Виталий Антропов
Протон почти не виден. Но только – почти. Иллюстрация GigaChat
Представьте себе: внутри протона – того самого кирпичика, из которого состоит все вокруг и внутри нас, – скрывается умопомрачительный таинственный мир! Физики впервые смогли «заглянуть» в недра протона и описать, как там все устроено: оказывается, внутри протона бушует настоящий хаос из кварков и глюонов, которые появляются и исчезают, словно искры в костре.
Это открытие не просто красиво – оно помогает понять, почему материя вообще существует и как работает Вселенная на самом фундаментальном уровне. Казалось бы, кто мог подумать, что в каждом атоме прячется такая буря! Интересно, что еще может скрываться внутри, казалось бы, самых простых вещей?
Все запуталось
В статье Entanglement microscopy and tomography in many-body systems («Микроскопия квантовой запутанности и томография в системах многих тел»), опубликованной в журнале Reports on Progress in Phisics (Vol. 87, № 12), помещено сообщение о том, как ученые впервые непосредственно наблюдали так называемую квантовую запутанность прямо внутри сложных физических систем – например в кристаллах или ультрахолодных атомах. Они разработали методы, которые позволяют не просто догадываться о наличии запутанности, а буквально строить ее трехмерную карту и отслеживать, как она распространяется между частицами.
Однако в данном случае – еще раз подчеркнем – речь идет не просто о распространении квантовой запутанности между частицами, а о распространении внутри протона.
Протон вместе с нейтронами входит в состав ядер всех известных химических элементов. С параметрами протона напрямую связаны некоторые фундаментальные физические постоянные. В частности, постоянная Ридберга, используемая для расчета уровней энергии и частот излучения атомов. Специальная международная комиссия CODATA отслеживает все результаты измерений фундаментальных констант.
И при этом протон не является фундаментальной частицей, как, например, электрон. Он состоит из трех кварков (два верхних и один нижний), «склеенных» глюонами – частицами, отвечающими за сильное цветное взаимодействие между кварками. Эти взаимодействия настолько сильны, что внутри протона постоянно появляются и исчезают пары виртуальных кварков и антикварков и пары виртуальных глюонов. Там все кипит, но увидеть это мы не можем. Вернее, не могли до настоящего времени.
Интересно, что год назад в журнале Reviews of Modern Physics специалисты из Лаборатории Джефферсона сообщили, что им удалось впервые составить карту распределения сильного взаимодействия внутри протона. То есть фактически оценить величину гравитации на субатомном уровне. Основной автор исследования, ведущий научный сотрудник Лаборатории Джефферсона Волькер Буркерт отмечал, что измерение дало представление об условиях, в которых находятся строительные блоки протона – кварки, связанные сильным взаимодействием. Для извлечения кварка из протона потребовалось бы приложить силу более чем в 4 т. И это дает хорошее представление о циклопически большой мощности сильного взаимодействия внутри исчезающее малого объекта – протона.
В новом исследовании, используя квантовую теорию информации и концепцию квантовой запутанности, ученые разработали новую схему, позволяющую описать эти взаимодействия.
Впервые этот подход успешно объясняет данные всех имеющихся на сегодня экспериментов, связанных с рассеянием частиц, возникающих при глубоких неупругих столкновениях протонов. Авторы этого исследования – международная группа физиков-теоретиков из Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) и Университета Стони Брук (SBU) в Нью-Йорке, Университета Пуэбла (UDLAP) в Мексике и Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове.
«В случае с внутренностями протона запутанность возникает на трудновообразимых расстояниях в одну квадриллионную долю метра или меньше и является коллективной характеристикой», – отметил один авторов работы профессор Мартин Хентшински. Как же удалось заглянуть в эту протоновую бездну?
Физики использовали эффект, возникающий при столкновении электрона и протона. Между двумя этими частицами возникает электромагнитное взаимодействие, носителем которого является фотон. Причем при глубоко неупругих столкновениях энергия этого фотона настолько велика, что связанная с ним электромагнитная волна «помещается» внутри протона и позволяет «видеть» детали его внутренней структуры.
В результате взаимодействия с фотоном протон может распасться, образовав множество вторичных частиц.
Запутанность проявится в том, что количество вторичных частиц, испущенных из части протона, «замеченной» фотоном, определит количество частиц, которые будут произведены в виде наблюдаемых адронов – классом составных частиц, которые участвуют в сильном взаимодействии и состоят из кварков, «склеенных» глюонами. Собственно, самая мощная из четырех фундаментальных сил в природе, сильное взаимодействие и действует только на расстояниях, сравнимых с размерами атомного ядра.
«До нашей работы никто не рассматривал запутанность внутри протона в экспериментальных данных о высокоэнергетических столкновениях, – пояснил участник команды, физик из Брукхейвенской лаборатории Чжоудунмин Ту. – В течение десятилетий мы традиционно рассматривали протон как совокупность кварков и глюонов и сосредоточились на понимании так называемых одночастичных свойств, включая то, как кварки и глюоны распределены внутри протона… Теперь, с появлением доказательств того, что кварки и глюоны запутаны, эта картина изменилась. Мы имеем гораздо более сложную, динамичную систему».
