Владилен Сергеевич Барашенков Кварки, протоны, Вселенная

НАУКА И ПРОГРЕСС

В.С.Барашенков

КВАРКИ,

ПРОТОНЫ,

ВСЕЛЕННАЯ

Автор: БАРАШЕНКОВ Владилен Сергеевич (р. 1929)—профессор, доктор физико-математических наук, начальник сектора Объединенного института ядерных исследований в Дубне, автор семи монографий, в том числе «Проблемы субатомного пространства и времени» (М., 1979) и «Существуют ли границы науки» (М., 1983), а также более 300 статей в специальных и популярных журналах.

Рецензенты: Ю. Б. Молчанов — доктор философских наук, ведущий научный сотрудник Института философии АН СССР; А. Ф. Писарев — доктор физико-математических наук, начальник сектора Объединения института ядерных исследований в Дубне.

ГЛАВА ПЕРВАЯ,

которую можно считать предисловием; в ней читатель знакомится с автором и вместе с ним размышляет над особенностями современной физической науки

Самое, пожалуй, удивительное в современной физике — это неожиданная связь между космосом, где галактики и звездные скопления разбросаны подобно редким пылинкам, и тесным, исчезающе малым микромиром элементарных частиц. Два полюса мироздания! На одном огромная, расширяющаяся Вселенная, на другом — не видимые ни под каким микроскопом, почти эфемерные «кирпичики» вещества. И вот оказывается, что при определенных условиях Вселенная может обладать свойствами микрочастицы, а некоторые микрообъекты, возможно, содержат внутри себя целые космические миры. Во всяком случае, так говорит теория. Большое и малое, сложное и простое — здесь все переплелось.

Как хитро устроена природа! Она как масштабная линейка, завязанная в узел. Поди разберись, где тут начало!

Из чего состоят протон и нейтрон? Есть ли что-нибудь еще глубже, меньше? И вообще, может ли быть предел делимости материи? Что творилось в нашей Вселенной, когда она была еще совсем юной и ее размеры были в миллиарды миллиардов раз меньше атома? Что такое античастицы и существуют ли миры из антивещества? Масса вопросов, и каждый из них тянет за собой вереницу новых, про которые и самим ученым еще далеко не все ясно.

Давно у меня была мысль написать об этом книгу — такую, которая была бы интересна и юношам, выбирающим себе путь в жизни, и людям более солидного возраста, интересующимся загадками и нерешенными проблемами современной науки. И вот однажды... Впрочем, лучше все по порядку.

Я теоретик, физик-теоретик. Мое рабочее место — письменный стол, заваленный бумагами, иногда — диван, на который я перемещаюсь время от времени, когда устаю или хочу спокойно обдумать что-либо важное. Правда, теперь мне все чаще приходится садиться за соседний столик с терминалом — устройством для связи с вычислительной машиной.

Как и многие физики, я живу в небольшом научном городке, вся жизнь которого сконцентрирована вокруг института. Кинотеатр, Дом ученых, телевизор — наши обычные вечерние развлечения.

С телевизора, собственно, все и началось. Помню, как на экране, щуря близорукие глаза за толстыми стеклами очков, известный писатель сетовал на то, что хорошо, мол, было Жюлю Верну писать о науке, когда она была такой простой и понятной, а вот теперь место наглядных образов в ней заняли одни формулы. Как объяснить простому человеку, что такое изотопическое пространство или почему части элементарной частицы больше и тяжелее ее самой? Или — что одна и та же частица может находиться сразу в нескольких местах. Еще вчера, продолжал он, физик Дмитрий Иванович Блохинцев говорил, что теорию он считает понятной, если он, ученый, может объяснить ее «первому встречному солдату». А сегодня плохо понимают друг друга даже сами ученые, работающие в близких областях. Физик-ядерщик чувствует себя подчас чужестранцем среди теоретиков, обсуждающих теорию поля, а радиофизику, попавшему на семинар по элементарным частицам, непонятны не только идеи, но и сама терминология, которой пользуются участники семинара. Работа ученых все больше напоминает возведение Вавилонской башни, которая, согласно легенде, рухнула из-за того, что у ее строителей не было единого языка...

