Путешествие по лестнице энергий

Один физик когда-то остроумно заметил: «В сущности, физика может определить свою историю, как путешествие вверх по лестнице энергий!» Интересные слова! Какой же смысл в них вложен?

Школьное изучение физики мы начинаем с самых привычных вещей. Человек в лодке бросает камень. Лошадь тянет телегу. Сталкиваются и разлетаются в разные стороны бильярдные шары. Качается маятник на старых ходиках. Бегут волны по воде от брошенного камня. Звучит музыка в концертном зале. Все это — примеры механического движения.

Затем учитель переходит к теплоте. Перед нами длинной чередой проходят температуры, теплоемкости, теплопроводности, плавление, кипение, испарение. И вот на одном уроке сдергивается покров с первой тайны, лежащей в глубине вещей. Перед нами появляется молекула. Пока — просто крошечный бильярдный шарик, бесчисленное число раз сталкивающийся с другими такими шариками, пока еще не наделенный какими-то более тонкими свойствами.

Потом настает очередь электричества. Снова идут общие законы: притяжения, отталкивания, постоянного тока, переменного тока. Затем приподнимается занавес над второй тайной — над электронами.

Курс тем временем движется дальше. Подобно вавилонской богине Иштар — ее еще называют Астартой — мир, скрытый в глубинах вещей, сбрасывает один покров за другим. Вырисовывается мир атома, мир атомного ядра. И в конце концов перед нами предстает наиболее глубоко запрятанный из миров — мир элементарных частиц.

Так мы проходим школьный курс. Так его проходила сама физика. И проходила, двигаясь вверх по лестнице энергий.

Самые малоэнергичные движения — механические. Можно со страшной силой ударить снарядом по цели и разбить ее на мелкие осколки. И все равно осколки будут достаточно крупными, а удар останется механическим. Однако уже горение пороха в стволе орудия превращает его в газ, дробит на «осколки» в виде молекул. А еще более сильный нагрев разлагает и сами молекулы на атомы.

Электрическое поле еще сильнее. Оно обладает энергией, которая может разрушить и сам атом. Тогда появляются освобожденные из атомного плена электроны и атомные ядра. Электрическим полем можно разогнать атомные частицы до такой энергии, что они разрушат ядра. Появятся протоны, нейтроны, мезоны и другие элементарные частицы.

И здесь мы вступаем в область сверхвысоких энергий. Здесь мы достигаем сегодня верха энергетической лестницы.

Смотрите, как меняются контуры мира на каждой новой, более высокой ступеньке. Мы с вами живем у подножия этой лестницы. Нас окружает удивительное разнообразие живых существ — многие миллионы видов, и в каждом виде в чем-то хоть немного, но не похожие друг на друга особи. Но энергетически это разнообразие очень непрочно.

Небольшой нагрев — до каких-нибудь 100 градусов по Цельсию, — и живой мир перестает существовать. Гибнут нежные молекулы белков, разваливаются на кирпичики молекулы жиров и углеводов. Молекулярный мир становится беднее.

Следующая ступенька — нагрев до тысячи градусов, и перестают существовать более грубые и выносливые молекулы неорганических соединений, плавятся, испаряются и, наконец, разваливаются на атомы их молекулы.

Мы попадаем в мир атомов. Здесь разнообразие кажется нам довольно бедным. Несколько сотен различных видов, если в их число включить ионы, — атомы с поредевшими электронными оболочками.

Затем настает очередь раскаленной плазмы, в которой атомы постепенно по мере нагрева лишаются своих электронных оболочек. Теперь все разнообразие составляют лишь изотопы сотни ядер.

И наконец еще один — последний на сегодняшний день — подъем по лестнице энергий. Мы достигли цели своего путешествия. Перед нами раскрывается удивительно бедный и однообразный мир, который населяет около ста видов жителей. Именно столько разных элементарных частиц знают сегодня физики.

Поиск в тумане

Бедный и однообразный мир? Попробуйте скажите так физикам! На вас немедленно обрушится град насмешек.

Потрясающе богатый и разнообразный мир! Мир, который с непостижимой быстротой меняет свои краски и очертания. Мир, в котором ничего нет постоянного и твердого, кроме, может быть, тех законов, которые управляют его жизнью. Мир, вечно находящийся в движении и непрестанном изменении.

Мир, не измышленный физиками, а совершенно реально существующий во Вселенной вокруг нас. Мир, в котором можно пробираться лишь с топором труднейшей математики и с рюкзаком, доверху наполненным фантазией. И все-таки пока еще необжитый и непонятый мир.

Это — не хорошо знакомый атом. В мире элементарных частиц на каждом шагу рискуешь встретить неожиданное. Поиск идет в тумане. Туман настолько густ, что свет даже от таких мощных прожекторов, как квантовая механика и теория относительности, глохнет в нем уже на первых метрах пути.

И все же человеческая любознательность необорима. С огромным трудом, почти вслепую, лишь изредка нащупывая вехи в тумане, движется вперед большая, сплоченная армия теоретиков и экспериментаторов. Из маленьких шагов складываются большие.

Временами туман редеет, чтобы затем сгуститься еще плотнее. Сегодня физики находятся в самом сердце нового мира элементарных частиц.

Об этом стоит рассказать. Но с чего начать? Повторить шаг за шагом весь путь физиков, даже по занятой уже ими территории, над которой остались лишь клочья тумана, в этой небольшой книге невозможно. Взять в руки «топор» математики тоже нельзя: он слишком тяжел, и размахивать им под силу лишь тому, кто прошел через годы напряженной физической и математической подготовки.

Остается лишь «рюкзак» фантазии. Вернее, «рюкзак» совершенно необычных представлений, на которые природа натолкнула умы физиков.

Содержимое этого «рюкзака» нам уже немного приоткрылось. Мы узнали о двуликости обитателей микромира, о таинственных спинах частиц. (Это действительно «спины»; сущность удивительного явления еще не повернулась лицом к физикам.) Наконец, мы уже немного знакомы с тем, что составляет сердцевину современных представлений, — с виртуальными процессами. Что же, для начала этого может быть достаточно.

Перепись частиц

Мы прервали наш рассказ на эпопее косвенного открытия нейтрино. Это 1957 год. Временное затишье, наступившее после лавины новых частиц в начале пятидесятых годов, заканчивается. В действие вступили новые гигантские ускорители частиц. Теоретики добились новых успехов.

И объединенный натиск экспериментаторов и теоретиков словно сорвал замки с еще более глубоких кладовых природы. Начался невиданный до сих пор поток новых открытий. К 1965 году охотники за частицами обнаружили около сотни различных обитателей этого мира.

Как водится, в любой стране время от времени устраивается перепись населения. Государство должно знать, сколько народа в нем живет, кто чем занимается и еще много других вещей о его обитателях.

И физики не избежали необходимой переписи в мире частиц. Удивительно быстро росло открываемое его население. В конце двадцатых годов физики знали достоверно о существовании лишь двух частиц — протона и электрона. К середине пятидесятых годов героическая совместная работа экспериментаторов и теоретиков позволила включить в перепись уже тридцать две частицы.

Сегодня же настала пора провести новую перепись. Открыто уже около ста частиц. И дело не только в быстром росте населения микромира. Главное в том, что физики вынуждены изменить — в который уже раз! — взгляды на их классификацию.

Да, с этого начинается и этим кончается любая перепись. Надо же не только знать, сколько разных частиц обитает в микромире, но и — это самое важное — понять, в каких взаимоотношениях находятся они друг с другом.

Есть ли среди них «родители» и «дети». Есть ли «братья» и «сестры». А установление родственных связей — вещь очень нужная: она позволяет навести порядок в знаниях об этом мире, помогает предсказывать новые, еще не открытые частицы.

Обычная перепись характеризует население в первую очередь такими «устойчивыми», не меняющимися признаками, как пол, имя, отчество, фамилия, национальность, местожительство. Впрочем, и фамилия, и местожительство могут изменяться, хотя и человек при этом зачастую существенно не меняется. Далее следует характеристика, меняющаяся постоянно, — возраст. Затем признак, меняющийся иногда часто, а иногда лишь раз в жизни, — профессия.

Что ж, начнем с первого признака — мужской ли пол, женский ли. Население микромира тоже «двуполо»: оно состоит из частиц и античастиц.

Заряженные электрически частицы отличаются от своих античастиц знаком электрического заряда. Например, протон заряжен положительно, а антипротон — отрицательно. Нейтральные же частицы — тут вопрос посложнее: отличие касается других свойств. Например, нейтрон отличается от антинейтрона магнитными свойствами. Об этом еще будет разговор. И только немногие частицы решительно ничем не отличаются от своих античастиц: это фотон и нейтральные пи- и эта-мезоны. Первый из этих мезонов был открыт несколько позже своих заряженных собратьев. На фотопластинках и в счетчиках он из-за отсутствия электрического заряда следов не оставляет и был обнаружен по косвенным свидетельствам.

Дальше наша перепись начинает резко отличаться от обычной. На первое место выступит… масса обитателей микромира (точнее — их масса покоя). «Возраст» их, как вы увидите, тоже играет роль, и весьма существенную: иначе бы он не попал в перепись, — но масса еще важнее.

И вот почему. Взгляните на таблицу переписи обитателей микромира. Вы сразу замечаете, что все частицы группируются в кучки. Если отвлечься от античастиц — массы их такие же, как у отвечающих им частиц, — то видно, что «расстояния» между массами в пределах каждой кучки, как правило, значительно меньше, чем между кучками.

Одни кучки состоят из одной частицы (и разумеется, ее античастицы), другие — из двух, трех и даже из четырех. Сами кучки группируются в три сорта: первый из них получил название лептонов (легких частиц), второй — мезонов (средних частиц), третий — барионов (тяжелых частиц).

Какие же основания для такого подразделения? Почему физики убеждены в том, что разные массы — значит, разные частицы? Разве не может одна и та же частица иметь разные массы?

Видимо, нет: природа — очень аккуратный работник. У нее не бывает так, чтобы кирпич одного сорта выходил из печи то с недовесом, то с перевесом. Сколько бы она ни выпускала, скажем, электронов — никакой, даже самый придирчивый контролер не заметит в них ни малейшего отличия.

Раз другая масса, значит, другое поведение частицы, значит, и сама частица иная. За примером недалеко ходить: в группе лептонов вместе с электроном и позитроном физики поселили мю-мезон. (Правда, мю-мезоны по свойствам так резко отличаются от остальных мезонов, что физики все чаще называют их мюонами, чтобы даже приставка «мезон» не связывала их с «настоящими» мезонами.)

Мы уже говорили, что мюоны решительно ничем не отличаются от электронов — разве что только массой. Но это «разве что» — очень важно! Мюон, в отличие от электрона, — неустойчивое изделие природы и стремится как можно быстрее избавиться от «довеска» массы. Это ему удается спустя миллионные доли секунды (смотри предпоследнюю колонку переписи). После чего он действительно перестает отличаться от электрона.

Но почему же мю-мезон, почти на 206 электронных масс тяжелее электрона, попал с ним в одну группу, а пи-мезон, который тяжелее мю-мезона всего лишь на 68 единиц массы; оказался совсем в другой группе? Тут в ход идет другое важнейшее свойство частиц — спин. Мы уже говорили, что это дополнительный момент количества движения частицы: внешне похожий на вращение частицы вокруг «собственной оси». Теперь же надо сказать, какой водораздел он проводит в мире частиц.

Уже давно физики попытались разделить все известные частицы на две категории — частицы основные и частицы вспомогательные. К основным они отнесли электрон, протон и нейтрон, к вспомогательным — фотон и пи-мезоны. Основным частицам было уготовано райское устойчивое существование, а вспомогательным — адская работа: бегать почтальонами от одной основной частицы к другой, чтобы они узнали о существовании друг друга.

Фотоны должны были метаться между всеми электрически заряженными частицами, более солидные пи-мезоны — только между протонами и нейтронами. Вспомогательные частицы, таким образом, объявлялись переносчиками взаимодействий между частицами.

Каждому виду взаимодействия было приписано свое поле, а соответствующие частицы считались квантами этого поля. Так фотоны стали квантами электромагнитного поля, а пи-мезоны — квантами ядерного поля.

Таблица

Продолжение

Продолжение

И природа, чтобы как-то пометить кванты этих полей, отличить их от «настоящих» частиц, придала им спины, отличные от спинов основных частиц. Она сделала этот спин либо вдвое больше, чем у многих настоящих частиц, — например, спин фотона, эта-мезона, либо вообще не выделила им кванты, как у пи- и ка-мезонов.

Впоследствии эта довольно ясная картина затуманилась. Вспомогательные частицы, как оказалось, могли при достаточной энергии не более и не менее, как рождать основные частицы! И вообще, вопрос о том, что главнее — частица или квант, — пришлось снять с повестки дня.

И частицы и кванты оказались одинаково главными: поле смогло превращаться в вещество, а вещество — в поле. Так что сегодня физики уже безо всяких споров соглашаются с великой истиной, что поле и вещество — совершенно равноправные формы существования материи.

Но равноправие не исключает различия. И мерилом этого различия служит величина спина. Она «целая» (0; 1 и так далее) у известных к настоящему времени квантов, и «полуцелая» (1/2, 3/2, 5/2, 7/2 и так далее) у известных частиц.

Вот почему пи-мезоны отделены высокой стеной от соседних им мю-мезонов. Стена эта, конечно, не мешает соседям общаться: мы знаем, что свободный от работы в ядре пи-мезон охотно позволяет себе принять облик соседа — мю-мезона. Однако при исполнении служебных обязанностей он этого никогда не делает. По спиновому признаку в ту же группу попадают и ка-мезоны, и более тяжелые мезоны.

