Беседу записал инженер Л. Максимов
Рудольф ПАЙЕРЛС говорит: слово "элементарные" физики берут в кавычки, когда речь заходит об атомных частицах.
Крупный английский физик Рудольф Пайерлс, приехавший в Москву на международную конференцию, поднялся на кафедру Политехнического музея, переждал, пока утихнут аплодисменты, и неожиданно заговорил по-русски.
Если вам случайно попадется в руки учебник физики, написанный в конце прошлого века, — почитайте его. Как в нем все просто и ясно! Никаких нерешенных проблем!
Ученым того времени казалось, что физика — наука совершенно законченная: все законы уже открыты, и остается только подставлять в готовые формулы те или иные цифры. Даже на такой сложный вопрос: из чего состоят вещества, физики давали исчерпывающий, на их взгляд ответ: из атомов.
— А атомы из чего?
— Как из чего? Атом есть атом! Само название говорит за себя: атом — по-гречески «неделимый», «неразрезаемый», атомы — это мельчайшие кирпичики, из которых построен весь мир, и частиц меньше их быть не может.
И вдруг словно буйный вихрь пронесся по тихим кабинетам и лабораториям ученых. Он разметал листы неоконченных рукописей, переворошил страницы учебников, перевернул все привычные, сложившиеся в течение многих десятилетий представления о строении вещества. Это было известие о том, что при исследовании прохождения электрического тока через разреженные газы открыта новая мельчайшая частица, по сравнению с которой даже самые маленькие атомы казались гигантами.
Было установлено, что она всегда несет на себе электрический заряд, величину котopoгo стали обозначать буквой «е». Частицу назвали электроном.
Существование частицы меньшей атома, а также сенсационное открытие Беккерелем и супругами Кюри явления радиоактивности показали ученым, что еще очень рано ставить в физике последнюю точку.
Английский ученый Эрнест Резерфорд предложил планетарную модель атома. В центре он расположил положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются электроны. Такая модель напоминает солнечную систему: электроны движутся вокруг ядра, подобно планетам. Но если вокруг Солнца вращается всего лишь девять планет, то у большинства ядер число «спутников» измеряется десятками. Ядро атома урана, например, окружено настоящим «электронным облаком» из 92 электронов.
Теория строения вещества вдруг снова стала ясной и понятной. Почти все свойства атомов можно было описать простыми математическими уравнениями, и около тридцатых годов нашего века опять сложилось впечатление, что, может быть, скоро физика «будет окончена». Правда, ученые не знали структуры атомного ядра, но казалось, что сразу решилось столько сложнейших проблем и осталось совсем немногое; последние усилия — и будут открыты все тайны атомного ядра…
Но в 1932 году в физике произошла революция. Грянула она совершенно неожиданно и оттуда, откуда ее меньше всего можно было ожидать, — в полном смысле слова, как гром с ясного неба.
Ленинградский физик Д. В. Скобельцын изучал с помощью камеры Вильсона приходящие на Землю из далеких глубин мирового пространства космические лучи. Камера была помещена между полюсами большого магнита. Пролетавшие через нее сверху вниз заряженные частички под действием магнита отклонялись от прямолинейного пути.
Наблюдая за поведением частиц, прилетающих на Землю из мирового пространства, Скобельцын неожиданно обнаружил совершенно необычные следы. По своему характеру они, бесспорно, должны бы принадлежать электронам, однако… Этому трудно было поверить, но они не отклонялись довольно сильным магнитным полем. Дальнейшие опыты Кунце, а особенно Андерсона открыли еще более поразительный факт: очень сильное магнитное поле все же отклоняло эти частицы, но отклоняло в сторону, противоположную отклонению электронов. Это может произойти только в том случае, если частицы имеют не отрицательный, как электрон, а положительный заряд.
Самые тщательные и придирчивые исследования подтвердили: да, следы действительно принадлежат частицам, обладающим всеми свойствами электронов, однако имеющим положительный заряд.
Сомнений больше не оставалось: открыта новая частица, получившая название «позитрон» — положительный электрон.
