Текст книги "Вселенная в электроне"

Автор книги: Владилен Барашенков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 18 страниц)

Зоопарк в микромире

Представим себе, что мы гуляем в таком зоопарке. Слева небольшая аллея лептонов с клетками легких частиц, справа длиннющая, уходящая за горизонт аллея со множеством загонов для массивных частиц-адронов. (Снова греческие корни: «лепто» – легкий, мелкий и «адро» – тяжелый, крупный.)

Ряд адронов начинается с наших знакомцев – протона и нейтрона. Они настолько похожи по своим свойствам, что физики считают их двумя состояниями одной и той же частицы – нуклона. Когда у нуклона нет электрического заряда – это нейтрон, если же в результате каких-то взаимодействий он получит заряд – это будет уже протон.

Можно сказать, что у нуклона два лица – одно протонное, другое – нейтронное. Если прибегнуть к другой аналогии, то нуклон можно уподобить электрической лампочке. Когда она горит – это протон, выключена – нейтрон. Аналогия, конечно, далекая, но, в общем-то, правильная. И если уж следовать ей, то. пи-мезон придется сравнить с электрической лампочкой, имеющей три состояния: когда она горит красным светом – это мезон с положительным электрическим зарядом, если потушена – нейтральный мезон, а когда светит синим светом – это мезон с отрицательным зарядом. Пи-мезон – частица с тремя лицами. В заряженном состоянии она живет около стомиллионной доли секунды и распадается на мю-мезон и нейтрино. В нейтральном состоянии время ее жизни еще намного – в сто миллионов раз – меньше. Она почти мгновенно распадается на два высокоэнергетических фотона.

Рядом стоит клетка с ρ (ро)-мезоном. Он во всем похож на пи-мезон, тоже имеет три лица, только впятеро тяжелее и, кроме того, быстро вращается. Движется и вращается, как бы навинчивается на свою траекторию. Вот только живет ро-мезон очень мало, ничтожный миг – около 10^-23 секунд. Это десятичная дробь с двадцатью двумя нулями после запятой. Распадаясь, ро-мезон превращается в два быстрых пи-мезона.

Недалеко от пи– и ро– мезонов помещается ω (омега)-мезон. Это нейтральная частица с массой, как у ро-мезона, и вдесятеро большим временем жизни. Она тоже – маленький вращающийся волчок. Распадается на три пи-мезона, которые с большой скоростью разлетаются в разные стороны.

С тройкой мезонов, обозначаемых греческими буквами π, ρ и ω, мы еще встретимся. Они играют важную роль в жизни протона и нейтрона.

Далее идут «странные частицы». Все они короткоживущие. Некоторые похожи на нуклон, их называют гиперонами. Другие – «странные мезоны». Когда эти частицы обнаружили, физики были удивлены тем, что они всегда рождаются парами, как будто не могут жить друг без друга. Поэтому их и назвали «частицами со странностью». Впрочем, вскоре нашлись еще более удивительные частицы, которые тоже рождаются парами. Их появление и «черты характера» были предсказаны теоретиками, и, когда их открыли, теоретики были так рады, что назвали их «прелестными».

Вслед за площадкой «прелестных частиц» мы видим множество загонов и клеток с очень тяжелыми адронами. В сравнении с нуклоном некоторые из них выглядят как бегемоты рядом с поросенком. Большинство из них такие неповоротливые, что, едва успев родиться, тут же на месте распадаются на более легкие частицы. Время жизни наименее устойчивых изображается десятичной дробью с более чем двумя десятками нулей после запятой. Оставим их пока в покое – все равно всех их не осмотреть – и перейдем на противоположную сторону аллеи. Там расположены античастицы.

Первой античастицей, с которой познакомились физики, был позитрон. Когда он сталкивается с электроном, вещество обеих частиц полностью переходит в излучение – в фотоны. Происходит аннигиляция – уничтожение. Такие полярные, взаимоуничтожающиеся частицы стали называть частицей и античастицей. Так в науку вошла идея антивещества.

