Охота за кварками

Ж. Перрен был известным популяризатором науки (его книга «Атомы», 1913 год, стала классической и воспитала не одно поколение). Образы, сравнения давались ему легко; модели, аналогии быстро соскальзывали с кончика его пера. Гораздо труднее было обосновать, экспериментально доказать правильность тех пли иных моделей.

Спор Дж. Томсона и Ж. Перрена решил опыт. Физики прибегли к средству, которое впоследствии принесло им столько побед — они занялись атомной стрельбой по атомным же мишеням. Руководил этой пальбой Э. Резерфорд (1871–1937).

Сын шотландца, эмигрировавшего в Новую Зеландию и ставшего там фермером, Э. Резерфорд поступил в Новозеландский университет. Еще студентом заинтересовался он беспроволочным телеграфом и построил детектор электромагнитных колебаний. Это дало ему право на поездку в Англию в Кавендишскую лабораторию, которой руководил Дж. Томсон.

Момент был драматическим. Э. Резерфорд был вторым кандидатом. Английским стипендиатом мог стать и не он.

Однако — к великому счастью для пауки — первый претендент решил жениться и остаться в Новой Зеландии.

Рассказывают, что эти новости настигли Э. Резерфорда, когда он выкапывал картошку на ферме своего отца.

Отбросив лопату далеко в сторону и заявив: «Это последняя картошка, которую я выкопал», Э. Резерфорд отложил свою собственную женитьбу — он был помолвлен — и уехал в Англию.

Дж. Томсон вскоре вполне оценил громкий голос, не очень вежливые манеры новичка и его (сам метр был неважным экспериментатором) очень ловкие в работе руки.

Первые исследования Э. Резерфорд а были посвящены радиоактивности. Именно он дал название альфа (а)-, бетта (р) — и гамма (у) — лучам, ввел период полураспада радиоактивных элементов, доказал, что альфа-лучи представляют собой ионизованные (лишенные двух электронов) атомы гелия.

Э. Резерфорд действовал в науке стремительно и плодотворно. В 1908 году он был удостоен Нобелевской премии, но не по физике, а по химии. Ученый негодовал, возмущался: он был физиком, что называется, с головы до ног и старался совсем не совать свой нос в химию.

И вдруг такое!.. И если его что-то и утешало, так это быстрые успехи в атомной стрельбе.

С 1906 года лорд Нельсон (позднее, в 1931 году, за научные заслуги Э. Резерфорд получил этот громкий титул), действующий совсем в духе прославленного английского флотоводца, организовал систематический обстрел атомов. Снарядами были α-частицы, мишенью — металлические экраны из фольги.

Результаты этих исследований вскоре потрясли научный мир, хотя все это было похоже на стрельбу из пушек по воробьям!

Действительно, подавляющее большинство атомных снарядов с легкостью пролетало сквозь толстенный слой золотой фольги (толщиной в несколько тысяч атомов), как если бы она была прозрачной, и регистрировалось на фотопластинке, помещенной за экраном. Следовательно, атом в целом представляет собой весьма рыхлое образование с множеством пустых областей. (Так ученик опроверг модель своего учителя Дж. Томсона.)

Однако, к удивлению Э. Резерфорда, отдельные α-частицы искривляли свою траекторию заметным образом.

Некоторые даже поворачивали назад! «Как если бы я увидел 16-дюймовый снаряд, отскочивший от листа газетной бумаги» — так комментировал свои опыты экспансивный Э. Резерфорд. Он же дал и верную интерпретацию этому явлению. Вывод мог быть только один: частицы-пробники сталкивались с чем-то очень массивным, непроницаемым и заряженным положительно.

Так Э. Резерфорд в 1911 году открыл у атома ядро.

Атомно-артиллерийские залпы раздробили-таки атом, подтвердив верность планетарной модели Ж. Перрена.

Атом теперь можно было разбирать на части: ядра и электронные оболочки. И еще в атоме было преизобилие пустоты, того вакуума, о котором первым заговорил Демокрит.

Электроны способны перемещаться относительно ядра.

Они «размазаны» по пространству. Потому-то атомы и выглядят твердыми материальными образованиями. Но все это видимость, мишура. Легко показать, что пустота отвоевала себе в атоме львиную долю объема.

