Проклятые вопросы
Шрифт:
Так они познакомились с мезоном.
Объективность беспощадна: мезоны Андерсона и Неддермайера, масса которых равна 207 электронным массам, оказались вовсе не мезонами Юкавы. Это были другие частицы. Было установлено, что они слабо взаимодействуют с протонами и нейтронами и поэтому не участвуют в образовании ядра, а по поведению скорее напоминают электроны. Но в отличие от электронов эти мезоны (теперь их называют мюонами) неустойчивы. Через миллионную долю секунды после своего рождения они распадаются на электрон и два нейтрино, уносящие с собой энергию, соответствующую примерно 200 массам электрона. Открытие мюона не повлекло изменения основных физических законов, подобных тем, что явились следствием открытия позитрона, вызвавшего на свет антивещество.
Здесь уместно напомнить о том, что наука тесно связана не только с экономикой, но и с политикой, и иногда такая связь проявляется очень явственно.
Известно, что теория относительности подвергалась в гитлеровской Германии гонениям как неарийская и даже коммунистическая теория. Её автор был первым из живых учёных, занесённых в список врагов нацистского государства, и остался жив только потому, что приход нацистов к власти застало его за пределами Германии.
Вот что очень мягко пишет об этом Гейзенберг, один из немногих крупных физиков, не покинувших в эти годы Германию. «Здесь, в Германии, перед самой войной (с первых дней захвата власти Гитлером. — И. Р.) правительство не одобряло (преследовало. — И. Р.) теорию относительности, в особенности релятивистское замедление времени в движущихся телах, о котором было сказано, что это абсурдная, чисто теоретическая спекуляция. Дело дошло даже до судебных разбирательств по поводу допустимости преподавания теории относительности в университетах (оно было запрещено. — И. Р.). При одном из таких разбирательств я имел возможность высказаться о том, что время распада мюона должно зависеть от его скорости: мюоны, которые движутся почти со скоростью света, должны распадаться медленнее тех мюонов, которые движутся с меньшими скоростями — согласно предсказанию теории относительности. Экспериментальные результаты подтвердили такое предсказание: замедление времени могло наблюдаться на опыте непосредственно, и этот факт открыл двери для теории относительности в Германии. Поэтому я всегда чувствую признательность мюонам».
Увы, в конце этого отрывка Гейзенберг грешит против истины. Лишь крупные физики, причём тайно, применяли теорию относительности в своей работе. Такие реакционеры, как физик Ленард, стремились объяснить факт замедления времени, не обращаясь к теории относительности, старались свести замедление времени к чисто вычислительной математической процедуре. И в таком виде зависимость времени жизни мюонов от их скорости преподавалась немецким студентам.
А что же мезон Юкавы? Ошибка, заблуждение учёного? Или, как позитрон Дирака, он явился слишком рано, опередив возможности эксперимента? Да, мезон, найденный Юкавой на бумаге, был открыт в действительности лишь через 10 лет английским учёным Пауэлом, который применил новую экспериментальную методику.
Новым окном в природу был толстый слой фотографической эмульсии, внутри которой после проявления возникали следы пролетевших сквозь неё космических частиц и тех частиц, которые они выбивали из ядер атомов, входящих в фотоэмульсию. Частицы, открытые таким образом в 1947 году, имели массу, близкую к вычисленной Юкавой.
Оказалось, что этот мезон, его назвали пи-мезоном, существует в трёх разновидностях: два из них — заряженные (положительный и отрицательный), они в 273 раза тяжелее электрона, и третий — нейтральный, масса его составляет 264 электронных масс. Они действительно участвуют в образовании связей между ядерными частицами — протонами и нейтронами.
Теперь эти частицы называют пионами. Они ещё более неустойчивы, чем мюоны. Заряженные мюоны живут лишь одну стомиллионную долю секунды, распадаясь на электрон и нейтрино. Нейтральный пион живёт ещё в 100 миллионов раз меньше. Именно поэтому пион — ядерный мезон Юкавы — был открыт позже мюона, на некоторое время сбившего учёных на ошибочный путь. Как оказалось позднее, пион, вместе с протоном и нейтроном, принадлежит к семейству адронов. Он самый лёгкий представитель этого семейства.