В группе барионов (к ней относятся и гипероны) все частицы «настоящие» — у них у всех «полуцелые» спины.

И все-таки, что ни говори, а природа в этом мире тоже любит разнообразие. На почти сотню разных частиц она запасла только немногим больше десятка разных квантов. Видимо, решила: и этого хватит для обмена сообщениями. Почтальонов должно быть меньше, чем адресатов!

О чем рассказали почтальоны

Разные почтальоны — разные сообщения. Одни передаются телеграммой-молнией: мелькнул пи-мезон от протона к нейтрону, и нет его. Ученые прикинули то время, за которое переносятся сообщения в ядрах: 10–23 секунды.

Мы видели, что за это ничтожное время могут происходить весьма энергичные события. За посылку сообщения нейтрону протон должен заплатить изрядную энергетическую сумму — по меньшей мере энергию покоя пи-мезона!

Физики назвали такие взаимодействия частиц сильными.

Другие сообщения передаются обычными телеграммами. Их носят фотоны — как и на настоящем телеграфе. Послало ядро сообщение своему электрону или пара электронов решила познакомиться в атоме — и побежал фотон. Приблизительно через 10–17 секунды телеграмма доставлена.

Срок дольше — оплата ниже. Фотон стоит уже только сотни или тысячи электрон-вольт, а не сотню миллионов, как пи-мезон. Названия этому виду взаимодействий придумывать уже не пришлось: они давным-давно уже именовались электромагнитными.

Сообщение можно послать и с письмом. С кем? Увы, почтальон еще себя не обнаружил. Сначала думали, что это — нейтрино, а потом от этой мысли пришлось отказаться: нейтрино явно не квант, у него «полуцелый» спин. Сегодня предполагают, что на роль кванта такого поля может претендовать некая довольно тяжелая частица. Сейчас ее усиленно ищут.

Однако известно, сколько примерно времени идет письмо. Это зависит от солидности адресата. Сравнительно легкие мю-мезоны получают сообщение примерно за 10–6 секунды, чуть более солидные пи-мезоны, а также ка-мезоны — примерно за 10–8 секунды, а тяжелые гипероны — еще в сто раз быстрее.

Все они, получив это сообщение, ведут себя одинаково — кончают счеты с жизнью, распадаясь на более легкие частицы. Что они получают в этом драматическом сообщении? Пока что неизвестно. Однако, если не считать цены жизни частицы, такие сообщения стоят довольно дешево — тысячные и меньшие доли электрон-вольта.

Физики с полным основанием назвали такие «распадные» взаимодействия слабыми.

Наконец, есть еще один вид посылки сообщений, не нашедший отражения в нашей таблице. Он самый старый. Открыл его Ньютон, и по тем временам уместно сравнить его с посылкой известия с гонцом.

Едет-едет гонец, а конца пути все не видно. Оттого и стоит посылка известия с ним дешевле всех других видов почты.

Это — гравитационное взаимодействие, тяготение. Кто гонец? Должно быть, особые кванты — гравитоны. Пока что их никто не уловил: слишком ничтожно между легчайшими частицами гравитационное взаимодействие по сравнению с остальными. Поймать гравитоны, видимо, гораздо труднее, чем даже рекордно неуловимое нейтрино!

Великое белое пятно в физике — гравитация! Стирать его, по сути дела, физики начинают лишь в самые последние годы. И пока еще им нечем похвастаться, а нам не о чем писать. Этот разговор мы отложим, что называется, до лучших времен.

Классификация взаимодействий, как выяснилось, очень помогла классификации частиц. Многие тайны раскрыли «нескромные» почтальоны!

Как ищут законы

Вернемся к нашей переписи частиц. Взглянем в таблицу: физикам словно показалось мало иметь в своем распоряжении электрический заряд, и они добавили еще какие-то «барионный заряд», «лептонный заряд», «странность». Да еще к туманному спину добавили какой-то совсем уж темный «изотопический спин».

Если уподобить известные частицы карточной колоде, то сегодняшние занятия физиков с этой колодой можно кратко охарактеризовать так: пасьянс. Раскладываются карты так и этак, часть влево, часть вправо, часть вверх, часть вниз. То одно правило игры придумают, то другое.

Но до недавнего времени не ложились карты одна к другой так, как того хотелось бы. А хотелось бы иметь в своих руках не много, не мало, как те самые «главные» правила, по которым играет природа частицами. Однако очень уж сложны, глубоко запрятаны эти правила. Уже не один год бьются теоретики, чтобы их разгадать. Но пока без решающего успеха, хотя в ряде важных успехов им отказать нельзя. А потому и подменяют неизвестные пока «главные» правила сплошь да рядом своими правилами.

Эти правила, конечно, не беспочвенная выдумка физиков. Они, без сомнения, существуют в природе, но как следствие неких «главных» правил. Почему они существуют, что они собою выражают? Ответом на эти вопросы сегодня еще является молчание.

Все эти «придуманные» правила выражаются как законы сохранения. Несколько законов сохранения вам знакомо из школьных учебников.

«Масса никуда не исчезает и ниоткуда не появляется».

«Энергия никуда не исчезает и ниоткуда не берется».

Это законы сохранения массы и энергии. Мы, однако, уже не раз видели, что и масса, и энергия могут «исчезать» и «появляться» — при распадах, при рождении и аннигиляции частиц. Происходит то, что часто неточно называют: «масса переходит в энергию» или «энергия превращается в массу».

На самом деле — это вещество переходит в поле и обратно. Так что уж лучше было бы говорить об «объединенном» законе сохранения массы и энергии. И выражать его, например, такими словами: «энергия покоя плюс энергия движения или же масса покоя плюс масса движения частиц и тел никуда не исчезают и ниоткуда не появляются».

Пойдемте дальше, руководствуясь простыми школьными примерами. Пушка откатывается при выстреле, лодка движется, если лодочник швыряет камни. Это закон сохранения количества движения, или импульса.

Фигурист, раскрутившись, обнимает себя руками и начинает вращаться быстрее. Здесь действует закон сохранения момента импульса. Кстати, спин, как мы помним, есть величина подобного рода. Так что к нему вполне приложим этот закон.

И, наконец, «общая сумма всех положительных и отрицательных зарядов тел есть величина постоянная». Это закон сохранения электрического заряда.

Казалось бы, до чего скучные законы! И так все понятно без них. Но именно с помощью этих законов физики пробираются в тумане мира сверхмалых частиц. Именно эти законы позволяют отличить распад одной частицы от распада другой, сделать определенный выбор из того множества событий, о котором может говорить сложная путаница следов на фотопластинке. Вот тебе и скучные законы!

Более того, даже этих законов сегодня уже не хватает. Физики, чтобы объяснить свои наблюдения, вынуждены придумывать новые законы. Вот, пожалуйста, пример.

Нейтрон, как видно из таблицы, распадается на протон, электрон и нейтрино (пока не будем уточнять, что у нас за нейтрино — об этом будет сказано дальше). Что мешает тому же нейтрону распасться иначе? Скажем, на электрон и пи-плюс-мезон?

Сумма их зарядов будет по-прежнему нуль (так что электрический заряд в распаде сохраняется). Масса новорожденных значительно меньше, чем у родителя, но он в наследство им может передать внушительную энергию (так что выполнится «объединенный» закон сохранения массы и энергии).

А импульс? Новорожденные частицы могут разлететься так, чтобы и импульс не изменился.

Момент импульса (спин)? И тут полный порядок. У нейтрона — 1/2, у электрона — 1/2, а у пи-мезона его вовсе нет.

Итак, все «сохраняется», а распада как не бывало. Какая же таинственная причина запрещает его? Она действительно пока таинственная.

И физики, чтобы хоть на время выйти из положения, придумывают новый закон. Они заявляют: «Не может быть, чтобы природа пошла на уменьшение числа протонов и нейтронов в мире! Значит, число этих частиц во всех распадах должно сохраняться». А чтобы облечь эти слова в математическую запись, вводят барионный заряд.

Этот заряд похож на электрический: он равен +1 для барионов (например, +1 для протона и нейтрона), –1 для антибарионов (например, –1 для антипротона и антинейтрона) и нулю для всех остальных частиц. А по абсолютной величине он должен быть значительно больше электрического заряда электрона или протона.

Новый закон теперь звучит как «закон сохранения барионного заряда». Он должен выполняться при любых встречах, при любых распадах тяжелых частиц.

Отсюда видно, «почему» нейтрон не может распадаться на электрон и пи-мезон. Для них сумма барионных зарядов равна нулю, тогда как для нейтрона этот заряд равен единице.

С другой стороны, протон, сколько бы он ни сталкивался с другим протоном, никогда не создаст антипротона в одиночку. Это же нарушает постоянство барионного заряда.

Антипротон может родиться только в паре со своим зеркальным братом. Оттого-то за его рождение пришлось, как вы помните, заплатить шесть миллиардов вместо одного миллиарда электрон-вольт.

А вот, чтобы слиться со своим братом, никаких «свидетелей» антипротон не требует. Была до слияния сумма их барионных зарядов нуль, разлетелись из места слияния «дребезги» пи-мезонов — нуль и остался.

Подобный смысл имеет и лептонный заряд.

Из факта его сохранения немедленно следует, что, например, электрон сам по себе не может превратиться в фотон. У электрона лептонный заряд единица, у фотона — нуль. Электрон может образовывать фотоны лишь в паре с позитроном. При этом гасятся их равные по величине, но противоположные по знаку лептонные заряды (а заодно — и электрические, как того требует закон сохранения электрического заряда).

А закон сохранения импульса еще добавляет требование, чтобы фотонов при этом появилось не меньше двух: общий импульс слившихся электрона и позитрона равен нулю. Фотон же обязательно имеет не равный нулю импульс. Вот и добавляется второй фотон, который улетает в направлении, противоположном первому, и с таким же импульсом. Энергия этих двух фотонов в сумме как раз равна энергии покоя обоих их «родителей» плюс энергии движения, которую те имели перед слиянием.

Целых пять законов сохранения ревниво оберегают возможность аннигиляции электрона и позитрона! Нельзя нарушиться даже хотя бы одному из них: тогда, даже если бы все остальные выполнялись совершенно строго, процесс не пойдет.

Или другой пример — распад мю-минуса на электрон. Казалось бы, здесь все в порядке: сохраняется и электрический заряд (был минус и остался минус — нейтрино не имеет такого заряда), сохраняются и энергия, и импульс, и… стоп! Больше в таком процессе не сохраняется ничего. Был спин половинка, а стали две половинки — у электрона и нейтрино. Был лептонный заряд единица, а стали две единицы — у тех же электрона и нейтрино.

Где же выход? Распад-то идет, да еще самый частый, самый, что ли, заурядный гость на фотопластинках!

А выход в том, что, как мы видим, одного нейтрино мало: надо добавить к появляющимся в распаде частицам еще антинейтрино. Тогда «антиспин» антинейтрино минус половинка и лептонный заряд его — минус единица немедленно погашают лишние половинку и единицу у нейтрино. И все становится на свои места.

Все ли? А почему родившиеся нейтрино и антинейтрино тут же не сливаются, не аннигилируют, подобно, скажем, электрону и позитрону? Забегая вперед, отметим, что в данном случае это, видимо, невозможно: антинейтрино, скорее всего, служит античастицей «другому» нейтрино, чем тот, вместе с которым оно рождается при распаде мюона.

А частица и «чужая» античастица не аннигилируют никогда. Почему? Дело, видимо, в том, что кванты «своих» полей у такой пары разные. Тогда как при аннигиляции должны рождаться кванты одного и того же поля. По этой причине, в частности, электрон никогда не аннигилирует с протоном.

Ну, а если все же встретятся нейтрино и антинейтрино одного вида? Тогда, видимо, они должны слиться. Но во что, никто сегодня не знает. Как мы уже говорили, кванты — переносчики слабых взаимодействий — физике пока что неизвестны.

…Половинки, единицы, плюсы, минусы.

«Какая-то голая арифметика! Где же физика?» — может спросить разочарованный читатель. Он прав: «привычной» физикой здесь не пахнет.

И, наверное, никогда уже не будет пахнуть. Новые представления оказываются уже настолько далекими от привычных, старых, добрых, не один век служивших представлений, что возврата к ним нет и не может быть.

А эти новые представления неразрывно связаны с «математизацией» физики, с тем, что она принуждена оперировать сложнейшей математикой. Та «арифметика», на которую посетовал читатель, только внешняя сторона, некий видимый наглядно итог этих сложнейших математических операций.

Но дело не только в том, что выводы современной физики частиц, как правило, скрыты за лесом формул. Дело еще и в том, что физики, если перефразировать знаменитое изречение, знают много, но по сравнению с тем, что им предстоит узнать, это сущее ничто.

И поэтому истинный, «глубинный» смысл тех понятий, которые ввели физики в попытках классифицировать частицы и их взаимодействия, пока еще остается для них загадочным. Хотя, как мы увидим, даже это «полузнание» может привести их к серьезным успехам.

Многое ли вы знали в первом классе, скажем, о гиперонах?

Поэтому не стоит огорчаться за физиков в том, что они еще сидят в первом классе той школы, которая называется «природа». И еще учтите, что ни учебников, ни учителей у них нет; до всего надо доходить собственным умом.

На пороге фантастики

Расскажем об одном понятии, очень важном для современной физики, — об изотопическом спине.

Попробуем на секунду вообразить себе мир без взаимодействий. Чудовищно нелепый мир! Вещество без поля, медаль без оборотной стороны! Интересно, как в нем выглядела бы наша таблица частиц?

Строго говоря, никак! В ней не было бы ни одной частицы. Мы уже не раз говорили, что частиц без взаимодействий не существует.

