На пороге нового «безумия» (Вместо заключения)

На пороге нового «безумия»

^{(Вместо заключения)}

Каждый успех наших знаний ставит больше проблем, чем решает.

Л. де Бройль

Современная алхимия

Двадцатипятилетие, последовавшее за Брюссельским конгрессом 1927 года, было почти непрерывным триумфом квантовой физики. Трудности проникновения в молекулы и атомы сводились преимущественно ко все возраставшей громоздкости вычислений.

Драмы разыгрывались главным образом в сокровенных глубинах атомного ядра и в связи с рождением (не всегда законным) новых частиц.

Прологом к ним послужили работы Резерфорда, который в 1919 году сумел разрушить атомное ядро, открытое им в 1911 году.

Впервые это произошло во время обычных опытов по изучению строения атома азота. Как всегда, исследуемые атомы подвергались бомбардировке альфа-частицами (ядрами атомов гелия). По отклонению путей альфа-частиц, соударяющихся с исследуемыми атомами, можно было судить о строении этих атомов, в частности, о размерах их ядер. Но неожиданно Резерфорд обнаружил, что часть атомов азота, вместо того чтобы, подобно бильярдным шарам, отлетать после удара альфа-частиц, превращалась в атомы кислорода, а альфа-частицы при этом исчезали совсем и вместо них появлялись быстрые протоны.

Это было поразительное открытие, заложившее основы новой алхимии. Сбылась мечта средневековья о трансмутации — превращении одних элементов в другие.

Следующее великое открытие в этой области в начале тридцатых годов сделали супруги Жолио-Кюри. Они, следуя за Резерфордом, получили искусственные радиоактивные элементы, которые распадались по тем же законам, что и естественные, но в отличие от естественных были легкими и располагались не в конце таблицы Менделеева, а вблизи ее начала.

Стало ясно, что ядра элементов не являются кирпичами мироздания. Казалось естественным возвратиться к гипотезе английского врача Проута, который на основе кратности атомных весов еще за сто лет до того предположил, что все элементы образуются из самого легкого из них — водорода.

Но так как с тех пор было обнаружено, что вес ядра растет быстрее, чем его заряд, то пришлось предположить, что в ядре имеются электроны, компенсирующие часть заряда, образованного протонами. Эти же электроны, по-видимому, играют в ядре «роль цемента», скрепляющего одноименно заряженные протоны, говорили физики. Без этого было невозможно объяснить устойчивость ядер.

Присутствие в ядре электронов подтверждалось и давно открытым фактом радиоактивного бета-распада. Многие радиоактивные ядра самопроизвольно распадаются с выделением электронов. Это само по себе позволяло предположить, что электроны присутствуют хотя бы в этих ядрах. Правда, возросшая точность эксперимента внесла в опыты с бета-распадом трагическую неясность. Во многих случаях такого распада измерения указывали на видимое нарушение закона сохранения энергии. Чем точнее удавалось измерить энергию исходного ядра, дочернего ядра и вылетевшего электрона, тем явственнее выступала нехватка. В процессе распада энергия, несомненно, исчезала совершенно непонятным путем.

В литературе появились работы, обсуждавшие возможность нарушения закона сохранения энергии в элементарных процессах. Но подавляющее большинство ученых скептически относилось к этим предположениям. Закон сохранения не может нарушаться ни при каких условиях, утверждали они, — это основной закон природы. Но факт оставался фактом, изменение баланса энергии при бета-распаде не позволяло свести концы с концами.

Выход указал молодой физик-теоретик Паули. Он предположил, что при бета-распаде из ядра вылетает еще одна частица, ускользающая от экспериментаторов. Она-то и уносит с собой ту часть энергии, которой не хватает для соблюдения баланса, для выполнения закона сохранения.

Паули подробно описал свойства этой гипотетической частицы: она нейтральна, поэтому ее нельзя зафиксировать так, как фиксируют заряженные частицы; она движется очень быстро, возможно со скоростью света, поэтому ее масса покоя мала, возможно равна нулю. Словом, это частица, которую очень трудно, а может быть, и невозможно обнаружить. В соответствии с ее свойствами она не должна была принимать участия ни в каких процессах, кроме бета-распада.

Физики с трудом примирились с «появлением» новой частицы. Уж очень необычными должны были быть ее свойства. Трудно было поверить, что природа создала ее специально для участия в бета-распаде. Но сознание, что закон сохранения энергии незыблем, было сильнее этих сомнений, и ученые вскоре признали частицу Паули и ввели ее в семью элементарных частиц. Итальянский физик Ферми стал ее крестным отцом, дав ей имя нейтрино и создав на основе нейтрино последовательную теорию бета-распада.

Благодаря протонно-электронной модели ядра все в микромире постепенно приобрело удивительную ясность. Имеются три кирпича мироздания: отрицательный электрон, положительный протон (масса которого примерно в две тысячи раз превосходит массу электрона) и нейтральный фотон (имеющий ничтожную массу, связанную с его движением). Эта частица не может остановиться, ибо ее масса покоя равняется нулю. Есть еще уродец нейтрино, но с этим можно было не считаться. Нейтрино не участвовали в мироздании. Рождаясь при сравнительно редких случаях бета-распада, они бесследно исчезали.

Из протонов, связанных электронами, образуются ядра атомов. Электроны, летающие вокруг ядер по устойчивым боровским орбитам, превращают атомы в законченные нейтральные конструкции со всем многообразием их физических и химических свойств. Фотоны рождаются и гибнут в процессах перескока электронов с орбиты на орбиту.

