Владилен Барашенков - Кварки, протоны, Вселенная

Но как можно было говорить об атомах, если в то далекое время не было даже микроскопа? Не была ли атомная теория древнегреческих ученых просто выдумкой, наподобие тех, что изобретают в своих книгах писатели-фантасты, а потом оказалось, что она случайно совпадает с атомистикой нашего времени?

Нет, не была. Греческая атомистика родилась не на пустом месте. Сначала она возникла чисто логически: если бы все на свете делилось бесконечно, рассуждали упомянутые философы, то материальный мир не мог бы существовать. Значит, есть предел делимости, есть неделимые частицы. Затем атомистика начала предлагать простое и наглядное объяснение многим очевидным, но не совсем понятным тогда фактам: почему, например, от прикосновений верующих стирается позолота со статуй богов и сами статуи становятся тоньше, почему мел остается мелом, как бы тонко его ни истолкли. Подобных загадок было много. Конечно, их можно было объяснить и без атомов. Но атомисты объясняли эти загадки со своей позиции. Сначала Демокрит, за ним — Эпикур. Для того чтобы их гениальная гипотеза превратилась в научный факт, понадобилось почти двадцать пять веков.

Прощупали атом сравнительно недавно — в 1909 г. Сделал это с помощью альфа-частиц английский физик Эрнест Резерфорд. Он первым «рассмотрел» и атомное ядро. Двадцать лет спустя немецкий физик Вернер Гейзенберг и его советский коллега Дмитрий Дмитриевич Иваненко, ныне профессор Московского университета, выдвинули быстро подтвердившуюся на опыте гипотезу о том, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Дальше открытия посыпались как из рога изобилия. Перед второй мировой войной был открыт мезон, а после войны редкий год не приносил какой-либо новой частицы или теории, предсказывавшей дальнейшие открытия. На сегодняшний день известно несколько сотен элементарных частиц. За последние два десятка лет наука узнала о строении мира больше, чем за все предшествующие столетия.

Вернемся теперь к вопросу о том, из чего состоят частицы ядра — протон и нейтрон. Они настолько похожи друг на друга по своим свойствам, что физики считают их как бы двумя состояниями одной и той же частицы — нуклона . Когда у нуклона нет электрического заряда — это нейтрон, когда же в результате взаимодействий он получит заряд, возникнет протон. В каком-то смысле нуклон напоминает монету: одна ее сторона — протон, а другая — нейтрон.

Подобным же образом можно сгруппировать и другие частицы с близкими свойствами. Каждая из них представляет собой как бы сторону единого многогранника. Частицу мезон, например, о которой еще пойдет у нас речь, можно уподобить трехгранной пирамиде: одна ее сторона соответствует отрицательно заряженному мезону, вторая — мезону с положительным зарядом, а третья — их нейтральному собрату.

Иногда думают, что научно-популярная статья или книга — дело нехитрое: ведь речь идет о вещах, хорошо знакомых автору. Начинай и рассказывай! Это и так и не так. Предмет действительно автору хорошо знаком, по есть одна серьезная трудность — язык. Ученый говорит и думает на емком профессиональном языке, где за каждым словом кроется уйма специальных понятий. Например, для описания свойств заряженных и нейтральных частиц в физике вводится особая величина — изотопический спин . Это нечто вроде момента количества движения вращающегося штопора, только вращающегося не в обычном пространстве, а в зарядовом. Когда изотопический спин нуклона направлен вверх — частица является протоном, когда вниз— нейтроном. Изотопический спин мезона имеет три направления — вверх, вниз и вбок. Есть частицы, чей спин обладает еще большим количеством направлений. Попробуйте переложить все это на обиходный язык! А если пуститься в подробные объяснения, вас просто перестанут слушать. Вот и приходится прибегать к аналогиям, заменять сложные и точные понятия более простыми и приблизительными. Проигрываем в строгости, зато выигрываем в наглядности.

Каждый из нас не раз наблюдал за жонглером, который так быстро бросает и ловит шарик, что его мелькание воспринимается как целое облако шариков. Сходным образом ведут себя протон и нейтрон. Очень быстро испуская и поглощая легкую частицу мезон, они создают вокруг себя облако электрических зарядов. Продолжительность каждого отдельного акта испускания и поглощения очень мала, но благодаря многократным их повторениям возникает некая пространственная структура. Точечная частица превращается в протяженную, или, как говорят физики, в размазанную.

Испустив положительно заряженный мезон, протон становится нейтроном, а нейтрон, испустив отрицательно заряженный мезон, превращается в протон. Если же испускается нейтральный мезон, то протон так и остается протоном, а нейтрон— нейтроном.

С первого взгляда все это противоречит здравому смыслу. Известно ведь, что нейтрон тяжелее протона. Как же может протон превратиться в более тяжелый нейтрон, да еще и оторвав от себя довольно увесистый «кусочек» в виде мезона?

Во всех этих процессах масса двух конечных частиц действительно больше массы исходной частицы. И в силу закона сохранения энергии такие процессы невозможны. И тем не менее они происходят, а закон не нарушается.

Благодаря особенностям волнового движения микрочастиц их траектории (можно сказать, даже сами эти частицы) как бы размазаны в пространстве. При этом скорость, а следовательно, и энергия частицы в течение очень короткого времени оказываются несколько неопределенными — как раз настолько, чтобы скомпенсировать кажущееся несохранение энергии. С точки зрения обычной школьной физики понять это нелегко, но в науке всегда приходится кое-что принимать сначала на веру, прячась за спасительной формулой: это следует из опыта. Теоретическое обоснование в таких случаях приходит потом.

Частицы, которые рождаются и быстро исчезают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии, часто называют виртуальными , то есть возможными. Их рождение можно рассматривать как квантовые флюктуации (колебания, отклонения от нормы) массы и энергии, благодаря чему у любого физического тела эти величины в каждый момент времени оказываются чуть-чуть неопределенными. Точное значение они имеют лишь в среднем — для больших интервалов времени. Как мы увидим далее, рождением виртуальных частиц объясняются многие удивительные явления микромира.

Облако виртуальных мезонов внутри протона впервые было обнаружено в опытах с рассеянием быстрых электронов на ядрах водорода. Для этих опытов в Калифорнии был построен специальный ускоритель — огромная установка, разгонявшая электроны до скоростей, которые только на десятитысячные доли процента не достигали скорости света. Оказалось, что электроны рассеиваются совсем не так, как это происходило бы, будь протон заряженной точкой. Получалось, что протон — вовсе не точка, а довольно крупный объект с радиусом, который всего лишь в три раза меньше радиуса ядра углерода.