Но все же, поскольку мы фантазируем, вообразим, что в этом мире есть какие-то частицы, которые наделены одной лишь массой (гравитационное взаимодействие мы сохраним). Пусть этими частицами будут электрон и протон. Добавим к ним еще невесомое нейтрино.

Но наши протон и электрон, напомним, пока не имеют электрического и прочих зарядов. И блуждали бы эти частицы в мире, не в силах ни построить ядро, ни слиться в атом. Вот такой мир действительно был бы фантастически бедным.

Поскольку мы — в области фантастики, нам все позволено. Нажмем кнопку — и включим слабое взаимодействие. Появится мю-мезон — не более того.

Включаем следующее — электромагнитное взаимодействие. Теперь безотрадный мир стал светлее. Есть отчего: в нем появились заряды у частиц, возникли фотоны, появился нейтрон. Как по мановению волшебной палочки возникли позитрон и антипротон с антинейтроном, привилась античастица и у мю-мезона. Родился даже первый атом — атом водорода. Других атомов пока еще быть не может: протон с нейтроном еще не взаимодействуют, ядер образовывать не могут.

Теперь последнее нажатие кнопки — и мир заиграл всевозможными цветами. В него пришли мезоны и гипероны, начались разнообразные сильные взаимодействия.

Так не является ли все разнообразие частиц продуктом совместного действия всех четырех полей — гравитационного, слабого, электромагнитного и ядерного… На что? На некую «праматерию», состоящую из нескольких видов «проточастиц»! Эту мысль высказал американский физик Мэррей Гелл-Манн, а за ним ее стали разрабатывать многие ученые.

Каждое из этих полей как бы возбуждает «проточастицы». Словно, например, были какие-то лишенные заряда кусочки «праматерии» — условно назовем их электронами. Гравитационное поле сообщило им массу, а электромагнитное — заряд, да еще двух знаков — положительного и отрицательного. А прибавилось к этим полям еще слабое взаимодействие, и электрон с позитроном возбудились и образовали мю-мезоны.

Или вот другой пример. В группу пи-мезонов попала нейтральная частица — пи-нуль. На роль «проточастицы» она, разумеется, не претендует: несмотря на отсутствие у нее заряда, она связана с электромагнитным полем — распадается, кончая жизнь, на кванты электромагнитного поля, фотоны. Да и, кроме того, пи-нуль сам квант: только ядерного поля, от которого и получает довольно приличную массу.

А рядом с нейтральным сосуществуют и заряженные пи-мезоны. Посмотрим на их массы: они отличаются от массы их нейтрального собрата. Электромагнитное поле словно «влилось» в них, добавило им энергию и тем самым массу. Не будь этого поля, можно было бы считать, что вместо тройки пи-мезонов существует только один «центральный» пи-нуль-мезон.

К слову сказать, электромагнитное поле может не только как бы «вливаться», но может и «выливаться» из заряженных частиц. Массы нейтральных ка-мезонов больше массы заряженных их родичей, нейтральный нейтрон массивнее заряженных протона и антипротона.

Никаких четких закономерностей тут пока не обнаружено, кроме сравнительной близости масс в каждой группе частиц.

Такое впечатление, что благодаря наличию электромагнитного поля каждая частица словно распускается в букет частиц с близкими массами.

Этот воображаемый букет и описывается изотопическим спином. Легко запомнить: если этот спин равен нулю, то из «исходной» частицы ничего не распустится (ее античастица будет тождественна ей самой); если половине, то две частицы: она сама и отличающаяся от нее античастица, с которой она сможет аннигилировать; если единице, то три частицы и так далее.

А что это за «исходная» частица? «Проточастица» из «праматерии»? Нет, мы уже говорили, что так считать нельзя. Например, нельзя за «исходную» в группе пи-мезонов принять пи-нуль-частицу: она сама своим существованием обязана ядерному полю. «Выключили» мы это поле — и исчез бесследно этот мезон.

О «проточастицах», или, как их лучше называть, фундаментальных частицах, у нас еще будет особый разговор. Изотопический спин имеет к ним отношение, но иное, чем то, о котором мы сейчас говорим.

Укажем еще, что к лептонам это понятие также неприложимо.

А в остальном изотопический спин работает вполне успешно, не только помогая навести порядок в маленьких семьях (как их называют — мультиплетах) частиц, но и позволяя предсказывать еще неоткрытые частицы.

Почему же новое понятие так странно называется: какие-то изотопы, причем-то спин?

Оно названо так по двум довольно далеким ассоциациям.

«Изотопический», потому что частицы в каждой группе имеют весьма близкие массы. Словно это одна и та же частица, но в разных состояниях. Чем-то похоже на одно и то же ядро, но с разным числом нейтронов. А такие ядра и называются изотопами.

«Спин»… Помните наш рассказ об эффекте Зеемана? Из одной линии спектра в магнитном поле вырастал целый «букет» близких ей линий.

Эффект Зеемана удалось объяснить, предположив, что существует спин. Два или три «цветка», а в «букетах» частиц, как мы видели в нашей таблице, тоже только две или три частицы.

Далековата аналогия! Но сходства — даже пусть внешнего — оказалось «неизобретательным» физикам достаточным. Так и родилось на свет «нелепое» словосочетание — изотопический спин.

Впрочем, впереди нас ожидают совсем странные понятия!

О странных вещах

Никак мы не отойдем от нашей таблицы. Держит она нас на привязи!

А без нее нельзя. Она тот самый фонарик, в котором вместо батарейки работает фантазия физиков. Фонарик, с помощью которого приходится физикам пробираться в густейшем тумане. И нам по их стопам.

Теперь нас заинтересует столбец таблицы, озаглавленный очень занятно: «странность». Ну, не странно ли в самом деле? Каким неведомым путем попало это слово в обиход физики, такой точной в своих выражениях?

Что же может заслуживать такого названия в том мире, где все по меньшей мере весьма странно? Оказывается, и в этом мире творятся сверхстранные дела.

…Налетел энергичный протон на протон — возник обильный поток пи-мезонов. Полетели мезоны из ускорителя, влетели в пузырьковую камеру, где их поджидали другие протоны, — и начали рождаться новые частицы. Побежали на фотопленке цепочки следов ка-мезонов и гиперонов.

Но решительно во всех случаях гипероны рождались только с ка-мезонами. Ни одна попытка родить их порознь не увенчалась успехом.

Физиков, конечно, заинтересовало: почему эти частицы не могут жить друг без друга? Ведь на рождение одного ка-мезона или одного гиперона порознь нужно затратить куда меньшую энергию, чем на их совместное рождение. Уж кто-кто, а экономная природа немедленно воспользовалась бы такой возможностью.

Если же этого нет, то ответ может быть только один: природа наложила запрет!

В те же годы было отмечено и еще одно любопытное явление. Образование пар из гиперонов и ка-мезонов происходило чрезвычайно быстро. Это не удивительно: взаимодействие налетающих пи-мезонов с протонами было типично ядерным, сильным. А как мы уже видели, для такого взаимодействия характерны времена порядка 10–23 секунды.

Казалось бы, новорожденные частицы, раз им суждено гибнуть, должны совершить это столь же быстро, как они появились на свет. Ничего подобного: новорожденные жили в триллионы раз дольше, чем им полагалось по закону сильных взаимодействий.

Странные вещи, заключили физики, раздосадованные непонятными запретами, которые природа наложила на одиночное рождение и быстрый распад ка-мезонов и гиперонов. Странные они частицы!

И перенесли этот эпитет на величину, которую придумали, надеясь понять столь удивительное поведение частиц. А само поведение частиц подчинили запрету, который назвали «закон сохранения странности».

Посмотрите в таблицу. У родителей старых частиц — пи-мезонов и протонов — странности равны нулю. А вот у детей — скажем, ка-нуль-мезона и ламбда-гиперона — странности уже отличны от нуля. Но сумма их по-прежнему равна нулю. В результате общая странность всех частиц при рождении не меняется, оно разрешено и идет быстрым ходом.

А вот одиночное рождение этих частиц состояться не может: странность при этом не сохраняется. Как бы цивилизованный человек ни был голоден, он не набросится на еду, не вымыв рук. Над инстинктом властвует более сильный рефлекс.

Так же, очевидно, поступает и природа в нашем случае. Она не набрасывается на более доступное по энергии одиночное рождение странных частиц. Но почему она «моет руки», никто этого сегодня еще понять не может.

Впрочем, с самого начала было ясно, что из странного закона есть не менее странное исключение. Природа словно сквозь пальцы смотрела, как всеразрушающее слабое взаимодействие разваливало странные частицы, причем поодиночке. Как будто она была не в силах помешать этому развалу и могла только попридержать его.

Что же, закон сохранения странности нарушается при слабых взаимодействиях, меланхолично заметили ученые. Ничего другого нельзя было ожидать от странных частиц! В них бездна загадок, мало ли какие еще странности они обнаружат!

Загадка «тау-тета»

И обнаружили — не заставили себя долго ждать. Но справедливости ради надо заметить, что первую скрипку в этом деле все-таки играли не они, а еще более «странные» слабые взаимодействия.

Мы их назвали всеразрушающими. Действительно, они, как загадочная болезнь, поражают почти всех обитателей мира частиц — от легоньких мезонов до солидных гиперонов. По сравнению с «молниеносными» ядерными и «телеграфными» электромагнитными взаимодействиями эти совсем неспешны.

Но они подтачивают жизнь своих жертв так же медленно и неотвратимо, как вода точит камень. От них не защититься даже за высочайшими ядерными стенами. Они и там настигают нейтроны. И в результате из ядер льется поток электронов, нейтрино и их античастиц.

Каждая жертва слабого взаимодействия умирает по-своему. Легкие частицы выбрасывают из себя мю-мезоны, электроны, нейтрино. Гипероны превращаются в протоны, нейтроны, пи-мезоны. Но всегда эта картина смерти и рождения выглядит одинаково.

Однако нашлись частицы, которые вызвали немалый переполох в этом установившемся порядке. И конечно же, «странные ка-мезоны». Переполох начался чуть ли не с первых месяцев после их открытия.

Судите сами. Из одной лаборатории сообщают: «Сегодня, прожив примерно стомиллионную долю секунды, умер уважаемый ка-плюс-мезон. У него остались двое наследников — пи-плюс и пи-нуль-мезоны. Переданное им энергетическое наследство оценивается приблизительно в двести пятьдесят миллионов электрон-вольт».

Другая запись: «Скончался ка-плюс-мезон. У него три наследника — два пи-плюса и один пи-минус. Оставленное наследство — около восьмидесяти миллионов электрон-вольт».

Сличили физики записи. Какой верить? «Обеим», — подсказал доброжелательный советчик. Физики возмутились: «Как это — обеим?» Не может такая частица, как ка-мезон, распадаться на два или на три пи-мезона! Либо — либо. И никаких разговоров на эту тему быть не может. Это две совершенно разные частицы.

А чтобы никто никогда их не смешивал, даже нарекли по-разному. Одну — тета-мезоном, другую — тау-мезоном. Нарекли, разобщили, а сами поеживаются: массы у обеих частиц совершенно одинаковые. Не бывало до сих пор случая, чтобы частицы с одной и той же массой имели столь разные свойства!

…Когда-то, еще на заре квантовой механики, было замечено, что свои «облака вероятности» электроны в атоме строят по-разному. Иной атом донельзя доволен — рассматривает себя в зеркале так и этак, и все похож. А другой от природы малость перекошен — и в зеркале этот перекос с правой на левую сторону съехал. «Ну, погоди», — сказал один атом другому и плюнул… фотоном. И стал красив — на загляденье!

Конечно, это шутка. Но в ней есть доля правды. Представьте себе на минуту человека с идеально симметричным лицом — даже Аполлон позавидовал бы ему. Поставьте его перед зеркалом и переводите взгляд то на его лицо, то на изображение в зеркале. Ни малейшего отличия вы не заметите.

Можете даже развлечься. За спиной «сверхаполлона» установите второе зеркало, и как в парикмахерской увидите ряд все уменьшающихся изображений «зеркала в зеркале».

А теперь станьте перед зеркалом сами. Почти наверняка вы не только не «сверхаполлон», но даже и не Аполлон. Причин тому может быть много. И одной из них, возможно, будет та, что кончик вашего носа немножко скошен в сторону. Если же вы настолько уверены в собственной неотразимости, что не допускаете даже мысли о скошенном носе, то тогда лучше всего на одной щеке нарисовать небольшое пятнышко.

Нарисовали вы его, скажем, на правой щеке — в зеркале оно очутилось на левой, а «в зеркале в зеркале» — снова на правой. И так до бесконечности. Нечетное число отражений в зеркалах все время будет переносить пятно на другую щеку.

Физик скажет, что ваше лицо нечетно: нечетное число отражений меняет его вид. Лицо же «сверхаполлона» он, в противоположность вашему, назовет четным: сколько бы его ни отражать, оно не изменит своего вида.

Если вы здраво смотрите на несовершенства собственного носа, то немедленно получаете в союзники фотон. Его «физиономия», то есть облако вероятности, явно несимметрично. Потому-то и смог атом сыграть фокус в нашей шутке: избавился от нечетного фотона и стал четным.

И вообще, в разговоре о четностях справедливо известное старинное правило: минус на минус дает плюс. Если частица распалась на две нечетные частицы, то она четная, плюсовая; если на три: минус на минус, на минус, то она нечетная, минусовая. Быть и той и другой одновременно она не может, как не может урод быть одновременно писаным красавцем.

Пи-мезон оказался нечетной частицей. Из-за этого-то и разгорелся сыр-бор. Допустить, что ка-мезон, распадаясь и на два, и на три пи-мезона, может быть одновременно четным и нечетным! Да это же означает, что у природы кривое зеркало: правое отличается от левого! Вот что заставляло физиков упорствовать в признании «единого и неделимого» ка-мезона.