«Так мы приходим к понятию энтропии, которое особенно важно при изучении очень сложных систем и квантовой информации, – пояснил другой соавтор работы, профессор Дмитрий Харзеев. – Если бы благодаря глубоко неупругим столкновениям мы имели доступ к полной информации о запутанности в протоне, мы могли бы говорить об энтропии запутанности, равной нулю. Однако фотон, проникающий внутрь протона, «видит» только часть его внутренностей, остальное остается для него скрытым – и это означает, что энтропия запутывания ненулевая. Таким образом, у нас есть удобная мера количества запутанности в протоне».
|
|
Главный вывод, который можно сделать из работы международной группы физиков-теоретиков: теперь можно не просто изучать квантовые эффекты, но даже «фотографировать» невидимые ранее связи между частицами. Иллюстрация создана с помощью GigaChat |
Зачем все это? Запутанность – ключ к будущим квантовым технологиям: она лежит в основе квантовых компьютеров (ускоряет вычисления), защищенной квантовой связи (невозможно подслушать) и даже новых материалов с необычными свойствами. Без понимания, как работает и распространяется запутанность, эти технологии просто не взлетят! И однако, при чем здесь «пустое» место?
Проще атома водорода вроде бы природа ничего не создала. Ядро, роль которого играет положительно заряженная элементарная частица – протон, а вокруг «размыт» по орбите отрицательно заряженный электрон. Протон и электрон в атоме водорода притягиваются с силой, которая составляет всего лишь 4 х 10–40 от силы их электростатического притяжения. Силы тяготения неизмеримо слабее сил, действующих в ядрах атомов (ядерных сил). Диаметр атома водорода примерно 10–8 см, размеры ядра – 10–13 см. То есть атом на 99,99% состоит из «пустоты».
Представьте себе, что электрон вращается вокруг шпиля Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова с диаметром орбиты вращения 1 км. Тогда размеры ядра атома на шпиле – не более горошины. И вот в этом пространстве надо было не просто найти эту «горошину», но и аккуратно «препарировать» ее.
Но в данном случае мы имеем дело не просто с очередной квантовой технологией. Визуализация, количественное измерение квантовой запутанности, ставит не менее важные философские проблемы.
Польскому поэту и философу Станиславу Ежи Лецу принадлежит замечательный афоризм: «И размеры Вселенной могут быть военной тайной». Недаром английский астрофизик Стивен Хокинг в 1990 году подчеркивал: «Очень трудно доказать беспредельность Вселенной, но если мы это сделаем, то сможем объяснить все во Вселенной, основываясь на гипотезе о ее беспредельности, и я думаю, что такая теория будет более экономной и более естественной».
Но как минимум не меньшая тайна – размеры объектов на другом конце шкалы масштабов: атомы, не говоря уже об элементарных частицах. И квантовая физика, изучающая эти объекты, существование которых зачастую и представить можно только в виде математической формулы, тоже претендует на объяснение всего во Вселенной.
Apropos. Если бы удалось исключить действие электрических сил притяжения внутри атома и оставить только гравитационное взаимодействие протона и электронов, то такой атом имел бы радиус, в 100 раз превышающий радиус видимой Вселенной.
В этом смысле достижение американских физиков имеет не только сугубо естественно-научное значение – хотя, подчеркнем еще раз, даже сами по себе экспериментальная техника и методология просто удивительны, – но и мировоззренческое, философское значение. Перевести объекты в изображения, увидеть – это неистребимая потребность не только физиков, но и обычных людей, не связанных с наукой.
Эллины не различали понятий «видеть» и «знать»: увидеть, зафиксировать изображение, это было эквивалентно – узнать. Опять же не случайно, что в математике самого известного из них, Пифагора, отсутствовало понятие (и знак) «ноль» – то, чего нет, того нельзя и увидеть, а следовательно, и не существует...
Продолжение этой традиции можно найти и во времена раннего Средневековья. Так, философ и теолог первой половины XII века Гонорий Отэнский, вдохновленный решениями Арранского Синода (1025), подчеркивал, что живопись является чтением для простецов (guae est laicorum litteratura). По этому поводу выдающийся итальянский медиевист и семиотик Умберто Эко замечал: «Таким образом, дидактическая теория усваивает символическое чувственное восприятие как средство педагогики и «культурной политики», эксплуатирующее ментальные процессы эпохи».
«Человек способен понять вещи, которые он уже не в силах вообразить», – отмечал в свое время нобелевский лауреат Лев Ландау, рассуждая о квантовой механике. Соответственно изобразить нечто, не представимое в образах, считалось невозможным принципиально. Вернее, эти изображения не могут нести никакого физического смысла и не соответствуют реальному физическому объекту.
