В глубь ядра

После того как квантовая теория пролила свет на мир атома, главной задачей физиков стало изучение структуры ядра, его компонентов и сил притяжения внутри ядра. В исключительно богатом мире атомных явлений ядра, заключающие в себе почти всю массу атома, исполняют роль предельно малых устойчивых центров, представляющих собой источник электрических сил и образующих основу огромного множества молекулярных структур.

К 1928 году были известны три частицы: фотон, протон и электрон. Фотон – элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле – света); протон – стабильная элементарная частица, ядро атома водорода; электрон – элементарная частица, обладающая положительной энергией и отрицательным зарядом. Квантовая теория показала, что поразительные свойства атомов обусловлены волновой природой электронов.

Важным шагом к пониманию структуры ядра было открытие его второго компонента – нейтрона (первым является протон, который имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона). Нейтрон не имеет электрического заряда. Протон и нейтрон считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы – нуклона – частицы с массой, примерно равной массе протона, в две тысячи раз превышающей массу электрона, но лишенной электрического заряда. Поскольку ядра всех химических элементов состоят из протонов и нейтронов, сила, связывающая частицы внутри ядра, представляла совершенно новое явление. Она не могла иметь электромагнитной природы, поскольку нейтроны электрически нейтральны. Физики поняли, что перед ними – новая сила природы, не существующая вне ядра.

Это так называемое сильное ядерное взаимодействие действует только на очень близком расстоянии, равном примерно двум-трем диаметрам нейтрона (4). На таком расстоянии ядерная сила притягивает нейтроны и протоны; при его сокращении она становится отталкивающей и препятствует дальнейшему их сближению. Так, ядерная сила приводит ядро в исключительно стабильное и исключительно динамическое равновесие. Сильное ядерное взаимодействие действительно сильное: оно удерживает вместе протоны и нейтроны, причем это взаимодействие, например, между двумя протонами в 10⁸ раз мощнее, чем гравитационное взаимодействие между ними же (2).

Ядро атома в 100 тысяч раз меньше самого атома и все же содержит почти всю его массу. Это значит, что плотность вещества внутри ядра гораздо выше, чем в привычных нам формах материи. В самом деле, если бы человеческое тело обладало плотностью ядра, оно было бы величиной с булавочную головку. Однако такая высокая плотность не единственное необычное свойство ядерного вещества. Обладая, как и электроны, квантовой природой, нейтроны реагируют на ограничение в пространстве, значительно увеличивая свою скорость, а поскольку им отводится гораздо более ограниченный объем, чем электронам, их скорость очень высока – около 100 тысяч км/с.

Таким образом, ядерное вещество – эта такая форма материи, которая совершенно не похожа ни на одну из форм материи, существующих в нашем макроскопическом окружении. Это вещество ученые весьма образно сравнивают с микроскопическими каплями предельно плотной жидкости, которые бурно кипят и булькают (1). В этом случае атом представляет собой тяжелые, бурно кипящие капли ядер, а в пространстве между ними с огромной скоростью движутся отрицательно заряженные электроны, которые удерживаются силой притяжения между ними и положительно заряженными ядрами.

И хотя масса электронов составляет очень небольшой процент от общей массы атома, именно они, электроны, придают материи свойство твердости и обеспечивают необходимые связи для образования молекулярных структур, состоящих из нескольких атомов, связанных силами взаимного притяжения. Они также участвуют в химических реакциях и отвечают за химические свойства веществ. Таким образом, взаимодействие электронов с ядром обеспечивает возможность существования всех твердых тел, жидкостей и газов, а также живых организмов и биологических процессов, связанных с их жизнедеятельностью. С другой стороны, электроны обычно не участвуют в ядерных реакциях, не обладая достаточной энергией для нарушения равновесия внутри ядра.

Итак, в начале 30-х годов XX столетия в процессе изучения субмикроскопического мира наступил этап, принесший было уверенность в том, что «строительные кирпичики» материи наконец открыты. Было известно, что вся материя состоит из атомов, а атомы – из протонов, нейтронов и электронов. Эти так называемые «элементарные» частицы воспринимались как предельно малые, неделимые единицы материи, подобные атомам Демокрита.

Однако последующие достижения современной физики показали, что нужно отказаться от представлений об элементарных частицах как о мельчайших составляющих материи. Усовершенствование техники проведения экспериментов и создание новых приборов регистрации элементарных частиц (детекторов) привело к тому, что к 1935 году было известно уже не три, а шесть элементарных частиц, к 1955 году – восемнадцать, а к настоящему времени их известно более четырехсот. В такой ситуации слово «элементарный» уже неприменимо. Какая уж тут элементарность, если фотон может породить пару электрон – позитрон, при столкновении протонов и нейтронов могут рождаться пи-мезоны, пи-мезон распадается на мюон и нейтрино и т. д.? Универсальная превращаемость частиц – одно из самых общих свойств микромира.