В общем-то, писатель был прав. По сравнению с временами Жюля Верна наука многое потеряла в своей наглядности. И дело не только в том, что она стала сложнее. Наука прошлого века тоже была достаточно сложной. Когда мы хотим наглядно представить себе, чем занимается сегодня физик; мы сталкиваемся с двумя трудностями. Во-первых, у нас часто просто нет способа увидеть объект, с которым он имеет дело. В оптический микроскоп можно разглядеть бактерию. С помощью электронного микроскопа можно сфотографировать вирусы и даже крупные атомы. Но вот увидеть элементарную частицу, а тем более то, что происходит внутри нее, уже нельзя. Масса этой частицы так мала, что каждое взаимодействие со световым или электронным лучом резко меняет ее пространственное положение, или, говоря другими словами, отбрасывает ее в сторону, и нам уже просто нечего рассматривать. То, что наблюдают в опыте,— это усредненный результат большого числа таких взаимодействий с различными частицами, некая размытая интерференционная картина. Сведения об отдельной частице и о ее внутренних деталях можно получить только путем математического анализа — через призму длинных и сложных формул. Увидеть, таким образом, частицу можно лишь мысленным взором. А для этого нужна соответствующая теоретическая подготовка.

Во-вторых, свойства объектов, с которыми физик встречается на микроуровне, настолько сложны и многогранны, что привычных образов окружающего нас обычного мира не хватает для их описания. Это все равно, что с помощью букв и нотных знаков попытаться растолковать человеку, глухому от рождения, всю прелесть музыкального произведения. Наша интуиция отказывается служить в микромире, где надо быть готовым встретиться с фактами, которые кажутся порой несовместимыми со здравым смыслом. Не следует только забывать, что «здравый смысл» — это всего лишь основанная на опыте привычки видеть ход вещей в определенном свете, привычка, которая при встрече с новыми явлениями может и подвести. Нелегко привыкнуть, например, к выводу теории относительности о расширении пространства и времени, трудно представить себе пространство, в котором нет ни правого, ни левого. А как согласовать со здравым смыслом вытекающий из опытов вывод о том, что внутри протона есть мезон, а сам мезон, в свою очередь, содержит протон?

И тем не менее ведь сами-то ученые используют в своей работе какие-то наглядные образы и аналогии. Неужели их нельзя растолковать человеку, который усвоил основы школьной физики? При условии, конечно, что он не ждет готового ответа, который остается лишь запомнить, а будет размышлять, сопоставлять, сравнивать.

Мне очень захотелось совершить эту попытку. Но все оказалось значительно сложнее, чем я себе представлял. Потребовалось несколько лет, чтобы сначала в лекциях и журнальных статьях, а затем уже в объемистой рукописи так обработать и отшлифовать материал, чтобы из него получилась научно-популярная книга. Книга эта, которую я теперь предлагаю на суд читателя, представляет собой очерки о самых трудных, во многом еще спорных, загадочных и вместе с тем очень важных, принципиальных вопросах современной физики, связывающих микромир с космосом.

Читатель узнает о вещах и явлениях, которые с первого взгляда могут показаться ему просто невозможными, противоречащими законам логики,— о рождении Вселенной из точки, о бесконечном мире с конечным объемом, об объектах, части которых больше целого, о микрочастицах, содержащих внутри себя тела космических размеров, о движении без энергии... Впрочем, развитие науки не раз передвигало границы между возможным и невозможным. Идея ученых о шарообразности Земли когда-то тоже казалась «очевидной нелепостью».

