Текст книги "Охотники за частицами"

Автор книги: Виталий Рыдник

сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 17 страниц)

Глава 9
Величие сверхмалого

Путешествие по лестнице энергий

Один физик когда-то остроумно заметил: «В сущности, физика может определить свою историю, как путешествие вверх по лестнице энергий!» Интересные слова! Какой же смысл в них вложен?

Школьное изучение физики мы начинаем с самых привычных вещей. Человек в лодке бросает камень. Лошадь тянет телегу. Сталкиваются и разлетаются в разные стороны бильярдные шары. Качается маятник на старых ходиках. Бегут волны по воде от брошенного камня. Звучит музыка в концертном зале. Все это – примеры механического движения.

Затем учитель переходит к теплоте. Перед нами длинной чередой проходят температуры, теплоемкости, теплопроводности, плавление, кипение, испарение. И вот на одном уроке сдергивается покров с первой тайны, лежащей в глубине вещей. Перед нами появляется молекула. Пока – просто крошечный бильярдный шарик, бесчисленное число раз сталкивающийся с другими такими шариками, пока еще не наделенный какими-то более тонкими свойствами.

Потом настает очередь электричества. Снова идут общие законы: притяжения, отталкивания, постоянного тока, переменного тока. Затем приподнимается занавес над второй тайной – над электронами.

Курс тем временем движется дальше. Подобно вавилонской богине Иштар – ее еще называют Астартой – мир, скрытый в глубинах вещей, сбрасывает один покров за другим. Вырисовывается мир атома, мир атомного ядра. И в конце концов перед нами предстает наиболее глубоко запрятанный из миров – мир элементарных частиц.

Так мы проходим школьный курс. Так его проходила сама физика. И проходила, двигаясь вверх по лестнице энергий.

Самые малоэнергичные движения – механические. Можно со страшной силой ударить снарядом по цели и разбить ее на мелкие осколки. И все равно осколки будут достаточно крупными, а удар останется механическим. Однако уже горение пороха в стволе орудия превращает его в газ, дробит на «осколки» в виде молекул. А еще более сильный нагрев разлагает и сами молекулы на атомы.

Электрическое поле еще сильнее. Оно обладает энергией, которая может разрушить и сам атом. Тогда появляются освобожденные из атомного плена электроны и атомные ядра. Электрическим полем можно разогнать атомные частицы до такой энергии, что они разрушат ядра. Появятся протоны, нейтроны, мезоны и другие элементарные частицы.

И здесь мы вступаем в область сверхвысоких энергий. Здесь мы достигаем сегодня верха энергетической лестницы.

Смотрите, как меняются контуры мира на каждой новой, более высокой ступеньке. Мы с вами живем у подножия этой лестницы. Нас окружает удивительное разнообразие живых существ – многие миллионы видов, и в каждом виде в чем-то хоть немного, но не похожие друг на друга особи. Но энергетически это разнообразие очень непрочно.

Небольшой нагрев – до каких-нибудь 100 градусов по Цельсию, – и живой мир перестает существовать. Гибнут нежные молекулы белков, разваливаются на кирпичики молекулы жиров и углеводов. Молекулярный мир становится беднее.

Следующая ступенька – нагрев до тысячи градусов, и перестают существовать более грубые и выносливые молекулы неорганических соединений, плавятся, испаряются и, наконец, разваливаются на атомы их молекулы.

Мы попадаем в мир атомов. Здесь разнообразие кажется нам довольно бедным. Несколько сотен различных видов, если в их число включить ионы, – атомы с поредевшими электронными оболочками.

Затем настает очередь раскаленной плазмы, в которой атомы постепенно по мере нагрева лишаются своих электронных оболочек. Теперь все разнообразие составляют лишь изотопы сотни ядер.

