Смена караула
Нейтрон… На него набросились не только одни экспериментаторы. Его появление отпраздновали и теоретики. Отпраздновали своеобразно — тут же заставили его работать в поте лица своего.
То, что нейтрон явился на свет свободным, их не смутило. Отныне нейтрону предстояло выполнить самую тяжкую и самую благородную работу на свете: предохранять ядерные семьи от развала на отдельные протоны.
Так… Смена караула в ядрах. Действительно, самая благородная задача. Если бы чудом образовавшиеся ядра тут же разваливались на отдельные кирпичи, в мире не могло бы существовать ни единого вещественного предмета. Он представлял бы собою скопище проносящихся друг мимо друга протонов и электронов, в лучшем случае — атомов водорода. Единственной твердью в таком мире мог бы быть один лишь твердый водород при температуре, недалекой от абсолютного нуля. Да, неуютная картина мироздания!
Природа, однако, оказалась щедрее на выдумку. Она создала великое разнообразие ядер — от водорода до урана и даже включила в него сверхтяжелые заурановые элементы. И все это разнообразие должно быть обязано нейтрону.
Так заявили в том же году, когда был открыт нейтрон, один из создателей квантовой механики Вернер Гейзенберг и молодые советские ученые Игорь Евгеньевич Тамм и Дмитрий Дмитриевич Иваненко. Заявление это было чрезвычайно смелым. Ведь с самого начала было ясно, что нейтрон — электрически незаряженная частица, что взаимодействовать с заряженным протоном электрическими силами она не имеет возможности.
Но роль стража, безразличного к тому, как протоны разлетаются в разные стороны, вовсе не предназначалась нейтрону. Нейтрон и протон взаимодействуют, но не электрическими, а какими-то иными, покуда неизвестными силами, предположили создатели новой модели атомного ядра.
Пока теоретики ломают головы над природой загадочных сил, действующих в атомных ядрах, прежде всего делаются оценки величины этих сил. Из изучения столкновений протонов с нейтронами, хотя бы в том же парафине, довольно точно удается оценить массу нейтрона. Нет, она не равна массе протона, как это полагал Резерфорд, а больше ее. Правда, на совсем небольшую величину — всего лишь примерно на одну тысячную.
Теперь можно заняться постройкой ядер. И здесь неоценимую услугу физикам оказывают изотопы, существование которых было обнаружено за двадцать лет до этого первооткрывателем электрона Джи-Джи Томсоном. Так смыкаются научные поколения, так метод, послуживший некогда открытию электрона, теперь позволяет проникнуть в секреты строения ядра.
Дело в том — и это было уже давно подмечено, — атомные веса химических элементов не совпадают с числом протонов в их ядрах. Ни в старой модели ядра, считавшей его состоящим из протонов и электронов, ни в новой, строящей ядра из протонов и нейтронов.
Что же, в этом могут быть повинны изотопы — так первое время думают физики. Скажем, более тяжелого изотопа в той их смеси, с которой имели дело химики, определявшие атомные веса, — этого изотопа побольше, а более легких поменьше. Вот получается дробное число, заметно отличающееся от ближайшего к нему целого. В этом же может заключаться разгадка и того факта, что у каждого элемента отличие дроби от целого разное.
Достаточно посмотреть хотя бы на ядро гелия. Атомный вес его — 4,003 — очень близок к целому числу 4. Значит, гелиевое ядро построено из четырех частиц. Нам оно уже встречалось не раз — это не что иное, как сама альфа-частица. Заряд ее тоже известен — два положительных заряда, каждый из которых по абсолютной величине равен заряду электрона. Значит, в ядре гелия живут два протона, а остальные места занимают два нейтрона.
Атомный вес протона — 1,008, нейтрона — 1,009. Что ж, сложим эти веса и умножим на два — 4,034. «Хвостик» при четверке в добрый десяток раз больше, чем в действительности! В чем же дело?
У гелия есть легкий изотоп, состоящий из двух протонов и одного нейтрона. Но, во-первых, в любой природной смеси этих изотопов более легкий всегда содержится в ничтожной доле, а во-вторых, он не спасает положения: его атомный вес тоже оказывается больше действительного.