Один из моих знакомых физиков как-то заметил, что книга о проблемах современной науки должна писаться таким образом, чтобы озадаченный вначале и, возможно, даже несколько рассерженный читатель с мыслью «ну, этого просто не может быть» устремился бы в глубь текста с целью уличить автора в ошибках и по мере приближения к концу книги постепенно превращался в союзника автора. Мне бы очень хотелось, чтобы после прочтения книги у читателя возникла цельная картина строения окружающего нас мира: от суперэлементарных частиц — кварков — до самого большого из всех известных нам космических объектов, который называют «наша Вселенная». И чтобы читатель понял, что открытые и предсказываемые наукой удивительные и невероятные явления означают лишь более глубокое проникновение в природу, отражение новых, неожиданных граней неисчерпаемого материального мира, где нас ждет много всяких диковин.

О трудных и парадоксальных проблемах я старался рассказать с разных точек зрения. Поэтому кое-где в книге есть повторения, но они помогают лучше понять суть дела.

Когда заходит речь о самом большом и самом малом, где нашим знаниям противостоит область загадочного и неизвестного, никак нельзя обойтись без философии. И мы без нее не обойдемся: в основе наших рассуждений лежит диалектический материализм, по поводу которого один из его основоположников, Фридрих Энгельс, говорил, кстати, что это не свод застывших, раз и навсегда установленных правил, а живой, динамичный метод, чутко откликающийся на каждое фундаментальное открытие в естествознании. Наше понимание пространства, времени, материи становится все более общим и вместе с тем все более точным. Как и естественные науки, марксистская философия развивается: в ней возникают новые проблемы и новые их решения.

ГЛАВА ВТОРАЯ,

в которой рассказывается об истории открытия атомов и) элементарных частиц и делается попытка объяснить, каким образом в протоне оказывается мезон, а в мезоне — протон

Еще со школьной скамьи нам известно, что вещество — твердые тела, жидкости, газы — все это состоит из атомов. В свою очередь, каждый атом — это как бы маленькая солнечная система: в центре солнце-ядро, вокруг вращаются планеты-электроны. Сегодня эту схему можно встретить даже на политических плакатах.

Размеры атома чрезвычайно малы. Он в десятки миллиардов раз мельче макового зернышка, а его ядро еще в десятки тысяч раз мельче. Ультрамикроскопические пылинки, почти точки! Но ведь это означает, что окружающие нас тела и мы сами состоим в основном из пустоты! И как ни удивительно, но это факт! В исчезающе малом объеме ядра заключена практически вся масса атома, на вращающиеся планеты-электроны приходятся лишь сотые доли процента. Плотность ядерного вещества в десять триллионов раз превосходит плотность стали.

Атомное ядро, как мы помним тоже со школьных времен, состоит из протона и нейтрона. По внешнему виду оно похоже на шарик слипшихся маковых зернышек. В ядре водорода таких зернышек всего одно — один-единственный протон; в ядрах тяжелых элементов, например в свинце или уране, их уже более двухсот, причем протонов приблизительно столько же, сколько и нейтронов.

Ну а дальше, из чего состоят протон, нейтрон, электрон? И как глубоко в недра материи спускается лестница таких «ступенек»? В русских народных сказках рассказывается о дремучем лесе, в середине которого высится гора, на ее вершине растет дуб, на дубе висит сундук, в нем сидит утка, в ней — яйцо, в яйце — игла, а на ее кончике Кощеева смерть. Может, природа устроена по такой же схеме, и существует последняя, «самая глубокая» ступенька — неделимые далее элементарные объекты, из которых, как из деталей детского конструктора, собрана вся Вселенная? Или же лестница структурных форм материи бесконечна?

Эти вопросы важны не только потому, что нам интересно знать, как устроен окружающий мир. История науки свидетельствует, что всякий раз, когда человечество овладевало очередной ступенькой, ведущей в глубь вещества, это приводило к открытию нового, еще более, мощного вида энергии.