Античастицы. Эксперименты показали, что частицы, ограниченные в пределах ядра, движутся со скоростью, близкой к скорости света. Следовательно, для описания ядерных явлений и точного понимания мира атома квантовая теория не является всеобъемлющей. Она должна быть дополнена теорией относительности Эйнштейна, которая оказала сильное воздействие на наши представления, в частности, о материи, заставив нас существенно пересмотреть понятие частицы. В классической физике масса тела всегда ассоциировалась с некоей неразрушимой материальной субстанцией, из которой, как считалось, были сделаны все вещи. Теория относительности показала, что масса не имеет отношения ни к какой субстанции, являясь одной из форм энергии (2).

Однако энергия – это динамическая величина, связанная с деятельностью (или процессом). Тот факт, что масса частицы может быть эквивалентна определенному количеству энергии, означает, что частица должна восприниматься не как нечто неподвижное и статичное, а как динамический паттерн^[3], процесс, вовлекающий энергию, которая проявляет себя в виде массы частицы.

Начало новому взгляду на частицы положил английский физик Поль Дирак, который первым начал процесс объединения двух великих теорий. Дирак составил уравнение, которое описывало движение электронов с учетом законов квантовой механики и теории относительности, и получил неожиданный результат. Формула для энергии электрона давала два решения: одно соответствовало уже знакомому электрону, частице с положительной энергией и отрицательным электрическим зарядом, другое – частице, у которой энергия была отрицательной, а заряд положительным. В квантовой теории поля состояние частицы с отрицательной энергией интерпретируется как состояние античастицы, обладающей положительной энергией и положительным зарядом (4).

В 1932 году американский физик К.-Д. Андерсен экспериментально обнаружил антиэлектрон в космических лучах и назвал эту частицу позитроном. В 1936 году в космических лучах были обнаружены отрицательные и положительные мюоны, являющиеся частицей и античастицей по отношению друг к другу. В 1955 году в опытах на ускорителе были зарегистрированы первые антипротоны, а несколько позже – антинейтроны. К 1981 году экспериментально были обнаружены античастицы практически всех известных элементарных частиц (4).

Дирак обратил внимание на то, что нереальные частицы с отрицательной энергией возникают из своих положительных «антиблизнецов». В результате исследований он пришел к выводу, что пустое четырехмерное пространство Эйнштейна заполнено без предела электрон-позитронными парами, которые до поры до времени никак не проявляют себя. «Этот океан (физический вакуум) заполнен электронами без предела для величины отрицательной энергии, и поэтому нет ничего похожего на дно в этом электронном океане» (2). Образно выражаясь, пространственный вакуум есть бушующий океан отрицательной энергии. Это значит, что в громадном энергетическом океане вакуума Вселенной, который внешне нам кажется совершенно инертным и спокойным, на самом деле невесомые и незримые волны отрицательной энергии непрестанно бушуют с колоссальной скоростью, близкой к скорости света.

Согласно теории Дирака, вакуум битком набит различными античастицами, но мы не можем их обнаружить, потому что они существуют в мире отрицательных энергий и сверхсветовых скоростей, откуда мы физически не можем получить какие бы то ни было сигналы. Как черное тело невозможно увидеть в темноте, так и античастицы не могут быть обнаружены в физическом пространстве.

«Океан» ненаблюдаем до тех пор, пока на него не подействуют определенным образом. Когда же в этот «океан» попадает, например, богатый энергией световой квант – фотон, то он при определенных условиях заставляет «океан» выдать себя, выбивая из него одну из многочисленных античастиц.

Эксперименты показали, что пары частиц и античастиц возникают при наличии достаточного количества энергии и превращаются в чистую энергию при обратном процессе аннигиляции.

Например, если весомый электрон встретится с весомым позитроном, то они превратятся в невесомую энергию двух фотонов, суммарная масса которых будет равна удвоенной массе покоя электрона. Если нам как-то удастся «ударить этой удвоенной массой по вакууму», то он вытолкнет из себя пару элементарных частиц (электрон и позитрон) с почти нулевой скоростью. Новорожденные в непосредственной близости электрон и позитрон притягиваются друг к другу электростатическими силами и превращаются в невесомую энергию. Круг замыкается.

Если же весомый протон встретится с весомым антипротоном, то они превратятся в невесомую энергию двух фотонов, суммарная масса которых будет равна удвоенной массе покоя протона. Если нам как-то удастся «ударить такой удвоенной массой фотонов по вакууму», то он вытолкнет из себя пару элементарных частиц (протон и антипротон) с почти нулевой скоростью. Новорожденные в непосредственной близости протон и антипротон притягиваются друг к другу электростатическими силами и превращаются в невесомую энергию. То же самое произойдет и с другими парами частиц и античастиц. Это значит, что досветовые скорости вещества устойчивы. Иными словами, не так-то легко «утопить» вещество в бушующем океане отрицательной энергии вакуумного пространства.

Существование процессов синтеза и аннигиляции частиц было предсказано теорией Дирака до того, как они были открыты в природе, и с тех пор наблюдались в лаборатории миллионы раз. А теоретической основой для открытий послужил дираковский физический вакуум.