В том же году при изучении поведения бериллия под действием излучения радия физик Чадвик натолкнулся на новое удивительное явление: бериллий сам начинал испускать какие-то загадочные лучи! В камере Вильсона эти лучи не видны. Но если поместить бериллий не в самой камере, а рядом, то в ней начинали появляться коротенькие следы. Они возникали внутри самой камеры и имели самые различные направления.
После многих опытов ученые установили, что лучи, испускаемые бериллием, представляют собой поток тяжелых незаряженных частиц. Масса каждой из них оказалась чуть больше массы протона. Новую частицу назвали нейтроном, так как она электрически нейтральна.
И вот тогда-то перед физиками снова стал вопрос: как теперь быть? Пока ученые располагали лишь электронами и протонами, все казалось ясным: ядро атома состояло из протонов и некоторого количества «связанных» электронов, а вокруг ядра носилось «облако» свободных электронов.
А куда же теперь «деть» позитроны и нейтроны?
Советский ученый Д. Д. Иваненко первый высказал мысль о том, что ядро атома состоит не из электронов и протонов, а из протонов и нейтронов. И сразу возникла новая, колоссальная по трудности проблема: как же, чем удерживаются вместе протоны и нейтроны, образуя устойчивое ядро? Старые положения рушились.
Оставалось предположить, что в ядре имеются силы совершенно нового, неизвестного до сих пор типа.
— И ученые сделали то, — с легкой улыбкой замечает Пайерлс, — что всегда полезно в науке: ввели новый термин — «ядерные силы».
Но дать название — еще не значит объяснить. И начались настойчивые исследования.
Путь к решению открыло изучение столкновений между нейтронами и протонами. Среди многочисленных столкновений внимание ученых привлекло несколько случаев, на первый взгляд ничем по примечательных. Двигавшийся с большой скоростью нейтрон налетал на неподвижный протон. После столкновения нейтрон останавливался, а протон продолжал его движение.
* * *
Идет тренировочный футбольный матч. С помощью „РПД“ тренер команды прямо с трибун может руководить штурмом ворот условного противника.
— Здорово, — сказал Верхоглядкин. — Ну, я пойду, мне нора…
(См. стр 15)
* * *
Что же здесь интересного, спросите вы, — подобные столкновения мы не раз видели во время игры на биллиарде. Действительно, при лобовом столкновении биллиардных шаров налетающий шар останавливается, а покоившийся начинает двигаться со скоростью первого.
Ученые подсчитали вероятность лобового столкновения дейтрона с протоном. Она оказалась очень малой; поэтому все наблюдавшиеся случаи нельзя объяснить простым лобовым столкновением. Как же быть? А что, если сделать такое смелое предположение: когда нейтрон сближается с протоном настолько, что попадает в зону действия ядерных сил (но частицы не сталкиваются!), нейтрон превращается в протон и, почти не изменив энергии движения, продолжает свой путь? А неподвижный протон продолжает покоиться, но превращается в нейтрон? Это может произойти, если в момент сближения положительный заряд протона перейдет на нейтрон, который от этого превратится в протон. Протон же, потеряв свой заряд, станет нейтроном.
«Смело! — скажете вы. — Но для того, чтобы я вам окончательно поверил, объясните, как же происходит обмен зарядами? Собственно говоря, что вы имеете в виду когда говорите об этом обмене. Ведь до сих пор носителями заряда были определенные частицы: электрон, протон, позитрон. Заряда без частицы не существовало. О какой же частице сейчас идет речь?
Ответ на эти принципиальные вопросы дал японский физик Юкава. Он выдвинул очень интересную гипотезу о свойствах частиц, которыми обмениваются протон и нейтрон. Именно они, эти частицы, и обусловливают ядерные силы. Во-первых, эти частицы должны быть прочно связаны с протонами и нейтронами. А во-вторых, их масса должна быть тем больше, чем короче радиус действия силы. При тех расстояниях, на которых сказываются ядерные силы, масса частицы должна составлять 1/7 массы протона. Это было своего рода предсказанием: если ядерные силы вызваны обменом какими-то частицами, то масса этих частиц должна быть около 200 электронных единиц. Эти предполагаемые частицы назвали мезонами.