Химическая энергия горения и взрыва связана с перестройкой электронных оболочек атомов и состоящих из них молекул. Процессы деления и слияния атомных ядер сопровождаются выделением в миллионы раз большего количества энергии. С еще большим выделением энергии мы встречаемся на уровне элементарных частиц, например в процессах аннигиляции, то есть взаимоуничтожения протона и антипротона. Словом, изучение строения вещества — это одновременно и поиски новых энергетических возможностей. Когда думаешь об этом, не устаешь удивляться: атом сначала придумали, изобрели и только потом открыли — через две с половиной тысячи лет! Изобрели его древнегреческие ученые Левкипп и. Демокрит. Они учили, что мир состоит из бесчисленного числа твердых неделимых далее частичек. Слово «атом» как раз и означает в переводе с греческого «неделимый». Атомы, согласно Левкиппу, могут быть самой различной формы: круглые, пирамидальные, плоские. Поэтому и свойства состоящего из них мира неисчерпаемо разнообразны. Цепляясь друг за друга крючочками, атомы образуют твердые тела и жидкости.

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.

А вот когда подобные опыты проделали с нейтронами, результат получился совершенно неожиданный. Радиус облака электрических зарядов в нейтроне оказался равным нулю! Внутри этой частицы было что-то такое, что нейтрализовало заряд мезонного облака. Это «что-то» долго оставалось загадкой. Для ее объяснения предлагалось множество гипотез, но ни одна из них не выдержала проверки экспериментом и теорией.

Помню, был такой случай. Один известный московский теоретик (не буду сейчас называть его имени) изучал спонтанное, то есть самопроизвольное, рождение античастиц внутри нейтрона. Если они появляются на очень короткое время, то, как и испускание мезонов, это не нарушает закона сохранения энергии, но может повлиять на распределение зарядов в нейтроне. До конца теоретику решить задачу не удавалось, но промежуточные результаты выглядели настолько обнадеживающими, что было решено сообщить о них на ближайшем международном конгрессе. По некоторым причинам сам теоретик на этот конгресс поехать не мог и передал рукопись доклада одному из своих коллег. И надо же было так случиться, что уже во время доклада тот внезапно обнаружил: в рукописи недостает нескольких страниц с наиболее важными выкладками! Остались они в Москве или же выпали во время таможенных осмотров на границах, не известно. Ясно было одно — восстановить выкладки по памяти не удастся, слишком уж они сложны.

Зал конгресса притих, ожидая, что предпримет докладчик.

И вот тут, в те несколько минут, пока тот лихорадочно перебирал свои бумаги в безнадежных попытках найти утерянные листки, он вдруг увидел совершенно новый путь к решению задачи — более простой, а главное, доводивший решение до конца.

Одна за другой выстраивались на доске длинные цепочки формул. В зале уже поняли идею расчета и по страничкам блокнотов забегали карандаши. И зал и докладчик закончили расчет одновременно: радиус

нейтрона получился не равным нулю. Раздался общий вздох разочарования.

— Опять нам не повезло, нейтрон никак не хочет расстаться со своей тайной! — подвел итог докладчик и, сопровождаемый аплодисментами и смехом зала, вернулся на свое место.

Тайна была раскрыта спустя несколько лет. И как это уже не раз случалось в истории науки, природа оказалась куда изобретательнее физиков. Выяснилось, что при определенных условиях мезоны могут как бы слипаться, образуя новые, необычайно короткоживущие частицы. Из таких частиц-«капель» в основном и состоит мезонная «шуба» нуклона. Одиночные мезоны встречаются в ней редко.

В протоне условия благоприятствуют образованию заряженных мезонных «капель», в нейтроне—нейтральных, поэтому электроны и не чувствуют электрической мезонной шубы нейтрона. Для них она прозрачна. Нейтрон ведет себя как протяженная частица с размазанными в пространстве массой и магнитным моментом и равным нулю радиусом распределения электрических зарядов.

Если вспомнить аналогию с жонглером, то можно сказать, что он подбрасывает сразу несколько шариков, которые иногда слипаются в нары и тройки.

