— Что ни сезон, то мезон, — любил подтрунивать над физиками-ядерщиками академик С. Вавилов. Дело было в конце 40-х годов.

А в 1971 году член-корреспондент АН СССР Д. Блохинцев в беседе с журналистами рассказывал: «Когда я начинал работать в Объединенном институте ядерных исследовании в 1956 году, вот эта полка, где стоят отчеты о международных встречах физиков-атомщиков, была почти пустой. Теперь, как видите, она буквально забита материалами о конференциях, симпозиумах, семинарах.

Открылась новая область исследований. Физики обнаружили целый мир элементарных частиц. Когда-то я сам для себя составлял таблицу таких частиц, и мне понадобился лишь один вечер. А сейчас это уже довольно сложная схема. Специальный международный центр выпускает сведения об элементарных частицах, и каждый год они составляют тетрадку объемом около 50 страниц. Но даже специалисты, работающие в этой области, не могут вполне точно ответить на вопрос: сколько же в данный момент известно элементарных частиц?..»

Да, 10–15 лет назад под лавиной открытий оказался погребенным один из основополагающих для микромира терминов. Каждый год все более увеличивал группу «элементарных частиц». Открытия все новых и новых членов этой чересчур многочисленной семейки становились почти будничным делом, волнующим разве что узкий круг специалистов. Все это в конце концов не могло не привести к девальвации эпитета «элементарный». Так, уже в который раз подверглась сомнению с таким трудом ставшая достоянием большой науки идея атомизма.

 

Демокрит

Если взять какое-нибудь достаточно массивное тело и начать его дробить, получатся части, обладающие теми же свойствами, что и исходное тело. Тривиальная вроде оы мысль!

Но возьмем мяч, утюг, сковородку и разрежем, разломим их хотя бы пополам. В руках у нас окажутся полумячи, полуутюги, полусковороды — вещи, явно лишенные своих изначальных качеств. Предметы настолько же аосурдные, как, скажем, полтора дровосека.

Еще один образ. В рое пчел мы издали не видим отдельных насекомых. Все пчелы сливаются для нас в одну сплошную пчелиную тучу. Но это не значит, что пчел нет. И ясно также, что, вознамерившись разъять отдельных пчел на составляющие, мы вновь получим те же полсковороды.

Мораль? Дробление роя, так же как и дрооление любого физического тела, имеет смысл проводить лишь до некоторого предела. Вот так, естественным образом, и возникает в сознании идея атомизма.

Наиболее отчетливо это учение сформулировал один из величайших философов древности, грек Демокрит (жил в 460–370 годах до новой эры).

Демокрит учил: все состоит из невидимых для нас крошечных частичек, настолько малых, что меньшего и представить невозможно. Эти частички Демокрит назвал атомами, что по-гречески значит «неделимые».

Атомы, вызывая в нас ощущение сладкого, горького, белого, черного, сами не могут быть подвержены какимлибо действиям извне. Они неразрушимы, неизменяемы, вечны и могут только комбинироваться в самых разных сочетаниях. Чем же отличаются различные атомы меж собой? тт Четкого ответа Демокрит, естественно, не мог дать. И тут он поневоле вступал на шаткий путь догадок и домысла.

Атомы воды, полагал Демокрит, круглы и гладки. Оттого-то вода текуча и не имеет определенной формы. Атомы огня колючи — потому и жжет огонь так больно.

Атомы земли грубы и зубчаты — в результате соединенные вместе, они и образуют тяжелую и стабильную субстанцию.

Демокрит допускал, что атомы имеют разные размеры. И есть среди них и более тяжелые, и более легкие.

Различаются они и формой. Должны существовать атомы крючкообразные, якоревидные, шероховатые, угловатые, изогнутые — иначе они не сцеплялись бы друг с другом.

Любопытно, что, хотя Демокрит считал атомы неделимыми физически, он допускал у них мысленное выделение частей. И в самом мелком атоме были и верх и аиз, и левое и правое, и переднее и заднее, и середина.

Демокрит был настолько атомистом, что даже душу человеческую представлял состоящей из атомов — огненных, тонких, круглых и гладких. После смерти человека они разбредаются по Вселенной в разные стороны. Таким образом, Демокрит в бессмертие не верил.

И боги, полагал этот философ, также являют собой лишь комбинации атомов!

Когда поминают славное имя Демокрита, само собой в сознании возникает слово «атом». Но то, что он гениально выделил еще одну важнейшую сущность бытия, остается как-то в тени. А ведь Демокрит ввел понятие «вакуума», или пустоты, которое так интересует и интригует самоновейшую физику.

Атомы Демокрита немыслимы без пустоты. Она является основным условием движения атомов. В ней совершают свои замысловатые «танцы» атомные «вихри»; соединяются, сближаясь, в тела и отталкиваются, приводя к распаду и разложению. Так что материя есть не только атомы, но и пустота. И второе обстоятельство не менее важно, чем первое.

Вот этой тонкой диалектики Демокриту уже при его жизни многие никак не могли простить. А главным оппонентом Демокрита стал не менее великий философ древности грек Аристотель (384–322 годы до новой эры).

Если Демокрит был убежден в дискретности материи, в возможности (хотя бы мысленной!) разъять ее на отдельные части, блоки, то Аристотель проповедовал обратное — абсолютную непрерывность, сплошность материи, отсутствие в ней каких-либо пропусков или пустот.

