Георгий Гамов - Приключения Мистера Томпкинса

• Название: Приключения Мистера Томпкинса
• Автор: Георгий Гамов
• Издательство: Бюро Квантум
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1993

В данную книгу включены два научно-популярных произведения известного американского физика и популяризатора науки — повесть «Мистер Томпкинс в Стране Чудес», не без юмора повествующая о приключениях скромного банковского служащего в удивительном мире теории относительности, и повесть «Мистер Томпкинс исследует атом», в живой и непринужденной форме знакомящая читателя с процессами, происходящими внутри атома и атомного ядра. Книга предназначена для школьников, студентов и всех, кто интересуется современными научными представлениями.

---

Глава 15

Мистер Томпкинс знакомится с японской кухней

Однажды Мод отправилась на выходной навестить тетушку в Йоркшире, и мистер Томпкинс пригласил профессора отобедать с ним в знаменитом японском ресторане. Расположившись на мягких подушках за низким столиком, они пробовали деликатесы японской кухни и потягивали из чашечек сакэ.

— Скажите, пожалуйста, — обратился к профессору мистер Томпкинс, — доктор Таллеркин упомянул в своей лекции, что протоны и нейтроны удерживаются в ядре особыми силами сцепления. Это те самые силы, которые удерживают электроны в атоме?

— О, нет! — возразил профессор. — Ядерные силы представляют собой нечто совершенно другое. Атомные электроны притягиваются к ядру обычными электростатическими силами, впервые подробно исследованными французским физиком Шарлем Опостеном де Кулоном в конце XVIII века. Это сравнительно слабые силы, убывающие обратно пропорционально квадрату расстояния от центра. Ядерные силы имеют совершенно иную природу. Когда протон и нейтрон сближаются вплотную, но не соприкасаются, то между ними ядерные силы практически не действуют. Но как только частицы входят в прямой контакт, между ними возникает необычайно мощная сила, которая удерживает их вместе. В этом смысле протон и нейтрон напоминают два кусочка липкой ленты, которые не притягивают друг друга даже на малых расстояниях, но становятся неразлучными, как братья, стоит лишь им соприкоснуться. Физики назвали силы, удерживающие протоны и нейтроны в ядре, сильным взаимодействием. Эти силы не зависят от электрического заряда двух частиц и с одинаковой интенсивностью действуют и между двумя нейтронами, и между протоном и нейтроном, и между двумя протонами.

— Существуют ли какие-нибудь теории, объясняющие сильное взаимодействие? — спросил мистер Томпкинс.

— Существуют. В начале 30-х годов японский физик Хидеки Юкава высказал гипотезу о том, что сильное взаимодействие обусловлено обменом какой-то неизвестной частицей между двумя нуклонами (нуклон — это собирательное название протона и нейтрона). Когда два нуклона сближаются, между ними туда и обратно начинают прыгать какие-то загадочные частицы, что и приводит к возникновению сильной связи, удерживающей нуклоны вместе. Юкаве удалось теоретически оценить массу гипотетических частиц. Оказалось, что она примерно в 200 раз больше массы электрона, или примерно в 10 раз меньше массы протона или нейтрона. Такие частицы получили название мезатронов. Но отец Вернера Гейзенберга, бывший профессором классических языков, возразил против столь грубого нарушения древнегреческого языка. Дело в том, что название электрон происходит от греческого ηλεκτρον (янтарь), а название протон происходит от греческого πρώτον (первый). Название же частицы Юкавы было образовано от греческого μέσον (середина), в котором нет буквы ρ. Выступив на Международной конференции физиков, Гейзенберг-отец предложил заменить название мезатрон на мезон. Некоторые французские физики возражали потому, что несмотря на другое написание новое название звучит, как французское слово maison (дом, домашний очаг). Однако их доводы не были приняты во внимание коллегами из других стран, и новый термин прочно укоренился в ядерной физике. Но взгляните на сцену. Сейчас нам покажут мезонное представление!

Действительно, на сцене появились шесть гейш, которые начали играть в бильбоке: в каждой руке у гейш было по чашке и они ловко перебрасывали шарик из одной чашки в другую и обратно. Между тем на заднем плане появился мужчина и запел:

For a meson I received the Nobel Prize,
An achievement I prefer to minimize.
Lambda zero, Yokohama,
Eta keon, Fujiyama —
For a meson I received the Nobel Prize.
They proposed to call it Yukon in Japan,
I demurred, for I'm a very modest man.
Lambda zero, Yokohama,
Eta keon, Fujiyama —
They proposed to call it Yukon in Japan.