Тяжелые и легкие частицы располагаются в нуклоне не вперемешку, а в определенном порядке. Чем тяжелее испускаемая частица, тем быстрее происходит ее обратное поглощение и тем меньшее расстояние успевает она пройти. Поэтому тяжелые частицы тяготеют к центру нуклона. И этот центр должен быть значительно плотнее и тяжелее, чем периферия. Просвечивание в электронных и мезонных пучках подтвердило это. Вещество в нуклоне, как и в атоме, сконцентрировано главным образом в его сердцевине. Но если атом состоит в основном из пустоты, то в нуклоне нет резкой границы между оболочкой и центральным остовом — керном. Атом своим строением напоминает Солнечную систему, а нуклон больше похож на планету с массивным центральным ядром и окружающей ее протяженной атмосферой. Радиус керна в нуклоне всего лишь в несколько раз меньше размеров мезонной шубы.

Пожалуй, еще лучше сравнить нуклон со спелым абрикосом или персиком. В центре косточка керн, а вокруг — мякоть, плотная внутри и очень мягкая, рыхлая снаружи.

И еще одно важное отличие строения нуклона от атома. Электрон присутствует в атоме всегда, а мезон рождается и тут же исчезает. Нуклон как бы пульсирует или, лучше сказать, мигает. Вспыхнет мезонным «светом» и погаснет, снова вспыхнет и снова погаснет... Его структура — это усредненный или, как говорят физики, динамический эффект.

Получается, что при малом увеличении окружающие нас тела —твердые, а при большом увеличении они выглядят как динамические пульсирующие системы.

Сложной внутренней структурой должны обладать все частицы; любая из них окружает себя облаком рож-дающихся и исчезающих дочерних частиц. Правда, сведения об этом пока еще скудны, но о мезоне, например, кое-что определенное уже известно.

Прежде всего внесем важное уточнение. Открыто много различных типов мезонов — несколько десятков. Друг от друга они отличаются массой и другими свойствами. Один из самых легких, входящий в состав нуклона мезон, называют пи-мезоном. Он раз в семь легче протона. Частицы, образующиеся при слиянии двух и трех пи-мезонов, называют ро- и омега-мезонами. Все эти названия происходят от соответствующих греческих букв π, ρ, ω, которыми физики обозначают частицы.

Есть впрочем, еще К-мезоны, свойства которых в свое время так поразили физиков, что они отнесли эти частицы к разряду странных. Это название так за ними и сохранилось. Их масса составляет около половины массы нуклона. Ну, а самые тяжелые мезоны, обозначаемые большими буквами X и Y, весят раз в сто больше протона и нейтрона — примерно столько же, сколько атом брома или даже молибдена! Не исключено, что в природе существуют и более тяжелые частицы.

Можно составить целый каталог мезонов. Все они — нестабильные, короткоживущие частицы. Самый устойчивый и самый легкий из них, мю-мезон, живет приблизительно миллионную долю секунды и распадается на электрон и нейтрино. Заряженные пи-мезоны живут в 100 раз меньше, а их нейтральный брат еще в 100 миллионов раз меньше — около 10^-10 секунд. Нейтральный пи-мезон почти мгновенно распадается на два фотона с большой энергией: вещество превращается в коротковолновое электромагнитное излучение.

Кстати сказать, с открытием пи- и мю-мезонов произошла занятная путаница. В середине 30-х годов мезон был теоретически предсказан физиком Хидеки Юкавой. Понадобился он для того, чтобы объяснить сильное притяжение нуклонов внутри ядра. Из расчетов следовало, что мезон должен быть в 200—300 раз тяжелее электрона. Вскоре частицу с такой массой обнаружили в космических лучах. Однако, к удивлению физиков, она легко проходила сквозь толстые железные и свинцовые экраны, и оставалось загадкой, каким же образом столь слабо взаимодействующая частица может так плотно связывать нуклоны в ядрах. Ответ был найден уже после войны. Оказалось, что существует не один, а два мезона: один — более легкий и слабо взаимодействующий (его-то и открыли в предвоенные годы) и другой — предсказанный Юкавой сильно взаимодействующий пи-мезон. Физиков сбила с толку близость масс этих частиц. Да никто в то время и не думал, что мезонов, может быть много. Все были уверены, что раз частицы «элементарные», то их число невелико.

