Вселенная в электроне

Когда часть больше целого

Казалось бы, если частица элементарная, то она не должна иметь частей. Иначе какая же это элементарность, если есть более простые части! И вот первый сюрприз, который природа преподнесла физикам, состоял в том, что элементарная частица протон имеет части!

Когда рядом с протоном находится другой протон или нейтрон, он «играет» с ними в мезонный бадминтон. Если же протон одинок, он играет сам с собой — испускает пи-мезон и поглощает его обратно, снова испускает, ловит и так далее, — как жонглер в цирке. Наверное, все не раз наблюдали, как быстрое мелькание шарика создает впечатление, что вокруг жонглера их целое облако. Так и с протоном. Очень быстро испуская и поглощая обратно мезон, он тоже создает вокруг себя облако частиц. Время каждого отдельного акта испускания и поглощения очень мало, но благодаря многократным их повторениям возникает усредненная по времени пространственная размазка заряда и массы. Образно говоря, нуклон пульсирует, а еще лучше сказать — мигает. Вспыхнет «мезонным светом», погаснет, потом все повторяется заново и так без конца.

Вот как интересно получается: вокруг нас твердые, застывшие тела, а на микроуровне мир, как живой, там все дышит, пульсирует, вращается!

Испустив положительно заряженный мезон, протон превращается в нейтрон, а нейтрон после испускания отрицательного мезона становится протоном. Если же испускается нейтральный мезон, то протон остается протоном, а нейтрон — нейтроном. Во всех случаях пи-мезон, как часть, входит в состав протона и нейтрона.

Сам пи-мезон тоже окружает себя облаком частиц-мячиков. Он на короткое время испускает пару пи-мезонов. Почему именно пару, а не один мезон — это сложный вопрос, связанный с особенностями этой частицы. Для нас сейчас важно то, что пи-мезон не только состоит из частей, но что эти части не отличаются от целого. Мезон состоит из мезонов! Это все равно, как если бы из пчелиного улья вылетали не пчелы, а другие, подобные ему, ульи.

Более того, на очень короткое время мезон может превратиться в нуклон и антинуклон. Например, положительно заряженный мезон π⁺ — в протон и антинейтрон, нейтральный мезон π⁰ — в протон и антипротон и так далее. Тут уж часть намного больше целого. Получается как в сказке — кит на воде, а вода на ките! Это был второй поразительный сюрприз, преподнесенный природой физикам.

Сегодня известно, что все элементарные частицы имеют «мигающее» строение и содержат внутри себя различные типы легких и тяжелых частиц. Чем легче испущенная частица, тем дальше может она удалиться от центра, прежде чем будет поглощена обратно. Тяжелые частицы, наоборот, жмутся ближе к центру. Поэтому внутренняя центральная часть любой элементарной частицы (ее называют керном — сердцевиной) значительно более массивная и плотная, чем периферия, окраина.

Всякая элементарная частица окутана слоистым «облаком» или, как еще говорят, одета в «шубу» из рождающихся и быстро исчезающих частиц. Даже кванты света — фотоны и всепроникающие нейтрино — имеют свои «шубы». Вокруг них рождаются электроны и позитроны. Только это происходит весьма редко, и «шубы» у фотона и нейтрино необычайно «воздушные», почти эфемерные, как говорится, на рыбьем меху! Лишь на расстояниях, в тысячи раз меньших «шубы» протона, эти частицы приобретают нечто вроде тонкого «свитера», состоящего из мю-мезонов. Такую же тонкую и тесную «шубу» имеет и электрон.

Элементарные частицы, в свою очередь, тоже состоят из элементарных частиц. Получается единая крепко сплетенная сеть, где нет начала и конца, а все частицы одновременно являются и элементарными и сложными. Понятия простого и элементарного в современной физике не совпадают. И самое удивительное здесь то, что часть может быть больше целого. Ничего подобного еще никогда не встречалось. Известный советский физик-теоретик Д. И. Блохинцев как-то в шутку заметил: если атом уподобить органу, то элементарная частица — это аккордеон, рождающий не звуки, а музыкальные инструменты: то барабан, то скрипку, а иногда и большой концертный рояль!

