Кварки, протоны, Вселенная

Иногда думают, что научно-популярная статья или книга — дело нехитрое: ведь речь идет о вещах, хорошо знакомых автору. Начинай и рассказывай! Это и так и не так. Предмет действительно автору хорошо знаком, по есть одна серьезная трудность — язык. Ученый говорит и думает на емком профессиональном языке, где за каждым словом кроется уйма специальных понятий. Например, для описания свойств заряженных и нейтральных частиц в физике вводится особая величина — изотопический спин. Это нечто вроде момента количества движения вращающегося штопора, только вращающегося не в обычном пространстве, а в зарядовом. Когда изотопический спин нуклона направлен вверх — частица является протоном, когда вниз— нейтроном. Изотопический спин мезона имеет три направления — вверх, вниз и вбок. Есть частицы, чей спин обладает еще большим количеством направлений. Попробуйте переложить все это на обиходный язык! А если пуститься в подробные объяснения, вас просто перестанут слушать. Вот и приходится прибегать к аналогиям, заменять сложные и точные понятия более простыми и приблизительными. Проигрываем в строгости, зато выигрываем в наглядности.

Каждый из нас не раз наблюдал за жонглером, который так быстро бросает и ловит шарик, что его мелькание воспринимается как целое облако шариков. Сходным образом ведут себя протон и нейтрон. Очень быстро испуская и поглощая легкую частицу мезон, они создают вокруг себя облако электрических зарядов. Продолжительность каждого отдельного акта испускания и поглощения очень мала, но благодаря многократным их повторениям возникает некая пространственная структура. Точечная частица превращается в протяженную, или, как говорят физики, в размазанную.

Испустив положительно заряженный мезон, протон становится нейтроном, а нейтрон, испустив отрицательно заряженный мезон, превращается в протон. Если же испускается нейтральный мезон, то протон так и остается протоном, а нейтрон— нейтроном.

С первого взгляда все это противоречит здравому смыслу. Известно ведь, что нейтрон тяжелее протона. Как же может протон превратиться в более тяжелый нейтрон, да еще и оторвав от себя довольно увесистый «кусочек» в виде мезона?

Во всех этих процессах масса двух конечных частиц действительно больше массы исходной частицы. И в силу закона сохранения энергии такие процессы невозможны. И тем не менее они происходят, а закон не нарушается.

Благодаря особенностям волнового движения микрочастиц их траектории (можно сказать, даже сами эти частицы) как бы размазаны в пространстве. При этом скорость, а следовательно, и энергия частицы в течение очень короткого времени оказываются несколько неопределенными — как раз настолько, чтобы скомпенсировать кажущееся несохранение энергии. С точки зрения обычной школьной физики понять это нелегко, но в науке всегда приходится кое-что принимать сначала на веру, прячась за спасительной формулой: это следует из опыта. Теоретическое обоснование в таких случаях приходит потом.

Частицы, которые рождаются и быстро исчезают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии, часто называют виртуальными, то есть возможными. Их рождение можно рассматривать как квантовые флюктуации (колебания, отклонения от нормы) массы и энергии, благодаря чему у любого физического тела эти величины в каждый момент времени оказываются чуть-чуть неопределенными. Точное значение они имеют лишь в среднем — для больших интервалов времени. Как мы увидим далее, рождением виртуальных частиц объясняются многие удивительные явления микромира.

Облако виртуальных мезонов внутри протона впервые было обнаружено в опытах с рассеянием быстрых электронов на ядрах водорода. Для этих опытов в Калифорнии был построен специальный ускоритель — огромная установка, разгонявшая электроны до скоростей, которые только на десятитысячные доли процента не достигали скорости света. Оказалось, что электроны рассеиваются совсем не так, как это происходило бы, будь протон заряженной точкой. Получалось, что протон — вовсе не точка, а довольно крупный объект с радиусом, который всего лишь в три раза меньше радиуса ядра углерода.