…Вы никогда не задумывались над тем, почему наиболее выдающиеся открытия в большинстве своем делаются весьма молодыми людьми? Эварист Галуа создал основы современной алгебры, когда ему не было и двадцати лет; Френель и Юнг разработали волновую теорию света еще до тридцати лет; столь же молоды были Альберт Эйнштейн, в двадцать шесть лет создавший теорию относительности, Гейзенберг и Дирак, заложившие основы квантовой механики! А ведь двадцатилетний ум еще далек от той зрелости, которая приходит лишь к тридцати — сорока годам.

Но у двадцатилетних умов есть одно важное преимущество перед зрелостью: свежий, не замутненный многолетней работой (а в ней всегда немало рутины) взгляд на вещи. Пусть не хватает широты, зато в избытке дерзость! Самое невероятное пленяет ум. И чем вернее ход мысли подтверждает возможность невероятного, тем с большей храбростью идет молодой ученый вперед. Он с легкостью неведения ломает догмы, к которым привыкли его современники. Новые представления не умещаются в тесных рамках!

Так бывает не каждый день. Но так случилось на этот раз. Основы физики были потрясены двумя молодыми китайцами, работающими в США, — Ли Цзун-дао и Янг Чжэнь-нином. Это произошло в 1956 году.

Кривое зеркало природы

В самом деле, почему бы не допустить, что у природы кривое зеркало, что левое отличается от правого? Не доказывать с пеной у рта, что это не так, а спокойно поговорить. И еще лучше — попытаться проверить. Очень «странные» они, эти слабые взаимодействия!

Но проверить уже не на тау- и тета-мезонах. Они мало подходят для этой цели: живут чуть ли не миллиардные доли секунды, да и попадаются не так уж часто. Лучше взять какое-нибудь другое, не такое быстрое, но зато хорошо изученное явление, виновником которого являются слабые взаимодействия.

Например, бета-распад, тот самый распад, когда из ядер летят электроны.

Но неужели никто никогда не замечал в нем такой «странности», как нарушение четности? «Представьте себе, нет, — отвечали молодые физики. — Не замечали, потому что не искали. Это явление тонкое, в глаза оно не бросается. Рекомендуем поискать».

А в чем оно должно проявиться? Ли и Янг посчитали и ответили так. Если сложить все спины протонов и нейтронов в ядре, то получится суммарный спин. Наподобие того, как атомные магнитики, складываясь в намагниченном куске железа, образуют большой магнит. Так вот, при бета-распаде в том направлении, куда указывает спин ядра (а попросту, куда направлена «ось вращения» ядра), должно вылетать меньше электронов, чем в противоположном направлении.

Ну, казалось бы, это давным-давно заметили бы! Ничуть не бывало! Во всех радиоактивных веществах, с которыми имели дело, спины ядер направлены как попало. Совсем так, как атомные магнитики в ненамагниченном веществе. Поэтому и электроны в среднем летели одинаково густо по любому направлению.

Ага! Значит, теперь надо все ядра выстроить как на параде — в затылок друг другу. Только так можно проверить предсказание Ли и Янга.

Очень нелегкая задача! Но результат предсказывался такой, что ради него стоило преодолеть и большие трудности.

За дело взялась большая группа экспериментаторов. Ее возглавили ученица Сегре китаянка By Цзянь-сюн и Эрнст Эмблер. Они поделили обязанности так. Эмблер должен был дать ядрам команду «смирно», а By — смотреть, что при этом произойдет с испусканием электронов.

Ядра существа резвые. В первую очередь нужно было поубавить их пыл. С этой целью радиоактивное вещество охладили до сверхнизкой температуры — всего лишь на сотые доли градуса выше абсолютного нуля. А затем поместили в сильнейшее магнитное поле. И, наконец, окружив всю установку счетчиками частиц, измерили, сколько электронов летит «по спину», а сколько «против спина».

Опыт готовился полгода. Опыт длился четверть часа. Этой четверти часа оказалось достаточно. Все получилось так, как предсказали Ли и Янг!

У природы в самом деле кривое зеркало! По крайней мере там, где присутствуют слабые взаимодействия.

Это было действительно потрясением! Нарушался один из самых очевидных законов природы: левое отличается от правого, верх от низа. Как это понять, как с этим примириться? Примириться придется. Факты — вещь чрезвычайно упрямая.

А понять… Понять — труднее. Дело в том, что здесь все не так просто, заявил вскоре после решающего опыта знаменитый советский физик Лев Давидович Ландау. Нарушается не только четность. У природы зеркало устроено хитрее, чем мы думали.

Отразите в этом зеркале протон. Вы думаете, что «по ту сторону» будет протон? Нет, там будет его зеркальный брат — антипротон! При отражении в зеркале природы частица заменяется античастицей.

И не приближайтесь к зеркалу, уважаемый протон, чтобы получше разглядеть свое отражение. Иначе кончится тем, что не останется ни вас, ни вашего зеркального брата!

Протон и его «зеркальное отражение» — антипротон.

Но читатель может не бояться даже сплющить собственный нос о зеркало. И он не подвержен слабым взаимодействиям, и зеркало иное — построенное руками человека, а не природы.

Да, кроме того, в зеркало и из него летят всего лишь фотоны. А для них, как мы уже видели в таблице, античастица ничем не отличается от частицы. Сколько ни встречайся они друг с другом — аннигиляции, взрыва не будет.

Так новым поразительным открытием и разрешилась загадка «тау-тета».

Элементарные частицы — предел делимости?

При путешествии по этой книге вы не раз встречали эпитет «элементарный», которым физики до недавнего времени наделяли частицы. Что под этим подразумевали ученые?

Прежде всего им представлялось до недавних пор, что эти частицы — как бы предел дробления вещества на части. Путешествуя по лестнице энергий, мы уже убедились в том, что, повышая энергию, можно было раздробить вещество на все более мелкие кусочки. Та же органическая молекула при нагревании сначала разбивалась на крупные блоки, эти блоки затем превращались в «пыль» из отдельных мелких молекул, молекулы дробились на атомы.

Еще немногим более полувека назад и атом был пределом делимости. Потом, повысив энергию, раздробили и его. Неделимый («атом» — по-гречески и означает «неделимый») оказался делимым. И, если бы не языковое неудобство, можно было бы предложить переименовать его в «том». (И получить, например, такие перлы, как «томная энергия» и «том железа»!)

После этого рубеж неделимости пролег по границам ядер. Но и здесь он был в считанные годы преодолен физикой. Тогда его отодвинули на рубеж частиц.

В книге, изданной пять лет назад, я читаю: «Элементарные частицы — это такие тельца, которым пока что нельзя приписать никакой внутренней структуры». Что ж, правильно по тем годам. И, казалось бы, правильно вообще: если припишешь внутреннюю структуру, то изволь признать еще более мелкие частички, из которых и образована эта самая структура!

Все, однако, оказалось не так-то просто. С самого начала выяснилась интереснейшая особенность: частицы превращались друг в друга. Ударили по протону энергичным пи-мезоном, чтобы расколоть протон на кусочки. Он и раскололся — на ламбда-гиперон и ка-мезон. Но можно ли считать их «кусочками» протона? Вряд ли: ламбда-гиперон и массивнее протона и сам распадается, образуя протон. В равной мере и ка-мезон нельзя считать осколком протона.

Хорошо, по весу дробление не проходит. Может быть, оно пройдет по размерам? А что такое размер в атомном мире? Квантовая механика не без оснований лишила частицы такой «расплывчатой» характеристики.

Помните, мы рассказывали, как гамма-фотон пытался высмотреть частицу, чтобы установить, как она движется? Ничего у него не вышло. И выйти не могло: со всякой частицей связана волна де-Бройля, которая размазывает частицу по пространству. Теперь уже не частица с четкими границами, а «облако вероятности» без всяких границ, без всяких определенных размеров.

Так… Частицы не имеют четких размеров. Частицы превращаются друг в друга… Физики постепенно, год за годом, пришли к убеждению, что говорить о дробимости или элементарности частиц совершенно бессмысленно. Но они не оставили надежды узнать о структуре частиц, вкладывая теперь в слово «структура» совершенно иной смысл.

Как частицы испускают кванты своих полей? Как частицы поглощают эти кванты от других частиц? Структура частиц определяет все взаимодействия, в которых они участвуют. Но и сами эти взаимодействия определяют структуру частиц. Получается как бы заколдованный круг!

Да, заколдованный круг, из которого до сегодняшнего дня еще не могут выбраться теоретики. Здесь, видимо, нужен какой-то принципиально новый подход, и тогда из этого круга, возможно, найдется выход.

Пока что экспериментаторы высмотрели… нет, не широкий, ясный выход, а некую узенькую щелочку. И, разумеется, в эту щелочку тут же засунули свой любопытный нос теоретики.

И то, что им удалось разнюхать за самые последние годы, вселило в сердца охотников за частицами большие надежды. Надежды навести какой-то достаточно убедительный порядок в мире частиц. То, что ускользало от физиков год за годом, как будто бы, наконец, удалось схватить.

Таинственные «резонансы»

Но расскажем по порядку. Дело началось тринадцать лет назад. Среди обильных трофеев, которые принесло физикам начало пятидесятых годов, среди всех этих мезонов и гиперонов, обнаружились какие-то весьма странные образования. Частицы? Нет, у тогдашних ученых как-то язык не поворачивался назвать их частицами.

Судите сами. Получил исследователь с помощью ускорителя лавину очень энергичных протонов. Бросил он эту лавину на мишень, помещенную внутри ускорителя и содержащую в своем составе протоны. И полетел во все стороны от мишени сноп новых, только что рожденных частиц. А среди них очень много пи-мезонов.

Отсеял исследователь из этого снопа все частицы, кроме пи-мезонов, и бросил эти пи-мезоны на вторую мишень, тоже содержащую протоны. Как будут сталкиваться пи-мезоны с протонами? Что при этом произойдет?

Что ж, это мы уже знаем: в неуловимо короткий миг встречи пи-мезонов с протонами они дадут жизнь целому ряду новых частиц; среди них — и более массивные ка-мезоны, и гипероны. Пролетят новорожденные частицы через камеру Вильсона или пузырьковую камеру, оставят в ней свои следы, будут с ними в камере разнообразные происшествия. И по этим следам пройдут охотники за частицами, узнают о том, что появились неведомые обитатели заповедного леса.

И всё? Оказывается, нет, не всё. Рождение новой частицы — вещь, конечно, очень приятная, но, что ни говори, редкая. Куда чаще после встречи с протонами пи-мезоны просто лишь меняют направление своего полета — рассеиваются в разные стороны. И нередко, если пи-мезоны обладают достаточной энергией, то возле протонов рождают своих собратьев. В снопе пи-мезонов появляются новые колосья.

Физики, разумеется, заинтересовались этим рассеянием: оно обещало пролить свет на природу сил, которые действуют между пи-мезонами и протонами при их сближении. Эти силы, как мы уже говорили, самые сильные силы на свете.

Они-то и обеспечивают колоссальную прочность атомных ядер.

Вначале это рассеяние как будто подтверждало самые общие догадки физиков. С ростом энергии пи-мезонов рассеяние их протонами все более ослабевало. Это и понятно: чем быстрее летит пи-мезон, тем меньше времени проводит он возле протона. Значит, тем меньше вероятность, что за это время обе частицы успеют обменяться крепкими «рукопожатиями». А значит, менее вероятно и то, что в результате более легкий из них пи-мезон сильно отлетит в сторону от своего первоначального пути.

Но тут же начались и неожиданности. При определенной энергии пи-мезонов рассеяние вдруг сильно возрастало. А затем, при дальнейшем повышении энергии мезона, оно снова приходило в норму. На рисунке, изображающем зависимость рассеяния от энергии мезона, появлялся небольшой горбик.

Первый горбик увидел в 1952 году уже известный нам неутомимый охотник за частицами Энрико Ферми. Посылая пучок пи-мезонов, рожденный в ускорителе Калифорнийского университета, на вещество, содержащее много протонов, Ферми заметил, что при энергии мезонов примерно в двести миллионов электрон-вольт они начинали вдруг очень сильно рассеиваться протонами.

Впечатление было такое, как будто качаешь маятник рукой. Вначале, пока толкаешь его редко и слабо, размах маятника невелик. Но, даже не усиливая толчков, а лишь учащая их, в какой-то момент добиваешься очень больших колебаний. А будешь подталкивать маятник еще чаще — и все пропадет. Причина этого известна давно: нащупал случайно собственную частоту колебаний маятника, и он ответил резонансом.

Все резонансные кривые имеют один и тот же вид. Неважно, описывают ли они размах колебаний маятника в зависимости от частоты толчков его, или слышимость, когда антенна радиоприемника настраивается в резонанс с частотой далекой радиостанции, или же когда с помощью оптического прибора физик нащупывает спектральную линию света от какого-либо химического элемента.

Этот вид всегда таков: на плавно идущей кривой вдруг возникает холм. Потому и горбик на кривой рассеяния пи-мезонов физики окрестили условно резонансом. В те годы казалось, что это лишь не более, чем внешняя аналогия. Да и к тому же совершенно загадочная.

В самом деле, о чем мог говорить горбик на кривой рассеяния? Раз частица рассеивается сильнее, значит, она больше времени проводит по соседству с протоном. Словно замедлила свой фантастически быстрый, почти со скоростью света, полет, чтобы получше разглядеть своего массивного родича.