Открытие античастиц принадлежит к числу тех сравнительно немногих научных достижений, которые приобретают самую широкую известность. Воображение людей поражает сама возможность полной трансформации вещества в излучение.

Когда хотят сказать о предельной степени разрушения чего-либо, часто используют глагол «испепелить». При аннигиляции электрона с позитроном не остается даже пепла. Все вещество – целиком, без остатка – превращается в электромагнитное поле и уносится в пространство. Взрыв атомной или водородной бомбы освобождает лишь несколько процентов запасенной в веществе энергии, при аннигиляции происходит стопроцентное освобождение энергии.

Антипартнера имеет не только электрон. Они есть у всех элементарных частиц. У протона есть антипротон, у нейтрона – антинейтрон и так далее. Это похоже на то, как в мире живых существ есть особи противоположного пола – мужские и женские. Правда, некоторые частицы – например фотон или нейтральный пи-мезон – в одном лице совмещают должность частицы и античастицы. Однако таких «двуполых» частиц мало. Как правило, частица и античастица сильно различаются по своим свойствам. У них противоположные электрические заряды, а если частица нейтральная – например как нейтрон, – то противоположными оказываются другие ее характеристики, в частности, направление вращения. Получается так, что природа отражена в своеобразном зеркале: с одной стороны – частицы, с другой, в «Зазеркалье», – античастицы. И все абсолютно симметрично. Две половинки – мир и антимир! В одном случае атомы построены из электронов, протонов и нейтронов, в другом – из позитронов, антипротонов и антинейтронов.

У писателя И. А. Ефремова есть фантастический рассказ о том, как в далеком космосе встретились посланцы двух биологических рас – одной, живущей на основе кислорода, и другой, основанной на фторе. Все очень похоже, но газ жизни одной расы – смертельный, разъедающий яд для другой. Даже их дыхание опасно друг для друга. То же самое было бы для существ, построенных из вещества и антивещества. Все физические законы, все краски их миров совершенно одинаковы; только от условия зависит, что назвать миром, а что – антимиром. Но при соприкосновении – аннигиляция, взрыв!

Правда, полное излучение вещества происходит не всегда. Так при аннигиляции нуклона с антинуклоном «сгорает» лишь часть вещества, другая его часть остается в виде мезонных осколков. Тем не менее даже с учетом несгоревших «шлаков» энергия антипротонного и антинейтронного взрывов в несколько тысяч раз больше энергии, выделяющейся при аннигиляции легких частиц – электрона и позитрона. Это самое мощное энерговыделение, которое мы умеем осуществлять в лабораторных условиях. Недаром писатели-фантасты часто используют антивещество в качестве горючего для звездолетов будущего. Килограммовый слиток такого вещества даст столько же энергии, сколько можно получить из нефтяного озера глубиной в несколько метров и диаметром около километра. Это означает, что всего несколько килограммов антивещества способны заменить все горючее, которое сжигается на Земле за год.

Конечно, эти килограммы антивещества надо еще изготовить – синтезировать из антипротонов и антинейтронов, а это очень сложная и энергоемкая задача. Пока ученые научились изготавливать лишь самые простые антиядра, состоящие из двух и трех античастиц: антидейтрон, антитритон и легкий изотоп антигелия. Несколько лет назад этот изотоп был получен в опытах на ускорителе протонов, построенном под Москвой, вблизи Серпухова. Синтез тяжелых антиядер – исключительно трудная задача. Правда, трудности здесь технического порядка, никаких принципиальных препятствий на этом пути нет. Возможно, что когда-нибудь изготовление антиядер станет такой же отраслью большой индустрии, как в наши дни производство кюрия и других трансурановых элементов.

Перейдем теперь на соседнюю аллею – к лептонам. Первыми мы встречаем здесь три почти одинаковые частицы: электроны, π-мезон, и τ-мезон. Различаются они лишь своей массой (мю-мезон в двести с лишним раз тяжелее электрона, тау-мезон – еще более тяжелая частица) да еще тем, что, в отличие от электрона, мю– и тау– мезоны радиоактивные, они распадаются на электрон и нейтрино. Правильнее было бы назвать их не мезонами, а тяжелыми электронами. До сих пор до конца неясно, зачем потребовалось природе несколько различающихся по весу «изданий» электронов.