Да, ядерные здания построены иначе, чем созданные руками человека. Вес нормального здания равен весу кирпичей да еще весу цемента. Вес же ядерных зданий меньше веса всех его кирпичей! Лет за тридцать до описываемых времен физики могли бы лишь недоуменно развести руками.
Теперь же решение приходит быстро. Еще Эйнштейн показал, что часть массы всех тел может переходить в форму энергии их движения. Затрачивая на что-нибудь свою энергию, тело «худеет». На что же могли затратить часть своей массы протоны и нейтроны в ядрах?
Да на взаимную связь! Удержать протоны друг возле друга, усмирить их бешеную ненависть — на это требуется энергия, и, видимо, немалая.
Впрочем, ее уже можно без особого труда подсчитать: она равна разности мыслимого и реального «хвостиков» при четверке, переведенной из шкалы масс в шкалу энергий. Это составляет ни много ни мало около трех миллионов электрон-вольт. А в ядрах, состоящих из десятков протонов и нейтронов, эта энергия доходит даже до семи-восьми миллионов электрон-вольт в расчете на одну ядерную частицу.
Ого! Энергия связи протона с электроном в атоме, например, водорода — всего лишь около 14 электрон-вольт. Теперь понятно, почему ядра — столь крепкие орешки, почему их не берут даже самые сильные внешние воздействия. Просто эти воздействия слишком слабы. Их энергия в тысячи раз меньше той, что сплачивает ядерные частицы в поразительно прочные коллективы.
Да, нейтрон по праву сменил своего предшественника — электрона — в ядре. Он действительно замечательный страж спокойствия в ядрах. Но как это ему удается? Вот тот вопрос, который мучает физиков первые три года после открытия нейтрона.
Видимо, между нейтроном и протоном существует обменное взаимодействие, — такое предположение высказывают Вернер Гейзенберг и Игорь Тамм.
Атомный волейбол
Электрон «кружится» вокруг протона в атоме водорода. Земля кружится вокруг Солнца. Это простейшие примеры сил притяжения, действующих на расстоянии. Но, оказывается, есть еще один род сил, действующих на расстоянии, и открыла его квантовая механика.
Две команды играют в волейбол. Они не уйдут с поля, пока мяч в игре. Какая сила связывает их? Вы скажете — правила игры. Вот эти-то «правила игры» и подметила квантовая механика, но в атомном мире.
Все началось с обыкновенной молекулы водорода. А вопрос, в сущности, не очень обыкновенный: что заставляет два в целом электрически нейтральных атома притянуться друг к другу и создать довольно прочную молекулу? Раз атомы нейтральны, то, понятно, обычные электрические силы притяжения между ними не действуют.
Теоретики произвели расчеты и выяснили, как меняется вид электронных облаков в каждом из атомов водорода при их сближении. Выявилась удивительная картина. По мере сближения атомов электронное облако каждого из них все сильнее вытягивалось в направлении к ядру «чужого» атома, пока, наконец, не охватило полностью «чужое» ядро. Правда, облака электронов были возле «чужих» ядер более прозрачными, чем возле «своих». Но это уже не меняло сущности дела: «свой» электрон какое-то время должен был пребывать около «чужого» ядра.
Так возник атомный волейбол: ядро, подержав у себя в руках «свой» электрон, бросало его партнеру. Похоже на игру двух спортсменов двумя мячами. И уже нельзя сказать, где «свой» и где «чужой» электрон: электроны ведь схожи друг с другом, как близнецы!
Стороннему наблюдателю такой волейбол показался бы на редкость скучным зрелищем: два совершенно одинаковых игрока перебрасываются двумя совершенно одинаковыми мячами. Физики же получили от такого зрелища живейшее удовольствие: еще бы, разгадана одна из самых простых на вид, но столь тонких и трудных загадок природы!
Значение этого успеха оказалось куда большим, чем можно было ожидать. Пользуясь представлением об «игре в мяч», физики смогли подобрать ключ к решению такой важнейшей и труднейшей проблемы, как электрическое взаимодействие тел.
Подход старой физики к этому вопросу вам отлично известен. Он начинается со знаменитой фразы из учебника: «Одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно заряженные — притягиваются». Что ж, это факт, твердо установленный на опыте.