И наконец еще один – последний на сегодняшний день – подъем по лестнице энергий. Мы достигли цели своего путешествия. Перед нами раскрывается удивительно бедный и однообразный мир, который населяет около ста видов жителей. Именно столько разных элементарных частиц знают сегодня физики.

Поиск в тумане

Бедный и однообразный мир? Попробуйте скажите так физикам! На вас немедленно обрушится град насмешек.

Потрясающе богатый и разнообразный мир! Мир, который с непостижимой быстротой меняет свои краски и очертания. Мир, в котором ничего нет постоянного и твердого, кроме, может быть, тех законов, которые управляют его жизнью. Мир, вечно находящийся в движении и непрестанном изменении.

Мир, не измышленный физиками, а совершенно реально существующий во Вселенной вокруг нас. Мир, в котором можно пробираться лишь с топором труднейшей математики и с рюкзаком, доверху наполненным фантазией. И все-таки пока еще необжитый и непонятый мир.

Это – не хорошо знакомый атом. В мире элементарных частиц на каждом шагу рискуешь встретить неожиданное. Поиск идет в тумане. Туман настолько густ, что свет даже от таких мощных прожекторов, как квантовая механика и теория относительности, глохнет в нем уже на первых метрах пути.

И все же человеческая любознательность необорима. С огромным трудом, почти вслепую, лишь изредка нащупывая вехи в тумане, движется вперед большая, сплоченная армия теоретиков и экспериментаторов. Из маленьких шагов складываются большие.

Временами туман редеет, чтобы затем сгуститься еще плотнее. Сегодня физики находятся в самом сердце нового мира элементарных частиц.

Об этом стоит рассказать. Но с чего начать? Повторить шаг за шагом весь путь физиков, даже по занятой уже ими территории, над которой остались лишь клочья тумана, в этой небольшой книге невозможно. Взять в руки «топор» математики тоже нельзя: он слишком тяжел, и размахивать им под силу лишь тому, кто прошел через годы напряженной физической и математической подготовки.

Остается лишь «рюкзак» фантазии. Вернее, «рюкзак» совершенно необычных представлений, на которые природа натолкнула умы физиков.

Содержимое этого «рюкзака» нам уже немного приоткрылось. Мы узнали о двуликости обитателей микромира, о таинственных спинах частиц. (Это действительно «спины»; сущность удивительного явления еще не повернулась лицом к физикам.) Наконец, мы уже немного знакомы с тем, что составляет сердцевину современных представлений, – с виртуальными процессами. Что же, для начала этого может быть достаточно.

Перепись частиц

Мы прервали наш рассказ на эпопее косвенного открытия нейтрино. Это 1957 год. Временное затишье, наступившее после лавины новых частиц в начале пятидесятых годов, заканчивается. В действие вступили новые гигантские ускорители частиц. Теоретики добились новых успехов.

И объединенный натиск экспериментаторов и теоретиков словно сорвал замки с еще более глубоких кладовых природы. Начался невиданный до сих пор поток новых открытий. К 1965 году охотники за частицами обнаружили около сотни различных обитателей этого мира.

Как водится, в любой стране время от времени устраивается перепись населения. Государство должно знать, сколько народа в нем живет, кто чем занимается и еще много других вещей о его обитателях.

И физики не избежали необходимой переписи в мире частиц. Удивительно быстро росло открываемое его население. В конце двадцатых годов физики знали достоверно о существовании лишь двух частиц – протона и электрона. К середине пятидесятых годов героическая совместная работа экспериментаторов и теоретиков позволила включить в перепись уже тридцать две частицы.

Сегодня же настала пора провести новую перепись. Открыто уже около ста частиц. И дело не только в быстром росте населения микромира. Главное в том, что физики вынуждены изменить – в который уже раз! – взгляды на их классификацию.

Да, с этого начинается и этим кончается любая перепись. Надо же не только знать, сколько разных частиц обитает в микромире, но и – это самое важное – понять, в каких взаимоотношениях находятся они друг с другом.