Рядом с клетками электроноподобных частиц, как собачки у ног их хозяев, устроились три нейтрино. Их так и называют: нейтрино электронное, нейтрино мюонное и тау-нейтрино. Каждое из них рождается только вместе со своим хозяином, сопровождает его в реакциях и на соседей не обращает никакого внимания.

Масса нейтрино равна нулю. Все они, как фотон, «бестелесные» и никогда не стоят на месте. Их скорость всегда равна скорости света. Хотя в газетах сообщалось, что точными экспериментами у нейтрино обнаружена маленькая масса, контрольные опыты этого пока не подтвердили. Можно сказать, что нейтрино – это «черный свет». Сочетание противоречивое, но в физике бывает и не такое!

Когда семейство лептонов состояло всего из трех частиц – безмассового нейтрино, электрона, весящего почти в две тысячи раз меньше протона, и его «антибрата» позитрона, фамилия «лептоны» была точной характеристикой этих частиц. Однако после открытия мезонов мю– и тау-, которые в сотни раз тяжелее электрона, легкими их можно называть лишь условно. Названия «лептон» и «адрон» теперь стали чисто условными, фактически синонимами эпитетов «слабо»– и «сильновзаимодействующий». (Все лептоны взаимодействуют значительно слабее адронов.) Но такова уж сила привычки – физикам трудно отказаться от примелькавшихся выражений.

Продолжение осмотра – переулок монстров

Все клетки здесь пустые. Их обитателей еще только предстоит поймать. В разных странах этим занимаются большие отряды физиков, вооруженные самой совершенной техникой. Хотя клетки пусты, на каждой из них висит составленная теоретиками табличка с описанием веса, размеров и повадок чудовищ.

Вот над одной из клеток с толстыми прутьями крупная надпись: «Магнитный монополь». И ниже красными буквами: «Осторожно! Частица-убийца!!»

Это изолированный магнитный полюс. Южный без северного или северный без южного. Расчеты показывают, что такой полюс, находясь рядом с протоном, будет сливаться с ним в единую очень неустойчивую систему, которая практически мгновенно распадается на позитрон и мезоны, один или несколько. И среди осколков распада опять присутствует монополь, готовый к следующему «убийству» нового протона и так далее. Монополи разрушают (лучше сказать – разъедают) окружающее их вещество.

Но существуют ли в природе такие страшные частицы? Ведь хорошо известно, что, разрезав магнит, нельзя получить двух кусков с разными магнитными зарядами, каждый из кусков снова оказывается магнитом с двумя полюсами. Наверное, каждый из нас не раз проделывал подобный опыт. Даже в школьной «Физике» написано, что электричество имеет источники – заряды, а магнитных зарядов нет; магнетизм порождается токами, то есть опять-таки электрическими зарядами, только движущимися.

Все это так. Окружающее нас атомарное вещество действительно состоит лишь из электрических зарядов. Но может быть, частицы с магнитным зарядом удастся изготовить искусственно, например, с помощью ускорителей, как создают сегодня атомы антивещества? Или, возможно, такие частицы существуют где-то в далеком космосе, и нам следует иметь в запасе какие-то средства защиты на случай, если кусок магнитного вещества вдруг вторгнется в нашу родную Солнечную систему?

Впрочем, магнитные монополи могли бы сослужить нам хорошую службу. При разрушении протонов выделяется огромная энергия, и, будь в нашем распоряжении килограмм монополей, удалось бы удовлетворить все энергетические потребности человечества. Энергию можно было бы извлекать из любого вещества. Достаточно «поперчить» его щепоткой монополей. Это был бы действительно неисчерпаемый, бесконечный источник энергии! А хранить монополи можно было бы в «магнитных бутылках» – специальных ловушках, магнитное поле которых имеет форму бутылки и предохраняет содержащиеся в ней частицы от соприкосновения с окружающим веществом.