Но почему разноименно заряженные тела чувствуют такое неодолимое влечение друг к другу? Старая физика любезно поясняет: вокруг заряженного тела существует электрическое поле, которое действует с определенной силой на все другие заряженные тела, попавшие в это поле.
А что такое тогда поле? Тело, что выделяет его? Или все это надо представлять себе иначе?
Старая физика умолкает. Она никак себе не представляет поле. Поле есть поле — и баста!
Вопрос перекладывается на плечи квантовой механики. Она лучше вооружена для его решения. В ее арсенале — кванты электромагнитной энергии — фотоны Эйнштейна и замечательные соотношения неопределенностей Гейзенберга. И, наконец, на ее вооружение поступает то, о чем мы только что рассказали, — обменное взаимодействие.
Теперь можно начинать игру. Ее правила: все электрически заряженные тела обмениваются фотонами, которые они как бы извлекают из себя. Но осторожнее, на вышке сидит зоркий наблюдатель — старая физика. Однажды она уже пыталась подловить квантовую механику на просачивании частиц сквозь барьеры. Так и сейчас: ничего нельзя делать незаконно с ее точки зрения.
Чтобы извлечь из себя фотон и бросить его партнеру, нужно затратить энергию, которой ни у одного из партнеров нет. Это явное беззаконие. Но если такое преступление проделать очень быстро, то старая подслеповатая физика может и не заметить. Ну, раз-два! Плохо, медленно, так дело не пойдет.
Помните? Если измерять энергию одно мгновение, то измерение даст совершенно неопределенный результат. Тогда под покровом этой полнейшей неопределенности можно обмениваться мячами-фотонами хоть с любой энергией. Но фотон-то летит не мгновение. Скорость его хоть и очень велика, но все же не бесконечна. А значит, и расстояние между партнерами он пролетает за какое-то время. И чем больше это время, тем меньше допустимая «кража» энергии.
В этом-то все дело! Значит, энергия фотона, то есть энергия, которую каждый из партнеров украл незаконно у самого себя, должна быть тем меньше, чем дальше отстоят обменивающиеся протонами партнеры, и наоборот. А чем меньше эта энергия, тем, понятно, слабее взаимодействуют партнеры. Вот вам и закон Кулона! Тот самый школьный закон о том, что сила притяжения или отталкивания заряженных тел обратно пропорциональна расстоянию между ними.
И если игра в мяч будет идти корректно, с соблюдением квантовых правил игры, то старая физика ни за что не заметит нарушения своих законов. Физики назвали такие процессы взаимодействия, в которых «незримо» нарушаются законы классической физики, процессами виртуальными. Запомните это слово: оно нам не раз встретится в дальнейшем.
Игра в мяч переносится в ядро
Как мы уже сказали, этот волейбол Гейзенберг и предложил устроить в атомных ядрах. Новые игроки, новая площадка — и, видимо, совершенно другие мячи…
Фотоны здесь не подходят — нейтрон электрически не заряжен. И, кроме того, еще одно существенное отличие: мячи никогда не залетают за крошечную площадку. На редкость аккуратная игра.
Фотоны — те при малой энергии могли удаляться довольно далеко от бросивших их партнеров. Ведь чем меньше энергия фотонов, тем меньше «преступление», тем дольше оно может оставаться нераскрытым. А значит, тем большее пространство покроет фотон. На языке физики это звучит так: радиус действия электрического поля бесконечен!
Не то в ядре. Мячи сами никогда не залетают за пределы ядерной площадки. Это говорит о том, что их энергия имеет предел своему уменьшению.
А раз так, то мячами должны быть вещественные частицы!
На этом заключении надо немного остановиться. Нам опять понадобится известное соотношение Эйнштейна между массой и энергией.
Дело в том, что фотон, в отличие от всех вещественных частиц, никогда не может находиться в покое. Природа устроила его так, что он может лишь носиться со скоростью света. Но энергию при этом он может иметь какую угодно — это зависит лишь от его частоты. Пределов ей ни вверх, ни вниз нет. Потому мы наблюдаем и «нежные» кванты длинных радиоволн, и «зверские» кванты гамма-лучей.
