есть ядро. Сам Резерфорд, говоря о размерах ядра сравнивал его с мухой посреди огромного собора, вокруг этого ядра вращаются электроны по весьма нечетким орбитам и довольно скудно заполняют собой пространство. Получается, что вновь ядро не фундаментально и оно содержит более мелкие частицы (следующих матрешек). Это протоны и нейтроны. Только в 1970-х годах все узнали, что и они также раскладываются на следующие матрешки, а точнее на кварки, по три мелких частицы на каждый протон либо нейтрон. Смотри, что бы было понятнее опять возьмем лего из разных наборов. Видишь, что у нас получается? Это можно изобразить на доске вот таким образом. Существует два вида кварков верхний кварк и нижний кварк. Это никак не связано с их положением  либо указанием на низ -верх. Просто их так назвали. То есть протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка, а нейтрон - наоборот из одного верхнего кварка и двух нижних кварков. Вот они и являются основными структурными элементами природы. Ничего меньше электрона пока еще не открывали и ничего меньше кварков тоже. Это и есть последняя маленькая матрешка. То есть три частицы составляют все существующее вокруг. Однако, основные структурные элементы в природе - это нечто более размытое и абстрактное - текучие вещества, которые распространяются по всей вселенной и колеблются странными и завораживающими способами. Это и называется фундаментальная реальность в которой мы живем. Их называют полями – это нечто что распространенно по всюду во вселенной и это нечто имеет определенное значение в каждой точке пространства, которое меняется во времени. Что бы было проще это представить – жидкость которая колеблется и колышется по всей вселенной. Помнишь, ездили на море. На само море можно смотреть часами -оно все время в движении. Одним из первых высказал эту идею Фарадей. Он считал, что все в мире пронизано невидимыми объектами - электрическим и магнитным полями. Как пример магниты. Возьми в руки два магнита и попробуй их поднести к друг другу разными сторонами. В одном случае – они притягиваются в другом – отталкиваются. Смотри здесь нет ничего. Их никто не притягивает и не отталкивает, но тем не менее чувствуешь?  Оба состояния очень хорошо ощущаются. Видишь, чувствуешь?  Можно сказать – волшебство, в этом есть нечто завораживающее. Даже если пространство кажется пустым – там что-то есть, - так сказал Фарадей. Он назвал их силовыми линиями. Сейчас это просто магнитное поле. Его знаменитым опытом, который он частенько демонстрировал, было заставить колебаться иглу при том, что к ней никто не подходил и не трогал. Он открыл индукцию. Сейчас тот же эксперимент более современный – обычный разговор по сотовому телефону. И это тоже наследие Майкла Фарадея. Он предположил, что эти невидимые поля в буквальном смысле единственное, что мы видим. Иными словами, именно колебания электрического и магнитного поля и есть свет. Прошло еще пятьдесят лет, прежде чем его догадку подтвердил Максвелл. Лишь совсем недавно пришло осознание, что идея полей гораздо важнее, чем думал Фарадей. Речь идет о теории квантовой механики. Ключевой момент квантовой механики – энергия не непрерывна. В мире энергия всегда упакована в небольшие неделимые порции (именно это и обозначает слово квант – не делимый или порция) Вот если взять данную идею и объединить ее с идеями полей Фарадея - это и есть теория квантового поля. Из этой теории следует, что именно волны электромагнитного поля мы называем светом, если к ним применить квантовую механику, то получится, что эти волны не такие уж и гладкие и не делимые и если пристально к ним присмотреться то можно увидеть что они состоят из маленьких частиц – фотонов. Наглядно можно увидеть допустим в туман или темное время суток. Теперь вспомни – осенью ездили к бабушке. Стоял очень густой туман. Практически ничего не было видно. Не забыла, что тогда произошло. К нам навстречу вышел лесник с фонариком. Припоминаешь? А сейчас вспомни как ты видела свет фонарика, когда он начал от нас удалятся. Очень скоро его не стало видно. Я тебе открою одну тайну лягушек. Хочешь? У них зрение другое. И если б рядом была лягушка, то она видела бы все иначе – для нее так же свет изначально отдаляется НО когда ты перестала его видеть – она по прежнему продолжала его видеть, правда не постоянный луч- прерывистый. Как будто фонариком играют постоянно включают – выключают. По сути, она увидит прерывистые частички света – фотоны.