Понятно, как важно было бы «изловить» магнитный монополь. Физики-теоретики тщательно проанализировали условия, при которых он может родиться. Выяснилось, что эти условия не выходят за пределы известных нам физических законов и, в принципе, могут реализоваться в природе, однако частицы, несущие на себе магнитный заряд, должны быть необычайно тяжелыми – по меньшей мере в 10¹⁶ раз тяжелее протона. Массу протона надо увеличить в триллион раз и еще умножить на десять тысяч! Монополь весит больше бактерии и высится горой среди остальных элементарных частиц.

Конечно, ни один ускоритель не в состоянии породить такое «микрочудовище». Это не под силу даже самым высокоэнергетическим частицам космического излучения. Столь массивные объекты могли образоваться лишь в первые мгновения после рождения самой нашей Вселенной, когда ее температура и плотность были фантастически велики и энергии хватало, для рождения самых тяжелых частиц. Об этом мы подробно поговорим в следующей главе, а сейчас важно лишь запомнить, что, подобно сумчатым животным Австралии, где-нибудь в космосе могли сохраниться реликтовые магнитные частицы. Они очень редки, так как иначе было бы заметным их опустошительное действие в окружающем веществе. Но может быть, физикам повезет, и они когда-нибудь смогут воочию познакомиться с подобной частицей.

Пожалуй, мы несколько задержались возле клетки монополей, но уж очень необычны повадки этих «зверей»! Зато у следующей клетки остановимся лишь на минутку. Она приготовлена для максимона, еще одного монстра, вычисленного теоретиками. Это самая тяжелая элементарная частица из всех, какие только могут быть. Ее вес в сотни раз больше, чем у магнитного монополя, – что-нибудь около микрограмма. Как у крупной, видимой глазом пылинки. Такой мастодонт и элементарным-то называть как-то неудобно!

Максимон так тяжел, что под давлением своего веса проваливается сквозь дно любого сосуда и «прокалывает» Землю вплоть до ее центра, поэтому, как и для магнитного монополя, его клетка должна быть сделана из магнитных полей. Если, конечно, они на него действуют – ведь о свойствах максимона (эту суперчастицу предсказал советский академик М. А. Марков) известно очень мало. Честно говоря, пока физики не очень уверены в существовании такой сверхтяжелой частицы. Теоретические прогнозы не всегда оправдываются.

Наконец, у самого выхода из зоопарка элементарных частиц расположен загон для фаерболлов. По-английски «фаерболл» – огненный шар. Это что-то похожее одновременно на блуждающую шаровую молнию и на ослепительно яркий сгусток атомного взрыва. Только в микроскопических масштабах. По мнению некоторых физиков, такие фаерболлы образуются при столкновениях сильно разогнанных, обладающих очень большой энергией частиц. Образуются и почти мгновенно распадаются на более легкие частицы.

Скептики шутят, что фаерболл похож на знаменитое чудовище Несси из шотландского озера Лох-Несс. Говорят о нем давно, но до сих пор неизвестно, существует оно на самом деле или нет. Одни его видят, другие нет.

Может, фаерболлы вовсе и не элементарные частицы, а какие-то более сложные образования. Не зря их загон расположен у выхода из зоопарка…

Закрыто на учет

Итак, целая россыпь, сотни элементарных частиц! Как разноцветный бисер, на любой глаз и вкус! А если верить теории, то при слиянии любой пары частиц должна образоваться новая частица, поэтому число их вообще должно быть бесконечным. Расчет показывает, что частиц, которые в два-три раза тяжелее нуклона, должно быть сотни тысяч, а частиц с массой, впятеро большей, чем у нуклона, – уже сотни миллионов!

Трудно согласиться с тем, что природе действительно понадобилось такое огромное количество простейших «строительных деталей». Тем более, что весь мир можно скомпоновать всего из четырех таких деталей: электрона, нуклона, пи-мезона и фотона. Пи-мезоны нужны, чтобы «слепить» из нуклонов атомные ядра, а фотоны и электроны – для того, чтобы «сплести» ажурные конструкции атомов и молекул. Все остальные частицы кажутся просто лишними. Зачем они, если и без них можно обойтись?