Мир Аристотеля до отказа заполнен, набит веществом. В нем нет ни одной даже самой ничтожной щелочки.

Поэтому-то у Аристотеля нет ни пустоты-вакуума, ни мельчайших неделимых частиц-атомов, которые бесконечно падают, снуют, мчатся в этой пустоте.

Кто же прав? Демокрит? Аристотель? Этот спор, начатый великими греками, проходит сквозь всю двухтысячелетнюю историю естествознания. Не закончен он (мы убедимся в этом позднее, когда разговор пойдет о свойствах вакуума) и по сей день. И непохоже, чтобы он был разрешен в ближайшем будущем.

 

Диспут в Париже

Учению Аристотеля ы повезло, и нет. Его подняла на щит, сохранила для потомков, пригладила, отшлифовала, канонизировала церковь. Но она же и выхолостила это учение, убила в Аристотеле все живое и ценное, увековечив мертвое, догматическое. В. И. Ленин в одной из своих философских работ писал, что из Аристотеля в дальнейшем «сделали мертвую схоластику, выбросив все поиски, колебания, приемы постановки вопросов».

Имя Аристотеля, как и святое распятие, душило все новое, прогрессивное, живое. Наука смогла возродиться после тысячелетнего застоя лишь в XV–XVI веках в тяжелой борьбе со средневековой схоластикой церкви, поддержанной авторитетом Аристотеля.

Возродить взгляды Демокрита, дать им достойное место в науке пытался яркий представитель науки Возрождения английский философ Ф. Бэкон (1561–1626). Барон Веруламский, виконт Сент-Олбанский, лорд — хранитель печати, лорд-канцлер, занимавший важные посты, Ф. Бэкон основной целью своей жизни ставил работу над планом «Великого восстановления наук», освобождения их от схоластических пут церковной догматики.

В многочисленных трудах (главный из них — «Новый органон») Ф. Бэкон выковывал истинно научный метод исследований. Эмпириков, ограничивающихся только опытом, он сравнивал с муравьями, суетливо переносящими тяжести; догматиков, строящих системы силой одного только разума, уподоблял паукам, ткущим из себя паутину; настоящий ученый, считал Ф. Бэкон, должен быть подобен пчеле, собирающей сок из растений (эксперимент) и затем перерабатывающей его в мед своими силами (интеллект).

(Сейчас подобные взгляды могут показаться тривиальными и наивными. Но не следует забывать, что высказывались они в темные годы средневековой схоластики, когда в публичных диспутах в Сорбонне решался, скажем, вопрос о том, сколько же чертей может уместиться на острие иглы!)

Анализируя причины заблуждения разума, Ф. Бэкон указывал на четыре ложные идеи-«призрака», или «идола»: «призрак рода» — очеловечивание природы; «призрак пещеры» — ошибки, связанные с индивидуальными особенностями и недостатками человека-исследователя; «призрак рынка» — некритичное отношение к широко распространенным в обществе мнениям; «призрак театра» слепая вера в авторитеты и традиционные догматические системы.

Понятно, что Ф. Бэкон пытался всячески восстановить, оживить все здоровые идеи прошлого, все ценные мнения древних мыслителей, придавленные авторитетом оскопленного церковью Аристотеля. Поэтому он открыто противопоставляет Демокрита «говорунам» Платону и Аристотелю и ставит своей задачей воскресить атомистику Демокрита, преданную незаслуженному забвению.

В «Новом органоне» Ф. Бэкон пишет: «Варвары обрушились на Римскую империю, как наводнение, причем корабль науки был разбит в щепы. Философия Аристотеля и Платона, подобно обломкам из более легкого и пустого материала, была волнами времени сохранена до нас… Но что касается более древних из греческих ученых — Эмпедокла, Анаксагора, Левкиппа, Демокрита… то их произведения… были уничтожены в потоке времени. Ведь время как река: более легкое и пустое внутри оно донесло до нашего времени, более тяжелое, веское погрузило на дно».

Увы! До полной реабилитации атомистики Демокрита должны были пройти еще долгие годы. Церковь зорко следила за инакомыслящими и жестоко карала их. Свидетельством этому служат многие факты истории. Один из них приводит в своих работах о Демокрите советский историк С. Лурье.

В августе (24 и 25) 1624 года французскими учеными в Париже был назначен публичный диспут с целью опровергнуть Аристотеля. Четырнадцатый тезис программы провозглашал атомистическую концепцию. В программе говорилось также, что Аристотель по невежеству или, что еще вероятнее, по недобросовестности высмеял учение, по которому материя состоит из атомов… Руководители диспута обещали защищать этот тезис с крайней решимостью и неустрашимостью. Слово «неустрашимость» не было пустой риторикой или научным кокетством: в момент открытия диспута один из его устроителей, де Клав, был арестован, а другому, Виллону, удалось скрыться. Карающая десница действовала.

Парламент постановил: запретить диспут; торжественно и публично изорвать объявленные тезисы; всех зачинщиков этого дела выслать в 24 часа из Парижа с запрещением въезда в Парижский округ; запретить преподавание изложенных в тезисах взглядов, содержащих полемику со старыми и общепризнанными авторитетами, во всех французских университетах. Конец указа был крайне суров: всякому, кто устнс или печатно осмелился бы выступить с такой полемикой, грозила смертная казнь.