На сколько же задерживается мезон около протона? Горбик на графике позволяет это прикинуть. Но только прикинуть — никакими часами этого не измерить. Размер (конечно, как мы помним, чисто условный) протона — порядка 10–13 сантиметра, скорость полета пи-мезона — порядка 1010 сантиметров в секунду. Значит, пи-мезон пролетает мимо протона примерно за 10–23 секунды.

Эта цифра нам известна: она дает порядок времени сильных взаимодействий. Так оно и должно быть: между протоном и пи-мезоном — квантом ядерного поля — существует именно сильное взаимодействие.

Так вот, «резонансный» пи-мезон задерживается около протона на время того же порядка — те же 10–23 секунды. И лишь, может быть, это время в два-три раза больше, чем для мезона с соседней, нерезонансной энергией. Точнее определить время задержки нет никакой возможности, известен лишь его порядок величины.

Но нам важно сейчас, что такая задержка все же происходит. Что там делают обе частицы в этот ничтожный промежуток времени? Сливаются, слипаются? — спрашивают друг друга физики.

Неясно, отвечают теоретики, но почему-то при этом появляются новые пи-мезоны. Впрочем, это, возможно, тот самый случай, когда энергия ядерного поля материализуется в виде новых квантов этого же поля. Виртуальный процесс, но с самыми реальными последствиями!

Занавес приподнимается

И вот экспериментатор появляется в кабинете теоретика. Оторванный от тяжких раздумий теоретик как будто недоволен.

— Итак, чем могу служить?

— Да вот, получил я новую кривую рассеяния пи-мезонов на протонах. А вот и еще одна: это я пустил на протоны пучок ка-мезонов. Трудно, знаете ли, было. Ка-мезоны — редкие гости. Намучился, пока закончил опыт.

Но что теоретику до каторжного труда экспериментатора!

— Ну и что, есть что-нибудь новенькое?

— Да вот, видите ли, опять эти горбики…

Теоретик рассматривает кривую рассеяния, построенную экспериментатором.

— Да, опять эти резонансы. И довольно много их… Впрочем, знаете что? Присаживайтесь-ка. Мне тут одна идейка в голову взбрела. Давайте-ка потолкуем.

Экспериментатор покорно садится. Не очень-то он любит, когда теоретик проверяет на нем свои заумные идеи. Но довольно часто оказывается, что теоретический «бред» удивительно хорошо объясняет факты, добытые на опыте, и правильно подсказывает экспериментатору, где и что нужно искать. Так что все-таки интересно узнать…

— Так вот, слушайте. Мне пришло в голову, что ваши горбики на кривых, это… новые частицы!

Такое действительно не каждый день услышишь! Экспериментатор изумлен.

— Да, да, не изумляйтесь. Вот вы сами скажите, что такое частица, по вашему мнению?

— Частица? Гм… Ну, как вам это сказать… Ну, вот, скажем, электрон. Он имеет массу, заряд, кроме того, спин. И еще вот что: он устойчив.

— Хорошо. А, скажем, мю-мезон? Он тоже имеет заряд, массу, спин… только живет миллионную долю секунды. Так что же, разве это не частица?

— Нет, почему же, частица.

— А ка-мезон: он живет еще в сотни раз меньше? А гипероны — они еще в сотню раз быстрее распадаются? Они тоже частицы?

— Мы полагаем — частицы.

Теоретик словно передразнивает:

— «Мы полагаем»! Тогда почему же мы — и я в их числе — не можем допустить, что ваши «резонансы» — это тоже частицы, только совсем уж мгновенно исчезающие? Живущие еще в триллион раз меньше, а потому и необнаружимые!

— Гм, собственно говоря, дело для нас именно в этом. За триллион-триллионную долю секунды своей жизни ваша «частица» никуда не уйдет, никакого следа не оставит.

— А для того чтобы вы поверили в частицу, вам обязательно нужно, чтобы вы увидели оставленный ею след?

— Ну, в общем, это как-то привычней.

Теоретик торжествует:

— Вот то-то и оно — привычней…

Но экспериментатор далеко еще не убежден.

— Погодите, а где масса, заряд, спин у вашего резонанса?

— Не беспокойтесь, все есть. Масса — это та самая энергия пи- или ка-мезона, при которой вы видите «резонанс» на кривой. Ведь массу можно получить из величины энергии по старой формуле Эйнштейна. Есть и заряд — только прямо вы его не измерите: слишком мало живет частица. А об измерении спина и говорить нечего. О том и о другом можно судить лишь по тем частицам, которые родятся в момент смерти вашего «резонанса».

— А! По тем дополнительным частицам, которые у меня появляются в рассеянном пучке мезонов.

— Вот-вот.

— Но, погодите, раньше ведь думали, что эти «резонансы» — лишь на мгновение слипшиеся новые частицы. Ну, например, два или три пи-мезона или, скажем, ка- и пи-мезоны.

— Ну и думайте себе на здоровье! От этого ведь ничего не изменится. А я могу думать, что это совершенно новые частицы. Причем вникните: эти частицы породило поле, которое само родилось от этих частиц.

Экспериментатор улыбается:

— Ну, этим вы меня не удивите. «Круговорот поля и вещества в природе» — это я и сам знаю. Вы вот предскажите из своей идеи новые, еще не открытые резо… то бишь, частицы. Найдут их, вот тогда я вам поверю.

— Об этом я сейчас и думаю.

— И придумали?

— Как будто что-то проясняется… Вот смотрите, есть у вас ядра какого-либо элемента, и бомбардируете вы их, скажем, протонами достаточно большой энергии. А затем изучаете, как эти протоны рассеиваются.

— Об этих опытах мир уже тридцать лет знает. Они во всех учебниках физики описаны. Сами читали.

— Верно — читали. Да не вникли. Есть там горбы на кривых рассеяния?

— Сколько угодно. Но ведь эти горбы отвечают тому, что ядро, проглотив протон и с ним солидную энергию, перешло в возбужденное состояние. А потом оно выбросило, например, протон и гамма-фотоны и что-нибудь еще и вернулось обратно в исходное состояние. А протон при этом потерял часть энергии и полетел в сторону — рассеялся.

Теоретик улыбается:

— Вижу, дело мы знаем. Ну, а сколько времени ядро живет в возбужденном состоянии?

— По-разному. В одном состоянии — миллиардные доли секунды, в другом — уже тысячные. Все зависит от состояния. И лишь в нормальном, самом низком по энергии состоянии, неограниченное время. Да что это вы меня экзаменуете?

— Нет, это не экзамен. Я просто подвожу вас к главной мысли. А что, если все эти неустойчивые частицы и те, что вы считаете частицами, все эти гипероны, и те «резонансы», которым вы отказываете в праве на такое название, что, если они есть возбужденные состояния нескольких основных частиц?

Теперь экспериментатора прóняло.

— Вот это мысль! Замечательная мысль. Возбужденное состояние — большая энергия, и, значит, большая масса, и чем более возбуждено состояние, тем меньше времени частица живет в нем! Здорово! Но… Простите, а как вы устанавливаете родственные связи между «резонансами» и частицами? Ну вот этот резонанс — тот самый, что открыл Ферми, — возбужденное состояние какой частицы он собой представляет?

Теоретик разводит руками к вящему разочарованию собеседника.

— Пока трудно сказать. Материалу мало. Надо еще досконально узнать, на какие частицы распадаются этот и другие «резонансы»; узнать все их «устойчивые» признаки — массу, барионный заряд, электрический заряд, спин, изотопический спин, странность — и даже четность. А вот уже после этого можно толковать…

«Резонансы» получают гражданство

Автор не зря привел этот вымышленный разговор. Описанная в нем идея сыграла важнейшую роль в деле классификации обитателей микромира. К переписи наряду с «настоящими» частицами на полных правах были допущены и «резонансные».

Продукты их распада? И тут обнаружилось интересное свойство «резонансных» частиц: они могли подчас распадаться многими различными путями. Чем-то похоже на бассейн со многими трубами, расположенными на разной высоте, в который вместо воды наливается энергия.

Влились, скажем, по двум трубам энергии пи-мезона и протона, а в две или три другие трубы ускользнули два или три новых пи-мезона. А еще больше энергия налетевшего пи-мезона, и уровень энергии в бассейне может подняться до такой трубы, через которую эта энергия «выльется» в виде уже ка-мезонов. А когда уровень энергии оказывается на такой высоте, где нет труб, эта энергия уходит по той же трубе, по которой пришла, в виде того же пи-мезона.

«А то, что труб много, — это хорошо! — заключили физики. — Можно устроить перекрестный допрос новорожденных частиц и кое-что надежно узнать об их родителях».

И действительно, многое узнали — в первую очередь, те самые «устойчивые» признаки, по которым должна вестись классификация. Но теоретики даже и не ожидали, пока им «на блюдечке» поднесут весь необходимый материал. Спотыкаясь, ошибаясь, они все же шли тернистой дорогой, и на ней нередко опережали экспериментаторов.

Вспомним изотопический спин. Он позволил близкие по массе частицы классифицировать как разновидности одной и той же частицы. Этим был сделан первый шаг к внесению порядка в перепись частиц.

Теперь предстояло делать следующий шаг — объединять эти «изотопические мультиплеты» в более крупные группы, «супермультиплеты». Тут уже один лишь изотопический спин помочь не мог.

Трудность состояла не только в том, что еще не были окончательно выяснены «семейные отношения» среди частиц. Не было также никаких сведений о том, из скольких членов должна состоять каждая «семья». Экспериментаторы мало что могли сказать по этому поводу. Впрочем, с самого начала было ясно, что существуют по крайней мере три достаточно обособленные друг от друга разновидности «семей» — лептонные, мезонные и барионные. Это нашло отражение и в таблице переписи частиц.

Относительно лептонных семей физики и по сей день ничего сказать не могут. Вся группа лептонов малочисленна по сравнению с такими «кланами», как мезоны и барионы. Казалось бы, поэтому в ней легче разобраться.

Ничуть не бывало! Как ни парадоксально, физики до сих пор не могут вообще понять, почему существует эта группа «в легчайшем весе». Все известные им законы микромира не позволяют даже допустить ее существование!

Конечно, лептоны не перестанут существовать оттого, что физикам они совершенно непонятны. Очевидно, здесь действует какая-то очень глубокая и важная закономерность. И почти наверняка прорыв в эту область в ближайшие годы принесет физикам новое поразительное знание.

А вот в гораздо более многочисленных группах «полутяжелого веса» и «тяжеловесов» сегодня дело обстоит более обнадеживающе. Разумеется, многочисленность этих групп, включение в них «резонансов» нисколько не облегчили задачу теоретиков.

Помог здесь удачно найденный способ пасьянса, а новые «карты» оказались весьма кстати в том, что заполнили многие пустые места в «колоде». Этот новый метод классификации частиц получил условное название «восьмерок».

Итак, единицы, двойки и тройки нам уже известны — это обычные мультиплеты частиц с изотопическим спином нуль, половинка и единица. О восьмерках нам и предстоит дальнейший разговор.

До сих пор мы рассказывали о классификации частиц по таким признакам, как масса, электрический заряд, барионный заряд, обычный и изотопический спины. Но она никак не удавалась.

«Не те признаки!» — решили в 1961 году уже известный нам Гелл-Манн и израильский ученый Нееман. Надо выбросить из игры все признаки, оставив лишь изотопический спин и странность.

Тогда останутся четыре величины. Не удивляйтесь: сам изотопический спин — величина сложная, она состоит из трех величин. Вам придется это принять на веру: объяснять это слишком сложно.

Итак, в распоряжении теоретиков четыре величины. Что с ними делать? Добавить к ним еще четыре!

Это очень смело. Работать одновременно с четырьмя величинами, да еще имеющими столь туманный физический смысл, и так нелегко, а тут еще к ним прибавляется столько же новых. И смысл их еще более темный. Ясно лишь, что они имеют значение в некотором роде спина, но не спина обычного, и не спина изотопического. Даже названия новой четверке величин физики еще не придумали.

Становится восемь величин. Но наши теоретики знают как будто бы, что делают. Эти восемь величин выбраны ими не случайно.

Тройки, восьмерки…

Они образуют очень интересную группу. Математики называют ее группой унитарной симметрии третьего порядка.

За этими «темными» словами кроется очень важное свойство: входящие в такую группу величины определенным способом взаимосвязаны, могут переходить друг в друга. Иначе говоря, если в такой группе каждая комбинация всех восьми величин связана с некоей частицей, то все семь остальных комбинаций отвечают таким частицам, которые связаны с первой общим происхождением! Тогда, исходя, например, из известных масс одних частиц в группе, можно предсказывать массы других, еще не открытых частиц в той же группе.

К этому и велась вся работа, «ни капли не пахнущая физикой», но до предела насыщенная сложнейшей математикой.

А с группами величин математики уже умеют работать. В том числе и с той группой, что называется группой унитарной симметрии.

Итак, в каждой такой группе восемь величин, восемь разных частиц, связанных тесными родственными отношениями. Какие же это частицы? А это уже можно достаточно определенно установить.

Вот, например, группа мезонов. В ней три пи-мезона и четыре ка-мезона — всего семь. А нужно восемь: того требует восьмеричная группа. И она же предсказывает свойства этого недостающего восьмого мезона: спин нуль, электрического заряда нет, изотопический спин, понятно, тоже нуль, чтобы частица была одна-одинешенька, масса примерно 1100 электронных масс.

И в том же 1961 году, когда было сделано предсказание, экспериментаторы обнаружили этот мезон. Все оказалось так, как предрекли теоретики! Вплоть до величины массы: она оказалась равной 1080 электронным.

Те из ученых, которые приняли вначале мысль Гелл-Манна более чем прохладно, теперь бросились по его пути. В течение последующих двух лет с помощью новооткрытых «резонансов» была построена вторая восьмерка мезонов. Известные же барионы, как видно из рисунка, сами, «без нажима», уложились в восьмерку.

