Текст книги "Охотники за частицами"

Автор книги: Виталий Рыдник

сообщить о нарушении

Текущая страница: 16 (всего у книги 17 страниц)

Это 1957 год. 1962 год приносит новый сюрприз.

Жили-были два нейтрино

Физики уже давно были удивлены тем, почему мю-мезоны, распадаясь на электроны, избавляются от «довеска» массы таким хитроумным способом, как с помощью нейтрино (или антинейтрино). Слабые взаимодействия, ну и что? Пи-мезоны тоже распадаются слабым взаимодействием. Опять же, что из этого следует? Почему они не могут распадаться, скажем, электромагнитным взаимодействием?

В частности, почему бы мю-мезоны не могли распадаться, скажем, так. Мю-плюс – на два позитрона и один электрон; или мю-минус – на два электрона и один позитрон; или, наконец, мю-мезон – на электрон (позитрон) и фотон? Ни один из известных законов сохранения – даже такой «надуманный», как для лептонного заряда, – этого не запрещает. А между тем указанные распады никогда не наблюдались.

Значит, заключили физики, коварная природа придумала еще один запрет. И, как всегда в подобных случаях, «сочинили» новый заряд и новый закон его сохранения. На сей раз – мюонный заряд, уже специально для одной-единственной частицы. На что только не пойдешь, чтобы объяснить необъяснимое!

Ладно. Заряд так заряд. Понятно, что электрон этого заряда лишен. Позитрон тоже. И фотон вместе с ними. Тогда действительно мю-мезон никак не может распасться на тройку своих «младших братьев» или дать жизнь таким «братьям» с большим фотонным наследством.

Как водится, приписали мю-плюсу мюонный заряд +1, мю-минусу приписали –1. И оглянулись по сторонам – кому бы еще присвоить такой заряд. Желающих не оказалось. От такого, с позволения сказать, знака отличия отвернулся даже близкий сосед мю-мезона – пи-мезон.

С этого все и началось. Распался пи-плюс на мю-плюс и нейтрино. Стали считать мюонные заряды. Слева – нуль, справа +1. И нейтрино потребовалось приписать –1, чтобы все было в порядке (справа и слева по нулю).

А затем обратились ко второму распаду: мю-мезона на электрон и нейтрино. У мю-мезона спин – половинка, значит, и у его наследников в сумме должно быть то же. У электрона и у нейтрино – тоже по половинке. Как ни складывай две половинки, одной из них не получишь. Пришлось, как мы уже рассказывали, к ним в компанию добавить еще антинейтрино. Теперь все стало на место.

Стало? А ну-ка, сопоставим мюонные заряды. Слева +1 или –1, смотря по тому, мю-плюс или мю-минус распался. А справа? Электрон мюонного заряда лишен, а нейтрино и антинейтрино, хоть и имеют его, но гасят друг у друга: они же античастицы. Не удается мю-мезону передать свой «особый» заряд наследникам! Подвела арифметика?

«Нет, арифметика правильна», – заключил советский физик Моисей Александрович Марков.

Просто те нейтрино, что появляются вместе с мю-мезоном при распаде пи-мезона и вместе с электроном при распаде мю-мезона, – эти нейтрино разные! Просто? Ох, какой не простой вывод были вынуждены сделать физики!

Тогда так: «мюонное» нейтрино имеет тот же мюонный заряд, что и его партнер мю-мезон (то есть ±1), а «электронное», – что и электрон (0). Первое обозначим «своей» буквой ν, но со значком μ. Вот так: ν_μ. А второе – ν_e. И назовем: ν_μ – нейтрино 2 и ν_e – нейтрино 1. Под такими обозначениями они и выступают в нашей таблице переписи сверхмалых частиц.

В результате можно свести концы с концами. Пи-мезон распадается так:

π⁺ → μ⁺ + ν_μ или π^– → μ^– + ν_μ^–

(черточка над буквой обозначает античастицу, в данном случае – антинейтрино). А мю-мезон распадается уже на «смесь» нейтрино:

μ⁺ → e⁺ + ν_e + ν_μ^– или μ^– → e^– + ν_e^– + ν_μ.

