Виталий Антропов
В случае с внутренностями протона квантовая запутанность возникает на расстояниях в одну квадриллионную долю метра.
Иллюстрация создана с помощью Kandinskiy 3.1.
В одном из недавних номеров научного журнала Nature опубликована статья группы исследователей из Института квантовой оптики общества Макса Планка (Германия) «Тест Стандартной модели при помощи спектроскопии атомарного водорода с точностью до триллионных долей». Другими словами, ученые провели самое точное в истории измерение размеров атома водорода. Протон сильно «похудел». А прецизионные измерения протона начались еще в самом начале XXI века.
Протонная загадка
Проще атома водорода природа вроде бы ничего не создала. Ядро, роль которого играет положительно заряженная элементарная частица – протон, а вокруг «размыт» по орбите отрицательно заряженный электрон. Все просто. Но дело в том, что атом водорода на 99,99% состоит из «пустоты». Еще в начале нулевых годов XXI века диаметр атома водорода оценивался примерно 10–8 см, а размеры ядра, то есть собственно протона, – 10–13 см. 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.
До 2010 года значение радиуса протона принято было считать около 0,88 фемтометра (8,8х10–16 м). В 2010 году физики опробовали новый вариант метода атомной спектроскопии, заменив электроны на мюоны, которые вращаются намного ближе к протону и более чувствительны к радиусу заряда последнего. Этот результат дал значение, которое было на 4% меньше: 0,84184 фемтометра. «…Новый метод с использованием мюонных атомов водорода обнаружил существенное расхождение по сравнению с предыдущими результатами, которые стали называться «загадкой радиуса протона», – отмечали американские физики в том же Nature, комментируя полученный ими результат.
В 2012 году группа ученых из Университета штата Северная Каролина, в лаборатории Томаса Джефферсона Министерства энергетики США, усовершенствовав методику эксперимента, получила в итоге значение радиуса протона 0,831 ± 0,007 фемтометра. Чуть меньше одной триллионной миллиметра.
В 2018 году Специальная международная комиссия CODATA, которая отслеживает все результаты измерений фундаментальных констант, официально приняла еще немного уменьшенный радиус протона – 0,8414 фемтометра.
Для стороннего наблюдателя эта «ловля блох» (тысячных долей фемтометров) вполне может показаться как минимум странной. Но для физики вопрос принципиальный. 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.
И вот теперь выясняется, что размер протона существенно меньше той горошины на шпиле главного здания Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. Результат измерений, проведенных немецкими физиками: радиус протона составил 0,840615 фемтометра, что примерно в 2,5 раза точнее предыдущих измерений на водороде. Ученые из Института квантовой оптики общества Макса Планка использовали лазерную спектроскопию атома водорода, фиксируя переходы между энергетическими уровнями с беспрецедентной точностью.
Модель остается Стандартной
Разброс в измерениях радиуса протона не случайно привел к появлению гипотезы о существовании некоей новой фундаментальной силы природы (отсюда – разговоры о «новой физике»), по-разному действующей на электроны и мюоны. Напомним, сегодня известны четыре фундаментальных взаимодействия в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
Так называемая Стандартная модель – основа современной физики – предсказывает свойства элементарных частиц с беспрецедентной точностью. Любое отклонение могло бы намекнуть на существование новой, пока неизвестной физики.
Но новые данные вновь подтверждают: Стандартная модель выдерживает самые строгие проверки, с точностью до триллионных долей.
Ученые отмечают, что дальнейшее повышение точности экспериментов будет все сильнее сужать «пространство» для альтернативных теорий. Если новая физика и существует, то она скрывается в еще более тонких эффектах. Наступает эпоха тонкой физики. Расхождение между электронным (ок. 0,88 фм) и мюонным (ок. 0,84 фм) водородом ставило под сомнения основы квантовой электродинамики (КЭД).
Точное измерение радиуса протона подтвердило универсальность электромагнитного взаимодействия. Фундаментальные физические константы только добавили в своей фундаментальности. Как отмечают исследователи, дальнейшее повышение точности экспериментов будет все сильнее сужать «пространство» для альтернативных физических теорий. Если новая физика и существует, то она скрывается в еще более тонких эффектах, которые только предстоит обнаружить. Наступает эпоха тонкой физики. Но насколько тонкой?