Блестящая гармония протонно-электронной модели, покоящаяся на кратности атомных весов, не нарушалась даже тем, что атомные веса некоторых элементов сильно отличаются от целых чисел. Это была лишь кажущаяся трудность. Ведь такие отклонения наблюдаются только для элементов, имеющих по нескольку изотопов, открытых молодым английским физиком Астоном. Он установил, что атомы изотопов химически тождественны и имеют целочисленные атомные веса. Измеренные прежними способами, атомные веса природных элементов оказывались некратными весу протона только потому, что природные элементы содержат случайное (хотя и одинаковое во всех случаях) сочетание изотопов.

Особенно разителен пример с хлором. Как известно, его атомный вес равен 35,5. Такое нецелое число получается потому, что природный хлор на одну четверть состоит из изотопа хлора с атомным весом 35 и на три четверти из изотопа хлор-37.

Однако Астону, погибшему в первой мировой войне вскоре после своего открытия, не довелось узнать, что его метод измерения атомных весов едва не погубил протонно-электронную модель ядра. Повышающаяся точность эксперимента чуть не опрокинула все это стройное здание. Оказалось, что атомные веса изотопов все же отличаются от простых целых чисел сильнее, чем это можно объяснить за счет ошибок измерения.

Но положение было спасено введением «дефекта массы». Ведь для того, чтобы ядра были устойчивыми, частицам должно быть выгоднее существовать внутри ядра, чем вне его. А это значит, что при их объединении в ядро должна выделяться энергия (та же, которую надо затратить для разрушения ядра). Но в соответствии с теорией относительности потеря энергии эквивалентна потере массы и поэтому масса ядра должна быть меньше, чем сумма масс входящих в него частиц.

Таким образом, протонно-электронная модель не только не погибла, но с учетом дефекта массы еще прочнее оперлась на опыт, который при этом подтверждал не только справедливость модели ядра, но и факт выполнения закона сохранения энергии при ядерных превращениях.

Нейтрон против электрона

Опыт — верховный судья. Это признают все здравомыслящие ученые. Но бывает, что этот судья говорит на языке, еще непонятном людям, и они должны научиться переводить указания опыта на человеческий язык при помощи формул и понятий, полученных на основе предыдущего опыта. Бывает также, что переводчики ошибаются и оправдательный приговор выдают за обвинительный.

Еще чаще случается, что обрадованный переводчик недослушает приговор и спешит осчастливить подсудимого, и тот готовится бежать на пир, а его ведут в темницу. Получается почти как у Пушкина: «Глухой глухого звал к суду судьи глухого…»

Так случилось и в этот раз.

Действительность многогранна, и опыт, только что истолкованный в духе протонно-электронной модели, обнаружил новые черты элементарных частиц. Выяснилось, что протоны и электроны представляют собой миниатюрные магнитики, причем легкие электроны обладают примерно в две тысячи раз большим магнетизмом, чем тяжелые протоны.

Здесь не было ничего удивительного. Просто новый, хотя еще и не объясненный факт. Но опыт показал также, что магнитные свойства всех ядер по величине близки к магнетизму протона! Как же слабенькие магнитики-протоны уничтожали в ядре «огромный» магнит электрона? Ведь уже в тяжелом водороде — дейтерии в соответствии с моделью должны быть два протона и один электрон. Но магнетизм его не только не равен магнетизму электрона, но в три раза меньше, чем магнетизм протона. А это примерно в 5 тысяч раз меньше, чем можно ожидать от протонно-электронной модели.

Вмешался опыт и в выводы квантовой статистики. Эта статистика предопределяла свойства ядер на основе простого подсчета числа содержащихся в них протонов и электронов. Ядра с четным числом частиц должны всегда отличаться от ядер с нечетным числом частиц.

Но опыт в ряде случаев отвергал эти предсказания.

Трудно было понять и то, как электрон, дебройлевская волна которого значительно больше размеров ядра, помещался внутри него. Не вязались между собой и некоторые другие опытные факты. Итак, опыт, накопившийся к 1932 году, объявил протонно-электронную модель ядер, утвердившуюся даже в учебниках, незаконной.

Казалось, микромир заманил ученых в глухой тупик.

Правильный путь обнаружился совершенно неожиданно. Как говорят, не было бы счастья, да несчастье помогло. В 1932 году Чедвик, один из учеников Резерфорда, открыл новую частицу. Это разрушило до основания стройное здание микромира, покоившееся на трех микрокитах — протоне, электроне и фотоне. Четвертому киту не оказалось места. И он не только разрушил фундамент, казавшийся незыблемым, но и посеял сомнение в том, является ли открытие навой частицы последним.

Разрушение может стать началом созидания. Скоро выяснилось, что вновь открытая частица — нейтрон, названная так вследствие того, что она была электрически нейтральной, по массе очень близок к протону и обладает магнетизмом.

Этого было достаточно, чтобы предложить новую модель ядер. Иваненко в СССР и Гейзенберг в Германии предположили, что ядра состоят только из протонов и нейтронов. Ядро водорода содержит 1 протон (имеет заряд, равный единице, и атомный вес, равный единице). Следующее по сложности ядро тяжелый водород — дейтерий. Оно содержит 1 протон и 1 нейтрон (заряд — 1, вес — 2). Следующий — сверхтяжелый водород — тритий. Его состав — 1 протон и 2 нейтрона, затем гелий — 2 протона и 2 нейтрона (заряд — 2 и вес — 4). Существует и «легкий гелий» — гелий-3. Его атомный вес равен 3, заряд 2, в его ядре 2 протона и всего 1 нейтрон. Дальше все шло как по нотам, в полном согласии с таблицей Менделеева.