А вот вещественные частицы пребывать в покое могут. В покое они имеют определенную массу и связанную с нею по соотношению Эйнштейна энергию покоя. Это — самая маленькая энергия для них. «Законным» путем сделать из нее хотя бы крошечный заем на свои нужды частицы не могут. В этом-то и причина, почему такой заем, разрешенный квантовой механикой, правда с соблюдением определенных правил, старая физика считает беззаконием.
Отсюда и ясно, что свою энергию вещественные частицы должны отсчитывать не от нуля, как вечный бродяга — фотон, а от энергии покоя. Меньшей энергии, строго говоря, частицы вещества иметь не могут.
А с другой стороны, эта наименьшая энергия и определяет то наибольшее расстояние между партнерами, которое может быть при игре вещественным мячом. И наоборот, по размерам площадки можно судить о массе мяча!
Размеры площадки уже известны, по крайней мере, по порядку величины — это примерные размеры ядра. Остается определить массу мяча. Это и делает, после ряда безуспешных попыток, предпринятых учеными разных стран, японский физик Хидеки Юкава в 1935 году.
Да, мяч оказывается весьма массивным! Он в добрых двести — триста раз массивнее электрона и всего лишь в шесть — девять раз легче самих игроков. Руки отмахаешь, играя в такой волейбол!
Новую частицу, запрятанную в недрах атомного ядра, предполагается назвать мезотроном. По-гречески «мезос» означает «средний», и действительно, новая частица располагается по массе где-то посредине между протоном и электроном.
Теперь можно понаблюдать за игрой. Она уже гораздо более занятна, чем игра двух атомов водорода в их молекуле.
Вот протон бросил положительно заряженный мезотрон. Мяч в игре! Но смотрите не на мяч, ищите игрока. Он исчез!
Да, протон, бросив мяч, избавился с ним от своего заряда и превратился в нейтрон. На ничтожную долю секунды в стане протонов появился чужой игрок. Но проходит эта доля секунды, нейтрон хватает мяч и сам превращается в протон. Теперь и в другой команде чужой игрок.
А если вы учтете, что каждая пара игроков обменивается мячом, да еще подхватывает «чужие» мячи и посылает свои в «чужие» пары, словно это не серьезная игра, а легкая тренировка, то поймете, как трудно подслеповатой старой физике уследить за всем этим. Она уже готова не обращать внимания на игроков, ей, дай бог, хотя бы поймать взглядом мяч!
Но и этого ей не удается. Мяч находится в воздухе каждый раз действительно сверхничтожно малое время — чуть поболее триллион-триллионной доли секунды! Чтобы представить себе столь ничтожную величину, не помогут никакие сравнения! Старая физика вообще никогда не увидит ни одного мяча в ядре — в нем они все виртуальные.
Так, вероятно, выглядела бы «мгновенная фотография» команд частиц, играющих в волейбол в атомных ядрах. Впрочем, вы бы не отличили ее от фотографии, сделанной мгновение спустя: протоны превратились бы в нейтроны, а нейтроны — в протоны. Так как все игроки одной команды идеально похожи друг на друга, то никакую перестановку их заметить не удалось бы.
Физики же, исповедующие квантовую веру, пригляделись к ядерному волейболу и увидели там второй сорт мячей. Увидели так отчетливо, как если бы мячи одного сорта были выкрашены черной, а другого — белой краской!
Они увидели, что нейтроны не только принимают мячи от протонов, чтобы тут же вернуть их обратно, — но и что нейтроны сами испускают мячи, которые тут же забирают протоны. Этими мячами были такие же, но отрицательно заряженные мезотроны!
Нейтральный электрический нейтрон, бросив протону отрицательный мезотрон, становился протоном. Протон, приняв этот мезотрон, уничтожал свой электрический заряд и превращался в нейтрон.
Так веки вечные играют в мяч частицы в ядре, не имея сил разойтись в разные стороны. Играют неутомимо, с фантастической скоростью швыряя мячи друг другу и превращаясь при этом друг в друга.
Какую голову надо было иметь, чтобы в ней могло родиться подобное представление! И какую скромность: «так как частица с такой большой массой никогда не наблюдалась, вышеизложенная теория, кажется, находится на ложном пути». Этими словами заключил Юкава свое сообщение. Теперь слово за экспериментаторами. Они ставят себе задание: искать мезотроны.
