Млечный Путь, 21 век, No 2(47), 2024

Это первый шаг: верхние и нижние кварки соединятся вместе, образуя протоны и нейтроны. Причина проста: верхние и нижние кварки имеют электрические заряды +⅔ и -⅓ соответственно, поэтому на очень малых расстояниях электромагнитные силы отталкивают одинаковые заряды. Однако вы не можете раздвинуть их слишком далеко друг от друга, иначе сильное ядерное взаимодействие станет большим, заставив эти частицы снова "сцепиться" вместе точно так же, как сжимается растянутая пружина.

Так почему же протоны и нейтроны получаются только от верхних и нижних кварков? Для создания нейтрального по цвету объекта требуется три фермиона (а кварки - это фермионы), поэтому у вас может быть либо два верхних и один нижний кварк (протон), либо один верхний и два нижних кварка (нейтрон). У вас не может быть трех верхних или трех нижних кварков, потому что есть еще одно правило: принцип исключения Паули, который не позволяет двум идентичным фермионам иметь одно и то же квантовое состояние.

У кварков есть спин, поэтому в протоне или нейтроне могут быть два одинаковых фермиона, если один имеет спин "вверх", а другой "вниз", но нет никакого способа вместить туда третий кварк того же типа. Сильные и электромагнитные силы вместе объясняют, почему существуют протоны и нейтроны. Отдельные протоны и нейтроны - бесцветные объекты: единственный допустимый тип кваркового состояния во Вселенной сегодня.

Хотя сильное взаимодействие осуществляется безмассовыми (глюонными) частицами, единственная сила, существующая между отдельными связанными состояниями, обусловлена мезонами, которые сами по себе довольно массивны, что сильно ограничивает диапазон действия сильного взаимодействия.

Из протонов и нейтронов Вселенная может построить более крупные и массивные атомные ядра. Опять же, здесь вступают в игру сильные и электромагнитные силы. Под действием электромагнитной силы протоны будут отталкивать друг друга, а нейтроны не будут ни притягивать, ни отталкивать протоны или другие нейтроны. Однако сильное ядерное взаимодействие действует между всеми объектами с цветовым зарядом, и если вы расположите протоны и/или нейтроны достаточно близко друг к другу, кварки внутри одного объекта "увидят" кварки внутри другого объекта, что позволит им обменяться глюонами и испытать сильное ядерное взаимодействие. В целом, протоны и нейтроны нейтральны по цвету, поэтому на больших расстояниях от них сильное ядерное взаимодействие падает до нуля, и им можно пренебречь. Но на очень близких расстояниях "пружинистость" между ближайшими кварками как в протон-протон, нейтрон-нейтрон, или пара протон-нейтрон становится существенным.

Пока возникают подходящие условия - то есть достаточно высокие температуры и плотности - и полученная комбинация протонов и нейтронов устойчива к радиоактивному распаду, вы можете получить множество тяжелых, стабильных атомных ядер. Слияния нейтронных звезд, столкновения белых карликов и сверхновые с коллапсом ядра могут позволить нам подняться даже выше.

Большой взрыв дал нам почти весь водород и гелий во Вселенной и почти ничего из всего остального. Большинство элементов в той или иной форме выковано в звездах.

Все стабильные атомные ядра заряжены положительно, тогда как электроны (оставшиеся из ранней Вселенной после того, как все позитроны аннигилировали вместе с большей частью электронов, покинув нейтральную Вселенную) заряжены отрицательно. Электроны не испытывают сильного ядерного взаимодействия, но испытывают электромагнитное взаимодействие. Они будут притягиваться к атомным ядрам из-за того, что противоположные электрические заряды притягиваются, и они могут образовывать связанные состояния, когда электроны выходят на различные орбитали вокруг каждого атомного ядра. Поскольку электроны намного легче атомных ядер (для массы одного протона требуется 1836 электронов), ядра находятся относительно неподвижно в центрах каждого атома, в то время как электроны вращаются вокруг них на высоких скоростях в облачных конфигурациях.

Правила квантовой механики (и опять-таки принцип исключения Паули играет важную роль) определяют, какие конфигурации и формы принимают электронные оболочки, что, в свою очередь, определяет, как атомы различных типов будут связываться друг с другом. Только благодаря сильным и электромагнитным взаимодействиям мы получаем самые разнообразные атомы.

Теперь, при гораздо более низких температурах, атомы могут соединяться практически в бесконечных комбинациях. Хотя сами атомы электрически нейтральны, они состоят из положительных и отрицательных зарядов. При некоторых обстоятельствах один или несколько электронов могут быть переданы от атома, который свободно удерживает свои внешние электроны, к атому, который стремится приобрести дополнительные электроны, создавая ионы и ионные соединения. При других обстоятельствах нейтральные атомы могут соединяться друг с другом, образуя неограниченное разнообразие комбинаций и связей, в результате чего образуются молекулы. И как только ионы, соединения и молекулы образуются, они могут взаимодействовать.