Новая модель легко отвечала на вопросы, оказавшиеся роковыми для старой. Магнитные свойства всех ядер в соответствии с опытом оказывались близкими к магнитным свойствам протонов и нейтронов. Отпали и возражения квантовой статистики. Например, азот, который по старой модели «был» нечетным (14 протонов и 7 электронов), в новой модели «стал» четным (7 протонов и 7 нейтронов), как и должно быть в соответствии с опытом. Стало ненужным придумывать специальные гипотезы, чтобы «втиснуть» дебройлевские волны электрона в ничтожный объем ядра.

Но не все было благополучно в протонно-нейтронной модели. Изгнание электрона из ядра лишило его «электронного цемента», ранее связывавшего положительные заряды протонов. Что же теперь удерживает их в ядре вместе с нейтральными нейтронами, несмотря на взаимное отталкивание одноименных зарядов?

Были и другие подводные камни, например бета-распад. С бета-распадом все давно было ясно. Нейтрино придало теории бета-распада характер полной достоверности. Но теперь бета-распад мог оказаться роковым для протонно-нейтронной модели ядра. Многолетний опыт показывал, что при распаде многих ядер из них вылетают электроны. Спрашивается, как может вылететь из ядра то, чего там нет?

Гейзенберг, спасая бета-распад и протонно-электронную модель ядра, отвел последнее возражение новой гипотезой. Он предположил, что нейтрон в радиоактивных ядрах может превращаться в протон, электрон и нейтрино. Протон при этом остается в ядре, электрон и нейтрино вылетают, как и положено во время бета-распада.

Замечательным в этой гипотезе был новый подход к нейтрону. Эта вновь открытая элементарная частица объявлялась сложной, способной порождать другие элементарные частицы. Но при этом она сохраняла и свойства настоящей элементарной частицы. Ведь электрон, магнитные свойства которого в тысячу раз больше, чем у нейтрона, не может постоянно быть его составной частью. Он не может просто входить в нейтрон как индивидуальная частица. Он должен рождаться из него при подходящих условиях.

Но новая гипотеза Гейзенберга не превратила протонно-нейтронную модель из гипотезы в теорию. Ведь оставался открытым вопрос о ядерном цементе. А кроме того, гипотеза, придумываемая для объяснения единичного факта — для спасения другой гипотезы, — всегда встречается с недоверием. Тем более что для ее обоснования нужно было еще объяснить, почему нейтрон остается устойчивым в ядрах, не испытывающих бета-распада, и почему никто не видел распада свободных нейтронов.

Так физики похоронили спорную гипотезу бета-распада и отложили в число сомнительных обе модели ядра. Ведь каждая из них приводила к непреодолимым трудностям. Пока теоретики рассуждали о таинственных свойствах ядра, экспериментаторы продолжали охоту за тайнами природы.

Рождение античастиц

Счастливый случай и наблюдательность позволили Андерсону обнаружить на фотопластинке, экспонированной во время опытов с космическими частицами, след, который могла оставить только частица, во всем тождественная электрону, но имеющая положительный заряд. Это действительно был положительный электрон — первая античастица, попавшаяся на глаза ученым. Его существование еще с 1928 года было предсказано Дираком, преобразовавшим волновое уравнение Шредингера в соответствии с требованиями теории относительности.

Позитрон в нашем мире не может жить долго. Он быстро соединяется со встречным электроном, превращаясь в квант электромагнитного поля.

Открытие позитрона не только подтвердило теорию Дирака и глубокую общность между электромагнитным полем и элементарными частицами, но и послужило косвенной поддержкой гипотезы Гейзенберга. Если электрон и позитрон могли превращаться в фотоны, то менее странной казалась возможность превращения нейтрона в протон и электрон.

Вскоре было обнаружено, что некоторые искусственные радиоактивные элементы распадаются с испусканием позитронов. Это была, несомненно, новая форма бета-распада. Это была и новая поддержка гипотезы Гейзенберга. Достаточно предположить, что при этом протон внутри ядра превращается в нейтрон и позитрон, и теория позитронного бета-распада готова. Так вновь опыт давал намек на сложную природу элементарных частиц.

Протон и нейтрон могли оказаться разновидностями одной и той же частицы или просто превращаться друг в друга, причем в этих превращениях участвовала несомненная пара — электрон и позитрон.

До того как принять одну из этих догадок за истину или создать другую теорию, нужно было обязательно понять, почему эти превращения происходят только внутри радиоактивных ядер, а в других ядрах и в свободном состоянии ни протон, ни нейтрон не распадаются.

Но прежде чем приняться за эту сложную работу, пришлось признать права гражданства еще одной частицы-невидимки, еще одного нейтрино. Это нейтрино необходимо для обеспечения закона сохранения при позитронном бета-распаде, так же как первое нейтрино стало неизбежным участником обычного бета-распада.

Оказалось, оба нейтрино почти тождественны между собой. Они должны были отличаться только одной характеристикой, знаком особой величины, играющей роль только в микромире. Эта величина называется спином. В обычном мире больших вещей на спин больше всего похоже упрямство вращающегося волчка, который противится всякой попытке наклонить его ось. У большинства микрочастиц есть что-то похожее на это стремление сохранить направление какого-то подобия оси. Приняв эту аналогию, можно говорить, что микрочастицы, имеющие спин, как бы вращаются. Тогда, если первое из нейтрино вращается по часовой стрелке, то второе — в противоположном направлении (если смотреть вдоль линии полета частицы). Новая частица получила наименование антинейтрино.

