Вера Черногорова - Загадки микромира

«Этот закон, — писал профессор Я. Смородинский, — отражает фундаментальное свойство атомных ядер, их устойчивость. При малейшем нарушении этого закона протоны или нейтроны в ядрах исчезли бы, превратившись, например, в позитроны, нейтрино или мезоны. И самим своим существованием мы обязаны тому, что закон сохранения барионного заряда никогда не нарушается».

Есть и другие правила и законы, которым подчиняется рождение элементарных частиц, но сейчас мы не будем останавливаться на них. Перечисление их мало что прояснит в интересующей нас проблеме. Даже познав эти правила, физики не знают, как объяснить и понять эту бесконечную игру: сколько чего выпадет?

Но самое главное — не ясно, откуда берется весь этот ворох частиц, возникающих при столкновении?

Ударьте палкой по ковру — сотни пылинок запляшут в солнечном луче. И никого не взволнует вопрос: откуда они взялись? Всем ясно, что пылинки прятались в ворсинках ковра, пока палка не выбила их оттуда.

А можно ли спросить, где прятались частицы, возникающие на ускорителе при столкновении, например, протонов?

Нельзя. Это бессмысленный вопрос. Они нигде не прятались. Они родились в момент удара. Вспомним: когда протон в радиоактивном ядре превращается в нейтрон, электрон и нейтрино, не говорим же мы, что последние две легкие частицы прятались в ядре! Они просто возникли в момент превращения.

Физики уже давно знают, что протон может превратиться в нейтрон, а нейтрон — в протон. Пи-мезоны распадаются на легкие частицы; тяжелые резонансы — на «странные» частицы и обычные; гипероны и ка-мезоны — на протоны и нейтроны. В то же время протоны больших энергий, сталкиваясь с нуклонами мишени, рождают резонансы, гипероны, нуклоны и мезоны.

Эта взаимная превращаемость элементарных частиц, возможность их рождения и исчезновения неизбежно приводила к мысли о взаимной обусловленности их свойств. Создавалось впечатление, что в образ одной элементарной частицы вносят свой вклад все другие сограждане микромира.

Постепенно идея — «Все состоит из всего» — стала тривиальной. Американский теоретик Д. Чу удачно окрестил ее «ядерной демократией», господствующей в семействе сильно взаимодействующих частиц.

Но, рассуждая таким образом, физикам уже трудно было отделаться от ощущения, что частицы, которые теория именует точечными, на самом деле обладают протяженностью и сложной структурой.

Протоны и нейтроны, эти никогда не исчезающие, а только превращающиеся друг в друга, частицы, кажутся вполне похожими на точку. Но при одном условии: если смотреть на них издалека. Ну а если подойти поближе?

Протонами — снарядами, ускоренными до огромных энергий, обстреливали мишень. Они так близко подходили к протону — мишени, что «точка» неожиданно продемонстрировала таящиеся в ней бездонные глубины. По образному выражению профессора Я. Смородинского, протон оказался скорее похожим на бурный водоворот, в котором беспрестанно рождаются и исчезают пи-мезоны, названные физиками пионами. Но это еще не все! Кроме пионов, вблизи, или даже скорее внутри того, что мы именуем протоном, возникают и гибнут нуклоны и антинуклоны.

Так, значит, частицы, которые мы называем элементарными, в конечном счете бесконечно сложны и даже, может быть, имеют определенный размер?

Теория ответить на этот вопрос пока не может.

Загляните в учебники, изданные лет пятнадцать назад. Там вы прочтете, что элементарные частицы в принципе не могут иметь размера, так как они во всех процессах участвуют как единое целое: не расщепляются и не деформируются. И это не ошибка автора книги. Это утверждение лежит в основе самой квантовой механики.

Что же запрещает думать о протяженной частице, создавать какие бы то ни было «картины» частиц и приписывать им структуры?

Лезть в чужой монастырь со своим уставом опасно. А мы все глубже и глубже вторгаемся в необычный мир элементарных частиц с чуждым ему «уставом» классической физики. И классическая физика, как добросовестный, но «устаревший» старик Хоттабыч, нашептывает: если предмет проявляется только как целое, значит он абсолютно тверд.

Разговор о том, точечные частицы или нет, в рамках теории можно считать законченным. Все дальнейшее рассуждение на эту тему пресекает теория относительности. По ее правилам абсолютно твердое тело не может иметь ни структуры, ни размеров. Ведь если столкнутся два абсолютно жестких тела, то толчок должен передаваться мгновенно по всей толще каждого из них. Мгновенно — это значит быстрее скорости света. А ведь вся теория относительности на том и стоит, что не существует скорости, большей скорости света.

«Элементарная частица в квантовой механике, — говорит академик М. Марков, — это точечная частица в буквальном смысле слова». Вот и весь ответ. К сожалению, и современная теория ничего нам объяснить не может. Она вышла из недр квантовой механики и вслед за ней повторяет «сказку» о частице-точке.

Как известно, сколько ни повторяй: шербет, шербет — во рту сладко не станет. Все эти разговоры о структуре и о протяженности частиц не стоили выеденного яйца, если бы эти свойства нельзя было «прощупать» экспериментально.

Иногда возникает такая ситуация, когда мы не можем или не имеем права открыть какую-нибудь коробку или шкатулку. При этом мы твердо знаем, что в ней что-то есть. Чтобы догадаться о характере содержимого, мы начинаем коробку покачивать и трясти, прислушиваясь к доносящимся до нас звукам.

Чтобы выяснить, нет ли в большой отливке пустот или трещин, ее просвечивают рентгеном или гамма-лучами.

Проблема, стоящая перед исследователями элементарных частиц, куда сложнее. Частица — это не коробка со стенками, а сложная система с распределенным зарядом и токами. Исследовать структуру элементарной частицы — это значит исследовать распределение всех ее зарядов, а также измерить ее электромагнитный радиус.

А можно ли провести такую деликатную и чрезвычайно тонкую операцию?

Вспомним, как было открыто атомное ядро. До опытов Резерфорда все представляли себе атомы по модели Томсона: в виде некой положительно заряженной сферы с «плавающими» в ней электронами. Затем с помощью альфа-частицы в атоме нащупали тяжелое ядро.

Экспериментаторы наблюдали, как ведут себя альфа-частицы — эти естественные атомные снаряды, пролетая сквозь тонкие пленки веществ. Большинство их почти не изменяло направления своего движения. Но были и такие, что отклонились от первоначального направления на 90 и даже на 180 градусов. Однозначный вывод об их встрече с тяжелым крошечным телом был сделан незамедлительно.