Так, авторитет Аристотеля (а ведь его можно по праву считать одним из отцов науки!) был приравнен к авторитету Евангелия!

 

Дальтон

Истинное возрождение атомистики началось в начале XIX века. В 1802 году английский физик (изучая газовые смеси, он открыл закон парциального давления газов, 1801 год) и химик Д. Дальтон (1766–1844) нашел, что основные факты химии получили бы лучшее объяснение, если считать, что каждый химический элемент можно представить себе в виде мельчайших, далее неделимых частиц. Каждому элементу, полагал Д. Дальтон, соответствует свой тип частиц, а их всевозможные комбинации и образуют все изучаемые химией вещества.

Повторяя Демокрита, Д. Дальтон назвал эти частицы атомами.

Многие факты научной карьеры и научных достижений Д. Дальтона, несомненно, обусловлены особенностями его биографии и его личными свойствами.

Сын бедного ткача, он вынужден был ограничиться самообразованием, хотя и стал в 1822 году членом Лондонского королевского общества, а средства к жизни находил, давая частные уроки по химии и математике. Все это не могло не способствовать самостоятельности и независимости научных суждений Д. Дальтона.

Играло здесь, видно, роль и то, что был он из семьи квакеров. Эта религиозная секта трясунов (английское слово quakers буквально означает «трясущиеся») отвергала официальную церковь и ее каноны. Челсвек, считали къакеры, без посторонней помощи и посредников сам может вступить в непосредственный контакт с всевышним.

Особенностью Д. Дальтона было еще и то, что он первым описал цветовую слепоту (дальтонизм, дефект зрения у людей, заключающийся ь смешении красных цветов с зелеными и синих — с фиолетовыми и пурпурными). И одновременно сам же страдал этим недостатком.

Злые языки утверждали по этому поводу, что цветовая слепота Д. Дальтона очень мешала ему при проведении химических опытов: ведь химик должен быть способен следить за цветовыми изменениями в ходе химических реакций. Злословили: это-де и является одной из причин, почему Д. Дальтон был довольно неуклюжим и неряшливым экспериментатором.

Однако оставим эти замечания на совести дотошных биографов. Вопреки своим недостаткам — а может быть, благодаря им — этот учитель из Манчестера в 1808 году стал автором первого тома капитальнейшего труда «Новая система химической философии» (третий том вышел в 1827 году), где был всесторонне обоснован атомизм химических превращений.

В этом труде Д. Дальтон ввел и свою систему химических обозначений.

Химики древнего мира и средних веков для обозначения веществ использовали в основном символы. Так, когда-то семь главных металлов изображали астрономическими знаками семи небесных светил: Солнце (золото), Луна (серебро), Юпитер (олово) и так далее.

Д. Дальтон предложил обозначать атомы химических элементов кружками, внутри которых помещались точки, черточки, начальные буквы английских названий металлов. К примеру, водород был обозначен как кружок с точкой внутри — 0, кислород — пустой кружок О азот — (+, углерод — ф… Эта нотация в дальнейшем не прижилась, позднее атомы элементов стали обозначать начальными буквами их латинских и греческих названий.

Атомистические взгляды позволили Д. Дальтону рассчитать атомные веса различных элементов (за единицу он взял легчайший атом водорода). Однако ученый при этом ошибочно руководствовался «законом наибольшей простоты»: атомы элементов, полагал Д. Дальтон, должны вступать в соединения между собой в простейших отношениях. Поэтому известная школьникам химическая формула молекулы воды Н2О по Д. Дальтону имела вид О Т — Молекула аммиака — QO (вместо верной формулы КН3). (Хотя Д. Дальтон уже умел отличить окись углерода СО, он обозначал ее Оф, от углекислого газа СО2-ООФ).

Д. Дальтон вернул атомистике ее заслуженное место в науке. Взгляды ученого, хотя и не сразу, нашли понимание и признание. Немудрено, что сам он был атомистом до мозга костей (демокритнее Демокрита!). Для него, по свидетельству одного из биографов, атомы — ученый представлял их в виде упругих шариков — были такой же реальностью, как если бы он видел их наяву собственными глазами, трогал руками. «В своем воображении, — пишет биограф, — он видел в воздухе атомы кислорода, азота и водяного пара. Он рисовал их на бумаге…»

 

Неделимое — делимо!

Атомистика торжествовала. Многообразный мир оказался сработанным примерно из сотни типовых блоков — атомов, или элементов. Однако в самом конце прошлого века, как бы издеваясь над успехами атомной теории, была открыта еще одна частица. Для нее в таблице Менделеева отдельного места уже не нашлось!

Приблизительно к 70-м годам прошлого века среди физиков все более крепло убеждение в том, что точно так же как все вещества составлены из крошек атомов, так и поток электричества должен быть сформирован из очень малых дискретных порций — элементарных зарядов.

К открытию электрона — а именно о нем пойдет дальше речь — причастны многие выдающиеся ученые, но последнюю точку в этом деле поставил английский физик, член Лондонского королевского общества Дж. Томсон (1856–1940).

Объектом изучения для Дж. Томсона стали катодные лучи. Они возникают при прохождении электрического разряда через сильно разреженные газы. Какова природа лучей? Ученые долго бились над этим. Много лет исследованию этого явления посвятил и английский физик У. Крукс (1832–1919). Он обнаружил: эти лучи искривляют свой путь в магнитном поле; их отталкивают отрицательно заряженные тела; распространение этих лучей прямолинейно; если на пути лучей поставить какой-либо объект, то за ним довольно отчетливо наблюдается тень…

Как же правильно истолковать все эти факты?