Здесь мы подходим к одному из сложнейших вопросов современной науки. Если мезон имеет массу и все время тесно связан с протонами и нейтронами, то почему же его масса не сказывается на массе этих частиц? А если он появляется лишь в момент их сближения, то откуда же он возникает?
Чтобы хоть немного облегчить понимание этих явлений, рассмотрим очень приблизительную аналогию. Наверное, каждый знает, что белый фосфор обладает способностью светиться в темноте. Объясняется это явление просто. Энергия, приносимая лучами при освещении фосфора, возбуждает его атомы.
Она словно растворяется в нем. А затем атом, переходя из возбужденного состояния в обычное, отдает энергию в виде свечения. Свечение, как и любая электромагнитная энергия, излучается определенными порциями — фотонами. Современная физика рассматривает фотон не только как порцию энергии, но и как некоторую частицу. Откуда же берутся эти фотоны при свечении фосфора? Они словно растворены в возбужденном атоме, находятся в нем в скрытом виде.
Что-то подобное происходит и с мезонами. Они тоже словно растворены в ядре, находятся в нем в неявном виде. И именно они обеспечивают ядру его необычайную устойчивость и компактность. Для перевода мезонов из неявного состояния в свободное необходима значительная энергия. И если какая-нибудь частица приносит в ядро такую энергию, это приводит к серьезным изменениям в ядре, сопровождающимся как бы «рождением» мезона в явном виде.
Проблема ядерных сил очень сложна и, по существу, еще не решена. Она изучается много лет, но чем подробнее мы знакомимся с ядерными силами, тем более сложной она представляется.
Прошлой три года после создания Юкава своей теории, и частицы, о говорил, действительно были обнаружены Андерсеном и Н…майером в космическом излучении. Они получили название (мю) — мезонов. Теоретики рассматривали это открытие как триумф мезонной теории ядерных сил.
Почти десять лет μ-мезоны тщательно изучались. Все их свойства сходились с предсказаниями Юкава. Оставалось совсем немногое: доказать, что они взаимодействуют с протонами и нейтронами так как говорила теория.
Здесь-то физику и ждало глубокое разочарование: μ-мезоны не оправдали возлагавшихся на них надежд. Они не подчинялись теории Юкава. Что же, значит, она не верна и от мезонной теории ядерных сил, на построение которой ученые потратили столько времени и труда и которая казалась такой плодотворной, надо отказаться? Это было бы очень тяжелым ударом.
Английский физик Пауэлл совершенно неожиданным образом подтвердил ее. Он доказал, что мезоны космических лучей — это не мезоны Юкава, а несколько иные частицы, а в 1948 году открыл новую частицу — π (пи) — мезон, которая вела себя совершенно так как предсказывал японский ученый.
Немногие открытия приносят ученым столько новых трудностей, сколько принесли мезоны. Оказалось, что и μ-мезоны и π-мезоны очень неустойчивы. Время жизни их измеряется миллионными и миллиардными долями секунды. А затем они распадаются на более легкие и устойчивые частицы.
Изучение распада μ-мезонов привело к открытию еще одной удивительной частицы. Вначале казалось, что μ-мезон просто превращается в электрон или позитрон. В камере Вильсона было ясно видно, как μ-мезон порождает лишь одну частицу. Но расчеты показали, что по закону сохранения энергии должны возникнуть по меньшей мере еще две частицы, не имеющие заряда и почти не имеющие масса. Они получили название нейтрино, что значит очень маленький электрон. Эта одна из самых загадочных и наименее поддающихся изучению частиц. Даже следов ее еще никто не видел.
* * *
Боба Белоручкин грустно поведал Верхоглядкину о только что полученной двойке.
- И чего твой Дотошкин не изобретет аппарат для ликвидации двоек?
- Постой, ведь для этой цели можно приспособить "РПД"! — воскликнул Верхоглядкин!
(см. стр.23)
* * *
— А теперь, — говорит Пайерлс, — мы подходим к одному из самых замечательных предвидений и открытий двадцатого века.
Мы уже говорили о позитроне, который является как бы «электроном» наоборот, электроном с положительным зарядом.
Теоретики предсказывали, что раз существует положительный электрон (позитрон), то должен существовать отрицательный протон — антипротон. Можно даже представить себе «обращенные» атомы с ядром из отрицательных антипротонов, окруженным облаком положительных электронов — позитронов.