Есть ли среди них «родители» и «дети». Есть ли «братья» и «сестры». А установление родственных связей – вещь очень нужная: она позволяет навести порядок в знаниях об этом мире, помогает предсказывать новые, еще не открытые частицы.

Обычная перепись характеризует население в первую очередь такими «устойчивыми», не меняющимися признаками, как пол, имя, отчество, фамилия, национальность, местожительство. Впрочем, и фамилия, и местожительство могут изменяться, хотя и человек при этом зачастую существенно не меняется. Далее следует характеристика, меняющаяся постоянно, – возраст. Затем признак, меняющийся иногда часто, а иногда лишь раз в жизни, – профессия.

Что ж, начнем с первого признака – мужской ли пол, женский ли. Население микромира тоже «двуполо»: оно состоит из частиц и античастиц.

Заряженные электрически частицы отличаются от своих античастиц знаком электрического заряда. Например, протон заряжен положительно, а антипротон – отрицательно. Нейтральные же частицы – тут вопрос посложнее: отличие касается других свойств. Например, нейтрон отличается от антинейтрона магнитными свойствами. Об этом еще будет разговор. И только немногие частицы решительно ничем не отличаются от своих античастиц: это фотон и нейтральные пи– и эта-мезоны. Первый из этих мезонов был открыт несколько позже своих заряженных собратьев. На фотопластинках и в счетчиках он из-за отсутствия электрического заряда следов не оставляет и был обнаружен по косвенным свидетельствам.

Дальше наша перепись начинает резко отличаться от обычной. На первое место выступит… масса обитателей микромира (точнее – их масса покоя). «Возраст» их, как вы увидите, тоже играет роль, и весьма существенную: иначе бы он не попал в перепись, – но масса еще важнее.

И вот почему. Взгляните на таблицу переписи обитателей микромира. Вы сразу замечаете, что все частицы группируются в кучки. Если отвлечься от античастиц – массы их такие же, как у отвечающих им частиц, – то видно, что «расстояния» между массами в пределах каждой кучки, как правило, значительно меньше, чем между кучками.

Одни кучки состоят из одной частицы (и разумеется, ее античастицы), другие – из двух, трех и даже из четырех. Сами кучки группируются в три сорта: первый из них получил название лептонов (легких частиц), второй – мезонов (средних частиц), третий – барионов (тяжелых частиц).

Какие же основания для такого подразделения? Почему физики убеждены в том, что разные массы – значит, разные частицы? Разве не может одна и та же частица иметь разные массы?

Видимо, нет: природа – очень аккуратный работник. У нее не бывает так, чтобы кирпич одного сорта выходил из печи то с недовесом, то с перевесом. Сколько бы она ни выпускала, скажем, электронов – никакой, даже самый придирчивый контролер не заметит в них ни малейшего отличия.

Раз другая масса, значит, другое поведение частицы, значит, и сама частица иная. За примером недалеко ходить: в группе лептонов вместе с электроном и позитроном физики поселили мю-мезон. (Правда, мю-мезоны по свойствам так резко отличаются от остальных мезонов, что физики все чаще называют их мюонами, чтобы даже приставка «мезон» не связывала их с «настоящими» мезонами.)

Мы уже говорили, что мюоны решительно ничем не отличаются от электронов – разве что только массой. Но это «разве что» – очень важно! Мюон, в отличие от электрона, – неустойчивое изделие природы и стремится как можно быстрее избавиться от «довеска» массы. Это ему удается спустя миллионные доли секунды (смотри предпоследнюю колонку переписи). После чего он действительно перестает отличаться от электрона.

Но почему же мю-мезон, почти на 206 электронных масс тяжелее электрона, попал с ним в одну группу, а пи-мезон, который тяжелее мю-мезона всего лишь на 68 единиц массы; оказался совсем в другой группе? Тут в ход идет другое важнейшее свойство частиц – спин. Мы уже говорили, что это дополнительный момент количества движения частицы: внешне похожий на вращение частицы вокруг «собственной оси». Теперь же надо сказать, какой водораздел он проводит в мире частиц.