А вот когда подобные опыты проделали с нейтронами, результат получился совершенно неожиданный. Радиус облака электрических зарядов в нейтроне оказался равным нулю! Внутри этой частицы было что-то такое, что нейтрализовало заряд мезонного облака. Это «что-то» долго оставалось загадкой. Для ее объяснения предлагалось множество гипотез, но ни одна из них не выдержала проверки экспериментом и теорией.

Помню, был такой случай. Один известный московский теоретик (не буду сейчас называть его имени) изучал спонтанное, то есть самопроизвольное, рождение античастиц внутри нейтрона. Если они появляются на очень короткое время, то, как и испускание мезонов, это не нарушает закона сохранения энергии, но может повлиять на распределение зарядов в нейтроне. До конца теоретику решить задачу не удавалось, но промежуточные результаты выглядели настолько обнадеживающими, что было решено сообщить о них на ближайшем международном конгрессе. По некоторым причинам сам теоретик на этот конгресс поехать не мог и передал рукопись доклада одному из своих коллег. И надо же было так случиться, что уже во время доклада тот внезапно обнаружил: в рукописи недостает нескольких страниц с наиболее важными выкладками! Остались они в Москве или же выпали во время таможенных осмотров на границах, не известно. Ясно было одно — восстановить выкладки по памяти не удастся, слишком уж они сложны.

Зал конгресса притих, ожидая, что предпримет докладчик.

И вот тут, в те несколько минут, пока тот лихорадочно перебирал свои бумаги в безнадежных попытках найти утерянные листки, он вдруг увидел совершенно новый путь к решению задачи — более простой, а главное, доводивший решение до конца.

Одна за другой выстраивались на доске длинные цепочки формул. В зале уже поняли идею расчета и по страничкам блокнотов забегали карандаши. И зал и докладчик закончили расчет одновременно: радиус

нейтрона получился не равным нулю. Раздался общий вздох разочарования.

— Опять нам не повезло, нейтрон никак не хочет расстаться со своей тайной! — подвел итог докладчик и, сопровождаемый аплодисментами и смехом зала, вернулся на свое место.

Тайна была раскрыта спустя несколько лет. И как это уже не раз случалось в истории науки, природа оказалась куда изобретательнее физиков. Выяснилось, что при определенных условиях мезоны могут как бы слипаться, образуя новые, необычайно короткоживущие частицы. Из таких частиц-«капель» в основном и состоит мезонная «шуба» нуклона. Одиночные мезоны встречаются в ней редко.

В протоне условия благоприятствуют образованию заряженных мезонных «капель», в нейтроне—нейтральных, поэтому электроны и не чувствуют электрической мезонной шубы нейтрона. Для них она прозрачна. Нейтрон ведет себя как протяженная частица с размазанными в пространстве массой и магнитным моментом и равным нулю радиусом распределения электрических зарядов.

Если вспомнить аналогию с жонглером, то можно сказать, что он подбрасывает сразу несколько шариков, которые иногда слипаются в нары и тройки.

Тяжелые и легкие частицы располагаются в нуклоне не вперемешку, а в определенном порядке. Чем тяжелее испускаемая частица, тем быстрее происходит ее обратное поглощение и тем меньшее расстояние успевает она пройти. Поэтому тяжелые частицы тяготеют к центру нуклона. И этот центр должен быть значительно плотнее и тяжелее, чем периферия. Просвечивание в электронных и мезонных пучках подтвердило это. Вещество в нуклоне, как и в атоме, сконцентрировано главным образом в его сердцевине. Но если атом состоит в основном из пустоты, то в нуклоне нет резкой границы между оболочкой и центральным остовом — керном. Атом своим строением напоминает Солнечную систему, а нуклон больше похож на планету с массивным центральным ядром и окружающей ее протяженной атмосферой. Радиус керна в нуклоне всего лишь в несколько раз меньше размеров мезонной шубы.

Пожалуй, еще лучше сравнить нуклон со спелым абрикосом или персиком. В центре косточка керн, а вокруг — мякоть, плотная внутри и очень мягкая, рыхлая снаружи.