Волшебство этой идеи заключается в том, что этот же принцип применим к каждой частице во вселенной. Говоря иными словами, по всей этой комнате распространено нечто называемое электрическим полем. Оно как жидкость наполняет эту комнату, да и по сути всю вселенную, а колебание этой жидкости объединяются в маленькие комочки энергии которые принято называть частицами электронами. Все электроны в нашем теле не фундаментальны они волны одного лежащего в основе поля и все мы связаны с друг другом. Так же как волны являются частью одного океана электроны внутри твоего тела или твоей подружки, одноклассники являются электронами того же поля что и внутри моего тела. Но это еще не все. В данной комнате присутствуют еще и волны двух кварков. Все колебания этих полей дают начало тому, что называем верхний кварк и нижний кварк. Тоже самое относится и к другим видам частиц во вселенной. В основе всего лежат поля. И то, что нам видится частицей совсем не частицы, а волны этих полей собранные в небольшие комочки энергии. В мире не существует частиц основные структурные элементы это - поля. Квантовые поля их основные частицы электрон, верхний кварк, нижний кварк и нейтрино. Последние частицы не играют роли в том из чего мы состоим но она очень важна во всем остальном и они чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом(нейтрино). Эти четыре частицы составляют краеугольный камень нашей вселенной. Однако это не все. По непонятным пока причинам природа решила дважды продублировать данные частицы только с отличной массой. Так у электрона имеется близнецы мюон и тау различия у них лишь в массе они гораздо тяжелее (мюон в 207 раз тяжелее электрона, а тау-лептон в 17 раз тяжелее мюона.)
Точно также есть еще по паре и у остальных (мюонное нейтрино и тау нейтрино. Тоже самое и с кварками. Они забавно называются: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный. И они очень странно себя ведут. Существует три поколения кварков, по два кварка в каждом, и точно так же у них у всех существуют античастицы. Кварки участвуют как в электромагнитном и слабом взаимодействиях, так и в сильном. Обрати внимание: фермионы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами; таким образом, адроны — это частицы, состоящие из кварков. Кварки любят образовываться в частицы из трех и двух кварков, но никогда не появляются по одному. В этом и заключается их странность. Частицы из трех кварков называют барионами, а из двух — мезонами. Почему они так делают? Это происходит из-за особенностей сильного взаимодействия, которое удерживает кварки в адронах. Сильное взаимодействие очень интересно: вместо одного заряда, как в электромагнитном, у сильного их бывает три. И оказывается, что существуют только нейтральные частицы, а нейтральной частица может быть, только если в ней есть либо три разных заряда одного знака, либо два одинаковых заряда разного знака. Из-за этой особенности (и для удобства) заряды начали называть красным, зеленым и синим, а соответствующие отрицательные заряды — антикрасным, антизеленым и антисиним. Получается, что если взять красный, зеленый и синий, мы получим белый, то есть нейтральный; если взять красный и антикрасный, мы тоже получим белый. Что бы проще запомнить, есть прекрасное и удивительное явление радуга. Радуга похожа на настоящую магию. Она такая красивая и волшебная в небе после дождя, когда выглядывает солнце. Белый солнечный свет состоит из множества различных световых волн разной длины. В зависимости от длины волны он воспринимается нашим глазом как определенный цвет — от красного (самые длинные волны) до фиолетового (самые короткие). При смешении все эти цвета и дают видимый белый свет.
Легко запоминается, но стоит понимать, что это не имеет никакого отношения к цветам, к которым мы привыкли в жизни.
Это просто красивая и удобная аналогия со смешиванием. В Стандартной модели каждый кварк может быть любого из трех цветов, а антикварк — любого из трех «антицветов». Получается, что ни один из кварков не может быть непосредственно зарегистрирован, ведь свободно существовать могут только бесцветные частицы, а кварки «раскрашены». Эта особенность их поведения называется конфайнментом, что с английского дословно переводится как «заточение». Пока все понятно?