Портал iXBT.com публикует такой комментарий. «Во-первых, «Загадка радиуса протона» официально решена. Расхождение, мучившее физиков 15 лет, было вызвано систематическими погрешностями в старых экспериментах с обычным водородом, а не фундаментальными свойствами Вселенной. Протон действительно меньше, чем считалось ранее.
Во-вторых, гипотеза о «новой физике», нарушающей лептонную универсальность, отвергнута. Электрон и мюон «видят» протон одинаково, что подтверждает корректность Стандартной модели.
В-третьих, достигнута высокая точность проверки Квантовой электродинамики. Эта теория описывает взаимодействие света и вещества. Зная теперь точный радиус протона, ученые смогли сравнить предсказания КЭД с результатами эксперимента. В итоге расхождение составляет всего 0,7 части на триллион. Это самая строгая проверка КЭД для связанных квантовых систем в истории науки».
Обозреватели уже отметили: «Теперь, когда этот параметр (радиус протона. – В.А.) надежно зафиксирован, водородная спектроскопия превращается из инструмента измерения размера ядра в инструмент поиска аномалий. Любое отклонение от предсказаний КЭД в будущих экспериментах с водородом или дейтерием теперь нельзя будет списать на неопределенность размера протона. Это значительно повышает чувствительность методов к поиску экзотических явлений, таких как темная материя или взаимодействия, выходящие за рамки Стандартной модели. Кроме того, новое измерение позволит уточнить постоянную Ридберга – одну из важнейших физических констант, связывающую микромир атомной физики с макромиром фундаментальных сил».
Апофеоз точности
Необходимо сказать хотя бы несколько слов о точности проведенных экспериментов по определению радиуса протона.
Вместо исследования газа в закрытой ячейке ученые создали пучок атомов водорода, охлажденный до температуры 4,8 Кельвина (около –268 °C). Холодные атомы движутся медленнее, что позволяет лучше контролировать их взаимодействие со светом.
Для возбуждения атома использовался лазер с длиной волны 410 нанометров. Луч лазера направлялся на атомы, отражался от зеркала и возвращался обратно по тому же пути. В такой конфигурации атом поглощает два фотона, летящих с противоположных направлений. Их импульсы компенсируют друг друга, и влияние скорости атома на поглощаемую частоту устраняется (доплеровский сдвиг первого порядка исчезает).
На достигнутом уровне точности (триллионные доли) физикам пришлось учитывать эффекты, которые ранее игнорировались. Один из них – сдвиг частоты из-за светового давления. Даже в конфигурации со встречными пучками фотоны передают атому механический импульс, изменяя его траекторию. Атомы начинают вести себя не как частицы, а как волны материи. Команда из Института квантовой оптики общества Макса Планка разработала математическую модель этого процесса и внесла соответствующие поправки в результаты.
Протон нам только снится
Итак, если светлые перспективы водородной спектроскопии более или менее понятны, то «конструкция» самого атома водорода и внутреннее «устройство» протона – не менее интригующие объекты фундаментальных физических исследований.
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».
Мне уже приходилось отмечать, что внутри протона – того самого кирпичика, из которого состоит все вокруг и внутри нас, – скрывается умопомрачительный таинственный мир (см. «НГ-науку» от 25.06.25). То есть, подчеркнем еще раз, 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, словно искры в костре.
Физики впервые смогли «заглянуть» в недра протона и описать этот хаос из кварков и глюонов. Это открытие не просто красиво – оно помогает понять, почему материя вообще существует и как работает Вселенная на самом фундаментальном уровне.
Напомню. 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.
|
|
Дмитрий Менделеев пытался объяснить природу химического взаимодействия исходя из законов механики. Почтовая карточка начала ХХ века |
В 2019 году физики из Массачусетского технологического института (MIT) впервые смогли вычислить распределение давления в протоне и обнаружили, что ядро частицы находится под давлением, превышающим давление в нейтронных звездах. Чтобы было понятно, о каких величинах идет речь: одна чайная ложка материала нейтронной звезды весит примерно в 15 раз больше, чем Луна.
Для измерения давления в протонах ученые бомбардировали пучками электронов мишени из водорода. Там электроны взаимодействовали с кварками внутри протонов из мишени. Затем физики определили распределение давления по протону, основываясь на том, как электроны рассеиваются в мишени. Их результаты показали, что наивысшее давление в протоне составляет около 1035 паскалей, что в 10 раз больше давления внутри нейтронной звезды.