В окружающем нас мире «больших», макроскопических, явлений это противоречит здравому смыслу, выглядит полнейшей бессмыслицей. Но в микромире такое возможно, природа устроена хитрее и изобретательнее любой человеческой фантазии.

Но как быть с законами сохранения массы и энергии? Ведь если протон, оторвав от себя увесистый «кусочек» в виде пи-мезона, остается тем же протоном, откуда взялся «материал» для мезона? Что-то тут не так, не может же, в самом деле, мезон возникнуть «из ничего»!

Энергетическая ванна

Противоречие, можно сказать, налицо. Особенно, когда мезон распадается на нуклон и антинуклон. Конечные частицы в этом случае весят в четырнадцать раз больше начальной. Чтобы понять, как это может быть, нам придется отправиться в далекое путешествие — снова в Древнюю Грецию, а точнее, в окруженный высокими стенами греческий город на юге Апеннинского полуострова, где жил знаменитый греческий ученый Архимед. Его интересовали не только глубокие теоретические проблемы, много времени он отдавал решению практических задач — конструировал подъемные механизмы, создавал военные машины для обороны города, а иногда занимался и более мелкими, но не менее трудными вопросами. Один из таких вопросов задал ему правитель города царь Гиерон. В благодарность за победу, одержанную его войском, царь решил пожертвовать богам золотой венец. Он отвесил мастеру необходимое количество золота, но когда тот принес изготовленную драгоценность, Гиерон — по преданию, очень скупой и жестокий человек — усомнился в его честности и повелел Архимеду придумать, как изобличить плута, не портя, однако, драгоценного венца. Архимед долго не мог сообразить, как справиться с таким необычным поручением. Но вот однажды, садясь в ванну, он заметил, что погруженное в воду тело заметно легчает. Искомое решение задачи четко предстало перед его умственным взором. Говорят, что с криком: «Эврика!» («Нашел!») — обрадованный Архимед среди бела дня голым бежал по городу к дворцу царя.

Эффект Архимеда — жидкость снизу давит на тело и компенсирует часть его веса. Об этом идет речь на уроках физики в седьмом классе. И вот оказывается, что этот «банный эффект» играет важную роль внутри элементарной частицы. Только место воды там занимает энергия. Образно выражаясь, «куски» частицы погружены в силовое поле взаимодействия — в своеобразную энергетическую ванну, и их масса уменьшается. Энергия взаимодействия внутри частицы имеет отрицательный знак — ведь для того, чтобы растащить притягивающиеся друг к другу части, надо затратить энергию. Она-то и компенсирует излишек энергии частей элементарной частицы.

Энергетическая «ванна» есть и в атоме. В нее «налита» энергия электромагнитного взаимодействия электронов с ядром. Оно в тысячи раз слабее сил, действующих внутри элементарных частиц, поэтому плотность энергии во внутриатомной «ванне» очень мала и погруженные в нее электроны почти не теряют в своем весе, так же, как мы, люди, в бассейне земной атмосферы.

Плотность энергии, которой наполнено ядро атома, значительно больше. Потеря веса здесь составляет уже проценты. А внутри элементарных частиц взаимодействие их частей настолько велико, что они как бы «растворяются» в энергии взаимодействия. Получается что-то вроде сильно разваренных ягод в густом варенье. На связь частей уходит значительное количество общей энергии и массы. В этом главное отличие элементарной частицы от атомного ядра и всех других микрочастичек, которые мы называем составными, хотя все они имеют сложное внутреннее строение.

Современную физику нельзя просто выучить, к ней надо еще и привыкнуть!

Но с лестницей, которая ведет в недра материи, происходит что-то странное. Атомы расположены глубже молекул, ядра глубже атомов, а вот в протоне уже все смешалось. Ступеньки налезают друг на друга, громоздятся… Уже и не скажешь сразу, спускаемся мы или топчемся на месте…