Охота за кварками

Но есть область науки, где получение из энергии вещества — обычное, рядовое явление. Это ускорители.

Здесь фокусы с возникновением всевозможных частиц давно уже никого не удивляют. И здесь можно добиться даже более эффектных трюков. Скажем, встретить сидящего в кастрюле… слона! Нелепица?

Вспомним про «ядерную демократию». Там утверждалось: любая частица содержит в себе весь остальной мир, а значит, и элементарные частицы, более тяжелые, чем «материнская». И следовательно, эти тяжеловесы (слоны!) действительно должны сидеть внутри частицы-легковеса (в кастрюле!).

Простая логика, но уже не житейская, а научная.

А с наукой спорить — только время терять.

«Все так, — заметит Иван Иванович Иванов, этот эталон здравого смысла! — Но ведь все это звучит по меньшей мере дико. Это похоже на сообщение о том, что некто, гуляя в подмосковном лесу, встретил майского жука величиной с Ту-154. Или, если быть более точным, ваше, физик, утверждение равносильно такой информации: на энском заводе авиаконструкторы из трех самолетов, без потерь материала, сконструировали и собрали одного обыкновенного (не гигантского) майского жука!»

«Да, именно нечто подобное имеется в виду, — следует хладнокровный ответ физика, с тем только добавлением, что события эти происходят в микромире…»

В сказке Ш. Перро «Кот в сапогах» (помните?) великан превратился в мышку и тут же был съеден котом.

Если бы мы так же могли сократиться в размерах и превратились в Homo hadronicus — крохотные существа, которым по плечу сильные взаимодействия, — то, будьте уверены, повидали бы немало чудес.

Разрезая адронный хлеб адронным ножом, мы получали бы горбушки, которые были бы тяжелее самих буханок. И каждый откусанный от ломтя кусок был бы весомее этого ломтя.

И мы бы, как пошутил один физик, с удовлетворением наблюдали бы такое: как бокал вина адронеули или адрукузани, разлитый по бокалам всей честной компании, наполнил бы их до венчика.

И ничего особо чудесного не представлял бы для нас и великан джинн, квартирующий в бутылке. И вообще слова «полез в бутылку» перестали бы быть только фигуральными…

Дефект масс

Здравый смысл говорит нам: если мы разрежем яблоко пополам, то каждая половина будет точно в два раза меньше и легче целого плода. Сложим обе половины и снова получим яблоко. Но не может такого быть, чтобы две половинки весили больше целого яблока.

В макромире, согласимся, такого действительно быть не может, а пот в мирз элементарных частиц… Разнимая вещество на все более мелкие части, физики вдруг обнаружили нарушение закона сохранения массы. Оказалось: масса целой частицы всегда меньше суммы масс частиц, ее составляющих. Явление это получило название «дефект масс».

Понять этот очередной парадокс природы можно так.

Возьмем килограмм картофеля. Мы точно уверены: полная масса пакета складывается из масс отдельных картофелин. Каждую из них можно легко отделить от других.

А теперь допустим, что картофелины сильно сцеплены друг с другом (как бы склеены невидимым клеем!). Тут уже приходится затратить энергию, чтобы картофелины растащить. Но по формуле Эйнштейна эта, как и всякая энергия, эквивалентна массе. И получается: каждая из отторгнутых от кучи картофелин должна теперь стать более массивной!

И никакого при этом нарушения закона сохранения энергии. Дефект масс просто восполняет выделение (если позволить картофелинам вновь «слипнуться») соответствующего количества энергии, и все получается, так сказать, баш на баш.

Пример с картофелем может показаться натяжкой.

Однако даже при горении обычных дров уже можно уверенно говорить о дефекте масс. Нетрудно строго показать, что тут суммарная масса продуктов реакции чуточку меньше, чем масса дров и кислорода воздуха. И эта разница в массе трансформируется в тепло — кинетическую энергию продуктов горения.