Самое интересное, что свойства такого «антиатома» ни чем не будут отличаться от свойств обычного.
В октябре прошлого года американские физики Чемберлен, Сегре, Виганд и Илсилантис, работающие на гигантском ускорителя обнаружили антипротон! Но ведет он себя не совсем так, как ожидали. И это даже неплохо, — ведь возникающие противоречия между опытом и теорией всегда двигали науку вперед.
— В сущности, — продолжает Пайерлс, — было бы естественно, чтобы на этом и заканчивался список элементарных частиц. Их уже достаточно для существования всей вселенной, включая нас самих. Электроны, протоны и нейтроны необходимы для постройки атома. Фотоны нужны для существования электромагнитного поля, τ-мезоны связаны с ядерными силами. Грубо говоря, можно было бы обойтись без нейтронов и μ-мезонов.
Но оказалось, что список элементарных частиц закрывать еще рано. В последние годы нашли огромное количество новых частиц. Одних только мезонов обнаружено более десяти типов: здесь и θ (тэта) мезоны и τ (тау) — мезоны и к (ка) — мезоны.
— Мы даже не знаем, — признается Пайерлс, — чем это кончится. Правда, за последние год-два новых частиц, кроме антипротона, не нашли. Может быть, новых больше и не будет. Но предсказывать это я не берусь.
Новые, еще неизведанные горизонты откроются перед учеными, когда через несколько месяцев под Москвой начнет работать сверхмощное орудие физиков — огромный синхрофазатрон. Что он принесет ученым — трудно предугадать. Но бесспорно одно: даже если не будут открыты новые частицы, то физики смогут гораздо лучше узнать уже обнаруженные. А пока мы снова стоим перед проблемой: известно, что существует столько-то элементарных частиц; а что они собой представляют — непонятно! И вообще элементарные ли они? Пожалуй, лучше слово «элементарные», когда речь идет об атомных частицах, брать в кавычки.
По остроумному замечания известного итальянского физика Ферми, даже само название «элементарные» скорее характеризует уровень наших знаний об этих частицах, чем их свойства и строение.
«АРИФМЕТИКА» ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
(Объяснение к таблице на цветной вкладке)
В таблице на цветной вкладке собраны известные на сегодняшний день элементарные частицы. Еще не все из них обнаружены. Антинейтрона и антигиперонов никто еще не наблюдал, но в существовании их почти нет сомнений.
В зависимости от своей массы частицы разбиваются на три группы: легкие (лептоны), мезоны и тяжелые (барионы). Несколько особняком стоит фотон, который не имеет массы покоя. Он образует как бы нулевую группу.
Обратите внимание на предпоследний столбец. В нем указана продолжительность «жизни» частицы. Вы заметили, что некоторые из них живут «бесконечно» долго? Это устойчивые, стабильные частицы: фотон, нейтрино, электрон и протон. Нейтрон тоже следует считать «живучим» по атомным масштабам. Он существует в среднем 20 минут.
Но жизнь большинства элементарных частиц измеряется миллионными и даже миллиардными долями секунды. Это неустойчивые, нестабильные частицы. Они сами собой распадаются на более легкие стабильные.
Распад нестабильных частиц происходит по определенным законам. При распаде масса образующихся частиц всегда меньше массы исходной частицы. Но не думайте, что здесь нарушается закон сохранения материи. Распад всегда сопровождается выделением некоторого количества энергии, эквивалентного «исчезнувшей» массе.
Вторая закономерность распада: сохранение заряда распадающейся частицы.
«Арифметика» элементарных частиц, возможные процессы их превращений также приведены в таблице и нарисованы на разбросанных… листах.
Возможен и обратный процесс: превращение легких частиц в более тяжелые. Для этого необходимо столкновение частиц, обладающих определенной энергией. Принципиально возможны превращения любых элементарных частиц в любые другие. Однако эти взаимопревращения ограничиваются законами сохранения, не допускающих произвольно придуманных реакций. Возможны лишь те, у которых выполняются законы сохранения количества движения, законы сохранения электрического заряда и еще целый ряд подобных законов сохранения.