«Подкидыш» природы
Теоретики вручают экспериментаторам словесный портрет разыскиваемой частицы. Масса раз в двести — триста больше, чем у электрона. Заряд либо положительный, либо отрицательный. Предполагаемое местожительство — атомные ядра. А посему при встрече с ядром взаимодействие частицы и ядра должно быть сильнейшим.
Понятно, однако, что если эта частица выполняет в ядре столь важную и столь скрытную работу, то в обычной обстановке она предпочитает не показываться на глаза ученым. В ядрах искать ее, конечно, нечего. Большим «слоноподобным» приборам нет смысла лезть в ядерный «муравейник». Остается обратить взоры к заповеднику всяких частиц — космическим лучам. Они уже подарили физикам позитрон. Можно надеяться, что этим дело не кончится.
Сколько раз в истории изучения частиц бывало, что они наблюдались уже не один год, а экспериментаторы проходили мимо них. Так продолжалось до тех пор, пока теоретики не обращали внимание исследователей на то, что в толпу известных частиц могли затесаться и частицы еще неизвестные. Теоретики, более того, давали портреты этих частиц, после чего их поимка становилась делом хотя и трудным, но уже более целенаправленным.
Так случилось и с мезотронами. Уже много лет на снимках космических частиц, сделанных в камерах Вильсона, наблюдались следы, принадлежащие, как думали физики, каким-то сверхэнергичным электронам. Сильные магнитные поля, без труда сворачивающие с прямой дорожки даже очень быстрые электроны на эти сверхэнергичные частицы почти не действовали.
Тогда попробовали их замедлить, помещая на пути этих частиц в камере свинцовые перегородки. Почти никакого результата. Эти частицы проникали в толщу земли, их удавалось обнаружить даже в шахтных выработках под земной поверхностью. И от частиц другой группы они странным образом отличались тем, что не создавали никаких ливней в свинцовых пластинках. Помните гроздья следов, свисающие со свинцовых переборок камеры Вильсона? «Жесткая компонента» — так назвали их физики, чтобы подчеркнуть удивительную проникающую способность этих частиц.
Что ж, видимо, в самом деле в космических лучах существуют какие-то сверхэнергичные электроны, хотя трудно понять, где они набрали такую энергию.
Гипотеза Юкава одним ударом разрешила эти затруднения. Не сверхэнергичные электроны, а мезотроны с энергией, довольно заурядной для космических частиц! Неудивительно, что следы мезотронов можно было приписать электронам: ведь обе частицы отличаются только массами!
Только ли? — усомнились некоторые исследователи. А вид взаимодействия с ядрами? Электрон должен взаимодействовать с ядром сравнительно слабо: электрические силы в сотни тысяч раз слабее тех, что действуют в ядрах. Мезотрон же, напротив, должен взаимодействовать с ядрами энергичнейшим образом: он ведь их порождение!
Да? А почему этого никогда не видно на снимках? Почему, наконец, мезотроны так сильно проникают сквозь вещество? Если бы их взаимодействие с ядрами было сильным, они бы растеряли свою энергию в сотни и тысячи раз быстрее.
Полно, в самом ли деле это предсказанные Юкавой мезотроны?
Но сомневающиеся вынуждены умолкнуть один за другим. Тщательное изучение следов новых частиц в камерах Вильсона позволяет измерить их массу. Она оказывается по этим первым, еще не очень совершенным измерениям что-то примерно в двести раз больше массы электрона.
Итак, первое предсказание сбывается. Тем временем Юкава делает еще одно важное предсказание: мезотрон в свободном состоянии должен оказаться неустойчивым. Спустя ничтожное время — Юкава на основании расчета полагает, что речь может идти лишь о миллионных долях секунды, — мезотрон должен распасться на другие частицы.
Одной из этих частиц будет электрон.
Проходит несколько месяцев, и уже знакомые нам Андерсон и Неддермайер, получившие когда-то первый «настоящий» снимок родившегося позитрона, в той же камере Вильсона добывают замечательную фотографию «скончавшегося» мезотрона. Да, он в самом деле распадается!
Фотография распада мю-мезона. Сравнительно толстый мезонный след ломается в точке распада и превращается в электронный пунктир.