Честь спасена, но каким, казалось бы, неуклюжим маневром! «Не торопитесь наклеивать ярлыки, – такой ответ получили скептики, – давайте сначала проверим. Отказаться от ошибки никогда не поздно».

Проверка была произведена летом 1962 года. Сильному пучку пи-мезонов была предоставлена возможность распадаться на мю-мезоны, а тем – на нейтрино. После этого нейтрино, невидимые и неуловимые, начали свободный поиск жертв в среде протонов и нейтронов, наподобие того, что было в опыте Рейнса и Коуэна. Если бы «мюонное» и «электронное» нейтрино были одинаковыми, то при столкновении их с протонами и нейтронами должны были бы «обратно» рождаться как электроны, так и мю-мезоны.

События, что ни говори, редкие. Потому и опыт шел многие недели. Уже обработаны тысячи фотопленок. И физики убеждаются, что рождаются только мю-мезоны! Электронов нет и в помине!

«Ну, что – неуклюжий маневр?» – было заявлено еще раз посрамленным скептикам. «Да мы-то что! – отмахнулись слабо скептики. – Вы лучше смотрите, какие занятные выводы следуют из существования двух нейтрино!» И пророки и скептики как ни в чем не бывало сдвинули головы в тесный круг. И увлекательнейшая охота продолжилась.

Зонды вселенной

А тем временем нейтрино заинтересовались охотники за «сверхбольшим», исследователи бескрайних звездных миров – астрофизики.

Спасибо фотонам: они уже о многом поведали, путешествуя по просторам Вселенной. Астрономы узнали о далеких звездных мирах в недрах гигантских туманностей, увидели сталкивающиеся галактики, взрывающиеся звезды, чудовищные облака космической пыли и газов. Луч света помог проникнуть в недра звезд, нащупать в них величайший в природе источник света и тепла – термоядерные реакции. Спасибо фотону – славно он поработал!

Такие слова, правда, чаще говорят, провожая на пенсию какого-нибудь заслуженного деятеля. Фотон еще во цвете лет, до пенсии ему еще работать и работать! Но работать все труднее: все большие требования предъявляют к нему ученые.

А фотон уже со всеми требованиями не справляется. Задают ему вопрос: расскажи, что творится в самых глубоких недрах звезды? А он: не знаю, не был; я, собственно, побывал лишь ближе к краю. А из центра звезды мне бы и не выбраться: слишком тяжелый путь, слишком много на нем препятствий, чудовищно плотно сжато там вещество.

Ученые не отстают: расскажи тогда, какие они – антимиры, где они, что ты там видел? А фотон: не знаю, не видел, для меня все миры одинаковы, что ваш, что какой другой! И он прав: что в мире, что в антимире – фотоны одинаковы. У них ведь нет отличающихся античастиц.

Идет уже сегодня к фотону помощник. Юркий, неуловимый, через любые препятствия проникнет – нейтрино. Тучами рождаются нейтрино и антинейтрино в глубочайших недрах звезд, без труда вырываются оттуда в межзвездное пространство. Они и должны поведать нам о своем родном доме.

Миры шлют во все стороны густые стаи нейтрино. А антимиры – не менее обильные косяки антинейтрино. Но эти частицы уже различаются. Они и поведают нам, где и какие есть антимиры, как там позитроны крутятся вокруг ядер, составленных из антипротонов и антинейтронов, как там антиатомы и антимолекулы собираются в антиживотных и, может быть, даже антилюдей.

Нейтрино становится зондом Вселенной! Так, согласно старинной поговорке, сходятся сверхвеликое и сверхмалое!

Звездное богатство

И еще об одном из чудес Вселенной может поведать нейтрино – о нейтронных звездах, о пятом состоянии вещества, как его назвал Лев Давидович Ландау.

Но расскажем об этом по порядку. В конце тридцатых годов крупный немецкий физик Ганс Бете заинтересовался стариннейшим вопросом. Уже много тысяч лет младенцы всего мира задают своим родителям один и тот же «младенчески невинный» вопрос: «А почему светит Солнце?»