Но, конечно, в макромире дефект масс проявляет себя крайне слабо. Здесь тела ломаются (рвутся, бьются, истираются, расщепляются) благодаря электромагнитным взаимодействиям. Колем ли мы дрова, взрываем ли скалу, делим ли в сосуде жидкость на равные части, грызем ли яблоко, рвем ли бумагу в клочья — всюду мы всего лишь разрываем хилые электромагнитные связи.

Их крайняя слабость и создает видимость того, что часть всегда обязана быть легче целого.

В микромире все не так. Если энергию, передаваемую в химических реакциях (электромагнитные силы), принять за единицу, то в ядерных реакциях ее выделяется в миллионы, а при пертурбациях элементарных частиц — в миллиарды раз больше.

Хороший пример дает термоядерный синтез, о котором в последние годы так много говорят и пишут. И неспроста: тут дефект масс столь значителен, что энергетики связывают с термоядерной энергией самые большие надежды.

Пока… Ибо энергетика будущего может быть построена и на других основах. Возможно, гораздо больший эффект даст нам «сжигание»… кварков.

Дело вот в чем: каждый протон состоит из трех кварков. Но каждый кварк (есть и такое подозрение) раз в десять (фантастика науки) тяжелее протона. Да, толстые кварки запросто умещаются в чреве худенького протона.

Итак, вновь дефект масс: если три свободных (строго говоря, свобода кварков никем окончательно не запрещена!) кварка объединятся в протоне, выделится громадная энергия. Ее было бы достаточно для снаряжения кварколетов в межзвездные экспедиции. (Вероятно, именно с подобными процессами сталкиваются астрономы при наблюдении взрывающихся галактик и других грандиозных явлений в космосе.)

Кто то уже подсчитал: когда три кварка сольются в протоне. 95 процентов их массы «исчезнет» — превратится в энергию. И «утилизация» всего одного грамма кварков позволила бы высвободить уйму энергии, эквивалентной сжиганию 2500 тонн нефти.

Неплохие перспективы для энергетики землян!

Максимоны

Легкое из тяжелого? Дефект масс это разрешает. А объединение этого принципа с законами квантовой механики намертво запрещает даже слабый намек на мысль о том, что в микромире массивное может складываться из легчайшего.

Одно из многих чудес квантовой механики — это так называемое «соотношение неопределенностей» Гейзенберга. Суть тут та, что. чем меньше размеры области, где заключен исследуемый объект, тем больше его скорость или энергия, или, что то же, — масса. Поэтому, чем в большие глубины забираются исследователи, тем с большими массами они обязаны иметь дело.

Понятно, подобные идеи не могли возникнуть ни у Демокрита, ни у Лукреция Кара, ни у физиков более позднего времени. И им поневоле приходилось довольствоваться примитивными матрешечными построениями.

И только в наши дни появился совершенно новый взгляд на структуру микромира, который даже пригрезиться не мог древним мудрецам. Не матрешки, вложенные одна в другую и становящиеся все меньше, а, так сказать, «антиматрешки», «матрешки наоборот»: череда все более увеличивающихся в размерах куколок, размещающихся тем не менее в бесконечно малом объеме.

«Но откуда возьмутся такие великанши? — вправе спросить читатель. — Где эти громадины прячутся?»

Ответ таков: в ядре.

Эксперименты по рассеянию мезонов и других частиц-снарядов на нуклонах позволили «прощупать» (своеобразный рентген!) их внутреннее строение.

Основное вещество протона, как в атоме, сконцентрировано в его центральной части — керне (радиус керна около 5 x 10^-14 сантиметра). Однако если радиус атомного ядра приблизительно в сто тысяч раз меньше размеров самого атома, то радиус керна всего лишь в несколько раз меньше размеров протона (остальная часть протона — это мезонная оболочка, или «шуба»).

Атом своим строением напоминает солнечную систему. Протон же скорее всего похож на планету с массивным центральным ядром и окружающей ее протяженной атмосферой. Примерно то же самое можно сказать и про нейтрон.

Строение керна пока остается загадкой. Возможно, как подозревают некоторые ученые, керн нуклонов сложен из плотных сгустков очень тяжелых частиц. Там, вероятно, и находятся матрешки-гиганта.