После долгих раздумий У. Крукс в конце концов уверился: катодные лучи вовсе не излучение, как полагало тогда большинство физиков, они представляют собой летящие в одном направлении с огромными скоростями отрицательно заряженные частицы.

Укрепившись в этой истине, ученый стал убеждать других. Он начал говорить об особом состоянии материи.

Об ультратазе, о чем-то, что напоминает разреженный и неосязаемый газ, если сравнивать его с жидкостью.

Эти заявления были восприняты научной общественностью с понятным холодком и сдержанностью. Кое-кто был настроен даже враждебно.

По все это не охладило пыла У. Крукса. В 1874 году он прочел в Шеффилде доклад под названием «Лучистая материя, или Четвертое состояние вещества». Ученый настаивал: катодные лучи — это «осколки» атомов, и атомы нельзя считать «неделимыми» так буквально, как это понимали Демокрит и Д. Дальтон.

Ересь? Подрыв основ? Многие так это и восприняли.

Были даже и такие оппоненты, что просто считали У. Крукса сумасшедшим. Кстати, как правило, склонные к материализму физики имели весомые основания относиться к взглядам У. Крукса с подозрением: ведь он был убежденным и открытым сторонником… спиритизма. Известно, что критика спиритических «исследований» У. Крукса была дана Ф. Энгельсом в статье «Естествознание в мире духов».

Но удивительно, в вопросе о природе катодных лучей и об атомизме вообще Крукс-спирит оказался прав. Его правоту подтвердила серия классических работ, выполненных Дж. Томсоном и его сотрудниками. Эти исследования и привели к открытию электрона.

Дж. Томсон заставил катодные лучи падать на поставленную вертикально к ним фотографическую пластинку.

Затем он включил электрическое и магнитное поля. Они искривили траекторию лучей (одно изгибало лучи в горизонтальном, другое — в вертикальном направлениях). Эти смещения следов на фотопластике определялись скоростью движений лучей v и отношением их заряда к массе — е, т. Измерив горизонтальные и вертикальные смещения следа, Дж. Томсон смог написать два уравнения с двумя неизвестными v и v, Оставалось лишь решить эту систему, что Дж. Томсон и сделал.

Результат этих почти школьных упражнений оказался революционным для физики. Получилось (более поздние опыты), что масса у электронов (корпускул, составляющих катодные лучи) в 1837 раз меньше, чем масса самого легкого и мелкого из атомов — атома водорода.

Дробление материи зашло ниже атомных размеров!

Год 1897-й считается годом открытия электрона — первой элементарной частицы — и началом совершенно новой эры в атомизме. Это выдающееся достижение Дж. Томсона было увенчано Нобелевской премией по физике (1906 год). У себя на родине ученый был удостоен высших почестей: в 1908 году Дж. Томсон был торжественно возведен в рыцарское достоинство — получил титул knight. И посмертно ему была оказана высокая честь: он был похоронен в Вестминстерском аббатстве рядом с останками И. Ньютона.

Начало XX века оказалось для физики трудным временем. Наконец-то были получены реальные доказательства правоты Демокрита и Д. Дальтона: атомы перестали быть фикцией. Но одновременно одним махом физики расправились и с идеей неделимости атомов, добровольно поставив крест на старых, довольно удобных представлениях.

 

Из пушек — по воробьям

Удивительно, как быстро освоили физики новые понятия.

Еще вчера они отрицали электрон, а сегодня (первые годы XX века) начали подыскивать для него местечко внутри атома.

Ход рассуждений был таков. Атомы электрически нейтральны. Если в них содержатся электроны, то там должны быть запрятаны и еще какие-то положительно заряженные сущности, которые нейтрализовали бы суммарный отрицательный заряд электронов. Отсюда естественным путем и возникла первая модель атома — модель «пудинга с изюмом». Ее предложил в 1903 году все тот же Дж. Томсон.

По Дж. Томсону, атом представлял собой положительно заряженную сферу с вкрапленными в нее (как изюм в пудинге) незначительными по размеру — в сравнении с атомом — электронами. Предполагалось, что силы притяжения положительно заряженной сердцевины атома уравновешиваются силами их (электронов) взаимного отталкивания.

В те же годы были выдвинуты и другие представления о структуре атома.

В 1901 году французский физик Ж. Перрен (1870–1942) в статье «Ядерно-планетарная структура атома» рассуждал о том, как электроны-планеты кружатся по орбитам вокруг положительно заряженного ядра-Солнца.

Ж. Перрен был известным популяризатором науки (его книга «Атомы», 1913 год, стала классической и воспитала не одно поколение). Образы, сравнения давались ему легко; модели, аналогии быстро соскальзывали с кончика его пера. Гораздо труднее было обосновать, экспериментально доказать правильность тех пли иных моделей.

Спор Дж. Томсона и Ж. Перрена решил опыт. Физики прибегли к средству, которое впоследствии принесло им столько побед — они занялись атомной стрельбой по атомным же мишеням. Руководил этой пальбой Э. Резерфорд (1871–1937).