– Там геенна огненная, там черти поджаривают грешников! – шепчет и богобоязненно крестится какая-нибудь темная бабушка.

– А на чем там черти жарят, бабушка? На дровах или на угле?

– На дровах, на дровах, внучек!

– А давно там черти жарят, бабушка?

– Давно, давно, и нас с тобой еще не было!

– И как только у них там дров хватает!

Бабушка предусмотрительно не отвечает. Даже лучших, отборнейших дров для такого гигантского котла, как Солнце, хватило бы лишь на сотни лет. Лучшего угля, лучшего на свете горючего – на тысячи лет.

А Солнце светит себе миллиарды лет и не думает гаснуть! Бог с ней, с этой бабушкой, – крупнейшие ученые прошлых веков ломали головы над «детским» вопросом и ничего разумного не могли придумать. В лучшем случае, по их расчетам, Солнце должно было погаснуть спустя миллионы лет после того, как загорелось.

Бете сопоставляет: измерения солнечного спектра показывают, что там в изобилии присутствует водород и довольно редкий на Земле газ – гелий. Бете – физик-ядерщик, он мыслит понятиями своей науки. Значит, на Солнце подавляющее большинство всех ядер составляют протоны и альфа-частицы.

Какая связь между ними? Видимо, альфа-частицы могли бы образоваться из протонов при наличии нейтронов. Но, если для этого требуется внушительная энергия, природа на это не пойдет. Ведь Солнце не получает энергии извне.

Бете делает расчет. Результат ошеломляет его. «Монтаж» альфа-частицы не только не требует энергии – он сам щедро отдает ее! Ну, а теперь прикинем, зная массу Солнца и сколько оно отдает энергии в виде света и тепла, надолго ли хватит энергии, выделяющейся при «монтаже» альфа-частиц?

Ответ вполне утешительный: на многие и многие миллиарды лет! Солнце не выбрало из своей кладовой пока что и половины протонов. Светит и греет нас оно по меньшей мере уже добрых пять миллиардов лет. И столько же будет, если не больше.

Так открывается первая термоядерная реакция – источник столь расточительного и вместе с тем долгого звездного существования. Затем открываются другие возможные термоядерные реакции. Но какие из них идут в звездах на самом деле, никто еще сегодня не знает.

Известно только одно. Чтобы пошли такие реакции, в недрах звезд должны быть чудовищные температуры – минимум десятки миллионов градусов! Вещество при таких температурах находится в «четвертом», плазменном состоянии. Нейтроны в свободном виде при таких температурах, как на Солнце, видимо, не живут. Когда сталкиваются два протона, они образуют ядро тяжелого водорода – дейтрон – без участия нейтрона.

В тот ничтожный миг, когда протоны вступили в зону действия ядерных сил, один из них исчезает, превращаясь в нейтрон. Выбрасываются прочь позитрон и нейтрино, и протон уже тесно сцепился со своим «обращенным» собратом в новое ядро.

Куда же девались электронные оболочки протонов, которые когда-то, пока звезда не вспыхнула, мирно окружали свои ядра? Видимо, в звезде вместе с полчищами протонов существуют и не менее густые полчища электронов. Но атомов из них уже не выйдет: слишком высока температура.

Пятое состояние вещества

Примерно в те же годы, когда Бете раскрыл секрет источника существования звезд, Ландау попытался ответить на им же поставленный «детский» вопрос: а нельзя ли электрон силой вогнать в протон и получить нейтрон? Можно, ответил он немного спустя, но для этого нужна огромная энергия – 800 тысяч электрон-вольт на пару частиц.

Ну, какая же это огромная энергия? Сегодняшние ускорители дают уже десятки миллиардов электрон-вольт! Верно. Но Ландау перевел подсчет на масштабы целой звезды. А вещества в ней, как ни говори, «немножко» больше, чем в жиденьком пучке частиц, крутящемся в камере ускорителя. Вот так и выходило, что в звездах как будто бы электроны в протоны не загоняются. Не хватает температуры: для этого нужны многие миллиарды градусов. А в звездах, видимо, речь идет лишь о десятках миллионов.