Уже давно физики попытались разделить все известные частицы на две категории – частицы основные и частицы вспомогательные. К основным они отнесли электрон, протон и нейтрон, к вспомогательным – фотон и пи-мезоны. Основным частицам было уготовано райское устойчивое существование, а вспомогательным – адская работа: бегать почтальонами от одной основной частицы к другой, чтобы они узнали о существовании друг друга.

Фотоны должны были метаться между всеми электрически заряженными частицами, более солидные пи-мезоны – только между протонами и нейтронами. Вспомогательные частицы, таким образом, объявлялись переносчиками взаимодействий между частицами.

Каждому виду взаимодействия было приписано свое поле, а соответствующие частицы считались квантами этого поля. Так фотоны стали квантами электромагнитного поля, а пи-мезоны – квантами ядерного поля.

Таблица

Продолжение

Продолжение

И природа, чтобы как-то пометить кванты этих полей, отличить их от «настоящих» частиц, придала им спины, отличные от спинов основных частиц. Она сделала этот спин либо вдвое больше, чем у многих настоящих частиц, – например, спин фотона, эта-мезона, либо вообще не выделила им кванты, как у пи– и ка-мезонов.

Впоследствии эта довольно ясная картина затуманилась. Вспомогательные частицы, как оказалось, могли при достаточной энергии не более и не менее, как рождать основные частицы! И вообще, вопрос о том, что главнее – частица или квант, – пришлось снять с повестки дня.

И частицы и кванты оказались одинаково главными: поле смогло превращаться в вещество, а вещество – в поле. Так что сегодня физики уже безо всяких споров соглашаются с великой истиной, что поле и вещество – совершенно равноправные формы существования материи.

Но равноправие не исключает различия. И мерилом этого различия служит величина спина. Она «целая» (0; 1 и так далее) у известных к настоящему времени квантов, и «полуцелая» (¹/₂, ³/₂, ⁵/₂, ⁷/₂ и так далее) у известных частиц.

Вот почему пи-мезоны отделены высокой стеной от соседних им мю-мезонов. Стена эта, конечно, не мешает соседям общаться: мы знаем, что свободный от работы в ядре пи-мезон охотно позволяет себе принять облик соседа – мю-мезона. Однако при исполнении служебных обязанностей он этого никогда не делает. По спиновому признаку в ту же группу попадают и ка-мезоны, и более тяжелые мезоны.

В группе барионов (к ней относятся и гипероны) все частицы «настоящие» – у них у всех «полуцелые» спины.

И все-таки, что ни говори, а природа в этом мире тоже любит разнообразие. На почти сотню разных частиц она запасла только немногим больше десятка разных квантов. Видимо, решила: и этого хватит для обмена сообщениями. Почтальонов должно быть меньше, чем адресатов!

О чем рассказали почтальоны

Разные почтальоны – разные сообщения. Одни передаются телеграммой-молнией: мелькнул пи-мезон от протона к нейтрону, и нет его. Ученые прикинули то время, за которое переносятся сообщения в ядрах: 10^–23 секунды.

Мы видели, что за это ничтожное время могут происходить весьма энергичные события. За посылку сообщения нейтрону протон должен заплатить изрядную энергетическую сумму – по меньшей мере энергию покоя пи-мезона!

Физики назвали такие взаимодействия частиц сильными.

Другие сообщения передаются обычными телеграммами. Их носят фотоны – как и на настоящем телеграфе. Послало ядро сообщение своему электрону или пара электронов решила познакомиться в атоме – и побежал фотон. Приблизительно через 10^–17 секунды телеграмма доставлена.

