Владилен Барашенков - Кварки, протоны, Вселенная

• Название: Кварки, протоны, Вселенная
• Автор: Владилен Барашенков
• Издательство: Знание
• Жанр: Физика
• Год: 1987

В книге рассказывается об узловых проблемах современной физической картины мира: о черных и белых дырах во Вселенной, о «прелестных», «ароматных» и «цветных» частицах — кварках, о космических мирах, спрятанных внутри частиц, о пустоте, которая оказывается не пустотой, а материальной субстанцией, о квантах пространства и квантах времени, о гипотетических монополях и антивеществе.

Для широкого круга читателей.

---

Овальное, плоское, как изображение на медальоне, лицо с короткими прямыми бровями и высоким, почти квадратным лбом — таков портрет знаменитого теоретика Юкавы (до женитьбы его имя было Хидеки Огава, но, женившись, он, по японскому обычаю, взял фамилию жены — Юкава). Жизнь Юкавы не богата внешними событиями. Он не строил реакторов и не создавал атомных бомб, как Энрико Ферми, и не бежал из оккупированного фашистами родного города в бомбовом отсеке самолета, подобно Нильсу Бору. Если не считать коротких научных командировок, то всю свою жизнь он прожил в древней столице Японии Киото — небольшом, тихом научном городке вблизи Токио. Много зелени,-храмов, памятников старины...

Юкава был пятым ребенком из семи, родившихся в семье известного профессора географии. Первые шаги в науке он сделал в конце 20-х годов, когда на Западе физика была взбудоражена идеями квантовой теории и каждый номер физического журнала приносил сенсационные новости. А в университете, где Юкава получил место ассистента, в то время не было ни одного человека, который мог бы читать лекции по квантовой механике. Сам Юкава познакомился с нею во время публичной лекции приезжего профессора из Европы. Трудно поверить, что всего лишь через шесть лет появилась его знаменитая мезонная теория.

Недавние совместные опыты советских и американских физиков привели к выводу, что предсказанный Юкавой пи-мезон имеет почти такой же радиус, как и протон. Поразительный результат: часть имеет такие же размеры, что и целое! Мало того, теория предсказывает, что пи-мезон должен обладать слоистой структурой, периферия которой образуется в результате его распада на несколько... точно таких же пи-мезонов! Рождаясь, они сильно взаимодействуют между собой и быстро слипаются вновь в один пи-мезон. Получается такая же «мигающая» структура, как и у протона. В ее центральных областях рождаются и поглощаются тяжелые частицы. Центр мезона должен быть более, плотным и массивным, чем его периферия.

Насколько верна эта картина, покажут дальнейшие эксперименты. Слишком необычен внутренний мир частиц, чтобы можно было заранее быть в чем-нибудь уверенным.

Заряженные пи-мезоны распадаются за стомиллионную долю секунды, время жизни наименее устойчивых частиц изображается десятичной дробью более чем с двумя десятками нулей после запятой. Эти частицы распадаются, едва образовавшись. Тем не менее физики успевают рассмотреть даже такие эфемерные объекты. В соответствии с теорией относительности, когда частица движется, ход времени для нее замедляется и время ее жизни возрастает. Чем больше скорость частицы, тем дольше она живет. Быстрый космический мю-мезон, например, успевает за свою жизнь пройти сквозь всю толщу земной атмосферы. Если же время жизни частицы остается все-таки слишком коротким и приборы не успевают его заметить, то ее свойства определяются с помощью анализа вторичных, образовавшихся при ее распаде частиц. Это очень сложная задача; для ее решения часто приходится использовать мощные вычислительные машины.

Особенно трудно что-либо сказать о внутреннем строении электрона, хотя, казалось бы, известен он давно и к нему все привыкли. Дело в том, что радиус электрона, как показывают расчеты, должен быть по крайней мере в тысячу раз меньше радиуса протона. Песчинка рядом с валуном! Как заглянуть в глубины такой песчинки, если и «валун» до конца не исследован!

Впрочем, в том факте, что электрон так мал, можно усмотреть и счастливое обстоятельство: точечный электрон может служить хорошим снарядом для прощупывания других, более крупных частиц.

Удивительная природа элементарных частиц! Но самое, наверное, удивительное, с чем мы сталкиваемся, изучая их строение, это то, что внутри частицы и качестве ее составной части может находиться точно такая же частица или даже несколько таких частиц. Например, как уже говорилось выше, протон состоит из протона и пи-мезона, который не уступает ему в размерах, пи-мезон, в свою очередь,— из трех таких же мезонов и так далее. Это напоминает одно из упражнений буддийских монахов, когда путем поста и молитв человек доводит себя до галлюцинаций. Ему кажется, что из его пупка вырастает стебель с цветком лотоса, в чашечке которого сидит Будда, из пупка которого растет еще один цветок с Буддой, и так далее — живая цепь, уходящая в бесконечность.