Но есть одна вещь, от температуры как бы не зависящая, – это влияние на электронный «газ» плотности звездного вещества. Оказывается, энергию и температуру этого «газа» можно повысить одним лишь сжатием. Чем-то это напоминает нагрев воздуха в велосипедном насосе при накачивании шины.

На самом деле причина здесь другая. Ее уместнее сравнить с поведением толпы, которую вдруг начало сжимать неумолимое оцепление. Пытаясь уйти от давки, люди начинают карабкаться на фонарные столбы, на лестницы домов. Скоро и там становится тесно, – люди перебираются на крыши домов, все выше и выше.

Так ведут себя и электроны при сильном сжатии: они все выше и выше поднимаются по ступенькам энергетической лестницы. И, наконец, передовые из них достигают крыши – тех самых 800 тысяч электрон-вольт. Это начинается, когда плотность звездного вещества достигает примерно миллиона тонн в кубическом сантиметре.

Выше этой плотности почти все звездное вещество должно превратиться в нейтроны. Возникает новое, «пятое» состояние вещества – нейтронное. Предположительно его плотность должна составлять сотни миллионов тонн в кубическом сантиметре – плотность атомного ядра, невообразимо увеличенного в своих размерах!

Немыслимо, чтобы такая плотность могла где-либо быть в природе! Нет, мыслимо! А белые карлики? Удивительнейшие обитатели звездного мира, страшно маленькие и светящиеся с неистовой яркостью! Астрономы уже давно подсчитали, что их размеры составляют лишь считанные километры, а плотность может достигать десятков тысяч тонн в кубическом сантиметре.

Что ж, в недрах таких карликов вполне может существовать нейтронная сердцевина. И очень любопытно, что, образовавшись, эта сердцевина словно «захлопывает» звезду.

Сердцевина очень плотна, занимает малый объем, и остальное вещество звезды, притягиваясь ею, должно быстро упасть на центр звезды. Звезда резко сожмется, выделится чудовищная энергия. Уж не так ли вспыхивают время от времени звезды?

Одна такая звезда, которую сейчас астрономы видят в знаменитой Крабовидной туманности, девятьсот лет назад вспыхнула так ярко, что даже днем ее было видно невооруженным глазом, а ночью ее блеск затмевал свет Луны! Это не выдумка: о замечательной звезде писали в один голос многие летописцы того времени.

Было высказано предположение, что эта звезда – нейтронная. Правда, оно как будто не подтвердилось.

Когда же родится нейтринная астрономия, когда она научится не только улавливать мощные потоки нейтрино, но и измерять их энергию, тогда можно будет поставить решающий опыт. Вспыхнет где-нибудь сверхъяркая звезда – и немедленно к ней потянутся щупальца обычных и нейтринных телескопов. Ведь при переходе вещества в нейтронное состояние образуется целая туча нейтрино.

И полетят нейтрино вместе с фотонами, прибудут на Землю в один и тот же день, в один и тот же час, и скажут приборы: поток фотонов и нейтрино вон из того кусочка неба возрос одинаково. И ответ на это может быть только один: перешло звездное вещество в «пятое» состояние.

Рождение мира

А вот еще одна великая загадка. Правда, она мучает ученых не века, а всего лишь сорок лет.

Сорок лет назад американский астроном Хаббл, обработав свои наблюдения спектров далеких галактик, пришел к поразительному выводу: галактики разбегаются друг от друга. Видимая Вселенная расширяется!

И что самое замечательное – расширяется неравномерно. Более далекие галактики убегают друг от друга чуть ли не с околосветовыми скоростями, а более близкие – гораздо медленнее.

Но свет от далеких галактик идет к нам дольше, чем от близких. Поэтому далекие галактики мы сегодня видим с бóльшим запозданием.

Так выходит, что в небе мы видим всю историю видимой Вселенной. От самых далеких галактик, еще наблюдаемых в современные телескопы, свет идет чуть ли не пять миллиардов лет. Это и значит, что мы видим эти звездные миры такими, какими они были пять миллиардов лет назад.

