Кварки, протоны, Вселенная

И еще одно важное отличие строения нуклона от атома. Электрон присутствует в атоме всегда, а мезон рождается и тут же исчезает. Нуклон как бы пульсирует или, лучше сказать, мигает. Вспыхнет мезонным «светом» и погаснет, снова вспыхнет и снова погаснет... Его структура — это усредненный или, как говорят физики, динамический эффект.

Получается, что при малом увеличении окружающие нас тела —твердые, а при большом увеличении они выглядят как динамические пульсирующие системы.

Сложной внутренней структурой должны обладать все частицы; любая из них окружает себя облаком рож-дающихся и исчезающих дочерних частиц. Правда, сведения об этом пока еще скудны, но о мезоне, например, кое-что определенное уже известно.

Прежде всего внесем важное уточнение. Открыто много различных типов мезонов — несколько десятков. Друг от друга они отличаются массой и другими свойствами. Один из самых легких, входящий в состав нуклона мезон, называют пи-мезоном. Он раз в семь легче протона. Частицы, образующиеся при слиянии двух и трех пи-мезонов, называют ро- и омега-мезонами. Все эти названия происходят от соответствующих греческих букв π, ρ, ω, которыми физики обозначают частицы.

Есть впрочем, еще К-мезоны, свойства которых в свое время так поразили физиков, что они отнесли эти частицы к разряду странных. Это название так за ними и сохранилось. Их масса составляет около половины массы нуклона. Ну, а самые тяжелые мезоны, обозначаемые большими буквами X и Y, весят раз в сто больше протона и нейтрона — примерно столько же, сколько атом брома или даже молибдена! Не исключено, что в природе существуют и более тяжелые частицы.

Можно составить целый каталог мезонов. Все они — нестабильные, короткоживущие частицы. Самый устойчивый и самый легкий из них, мю-мезон, живет приблизительно миллионную долю секунды и распадается на электрон и нейтрино. Заряженные пи-мезоны живут в 100 раз меньше, а их нейтральный брат еще в 100 миллионов раз меньше — около 10^-10 секунд. Нейтральный пи-мезон почти мгновенно распадается на два фотона с большой энергией: вещество превращается в коротковолновое электромагнитное излучение.

Кстати сказать, с открытием пи- и мю-мезонов произошла занятная путаница. В середине 30-х годов мезон был теоретически предсказан физиком Хидеки Юкавой. Понадобился он для того, чтобы объяснить сильное притяжение нуклонов внутри ядра. Из расчетов следовало, что мезон должен быть в 200—300 раз тяжелее электрона. Вскоре частицу с такой массой обнаружили в космических лучах. Однако, к удивлению физиков, она легко проходила сквозь толстые железные и свинцовые экраны, и оставалось загадкой, каким же образом столь слабо взаимодействующая частица может так плотно связывать нуклоны в ядрах. Ответ был найден уже после войны. Оказалось, что существует не один, а два мезона: один — более легкий и слабо взаимодействующий (его-то и открыли в предвоенные годы) и другой — предсказанный Юкавой сильно взаимодействующий пи-мезон. Физиков сбила с толку близость масс этих частиц. Да никто в то время и не думал, что мезонов, может быть много. Все были уверены, что раз частицы «элементарные», то их число невелико.

Овальное, плоское, как изображение на медальоне, лицо с короткими прямыми бровями и высоким, почти квадратным лбом — таков портрет знаменитого теоретика Юкавы (до женитьбы его имя было Хидеки Огава, но, женившись, он, по японскому обычаю, взял фамилию жены — Юкава). Жизнь Юкавы не богата внешними событиями. Он не строил реакторов и не создавал атомных бомб, как Энрико Ферми, и не бежал из оккупированного фашистами родного города в бомбовом отсеке самолета, подобно Нильсу Бору. Если не считать коротких научных командировок, то всю свою жизнь он прожил в древней столице Японии Киото — небольшом, тихом научном городке вблизи Токио. Много зелени,-храмов, памятников старины...