Но, как говорят, лиха
Так учёные при помощи космических лучей нашли новый путь изучения строения атомного ядра.
Прежде чем идти дальше, нужно ещё раз возвратиться в 1932 год, когда Гейзенберг предположил, что протон и нейтрон выступают в ядре как два состояния одной частицы, различающиеся только значением квантового числа, которое он назвал изоспином.
Эксперименты с космическими частицами, в которых наблюдалось рождение пионов, показали, что изоспин представляет неведомый ранее закон симметрии, никогда не нарушаемый ядерными силами, открытыми Юкавой. Теперь такие взаимодействия называют ядерными взаимодействиями. Так оказалось, что ядерные взаимодействия не выявляют никакого различия между нейтроном и протоном. Рождение протона при распаде нейтрона, свободно летящего в пространстве, сопровождающееся рождением электрона и антинейтрино, происходит в результате слабых взаимодействий. Именно слабые взаимодействия приводят к отклонению от симметрии изоспина, давая толчок процессу, который ведёт к «самопроизвольному» распаду свободного нейтрона, к одновременному рождению трёх частиц: двух заряженных (положительной тяжёлой частицы — протона, отрицательной лёгкой частицы — электрона) и нейтрального антинейтрино.
Только недавно, после того как выяснилось родство слабых взаимодействий с электромагнитными взаимодействиями, стало понятно, почему слабые взаимодействия ведут к рождению заряженных частиц. Внутри адронов слабые взаимодействия сильнее электромагнитных. Если расстояние между взаимодействующими частицами превосходит радиус адрона, электромагнитные взаимодействия становятся сильнеё слабых.
Вскоре после открытия пиона в космических лучах были открыты другие частицы. Они были массивнее пиона и вели себя весьма странно. По измерению их следов в камере Вильсона и в фотоэмульсиях оказывалось, что они живут 10–10 секунды (десятую долю от миллиардной части секунды), то есть много дольше, чем живут нейтральные пионы. Физики, говоря об этих частицах, называли их странными. Со временем это название утвердилось, так в науке появились странные частицы.
Объяснить длительное, по сравнению с пионами, существование странных частиц на основе ранее установленных законов симметрии и соответствующих квантовых чисел не удалось. Лишь в 1952 году Прайс решился ввести для этого странного свойства новое квантовое число. Он придумал для него соответствующее название «странность». Квантовое число — странность — характеризовало новое свойство микрочастиц, новый тип симметрии в микромире.
В космических лучах постепенно открывали новые частицы. Многие из них оказались принадлежащими к семейству странных частиц.
Перед учёными развернулись новые, трудные, увлекательные и спорные страницы жизни микромира. То, что касалось их поведения в атмосфере, было уже наполовину открытой книгой. И учёные читали её успешно. Было ясно, что космические частицы обладают огромной энергией: их удары по атомам воздуха своей силой могут в масштабах микромира сравниться с атомной бомбардировкой. От одной космической частицы иногда возникают целые ливни частиц, которые в свою очередь обладают большими разрушительными свойствами.
Но о себе космические частицы рассказывали очень неохотно. Физики никак не могли получить сведения о самых первичных частицах, тех, которые вызывают цепную реакцию в ливнях.
Казалось, что может быть проще: оценив общую энергию частиц ливня — учёные уже умели это делать (мы знаем о результативных работах Яноши), — судить об энергии первичной частицы, породившей такой фейерверк. Но… тут на пути исследователей стала неожиданная трудность. Ведь на уровне моря число вторичных частиц достигает миллионов, и ловить их пришлось бы на площади в несколько километров. Ясно, что этот путь ведёт в тупик. Строить счётчики такого размера технически нецелесообразно. Даже на вершинах гор, где «цепная реакция» ливня ещё не развилась в полной мере, число частиц, входящих в один ливень, составляет сотни тысяч.