Знания-сила.

Чем глубже в строение материи проникают физики с помощью своих инструментов, тем яснее становится, что сложностью устройства и бесконечным многообразием свойств атом напоминают вселенную. Это подтверждают недавние открытия в физике элементарных частиц.

«ЗООЛОГИЧЕСКИЙ ПЕРИОД»

Что может быть проще и очевиднее истины: Земля вращается вокруг Солнца? В 1901 году француз Ж. Перрен в статье «Ядерно-планетарная структура атома» выдвинул гипотезу — электроны-планеты кружатся по орбитам около положительно заряженного ядра-солнца. И почти целых десять лет можно было восхищаться: как всё просто и красиво устроено в микромире! — пока эту идиллию не разрушил Э. Резерфорд. Он, как мы помним, первым обстрелял атомы вещества альфа-частицами. Большинство «снарядов» пролетало сквозь толстый кусок фольги, как если бы она была прозрачной. Следовательно, атом в целом, это было очевидно, представляет собой весьма рыхлое образование с множеством пустых областей.

Однако, к удивлению учёных, некоторые альфа-частицы искривляли свою траекторию заметным образом, даже поворачивали назад. Вывод мог быть только один: они сталкивались с чем-то непроницаемым и твёрдым. Это были атомные ядра… Да, предположение Перрена как будто подтвердилось. Но торжествовать было рано. Резерфорд вложил в руки физиков мощнейшим инструмент познания — обстрел атомных мишеней снарядами-пробниками. Эти атомно-яртиллерийские залпы дробили вдребезги не только вещество, но и прежние гладкие и «причёсанные» взгляды.

В 1914 году Резерфорд подверг обстрелу электронами водород. При этом нейтральные атомы вдруг становились положительно заряженными: учёный отождествил их с положительным зарядом, находящимся согласно ядерно-планетарной модели Перрена в центре атома водорода. Так был открыт (имя дал Резерфорд) протон. В 1930—1932 годах тот же «артобстрел» выбил из недр ядра новую частицу — нейтрон. Смысл Таблицы Менделеева стал ясен. Казалось, теперь всё в микромире стало на свои места. Однако вскоре буквально хлынули всё новые и новые сообщения об открытии нежданных, казалось бы, лишних, непрошеных, элементарных частиц.

Позитрон, нейтрино, мю-, пи-, ка-мезоны, лямбда- и сигма-гипероны, антипротон, антинейтрон, кси-минус гиперон, анти-сигма-минус гиперон, многочисленные резонансы (учёные долго спорили, считать ли их за элементарные частицы), семейство пси-частиц… Число элементарных частиц достигло двух сотен — больше, чем элементов в таблице Менделеева!

Огорченные неудачей многочисленных попыток систематизировать этот сонм элементарных частиц, навести тут хотя бы относительный порядок, физики прозвали это время «зоологическим периодом».

В те времена кто-то «ради шутки» 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) растёт-де 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 по своей собственной частице, и каждый будет прославлен.)

Но в общем-то, учёным было не до шуток: «элементарными» можно называть три, пять, ну десяток микрообъектов, не больше! Счёт же на сотни означал одно: физика элементарных частиц стоит перед сложнейшими проблемами. Теперь необходимо было уже не открывать новые частицы, а… закрывать старые.

«В ИЗЛОЖЕНИИ ДЛЯ ПЕШЕХОДОВ»

Известное ныне слово «кварк» перекочевало в мир элементарных частиц легко и естественно… из романа ирландского писателя Д. Джойса. Требовалось название для обозначения гипотетических субчастиц, которые претендовали на роль истинных кирпичиков праматерии. Эти частицы придумал американский физик-теоретик М. Гелл-Манн в 1964 году. Он же подыскал им и имя в фантасмагорическом романе Джойса.

Видимо, не случайно Гелл-Манн обратился к такому произведению. Он явно хотел подчеркнуть крайнюю необычность, фантастичность новых частиц.

Пожалуй, самое странное в кварках то, что все они обладают дробным зарядом. Физикам пришлось тут преодолеть трудный психологический барьер. Ведь считалось аксиомой, само собой разумеющимся, что заряд электронов (или равные ему с обратным знаком заряды протона и позитрона) — это наименьшая возможная порция электричества, нерушимая и неделимая. Но кварки потому и кварки, что для них возможно невозможное: одному из них был приписан заряд +2/3, другим по -1/3.