Бежал, бежал след мезотрона и вдруг сломался. А от места облома побежал другой, более тонкий след, явно принадлежащий уже электрону. Подсчитали, сколько мог жить мезотрон до своей кончины, если даже он прилетел от самой границы земной атмосферы. Оказалось — те же миллионные доли секунды.
Так сбылось и второе предсказание Юкавы: мезотрон, вне всякого сомнения!
Но сомнения не исчезли. Почему частица, как две капли воды похожая на ту, что предсказал Юкава, все же не выполняет самого важного его предсказания? Почему она взаимодействует с ядрами ничуть не сильнее, чем электрон?
Нет, это не тот мезотрон! Так вынуждены были признать в конце концов физики.
Этот мезотрон — подкидыш природы. Надо искать «настоящий» мезотрон.
На сей раз природа шла навстречу физикам куда менее охотно. Уже давно была разработана первая теория ядерных сил, в которой фигурировал «настоящий» мезотрон, уже давно на основе этой теории заработал атомный реактор и были созданы грозные атомные бомбы. А нужная частица все не появлялась в поле зрения физиков.
И снова, как не раз до этого, физикам пришлось уверовать в теорию, в буквальном смысле повисшую в воздухе. Пришлось уверовать, несмотря на отсутствие той частицы, которая легла в ее основу. Поверить лишь на основании одних косвенных доказательств правильности теории. Уж больно грозными были эти доказательства!
Долгожданное открытие
Частицу, которую с таким нетерпением ожидали физики, поймали англичанин Сесил Пауэлл и итальянец Джузеппе Оккиалини в 1947 году. Поймали там, где в сильно разреженных слоях воздуха физики условно проводили верхнюю границу атмосферы.
Находка была не совсем случайной. Война помешала охотникам за частицами. В годы, когда над рядом стран нависла смертельная опасность гитлеровского порабощения, физики покинули мирные занятия. Но сразу же после окончания войны была организована настоящая облава на космические лучи.
На шарах-зондах — тех, которыми столь широко пользуются метеорологи, — поднимались целые гроздья счетчиков Гейгера, большие стопы толстослойных фотоэмульсий. Затем физики получили в свое распоряжение еще более высотный транспорт — геофизические ракеты. С их помощью ученые смогли забрасывать свои приборы на сотни километров в космос.
Там, где плотность воздушного океана становилась совершенно неощутимой, происходило таинство рождения вторичных космических частиц. Там космические частицы колоссальных энергий, пришедшие к Земле из глубин мирового пространства, встречались впервые с ядрами атомов воздуха. Пути этих первичных частиц были усеяны развалинами ядер, вдребезги разбитыми при столкновениях. Там рождались вторичные космические частицы, которые потом достигали поверхности Земли и попадали в приборы ученых.
И эти события смерти ядер и рождения вторичных частиц исправно регистрировали фотопластинки. Ученые увидели на них десятки звезд. Нет, не тех, что светят нам из глубин Вселенной. Звездами они образно назвали следы на фотопластинках, чем-то напоминающие кляксы, с большой силой посаженные на бумагу.
Энергичный пи-мезон, влетев в ядро, разрушил его вдребезги. В фотоэмульсии это событие оставило «звезду». Один из пи-мезонов, покинувших разрушенное ядро, — его след идет вниз направо — в свою очередь столкнулся с другим ядром и образовал новую «звезду».
След первичной частицы вдруг исчезал в черном кружке, а из него во все стороны летели брызги других следов. Это космическая частица с огромной энергией ударила в ядро и не только полностью разрушила ядерное здание, но еще придала его кирпичикам вдогонку внушительные скорости.
И виртуальные мезотроны, запрятанные в недрах ядер, стали реальными. Так из взорванного дома летят не только кирпичи, но и куски скреплявшего их цемента. Пауэлл обнаружил, что эти куски, как и предсказывал в свое время Юкава, существовали в свободном состоянии недолго — еще в добрую сотню раз меньше, чем открытые до того «подкидыши». И, прекращая свое существование, распадаясь, они рождали эти самые «подкидыши».
Типичная фотография распада пи-мезона. Пришедший снизу пи-мезон родил мю-мезон, а тот рядом же, просуществовав миллионные доли секунды, родил электрон. Моментам распадов отвечают два ясно видимых излома следов.