Сын шотландца, эмигрировавшего в Новую Зеландию и ставшего там фермером, Э. Резерфорд поступил в Новозеландский университет. Еще студентом заинтересовался он беспроволочным телеграфом и построил детектор электромагнитных колебаний. Это дало ему право на поездку в Англию в Кавендишскую лабораторию, которой руководил Дж. Томсон.

Момент был драматическим. Э. Резерфорд был вторым кандидатом. Английским стипендиатом мог стать и не он.

Однако — к великому счастью для пауки — первый претендент решил жениться и остаться в Новой Зеландии.

Рассказывают, что эти новости настигли Э. Резерфорда, когда он выкапывал картошку на ферме своего отца.

Отбросив лопату далеко в сторону и заявив: «Это последняя картошка, которую я выкопал», Э. Резерфорд отложил свою собственную женитьбу — он был помолвлен — и уехал в Англию.

Дж. Томсон вскоре вполне оценил громкий голос, не очень вежливые манеры новичка и его (сам метр был неважным экспериментатором) очень ловкие в работе руки.

Первые исследования Э. Резерфорд а были посвящены радиоактивности. Именно он дал название альфа (а)-, бетта (р) — и гамма (у) — лучам, ввел период полураспада радиоактивных элементов, доказал, что альфа-лучи представляют собой ионизованные (лишенные двух электронов) атомы гелия.

Э. Резерфорд действовал в науке стремительно и плодотворно. В 1908 году он был удостоен Нобелевской премии, но не по физике, а по химии. Ученый негодовал, возмущался: он был физиком, что называется, с головы до ног и старался совсем не совать свой нос в химию.

И вдруг такое!.. И если его что-то и утешало, так это быстрые успехи в атомной стрельбе.

С 1906 года лорд Нельсон (позднее, в 1931 году, за научные заслуги Э. Резерфорд получил этот громкий титул), действующий совсем в духе прославленного английского флотоводца, организовал систематический обстрел атомов. Снарядами были α-частицы, мишенью — металлические экраны из фольги.

Результаты этих исследований вскоре потрясли научный мир, хотя все это было похоже на стрельбу из пушек по воробьям!

Действительно, подавляющее большинство атомных снарядов с легкостью пролетало сквозь толстенный слой золотой фольги (толщиной в несколько тысяч атомов), как если бы она была прозрачной, и регистрировалось на фотопластинке, помещенной за экраном. Следовательно, атом в целом представляет собой весьма рыхлое образование с множеством пустых областей. (Так ученик опроверг модель своего учителя Дж. Томсона.)

Однако, к удивлению Э. Резерфорда, отдельные α-частицы искривляли свою траекторию заметным образом.

Некоторые даже поворачивали назад! «Как если бы я увидел 16-дюймовый снаряд, отскочивший от листа газетной бумаги» — так комментировал свои опыты экспансивный Э. Резерфорд. Он же дал и верную интерпретацию этому явлению. Вывод мог быть только один: частицы-пробники сталкивались с чем-то очень массивным, непроницаемым и заряженным положительно.

Так Э. Резерфорд в 1911 году открыл у атома ядро.

Атомно-артиллерийские залпы раздробили-таки атом, подтвердив верность планетарной модели Ж. Перрена.

Атом теперь можно было разбирать на части: ядра и электронные оболочки. И еще в атоме было преизобилие пустоты, того вакуума, о котором первым заговорил Демокрит.

Электроны способны перемещаться относительно ядра.

Они «размазаны» по пространству. Потому-то атомы и выглядят твердыми материальными образованиями. Но все это видимость, мишура. Легко показать, что пустота отвоевала себе в атоме львиную долю объема.

Размер атома 10-8 см, его объем 10-24 см3. Те же величины для ядра (следствие опытов и расчетов Э. Резерфорда): 10-12 см (размер ядра) и 10-36 см3. Так что на долю ядра в атоме приходится только 10-36/10-24 = = 10-12 часть (!), где и сконцентрировано 99,9 процента всей массы атома.

Так вакуум еще раз, и очень весомо, напомнил о себе.

 

«Зоологический» период

Две тысячи лет понадобилось науке, чтобы удостовериться в том, что все вещества состоят из молекул. Еще через 200 лет ученые низвели молекулы до атомов, разъяв и их на составляющие. А всего примерно 20 лет спустя они осознали, какое скопище частиц скрывается под атомной оболочкой.

В 1914 году Э. Резерфорд подверг обстрелу электронами водород. При этом нейтральные атомы становились положительно заряженными. Ученый отождествил их с положительным зарядом, находящимся согласно ядернопланетарной модели Ж. Перрена в центре атома водорода. Так был открыт протон. Имя ему дал Э. Резерфорд.

Дальше — больше: в 1930–1932 годах тот же лихой артатомообстрел выбил из недр ядра новую частицу — нейтрон (он подобен протону, но лишен заряда, «нейтрум» по-латыни значит «ни то, ни другое»). Тогда же (1932) советский физик Д. Иваненко выдвинул гипотезу — она вскоре была подтверждена и общепринята, — что все атомные ядра состоят из протонов и нейтронов.

Наконец-то смысл таблицы Менделеева стал абсолютно ясен. Количество протонов в ядре и равное ему количество электронов на орбитах определяет тип атома, его точное место в таблице Менделеева. Суммарное же количество протонов и нейтронов в ядре обусловливает атомную массу.

На радостях физики собрались за праздничным столом. Однако заздравные тосты — славили стройность картины мироздания! — то и дело прерывали все новые и новые сообщения об открытии нежданных, казалось бы, даже лишних, непрошеных элементарных частиц.

Этот «бум» открытий требовал все новых имен. В спешке частицы сылп называть просто буквами. Так возникли А-частицы, Z-частицы и многие другие.

Позитрон, нейтрон, мю-, пи-, ка-мезоны, дельта-барионы, омега-гипероны, антипротон, антинейтрон, кси-минус-гиперон, анти-снгма-мииус-гиперон, многочисленные резонансы, о которых ученые долго спорили, считать ли их за элементарные частицы или нет, семейство пси-частиц…

Получилось, что в шутливом лозунге из фильма М. Ромма «9 дней одного года» (А. Баталов и И. Смоктуновский играли в нем физика-экспериментатора и физика-теоретика) — «Откроем новую частицу в третьем квартале!» — был вполне реальный смысл. Ведь примерно за 30 лет, считая с послевоенного 1945-го, в среднем в мире открывали одну частицу в месяц!

Было отчего сойти с ума. Демографический взрыв народонаселения на планете сопровождался «демографическим взрывом» и в ядерной физике. Число элементарных частиц достигло к 1974 году двух сотен — примерно в два раза больше, чем элементов в таблице Менделеева!

Раздраженные, огорченные неудачей многочисленных попыток как-то систематизировать ораву элементарных частиц, навести тут хотя бы относительный порядок, физики назвали это смутное время «зоологическим» периодом. (Об этой черной полосе ядерной физики и вспоминал в начале этой главы Д. Блохинцев.)

В те времена какой-то весельчак подсчитал, что с 1911 года число элементарных частиц удваивалось каждые 11 лет (средний период солнечной активности!). Он же отметил, что точно так же (лишь немного медленнее, всего на 1 процент) растет и численность физиков. Но тогда получалось (задача на сложные проценты), что через 13 тысяч лет на Земле будет ровно столько физиков, сколько открыто будет к тому времени элементарных частиц. И каждый физик станет специализироваться на своей собственной частице, и каждый будет прославлен.

Но ученые смеялись сквозь слезы: «элементарными» можно назвать три, пять, ну, десяток микрообъектов, не больше! Счет же на сотни означал одно: физика элементарных частиц переживает кризис. Теперь необходимо было уже не открывать новые частицы, а «закрывать» старые.

 

Джойс

А теперь стоит немного рассказать о человеке, который, не будучи физиком и совершенно не помышляя об этой науке, тем не менее оказался с нею связанным и даже помог дать название этой книге. Речь пойдет об ирландском писателе Д. Джойсе (1882–1941).

Родился он в Дублине, столице Ирландии, где также появились на свет О. Уайльд, Б. Шоу, поэт Б. Йитс.

Окончив Дублинский университет, в 1904 году Д. Джойс навсегда покинул родину, жил в Италии, Швейцарии, Париже.

В творчестве Д. Джойса нас будет интересовать лишь его последний роман — «Поминки по Финнегану», с подзаголовком «Жизнь человека ночью», которому он отдал 17 лет труда (тяжелого еще и потому, что зрение писателя катастрофически ухудшалось). Публиковался роман по частям в журналах под названием «Работа движется», окончательно увидел свет в мае 1939 года.

Содержанием этого произведения стали сновидения центрального персонажа Ируикера, хозяина одного из дублинских трактиров. Он засыпает после тяжелого субботнего вечера в своем заведении, где продавал посетителям пиво и виски.

Сон трактирщика — повод для Д. Джойса средствами сна проиграть всю предысторию и историю человечества, которая, по его мнению, кругообразна, циклична и потому не имеет ни начала, ни конца.

Роман отличается характерной для сна непоследовательностью, провалами в цепи развития событий, необыкновенными превращениями: так, четыре стены в спальне Ируикера говорят голосами четырех евангелистов, мертвые воскресают и т. д.

Здесь много комических эффектов, буффонады, ирландского фольклора. В частности, в романе использована баллада, где поется о Тиме Финнегане, каменщике, который упал со стропил и разбился насмерть. Друзья стали справлять по нем поминки. Но кто-то из них разбил бутылку виски, брызги попали в лицо Тиму, он ожил и пустился в пляс…

«Поминки по Финнегану» окончательно утвердили за Д. Джойсом (в западной критике) репутацию самого дерзкого писателя-экспериментатора. Особенно хвалят язык романа.

Д. Джойс полагал, что язык сновидения должен быть универсальным, поскольку во сне-де человек переступает национальные и языковые границы. Посему писатель собрал все европейские языки и попытался слить их воедино.

Как при строительстве Вавилонской башни, в романе царит смешение всех наречий, есть следы и русского языка — в реке Лиффи полощут белье pratschkats (прачки). Мелькают в тексте и модные слова: тоталитарный, наци, гестапо.

Один комментатор Д. Джойса заметил, что язык романа мог бы пригодиться в ЮНЕСКО в момент какой-нибудь невообразимой суматохи.

Неудивительно, что книга ни разу не была переведена полностью. Более того, даже по-английски роман нельзя читать без специальных «ключей» объемистых книг, в которых текст расшифровывается как криптограмма.

Есть идеалисты, которые читают этот роман вот уже добрые десятки лет в надежде найти его разгадку. В США, где Д. Джойс особенно популярен, выходят огромные статьи, которые порой посвящены истолкованию лишь одного какого-нибудь абзаца романа.

Д. Джойс добился своего — он полностью оборвал связи между писателем и читателем. О романе не стоило бы так подробно говорить, если, на удивление, его дух, весь строй не были бы столь созвучны тому, что ныне происходит в физике микромира.

Вольтеровский Микромегас полагал: чем тело меньше, тем меньше у него свойств. Однако с частицами микромира так не получилось. Атом демонстрирует свою неисчерпаемость: элементарные частицы обладают такими противоречивыми, удивительными, странными, поражающими свойствами, что их впору отождествить с персонажами последнего романа Д. Джойса.

В самом деле, частицы могут отличаться массой, временем жизни, электрическим зарядом, лептонным зарядом, спином, изоспином, пространственной четностью, зарядовой четностью, странностью, спиральностью, способом распада, форм-фактором, магнитным моментом, силой взаимодействия с другими частицами и т. д. и т. п.

А ведь завеса микромира только недавно начала приоткрываться!

Вот эта фантасмагория свойств микромира и роднит его с вселенной, созданной воображением ирландского писателя.

И все же Д. Джойс был бы несказанно удивлен, если бы узнал, что четверть века спустя после его смерти одно из придуманных им словечек кварк — перекочует в словарь физиков и станет наиболее популярным словом в субъядерной физике, знаменем этих исследований.

 

В изложении для пешеходов

Слово «кварк» ввел в науку американский физик-теоретик М. Гелл-Ман (родился в 1929 году в Австрии, в 1944-м его родители перебрались в США). М. Гелл-Мана, как и других физиков, беспокоила неразбериха и толчея, наблюдавшиеся в мире элементарных частиц.

Вооружившись соображениями симметрии, законами сохранения и новейшей математикой, физики-теоретики принялись раскладывать «пасьянсы» из элементарных частиц, тасуя, перекладывая их и так и этак. Обнаружилось: многие частицы могут быть сгруппированы в семейства, близкие по своим основным свойствам.

Гак, к примеру, если учитывать лишь главные характеристики — спины, барионные заряды, близость массы, внутреннюю четность, — закрывая глаза на некоторые различия, то 8 частиц: протон, нейтрон и гипероны Л°, Z+, Z°, Z-, E°, Е~ могут быть объединены в одно семейство барионов (октет) со спином 1/2 и положительной четностью. Подобные группы частиц получили название супермультиплетов.

Нашлась и довольно абстрактная математика, «узаконившая» подобную классификацию: раздел теории групп, известный под названием группы Ли (С. Ли — норвежский математик, живший в прошлом веке).

Математика допускала существование разных наборов частиц: из одной, трех, шести, восьми, десяти и т. д. Физики же наблюдали лишь синглеты (одна частица), октеты (восьмерки) и дециметы (десятки). Эту прихоть природы надо было объяснить.

И вот в 1963 году одновременно и независимо, находясь даже на разных континентах — один в Америке, другой в Европе, — теоретики американец М. Гелл-Ман и австриец Г. Цвейг, чтобы устранить противоречие, высказали гипотезу о существовании трех фундаментальных субъядерных частиц, различными комбинациями которых и является большинство элементарных частиц.

Только в вопросе, как назвать эти «детальки» микромира, М. Гелл-Ман и Г. Цвейг разошлись. Американец, большой, видимо, почитатель творений Д. Джойса, в поисках подходящего имени для новых частиц, возможно, начал перечитывать роман «Поминки по Финнегану» в наткнулся на то место, где дублинский трактирщик возомнил себя королем Марком, персонажем средневековой легенды.

Королю кажется, что его племянник Тристан украл у него жену, прекрасную Изольду. Марк преследует похитителя на корабле. В небе над парусами кружат чайки (которые, впрочем, может быть, вовсе не чайки, а судьи).

Они зловеще кричат-каркают: «ТРИ КВАРКА ДЛЯ МИСТЕРА МАРКА!»

Короля мучают кошмары, а чайки все повторяют: «ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА…»

Слово «кварк» перекочевало со страниц романа Д. Джойса в мир элементарных частиц легко и естественно. Скорее всего в этом отрывке М. Гелл-Мана привлекало то, что число кварков было именно три. Столько, сколько и требовала теория.

Пришлось по вкусу ученому и само слово «кварк» звучное, диковинное, абсолютно незатасканное в других употреблениях.

Итак, М. Гелл-Ман выбрал слово, и оно пришлось к месту. Г. Цвейг же был менее удачлив. Он назвал гипотетические субчастицы, претендующие на роль истинных кирпичиков праматерии, «тузами». Эта картежная терминология оказалась не столь привлекательна (тузов-то 4!), теперь о ней почти никто не вспоминает.

А кварки прижились. Удивляло и радовало, что всего трех кварков было достаточно, чтобы конструировать из них — словно это детские кубики огромное число открытых к тому времени элементарных частиц.

И вновь раздались победные клики в стане физиков.

Казалось, наступила долгожданная пора, когда можно было «закрыть» большинство элементарных частиц за ненадобностью: ведь они были составными!

В 1965 году в журнале «Успехи физических наук» академик Я. Зельдович пишет статью «Классификация элементарных частиц «в изложении для пешеходов». Уже само название подчеркивало: теперь тонкости микромира можно просто и ясно объяснить любому встречному, даже ребенку.