Срок дольше – оплата ниже. Фотон стоит уже только сотни или тысячи электрон-вольт, а не сотню миллионов, как пи-мезон. Названия этому виду взаимодействий придумывать уже не пришлось: они давным-давно уже именовались электромагнитными.

Сообщение можно послать и с письмом. С кем? Увы, почтальон еще себя не обнаружил. Сначала думали, что это – нейтрино, а потом от этой мысли пришлось отказаться: нейтрино явно не квант, у него «полуцелый» спин. Сегодня предполагают, что на роль кванта такого поля может претендовать некая довольно тяжелая частица. Сейчас ее усиленно ищут.

Однако известно, сколько примерно времени идет письмо. Это зависит от солидности адресата. Сравнительно легкие мю-мезоны получают сообщение примерно за 10^–6 секунды, чуть более солидные пи-мезоны, а также ка-мезоны – примерно за 10^–8 секунды, а тяжелые гипероны – еще в сто раз быстрее.

Все они, получив это сообщение, ведут себя одинаково – кончают счеты с жизнью, распадаясь на более легкие частицы. Что они получают в этом драматическом сообщении? Пока что неизвестно. Однако, если не считать цены жизни частицы, такие сообщения стоят довольно дешево – тысячные и меньшие доли электрон-вольта.

Физики с полным основанием назвали такие «распадные» взаимодействия слабыми.

Наконец, есть еще один вид посылки сообщений, не нашедший отражения в нашей таблице. Он самый старый. Открыл его Ньютон, и по тем временам уместно сравнить его с посылкой известия с гонцом.

Едет-едет гонец, а конца пути все не видно. Оттого и стоит посылка известия с ним дешевле всех других видов почты.

Это – гравитационное взаимодействие, тяготение. Кто гонец? Должно быть, особые кванты – гравитоны. Пока что их никто не уловил: слишком ничтожно между легчайшими частицами гравитационное взаимодействие по сравнению с остальными. Поймать гравитоны, видимо, гораздо труднее, чем даже рекордно неуловимое нейтрино!

Великое белое пятно в физике – гравитация! Стирать его, по сути дела, физики начинают лишь в самые последние годы. И пока еще им нечем похвастаться, а нам не о чем писать. Этот разговор мы отложим, что называется, до лучших времен.

Классификация взаимодействий, как выяснилось, очень помогла классификации частиц. Многие тайны раскрыли «нескромные» почтальоны!

Как ищут законы

Вернемся к нашей переписи частиц. Взглянем в таблицу: физикам словно показалось мало иметь в своем распоряжении электрический заряд, и они добавили еще какие-то «барионный заряд», «лептонный заряд», «странность». Да еще к туманному спину добавили какой-то совсем уж темный «изотопический спин».

Если уподобить известные частицы карточной колоде, то сегодняшние занятия физиков с этой колодой можно кратко охарактеризовать так: пасьянс. Раскладываются карты так и этак, часть влево, часть вправо, часть вверх, часть вниз. То одно правило игры придумают, то другое.

Но до недавнего времени не ложились карты одна к другой так, как того хотелось бы. А хотелось бы иметь в своих руках не много, не мало, как те самые «главные» правила, по которым играет природа частицами. Однако очень уж сложны, глубоко запрятаны эти правила. Уже не один год бьются теоретики, чтобы их разгадать. Но пока без решающего успеха, хотя в ряде важных успехов им отказать нельзя. А потому и подменяют неизвестные пока «главные» правила сплошь да рядом своими правилами.

Эти правила, конечно, не беспочвенная выдумка физиков. Они, без сомнения, существуют в природе, но как следствие неких «главных» правил. Почему они существуют, что они собою выражают? Ответом на эти вопросы сегодня еще является молчание.

Все эти «придуманные» правила выражаются как законы сохранения. Несколько законов сохранения вам знакомо из школьных учебников.

«Масса никуда не исчезает и ниоткуда не появляется».

«Энергия никуда не исчезает и ниоткуда не берется».