Размер атома 10^-8 см, его объем 10^-24 см³. Те же величины для ядра (следствие опытов и расчетов Э. Резерфорда): 10^-12 см (размер ядра) и 10^-36 см³. Так что на долю ядра в атоме приходится только 10^-36/10^-24 = = 10^-12 часть (!), где и сконцентрировано 99,9 процента всей массы атома.

Так вакуум еще раз, и очень весомо, напомнил о себе.

«Зоологический» период

Две тысячи лет понадобилось науке, чтобы удостовериться в том, что все вещества состоят из молекул. Еще через 200 лет ученые низвели молекулы до атомов, разъяв и их на составляющие. А всего примерно 20 лет спустя они осознали, какое скопище частиц скрывается под атомной оболочкой.

В 1914 году Э. Резерфорд подверг обстрелу электронами водород. При этом нейтральные атомы становились положительно заряженными. Ученый отождествил их с положительным зарядом, находящимся согласно ядернопланетарной модели Ж. Перрена в центре атома водорода. Так был открыт протон. Имя ему дал Э. Резерфорд.

Дальше — больше: в 1930–1932 годах тот же лихой артатомообстрел выбил из недр ядра новую частицу — нейтрон (он подобен протону, но лишен заряда, «нейтрум» по-латыни значит «ни то, ни другое»). Тогда же (1932) советский физик Д. Иваненко выдвинул гипотезу — она вскоре была подтверждена и общепринята, — что все атомные ядра состоят из протонов и нейтронов.

Наконец-то смысл таблицы Менделеева стал абсолютно ясен. Количество протонов в ядре и равное ему количество электронов на орбитах определяет тип атома, его точное место в таблице Менделеева. Суммарное же количество протонов и нейтронов в ядре обусловливает атомную массу.

На радостях физики собрались за праздничным столом. Однако заздравные тосты — славили стройность картины мироздания! — то и дело прерывали все новые и новые сообщения об открытии нежданных, казалось бы, даже лишних, непрошеных элементарных частиц.

Этот «бум» открытий требовал все новых имен. В спешке частицы сылп называть просто буквами. Так возникли А-частицы, Z-частицы и многие другие.

Позитрон, нейтрон, мю-, пи-, ка-мезоны, дельта-барионы, омега-гипероны, антипротон, антинейтрон, кси-минус-гиперон, анти-снгма-мииус-гиперон, многочисленные резонансы, о которых ученые долго спорили, считать ли их за элементарные частицы или нет, семейство пси-частиц…

Получилось, что в шутливом лозунге из фильма М. Ромма «9 дней одного года» (А. Баталов и И. Смоктуновский играли в нем физика-экспериментатора и физика-теоретика) — «Откроем новую частицу в третьем квартале!» — был вполне реальный смысл. Ведь примерно за 30 лет, считая с послевоенного 1945-го, в среднем в мире открывали одну частицу в месяц!

Было отчего сойти с ума. Демографический взрыв народонаселения на планете сопровождался «демографическим взрывом» и в ядерной физике. Число элементарных частиц достигло к 1974 году двух сотен — примерно в два раза больше, чем элементов в таблице Менделеева!

Раздраженные, огорченные неудачей многочисленных попыток как-то систематизировать ораву элементарных частиц, навести тут хотя бы относительный порядок, физики назвали это смутное время «зоологическим» периодом. (Об этой черной полосе ядерной физики и вспоминал в начале этой главы Д. Блохинцев.)

В те времена какой-то весельчак подсчитал, что с 1911 года число элементарных частиц удваивалось каждые 11 лет (средний период солнечной активности!). Он же отметил, что точно так же (лишь немного медленнее, всего на 1 процент) растет и численность физиков. Но тогда получалось (задача на сложные проценты), что через 13 тысяч лет на Земле будет ровно столько физиков, сколько открыто будет к тому времени элементарных частиц. И каждый физик станет специализироваться на своей собственной частице, и каждый будет прославлен.

Но ученые смеялись сквозь слезы: «элементарными» можно назвать три, пять, ну, десяток микрообъектов, не больше! Счет же на сотни означал одно: физика элементарных частиц переживает кризис. Теперь необходимо было уже не открывать новые частицы, а «закрывать» старые.