В общем, материя – это то, что поддается записи математическими формулами. И это тоже – давняя философская традиция. Иммануил Кант, например, считал, что «в любом частном учении о природе можно найти науки в собственном смысле лишь столько, сколько имеется в ней математики».
«…Начиная с середины 1980-х годов некоторые наиболее интересные и значимые изображения в науке оказываются совершенно неадекватными тем объектам, которые они пытаются репрезентировать… репрезентируют скорее породившую их математику, чем любые изображаемые объекты в пространстве, – сетует профессор Чикагского института искусств Джеймс Элкинс в эссе «Бесполезная визуализация квантовой механики» («Исследуя визуальный мир», 2010). – В моем визуальном воображении нет ничего соответствующего бариону с его валентностью и морским кварком. Также я не имею ментального изображения электрона, даже оставляя в стороне дозволенные количества спиновых моментов импульсов».
И тем не менее магистральная линия в науке (не только в физике) – визуализация концептов, результатов, гипотез. Хрестоматийный пример «визуализации» непредставимого, но измеримого – ньютоновский закон всемирного тяготения. Ньютону удалось сделать главное – найти образ, который стал наглядным, а потому и запоминающимся, визуальным символом новой загадочной силы – гравитации. Этот образ и материализовался в падающем яблоке…
Визуализированный и измеренный феномен квантовой запутанности внутри протона – это можно считать следующим этапом в развитии древнейшей традиции.
Элементарная бездна
Главный вывод, который можно сделать из работы международной группы физиков-теоретиков: теперь можно изучать квантовые эффекты в реальных материалах намного точнее, чем раньше, и даже «фотографировать» невидимые ранее связи между частицами. Это суперважно для будущих квантовых технологий – от квантовых компьютеров до новых материалов. Разработаны методы, которые позволяют строить трехмерные карты запутанности. Нечто вроде томографии, только не для органов человеческого тела, а для «каких-то» квантовых связей, которые до сих пор не удавалось рассмотреть: измеряют, как частицы – кварки и глюоны – «чувствуют» друг друга внутри протона.
И в этом тоже можно усмотреть продолжение еще античной философской традиции: мера и число правят миром. Скажем, древнеримский медик, логик и философ Гален (II в. н.э.) отмечал: «Прекрасное мало-помалу возникает из многих чисел».
Эту максиму Галена сегодня нужно понимать буквально – именно мало-помалу… А что может быть меньше нейтрино, например?
13 февраля 2025 года в журнале Nature (Volume 638, Issue 8050) международная группа ученых опубликовала результаты, в которые просто трудно поверить: физики впервые измерили размер нейтрино. Или, более строго, – оценили пространственную протяженность нейтрино. Напомним, что ливни этих ультралегких элементарных частиц буквально пронизывают Вселенную, Землю и каждого из нас (около 100 трлн нейтрино ежесекундно), не взаимодействуя с веществом.
Ученые использовали радиоактивный распад изотопа бериллия-7, который превращается в литий-7. В этом процессе электрон соединяется с протоном, образуя нейтрон и испуская нейтрино. Энергия распада толкает атом лития в одном направлении, а нейтрино – в противоположном. Высокоточный анализ импульса атомов лития позволил рассчитать параметры нейтрино через квантовую запутанность частиц.
В итоге размер этого квантово-механического объекта, пакета нейтрино, составил не менее 6,2 пикометра (6,2 х 10–12 м). Это в 1000 раз больше диаметра атомного ядра (около 6 фемтометров). Впрочем, надо отметить, что понятие «размер» здесь относится не к физическому объему частицы, а к пространственной неопределенности ее квантового состояния. Другими словами, к объему пространства, в котором с некоторой вероятностью в данный момент находится частица.
Одно из космологических приложений достигнутого результата – понимание и объяснение возникновения асимметрии материи и антиматерии во Вселенной.
В начале июня 2025 года пришло сообщение из Германии. Ученым удалось измерить массу нейтрино с точностью, достаточной для вхождения в космологически значимую зону. Это открытие – результат многолетнего труда международной команды эксперимента KATRIN (гигантский спектрометр весом 200 т). В исследовании объединили данные 2019 и 2021 годов. Новый результат: масса нейтрино – менее 0,8 электрон-вольта. Это исторический прорыв: впервые прямая оценка массы попала в субэлектрон-вольтный диапазон, где, по прогнозам, и должна находиться настоящая масса этих частиц.
P.S.
Нобелевский лауреат, американский физик Фрэнк Вильчек еще не так давно, в 2008 году, отмечал: «Разумеется, внутренняя структура протонов на самом деле не похожа ни на что из того, что вы когда-либо видели или могли увидеть. Наши глаза не приспособлены (то есть недостаточно развиты) для того, чтобы различать такие маленькие расстояния и временные отрезки, поэтому любое визуальное представление ультрастробонаномикромира должно представлять собой смесь карикатуры, метафоры и обмана».
Сегодня мы все это можем наблюдать. Без обмана.