Привычные для нас представления о простом и сложном, о целом и части в мире частиц часто оказываются неприменимыми. Мы привыкли к тому, что целое всегда сложнее и больше любой своей части. В микромире же часть может быть не менее сложной и более массивной, чем целое. В атоме, к примеру, энергия почти целиком сконцентрирована в его ядре и в орбитальных электронах. Энергия связи их составных частей невелика, и их взаимодействие практически не сказывается на их свойствах. Здесь применимы наши обычные представления о соотношении целого и части. Ядро атома — уже значительно более плотная система, однако и здесь на энергию связи протонов и нейтронов приходится не более одного процента полной энергии, и наши представления о целом и части остаются незыблемыми: ядро, как из кирпичиков, сложено из нуклонов, и их размеры меньше ядра. Пока все в порядке.

Но вот в самом протоне уже все смешалось. Энергия связи его частей настолько велика, что внутри образуемого ими целого они теряют индивидуальность. Утверждение о том, что частица состоит из других частиц, теперь приобретает уже весьма условный характер. Идея чисто механической делимости вещества больше не применима.

Нуклон еще как-то можно представить себе наглядно, но чтобы представить себе мезон, надо вообразить что-то вроде трех проникающих друг в друга пульсирующих пузырей с уплотнениями в центрах. К этому надо добавить еще несколько тяжелых бусинок, изображающих нуклоны и антинуклоны внутри пузырей. Даже не бусинок, а тоже пузырей с размерами, как у самого мезона. Полная путаница и каша! Но ничего не поделаешь: объекты микромира с их противоречивой сущностью нельзя изобразить одной картинкой: они чересчур сложны для этого. Физики представляют себе их с помощью моделей. Это как бы проекции под разными углами. Каждая из них выделяет одно или несколько свойств частицы, оставляя другие в стороне. Иначе ничего не получается.

Наглядное представление о мезоне и нуклоне — это набор многих отдельных картинок, которые отчасти даже противоречат друг другу. Ну а насколько согласованной и полной получается при этом общая картина, это уже зависит от знаний, опыта, воображения и таланта того, кто создает картину. Как бы то ни было, ясно, что современную физику нельзя просто выучить, к ней надо еще и привыкнуть.

Итак, поскольку все частицы взаимодействуют между собой, каждая из них образует вокруг себя облако, состоящее из частиц всех сортов, легких — на периферии, тяжелых — в глубине. Можно сказать, что элементарная частица состоит сразу из всех элементарных частиц, в том числе и из подобных себе. Своеобразная «ядерная демократия»! Иногда это называют еще принципом шнуровки: всякая частица распадается на несколько других, те распадаются, в свою очередь, и так далее. Получается единая крепко сплетенная сеть, где нет ни начала, ни конца и все частицы одновременно являются и элементарными и сложными.

На современных ускорителях — этих локаторах микромира — удается прощупать лишь внешние, периферические слои частиц. О том, что находится глубже, можно лишь строить догадки. Подобно тому как близорукий человек не замечает без очков мелких подробностей, так и нынешний ускоритель не способен разглядеть, что творится глубоко в недрах частицы. Для этого нужны машины со значительно большей энергией.

Но почему же тогда протон, мезон и другие частицы называют элементарными? Ведь они устроены так сложно. Неужели в мире нет ничего более простого, действительно элементарного.

Характерная особенность частиц, которые относят к разряду элементарных, состоит в том, что в любых известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга — взаимопревращаются. Как в волшебной сказке, где заколдованный лев вдруг превращается в маленького мышонка, тот — в кошку, а кошка еще в кого-нибудь. Сталкиваясь, частицы, подобно льву или мышонку, изменяют свою форму, и никаких более простых «кусков» от них не отцепляется. В то же время из них, как из кирпичиков, можно построить весь окружающий мир.

Частицы называют элементарными по традиции, но физики отдают себе отчет в том, что каждый такой «элемент» — сложная материальная система.

И все же недавно физики нащупали еще один этаж в строении вещества — нашли частицы, которые по сравнению со всеми открытыми раньше можно считать сверхэлементарными. Это кварки и антикварки — микрообъекты, которые находятся внутри элементарных частиц и которые пока никак не удается выделить в свободном виде. Тем не менее в их существовании уверены сегодня все физики.