А затем настала очередь «резонансов» с массами, почти в три тысячи раз превышающими массу электрона. К тому времени теоретики выяснили, что в этой группе должно быть уже не восемь, а десять частиц. В изменении этой численности повинен спин: все частицы в этой группе должны иметь спин не половинку, а три вторых.

Кстати говоря, это были первые открытые частицы со спином, превышающим единицу. Частицы в группе должны были расположиться уже не шестигранником, а треугольником. Первый его этаж образовывали четыре дельта-гиперона, второй этаж — три «резонансных» сигма-гиперона (более тяжелые, чем «обычные» сигма-гипероны, они, в отличие от первых, обозначены в таблице переписи цифрами при символе, а тот же символ подчеркивает, что они родственники «обычным» сигма-гиперонам). Третий этаж должны были заселить два кси-гиперона (тоже с номерами, чтобы отличить их от «обычных», более легких родственников), и крышу… а крыша пустовала! Домик резонансных гиперонов, оказывается, стоял недостроенным.

Когда Гелл-Манн в 1962 году начал разбираться в этой «десятке», он сразу обратил внимание на это обстоятельство. И не только обратил внимание, но и попытался рассчитать свойства частицы, которую следовало поселить на крыше. Эта частица, как и ее поселившиеся ниже соседи, должна была оказаться со спином 3/2. Кроме того, она должна была иметь отрицательный электрический заряд, изотопический спин 0, наподобие найденного ранее эта-мезона с массой 1080 электронных. Но вот масса нового гиперона, который Гелл-Манн окрестил омега-минусом (Ω–), должна была составлять уже не 1080, а почти 3300 электронных масс!

И, что еще очень важно, эта частица должна была быть не «резонансной», а «настоящей». Ей предсказывалось время существования, обычное для гиперонов, — примерно десятимиллиардные доли секунды.

Но это же означало, что омега-гиперон можно искать! Он за время своей недолгой жизни оставит все же где-нибудь след. Например, в пузырьковой камере, установленной поблизости от места его рождения.

И эксперимент по поимке новой частицы начался. Нелегкий эксперимент. Протоны следовало бомбардировать ка-мезонами, причем очень внушительной энергии — не менее десятка миллиардов электрон-вольт. Ка-мезоны сами по себе редкость, на многие тысячи пи-мезонов они попадаются чуть ли не поштучно. А тут надо было с помощью такой редкости добыть еще большую частицу, которая, несмотря на гигантскую работу физиков, все еще ни разу не показалась им на глаза.

Эксперимент по поимке омега-гиперона длился около года. И, наконец, в начале 1964 года, после просмотра почти ста тысяч фотографий, снятых в пузырьковой камере, на одной из них удалось обнаружить долгожданное уникальное явление. Эта фотография на стр. 247. А рядом с ней — схема, позволяющая разобраться в путанице следов частиц на фотопленке.

…И тузы

Так… Новый пасьянс на сей раз увенчался солидным успехом. Не случайно открытия новой частицы физики ожидали, по словам одного из них, «словно присутствуя в тот момент, когда яблоко падало к ногам Ньютона».

Неужели открытие омега-гиперона имеет такое же значение, как открытие Ньютоном всемирного тяготения, о чем повествует известная легенда о яблоке? Мы далеки от того, чтобы сравнивать эти два события. Но все же открытие предсказанного заранее омега-гиперона составляет эпоху в физике частиц.

Впервые в физике микромира появляется убедительная система новых частиц. Впервые их перепись приобретает очертания законченности, порядка. И это должно сыграть не меньшую роль, чем для химии и физики — открытие Менделеевым периодического закона химических свойств атомов.

Эта аналогия не случайна. Еще до Менделеева делались попытки свести в какую-то систему свойства химических элементов. Один из химиков того времени нащупал тройки близких по свойствам элементов, например тройку из лития, натрия и калия (только спустя много лет выяснилось, что на самом деле это не тройка, а шестерка: к ней добавились еще три более тяжелых химических элемента). Другой расположил элементы по восьмеркам так, что в следующей восьмерке элементы повторяли химические свойства предыдущей. Это уже было ближе к истине. И лишь гениальная догадка Менделеева свела воедино эти разрозненные попытки в замечательную систему.

В современной физике частиц наблюдается нечто подобное. Сначала единицы, двойки и тройки изотопических мультиплетов. Затем восьмерки и десятки супер-мультиплетов. Что же последует дальше?

Не надо придавать особого значения «магии» чисел. Из того, что восемь — ключевое число периодической системы химических элементов (восемь типов валентности), вовсе не следует, что оно столь же «магическое» число и в мире частиц.

Разные миры — разные законы.

Объяснить химическое значение восьмерки смогла квантовая механика. Именно она доказала, что на самой внешней электронной оболочке атома не может быть более восьми электронов. А эти-то электроны и ответственны за химическое поведение атомов.

В мире частиц квантовой механике приходится куда труднее. Здесь, видимо, совсем иные закономерности, нежели в мире атомов. Здесь она, как правило, вынуждена не решать проблемы в лоб, а прибегать к обходным маневрам. Один из таких маневров — обращение ее к группам унитарной симметрии.

Да уже и не к одной группе третьего порядка. Совсем недавно, в 1964 году, трое физиков-теоретиков — Гюрши, Паис и Сакита — предложили «дополнить» группу третьего порядка «обыкновенным» спином частиц — тем самым, что приведен у нас в переписи. Группу пришлось расширить — теперь она стала группой унитарной симметрии шестого порядка.

Одно время высказывались опасения, что эта группа не пролезет в физический «рай» сквозь те узенькие врата, о которых мы уже упоминали в главе, посвященной позитрону. Эти врата — требование релятивистской инвариантности. Не думайте, что те математические постройки, которые сегодня возводят физики, автоматически застрахованы от неудачи! Нет — на каждом шагу их нужно проверять. И только буквально несколько месяцев назад ученые облегченно вздохнули: удалось доказать, что эта группа проходит сквозь врата инвариантности.

Порядок выше — группа многочисленнее. Группа шестого порядка включает уже 35 мезонов и 56 барионов. Ряд предсказываемых ею частиц еще не открыт, но за ними сейчас ведется энергичная охота. Возрастание порядка группы — это, если можно так выразиться, больший порядок в мыслях и представлениях физиков о мире сверхмалых частиц.

Изотопический и «обычный» спины, унитарная симметрия — и в итоге почти что сотня частиц. Из какого же семени разросся этот многоцветный букет частиц? Есть ли среди них основные, фундаментальные частицы, частицы-производители, родившие все остальные в результате тонкой и сложной игры сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействий?

Примерно десять лет назад японский физик Саката высказал мысль: такие фундаментальные частицы есть. И назвал их: протон, нейтрон и ламбда-гиперон. Они по многим причинам подходили на эту роль. И особенно, казалось, эта мысль и этот выбор исходных частиц подтверждаются с открытием и изучением слабых взаимодействий в последующие годы.

Но вот незадача: из этой тройки частиц должны были возникать группы, состоящие из 6 и 15 частиц. А такие группы на опыте никак не удавалось обнаружить.

Поэтому физики отложили гипотезу Сакаты, тем более что потом ее заслонили группы из восьмерок и десятки частиц. Но история повторяется.

В последнее время снова большое место в мыслях физиков заняла гипотеза о фундаментальных частицах — трех китах, на которых стоит микромир. Но это уже не те частицы, которые предлагал Саката. Среди известных частиц этих нет.

Авторы новой гипотезы Гелл-Манн и Цвейг называют эти частицы по-разному: один — «кварками», другой — «тузами». Ну, вот, теперь в пасьянсе появляются и тузы, «карточная колода» частиц, кажется, приобретает законченный вид.

«Тузы» воистину удивительны — не массой, не спином, а другими признаками. Оказывается, такие величины, как барионный заряд и странность, для них должны быть дробными! Что ж, может сказать читатель, этому дивиться бы не стоило: обе упомянутые величины введены физиками чисто условно, за ними нет наглядного физического смысла.

Ладно, допустим, что читателя не удивит вытекающее отсюда и из закона сохранения барионного заряда, скажем, такое положение: «в каждом взаимодействии должна сохраняться треть туза!» Но можно надеяться, что у него все же вызовет изумление такое свойство «туза»: его электрический заряд тоже должен быть дробным, составляя 2/3 или 1/3 от заряда электрона.

Можно полагать, что читатель, почерпнувший из всех учебников твердую уверенность в том, что электронный заряд есть самый маленький заряд на свете, уже более не дробимый, будет все же заинтригован. Может быть, он даже скажет, как некий посетитель зоопарка, впервые в жизни увидевший жирафа: «Быть такого не может!»

Во всяком случае, «тузов» еще никто не обнаружил. Возможно, из-за предсказываемой немалой их массы: они должны быть не менее чем в 6000 раз массивнее электрона. А самые тяжелые из найденных пока что «резонансных» частиц по массе только еще подбираются к 4000 электронным.

Все может быть. Но, может быть, окажутся правы и те из сегодняшних физиков, которые, сжав в тисках голову, сидят в своих кабинетах и бормочут наподобие сумасшедшего Германа из пушкинской «Пиковой дамы»: «Тройка, восьмерка, туз, тройка, восьмерка, туз!»

Самые глубокие глубины

Вот так и сняла современная физика вопрос об «элементарности» частиц микромира. И в последние годы ученые вообще избегают пользоваться в применении к частицам словом «элементарный».

Стало совершенно неоспоримым, что все частицы имеют некую внутреннюю структуру. Но ее не понимают так, будто бы частицы сами состоят из каких-то еще меньших субчастиц.

Нет, структура частиц — нечто зыбкое, текучее, постоянно меняющееся, то, что определяется всеми взаимодействиями, в которых участвует частица, всеми распадами, которые она может претерпеть, всеми частицами, которые она может породить.

И обратно, все взаимодействия, распады и рождения определяются структурой самих частиц. Оторвать одно от другого невозможно.

В самом деле, частиц без взаимодействий не существует, взаимодействий без частиц — тоже. Нельзя в атомном мире запереться на замок и не отвечать на звонки, стать невидимым и неслышимым. Одиночество в этом мире — вещь совершенно немыслимая.

Каким же зондом можно влезть в частицу, чтобы прощупать ее нутро? Каким лучиком осветить ее, чтобы увидеть ее структуру? Увы, мы знаем, что это невозможно. Внутрь частиц заглянуть нельзя. «Частицы абсолютно безнадежно невидимы», — печально молвил как-то американский физик Роберт Хофстадтер.

И он же предпринял замечательные опыты, которые позволили физикам глубоко заглянуть в недра протона и нейтрона! Но, конечно, заглянуть не в буквальном смысле. Хофстадтер сумел обойти препятствие, воздвигнутое на его пути соотношениями неопределенности Гейзенберга.

Впрочем, Хофстадтера натолкнул на идею давно уже покойный Эрнест Резерфорд. Теми самыми опытами, какими Резерфорд убедился в существовании атомного ядра.

Помните? Он посылал на атом целую стаю альфа-частиц и наблюдал, как они разлетались в разные стороны после прохождения сквозь атом. Что творилось при этом в самом атоме, Резерфорд не знал. Но он зато узнал, что положительный заряд в атоме не размазан, а весь сосредоточен как бы в крошечном шарике — в ядре. Узнав, как распределен заряд в атоме, Резерфорд выяснил его структуру.

Подобный опыт решил поставить и Хофстадтер — но уже не на атоме, а на протоне. Альфа-частицы для такого опыта не годились. Никто же не полезет в желудок зондом размерами со всего пациента!

Нужна была частица по крайней мере такая же «простейшая», как протон. Пощупать предстояло распределение электрического заряда в протоне. Значит, частица должна была быть заряженной. И притом заряженной так, чтобы протон не отпихивал зонда, как это часто делают неразумные пациенты.

Наконец, надо было, чтобы частица имела неядерную природу. Иначе при ее встрече с протоном рождались бы мезоны и гипероны. А требовалось, чтобы пациент при обследовании вел себя спокойно.

Что ж, природа предоставила в распоряжение ученого удачные зонды, и в любом потребном количестве. Это электроны.

Чтобы они могли выполнить свое назначение, их все же надо было загонять в тело пациента силой. Мы помним, что пациенты — протоны в атомах водорода — окружены отталкивающей наш зонд электронной же одеждой. Хофстадтер выбрал линейный ускоритель электронов того типа, который некогда соорудил швейцарец Видероэ, сначала на энергию 550 миллионов, а затем на 2 миллиарда электрон-вольт.

И вот получены первые результаты обследования пациента. Мы их нарисовали на графиках. Левый график отражает распределение электрического заряда в протоне, правый — в нейтроне.

Распределение электрического заряда в протоне.

Распределение электрического заряда в нейтроне. Видно, что оно гораздо сложнее, чем в протоне, образуя как положительно, так и отрицательно заряженные области.

Да, да, в нейтральном нейтроне полным-полно электричества! Впрочем, физикам это давно было не в диковинку. Уже много лет было известно, что, несмотря на отсутствие видимого электрического заряда, нейтрон сильно магнитен — сила его магнитика составляет более двух третей силы протонного магнитика. И направлением этого магнитика нейтрон как раз отличается от антинейтрона.

Из этого было сделано заключение, что в нейтроне есть электрические заряды, но компенсирующие друг друга. Примерно так, как в атоме. Атом тоже в целом нейтрален, а между тем в нем живут и «плюсовые» ядра и «минусовые» электроны.

Начнем с левой карты обследования. Вся кривая идет выше нуля. Значит, в протоне весь заряд положительный. Он довольно резко обрывается примерно при 2 ферми[3] . Поэтому можно считать, что на расстоянии 2 ферми от центра пролегает довольно отчетливая граница протона.