«Давление – это фундаментальный аспект протона, о котором мы очень мало знаем в настоящее время, – подчеркивал ведущий автор работы, доцент кафедры физики в MIT Фиала Шанахан. – Теперь мы обнаружили, что кварки и глюоны в центре протона создают значительное внешнее давление, а дальше к краям возникает ограничивающее давление. С этим результатом мы движемся к полной картине структуры 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».
Интересно, что в 2024 году в журнале Reviews of Modern Physics специалисты из Лаборатории Джефферсона сообщили, что им удалось впервые составить карту распределения сильного взаимодействия внутри протона, то есть 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 тонны.
Хорошая иллюстрация к сказанному: протон живет очень долго; если он вообще распадается, то он живет дольше, чем 1033 года – это много больше времени жизни Вселенной. И это дает хорошее представление о циклопической мощности сильного взаимодействия внутри исчезающего малого объекта – протона.
«В случае с внутренностями протона запутанность возникает на трудновообразимых расстояниях в одну квадриллионную долю метра или меньше и является коллективной характеристикой», – отмечал один авторов работы профессор Мартин Хентшински.
Собственно, самая мощная из четырех фундаментальных сил в природе, сильное взаимодействие, и действует только на расстояниях, сравнимых с размерами атомного ядра. 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.
И это, как ни странно, объяснимо вполне. Ведь протон и электрон в атоме водорода притягиваются с силой, которая составляет всего лишь 4х10–40 от силы их электростатического притяжения. Силы тяготения неизмеримо слабее сил, действующих в ядрах атомов (ядерных сил).
Объективность вещества
Любопытно, что еще во второй половине XIX века Дмитрий Иванович Менделеев пытался оценить величины межмолекулярных сил гравитационного взаимодействия для объяснения химизма реакций. В наследии выдающегося химика есть, например, такие работы: «О приложимости третьего закона Ньютона к механическому объяснению химических замещений и о формуле бензола» и «Попытка приложения к химии одного из начал естественной философии Ньютона». В статье «О наблюдениях Бели и о крутильных весах» (1873) Менделеев обсуждает эксперименты Генри Беля по определению плотности Земли с крутильными весами, ссылаясь на закон всемирного тяготения Ньютона и проверяя его применимость для разных тел на малых расстояниях.
То есть Дмитрий Иванович старался объяснить саму природу химического взаимодействия на том фундаментальном уровне, который был доступен в его время. Тут можно заметить, что Дмитрий Иванович до конца жизни не признавал существования электрона, не понял трудов по радиоактивности, хотя ознакомился с ними в 1902 году в лаборатории Пьера и Марии Кюри в Париже. В своей работе «Попытка химического понимания эфира» (1905) он настаивал: «Всякое представление о дроблении атомов должно считать, по моему мнению, противоречащим современной научной дисциплине». Любопытное психологическое объяснение этому факту мы можем найти у старшего ровесника Менделеева – Александра Ивановича Герцена.
Как будто предвидя будущие затруднения у Менделеева – впрочем, не только у него – с принятием учения о радиоактивности, Герцен в «Письмах об изучении природы» (1846) настаивал: «Механическое рассматривание природы, несмотря на колоссальный успех ньютоновой теории, не могло удержаться; первый сильный протест против исключительно механического воззрения раздался в химических лабораториях. Химия осталась вернее настоящей бэконовской методе, нежели все отрасли естественных наук; эмпирия царила в ней – это правда, но она оставалась почти во всем свободной от рассудочных теорий и насильственных притеснений предмета; химия добросовестно и самоотверженно склонялась перед признанной ею объективностью вещества и его свойств».
Интересно, как бы отреагировал первооткрыватель Периодического закона химических элементов на нынешний уровень экспериментальной и теоретической базы фундаментальной науки, когда «объективность вещества и его свойств» становится не наблюдаемой непосредственно. Вот только один пример.
Электрон – элементарная частица, отвечающая за перенос электромагнитного взаимодействия. Существующие теории предполагают, что электрон должен иметь практически идеальную сферическую форму. Однако провести точные измерения этого параметра невероятно сложно. Как отмечалось в пресс-релизе Имперского колледжа Лондона, подготовка и проведение эксперимента заняли около 10 лет. С помощью лазерной системы ученые измеряли малейшие колебания, которые совершали находящиеся в молекулах фторида иттербия электроны. В итоге было установлено, что отклонения от идеальной сферической формы в электроне не превышают 10–28 см. Если увеличить размер электрона до размеров Солнечной системы, то размер отклонений окажется меньше толщины человеческого волоса.
