Охотники за частицами

Значение этого успеха оказалось куда большим, чем можно было ожидать. Пользуясь представлением об «игре в мяч», физики смогли подобрать ключ к решению такой важнейшей и труднейшей проблемы, как электрическое взаимодействие тел.

Подход старой физики к этому вопросу вам отлично известен. Он начинается со знаменитой фразы из учебника: «Одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно заряженные — притягиваются». Что ж, это факт, твердо установленный на опыте.

Но почему разноименно заряженные тела чувствуют такое неодолимое влечение друг к другу? Старая физика любезно поясняет: вокруг заряженного тела существует электрическое поле, которое действует с определенной силой на все другие заряженные тела, попавшие в это поле.

А что такое тогда поле? Тело, что выделяет его? Или все это надо представлять себе иначе?

Старая физика умолкает. Она никак себе не представляет поле. Поле есть поле — и баста!

Вопрос перекладывается на плечи квантовой механики. Она лучше вооружена для его решения. В ее арсенале — кванты электромагнитной энергии — фотоны Эйнштейна и замечательные соотношения неопределенностей Гейзенберга. И, наконец, на ее вооружение поступает то, о чем мы только что рассказали, — обменное взаимодействие.

Теперь можно начинать игру. Ее правила: все электрически заряженные тела обмениваются фотонами, которые они как бы извлекают из себя. Но осторожнее, на вышке сидит зоркий наблюдатель — старая физика. Однажды она уже пыталась подловить квантовую механику на просачивании частиц сквозь барьеры. Так и сейчас: ничего нельзя делать незаконно с ее точки зрения.

Чтобы извлечь из себя фотон и бросить его партнеру, нужно затратить энергию, которой ни у одного из партнеров нет. Это явное беззаконие. Но если такое преступление проделать очень быстро, то старая подслеповатая физика может и не заметить. Ну, раз-два! Плохо, медленно, так дело не пойдет.

Помните? Если измерять энергию одно мгновение, то измерение даст совершенно неопределенный результат. Тогда под покровом этой полнейшей неопределенности можно обмениваться мячами-фотонами хоть с любой энергией. Но фотон-то летит не мгновение. Скорость его хоть и очень велика, но все же не бесконечна. А значит, и расстояние между партнерами он пролетает за какое-то время. И чем больше это время, тем меньше допустимая «кража» энергии.

В этом-то все дело! Значит, энергия фотона, то есть энергия, которую каждый из партнеров украл незаконно у самого себя, должна быть тем меньше, чем дальше отстоят обменивающиеся протонами партнеры, и наоборот. А чем меньше эта энергия, тем, понятно, слабее взаимодействуют партнеры. Вот вам и закон Кулона! Тот самый школьный закон о том, что сила притяжения или отталкивания заряженных тел обратно пропорциональна расстоянию между ними.

И если игра в мяч будет идти корректно, с соблюдением квантовых правил игры, то старая физика ни за что не заметит нарушения своих законов. Физики назвали такие процессы взаимодействия, в которых «незримо» нарушаются законы классической физики, процессами виртуальными. Запомните это слово: оно нам не раз встретится в дальнейшем.

Как мы уже сказали, этот волейбол Гейзенберг и предложил устроить в атомных ядрах. Новые игроки, новая площадка — и, видимо, совершенно другие мячи…

Фотоны здесь не подходят — нейтрон электрически не заряжен. И, кроме того, еще одно существенное отличие: мячи никогда не залетают за крошечную площадку. На редкость аккуратная игра.

Фотоны — те при малой энергии могли удаляться довольно далеко от бросивших их партнеров. Ведь чем меньше энергия фотонов, тем меньше «преступление», тем дольше оно может оставаться нераскрытым. А значит, тем большее пространство покроет фотон. На языке физики это звучит так: радиус действия электрического поля бесконечен!

Не то в ядре. Мячи сами никогда не залетают за пределы ядерной площадки. Это говорит о том, что их энергия имеет предел своему уменьшению.

А раз так, то мячами должны быть вещественные частицы!

На этом заключении надо немного остановиться. Нам опять понадобится известное соотношение Эйнштейна между массой и энергией.

Дело в том, что фотон, в отличие от всех вещественных частиц, никогда не может находиться в покое. Природа устроила его так, что он может лишь носиться со скоростью света. Но энергию при этом он может иметь какую угодно — это зависит лишь от его частоты. Пределов ей ни вверх, ни вниз нет. Потому мы наблюдаем и «нежные» кванты длинных радиоволн, и «зверские» кванты гамма-лучей.

А вот вещественные частицы пребывать в покое могут. В покое они имеют определенную массу и связанную с нею по соотношению Эйнштейна энергию покоя. Это — самая маленькая энергия для них. «Законным» путем сделать из нее хотя бы крошечный заем на свои нужды частицы не могут. В этом-то и причина, почему такой заем, разрешенный квантовой механикой, правда с соблюдением определенных правил, старая физика считает беззаконием.

Отсюда и ясно, что свою энергию вещественные частицы должны отсчитывать не от нуля, как вечный бродяга — фотон, а от энергии покоя. Меньшей энергии, строго говоря, частицы вещества иметь не могут.

А с другой стороны, эта наименьшая энергия и определяет то наибольшее расстояние между партнерами, которое может быть при игре вещественным мячом. И наоборот, по размерам площадки можно судить о массе мяча!

Размеры площадки уже известны, по крайней мере, по порядку величины — это примерные размеры ядра. Остается определить массу мяча. Это и делает, после ряда безуспешных попыток, предпринятых учеными разных стран, японский физик Хидеки Юкава в 1935 году.

Да, мяч оказывается весьма массивным! Он в добрых двести — триста раз массивнее электрона и всего лишь в шесть — девять раз легче самих игроков. Руки отмахаешь, играя в такой волейбол!

Новую частицу, запрятанную в недрах атомного ядра, предполагается назвать мезотроном. По-гречески «мезос» означает «средний», и действительно, новая частица располагается по массе где-то посредине между протоном и электроном.

Теперь можно понаблюдать за игрой. Она уже гораздо более занятна, чем игра двух атомов водорода в их молекуле.

Вот протон бросил положительно заряженный мезотрон. Мяч в игре! Но смотрите не на мяч, ищите игрока. Он исчез!

Да, протон, бросив мяч, избавился с ним от своего заряда и превратился в нейтрон. На ничтожную долю секунды в стане протонов появился чужой игрок. Но проходит эта доля секунды, нейтрон хватает мяч и сам превращается в протон. Теперь и в другой команде чужой игрок.

А если вы учтете, что каждая пара игроков обменивается мячом, да еще подхватывает «чужие» мячи и посылает свои в «чужие» пары, словно это не серьезная игра, а легкая тренировка, то поймете, как трудно подслеповатой старой физике уследить за всем этим. Она уже готова не обращать внимания на игроков, ей, дай бог, хотя бы поймать взглядом мяч!

Но и этого ей не удается. Мяч находится в воздухе каждый раз действительно сверхничтожно малое время — чуть поболее триллион-триллионной доли секунды! Чтобы представить себе столь ничтожную величину, не помогут никакие сравнения! Старая физика вообще никогда не увидит ни одного мяча в ядре — в нем они все виртуальные.

Физики же, исповедующие квантовую веру, пригляделись к ядерному волейболу и увидели там второй сорт мячей. Увидели так отчетливо, как если бы мячи одного сорта были выкрашены черной, а другого — белой краской!