(За мезон я получил Нобелевскую премию,
Но хотел бы, чтобы об этом поменьше шумели.
Лямбда ноль, Иокогама,
Эта каон, Фудзияма —
За мезон я получил Нобелевскую премию.
В Японии мезон предпочитают называть юконом,
Я противлюсь этому, так как человек я очень скромный.
Лямбда ноль, Иокогама,
Эта каон, Фудзияма —
В Японии мезон предпочитают называть юконом.)

— А почему выступают три пары гейш? — спросил мистер Томпкинс.

— Они изображают три возможных варианта обмена мезонами, — пояснил профессор. — Мезоны бывают трех типов: положительно заряженные, отрицательно заряженные и электрически нейтральные. Возможно, что ядерные силы порождены мезонами всех трех типов.

— Итак, ныне существуют восемь элементарных частиц, — подвел итог своим размышлениям мистер Томпкинс и принялся считать на пальцах, — нейтроны, протоны (положительно и отрицательно заряженные), положительно и отрицательно заряженные электроны и мезоны трех сортов.

— Нет! — воскликнул профессор. — Элементарных частиц сейчас известно не восемь, а ближе к восьмидесяти. Сначала выяснилось, что существуют две разновидности мезонов, тяжелые и легкие. Тяжелые мезоны физики обозначили греческой буквой пи и назвали пионами, а легкие — греческой буквой мю и назвали мюонами. Пионы рождаются на границе атмосферы при столкновении протонов очень высокой энергии с ядрами газов, образующих воздух. Но пионы очень нестабильны и распадаются, прежде чем достигнут поверхности Земли, на мюоны и нейтрино (самые загадочные из всех частиц), которые не обладают ни массой, ни зарядом, а только переносят энергию. Мюоны живут несколько дольше, около нескольких микросекунд, поэтому они успевают достигнуть поверхности Земли и распадаются на наших глазах на обычный электрон и два нейтрино. Существуют также частицы, обозначаемые греческой буквой ка и называемые каонами.

— А какие из частиц используют эти гейши в своей игре? — поинтересовался мистер Томпкинс.

— По-видимому, пионы, скорее всего нейтральные (они играют наиболее важную роль), но я не вполне уверен. Большинство новых частиц, открываемых ныне почти каждый месяц, настолько короткоживущие, даже если они движутся со скоростью света, что распадаются на расстоянии нескольких сантиметров от места рождения, и поэтому даже чувствительные приборы, запускаемые в атмосферу на шарах, «не замечают» их.

Но теперь у нас есть мощные ускорители частиц, способные разгонять протоны до столь же высоких энергий, какие те достигают в космическом излучении, т. е. до многих тысяч миллионов электрон-вольт. Одна из этих машин под названием лоуренстрон расположена здесь неподалеку, ближе к вершине холма, и я буду рад показать ее вам.

После непродолжительной поездки на автомашине профессор и мистер Томпкинс подъехали к огромному зданию, внутри которого находился ускоритель. Войдя в здание, мистер Томпкинс был потрясен сложностью гигантского сооружения. Но по заверению профессора, ускоритель в принципе был не более сложен, чем праща, из которой Давид убил Голиафа. Заряженные частицы инжектировались (поступали) в центре гигантского барабана и, двигаясь по раскручивающимся спиралям, ускорялись переменными электрическими импульсами. Движением частиц управляет сильное магнитное поле.

— Мне кажется, я уже видел нечто подобное, — сказал мистер Томпкинс, — когда несколько лет назад посетил циклотрон, который назывался «атомной дробилкой».

— Вы совершенно правы, — подтвердил профессор. — Циклотрон, который вы тогда видели, был изобретен доктором Лоуренсом. Ускоритель, который вы видите здесь, основан на том же принципе, но он может разгонять частицы уже не до нескольких миллионов электрон-вольт, а до многих тысяч миллионов электрон-вольт. Два таких ускорителя были недавно сооружены в Соединенных Штатах. Один из них находится в Беркли (штат Калифорния) и называется бэватрон, поскольку разгоняет частицы до энергий в миллиарды электрон-вольт. Это чисто американское название, так как только в Америке тысячу миллионов принято называть биллионом. В Великобритании биллионом называется миллион миллионов, и никто в доброй старой Англии еще не пытался достичь столь высоких энергий. Другой американский ускоритель частиц находится в Брукхейвене, Лонг-Айленд, и называется космотрон. Это название несколько претенциозно, так как энергии, достижимые в космическом излучении, часто намного превышают те, до которых разгоняет частицы космотрон. В Европе, в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) близ Женевы, построены ускорители, сравнимые с двумя американскими ускорителями. В России, недалеко от Москвы, построен еще один ускоритель такого же типа, общеизвестный под названием хрущевтрон. Возможно, что теперь он будет переименован в брежневтрон.

Оглядевшись по сторонам, мистер Томпкинс обратил внимание на дверь, на которой красовалась надпись: