Мезонный бадминтон

Шел 1905 год. В России бушевал шторм революции. В студенческих аудиториях бурлили сходки. Профессора университетов уходили в отставку, протестуя против жестоких расправ царя с рабочими и студентами. А в далекой спокойной Швейцарии Альберт Эйнштейн, молодой и мало кому известный сотрудник патентного бюро, напечатал в журнале статью, в которой доказывал, что свет — это поток частиц. Незадолго до этого он закончил учебу, но, не найдя лучшей работы, ему пришлось временно стать чиновником.

Его статью мало кто принял всерьез. Идею о том, что свет состоит из отдельных частичек-корпускул, высказывал еще великий Ньютон, но опыты не подтвердили его гипотезы и в течение двух последующих столетий ученые не сомневались в волновой природе света. О том, что свет, радиоизлучение, тепловое излучение нагретых тел — все это разновидности электромагнитных волн, можно было прочитать в любом учебнике физики. А из статьи Эйнштейна вытекало, что световые частицы одновременно имеют свойства волны и корпускулы. Это частицы, которые движутся по волновым законам. Когда энергия невелика, на первый план выступают их волновые свойства. Образно говоря, они в этом случае чувствуют себя нетвердо, их движение неровно и запутанно, как у пьяного. Наоборот, набрав энергии, они приобретают уверенность, и их поведение тогда мало чем отличается от потока быстрых электронов.

Частицы света похожи на двуликого Януса: с одной стороны — частица, с другой — волна! Это нелегко себе представить, недаром даже самые лучшие физики отказывались признать теорию Эйнштейна. Однако опыты приносили ей все новые и новые подтверждения, и постепенно она завоевала всеобщее признание. Частицы электромагнитного поля назвали фотонами от греческого слова «фотос» — свет.

Когда заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, они обмениваются фотонами — как будто играют в бадминтон. Одна частица испускает воланчик-фотон, вторая его ловит и отбрасывает обратно. Чем частицы ближе одна к другой, тем живее идет игра и тем сильнее их взаимодействие. Воланчик — фотон — мелькает так быстро, что между партнерами протягивается что-то вроде связывающего их ремня. Правда, он не сплошной, но это неважно — ведь и обычный ремень при большом увеличении, как мы видели выше, состоит в основном из пустоты!

Но вот нейтрон в такой бадминтон не играет. У него нет заряда, и фотоны он просто не замечает. Ему нужны какие-то другие воланчики.

Во что играют внутри ядра нейтроны, первыми начали изучать советские физики Д. Д. Иваненко и И. Е. Тамм (Игорь Евгеньевич Тамм впоследствии стал академиком, одним из ведущих физиков нашей страны). Но прежде чем говорить об их идее, следует познакомиться еще с двумя важными событиями, которые произошли в физике почти одновременно с открытием нейтрона.

В реакции испускания ядром электрона была обнаружена таинственная пропажа. Суммарная энергия ядра и электрона после реакции всякий раз оказывалась меньше энергии исходного нераспавшегося ядра. Чуть-чуть меньше, но и это недопустимо, так как закон сохранения энергии должен выполняться точно. Энергия не может исчезать без следа или возникать из ничего — иначе можно было бы построить вечный двигатель. Вот и пришлось физикам из двух зол выбирать меньшее: или признать, что не верен закон сохранения энергии, или допустить, что энергию уносит какая-то неведомая неуловимая частица, не имеющая электрического заряда. С такой гипотезой выступил швейцарский теоретик Вольфганг Паули. Частицу назвали нейтрино — нейтрончик.

На другой стороне Атлантического океана американский физик Курт Андерсон изучал космические лучи с помощью прибора, который называется камерой Вильсона. Это плотно закрытый сосуд, заполненный насыщенными парами спирта. Такой пар находится в крайне неустойчивом состоянии. Стоит только внутри занимаемого им объема образоваться какой-либо неоднородности, как вокруг нее сразу же начинают конденсироваться капельки тумана. Проходя сквозь камеру, заряженная частица своим электрическим полем повреждает электронные оболочки атомов, однородность среды нарушается, и там, где прошла частица, остается след — сконденсировавшаяся струйка тумана, толщина и плотность которой зависит от массы частицы. Похожее явление можно наблюдать, когда высоко в безоблачном небе пролетает реактивный самолет. За ним тянется ровный белый след. Это те же капельки тумана, которые сконденсировались на молекулах газов и частичках топлива, выбрасываемых моторами самолета. Наверное, каждый не раз видел такой след в небе. Тонкие белые полосы, они особенно хорошо смотрятся ранним утром или вечером, когда их освещают косые лучи солнца.

Если камеру Вильсона поместить еще и в магнитное поле — например, между полюсами сильного электромагнита, — то траектории частиц изогнутся, положительных — в одну сторону, отрицательных — в другую. (Вспомним правило буравчика для направления электрического тока в магнитном поле!) Это позволяет установить знак заряда частицы. Одна из стенок камеры стеклянная, и сквозь нее хорошо видно, что происходит внутри. Такой метод исследования космических лучей разработан советским ученым Д. В. Скобельциным. Им и воспользовался американский физик.

Неожиданно для себя Андерсон обнаружил тонкие, выходящие из одной точки следы, похожие на букву Л с загнутыми ножками. Одну половину буквы «рисовал» электрон, вторую — точно такая же частица, но с зарядом противоположного знака. Положительный электрон. Андерсон назвал его позитроном — от греческого слова «позитро», то есть положительный.

Далее мы еще много раз будем говорить об удивительных близнецах-братьях электроне и позитроне. Многие их тайны не разгаданы до сих пор. Но сейчас нам важно только одно: сам факт существования в природе положительно заряженных частиц — позитронов.

Основываясь на этом факте и на гипотезе Паули о нейтрино, Д. Д. Иваненко и И. Е. Тамм предположили, что частицы внутри ядра обмениваются не только фотонами, но еще и парами частиц, то есть могут испускать и поглощать сразу по два воланчика — электрон и нейтрино или позитрон и нейтрино. Испустив позитрон и нейтрино, или, наоборот, поглотив электрон и нейтрино, протон становится нейтроном. Соответствующим образом ведет себя и нейтрон, он становится протоном.

Может возникнуть вопрос: а зачем нужна пара частиц, разве протон и нейтрон не могут обмениваться одним электроном или позитроном? Нет, не могут. Это им строго-настрого запрещено. Дело в том, что частицы, подобно маленьким волчкам, безостановочно вращаются вокруг своей оси. И вращение их одинаковое, различие лишь в направлении — слева направо или справа налево. Отрываясь от протона или нейтрона, рождающаяся частица может унести с собой их вращение, а это невозможно — невращающихся протонов и нейтронов не существует. Когда же испускается пара частиц, они могут вращаться в противоположных направлениях и тогда в сумме пара никакого вращения не уносит.

Теория внутриядерных сил, разработанная Иваненко и Таммом, на некоторое время стала главным событием физики. Однако более детальные расчеты вскоре показали, что испускание двух воланов происходит слишком редко и образуемых ими «ремней» (точнее было бы сказать — тоненьких ниточек!) недостаточно, чтобы скрепить ядро.

Тем не менее идея объяснить внутриядерные силы бадминтоном каких-то новых частиц выглядела очень привлекательной. Это одна из тех идей, которые играют роль теоретического трамплина. Молодой японский теоретик Хидеки Юкава пошел дальше по этому пути. Он решил атаковать задачу с тыла — предположил, что протоны и нейтроны обмениваются какой-то еще неизвестной нам частицей, и путем сравнения расчетов с опытом попытался установить ее свойства. У него получилось, что эта частица должна быть в двести — триста раз тяжелее электрона, а частота ее испускания и поглощения в процессе бадминтона раз в тысячу больше, чем для фотона. Бадминтон, когда вместо размеренной игры с легким электромагнитным воланчиком партнеры с огромной быстротой перебрасываются тяжелым валуном!

Частица, с массой в двести раз большей массы электрона, вскоре действительно была обнаружена в космических лучах. Ее назвали мезоном, опять воспользовавшись греческим корнем. «Мезо» по-гречески означает «средний». Средний между электроном и протоном.

Используя греческие корни для своих терминов, физики отдают дань уважения первым ученым-атомистам.

Итак, молекулы и атомы скреплены электромагнитными силами. Именно эти силы играют здесь роль «строительного цемента». Внутри ядер действуют в тысячу раз более мощные мезонные силы. Поэтому ядра намного плотнее атомов. Грубо говоря, в триллион раз. Для сравнения напомним, что плотность воздуха и железа различается всего лишь десять тысяч раз, а здесь — триллион!