К курьезам на тропах науки относится тот факт, что со временем нейтрино и антинейтрино пришлось поменяться именами. Первому нейтрино, рождающемуся вместе с протоном и электроном при распаде нейтрона, ученые присвоили частицу «анти», а второе, рождающееся вместе с нейтроном и позитроном при распаде протона, назвали просто нейтрино.

Это переименование объясняется не капризами физиков, а требованиями симметрии, регулирующими все процессы в микромире. В каждом из этих распадов рождается по одной античастице. В первом из нейтрона рождается антинейтрино (наряду с двумя обычными частицами), а во втором из протона рождаются позитрон (античастица электрона) и две обычные частицы нейтрон и нейтрино.

Так в результате совместных усилий теоретиков и экспериментаторов число «кирпичей мироздания», сильно уменьшившееся после отречения от этой роли атомов, снова возросло. В начале тридцатых годов к семье элементарных частиц принадлежали: фотон, пара — нейтрино и антинейтрино, пара — электрон и позитрон и две «тяжелые» ядерные частицы — протон и нейтрон.

Находки и разочарования

Картина строения материи снова приобрела заманчивую ясность, но вопрос о причинах устойчивости атомных ядер оставался нерешенным. Никакое из двух известных силовых полей: ни гравитационное (поле тяготения), ни электромагнитное не могли удержать одноименно заряженные протоны и нейтральные нейтроны внутри ядра, размер которого составляет примерно стотысячную долю от миллиардной части сантиметра.

В 1932 году советский физик Тамм высказал предположение, что, может быть, электроны являются источниками еще неизвестного неэлектромагнитного поля, придающего ядру атома столь прочное строение. Может быть, электроны — это кванты поля, с которым связаны ядерные силы? Но когда Тамм произвел расчет, оказалось, что поле, квантами которого могли бы быть электроны, в тысячу миллиардов раз меньше, чем действительные ядерные силы. Поскольку в то время другие частицы, кроме электронов, подходящие для роли квантов поля ядерных сил, не были известны, Тамму пришлось поставить на этом точку.

Как видно, нужно было поставить вопрос: а какова должна быть частица, дающая такое поле? И, получив на бумаге такую частицу, дать «технические условия» экспериментаторам на ее поиски. Так это и случилось. Работа Тамма была продолжена. И решающий шаг, приведший к открытию цемента, скрепляющего протонно-нейтронное ядро, сделал в 1935 году японский физик-теоретик Юкава. Он написал уравнение для ядерных частиц, чтобы с его помощью узнать, какова должна быть природа сил, скрепляющих ядро. Это уравнение в своей абстрактной математической форме объединяло колоссальную мощь теории относительности и квантовой механики. Одно из его решений давало хорошо известные фотоны — частицы электромагнитного поля с массой покоя, равной нулю. Но силы электромагнитного поля могли только расталкивать одноименно заряженные протоны. На нейтроны они просто не действуют. Это решение не годилось для получения ответа на загадки ядра.

Тогда Юкава задал уравнению другой, совершенно безумный вопрос. Не существует ли в природе еще одного поля, действующего и на протоны и на нейтроны; поля, силы которого способны преодолеть отталкивание одноименных зарядов протонов внутри ядра, но практически исчезают за его пределами?

Уравнение ответило: да, такое поле может существовать, если его частицы — неслыханное дело! — будут иметь массу покоя приблизительно равную 200 массам электрона.

У Юкавы оказались крепкие нервы. Получив такой ошеломляющий ответ, он не растерялся. Наоборот, он объявил, что из факта устойчивости ядер следует существование особого поля — поля ядерных сил, скрепляющих ядерные частицы. А если такое поле существует, то по аналогии с электромагнитным полем, которое имеет свою частицу — фотон, должны существовать и частицы, связанные с этим полем так же, как фотоны связаны с электромагнитным полем. А если эти частицы существуют и расчет дает странную оценку для величины их массы, то с этим надо примириться. Такова природа. Экспериментаторы должны искать такую частицу, сказал Юкава, и они найдут ее.

После предсказания и открытия позитрона это уже не казалось противоестественным. Работы начались. Они велись во многих странах.

Вскоре, в 1936 году, счастливец Андерсон и его сотрудник Неддермайер обнаружили, что космические частицы иногда выбивают из ядер встречных атомов частицы, масса которых равна примерно 207 массам электрона.

Это открытие потрясло мир не меньше, чем открытие планеты Нептун, существование которой было предвычислено астрономом Леверье, исходившим из расхождения видимого движения планеты Уран с существовавшими в то время расчетами. Позитрон был обнаружен случайно. Андерсон в то время не задавался целью обнаружить «дырку» Дирака. На сей раз частицу Юкавы искали и нашли. Ее назвали мезон — частица со средней массой.

Теперь картина ядра рисовалась в виде облаков мезонов, внутри которых блуждают протоны и нейтроны. Поле мезонных сил надежно удерживает ядерные частицы в тесных границах ядра. При этом ядерные частицы непрерывно обмениваются между собой мезонами.

Снова в физике наступил период ясности. Но не надолго. Подробное исследование свойств мезонов показало… что они не имеют ничего общего с частицами Юкавы.

Оказалось, что мезоны обладают таким же спином, как ядерные частицы протон и нейтрон. Отдавая или приобретая такой мезон, ядерная частица одновременно должна была бы отдавать или приобретать спин, а этого на самом деле не происходит. Значит, эти мезоны не могли играть роль частиц ядерных сил. Лишь величина их массы, близкая к предсказанной, могла служить оправданием ошибки.

Казалось, дело принимает трагический оборот. Но физики не унывали. Они верили уравнениям. Никто не считал появление неожиданных мезонов бедой. Наоборот, их засчитали в число элементарных частиц и продолжали поиски частиц Юкавы. Авторитет уравнений и изящество протонно-нейтронной модели ядра не могли быть уничтожены ошибкой экспериментаторов.