Таким образом общее число всех частиц – двенадцать. Первые четыре частицы с ними все понятно, а вот остальные необходимы лишь в необычных ситуациях (типа большого адронного коллайдера или БАК ). Так или иначе именно эти двенадцать частиц и есть те кирпичики вселенной из коих все состоит или состояло когда либо. Между собой они взаимодействуют по средствам четырех разных сил: гравитация, электромагнитное взаимодействие, две оставшиеся действуют только в малых масштабах ядра – сильное ядерное взаимодействие (удерживает кварки протонах и нейтронах), а также слабое ядерное взаимодействие, которое отвечает за радиоактивный распад и помимо прочего за свет солнца. Кроме того, каждая из этих сил связана с полем. Фарадей рассказал нам об электромагнитном поле, гравитация – Эйнштейн (это пространство и время). Можно подвести итог - мир в котором мы живем это комбинация данных шестнадцати полей т.е. двенадцать полей материальных и четыре поля силы, плюс их взаимодействие между собой, все вместе представляет собой общий завораживающий танец. Именно это и есть картина фундаментальных законов физики. Теперь мы с тобой подошли к самому твоему вопросу.
Частица Хиггса существует совсем не долго (прим.10 в -22 степени сек.) это так мало, что трудно представить. Поэтому запомни пока, что это слишком короткое время. Данная частица является последним кирпичиком. И важна она по двум причинам:
Во первых - именно она отвечает за массу во вселенной. По сути свойства всех частиц – это показатель как его поле взаимодействует с тем или иным полями. Необходимо было понять это чтобы понять значение массы во вселенной взаимодействие полей частиц с полем Хиггса
Во вторых - это был последний фрагмент нашей мозаики в теории стандартной модели. Я покажу тебе сейчас уравнение стандартной модели на сегодняшний день. Можешь не запоминать просто посмотри. Оно сложно не только для тебя-некоторые части данного уравнения не понимает никто на планете… тем не менее, оно предсказывает верно результат любого эксперимента когда либо проведенного в науке. В этом уравнении всё. Оно восхищает и зачаровывает, как верх научного минимализма. В нем абсолютно все. Смотри:
Первый член уравнения был создан Эйнштейном для описания гравитации. Это значит, что если кто-то решит эту часть уравнения то сможет сказать например на сколько быстро яблоко упадет с дерева или что орбиты вращения планет вокруг солнца имеют форму эллипса, ну или что произойдет если столкнуться две черные дыры образуя новую и испуская гравитационные волны по всей вселенной, либо как расширяется сама вселенная. Все это можно сделать, решив первую малую часть уравнения.
Следующий член уравнения был полностью описан Джеймсом Клерком Ма;ксвеллом. Он в полном объеме описывает электромагнетизм. Иными словами, все эксперименты, поставленные от начала наук, от Кулона до Фарадея, Герца и современных лазерных установок все содержится в этой части уравнения. Потрясающе. Само собой напрашивается - в этом уравнении есть сила. Далее, данное уравнение определяет сильное ядерное взаимодействие, слабое ядерное взаимодействие. Следующее - это уравнение впервые было записано Полем Дираком оно описывает те двенадцать частиц из которых состоит материя. Удивительным способом каждая из них подчиняется этому уравнению. Следующее уравнение - Питера Хиггса. Отвечает на вопросы, как материя взаимодействует с частицей Хиггса. Это предел человеческих знаний на данный момент.
А все вместе – является уравнением стандартной модели, на сегодняшний день. Поскольку наука не стоит на месте, имеются не соответствия (правда пока) не на земле, а в космосе. Одно из них – черная материя. Возможно что-то не знаем или просто не хватает какой-то части. Пока это загадка.
  У ребенка горели глаза и вся она была не просто под впечатлением – она горела услышанным.
— То есть еще не известно?
— Пока да. Тебе что-то понятно?
— Да. Мам, нам в школе говорили работу сделать.
— О, да! Нам на собрании тоже сказали. Хочешь сделать работу про частицу?
— Очень. Так здорово и необычно.
— Хорошо. Тогда у нас с тобой много работы.