И оказывается, пять миллиардов лет назад галактики разлетались друг от друга с гигантскими скоростями. А чем позже, тем скорость их разбегания становилась меньше. Создается впечатление, что примерно с десяток миллиардов лет назад произошел какой-то сверхфантастической силы взрыв, который разбросал по небу осколки в виде наблюдаемых звездных миров!

Замечательная теория Эйнштейна (называемая в отличие от той, с которой мы до сих пор имели дело, – общей теорией относительности) с теми уточнениями, которые внес в нее советский ученый Александр Александрович Фридман, предвидит такую возможность как расширение Вселенной. Более того, она говорит, что Вселенная может перестать расширяться, начнет сжиматься до какой-то небольшой области, потом сжатие снова сменится расширением. Вселенная может словно пульсировать, причем период пульсации – многие миллиарды лет!

Но какие причины могут вызвать пульсации – это за пределами возможностей теории Эйнштейна. А причины должны быть исключительно важными. В чем искать их?

Не иначе, как на «уровне» того, из чего в конечном счете состоит вся огромная Вселенная – сверхмалых частиц. Давайте допустим на момент, что некогда все вещество Вселенной занимало сравнительно небольшой объем.

Плотность его в этом объеме должна была быть колоссальной – наверное, далеко за пределами миллиардов тонн в кубическом сантиметре. Настоящее «пятое», нейтронное состояние вещества!

А может быть, даже и еще более плотное – «шестое», гиперонное состояние, когда все вещество состоит из одних лишь массивных гиперонов!

Сколько могло длиться такое состояние, никому не известно. Не понятны и причины, которые могли вывести вещество из этого состояния. Но так или иначе, выход мог совершиться и, допустим, совершился. Нейтроны довольно быстро распались на протоны и электроны. Колоссальная энергия, запасенная в сжатом, словно пружина, веществе, освободилась и разбросала эти частицы почти со световой скоростью по пространству.

Протоны и электроны образовали менее «спрессованные», чем нейтроны, комбинации – атомы водорода. Эти атомы объединились в молекулы и даже, возможно, в целые глыбы водорода. Разлетаясь, сталкиваясь, слипаясь, разогреваясь, глыбы в конце концов образовали звезды и целые звездные миры, украшающие наше небо.

Эту гипотезу высказал советский физик Яков Борисович Зельдович. Увлекательнейшая гипотеза! Пусть не все в ней гладко. Пусть глыбы получаются по расчету слишком маленькими, чтобы можно было понять их дальнейшую судьбу. Сделан первый шаг к разгадке самой великой тайны природы!

И, может быть, мы с вами еще будем свидетелями того, как эта гипотеза – да, пока еще лишь более или менее правдоподобная гипотеза, – как она обрастет плотью точного расчета, как в ней заструится свежая кровь опытных наблюдений, как она превратится в стройную и могучую теорию происхождения сверхвеликого – Вселенной из сверхмалого – из частиц!

Заключение

Наш рассказ подходит к концу. Мы покидаем охотников за частицами в самый разгар охоты. Этой труднейшей из охот, где невидимыми пулями стреляют по невидимым целям. Где хитроумными сетями пытаются поймать неуловимое. Где тысячетонные орудия ускорителей бьют по пустоте почти невесомыми снарядами. Где фотографируют в кромешном тумане быстроногие следы самых крошечных существ, которые только создала природа.

Мы покидаем рабочие кабинеты теоретиков, где в пылу ожесточенных споров рождается истина.

Медленно, тяжело появляется она на свет.

Сорок лет отдал Эйнштейн, чтобы привести в единую стройную систему все известные виды взаимодействия. Сорок лет пытался Эйнштейн создать единую теорию всех полей и частиц. И эта попытка ему не удалась. Цель оказалась столь же гигантской, сколь недоступной – даже самый выдающийся ум современной физики не осилил ее.

В последующие годы такие попытки предпринимались и другими учеными. С каждым годом множились эти попытки. Сколько раз казалось, что цель почти достигнута. Но открытие новых частиц, обнаружение новых свойств у известных уже частиц – и высоко вознесшиеся теории падали вниз.