Вот откуда на Землю лился обильный поток жестких, почти не реагирующих с ядрами мезотронов! Эти мезотроны были даже не вторичными, а третичными частицами. Но это стало ясным лишь тогда, когда физики смогли подняться в верхние слои атмосферы с тем, чтобы разгадать тайну рождения мезотронов.
Новый «настоящий» мезотрон оказался почти в 270 раз тяжелее электрона. Прожив после своего освобождения из ядра лишь стомиллионные доли секунды, он умирал, рождая «подкидыш»-мезотрон, который жил уже в сто раз дольше и за это время успевал долететь до Земли. Масса его по уточненным подсчетам оказалась равной примерно 207 электронным массам.
Физики окрестили «настоящий» мезотрон пи-мезоном, а «подкидыш» мю-мезоном. Под этими названиями они будут фигурировать в нашем рассказе, пока не выяснится, что мю-мезон, в сущности, вовсе не мезон…
Но для этого должно пройти еще несколько лет.
Мю-мезон в «упряжке»
Мы пока проскочим эти годы. Они — тема особого разговора.
Сейчас же расскажем о том, как остроумные физики нашли хорошую работу «подкидышу». Помните, мы говорили, что мю-мезон почти ни в чем не отличается от электрона? Так полагали физики еще до войны, а последующие годы все более укрепляли их в этой мысли.
Заряд — такой же по величине и по знаку. Затем выясняется, что и спины того и другого в точности одинаковые. Сходство во всем, кроме массы. Мю-мезон начинают называть тяжелым электроном.
Зачем же природе наряду с обычным понадобилось создавать и тяжелый электрон? Этого никто не знает и поныне. Но вот разницу в их массах физики ухитрились использовать.
Они создали искусственные атомы. В этих атомах они посадили на электронные оболочки отрицательные мю-мезоны (в дальнейшем для краткости мы будем называть их «мю-минус»). В самом деле, это вполне возможно, хотя и требует незаурядных экспериментальных хитростей.
Прежде всего потребовалось получить достаточные количества таких частиц, а значит, и их родителей — пи-минусов. Причем не на огромных пространствах воздушного океана, а в крошечных объемах, в которых ведется опыт. Надо, кроме того, работать быстро: мю-минус живет лишь миллионные доли секунды.
Но за это время он успевает сделать полезное дело. Сев на электронную орбиту, он быстро проваливается с нее в глубь атома. Ведь он в двести с лишним раз тяжелее электрона. А значит, его орбита — если пользоваться моделью атома Бора — должна пролегать во столько же раз ближе к ядру, чем такая же орбита электрона в атоме.
Физики взяли атом свинца. Его порядковый номер в периодической системе — 82. Это означает, что в его ядре — 82 протона, а они притягивают электрон в 82 раза сильнее, чем единственный протон в водородном ядре. Результат нетрудно предвидеть: глубочайшая электронная орбита в атоме свинца расположится в 82 раза ближе к ядру, а глубочайшая орбита мю-минуса… да она, как показывает расчет, вообще должна войти в ядро!
Мю-минус, наверно, там шагу не сможет сделать. Шутка ли — толпа ядерных частиц. Она настолько плотна, что спичечная коробка ядерного вещества весит добрый миллиард тонн!
Но в мире атомов, как мы уже не раз убеждались, становится возможным многое из невозможного. Мю-минус проходит через сверхплотное вещество ядра куда легче, чем нож сквозь масло. В этом ему помогает то качество, из-за которого физики сочли его «подкидышем»: он очень слабо взаимодействует с ядерными частицами.
Предел путешествию мю-минуса в ядре кладет его собственная смерть. Но даже за тот ничтожный жизненный срок, что отпущен ему природой, он успевает совершить триллионы оборотов в ядре. А умирая, вызывает распад ядра, которое столь неосторожно предоставило ему гостеприимство.
Сев же на электронную оболочку, а затем с орбиты на орбиту проваливаясь в глубь атома, наш мю-минус испускает фотоны совсем так, как это делает электрон, прыгая с удаленной на близкую к ядру орбиту. Длины волн мезонных фотонов попадают в область рентгеновых лучей.
Слабенькое излучение! Атомы с мю-минусами (их назвали мезоатомами) совершенно затеряны в массе обыкновенных атомов да и живут ничтожно мало. Физикам, чтобы поймать излучение от них, пришлось пойти на очередную хитрость.