Из правой карты для нейтрона видно, что у него распределение заряда гораздо сложнее. В самом центре располагается крошечная область положительного заряда, затем идет узенькая область отрицательного, потом опять положительного и, наконец, у наружного края снова отрицательная область, причем заряд в ней уменьшается гораздо более плавно, чем у протона. Граница же нейтрона пролегает при тех же 2 ферми.

Первый вопрос: а из чего, собственно, состоят эти заряды? Носителя положительного заряда меньше позитрона, а отрицательного — меньше электрона физика пока не знает. Да если бы и знала (помните «тузы»?), то это не помогло бы в данном случае: «тузы» куда массивнее протона и нейтрона! Выходит, в протоне есть позитроны, а в нейтроне еще и электроны? Никоим образом. Зададим встречный вопрос.

Протон обменивается с нейтроном и обратно — нейтрон с протоном — пи-мезонами. А если возле протона нет нейтрона? Выходит, нет обмена? Протон перестанет «выделять» пи-мезоны? Стоит появиться нейтрону, и начнется выделение? Разумеется, нет. Разведка протона все время в боевой готовности. Иначе протон и «не узнáет» о появлении нейтрона.

Эта боевая готовность заключается в том, что протон все время испускает и поглощает обратно свои же пи-мезоны. Однако поскольку такой процесс виртуален, он должен заканчиваться «молниеносно» — за время порядка 10–23 секунды. Мы уже об этом не раз говорили.

Протон может каждый раз испускать и по одному пи-мезону, и целые разведывательные отряды из двух, трех и более пи-мезонов, и вообще даже целые «резонансные» частицы. Лишь чем многочисленнее отряд, чем массивнее он или частица, тем быстрее они должны вернуться обратно, тем более близкие окрестности к центру протона они прощупывают. Одиночные же разведчики пи-мезоны могут уйти, и это мы видим из графика, на расстояние порядка 1–2 ферми.

Вот вам и разгадка внешнего слоя электрического заряда протона. Он состоит из облаков виртуальных положительных пи-мезонов. Протон словно укутан в мезонную «шубу».

Под «шубой» укрылась довольно плотная часть протона. Физики назвали ее керном. Из чего он состоит?

А здесь полезно привести вполне современную поговорку физиков: «Нет такого виртуального, чтобы не стало реальным!» Выбрасывает протон при энергичном столкновении реальные ка-мезоны и гипероны, значит, виртуально они содержатся в нем. Появляются антипротоны, значит, и они, как это ни трудно вообразить, виртуально живут в их смертельном враге.

Все эти частицы и образуют, видимо, керн протона. Это понятно — масса и энергия покоя у них гораздо больше, чем у пи-мезонов. На виртуальное рождение их протон должен затратить большую энергию. А раз так, тем меньше времени и в тем меньшем объеме пространства они могут существовать.

«Видимо» же мы сказали потому, что сегодня о керне, в отличие от пи-мезонной «шубы», еще почти ничего не известно.

Мезонная «шуба» нейтрона богаче: она построена как из положительных, так и отрицательных пи-мезонов. Мезоны выполняют двоякие обязанности.

С одной стороны, они несут электрический заряд и осуществляют электромагнитные взаимодействия.

С другой, переносят ядерные взаимодействия.

Значит, электромагнитный и ядерный размеры «шубы» должны совпадать.

На деле же получается, что электромагнитная «вата» далеко вылезла за пределы ядерного «сукна». Долго недоумевали физики, как могла природа сшить такую нескладную «шубу». А потом решили, что «сукно» еще наставлено «меховой» оборкой из двух сортов новых мезонов, гораздо более массивных, чем пи-мезоны.

Это знакомые нам по переписи «резонансы» — нейтральный омега-мезон и «троица» из нейтрального и противоположно заряженных ро-мезонов. (Просьба не путать этот омега-мезон с тем омега-гипероном, о котором была уже речь. Оба они обозначаются одной и той же греческой буквой, но мезон — маленькой, а гиперон — большой. Это видно в нашей «переписи» частиц.)

О керне нейтрона также нет единодушного мнения. Одни считают его в целом заряженным положительно, другие — заряженным отрицательно. Вероятно, в его состав входят пары из нейтрона и антинейтрона, а может быть — и пары из протона и антипротона. Более определенного мнения пока нет.

Вот пока и все, что известно о структуре протона и нейтрона. Мало?

Сравните с «точкой», о которой нечего было сказать еще десять лет назад! «Разъять» протон — это не разнять матрешку, в которой обнаружится еще десяток таких же матрешек мал мала меньше!

Почти частица!

Как-то один из охотников за частицами сделал своим сотрудникам остроумный рождественский подарок. Под праздничной оберткой они обнаружили красиво раскрашенную… спичечную коробку. На ней была надпись: «Внутри — целая сотня нейтрино». Коробку открыли — она оказалась пустой…

И все же надпись была совершенно правильной. Любой такой объем на Земле, занят ли он воздухом, водой или камнем, содержит примерно сотню нейтрино. Они пронизывают его со скоростью света по всевозможным направлениям, столь же бесперебойно, как бесперебойно светят Солнце и звезды, распадаются радиоактивные ядра и неустойчивые частицы, рожденные космическими лучами в атмосфере. Для нейтрино не существует преград.

Нейтрино не имеют ни барионного, ни обычного электрического заряда, ни массы. Они не испытывают ни ядерных, ни электромагнитных, ни гравитационных взаимодействий. Они чистейшие представители слабых взаимодействий. И столь же всепроникающи, как эти взаимодействия.

Нейтрино движутся со скоростью света, не будучи фотонами.

В раскаленных глубинах звезд, где голые атомные ядра сшибаются в бешеной пляске, рождая новые ядра, где полным ходом идут термоядерные реакции — источник света и тепла от звезд, — рождаются полчища нейтрино. Они вырываются сквозь колоссальные толщи звездного вещества, которое для них куда более прозрачно, чем для собственного звездного света. Вырываются в мировое пространство, чтобы пролететь чудовищные расстояния и исчезнуть за какими-то неведомыми пределами.

Одинокие равнодушные странники, они не дарят миру ни тепла, ни света. Они не отдают холодному межзвездному миру ни капли из той огромной энергии, которую уносят с собой из звезд. А эта энергия действительно огромна: из нашего Солнца нейтрино уносят чуть ли не одну десятую всей излучаемой им энергии. Этой энергии хватило бы, чтобы зажечь сорок тысяч лун на земном небосводе!

А может быть, эта поражающая воображение картина выглядит вовсе не так. Может быть, нейтрино вовсе не такой равнодушный странник, как его сегодня изображают физики. Может быть, но тогда истинная картина, когда она откроется, наверняка поразит наше воображение еще сильнее…

О нейтрино физики догадывались уже тридцать лет назад. Поймать его удалось лишь восемь лет назад, после пятилетней напряженной подготовки охотничьей экспедиции. Изучать по-настоящему нейтрино начали лишь в самые последние годы.

В лице пи-мезонов физики впервые столкнулись с вещественными квантами, имеющими массу покоя. В лице нейтрино физики впервые встретились с частицей, имеющей вещественный «полуцелый» спин — и никаких других вещественных признаков.

Нейтрино не квант слабых полей: об этом ясно говорит его «полуцелый» спин. Нейтрино не вещественная частица: у него нет массы покоя, и он движется лишь со скоростью света.

Что же такое нейтрино? Сверхфеноменальная частица мира, где феноменальное встречается на каждом шагу? Этот вопрос стал одним из центральных в современной физике.

Крушение закона сохранения четности в слабых взаимодействиях немедленно подорвало веру физиков в то, что нейтрино и антинейтрино одинаковые частицы. Зеркальное изображение нейтрино оказалось не во всем похожим на нейтрино. Оно оказалось воистину зеркальным.

Спин нейтрино, как выяснилось, «смотрит» туда, куда движется частица, а спин антинейтрино — против движения. Антинейтрино, если говорить словами шутливой песенки про кузнечика, летит «коленками назад».

Некоторые физики любят сравнивать нейтрино со штопором. У штопора, как известно, правая нарезка. Момент импульса штопора при его ввинчивании в пробку, — какие серьезные слова для такой веселой операции! — направлен туда же, в пробку, то есть совпадает с направлением движения самого штопора. Это нейтрино.

Левше, понятно, пользоваться таким штопором неудобно. Природа пожалела его и создала «антиштопор» с левой нарезкой. Теперь момент импульса «антиштопора» направлен в руку, хотя сам «антиштопор» по-прежнему уходит в бутылку. Это антинейтрино.

Правая и левая нарезка, или, как говорят физики, «спиральность» — вот то единственное отличие, которое проводят сегодня ученые между нейтрино и антинейтрино. Так — они убеждены — и действует «кривое» зеркало природы. Рейнс и Коуэн в действительности поймали не нейтрино, а антинейтрино!

Это 1957 год. 1962 год приносит новый сюрприз.

Жили-были два нейтрино

Физики уже давно были удивлены тем, почему мю-мезоны, распадаясь на электроны, избавляются от «довеска» массы таким хитроумным способом, как с помощью нейтрино (или антинейтрино). Слабые взаимодействия, ну и что? Пи-мезоны тоже распадаются слабым взаимодействием. Опять же, что из этого следует? Почему они не могут распадаться, скажем, электромагнитным взаимодействием?

В частности, почему бы мю-мезоны не могли распадаться, скажем, так. Мю-плюс — на два позитрона и один электрон; или мю-минус — на два электрона и один позитрон; или, наконец, мю-мезон — на электрон (позитрон) и фотон? Ни один из известных законов сохранения — даже такой «надуманный», как для лептонного заряда, — этого не запрещает. А между тем указанные распады никогда не наблюдались.

Значит, заключили физики, коварная природа придумала еще один запрет. И, как всегда в подобных случаях, «сочинили» новый заряд и новый закон его сохранения. На сей раз — мюонный заряд, уже специально для одной-единственной частицы. На что только не пойдешь, чтобы объяснить необъяснимое!

Ладно. Заряд так заряд. Понятно, что электрон этого заряда лишен. Позитрон тоже. И фотон вместе с ними. Тогда действительно мю-мезон никак не может распасться на тройку своих «младших братьев» или дать жизнь таким «братьям» с большим фотонным наследством.

Как водится, приписали мю-плюсу мюонный заряд +1, мю-минусу приписали –1. И оглянулись по сторонам — кому бы еще присвоить такой заряд. Желающих не оказалось. От такого, с позволения сказать, знака отличия отвернулся даже близкий сосед мю-мезона — пи-мезон.

С этого все и началось. Распался пи-плюс на мю-плюс и нейтрино. Стали считать мюонные заряды. Слева — нуль, справа +1. И нейтрино потребовалось приписать –1, чтобы все было в порядке (справа и слева по нулю).

А затем обратились ко второму распаду: мю-мезона на электрон и нейтрино. У мю-мезона спин — половинка, значит, и у его наследников в сумме должно быть то же. У электрона и у нейтрино — тоже по половинке. Как ни складывай две половинки, одной из них не получишь. Пришлось, как мы уже рассказывали, к ним в компанию добавить еще антинейтрино. Теперь все стало на место.

Стало? А ну-ка, сопоставим мюонные заряды. Слева +1 или –1, смотря по тому, мю-плюс или мю-минус распался. А справа? Электрон мюонного заряда лишен, а нейтрино и антинейтрино, хоть и имеют его, но гасят друг у друга: они же античастицы. Не удается мю-мезону передать свой «особый» заряд наследникам! Подвела арифметика?

«Нет, арифметика правильна», — заключил советский физик Моисей Александрович Марков.

Просто те нейтрино, что появляются вместе с мю-мезоном при распаде пи-мезона и вместе с электроном при распаде мю-мезона, — эти нейтрино разные! Просто? Ох, какой не простой вывод были вынуждены сделать физики!

Тогда так: «мюонное» нейтрино имеет тот же мюонный заряд, что и его партнер мю-мезон (то есть ±1), а «электронное», — что и электрон (0). Первое обозначим «своей» буквой ν, но со значком μ. Вот так: νμ. А второе — νe. И назовем: νμ — нейтрино 2 и νe — нейтрино 1. Под такими обозначениями они и выступают в нашей таблице переписи сверхмалых частиц.

В результате можно свести концы с концами. Пи-мезон распадается так:

π +  → μ +  + ν μ или π –  → μ –  + ν μ –

(черточка над буквой обозначает античастицу, в данном случае — антинейтрино). А мю-мезон распадается уже на «смесь» нейтрино:

μ +  → e +  + ν e  + ν μ – или μ –  → e –  + ν e –  + ν μ .

Честь спасена, но каким, казалось бы, неуклюжим маневром! «Не торопитесь наклеивать ярлыки, — такой ответ получили скептики, — давайте сначала проверим. Отказаться от ошибки никогда не поздно».

Проверка была произведена летом 1962 года. Сильному пучку пи-мезонов была предоставлена возможность распадаться на мю-мезоны, а тем — на нейтрино. После этого нейтрино, невидимые и неуловимые, начали свободный поиск жертв в среде протонов и нейтронов, наподобие того, что было в опыте Рейнса и Коуэна. Если бы «мюонное» и «электронное» нейтрино были одинаковыми, то при столкновении их с протонами и нейтронами должны были бы «обратно» рождаться как электроны, так и мю-мезоны.

События, что ни говори, редкие. Потому и опыт шел многие недели. Уже обработаны тысячи фотопленок. И физики убеждаются, что рождаются только мю-мезоны! Электронов нет и в помине!