Юкава был пятым ребенком из семи, родившихся в семье известного профессора географии. Первые шаги в науке он сделал в конце 20-х годов, когда на Западе физика была взбудоражена идеями квантовой теории и каждый номер физического журнала приносил сенсационные новости. А в университете, где Юкава получил место ассистента, в то время не было ни одного человека, который мог бы читать лекции по квантовой механике. Сам Юкава познакомился с нею во время публичной лекции приезжего профессора из Европы. Трудно поверить, что всего лишь через шесть лет появилась его знаменитая мезонная теория.

Недавние совместные опыты советских и американских физиков привели к выводу, что предсказанный Юкавой пи-мезон имеет почти такой же радиус, как и протон. Поразительный результат: часть имеет такие же размеры, что и целое! Мало того, теория предсказывает, что пи-мезон должен обладать слоистой структурой, периферия которой образуется в результате его распада на несколько... точно таких же пи-мезонов! Рождаясь, они сильно взаимодействуют между собой и быстро слипаются вновь в один пи-мезон. Получается такая же «мигающая» структура, как и у протона. В ее центральных областях рождаются и поглощаются тяжелые частицы. Центр мезона должен быть более, плотным и массивным, чем его периферия.

Насколько верна эта картина, покажут дальнейшие эксперименты. Слишком необычен внутренний мир частиц, чтобы можно было заранее быть в чем-нибудь уверенным.

Заряженные пи-мезоны распадаются за стомиллионную долю секунды, время жизни наименее устойчивых частиц изображается десятичной дробью более чем с двумя десятками нулей после запятой. Эти частицы распадаются, едва образовавшись. Тем не менее физики успевают рассмотреть даже такие эфемерные объекты. В соответствии с теорией относительности, когда частица движется, ход времени для нее замедляется и время ее жизни возрастает. Чем больше скорость частицы, тем дольше она живет. Быстрый космический мю-мезон, например, успевает за свою жизнь пройти сквозь всю толщу земной атмосферы. Если же время жизни частицы остается все-таки слишком коротким и приборы не успевают его заметить, то ее свойства определяются с помощью анализа вторичных, образовавшихся при ее распаде частиц. Это очень сложная задача; для ее решения часто приходится использовать мощные вычислительные машины.

Особенно трудно что-либо сказать о внутреннем строении электрона, хотя, казалось бы, известен он давно и к нему все привыкли. Дело в том, что радиус электрона, как показывают расчеты, должен быть по крайней мере в тысячу раз меньше радиуса протона. Песчинка рядом с валуном! Как заглянуть в глубины такой песчинки, если и «валун» до конца не исследован!

Впрочем, в том факте, что электрон так мал, можно усмотреть и счастливое обстоятельство: точечный электрон может служить хорошим снарядом для прощупывания других, более крупных частиц.

Удивительная природа элементарных частиц! Но самое, наверное, удивительное, с чем мы сталкиваемся, изучая их строение, это то, что внутри частицы и качестве ее составной части может находиться точно такая же частица или даже несколько таких частиц. Например, как уже говорилось выше, протон состоит из протона и пи-мезона, который не уступает ему в размерах, пи-мезон, в свою очередь,— из трех таких же мезонов и так далее. Это напоминает одно из упражнений буддийских монахов, когда путем поста и молитв человек доводит себя до галлюцинаций. Ему кажется, что из его пупка вырастает стебель с цветком лотоса, в чашечке которого сидит Будда, из пупка которого растет еще один цветок с Буддой, и так далее — живая цепь, уходящая в бесконечность.

Привычные для нас представления о простом и сложном, о целом и части в мире частиц часто оказываются неприменимыми. Мы привыкли к тому, что целое всегда сложнее и больше любой своей части. В микромире же часть может быть не менее сложной и более массивной, чем целое. В атоме, к примеру, энергия почти целиком сконцентрирована в его ядре и в орбитальных электронах. Энергия связи их составных частей невелика, и их взаимодействие практически не сказывается на их свойствах. Здесь применимы наши обычные представления о соотношении целого и части. Ядро атома — уже значительно более плотная система, однако и здесь на энергию связи протонов и нейтронов приходится не более одного процента полной энергии, и наши представления о целом и части остаются незыблемыми: ядро, как из кирпичиков, сложено из нуклонов, и их размеры меньше ядра. Пока все в порядке.