Они так подобрали пару из мезоатома и вещества, улавливающего рентгеновы лучи, что мезоатомные фотоны вышибали электроны из этого вещества. Например, в паре с мезоатомом фосфора работали атомы свинца. В этих условиях свинец особенно сильно поглощал рентгеновы лучи, и их удалось точно измерить.
Настоящий фокус! Но физиков вел не праздный интерес: по измерениям мезоатомного излучения удалось определить размеры ядер и сильно уточнить величину массы самих мю-мезонов. А это, как вы понимаете, весьма важно.
Обманутые надежды
В те же годы «подкидыш» второй раз приобрел скандальную славу. Он второй раз замаячил крупным открытием и опять сник, не оправдав надежд физиков.
В эти годы перед учеными витал призрак близкого осуществления управляемой термоядерной реакции. Физики были в плену надежды, что вот-вот двери в заветную область откроются и мир будет залит потоками даровой термоядерной энергии. Но этот желанный миг все отодвигался и отодвигался.
Сверхвысокие температуры, которые нужны были для начала заветной реакции, никак не удавалось получить. Раскаленная плазма оказалась неподатливой.
А зачем же плазма? — додумался советский ученый Яков Борисович Зельдович. Можно попробовать на антиподе ее — сверххолодном водороде, но заменив его атомы мезоатомами.
Сверхвысокие температуры нужны, чтобы силком сблизить ядра водорода — протоны, несмотря на их бешеную антипатию. Так иногда пытаются помирить врагов, стукая их головами друг о друга. Однако же это примирение можно устроить и более «деликатным» путем! Обычно враги не могут подойти друг к другу: их электронные одежды имеют сравнительно внушительные размеры. А сами эти одежды отталкиваются друг от друга не менее сильно, чем их обладатели.
А если заменить электрон мю-мезоном? Его орбита в атоме в двести с лишним раз меньше электронной! Ядра сблизятся в целых двести раз! И может быть, даже сольются. Тогда произойдет термоядерная реакция.
Физики бросились искать. Столы уже ломились от тысяч фотографий следов, которые оставляли мю-мезоны и образовавшиеся мезоатомы. Нет ли где-нибудь следа развалившегося в термоядерной реакции мезоатома? Первым нашел Луис Альварец из Калифорнийского университета. Все оказалось так, как предсказал Зельдович. Сенсация! Открываются двери термоядерной эпохи!
Увы, сенсация быстро лопнула. Слишком мало мю-мезонов, а главное — ничтожно мал их жизненный срок. То тут, то там они облегчат нужную реакцию, а в целом, в массе вещества о ней и мечтать нечего.
Ядра урана в куске, размеры которого много меньше критических, могут, как мы уже знаем, делиться не только под действием нейтронов, но и сами собой. Однако же нечего и думать устроить на таком делении цепную реакцию. Слишком мал выход, как говорят физики.
Ладно, разочарованно протянули поклонники «термояда». А их коллеги, словно в утешение себе, взяли и сделали новый искусственный атом — мюоний. Только теперь в нем работал положительный мю-мезон и занял он место не электрона, а ядра. А вокруг этого облегченного ядра бегал электрон.
Этот искусственный атом чем-то напоминает позитроний. Только тот кончал жизнь тем, что оба партнера съедали друг друга, а этот умирает более мирно, когда приходит срок жизни мю-мезона. Но и за этот короткий срок мюоний позволил физикам провести интересные опыты.
Ну, а «настоящий» пи-мезон? С ним тоже можно соорудить мезоатомы? Увы, не получится. Ядро с великим удовольствием сажает пи-минус на электронную орбиту, со все возрастающим нетерпением следит за тем, как он перебирается поближе к нему. И жадно пожирает его, даже не дав ему дойти до последней орбиты.
Жадность ядер к пи-мезонам просто невероятна. Это понятно: «своя» частица! И расплата за жадность следует немедленно: ядро взрывается и разлетается веером осколков. На фотопластинке в этот момент «вспыхивает» звезда.
Не беда, что не получился пи-мезоатом. Пи-мезоны нашли себе другие, не менее важные применения. О них нам еще предстоит рассказать.