А мезоны Юкавы действительно были обнаружены в 1947 году после десятилетних настойчивых усилий. Удача пришла на этот раз к английскому ученому Поуэлу, которому пришлось заплатить за нее разработкой новой сверхчувствительной методики. Дело в том, что мезоны неустойчивы. Мезоны Андерсона, названные сперва мю-мезонами, а в недавнее время совсем изгнанные из семьи мезонов и под названием «мюоны» объединенные в общий класс с нейтрино, электронами и позитронами, распадаются через две миллионные доли секунды после своего рождения. Мезоны Юкавы, как оказалось, живут вне ядра еще много меньше. Поэтому их так трудно заметить, и первыми были обнаружены именно мюоны, неповинные в игре ядерных сил.

Мезоны Юкавы, названные пи-мезонами, явились перед Поуэлом сразу в виде семейства из трех родственных частиц. Одни из них оказались нейтральными и имеющими массу в 264 раза большую, чем масса электрона, они живут в десять миллиардов раз меньше, чем мюоны. Их заряженные родственники пи-плюс и пи-минус мезоны погибают «только» в сто раз быстрее, чем мюоны. Они на девять электронных масс тяжелее своих нейтральных братьев.

Так опыт превратил цемент теории Юкавы в прочный бетон, сделавший протонно-нейтронную модель ядра не менее реальной, чем пирамиды древности.

Были найдены и ответы на вопрос о том, почему протоны и нейтроны распадаются не во всех ядрах, а протоны в свободном полете не распадаются, в то время как нейтроны вне ядра живут совсем недолго.

Оказалось, что внутри ядер, в кипящем котле ядерной материи, связываемой мезонами, взаимные превращения протонов и нейтронов происходят всегда. Но вылет наружу электронов и антинейтрино или позитронов и нейтрино происходит лишь при особых благоприятных условиях. Такие условия возникают лишь в неустойчивых радиоактивных ядрах. После вылета из ядра электрона или позитрона, сопровождаемых антинейтрино или нейтрино, баланс протонов и нейтронов смещается на единицу. Это значит, что атом, ядро которого пережило такой распад, смещается на одну клетку в таблице Менделеева — происходит превращение элемента.

Было выяснено также, что протон, находящийся вне ядра, сопровождаемый незримым облаком мезонов, стабилен, то есть никогда (по крайней мере в соответствии с теперешними познаниями) не распадается. Напротив, нейтрон оказался неустойчивой частицей. Вне ядра нейтроны живут в среднем около тысячи секунд, а затем самопроизвольно распадаются. Это их свойство приходится учитывать, в частности, при расчете некоторых атомных реакторов на медленных нейтронах, в которых нейтроны, рожденные при делении ядер, сравнительно долго блуждают до того, как их захватит другое ядро.

Исследования в области ядерных реакций привели к массовому открытию новых частиц. Особенно урожайными оказались годы, последовавшие за строительством гигантских ускорителей, основанных на идеях В. И. Векслера и американского ученого Мак-Милана.

Усиленные поиски и изучение свойств элементарных частиц ведутся во многих физических центрах, в частности в Международном институте ядерных исследований в Дубне. Здесь недавно была открыта одна из новейших частиц — анти-сигма-минус-гиперон.

К 1957 году количество известных частиц достигло 30, а сейчас их насчитывается свыше 90. Стремительное появление новых частиц вызвало замешательство среди физиков. Но об этом будет рассказано несколько позже. Сейчас пришла пора посмотреть в зеркало.

Новый акт

В этой части нашей истории современность тесно сплелась со стариной. Здесь рождались и достигали ювелирной отделки глубокие и оригинальные теории, которые затем безжалостно списывались в архив под давлением новых фактов.

Речь пойдет о различии и родстве между правым и левым, между предметом и его отражением в зеркале. Путешествие в эту область привело ученых к чудесам, далеко затмевающим те, с которыми в зазеркалье встретилась маленькая Алиса.

Великий немецкий ученый Лейбниц, один из зачинателей современной математики, сформулировал в виде закона идею, известную еще в древности, — правое и левое в природе неразличимы. На этот закон опиралась вся наука. Он вошел и в квантовую механику под названием закона сохранения четности.

Универсальность того закона была столь всеобщей, что Эддингтон как-то спросил, сможем ли мы, установив радиосвязь с обитателями далекой планеты, сообщить им, какой винт мы называем правым.

Вопрос Эддингтона можно поставить еще более остро. Как объяснить, что такое право и лево человеку, изучающему русский язык по радио? Конечно, можно сослаться на то, что у него сердце расположено слева. Это будет правильно в подавляющем большинстве случаев, но ведь бывают и люди с сердцем в противоположной стороне груди. Значит, это объяснение не универсально. Можно сказать, что, став лицом к Солнцу, он увидит его перемещающимся слева направо. Но это верно только для жителей северного полушария. Сославшись на движение стрелки часов, мы рискуем, что наш слушатель по какой-то причине никогда не видел современных часов, а в старину были и часы с обратным ходом стрелки. Над этим вопросом стоит подумать, а пока вернемся к закону сохранения четности.

Началом всей истории послужило открытие К-мезона.

Оказалось, что К-мезон может в некоторых случаях распадаться на два пи-мезона, а в других случаях на три пи-мезона. Такие распады не могли существовать одновременно, ибо в первом случае К-мезон должен был бы быть четной частицей, а во втором — нечетной.