Это законы сохранения массы и энергии. Мы, однако, уже не раз видели, что и масса, и энергия могут «исчезать» и «появляться» – при распадах, при рождении и аннигиляции частиц. Происходит то, что часто неточно называют: «масса переходит в энергию» или «энергия превращается в массу».

На самом деле – это вещество переходит в поле и обратно. Так что уж лучше было бы говорить об «объединенном» законе сохранения массы и энергии. И выражать его, например, такими словами: «энергия покоя плюс энергия движения или же масса покоя плюс масса движения частиц и тел никуда не исчезают и ниоткуда не появляются».

Пойдемте дальше, руководствуясь простыми школьными примерами. Пушка откатывается при выстреле, лодка движется, если лодочник швыряет камни. Это закон сохранения количества движения, или импульса.

Фигурист, раскрутившись, обнимает себя руками и начинает вращаться быстрее. Здесь действует закон сохранения момента импульса. Кстати, спин, как мы помним, есть величина подобного рода. Так что к нему вполне приложим этот закон.

И, наконец, «общая сумма всех положительных и отрицательных зарядов тел есть величина постоянная». Это закон сохранения электрического заряда.

Казалось бы, до чего скучные законы! И так все понятно без них. Но именно с помощью этих законов физики пробираются в тумане мира сверхмалых частиц. Именно эти законы позволяют отличить распад одной частицы от распада другой, сделать определенный выбор из того множества событий, о котором может говорить сложная путаница следов на фотопластинке. Вот тебе и скучные законы!

Более того, даже этих законов сегодня уже не хватает. Физики, чтобы объяснить свои наблюдения, вынуждены придумывать новые законы. Вот, пожалуйста, пример.

Нейтрон, как видно из таблицы, распадается на протон, электрон и нейтрино (пока не будем уточнять, что у нас за нейтрино – об этом будет сказано дальше). Что мешает тому же нейтрону распасться иначе? Скажем, на электрон и пи-плюс-мезон?

Сумма их зарядов будет по-прежнему нуль (так что электрический заряд в распаде сохраняется). Масса новорожденных значительно меньше, чем у родителя, но он в наследство им может передать внушительную энергию (так что выполнится «объединенный» закон сохранения массы и энергии).

А импульс? Новорожденные частицы могут разлететься так, чтобы и импульс не изменился.

Момент импульса (спин)? И тут полный порядок. У нейтрона – ¹/₂, у электрона – ¹/₂, а у пи-мезона его вовсе нет.

Итак, все «сохраняется», а распада как не бывало. Какая же таинственная причина запрещает его? Она действительно пока таинственная.

И физики, чтобы хоть на время выйти из положения, придумывают новый закон. Они заявляют: «Не может быть, чтобы природа пошла на уменьшение числа протонов и нейтронов в мире! Значит, число этих частиц во всех распадах должно сохраняться». А чтобы облечь эти слова в математическую запись, вводят барионный заряд.

Этот заряд похож на электрический: он равен +1 для барионов (например, +1 для протона и нейтрона), –1 для антибарионов (например, –1 для антипротона и антинейтрона) и нулю для всех остальных частиц. А по абсолютной величине он должен быть значительно больше электрического заряда электрона или протона.

Новый закон теперь звучит как «закон сохранения барионного заряда». Он должен выполняться при любых встречах, при любых распадах тяжелых частиц.

Отсюда видно, «почему» нейтрон не может распадаться на электрон и пи-мезон. Для них сумма барионных зарядов равна нулю, тогда как для нейтрона этот заряд равен единице.

С другой стороны, протон, сколько бы он ни сталкивался с другим протоном, никогда не создаст антипротона в одиночку. Это же нарушает постоянство барионного заряда.

Антипротон может родиться только в паре со своим зеркальным братом. Оттого-то за его рождение пришлось, как вы помните, заплатить шесть миллиардов вместо одного миллиарда электрон-вольт.