Совсем недавно казалось, что ближе всех к заветной цели подошла новая теория Гейзенберга. Но и эти надежды не оправдались.

При обсуждении одного из вариантов теории Гейзенберга, принадлежащего Паули, старый Нильс Бор сказал следующие знаменитые слова: «Мы все согласны с тем, что ваша теория сумасшедшая. Вопрос, который нас разделяет, заключается в том, достаточно ли она сумасшедшая, чтобы иметь вероятность быть правильной».

Как понять эти удивительные слова? Они ведь принадлежат не новичку, захлебнувшемуся в океане новых физических представлений, а одному из отцов современной физики!

А понять надо так. Любое действительно революционное физическое – и не только физическое – представление всегда в первое время попахивает сумасшедшинкой. Всегда находятся люди, которые ставят под сомнение, нормален ли психически его автор.

Настолько резко и бесповоротно порывает новое представление с остальными, складывавшимися веками и десятилетиями.

Такими революционными представлениями были идеи Ломоносова о существовании молекул, идеи Эйнштейна о зависимости пространства и времени от движения тел. Такими же «сумасшедшими» казались глубочайшие идеи де-Бройля о волнах материи, идеи Гейзенберга о виртуальных процессах.

Все это были шаги на пути к великой цели – единой теории вещества и поля. И следующие – нет, никогда не последние! – шаги должны быть не менее революционными, не менее «сумасшедшими».

Только так добывается великая истина. Та самая истина, за обладание которой шли на неслыханные жертвы лучшие представители рода человеческого. Когда-то их сжигали на кострах под рев озверевшей толпы. Потом душили ледяным презрением, равнодушным непониманием.

Что им было от этой истины? Тепло? Сытно? Мягко? Нет, ни того, ни другого, ни третьего. С таким трудом добытая истина нередко тут же, как нежная раковина, захлопывала свои створки.

Случалось, обманчивая истина прахом рассыпалась в руках. Глухие тупики в конце ложных дорог подводили итог неудачно прожитым жизням.

И все же эти люди шли вперед. С каждым веком, с каждым десятилетием их становилось все больше. Их влекло вперед такое на вид хрупкое и такое в существе своем необоримое чувство. Самое лучшее из всех человеческих чувств – любознательность.

Вековечна схватка природы с ее же порождением – человеком. Маленькими кусочками и большими глыбами, сотнями лет и в считанные дни человечество рушит преграды, поставленные природой на пути к его беспредельному могуществу, на пути ко все большей его независимости от природы. И передовым отрядом, штурмующим эти преграды, являются ученые.

Они не думают о таких высоких вещах, как могущество человека. Они не трезвонят на всех углах, что их работа направлена на благосостояние человечества.

А между тем именно благодаря их работе приходят теплота, сытость и удобства в жизнь людей. Именно благодаря этой работе человек сбросил звериную шкуру и стал тем, что он есть сегодня.

От гигантской работы, которую ведут ученые в мире частиц, до недавних пор человечество не получило ни капли тепла, ни лучика света. Сегодня мы уже видим первые зримые плоды этой работы.

Наши дома уже заливает свет и тепло атомных электростанций. По морям ходят атомные корабли. Изотопы лечат человека, облегчают его труд, ищут полезные ископаемые. Электроны и фотоны связывают людей потоками слышимых и видимых сообщений.

А что ждет нас завтра? Человечество вырвалось в космос. И его путеводителями будут невидимые и неслышимые потоки частиц, пронизывающие безграничное космическое пространство.

Может быть, эти потоки частиц когда-нибудь сами станут самым быстрым транспортом в истории человечества. Вырываясь из днища фотонных ракет, они унесут людей к далеким и прежде таким недосягаемым звездным мирам.

Искусственные солнца зальют Землю на круглый год потоками света и тепла.

Может быть, облучение пока неизвестными частицами и квантами стократно умножит физическую и умственную мощь человека.

Всего можно ожидать от такой замечательной науки, как физика частиц.

У этой науки – богатое прошлое. У этой науки – неизмеримо более богатое будущее.