Спасительная надежда, что в одном из этих распадов участвует какая-то ненаблюдаемая частица, подобная нейтрино, была опровергнута тщательными измерениями. В этом случае наличие ненаблюдаемой частицы привело бы к нарушению закона сохранения энергии. Вспомним, что именно этот решающий довод привел к рождению нейтрино в теории бета-распада. Отпали и надежды на то, что за К-мезон принимаются две различные частицы — четная и нечетная.

Два молодых китайских физика, Ли Дзун-дао и Янг Чжень-нин, работающие в США, в 1956 году высказали совершенно еретическое, при всей его простоте, соображение. Они заявили, что закон сохранения четности не является всеобщим. Он, пояснили Ли и Янг, установлен на основании множества экспериментов, но все они относятся к макромиру, или к взаимодействиям между тяжелыми частицами и античастицами, или же к процессам, в которых участвуют электромагнитные взаимодействия заряженных частиц. Но есть процессы другого типа — самопроизвольный распад частиц. Все частицы, за исключением фотонов, нейтрино, электронов и протонов, распадаются за время, меньшее чем миллионная доля секунды (кроме нейтрона, который может жить вне ядра целых 1160 секунд).

Ли и Янг обратили внимание на то, что не существует ни одного опыта, говорящего о применимости закона четности к таким распадам. Физики были так убеждены в справедливости закона четности, что не считали нужным специально проверять его в этой области явлений. А ведь здесь все определяется самыми слабыми из известных в микромире сил взаимодействия. Сил, которые в десять миллиардов раз слабее электромагнитных и еще в сто раз слабее тех, которые связывают между собой ядерные частицы. Слабее их только гравитационные взаимодействия, проявляющиеся в макромире в виде сил тяжести.

Ли и Янг указали на то, что загадочный распад К-мезонов можно непринужденно объяснить, если не настаивать на том, что в этом процессе четность должна сохраняться. Но их заслуга состоит не только в «отрицательной» работе. Они не только усомнились и предложили еще одно объяснение непонятного опыта. Они пошли дальше и предложили целый ряд опытов, которые могут решить вопрос, универсален ли закон сохранения четности.

В том же 1956 году один из предложенных опытов был выполнен их соотечественницей By Цзянь-сюн, тоже работавшей в США. Эксперимент показал, что существуют только «левые» нейтрино. «Правых» нейтрино в природе нет. К концу этого года закон сохранения четности был вычеркнут из числа универсальных основных законов природы.

Оказалось, что при слабых взаимодействиях природа выступает перед нами как левша, а во всех остальных она одинаково хорошо владеет обеими руками.

Одна сторона этой истории оказалась обидной для многих физиков. Все необходимые данные для опровержения универсальности закона сохранения четности были зафиксированы на всех фотопластинках, на которых с 1946 года фиксировались распады пи-мезонов.

Многие смотрели на эти пластинки… (Недаром один маститый физик, подходя к экрану осциллографа, всегда спрашивал: «Что я должен здесь увидеть?») Никто не догадался, что стоит лишь подсчитать, сколько мю-мезонов при этом вылетает вперед и сколько назад, как возник бы вопрос о сохранении четности. А ведь главное — задать правильный вопрос. Найти ответ на правильно поставленный вопрос уже не так трудно.

Все смотревшие на эти пластинки видели на них только то, что они искали. И Нобелевская премия досталась Ли и Янгу.

Слабый левша

Но не только экспериментаторы были потрясены. Физик-теоретик А. Салам, сыгравший важную роль в дальнейшем развитии этой истории, приводит два замечательных отрывка из писем одного из крупнейших теоретиков, Паули, писавшего 17 января 1957 года: «Я НЕ верю („Не“ жирно подчеркнуто Паули) в то, что Бог — слабый левша, и я готов держать пари на крупную сумму за то, что эксперименты дадут результаты, соответствующие наличию симметрии».

Через десять дней он писал:

«Теперь, когда первое потрясение уже миновало, я начинаю приходить в себя. Действительно, все было весьма драматично. Во вторник 21-го числа в 8 часов вечера я предполагал прочитать лекцию о нейтринной теории. В 5 часов вечера я получил три экспериментальные работы. Я был потрясен не тем, что Бог предпочитает левую руку, сколько тем, что он сохраняет симметрию между правым и левым, когда он проявляет себя сильным».

Когда физик поминает бога, он, несомненно, выбит из колеи.

Любопытно в этой истории и то, что в первой работе Ферми, посвященной теории бета-распада и нейтрино, в 1934 году были написаны почти те же уравнения, которыми пользуются и сейчас. Но практически все последующие теоретические работы, вплоть до 1957 года, обсуждавшие взаимодействия, приводящие к бета-распаду, оказались неверными. Ошибочными были и многие экспериментальные работы, посвященные этому вопросу.

Впоследствии было обнаружено, что уравнения, ликвидирующие симметрию между правым и левым, были получены еще в 1929 году Вейлем! Но они остались непризнанными.

Вскоре, совершенно независимо, Л. Ландау и А. Салам, а чуть позже Ли и Янг создали новую теорию нейтрино и привели теорию бета-распада в современное состояние. В физику вошло новое квантовое число — спиральность, показывающее, является ли частица правой или левой.

Теперь мы можем ответить на вопрос Эддингтона. Чтобы объяснить, что такое правое и левое, мы можем сообщить, что правые нейтрино — это те, которые рождаются при распаде нейтронов, а левые — при распаде протонов.

В 1957 году нервы физиков подверглись новым испытаниям. Опыты Аллена и его сотрудников, изучавших превращение одного из изотопов хлора в аргон с рождением позитрона, не могли согласоваться с новой теорией бета-распада. Растерянность, вызванная этими опытами, и уверенность в справедливости теории бета-распада были столь велики, что возникли предположения о том, что обычный электронный бета-распад и позитронный распад подчиняются различным законам.