«Ну, что — неуклюжий маневр?» — было заявлено еще раз посрамленным скептикам. «Да мы-то что! — отмахнулись слабо скептики. — Вы лучше смотрите, какие занятные выводы следуют из существования двух нейтрино!» И пророки и скептики как ни в чем не бывало сдвинули головы в тесный круг. И увлекательнейшая охота продолжилась.

Зонды вселенной

А тем временем нейтрино заинтересовались охотники за «сверхбольшим», исследователи бескрайних звездных миров — астрофизики.

Спасибо фотонам: они уже о многом поведали, путешествуя по просторам Вселенной. Астрономы узнали о далеких звездных мирах в недрах гигантских туманностей, увидели сталкивающиеся галактики, взрывающиеся звезды, чудовищные облака космической пыли и газов. Луч света помог проникнуть в недра звезд, нащупать в них величайший в природе источник света и тепла — термоядерные реакции. Спасибо фотону — славно он поработал!

Такие слова, правда, чаще говорят, провожая на пенсию какого-нибудь заслуженного деятеля. Фотон еще во цвете лет, до пенсии ему еще работать и работать! Но работать все труднее: все большие требования предъявляют к нему ученые.

А фотон уже со всеми требованиями не справляется. Задают ему вопрос: расскажи, что творится в самых глубоких недрах звезды? А он: не знаю, не был; я, собственно, побывал лишь ближе к краю. А из центра звезды мне бы и не выбраться: слишком тяжелый путь, слишком много на нем препятствий, чудовищно плотно сжато там вещество.

Ученые не отстают: расскажи тогда, какие они — антимиры, где они, что ты там видел? А фотон: не знаю, не видел, для меня все миры одинаковы, что ваш, что какой другой! И он прав: что в мире, что в антимире — фотоны одинаковы. У них ведь нет отличающихся античастиц.

Идет уже сегодня к фотону помощник. Юркий, неуловимый, через любые препятствия проникнет — нейтрино. Тучами рождаются нейтрино и антинейтрино в глубочайших недрах звезд, без труда вырываются оттуда в межзвездное пространство. Они и должны поведать нам о своем родном доме.

Миры шлют во все стороны густые стаи нейтрино. А антимиры — не менее обильные косяки антинейтрино. Но эти частицы уже различаются. Они и поведают нам, где и какие есть антимиры, как там позитроны крутятся вокруг ядер, составленных из антипротонов и антинейтронов, как там антиатомы и антимолекулы собираются в антиживотных и, может быть, даже антилюдей.

Нейтрино становится зондом Вселенной! Так, согласно старинной поговорке, сходятся сверхвеликое и сверхмалое!

Звездное богатство

И еще об одном из чудес Вселенной может поведать нейтрино — о нейтронных звездах, о пятом состоянии вещества, как его назвал Лев Давидович Ландау.

Но расскажем об этом по порядку. В конце тридцатых годов крупный немецкий физик Ганс Бете заинтересовался стариннейшим вопросом. Уже много тысяч лет младенцы всего мира задают своим родителям один и тот же «младенчески невинный» вопрос: «А почему светит Солнце?»

— Там геенна огненная, там черти поджаривают грешников! — шепчет и богобоязненно крестится какая-нибудь темная бабушка.

— А на чем там черти жарят, бабушка? На дровах или на угле?

— На дровах, на дровах, внучек!

— А давно там черти жарят, бабушка?

— Давно, давно, и нас с тобой еще не было!

— И как только у них там дров хватает!

Бабушка предусмотрительно не отвечает. Даже лучших, отборнейших дров для такого гигантского котла, как Солнце, хватило бы лишь на сотни лет. Лучшего угля, лучшего на свете горючего — на тысячи лет.

А Солнце светит себе миллиарды лет и не думает гаснуть! Бог с ней, с этой бабушкой, — крупнейшие ученые прошлых веков ломали головы над «детским» вопросом и ничего разумного не могли придумать. В лучшем случае, по их расчетам, Солнце должно было погаснуть спустя миллионы лет после того, как загорелось.

Бете сопоставляет: измерения солнечного спектра показывают, что там в изобилии присутствует водород и довольно редкий на Земле газ — гелий. Бете — физик-ядерщик, он мыслит понятиями своей науки. Значит, на Солнце подавляющее большинство всех ядер составляют протоны и альфа-частицы.

Какая связь между ними? Видимо, альфа-частицы могли бы образоваться из протонов при наличии нейтронов. Но, если для этого требуется внушительная энергия, природа на это не пойдет. Ведь Солнце не получает энергии извне.

Бете делает расчет. Результат ошеломляет его. «Монтаж» альфа-частицы не только не требует энергии — он сам щедро отдает ее! Ну, а теперь прикинем, зная массу Солнца и сколько оно отдает энергии в виде света и тепла, надолго ли хватит энергии, выделяющейся при «монтаже» альфа-частиц?

Ответ вполне утешительный: на многие и многие миллиарды лет! Солнце не выбрало из своей кладовой пока что и половины протонов. Светит и греет нас оно по меньшей мере уже добрых пять миллиардов лет. И столько же будет, если не больше.

Так открывается первая термоядерная реакция — источник столь расточительного и вместе с тем долгого звездного существования. Затем открываются другие возможные термоядерные реакции. Но какие из них идут в звездах на самом деле, никто еще сегодня не знает.

Известно только одно. Чтобы пошли такие реакции, в недрах звезд должны быть чудовищные температуры — минимум десятки миллионов градусов! Вещество при таких температурах находится в «четвертом», плазменном состоянии. Нейтроны в свободном виде при таких температурах, как на Солнце, видимо, не живут. Когда сталкиваются два протона, они образуют ядро тяжелого водорода — дейтрон — без участия нейтрона.

В тот ничтожный миг, когда протоны вступили в зону действия ядерных сил, один из них исчезает, превращаясь в нейтрон. Выбрасываются прочь позитрон и нейтрино, и протон уже тесно сцепился со своим «обращенным» собратом в новое ядро.

Куда же девались электронные оболочки протонов, которые когда-то, пока звезда не вспыхнула, мирно окружали свои ядра? Видимо, в звезде вместе с полчищами протонов существуют и не менее густые полчища электронов. Но атомов из них уже не выйдет: слишком высока температура.

Пятое состояние вещества

Примерно в те же годы, когда Бете раскрыл секрет источника существования звезд, Ландау попытался ответить на им же поставленный «детский» вопрос: а нельзя ли электрон силой вогнать в протон и получить нейтрон? Можно, ответил он немного спустя, но для этого нужна огромная энергия — 800 тысяч электрон-вольт на пару частиц.

Ну, какая же это огромная энергия? Сегодняшние ускорители дают уже десятки миллиардов электрон-вольт! Верно. Но Ландау перевел подсчет на масштабы целой звезды. А вещества в ней, как ни говори, «немножко» больше, чем в жиденьком пучке частиц, крутящемся в камере ускорителя. Вот так и выходило, что в звездах как будто бы электроны в протоны не загоняются. Не хватает температуры: для этого нужны многие миллиарды градусов. А в звездах, видимо, речь идет лишь о десятках миллионов.

Но есть одна вещь, от температуры как бы не зависящая, — это влияние на электронный «газ» плотности звездного вещества. Оказывается, энергию и температуру этого «газа» можно повысить одним лишь сжатием. Чем-то это напоминает нагрев воздуха в велосипедном насосе при накачивании шины.

На самом деле причина здесь другая. Ее уместнее сравнить с поведением толпы, которую вдруг начало сжимать неумолимое оцепление. Пытаясь уйти от давки, люди начинают карабкаться на фонарные столбы, на лестницы домов. Скоро и там становится тесно, — люди перебираются на крыши домов, все выше и выше.

Так ведут себя и электроны при сильном сжатии: они все выше и выше поднимаются по ступенькам энергетической лестницы. И, наконец, передовые из них достигают крыши — тех самых 800 тысяч электрон-вольт. Это начинается, когда плотность звездного вещества достигает примерно миллиона тонн в кубическом сантиметре.

Выше этой плотности почти все звездное вещество должно превратиться в нейтроны. Возникает новое, «пятое» состояние вещества — нейтронное. Предположительно его плотность должна составлять сотни миллионов тонн в кубическом сантиметре — плотность атомного ядра, невообразимо увеличенного в своих размерах!

Немыслимо, чтобы такая плотность могла где-либо быть в природе! Нет, мыслимо! А белые карлики? Удивительнейшие обитатели звездного мира, страшно маленькие и светящиеся с неистовой яркостью! Астрономы уже давно подсчитали, что их размеры составляют лишь считанные километры, а плотность может достигать десятков тысяч тонн в кубическом сантиметре.

Что ж, в недрах таких карликов вполне может существовать нейтронная сердцевина. И очень любопытно, что, образовавшись, эта сердцевина словно «захлопывает» звезду.

Сердцевина очень плотна, занимает малый объем, и остальное вещество звезды, притягиваясь ею, должно быстро упасть на центр звезды. Звезда резко сожмется, выделится чудовищная энергия. Уж не так ли вспыхивают время от времени звезды?

Одна такая звезда, которую сейчас астрономы видят в знаменитой Крабовидной туманности, девятьсот лет назад вспыхнула так ярко, что даже днем ее было видно невооруженным глазом, а ночью ее блеск затмевал свет Луны! Это не выдумка: о замечательной звезде писали в один голос многие летописцы того времени.

Было высказано предположение, что эта звезда — нейтронная. Правда, оно как будто не подтвердилось.

Когда же родится нейтринная астрономия, когда она научится не только улавливать мощные потоки нейтрино, но и измерять их энергию, тогда можно будет поставить решающий опыт. Вспыхнет где-нибудь сверхъяркая звезда — и немедленно к ней потянутся щупальца обычных и нейтринных телескопов. Ведь при переходе вещества в нейтронное состояние образуется целая туча нейтрино.

И полетят нейтрино вместе с фотонами, прибудут на Землю в один и тот же день, в один и тот же час, и скажут приборы: поток фотонов и нейтрино вон из того кусочка неба возрос одинаково. И ответ на это может быть только один: перешло звездное вещество в «пятое» состояние.

Рождение мира

А вот еще одна великая загадка. Правда, она мучает ученых не века, а всего лишь сорок лет.

Сорок лет назад американский астроном Хаббл, обработав свои наблюдения спектров далеких галактик, пришел к поразительному выводу: галактики разбегаются друг от друга. Видимая Вселенная расширяется!

И что самое замечательное — расширяется неравномерно. Более далекие галактики убегают друг от друга чуть ли не с околосветовыми скоростями, а более близкие — гораздо медленнее.

Но свет от далеких галактик идет к нам дольше, чем от близких. Поэтому далекие галактики мы сегодня видим с бóльшим запозданием.

Так выходит, что в небе мы видим всю историю видимой Вселенной. От самых далеких галактик, еще наблюдаемых в современные телескопы, свет идет чуть ли не пять миллиардов лет. Это и значит, что мы видим эти звездные миры такими, какими они были пять миллиардов лет назад.

И оказывается, пять миллиардов лет назад галактики разлетались друг от друга с гигантскими скоростями. А чем позже, тем скорость их разбегания становилась меньше. Создается впечатление, что примерно с десяток миллиардов лет назад произошел какой-то сверхфантастической силы взрыв, который разбросал по небу осколки в виде наблюдаемых звездных миров!

Замечательная теория Эйнштейна (называемая в отличие от той, с которой мы до сих пор имели дело, — общей теорией относительности) с теми уточнениями, которые внес в нее советский ученый Александр Александрович Фридман, предвидит такую возможность как расширение Вселенной. Более того, она говорит, что Вселенная может перестать расширяться, начнет сжиматься до какой-то небольшой области, потом сжатие снова сменится расширением. Вселенная может словно пульсировать, причем период пульсации — многие миллиарды лет!

Но какие причины могут вызвать пульсации — это за пределами возможностей теории Эйнштейна. А причины должны быть исключительно важными. В чем искать их?

Не иначе, как на «уровне» того, из чего в конечном счете состоит вся огромная Вселенная — сверхмалых частиц. Давайте допустим на момент, что некогда все вещество Вселенной занимало сравнительно небольшой объем.

Плотность его в этом объеме должна была быть колоссальной — наверное, далеко за пределами миллиардов тонн в кубическом сантиметре. Настоящее «пятое», нейтронное состояние вещества!

А может быть, даже и еще более плотное — «шестое», гиперонное состояние, когда все вещество состоит из одних лишь массивных гиперонов!

Сколько могло длиться такое состояние, никому не известно. Не понятны и причины, которые могли вывести вещество из этого состояния. Но так или иначе, выход мог совершиться и, допустим, совершился. Нейтроны довольно быстро распались на протоны и электроны. Колоссальная энергия, запасенная в сжатом, словно пружина, веществе, освободилась и разбросала эти частицы почти со световой скоростью по пространству.

Протоны и электроны образовали менее «спрессованные», чем нейтроны, комбинации — атомы водорода. Эти атомы объединились в молекулы и даже, возможно, в целые глыбы водорода. Разлетаясь, сталкиваясь, слипаясь, разогреваясь, глыбы в конце концов образовали звезды и целые звездные миры, украшающие наше небо.

Эту гипотезу высказал советский физик Яков Борисович Зельдович. Увлекательнейшая гипотеза! Пусть не все в ней гладко. Пусть глыбы получаются по расчету слишком маленькими, чтобы можно было понять их дальнейшую судьбу. Сделан первый шаг к разгадке самой великой тайны природы!

И, может быть, мы с вами еще будем свидетелями того, как эта гипотеза — да, пока еще лишь более или менее правдоподобная гипотеза, — как она обрастет плотью точного расчета, как в ней заструится свежая кровь опытных наблюдений, как она превратится в стройную и могучую теорию происхождения сверхвеликого — Вселенной из сверхмалого — из частиц!