Ирина Радунская - Безумные идеи
Так в результате совместных усилий теоретиков и экспериментаторов число «кирпичей мироздания», сильно уменьшившееся после отречения от этой роли атомов, снова возросло. В начале тридцатых годов к семье элементарных частиц принадлежали: фотон, пара – нейтрино и антинейтрино, пара – электрон и позитрон и две «тяжелые» ядерные частицы – протон и нейтрон.
Находки и разочарования
Картина строения материи снова приобрела заманчивую ясность, но вопрос о причинах устойчивости атомных ядер оставался нерешенным. Никакое из двух известных силовых полей: ни гравитационное (поле тяготения), ни электромагнитное не могли удержать одноименно заряженные протоны и нейтральные нейтроны внутри ядра, размер которого составляет примерно стотысячную долю от миллиардной части сантиметра.
В 1932 году советский физик Тамм высказал предположение, что, может быть, электроны являются источниками еще неизвестного неэлектромагнитного поля, придающего ядру атома столь прочное строение. Может быть, электроны – это кванты поля, с которым связаны ядерные силы? Но когда Тамм произвел расчет, оказалось, что поле, квантами которого могли бы быть электроны, в тысячу миллиардов раз меньше, чем действительные ядерные силы. Поскольку в то время другие частицы, кроме электронов, подходящие для роли квантов поля ядерных сил, не были известны, Тамму пришлось поставить на этом точку.
Как видно, нужно было поставить вопрос: а какова должна быть частица, дающая такое поле? И, получив на бумаге такую частицу, дать «технические условия» экспериментаторам на ее поиски. Так это и случилось. Работа Тамма была продолжена. И решающий шаг, приведший к открытию цемента, скрепляющего протонно-нейтронное ядро, сделал в 1935 году японский физик-теоретик Юкава. Он написал уравнение для ядерных частиц, чтобы с его помощью узнать, какова должна быть природа сил, скрепляющих ядро. Это уравнение в своей абстрактной математической форме объединяло колоссальную мощь теории относительности и квантовой механики. Одно из его решений давало хорошо известные фотоны – частицы электромагнитного поля с массой покоя, равной нулю. Но силы электромагнитного поля могли только расталкивать одноименно заряженные протоны. На нейтроны они просто не действуют. Это решение не годилось для получения ответа на загадки ядра.
Тогда Юкава задал уравнению другой, совершенно безумный вопрос. Не существует ли в природе еще одного поля, действующего и на протоны и на нейтроны; поля, силы которого способны преодолеть отталкивание одноименных зарядов протонов внутри ядра, но практически исчезают за его пределами?
Уравнение ответило: да, такое поле может существовать, если его частицы – неслыханное дело! – будут иметь массу покоя приблизительно равную 200 массам электрона.
У Юкавы оказались крепкие нервы. Получив такой ошеломляющий ответ, он не растерялся. Наоборот, он объявил, что из факта устойчивости ядер следует существование особого поля – поля ядерных сил, скрепляющих ядерные частицы. А если такое поле существует, то по аналогии с электромагнитным полем, которое имеет свою частицу – фотон, должны существовать и частицы, связанные и этим полем так же, как фотоны связаны с электромагнитным полем. А если эти частицы существуют и расчет дает странную оценку для величины их массы, то с этим надо примириться. Такова природа. Экспериментаторы должны искать такую частицу, сказал Юкава, и они найдут ее.
После предсказания и открытия позитрона это уже не казалось противоестественным. Работы начались. Они велись во многих странах.
Вскоре, в 1936 году, счастливец Андерсон и его сотрудник Неддермайер обнаружили, что космические частицы иногда выбивают из ядер встречных атомов частицы, масса которых равна примерно 207 массам электрона.
Это открытие потрясло мир не меньше, чем открытие планеты Нептун, существование которой было предвычислено астрономом Леверье, исходившим из расхождения видимого движения планеты Уран с существовавшими в то время расчетами. Позитрон был обнаружен случайно. Андерсон в то время не задавался целью обнаружить «дырку» Дирака. На сей раз частицу Юкавы искали и нашли. Ее назвали мезончастица со средней массой.
Теперь картина ядра рисовалась в виде облаков мезонов, внутри которых блуждают протоны и нейтроны. Поле мезонных сил надежно удерживает, ядерные частицы в тесных границах ядра. При этом ядерные частицы непрерывно обмениваются между собой мезонами.