Академик писал в статье, что, возможно, физики добрались до атомизма нового типа, вскрыли, так сказать, новый пласт материи. Что создано нечто вроде новой таблицы Менделеева, только уже на субъядерном уровне.

Тон статьи был мажорный, радостный. «Современный физик имеет полное право повторить строки Ф. Тютчева», — писал Я. Зельдович, и цитировал их:

 

Омега-минус-гиперон

Не следует, однако, думать, что концепция кварков была сразу встречена физической общественностью с распростертыми объятиями. Вовсе нет! Как и все действительно новое и оригинальное, поначалу кварки были встречены в штыки. Научные журналы даже отказывались публиковать эту модель. Работы, где фигурировали тузы и кварки, казались не более чем теоретическим фокусом.

Всего более поражало в кварках то, что они обязаны были обладать… дробным зарядом! Вот этот психологический барьер физикам было труднее всего преодолеть.

Как же так? До этих пор считалось само собой разумеющимся, что заряд электронов (или равные ему с обратным знаком заряды протона или позитрона) — это и есть наименьшая возможная порция электричества, нерушимая, казалось, и неделимая. Но кварки потому и кварки, что для них невозможное стало возможным: одному из кварков совершенно необходимо было приписать заряд плюс ⅔, двум другим кваркам — заряд минус √s.

Первоначально упоминание о дробях как о частях прежде неделимого электрона просто шокировало. Мерещилось нечто вроде полсобаки или собачьего хвоста, лапок, живущих самостоятельной жизнью. Вспоминался и гоголевский Нос, разгуливающий по Невскому проспекту микрофизики.

Понадобилось некоторое время, чтобы ошеломленным физикам кварки стали напоминать уже не тявкающий хвост, а нечто гораздо более тривиальное маленькую (меньше, чем электрон!) собачку, и все. Почему бы ⅓ заряда электрона (на данном этапе развития физики) и не быть самым крохотным зарядом? Почему не предположить, что в электроне как раз и собралась троица таких необычных электрических элементов?

Кстати, заметим, кроме кварков, должны существовать еще и антикварки. Поэтому полный спектр кварковых зарядов есть +⅓ и — ⅓, +⅔ и — ⅔.

Надо понимать еще и то, что кварки меж собой различаются не только зарядами, но и другими свойствами.

Поэтому главной троице кварков, кроме общей «фамилии», следовало — и это было сделано — присвоить и отдельные «имена».

Правда, имена эти пока еще не отстоялись окончательно: называют кварки по-разному: говорят о р-, п-, λ-кварках (от слов «протон», «нейтрон» и «лямбда-частица»). Их обозначают и как u, d и s (первые буквы слов up верхний, down — нижний, strange — странный). Еще — совсем в духе Д. Джойса! — кварки называют парком (р), нарком (n) и ларком (λ).

В этих именах-обозначениях очень красиво выглядят наши старые знакомцы протон (Р) и нейтрон (N) — будем обозначать их большими буквами, чтобы отличать от кварков (строчные буквы). По классификации М. Гелл-Мана и Г. Цвейга:

Р = ppn и N = pnn.

Схема кварков легко и просто объясняет, почему заряд протона единичный и положительный (+1), а у нейтрона заряд нулевой (0). Непосредственная проверка дает для протона (смотри только что приведенные выше равенства):

(+⅔) + (+⅔) + (-⅓) = +1

А для нейтрона имеем:

(+⅔) + (-⅓) + (-⅓) = 0.

Из кварков конструируются и наблюдающиеся в природе — об этом говорилось выше — синглеты, октеты и дециметы элементарных частиц. Так, группа из десяти частиц в кварковом «изображении» будет иметь такой вид:

_____________λλλ_____________.

________рλλ_______nλλ________.

____ррλ_____pnλ_______nnλ____.

ppp____ppn_______pnn______nnn.

Секрет построения этой пирамиды донельзя прост.

Мы последовательно перебираем все возможные комбинации троек, состоящих из элементов р, п и λ. Каждая из троек представляет собой элементарную частицу: в обычном — не кварковом — изображении мы получим такую таблицу:

__________________Q-__________________.

__________Z0*____________Z-*__________.

_____Z+*_________Z0*_________Z-*______.

_Д+*______Д+___________Д0________Д-__.

Это эквивалент первой пирамиды, где знаками плюс, минус и ноль обозначены заряды элементарных частиц, а звездочки говорят о том, что помеченные ими частицы «возбужденные».

Не будем больше анализировать кварковые конструкции. Отметим лишь, что вершину указанных пирамид венчает омега-минус-гиперон и что в момент, когда эта частица «родилась» на бумаге (1963), было известно: λ — резонансы и возбужденные частицы действительно обнаруживаются в экспериментах, а вот λ~ никто не наблюдал. Так что предсказание омега-минус-гиперона стало двойным вызовом: и экспериментаторам — ищите! и теоретикам — если такой частицы нет, плохи ваши дела!

Теоретики сказали свое слово, и им оставалось просто ждать, а вот экспериментаторы немедленно принялись за дело.

И научное чудо свершилось. В 1964 году омега-минус-гиперон была обнаружена.

Теория кварков и М. Гелл-Ман оказались правы: 2~- частица существовала! Успех был полным.

В 1969 году М. Гелл-Ман стал нобелевским лауреатом.