Теоретики после мучительных усилий заявили, что этого не может быть, а тщательная проверка показала, что ошибочны старые, казавшиеся безупречными опыты с распадом тяжелого изотопа гелия, результаты которых были использованы при обработке опытов Аллена. Новые исследования распада гелия привели к соответствию опытов Аллена с теорией.

Единственное, что еще смущало физиков, было то, что никому не удавалось наблюдать распад пи-мезона на электрон и нейтрино, который в соответствии с теорией должен был бы существовать. Однако уверенность одних недолго балансировала с сомнениями других. В сентябре 1958 года физики узнали о том, что такие распады действительно существуют.

Круг, начатый революционной гипотезой Ли и Янга, замкнулся, но утрата симметрии мира продолжала волновать ученых.

Напряженные размышления привели Ландау к мысли о том, что мир все же симметричен, но его симметрия имеет более глубокий характер, чем простое зеркальное отражение. Он обнаружил, что во всех распадах элементарных частиц замена левого на правый и наоборот сопровождается изменениями знака электрического заряда. Видимая несимметрия объясняется тем, что по неизвестным еще причинам в нашем мире протоны положительны, а электроны отрицательны. В антимире, состоящем из антипротонов и позитронов, все должно идти наоборот.

Теория Ландау сводится к тому, что в реальном мире сохраняется комбинированная четность. Это значит, что обычное зеркальное отражение сопровождается «отражением» заряда. Ведь уже давно известно, что электрон «видит» свое отражение в зеркале в виде позитрона и наоборот.

Все это приводит к заключению, что левое в нашем мире совпадает с правым в антимире, если такой действительно существует.

Можно сказать, что если бы в мире не существовало электрических зарядов, он был бы симметричен относительно обоих направлений вращения. В таком «беззарядном» мире невозможно было бы отличить правое от левого, как невозможно отличить политику английских консерваторов от политики лейбористов, хотя первые сидят в правой, а вторые в левой части палаты общин.

Реальный мир из-за наличия заряженных частиц обладает более сложной комбинированной четностью, связывающей знаки зарядов и направления вращения. Причина существования этой связи еще неясна.

Результаты, совпадающие с результатами Ландау, получили также Ли и Янг.

Опыты по проверке справедливости закона сохранения комбинированной четности очень сложны. Но уже в 1958 году, правда с небольшой точностью, он подтвердился в опытах Кларка и других, с распадом поляризованных нейтронов. Подтверждается он и отрицательным результатом некоторых опытов, которые должны иметь отрицательный результат, если сохранение комбинированной четности действительно есть закон природы.

Дружная семья физиков не долго жила в покое. Теоретики Ли и Янг и японский физик Нишижима вновь вызвали бурю, указав, что для обеспечения сохранения энергии при распадах мюонов могут понадобиться новые нейтрино. Были проведены оценки, показывающие, что нейтрино и антинейтрино, рождающиеся при бета-распаде, не участвуют в распадах мюонов.

На страницы физических журналов потоком хлынули сообщения о новых нейтрино. Чтобы отличить их от старых, пришлось назвать их мюонными нейтрино, добавив к названию крестниц Ферми слово «электронные».

Совсем недавно различие этих частиц было подтверждено экспериментально.

Поток частиц

Итак, четность, казавшаяся одним из универсальных законов природы, была низведена в низший ранг. Закон сохранения четности оказался имеющим ограниченную силу. Он не властен над слабыми взаимодействиями.

Крушение закона сохранения четности произошло в результате открытия новых частиц. Оно явилось следствием более углубленного изучения свойств сил, действующих между этими частицами.

В этой книге уже рассказывалось, как многократно изменялись взгляды ученых на строение микромира. Как многообразие вещей было сведено к атомам таблицы Менделеева, как одно время казалось, что весь мир состоит из комбинаций протонов и электронов, как было выяснено, что этого не может быть и элементарных частиц по крайней мере четыре.

Но и это царство простоты было недолговечным.

Вначале ученых вытесняла из кристально ясного мира четырех частиц непреодолимая логика уравнений.

Первым среди новых, из уравнений Дирака, «родился» позитрон, который только на правах первородства получил собственное имя, хотя, появись он позже, его назвали бы просто «антиэлектроном». Вскоре позитрон неожиданно проявился на фотопластинке и был опознан. Затем уравнения сотворили антипротон и антинейтрон. Их после упорных поисков удалось обнаружить при помощи одного из мощных ускорителей.

Уравнение Юкавы породило пион, который затем оказался трехликим или, если угодно, тройней. Впрочем, экспериментаторы вначале ошибочно отождествили его с мюоном, который впоследствии обзавелся двойником, античастицей. Теория бета-распада Ферми создала нейтрино, а затем его близнеца — антинейтрино.

Так под давлением уравнений физики вышли на новый рубеж, под который была подведена надежная база эксперимента. Мир казался им состоящим из 12 частиц. Это были фотон, пара — нейтрино и антинейтрино, пара — электрон и позитрон, тройка пионов и две тяжелые пары — нейтрон и протон со своими античастицами. Незаконнорожденные мюоны, не предсказанные уравнениями, казались какой-то случайностью, и никто не знал, зачем они существуют и какую роль играют. Их просто не принимали в расчет.

Подкинув экспериментаторам мюон, природа предупредила физиков, что в их теориях далеко не все в порядке. Хотя предсказания теории блестяще подтверждались открытием новых частиц и античастиц, в ней был какой-то изъян, через который и «просочилась» пара мюонов.