Снова в физике наступил период ясности. Но не надолго. Подробное исследование свойств мезонов показало... что они не имеют ничего общего с частицами Юкавы.
Оказалось, что мезоны обладают таким же спином, как ядерные частицы протон и нейтрон. Отдавая или приобретая такой мезон, ядерная частица одновременно должна была бы отдавать или приобретать спин, а этого на самом деле не происходит. Значит, эти мезоны не могли играть роль частиц ядерных сил. Лишь величина их массы, близкая к предсказанной, могла служить оправданием ошибки.
Казалось, дело принимает трагический оборот. Но физики не унывали. Они верили уравнениям. Никто не считал появление неожиданных мезонов бедой. Наоборот, их засчитали в число элементарных частиц и продолжали поиски частиц Юкавы. Авторитет уравнений и изящество протонно-нейтронной модели ядра не могли быть уничтожены ошибкой экспериментаторов.
А мезоны Юкавы действительно были обнаружены в 1947 году после десятилетних настойчивых усилий. Удача пришла на этот раз к английскому ученому Поуэлу, которому пришлось заплатить за нее разработкой новой сверхчувствительной методики. Дело в том, что мезоны неустойчивы. Мезоны Андерсона, названные сперва мю-мезонами, а в недавнее время совсем изгнанные из семьи мезонов и под названием «мюоны» объединенные в общий класс с нейтрино, электронами и позитронами, распадаются через две миллионные доли секунды после своего рождения. Мезоны Юкавы, как оказалось, живут вне ядра еще много меньше. Поэтому их так трудно заметить, и первыми были обнаружены именно мюоны, неповинные в игре ядерных сил.
Мезоны Юкавы, названные пи-мезонами, явились перед Поуэлом сразу в виде семейства из трех родственных частиц. Одни из них оказались нейтральными и имеющими массу в 264 раза большую, чем масса электрона, они живут в десять миллиардов раз меньше, чем мюоны. Их заряженные родственники пи-плюс и пи-минус мезоны погибают «только» в сто раз быстрее, чем мюоны. Они на девять электронных масс тяжелее своих нейтральных братьев.
Так опыт превратил цемент теории Юкавы в прочный бетон, сделавший протонно-нейтронную модель ядра не менее реальной, чем пирамиды древности.
Были найдены и ответы на вопрос о том, почему протоны и нейтроны распадаются не во всех ядрах, а протоны в свободном полете не распадаются, в то время как нейтроны вне ядра живут совсем недолго.
Оказалось, что внутри ядер, в кипящем котле ядерной материи, связываемой мезонами, взаимные превращения протонов и нейтронов происходят всегда. Но вылет наружу электронов и антинейтрино или позитронов и нейтрино происходит лишь при особых благоприятных условиях. Такие условия возникают лишь в неустойчивых радиоактивных ядрах. После вылета из ядра электрона или позитрона, сопровождаемых антинейтрино или нейтрино, баланс протонов и нейтронов смещается на единицу. Это значит, что атом, ядро которого пережило такой распад, смещается на одну клетку в таблице Менделеева – происходит превращение элемента.
Было выяснено также, что протон, находящийся вне ядра, сопровождаемый незримым облаком мезонов, стабилен, то есть никогда (по крайней мере в соответствии с теперешними познаниями) не распадается. Напротив, нейтрон оказался неустойчивой частицей. Вне ядра нейтроны живут в среднем около тысячи секунд, а затем самопроизвольно распадаются. Это их свойство приходится учитывать, в частности, при расчете некоторых атомных реакторов на медленных нейтронах, в которых нейтроны, рожденные при делении ядер, сравнительно долго блуждают до того, как их захватит другое ядро.
Исследования в области ядерных реакций привели к массовому открытию новых частиц. Особенно урожайными оказались годы, последовавшие за строительством гигантских ускорителей, основанных на идеях В.И. Векслера и американского ученого Мак-Милана.
Усиленные поиски и изучение свойств элементарных частиц ведутся во многих физических центрах, в частности в Международном институте ядерных исследований в Дубне. Здесь недавно была открыта одна из новейших частиц – анти-сигма-минус-гиперон.
К 1957 году количество известных частиц достигло 30, а сейчас их насчитывается свыше 90. Стремительное появление новых частиц вызвало замешательство среди физиков. Но об этом будет рассказано несколько позже. Сейчас пришла пора посмотреть в зеркало.