Овальное, плоское, как изображение на медальоне, лицо с короткими прямыми бровями и высоким, почти квадратным лбом — таков портрет знаменитого теоретика Юкавы (до женитьбы его имя было Хидеки Огава, но, женившись, он, по японскому обычаю, взял фамилию жены — Юкава). Жизнь Юкавы не богата внешними событиями. Он не строил реакторов и не создавал атомных бомб, как Энрико Ферми, и не бежал из оккупированного фашистами родного города в бомбовом отсеке самолета, подобно Нильсу Бору. Если не считать коротких научных командировок, то всю свою жизнь он прожил в древней столице Японии Киото — небольшом, тихом научном городке вблизи Токио. Много зелени,-храмов, памятников старины...

Юкава был пятым ребенком из семи, родившихся в семье известного профессора географии. Первые шаги в науке он сделал в конце 20-х годов, когда на Западе физика была взбудоражена идеями квантовой теории и каждый номер физического журнала приносил сенсационные новости. А в университете, где Юкава получил место ассистента, в то время не было ни одного человека, который мог бы читать лекции по квантовой механике. Сам Юкава познакомился с нею во время публичной лекции приезжего профессора из Европы. Трудно поверить, что всего лишь через шесть лет появилась его знаменитая мезонная теория.

Недавние совместные опыты советских и американских физиков привели к выводу, что предсказанный Юкавой пи-мезон имеет почти такой же радиус, как и протон. Поразительный результат: часть имеет такие же размеры, что и целое! Мало того, теория предсказывает, что пи-мезон должен обладать слоистой структурой, периферия которой образуется в результате его распада на несколько... точно таких же пи-мезонов! Рождаясь, они сильно взаимодействуют между собой и быстро слипаются вновь в один пи-мезон. Получается такая же «мигающая» структура, как и у протона. В ее центральных областях рождаются и поглощаются тяжелые частицы. Центр мезона должен быть более, плотным и массивным, чем его периферия.

Насколько верна эта картина, покажут дальнейшие эксперименты. Слишком необычен внутренний мир частиц, чтобы можно было заранее быть в чем-нибудь уверенным.

Заряженные пи-мезоны распадаются за стомиллионную долю секунды, время жизни наименее устойчивых частиц изображается десятичной дробью более чем с двумя десятками нулей после запятой. Эти частицы распадаются, едва образовавшись. Тем не менее физики успевают рассмотреть даже такие эфемерные объекты. В соответствии с теорией относительности, когда частица движется, ход времени для нее замедляется и время ее жизни возрастает. Чем больше скорость частицы, тем дольше она живет. Быстрый космический мю-мезон, например, успевает за свою жизнь пройти сквозь всю толщу земной атмосферы. Если же время жизни частицы остается все-таки слишком коротким и приборы не успевают его заметить, то ее свойства определяются с помощью анализа вторичных, образовавшихся при ее распаде частиц. Это очень сложная задача; для ее решения часто приходится использовать мощные вычислительные машины.

Особенно трудно что-либо сказать о внутреннем строении электрона, хотя, казалось бы, известен он давно и к нему все привыкли. Дело в том, что радиус электрона, как показывают расчеты, должен быть по крайней мере в тысячу раз меньше радиуса протона. Песчинка рядом с валуном! Как заглянуть в глубины такой песчинки, если и «валун» до конца не исследован!

Впрочем, в том факте, что электрон так мал, можно усмотреть и счастливое обстоятельство: точечный электрон может служить хорошим снарядом для прощупывания других, более крупных частиц.

Удивительная природа элементарных частиц! Но самое, наверное, удивительное, с чем мы сталкиваемся, изучая их строение, это то, что внутри частицы и качестве ее составной части может находиться точно такая же частица или даже несколько таких частиц. Например, как уже говорилось выше, протон состоит из протона и пи-мезона, который не уступает ему в размерах, пи-мезон, в свою очередь,— из трех таких же мезонов и так далее. Это напоминает одно из упражнений буддийских монахов, когда путем поста и молитв человек доводит себя до галлюцинаций. Ему кажется, что из его пупка вырастает стебель с цветком лотоса, в чашечке которого сидит Будда, из пупка которого растет еще один цветок с Буддой, и так далее — живая цепь, уходящая в бесконечность.