Когда слышишь такой вопрос, невольно вспоминаешь, как неискушенный в деле человек пытается починить часы. У него всякий раз что-нибудь да остается – то винтик, то шайбочка. И хотя поначалу кажется, что все в порядке – часы идут, вскоре они почему-то ломаются. Так и с частицами. У природы нет лишних «деталей». Если назначение некоторых из них остается неясным, это говорит лишь об уровне наших знаний на данном этапе…

Отложим пока этот сложный вопрос до следующей главы. Там мы увидим, что многие, кажущиеся сейчас лишними, частицы нужны были на ранних этапах жизни Вселенной. Тогда без них просто нельзя было обойтись. Когда смотришь на россыпь частиц, первое, что хочется сделать, – это попытаться все-таки выделить какие-то «наиболее элементарные» частицы, из которых можно составить все остальные. Говоря словами американского физика Р. Фейнмана, который затратил много усилий на систематику элементарных частиц, такие попытки – что-то вроде детской игры в кубики, из которых нужно собрать целую картинку. Кубиков великое множество, и с каждым днем их становится все больше. Часть валяется в стороне и как будто бы не подходит к остальным. Как определить, что они из одного набора? Откуда известно, что вместе они должны составить цельную картинку? Полной уверенности нет, и это несколько беспокоит. Вселяет надежду лишь то, что у многих кубиков есть нечто общее: на всех нарисовано голубое небо, все они сделаны из дерева одного сорта.

Игрой в частицы-кубики занимались многие. Ей отдали дань самые известные и талантливые физики. И ничего не вышло: оказалось, что все частицы в равной степени элементарны. Среди них нет «более простых» и «более сложных».

Однако их можно разбить на семейства, и членов каждого из них рассматривать как различные состояния одной и той же частицы. (Вспомним еще раз об аналогии с лампочкой, которая меняет свой цвет!) Так были найдены семейства, состоящие из восьми и десяти частиц. Есть семейства, содержащие всего лишь по одной частице. Это мезоны-холостяки.

Семейства объединяются в более сложные группы – кланы. Физики называют такие семейства мультиплетами, а кланы – супермультиплетами (от слова «мульти» – много). Сегодня хорошо изучены супермультиплеты, состоящие из 35 и 56 частиц.

Кроме того, выяснилось, что часть короткоживущих частиц можно считать сильно нагретыми (физики говорят – возбужденными) состояниями остальных.

И самое главное – мультиплеты и супермультиплеты, оказывается, не являются полностью изолированными друг от друга, а связаны определенными родственными отношениями – правилами симметрии.

Если бы частицы, как людей, регистрировали в паспортном столе, то члены семьи-мультиплета имели бы общую фамилию. В клане-супермультиплете были бы представлены разные фамилии, но у всех семей – общие предки. Сами кланы тоже имеют единых прапрародителей.

В целом получается что-то вроде периодической таблицы элементарных частиц, наподобие той, с помощью которой сто лет назад Менделеев навел порядок среди атомов химических элементов. И подобно тому как менделеевская система помогла открыть неизвестные ранее элементы, симметрия мультиплетов также предсказывает существование новых частиц.

Глубокий смысл таблицы Менделеева стал понятен лишь после того, как физика шагнула на новую ступень структурной лестницы – выяснила, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Можно предполагать, что и симметрия элементарных частиц получит свое объяснение после того, как будет открыт следующий ярус строения материи.

Физики нащупали такой ярус, и первые же шаги привели к сенсационным результатам.

Когда часть больше целого

Казалось бы, если частица элементарная, то она не должна иметь частей. Иначе какая же это элементарность, если есть более простые части! И вот первый сюрприз, который природа преподнесла физикам, состоял в том, что элементарная частица протон имеет части!

