Слайд 8
Молекулы бывают разные, но типичная энергия связи молекулы — это 1 электрон-вольт, и дефект массы, то есть отношение разницы масс к суммарной массе, очень мало — одна миллиардная. Это означает, что молекулы, в сущности, страшно рыхлые, а тем не менее вся химия, жизнь, всё на свете основано на этой 10-9. У белков энергия связи ещё меньше, именно из-за этого белки имеют столько разновидностей, конформаций и так далее.
Теперь мы идем на более мелкий уровень, видим атомы. Атом — это ядро и витающие вокруг электроны. Электроны тоже связанны, там энергия связей типичная на порядок больше — 10 электрон-вольт, то есть атом крепче завязан, чем молекула и, соответственно, дефект массы 10-8. Дальше мы идем ещё глубже, там ядра — это связанное состояние протонов и нейтронов, и там энергия сразу резко увеличивается. Вы видите на слайде 8, она скачет сразу до 10 МэВ — мега-электрон-вольт, в миллион раз. Одним скачком энергия связи увеличивается в миллион раз. И тут дефект массы уже вполне чувствительный, он составляет примерно 0,001 — это означает, что, измерив массу всех составляющих протонов и нейтронов, а потом склеив их в ядро, получим разницу на одну тысячную. И это, конечно, вполне заметный эффект.
На энергии связи один электрон-вольт или в лучшем случае десяти электрон-вольт работает всё органическое топливо, а на энергии, которая в миллион раз больше, работает ядерная энергетика. Поэтому атомной электростанции нужно в миллион раз меньше топлива, чтобы выдать ту же энергию, чем если б сжигать уголь или мазут.
Как видите, вся история науки состояла в том, чтобы мы занимались самыми разнообразными связанными стояниями, и всегда сумма масс составляющих была больше, чем целого. И вот мы доходим до последнего связанного состояния — это протоны и нейтроны, которые сделаны из трёх кварков, и тут, оказывается, всё наоборот! Масса протона 940 МэВ — см. слайд 9. А масса составляющих кварков, то есть двух u и одного d, — складываем 4+4+7 и получаем всего 15 МэВ. Значит, сумма составляющих масс не больше целого, как привычно, а меньше, и не просто меньше, а в 60 раз меньше! То есть мы впервые в истории науки встречаемся со связанным состоянием, в котором всё наоборот в сравнении с привычным.
Слайд 9
Спрашивается тогда, откуда же эта масса взялась 940 МэВ, если я беру, составляю протон из кварков и получаю только 1/60 от того, что требуется? Вот это и есть тот вопрос, который я поставил в заглавие лекции, и оставшееся время про это поговорю. Я хочу напомнить вам, что масса нашего тела на 99 целых и 95 сотых процента определяется массой протонов и нейтронов. Массу дают они. Электроны очень лёгкие и вносят только 5 сотых процента в массу нашего тела. Поэтому вопрос, откуда у протона масса, — это, в сущности, вопрос из чего мы сделаны. В каждом из нас в этом зале около 2.1028 протонов и чуть больше нейтронов.
Вопрос из зала: Фотоны массу не дают?
Дмитрий Дьяконов: Фотоны массу не дают. Вот ещё одна жуткая вещь. Я перечислял разные связанные состояния от молекулы до ядра, и когда мы говорим, что это связанные состояния, то мы подразумеваем, что если шмякнуть очень сильно, допустим, по электрону в атоме, то произойдет то, что называется ионизацией — электрон выскочит из атома. То есть всегда, затратив некоторую энергию, а вы уже грамотные — это и есть энергия связи, — можно разорвать целое на составляющие. А с кварками не так.
Считается, что между кварками, если пытаться их развести, действует очень большая сила, см. слайд 10. Я когда-то, можно сказать, довольно давно, перевёл единицы измерения, которые мы употребляем в физике элементарных частиц, в общечеловеческие. И с интересом обнаружил, что сила, которая действует между кварками, составляет в человеческих единицах 14 тонн! Это очень много. Это два КАМАЗа могут тянуть какую-то цепь с такой силой. А теперь представьте, что это всё сосредоточенно в микроскопическом объеме, и такая дикая сила действует между кварками. И второй парадокс: во всех фундаментальных взаимодействиях, что я вам перечислял, силы убывали с расстоянием. А здесь сила 14 тонн вообще не убывает с расстоянием, она всё время одна и та же! Мы называем это струной, которая натягивается между кварками.