Привычные для нас представления о простом и сложном, о целом и части в мире частиц часто оказываются неприменимыми. Мы привыкли к тому, что целое всегда сложнее и больше любой своей части. В микромире же часть может быть не менее сложной и более массивной, чем целое. В атоме, к примеру, энергия почти целиком сконцентрирована в его ядре и в орбитальных электронах. Энергия связи их составных частей невелика, и их взаимодействие практически не сказывается на их свойствах. Здесь применимы наши обычные представления о соотношении целого и части. Ядро атома — уже значительно более плотная система, однако и здесь на энергию связи протонов и нейтронов приходится не более одного процента полной энергии, и наши представления о целом и части остаются незыблемыми: ядро, как из кирпичиков, сложено из нуклонов, и их размеры меньше ядра. Пока все в порядке.

Но вот в самом протоне уже все смешалось. Энергия связи его частей настолько велика, что внутри образуемого ими целого они теряют индивидуальность. Утверждение о том, что частица состоит из других частиц, теперь приобретает уже весьма условный характер. Идея чисто механической делимости вещества больше не применима.

Нуклон еще как-то можно представить себе наглядно, но чтобы представить себе мезон, надо вообразить что-то вроде трех проникающих друг в друга пульсирующих пузырей с уплотнениями в центрах. К этому надо добавить еще несколько тяжелых бусинок, изображающих нуклоны и антинуклоны внутри пузырей. Даже не бусинок, а тоже пузырей с размерами, как у самого мезона. Полная путаница и каша! Но ничего не поделаешь: объекты микромира с их противоречивой сущностью нельзя изобразить одной картинкой: они чересчур сложны для этого. Физики представляют себе их с помощью моделей. Это как бы проекции под разными углами. Каждая из них выделяет одно или несколько свойств частицы, оставляя другие в стороне. Иначе ничего не получается.

Наглядное представление о мезоне и нуклоне — это набор многих отдельных картинок, которые отчасти даже противоречат друг другу. Ну а насколько согласованной и полной получается при этом общая картина, это уже зависит от знаний, опыта, воображения и таланта того, кто создает картину. Как бы то ни было, ясно, что современную физику нельзя просто выучить, к ней надо еще и привыкнуть.

Итак, поскольку все частицы взаимодействуют между собой, каждая из них образует вокруг себя облако, состоящее из частиц всех сортов, легких — на периферии, тяжелых — в глубине. Можно сказать, что элементарная частица состоит сразу из всех элементарных частиц, в том числе и из подобных себе. Своеобразная «ядерная демократия»! Иногда это называют еще принципом шнуровки: всякая частица распадается на несколько других, те распадаются, в свою очередь, и так далее. Получается единая крепко сплетенная сеть, где нет ни начала, ни конца и все частицы одновременно являются и элементарными и сложными.

На современных ускорителях — этих локаторах микромира — удается прощупать лишь внешние, периферические слои частиц. О том, что находится глубже, можно лишь строить догадки. Подобно тому как близорукий человек не замечает без очков мелких подробностей, так и нынешний ускоритель не способен разглядеть, что творится глубоко в недрах частицы. Для этого нужны машины со значительно большей энергией.

Но почему же тогда протон, мезон и другие частицы называют элементарными? Ведь они устроены так сложно. Неужели в мире нет ничего более простого, действительно элементарного.

Характерная особенность частиц, которые относят к разряду элементарных, состоит в том, что в любых известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга — взаимопревращаются. Как в волшебной сказке, где заколдованный лев вдруг превращается в маленького мышонка, тот — в кошку, а кошка еще в кого-нибудь. Сталкиваясь, частицы, подобно льву или мышонку, изменяют свою форму, и никаких более простых «кусков» от них не отцепляется. В то же время из них, как из кирпичиков, можно построить весь окружающий мир.

Частицы называют элементарными по традиции, но физики отдают себе отчет в том, что каждый такой «элемент» — сложная материальная система.

