Ирина Радунская - Проклятые вопросы

Загадка спина ядра азота в то время была возведена в ранг «азотной катастрофы», ибо она могла разрушить основы новой квантовой физики. Вскоре Д. Д. Иваненко (статья поступила в редакцию 26 апреля 1932 года) и Чэдвик (статья поступила 10 мая 1932 года) устранили «азотную катастрофу», предположив, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, а не из протонов и электронов, как считалось в то время. При этом нейтрон выступал как первая нейтральная частица с массой покоя, отличной от нуля.

Значение этого открытия не меньше, чем значение открытия позитрона. В науку вошла первая из частиц, обладающая массой покоя, но лишённая электрического заряда. (Ранее элементарными считались фотон, не имеющий заряда, но не имеющий и массы покоя, электрон и протон, имеющие и то и другое.)

Поразительно, что один из создателей квантовой механики, В. Гейзенберг, менее чем через три месяца (7 июля 1932 года) рассмотрел возможность того, что протон и нейтрон являются двумя модификациями одной и той же частицы, которая, входя в состав ядер, находится в них в двух квантовых состояниях. Сейчас это предположение считается истиной. Частицу, которая при наличии заряда (положительного) выступает как протон, а при отсутствии заряда выступает как нейтрон, называют нуклоном, простейшим кирпичиком, из которых состоят ядра всех атомов. Через три года Чэдвик и Гольдхабер установили, что масса нейтрона превышает (хотя и мало, всего на 0,9 процента) массу протона. Это послужило для них достаточной основой для того, чтобы поставить вопрос о стабильности, или иначе, о радиоактивности нейтрона. Это значит, что нейтрон, находясь внутри ядра в устойчивом состоянии, должен распадаться вне ядра. Долгое время казалось, что наблюдать такой распад невозможно. Лишь после создания ядерных реакторов, из которых можно извлечь множество нейтронов, удалось зафиксировать распад нейтрона. Свободный нейтрон распадается на протон и электрон в среднем за 15 минут. Это не значит, что в нейтроне содержится тесно связанная пара протон и электрон, как это некоторое время думал Чэдвик. Нейтрон был первой частицей, исследование которой показало, что представление о том, что микрочастица «состоит из» или «разделима на», имеет лишь ограниченное применение.

Теперь мы знаем, что лишь в определённых случаях законно спрашивать, из «чего» состоит данная частица. Этот вопрос можно задавать только тогда, когда для разделения частицы на части достаточно лишь малого количества энергии, малого по сравнению с массой покоя хотя бы одной из частиц, получаемых при разрушении первоначальной частицы. Во всех остальных случаях эти вопросы теряют смысл. В этих случаях принято говорить «распад порождает». Первый пример этого показал нейтрон, который распадаясь порождает протон и электрон под воздействием очень слабых сил, обусловленных слабыми взаимодействиями.

Изучение свойств нейтрона продолжается и в наши дни, спустя более полувека после его открытия. Это связано с уникальными свойствами нейтрона. Он может считаться элементарным, но участвует во всех известных взаимодействиях — сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных. Он нейтрален, но имеет спин и магнитный момент. Он достаточно стабилен в свободном состоянии (живёт около 15 минут), и, наконец, чисто экономический фактор: затраты, требуемые для получения одного свободного нейтрона, меньше, чем для любых других частиц, за исключением электронов и протонов.

Но возвратимся к мезону и работе Юкавы. После того как, устранив «азотную катастрофу», Иваненко, Чэдвик и Гейзенберг изгнали электроны из ядер атомов и заменили их нейтронами, сразу возник вопрос: как же положительный заряд протонов не разрушает ядра? Ведь положительные заряды взаимно отталкиваются. Что же удерживает протоны и нейтроны внутри ядер?

И Юкава ответил на этот вопрос просто и гениально. Он сказал… Впрочем, представьте себе такую картину: вдоль дороги идут двое. Не останавливаясь, они всё время перебрасывают друг другу мяч. Из-за этого они не могут отойти друг от друга дальше некоторого определённого расстояния. Если издали смотреть на этих людей, то мяча не видно и можно подумать, что эти двое просто дружески беседуют, по-приятельски идут рядом и что их удерживают друг около друга некие силы притяжения.

— Подобные силы притяжения испытывают протоны и нейтроны в атомном ядре, — сказал Юкава. — Они могут без отдыха биллионы веков «играть в мяч», перебрасываясь мезонами, пока какой-нибудь снаряд вроде космической частицы не нарушит это приятное занятие, Тогда, выронив «мяч», протон и нейтрон вылетят из ядра. При этом можно обнаружить и мезоны.

Эту драматическую ситуацию учёным удалось подстроить и подстеречь в своих приборах. Они стали свидетелями представления, разыгравшегося за кулисами микромира, и смогли увидеть её актёров без масок.

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. Но теперь стало ясно, что частицы сгруппированы в два семейства: лёгкие (электрон и мюон), их назвали лептонами, и тяжёлые (протон и нейтрон), их назвали адронами. Вопрос о взаимоотношении этих семейств — лептонов и адронов — волновал физиков всё последующее время. Он всё ещё окончательно не решён.

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.