8. Кирпич без кирпичей

Встань на весы. Допустим, семьдесят килограммов. Кажется, что это просто сумма: сложи вес всех деталей, из которых ты сделан, и получишь то же число. Для органов это верно, для молекул и атомов почти верно, для протонов и нейтронов в ядрах тоже почти. А на следующем шаге вниз сумма перестаёт сходиться. Кварки, из которых собраны протоны и нейтроны, сами по себе почти ничего не весят: их собственной массы на всё твоё тело набирается примерно на пакет сахара. Электроны добавят ещё несколько чайных ложек. Остальное — не вес деталей, а то, что между ними происходит.

Ступенькой выше протоны и нейтроны были кирпичами: из них складывали ядра, не спрашивая, что у кирпича внутри. Теперь кирпич можно просветить насквозь. Внутри протона три кварка, два одного сорта и один другого, и поле, которое их держит. Частицы этого поля называют глюонами, от английского слова «клей», и клей этот особый: он липнет сам к себе. Но и три кварка — упрощение. Вокруг них всё время рождаются и тут же исчезают пары из кварка и антикварка, его двойника с обратными зарядами, так что изнутри протон похож не на три шарика, а на кипящую кастрюлю, в которой три кварка просто всегда оказываются в избытке.

Вес протона берётся из этого кипения. Кварки мечутся почти со скоростью света, поле между ними натянуто и полно энергии, а энергия, запертая в малом объёме, весит: масса и энергия — одно и то же, записанное в разных единицах. Поэтому протон примерно в сто раз тяжелее трёх своих кварков. В ядре было наоборот: слипшиеся протоны и нейтроны весят чуть меньше, чем порознь. Здесь целое во много раз тяжелее частей, и почти весь его вес — движение и поле.

Поле Хиггса, про которое говорят, что оно даёт массу всему, отвечает здесь только за собственную массу кварков, тот самый пакет сахара. Если добавить кварки из кипящих пар, его доля вырастет до нескольких процентов, может быть до десятой части, и пакет сахара превратится в несколько килограммов. Точнее пока не скажет никто: расчёты на суперкомпьютерах и разбор опытов тут расходятся. Остальное можно по-разному разнести по строчкам «движение» и «поле», и проценты зависят от того, как резать. Но если выписать массу протона как чек, строчка «материалы» в нём при любой раскладке останется маленькой.

Что вес протона берётся из кипения, проверили без весов. В 2008 году группа физиков дала суперкомпьютеру правила, по которым живут кварки и глюоны, настроила его по нескольким другим частицам, и машина сама нашла массу протона. Она совпала с измеренной с точностью до нескольких процентов. Позже так же посчитали, почему нейтрон чуть тяжелее протона. Будь протон тяжелее, он сам распадался бы в нейтрон, водород не удержался бы, и не было бы ни воды, ни звёзд вроде Солнца.

Второе, чего нет у частей, — отдельность. Протон можно поймать в ловушку и держать сколько угодно: насколько известно, он не распадается вообще. Кварк отдельно не существует. Попробуй его вытащить: между ним и остальными натянется нить глюонного поля, и тянуть она будет с силой около четырнадцати тонн, как гружёный самосвал на тросе. Сила эта не слабеет, сколько ни отводи. Примерно на размере самого протона в нити накапливается столько энергии, что из неё рождается новая пара, кварк и антикварк, нить рвётся, и на каждом конце оказывается целая частица. Так пилят магнит, чтобы достать северный полюс, и получают два магнита.

Что внутри есть части, узнали ударом. В конце шестидесятых в Стэнфорде трёхкилометровый ускоритель стрелял электронами в жидкий водород, то есть в протоны. Ждали, что протон — мягкое облачко заряда и электроны пройдут сквозь него, как пули сквозь туман. А они отлетали под большими углами куда чаще, чем должны были. Полвека с лишним раньше тот же ход привёл Резерфорда к ядру: если пули отскакивают от стога сена, в стоге есть камни.

Летом 1968 года в Стэнфорд приехал Фейнман и объяснил картину: внутри протона сидят точечные части, и электрон бьёт по одной из них, как по свободной. Он назвал их партонами, от английского «часть». Вскоре стало ясно, что партоны и есть кварки, которые незадолго до того придумали на бумаге и которые многие считали удобной математикой. Почему при ударе кварк ведёт себя как свободный, а вылететь не может, поняли через пять лет: вблизи клей почти не держит, а издали не отпускает.

Появились протоны в первые мгновения после Большого взрыва, когда кипящая каша из кварков и глюонов остыла и постепенно, без резкой границы, собралась в частицы. Новых с тех пор почти не прибавилось, так что протоны в твоём теле старше Земли. Эту кашу сумели сварить снова. Сталкивая тяжёлые ядра на ускорителях в Брукхейвене и в ЦЕРНе, физики расплавили протоны и получили не россыпь кварков, а жидкость, почти лишённую внутреннего трения.

Развилки здесь нет. Протон — часть ствола: под ним поля, над ним ядро. Ядро держит остаток той же силы, что запирает кварки: снаружи протона она почти гасится, но соседям вплотную хватает и остатка, как молекулы воды, нейтральные в целом, всё равно липнут друг к другу. Протоны и нейтроны ещё встретятся в книге в мёртвых звёздах, где тяжесть сжимает их так же тесно, как в ядре, а в самой сердцевине, возможно, и теснее. А внизу остаётся вопрос про тот самый пакет сахара и ложки электронов: откуда у них вообще есть масса. Ответ приходит из места, где, казалось бы, нет ничего.