И все же недавно физики нащупали еще один этаж в строении вещества — нашли частицы, которые по сравнению со всеми открытыми раньше можно считать сверхэлементарными. Это кварки и антикварки — микрообъекты, которые находятся внутри элементарных частиц и которые пока никак не удается выделить в свободном виде. Тем не менее в их существовании уверены сегодня все физики.

Полагают, что кварк и антикварк имеют по нескольку состояний (вспомним аналогию с многогранником, разные стороны которого обладают различными свойствами). Сложение трех кварков в различных состояниях дает нуклон и гипероны — тяжелые, чем-то напоминающие нуклон частицы с очень коротким временем жизни. Сложение кварка и антикварка дает мезоны различных типов. В общем, из кварков и антикварков, как из блоков, можно «составить» нуклоны, мезоны и все остальные частицы.

Как самостоятельные частицы кварки и антикварки существуют где-то глубоко внутри элементарных частиц. На их периферии кварки могут находиться лишь в форме связанных сгустков, например в виде пи-мезонов. И вот что удивительно: «кварковый конструктор», или, как говорят физики, «кварковый счет», объясняет большое число экспериментальных фактов, с его помощью открыты новые типы элементарных частиц, и в то же время все попытки обнаружить свободные кварки в эксперименте терпят неудачу.

И еще более удивительный факт. Хотя кварка никто никогда не видел, тем не менее есть способ его «пощупать» и при этом не только определить заряд, магнитный момент и другие характеристики этой таинственной частицы, но даже оценить ее размеры. Кварк еще не открыт, но ощутить его уже можно!

Скептик может сказать, что рассуждать о свойствах частицы, которую никто не видел,— это все равно, что делить шкуру неубитого медведя. Но не будем торопиться. Вспомним про электрон, размеры которого очень малы, благодаря ему с его помощью можно исследовать самые мелкие детали глубоко внутри протона. Если бы протон представлял собой единую, монолитную систему, то вели-чина импульса столкнувшегося с ним и отскочившего в обратном направлении электрона давала бы нам сведения о скорости протона как целого. Но что получится, если протон состоит из отдельных частиц? Совсем другая картина: каждый раз электрон будет отскакивать от какой-то одной из них. И по характеру этих отскоков мы как раз и могли бы судить о распределении входящих в состав нуклона частиц, об их скоростях и других свойствах.

Похоже на радиолокацию, не правда ли? При слежении за летящим самолетом отраженный луч дает оператору сведения о его размерах и скорости, точь-в-точь как в опытах с рассеянием электронов на монолитном нуклоне! На экране локатора видна яркая светящаяся точка. Если же самолет будет поражен ракетой и разлетится на осколки, каждый из них отразит свой луч, к оператору придет целый набор лучей, и он увидит на экране размазанное световое пятно. Если же осколки разлетятся далеко друг от друга, на экране возникнет группа светящихся точек.

Так вот, электроны отскакивают от протона так, будто это целый рой отдельных частичек. Такой же результат дают опыты с рассеянием нейтрино на протонах и нейтронах. Анализ экспериментов показывает, что размеры частиц, рассеивающих электроны и нейтрино, по крайней мере раз в 10 меньше радиуса протона и что их свойства в точности совпадают с тем, что предсказывает теория кварков.

Тут сразу же, конечно, возникает вопрос, почему же тогда не удается обнаружить свободные кварки, не связанные в пары и тройки. Может, опыты недостаточно точны?

Нет, дело не в этом. Опыты повторялись много раз и в разных лабораториях. И все они были выполнены с высокой точностью. И тем не менее всякий раз результат был отрицателен: кварк оставался неуловимым! Создается впечатление, что мы видим туманные контуры чего-то совершенно непохожего на все, с чем мы до сих пор имели дело, и любая попытка описать это «нечто» на языке привычных представлений сразу же приводит к противоречиям. Американский физик Алекс Пановский, который первым обнаружил зернистое строение протонов, как-то заметил: природа, видимо, старается показать нам что-то очень простое, чего, однако, никто не видит... ...