А вот, чтобы слиться со своим братом, никаких «свидетелей» антипротон не требует. Была до слияния сумма их барионных зарядов нуль, разлетелись из места слияния «дребезги» пи-мезонов – нуль и остался.

Подобный смысл имеет и лептонный заряд.

Из факта его сохранения немедленно следует, что, например, электрон сам по себе не может превратиться в фотон. У электрона лептонный заряд единица, у фотона – нуль. Электрон может образовывать фотоны лишь в паре с позитроном. При этом гасятся их равные по величине, но противоположные по знаку лептонные заряды (а заодно – и электрические, как того требует закон сохранения электрического заряда).

А закон сохранения импульса еще добавляет требование, чтобы фотонов при этом появилось не меньше двух: общий импульс слившихся электрона и позитрона равен нулю. Фотон же обязательно имеет не равный нулю импульс. Вот и добавляется второй фотон, который улетает в направлении, противоположном первому, и с таким же импульсом. Энергия этих двух фотонов в сумме как раз равна энергии покоя обоих их «родителей» плюс энергии движения, которую те имели перед слиянием.

Целых пять законов сохранения ревниво оберегают возможность аннигиляции электрона и позитрона! Нельзя нарушиться даже хотя бы одному из них: тогда, даже если бы все остальные выполнялись совершенно строго, процесс не пойдет.

Или другой пример – распад мю-минуса на электрон. Казалось бы, здесь все в порядке: сохраняется и электрический заряд (был минус и остался минус – нейтрино не имеет такого заряда), сохраняются и энергия, и импульс, и… стоп! Больше в таком процессе не сохраняется ничего. Был спин половинка, а стали две половинки – у электрона и нейтрино. Был лептонный заряд единица, а стали две единицы – у тех же электрона и нейтрино.

Где же выход? Распад-то идет, да еще самый частый, самый, что ли, заурядный гость на фотопластинках!

А выход в том, что, как мы видим, одного нейтрино мало: надо добавить к появляющимся в распаде частицам еще антинейтрино. Тогда «антиспин» антинейтрино минус половинка и лептонный заряд его – минус единица немедленно погашают лишние половинку и единицу у нейтрино. И все становится на свои места.

Все ли? А почему родившиеся нейтрино и антинейтрино тут же не сливаются, не аннигилируют, подобно, скажем, электрону и позитрону? Забегая вперед, отметим, что в данном случае это, видимо, невозможно: антинейтрино, скорее всего, служит античастицей «другому» нейтрино, чем тот, вместе с которым оно рождается при распаде мюона.

А частица и «чужая» античастица не аннигилируют никогда. Почему? Дело, видимо, в том, что кванты «своих» полей у такой пары разные. Тогда как при аннигиляции должны рождаться кванты одного и того же поля. По этой причине, в частности, электрон никогда не аннигилирует с протоном.

Ну, а если все же встретятся нейтрино и антинейтрино одного вида? Тогда, видимо, они должны слиться. Но во что, никто сегодня не знает. Как мы уже говорили, кванты – переносчики слабых взаимодействий – физике пока что неизвестны.

…Половинки, единицы, плюсы, минусы.

«Какая-то голая арифметика! Где же физика?» – может спросить разочарованный читатель. Он прав: «привычной» физикой здесь не пахнет.

И, наверное, никогда уже не будет пахнуть. Новые представления оказываются уже настолько далекими от привычных, старых, добрых, не один век служивших представлений, что возврата к ним нет и не может быть.

А эти новые представления неразрывно связаны с «математизацией» физики, с тем, что она принуждена оперировать сложнейшей математикой. Та «арифметика», на которую посетовал читатель, только внешняя сторона, некий видимый наглядно итог этих сложнейших математических операций.

Но дело не только в том, что выводы современной физики частиц, как правило, скрыты за лесом формул. Дело еще и в том, что физики, если перефразировать знаменитое изречение, знают много, но по сравнению с тем, что им предстоит узнать, это сущее ничто.