Вторая половина нашего века началась в физике каскадом открытий. Теперь на авансцену вышли экспериментаторы. В фотографиях ливней, возникающих при прохождении космических частиц высоких энергий через свинцовую пластину, помещенную в камере Вильсона, были обнаружены странные следы, напоминающие латинскую букву «V». Это были двухзубые вилки, начинавшиеся «из ничего».

Не желая впадать в мистику, физики должны были признать, что здесь фиксируются распады невидимых нейтральных частиц (нейтральные частицы, подходя к началу вилки, не оставляют следов). В результате незримых распадов возникают заряженные частицы, оставляющие видимые следы.

Тщательные измерения показали, что встречаются два сорта вилок. Одна образована протоном и отрицательным пионом, другая — парой из положительного и отрицательного пионов.

Пришлось предположить, что в вершине этих вилок гибнут различные частицы. Ту, которая распадалась на протон и отрицательный пион, назвали ламбда-частицей. Вторую окрестили ка-частицей.

Постепенно удалось определить массы новых частиц и их основные свойства. Оказалось, что первые из них относятся к группе тяжелых частиц — барионов, а вторые, вместе с пионами, относятся к группе мезонов.

Но это было лишь началом. Усовершенствовалась техника эксперимента и обработки следов на фотографиях частиц, увеличивались мощности ускорителей. В результате за несколько лет число известных частиц более чем удвоилось. К 1957 году их было уже около тридцати, и никто не знал, сколько еще может быть открыто.

Странные частицы

Но не количество новых частиц удручало ученых. Против этого ничего нельзя было возразить. Здесь нужно было лишь радоваться. Плохо было то, что новые частицы не подчинялись существующим теориям. Особенно странной была их долговечность.

Расчеты показывали, что новые частицы должны были гибнуть почти сразу вслед за их рождением. Уравнения дозволяли им существовать лишь ничтожное время, которое даже трудно выразить словами, — это всего одна стотысячная от одной миллиардной части миллиардной доли секунды. А новые частицы жили несравненно дольше — целую миллиардную долю секунды или хотя бы десятую часть этой доли.

Расхождение с теорией составляло 100 тысяч миллиардов раз, это было странно и непостижимо. За эту непредвиденную живучесть новые частицы получили наименование «странных» частиц.

Странные частицы! Что может быть более странным, чем это название? Но физики привыкли к тому, что словечки из лабораторного жаргона, удачные остроты, неожиданные сравнения надолго удерживались в лексиконе науки, а иногда и входили в него навсегда. В этом проявляется неполнота наших знаний о мире микрочастиц, быстрый темп развития этой области, не оставляющий времени для строгого выбора и шлифовки терминов и определений.

Почему странные частицы вопреки воле формул и уравнений жили дольше, чем следовало? Почему нарушали предсказания ученых?

И физики вновь и вновь перебирали в памяти уже известные факты, сопоставляли и сравнивали все, что знали о взаимодействиях частиц. Вот самые сильные взаимодействия. Они возникают между ядерными частицами — нуклонами. Они действуют на ничтожных расстояниях, удерживая протоны и нейтроны внутри ядра. Для краткости физики называют их просто сильными взаимодействиями. Характеристикой взаимодействий служит время, в течение которого они проявятся. Взаимодействия между нуклонами, описываемые уравнением Юкавы, осуществляются за ничтожное время. Именно это время теория и отводила для жизни странных частиц. Но странные частицы жили гораздо дольше, значит не эти силы распоряжаются их жизнью. Но какие же? Какие силы еще известны физикам?

Следующими по силе являются электромагнитные взаимодействия, описываемые уравнением Дирака, те, в которых участвуют электрические заряды частиц. Они ровно в 137 раз слабее сильных, и поэтому для их проявления требуется в 137 раз больше времени.

Несравненно более слабыми являются взаимодействия, приводящие к самопроизвольному распаду частиц, например к бета-распаду. Эти взаимодействия так и окрестили слабыми. Они в 100 тысяч миллиардов раз слабее сильных и длятся соответственно дольше.

Самыми слабыми из известных сейчас сил являются гравитационные силы. Они так слабы, что для сравнения с ними ядерные силы нужно четыре раза подряд уменьшить в миллиард раз и результат уменьшить еще в тысячу раз. При этом получается потрясающе малое число, в котором перед единицей стоит 39 нулей. Не удивительно, что в микромире эти силы совсем не играют роли. Они проявляются лишь в астрономических масштабах, где во взаимодействиях одновременно участвуют несметные скопища частиц.

Поэтому, размышляя о поведении странных частиц, ученые обратили особое внимание не на самые сильные и не на самые слабые силы, а на просто слабые, на те, которые в 100 тысяч миллиардов раз слабее сильных. И у них возникло предчувствие: не свидетельствует ли долгая жизнь странных частиц о том, что они гибнут (распадаются) не под влиянием ядерных сил, а в результате слабых взаимодействий?

Такая догадка могла показаться на первый взгляд просто проявлением невежества. Она заставляла отказаться от очевидных вещей, от привычной и установившейся точки зрения на взаимодействия частиц. А привычная точка зрения заключалась в том, что рождение и гибель каждой частицы связаны с процессами и силами родственного типа. А тут: рождаются при сильных взаимодействиях, а умирают при слабых? В это верилось с трудом. Но ведь речь шла о странных частицах… И никто толком не знал, что можно было от них ждать.

Так, еще ничего не зная о природе процессов распада странных частиц, зная лишь время их жизни, ученые наметили возможную причину их гибели — слабые взаимодействия.

Новые законы