кулон

Вода в стакане кажется сплошной, но на самом деле это динамический танец триллионов молекул, которые непрерывно рвут и создают химические связи. Увидеть этот танец во всех деталях раньше было невозможно: точные расчёты, учитывающие квантовые свойства электронов — их волновую природу и вероятностное распределение, — справлялись лишь с крошечными системами в сотни атомов.

В 1994–1995 годах на ускорителе LEP (Large Electron-Positron collider) сталкивали электроны и позитроны, рождая Z-бозоны — переносчики слабого взаимодействия, которые почти мгновенно распадались на ливни частиц.

Электрический заряд — величина ускользающая. Мы можем измерить полный заряд Вселенной или заряд отдельной частицы, но попытка указать пальцем: «Вот здесь, в этом кубическом сантиметре, прямо сейчас находится столько-то заряда» — наталкивается на фундаментальное препятствие.

Капля за каплей из крана — или ровная струя без единого всплеска. Примерно так выглядят два режима тока в сверхпроводящем контакте. Только роль воды играют куперовские пары — связанные электроны, которые движутся без сопротивления. В одном пределе пары просачиваются по одной, как редкие капли: ток идёт, но с потерями. В другом — льются единым потоком, совсем без трения.

Когда массивные тела движутся с ускорением — скажем, две звезды кружатся друг вокруг друга, — пространство вокруг них не остаётся спокойным. Оно дрожит, как поверхность пруда от брошенного камня. Эти дрожания называют гравитационными волнами. Они уносят энергию прочь, и источник постепенно теряет массу.

Крошечный кристалл из заряженных атомов, пойманный в ловушку, дрожит от тепла. Каждый ион колеблется, как шарик на пружинке, и эти колебания мешают использовать кристалл для точных квантовых операций. Обычно лишнюю энергию убирают лазером — луч бьёт по ионам и тормозит их движение, словно поток воздуха, гасящий маятник. Но когда в кристалле десятки ионов, возникает неожиданный эффект.

Атомное ядро редко бывает идеальным шаром. Чаще оно похоже на слегка помятый мяч — электрический заряд внутри распределён неравномерно, и протоны могут чуть смещаться, создавая крошечную «грушевидную» выпуклость.

Фейерверк вспыхивает, и одна точка рассыпается сразу четырьмя искрами. Похоже ведёт себя Z-бозон — частица, переносящая слабое взаимодействие, — когда распадается на четыре заряженных лептона (электроны или мюоны). Процесс крайне редкий: на миллион рождений Z-бозона приходится лишь около пяти таких событий.

Монета падает ребром — примерно так же редко тяжёлый B-мезон распадается на лёгкий пион и пару электрон-позитрон. За десятилетие работы коллайдера таких событий набралась лишь горстка, но физики наконец смогли их разглядеть. Вероятность распада составила около 2,4×10⁻⁸.

Капля воды в сильном электрическом поле вытягивается. Так же ведёт себя и ядро дейтерия — связанная пара из протона и нейтрона, только поле здесь создаёт пролетающий гамма-квант, а вместо вытягивания ядро может просто развалиться на части. В Шанхайской лаборатории SLEGS этот процесс впервые изучили на густой сетке энергий — от 2,33 до 19,65 МэВ — и записали, как часто ядро не выдерживает.

Если положить каон в электрическое поле, он слегка растянется, как воздушный шарик, который потёрли о шерсть. Этот отклик — электрическая поляризуемость — показывает, насколько жёстко устроена частица внутри. Для заряженного каона её измерили впервые, и число получилось таким: около одной десятитысячной доли объёма, занимаемого протоном.

При столкновении тяжелых ядер на ускорителях рождается множество частиц, и физики хотят понять, как в этом хаосе перемещается электрический заряд. Два поезда врезаются друг в друга: пассажиры (кварки) разлетаются, но их багаж (заряд) может оказаться далеко от места крушения.

В 1978 году физики бомбардировали мишень пучком ионов и измеряли, как быстро те тормозятся в веществе. По доплеровскому сдвигу гамма-квантов они вычисляли время жизни возбуждённых состояний ядра. Для железа-58 получилось значение, которое не согласовывалось с расчётами по оболочечной модели ядра.

Крошечная стеклянная сфера парит в луче лазера, как пылинка в солнечном свете. Внутри неё — радиоактивный свинец, который время от времени распадается. Каждый распад выбрасывает заряженные частицы, и сфера теряет или приобретает крошечный электрический заряд.

Капля металла на полупроводнике — как остров в море. Электрон, чтобы попасть на этот остров, должен заплатить «пошлину»: преодолеть барьер, который возникает из-за того, что остров крошечный, и каждый лишний заряд сильно меняет его энергию. Это явление называют кулоновской блокадой. Оно лежит в основе одноэлектронных транзисторов, где ток течёт по одному электрону.

Ядро дейтерия, или дейтрон, можно представить как микроскопический волчок. Если распределение зарядов внутри него не идеально симметрично, то во внешнем электрическом поле этот волчок испытывает крошечный наклон оси вращения.

В огромном ускорителе частиц, где протоны на скорости, близкой к световой, врезаются в неоновую мишень, рождаются очарованные барионы — частицы, которые живут меньше миллиардной доли секунды. Учёные из коллаборации LHCb впервые сумели измерить, как эти частицы «крутятся» — точнее, как направлен их спин, — и обнаружили неожиданную разницу между частицами и их зеркальными двойниками.

Ядро атома обычно имеет чёткую форму — вытянутую, как дыня, или сплюснутую, как тыква. Но кремний-30 ведёт себя иначе: он словно не может решить, каким быть. В эксперименте пучок ядер кремния-28 и кремния-30 направляли на мишень из циркония-90 при энергиях вблизи кулоновского барьера — той границы, где ядра уже почти соприкасаются, но ещё не сливаются.

В ускорителе частицы сталкиваются, и на краткий миг рождается D-мезон — частица, которая живёт меньше, чем нужно свету, чтобы пересечь песчинку. Она тут же разваливается на более лёгкие осколки: каон, лептон и нейтрино. Физики впервые измерили, в какую сторону чаще летят осколки, и нашли перекос — будто монетка после подбрасывания чуть чаще падает орлом.

Нейтрон — частица без заряда, но с внутренним устройством. Как мяч, который снаружи кажется гладким, а внутри имеет сложную начинку. Учёные давно хотят понять, как распределены внутри нейтрона электрические и магнитные силы. Для этого его нужно «прощупать» — столкнуть с античастицей и посмотреть, что получится.

В тихой лаборатории на столе стоит прибор размером с микроволновку. Внутри него катушка плавно скользит вверх и вниз, а компьютер считывает электрические сигналы. Так выглядит настольная версия весов Ки-Блеза — устройства, которое связывает массу с квантовыми константами. Раньше такие весы занимали целую комнату и требовали команды инженеров.

Алмаз — не просто украшение. Этот кристалл может проводить электричество, когда в нём появляются свободные носители заряда: электроны и дырки. Но как быстро они движутся? В научных статьях числа разнятся в десятки раз. Одна лаборатория сообщает скорость 1000 см²/(В·с), другая — 4000.

После укола под кожу лекарство не просто растекается, как чернила в воде. Молекулы антител несут на себе электрический заряд, и этот заряд заставляет их взаимодействовать с окружающими тканями — примерно как магнит притягивает или отталкивает железные опилки.

Измеренный дипольный момент тантала-181: 3,39 × 10⁻³² e·см — как заметить смещение на один атом в масштабе Солнечной системы. В типичном атомном ядре распределение заряда сферически симметрично, подобно идеально отцентрированному волчку.