Химические элементы — это те кирпичики, из которых строится материя. К началу восемнадцатого века было открыто около 15 элементов, некоторые из них были хорошо известны — в основном это металлы (железо, медь) или вещества, использовавшиеся в тогдашнем кустарном производстве (сера, фосфор). Начиная с 1700 года и далее химия постепенно усложнялась и становилась более рациональной, полностью вытесняя алхимию. Ученые открывали все новые и новые элементы. Химические элементы в силу самой своей природы щедро рассеяны по всей нашей планете, они содержатся в почве, воздухе и воде. Но впервые обнаружить тот или иной элемент можно где угодно — это дело случая. В 1825–1826 годах французский химик Антуан Жером Балар (1802–1876) нашел элемент бром в морской воде — в своей лаборатории в Монпелье. Примерно в то же время немец Карл Якоб Лёвиг (1803–1890) нашел тот же элемент в минеральных солях.

Но есть на Земле один маленький уголок, который породил сразу семь химических элементов. В 1794 году финский ученый Юхан Гадолин (1760–1852) обнаружил в каменоломне на шведском острове Ресарё химический элемент, который он назвал иттрий — в честь расположенной рядом деревни Иттербю. За последующие сто лет в той же самой каменоломне были найдены еще шесть элементов. Видимо, от недостатка воображения и давая тем самым повод для путаницы три из них назвали в честь все того же населенного пункта — тербий, эрбий и иттербий. Когда в конце XIX века в тех краях нашли новые элементы, химики наконец напрягли фантазию и назвали их гадолиний (в честь Юхана Гадолина), гольмий (от Holmia, латинского названия Стокгольма) и, наконец, тулий — от Туле, старинного латинского обозначения скандинавских стран.

В английском языке ускоритель частиц называется «atom-smasher» — от слова «smash», что означает «крушение, столкновение». Многие обыватели, слыша это слово, представляют себе устройство, которое с огромной силой сталкивает атомы друг с другом, в результате чего они разваливаются и мы видим, что у них внутри. Во время экспериментов с ускорителем частиц и впрямь происходит нечто подобное. Атомы, а точнее, входящие в их состав частицы — электроны и протоны — в самом деле движутся друг навстречу другу на необычайно высокой скорости; они действительно сталкиваются; и эти столкновения, что греха таить, приводят к появлению целого ряда новых частиц, которых прежде в ускорителе не было и которые выделились «изнутри» атомов.

Представьте себе два двухэтажных автобуса, мчащихся навстречу друг другу на большой скорости. Столкнувшись, они рассыпаются на отдельные сиденья, двигатели, колеса, окна и — придется признать — пассажиров и водителей. Но в случае с ускорителями все выглядит совсем не так. Физики строят ускорители, чтобы получить столкновения частиц все больших и больших энергий и при этом создать частицы, которых раньше никто никогда не «видел». Результаты таких столкновений могут оказаться столь же поразительными, как если бы при аварии двух двухэтажных автобусов образовались бы белый «Форд Мондео», черный мотоцикл «Харлей Дэвидсон», электрическая кухонная плита, три деревянных обеденных стола, сотня чашек, шесть корзин с продуктами из супермаркета и тонна мела.

Вы спросите: почему так происходит? Если эксперимент проходит благополучно, столкновения происходят на такой скорости, что вся масса частиц преобразуется в энергию. Одно из важнейших открытий Эйнштейна заключается в том, что масса и энергия эквивалентны и, таким образом, одно можно «обменять» на другое. Его уравнение е=тс² — это, вообще говоря, обменный курс, ну как обменный курс фунта стерлингов и доллара, который можно выразить формулой £=$с², где с — это 1,25, и соответственно с² — это 1,56, то есть вы можете обменять фунт стерлингов на 1,56 доллара. Обменяв на доллары 100 фунтов, вы можете затем обменять полученные 156 долларов на любую другую валюту, и уже совершенно не важно, что начинали вы с фунтов.