Когда рядом с протоном находится другой протон или нейтрон, он «играет» с ними в мезонный бадминтон. Если же протон одинок, он играет сам с собой – испускает пи-мезон и поглощает его обратно, снова испускает, ловит и так далее, – как жонглер в цирке. Наверное, все не раз наблюдали, как быстрое мелькание шарика создает впечатление, что вокруг жонглера их целое облако. Так и с протоном. Очень быстро испуская и поглощая обратно мезон, он тоже создает вокруг себя облако частиц. Время каждого отдельного акта испускания и поглощения очень мало, но благодаря многократным их повторениям возникает усредненная по времени пространственная размазка заряда и массы. Образно говоря, нуклон пульсирует, а еще лучше сказать – мигает. Вспыхнет «мезонным светом», погаснет, потом все повторяется заново и так без конца.

Вот как интересно получается: вокруг нас твердые, застывшие тела, а на микроуровне мир, как живой, там все дышит, пульсирует, вращается!

Испустив положительно заряженный мезон, протон превращается в нейтрон, а нейтрон после испускания отрицательного мезона становится протоном. Если же испускается нейтральный мезон, то протон остается протоном, а нейтрон – нейтроном. Во всех случаях пи-мезон, как часть, входит в состав протона и нейтрона.

Сам пи-мезон тоже окружает себя облаком частиц-мячиков. Он на короткое время испускает пару пи-мезонов. Почему именно пару, а не один мезон – это сложный вопрос, связанный с особенностями этой частицы. Для нас сейчас важно то, что пи-мезон не только состоит из частей, но что эти части не отличаются от целого. Мезон состоит из мезонов! Это все равно, как если бы из пчелиного улья вылетали не пчелы, а другие, подобные ему, ульи.

Более того, на очень короткое время мезон может превратиться в нуклон и антинуклон. Например, положительно заряженный мезон π⁺ – в протон и антинейтрон, нейтральный мезон π⁰ – в протон и антипротон и так далее. Тут уж часть намного больше целого. Получается как в сказке – кит на воде, а вода на ките! Это был второй поразительный сюрприз, преподнесенный природой физикам.

Сегодня известно, что все элементарные частицы имеют «мигающее» строение и содержат внутри себя различные типы легких и тяжелых частиц. Чем легче испущенная частица, тем дальше может она удалиться от центра, прежде чем будет поглощена обратно. Тяжелые частицы, наоборот, жмутся ближе к центру. Поэтому внутренняя центральная часть любой элементарной частицы (ее называют керном – сердцевиной) значительно более массивная и плотная, чем периферия, окраина.

Всякая элементарная частица окутана слоистым «облаком» или, как еще говорят, одета в «шубу» из рождающихся и быстро исчезающих частиц. Даже кванты света – фотоны и всепроникающие нейтрино – имеют свои «шубы». Вокруг них рождаются электроны и позитроны. Только это происходит весьма редко, и «шубы» у фотона и нейтрино необычайно «воздушные», почти эфемерные, как говорится, на рыбьем меху! Лишь на расстояниях, в тысячи раз меньших «шубы» протона, эти частицы приобретают нечто вроде тонкого «свитера», состоящего из мю-мезонов. Такую же тонкую и тесную «шубу» имеет и электрон.

Элементарные частицы, в свою очередь, тоже состоят из элементарных частиц. Получается единая крепко сплетенная сеть, где нет начала и конца, а все частицы одновременно являются и элементарными и сложными. Понятия простого и элементарного в современной физике не совпадают. И самое удивительное здесь то, что часть может быть больше целого. Ничего подобного еще никогда не встречалось. Известный советский физик-теоретик Д. И. Блохинцев как-то в шутку заметил: если атом уподобить органу, то элементарная частица – это аккордеон, рождающий не звуки, а музыкальные инструменты: то барабан, то скрипку, а иногда и большой концертный рояль!

В окружающем нас мире «больших», макроскопических, явлений это противоречит здравому смыслу, выглядит полнейшей бессмыслицей. Но в микромире такое возможно, природа устроена хитрее и изобретательнее любой человеческой фантазии.

Но как быть с законами сохранения массы и энергии? Ведь если протон, оторвав от себя увесистый «кусочек» в виде пи-мезона, остается тем же протоном, откуда взялся «материал» для мезона? Что-то тут не так, не может же, в самом деле, мезон возникнуть «из ничего»!