И поэтому истинный, «глубинный» смысл тех понятий, которые ввели физики в попытках классифицировать частицы и их взаимодействия, пока еще остается для них загадочным. Хотя, как мы увидим, даже это «полузнание» может привести их к серьезным успехам.

Многое ли вы знали в первом классе, скажем, о гиперонах?

Поэтому не стоит огорчаться за физиков в том, что они еще сидят в первом классе той школы, которая называется «природа». И еще учтите, что ни учебников, ни учителей у них нет; до всего надо доходить собственным умом.

На пороге фантастики

Расскажем об одном понятии, очень важном для современной физики, – об изотопическом спине.

Попробуем на секунду вообразить себе мир без взаимодействий. Чудовищно нелепый мир! Вещество без поля, медаль без оборотной стороны! Интересно, как в нем выглядела бы наша таблица частиц?

Строго говоря, никак! В ней не было бы ни одной частицы. Мы уже не раз говорили, что частиц без взаимодействий не существует.

Но все же, поскольку мы фантазируем, вообразим, что в этом мире есть какие-то частицы, которые наделены одной лишь массой (гравитационное взаимодействие мы сохраним). Пусть этими частицами будут электрон и протон. Добавим к ним еще невесомое нейтрино.

Но наши протон и электрон, напомним, пока не имеют электрического и прочих зарядов. И блуждали бы эти частицы в мире, не в силах ни построить ядро, ни слиться в атом. Вот такой мир действительно был бы фантастически бедным.

Поскольку мы – в области фантастики, нам все позволено. Нажмем кнопку – и включим слабое взаимодействие. Появится мю-мезон – не более того.

Включаем следующее – электромагнитное взаимодействие. Теперь безотрадный мир стал светлее. Есть отчего: в нем появились заряды у частиц, возникли фотоны, появился нейтрон. Как по мановению волшебной палочки возникли позитрон и антипротон с антинейтроном, привилась античастица и у мю-мезона. Родился даже первый атом – атом водорода. Других атомов пока еще быть не может: протон с нейтроном еще не взаимодействуют, ядер образовывать не могут.

Теперь последнее нажатие кнопки – и мир заиграл всевозможными цветами. В него пришли мезоны и гипероны, начались разнообразные сильные взаимодействия.

Так не является ли все разнообразие частиц продуктом совместного действия всех четырех полей – гравитационного, слабого, электромагнитного и ядерного… На что? На некую «праматерию», состоящую из нескольких видов «проточастиц»! Эту мысль высказал американский физик Мэррей Гелл-Манн, а за ним ее стали разрабатывать многие ученые.

Каждое из этих полей как бы возбуждает «проточастицы». Словно, например, были какие-то лишенные заряда кусочки «праматерии» – условно назовем их электронами. Гравитационное поле сообщило им массу, а электромагнитное – заряд, да еще двух знаков – положительного и отрицательного. А прибавилось к этим полям еще слабое взаимодействие, и электрон с позитроном возбудились и образовали мю-мезоны.

Или вот другой пример. В группу пи-мезонов попала нейтральная частица – пи-нуль. На роль «проточастицы» она, разумеется, не претендует: несмотря на отсутствие у нее заряда, она связана с электромагнитным полем – распадается, кончая жизнь, на кванты электромагнитного поля, фотоны. Да и, кроме того, пи-нуль сам квант: только ядерного поля, от которого и получает довольно приличную массу.

А рядом с нейтральным сосуществуют и заряженные пи-мезоны. Посмотрим на их массы: они отличаются от массы их нейтрального собрата. Электромагнитное поле словно «влилось» в них, добавило им энергию и тем самым массу. Не будь этого поля, можно было бы считать, что вместо тройки пи-мезонов существует только один «центральный» пи-нуль-мезон.