Так, первым результатом столкновения частиц становится исчезновение самих частиц, точно так же, как исчезают ваши фунты. Они заменяются всплеском энергии — или пачкой долларов. За этим событием немедленно следует преобразование энергии в частицы. Поскольку всплеск энергии не обладает «памятью» о частицах, изначально участвовавших в столкновении, он волен преобразовываться в абсолютно любые частицы, лишь бы только соблюдался «обменный курс» между энергией и массой. Если проводить этот эксперимент достаточно часто, то среди частиц, образовавшихся в результате столкновений и всплесков энергии, могут появляться новые типы частиц, которых вообще не существует в нашей с вами сегодняшней Вселенной. Вооруженные этим знанием, физики пытаются при помощи ускорителей частиц воссоздать условия, существовавшие в первые мгновения жизни Вселенной (см. главу «Вселенная — это вам не сарай»), когда, по их мнению, происходило то же самое: самые разнообразные частицы создавались и разрушались в результате колоссального всплеска энергии.

Когда задумываешься, сколько денег и интеллектуальных усилий тратится на постройку ускорителей частиц (см. главу «Что ускоряет ускоритель частиц?»), чья единственная цель — выявлять мельчайшие частицы материи, может показаться удивительным, что одну из самых крошечных и легких частиц — нейтрино — может наблюдать каждый, у кого есть глаза. Да и одного глаза, в принципе, достаточно.

Нейтрино — странные частицы, гораздо более загадочные, чем заурядные составляющие материи, такие, как протоны, нейтроны и электроны. У этих трех типов частиц есть какая-никакая масса. Хотя электрон в две тысячи раз легче протона или нейтрона, все равно его масса поддается измерению. Однако нейтрино настолько легче даже электронов, что долгие годы никому не удавалось их обнаружить. Ученые верили, что эти частицы существуют, поскольку без них не сходились некоторые физические уравнения, вот только никак не находилось способа продемонстрировать их существование. Отчасти проблема заключалась в слишком маленькой массе нейтрино. Грубо говоря, у них вообще нет массы. Вспомните, насколько ничтожны массы «нормальных» атомных частиц, — так вот, нейтрино «весит» как минимум в 10000 раз меньше, чем электрон.

И что же в результате? А в результате вот что: если нейтрино встретится с обычной материей, оно пройдет сквозь нее и окажется по другую сторону. Удивительно, не правда ли? Разве такого вы ожидали? Представьте себе, что в один пистолет зарядили пулю, а в другой — зернышко арахиса и потом выстрелили из обоих стволов в бетонный блок. Наверняка вы рассчитываете, что более тяжелый объект, пуля, пройдет насквозь, а арахис — нет. А в мире элементарных частиц сквозь стенку проходит именно арахис! В чем же ключ к разгадке поведения нейтрино? В том, что так называемое «твердое» вещество, по сути, представляет собой пустоту (см. главу «А почему это мы должны проваливаться сквозь пол?»). Однако некоторые компоненты этих «пустых» атомов обладают электрическим зарядом, так что, если вы, допустим, выстрелите протоном, представляющим собой заряженную частицу, в скопление атомов, рано или поздно он сблизится с этими компонентами настолько, что их электрические заряды заставят протон отклониться от траектории, а то и вовсе захватят его. Нейтрино же не только фактически лишено массы, оно еще и обладает очень малым электрическим зарядом — возможно, в тысячу раз слабее, чем электромагнитные силы, которые влияют на более массивные и сильнее заряженные атомные частицы. Нейтрино хоть и «дефективно» в смысле массы и заряда, зато оно способно пройти сквозь слой свинца толщиной в световой год и вынырнуть с той стороны целым и невредимым.

Хотя нейтрино крайне редко вступают во взаимодействие с другими частицами, поверхности Земли постоянно достигают все новые нейтрино с Солнца. На каждый квадратный сантиметр освещенной Солнцем поверхности Земли каждую секунду прибывают 70 миллиардов нейтрино. Львиная их доля проходит сквозь толщу нашей планеты и оказывается с другой стороны, однако при определенных обстоятельствах нейтрино вступают во взаимодействие с веществом Земли, и в результате образуется электрон, движущийся быстрее скорости света.