Удивляло (и радовало одновременно) и то, что всего трёх кварков — их обозначили буквами p, n, λ — было достаточно для конструирования из них, словно из детских кубиков, большого числа открытых к тому времени элементарных частиц.

В 1965 году в журнале «Успехи физических наук» известный советский физик академик Я. Зельдович пишет статью «Классификация элементарных частиц в изложении для пешеходов». Уже само название подчеркивало: теперь тонкости микромира можно просто и ясно объяснить каждому.

Казалось, наступила долгожданная пора, когда можно было «закрыть» большинство элементарных частиц за ненадобностью: ведь они были составными!

В самом деле, есть три сорта первокирпичиков, три кварка, комбинируй их — и получишь все наиболее важные элементарные частицы. Так, скажем, протону и нейтрону отвечают триады ppn и pnn. Легко проверить, что в первом случае суммарный заряд есть +2/3 +2/3 -1/3 = плюс единица, как и должно быть для протона, во втором (для нейтрона) имеем +2/3 -1/3 -1/3 — заряд нулевой.

Зельдович писал в статье, что, возможно, физики добрались до атомизма нового типа, вскрыли, так сказать, новый пласт материи.

ПРИМЕТЫ ПРИДУМАНЫ СЫЩИКОМ

Окрылённые физики искали кварки. Знали о них мало. Поиски были тщательны и длительны — почти два десятка лет! Кварки искали в воздухе, в воде, в тверди, на Земле и в космосе. Розыск вели в океанах, метеоритах, космических лучах. Пытались создать кварки на ускорителях…

Поиски продолжались, но без успеха, что очень разочаровывало. Как часто бывает в подобных случаях, прилив интереса к кваркам сменился отливом. Скептики стали утверждать, что так и должно было случиться. Ведь хотя приметы «преступника» были точно известны, но они все оказались придуманы самим сыщиком! Что классификация элементарных частиц на кварковой основе, несомненно, очень удачна и полезна. Однако надеяться, что каждая из выдумок теоретиков должна материализоваться, было бы слишком наивно.

Вспомните, настаивали скептики, историю теплорода и флогистона. С их помощью в XVIII веке прекрасно объясняли очень многие явления — от горения тел до их нагревания и охлаждения. Теория теплорода была прекрасно разработана. Сади Карно в тридцатых годах XIX века с помощью понятия теплорода создал, как известно, теорию паровых машин. Тем не менее после того, как в сознании физиков укрепилось понятие о законе сохранения и превращения энергии, теплород был отброшен и забыт. О флогистоне забыли ещё раньше. А ведь учёным прошлого казалось, что факты и наблюдения властно требуют признания теплорода!

Лучше один раз, как говорится, увидеть, чем… В XVIII веке учёные впервые заглянули в мир мельчайших существ: то был век расцвета микроскопирования. Потрясённые натуралисты разглядели под линзами микроскопов сложнейшие структуры. А линзы были плохими: они так искажали изображения, что позволяли, например, при желании увидеть в лягушачьих икринках… уменьшенные копии взрослых лягушек! Тогда в умах исследователей естественным образом возникла мысль о бесконечной веренице вложенных друг в друга зародышей.

Поразительно, но сейчас нечто подобное происходит и в ядерной физике.

Ведь ускоритель — это гигантский «микроскоп», внешне, правда, мало похожий на своего собрата по семье научных приборов. Пучку частиц в ускорителе соответствует световой поток в микроскопе; сложной электронной регистрирующей аппаратуре (детекторы, счётчики, логические и вычислительные устройства) — человеческий глаз, связанный с мозгом; системам формирования и управления пучком разгоняемых в ускорителе частиц (магнитные линзы, коллиматоры, системы коррекции) — оптическая система линз в микроскопе.

Остается добавить, что в микромире (это нам объяснила квантовая механика) частица — это ещё и волна. И аналогия будет полной.

А теперь о разрешающей способности ускорителя-микроскопа. Она тем больше, чем больше энергия разгоняемых частиц. Для обнаружения ядра в атоме (оно оказалось вовсе не точечным, как вначале предполагали, а имеющим размер 10^-8 см) было достаточно энергии альфа-частиц естественных радиоактивных веществ, несколько миллионов электрон-вольт, Мэв, как в опытах Резерфорда. Для прощупывания структуры ядра и составляющих его протонов и нейтронов нужны уже пучки частиц сверхвысоких энергий. Напомним: чем больше энергия частиц, тем меньше длина их волны, тем, следовательно, меньшие размеры удается «разглядеть» с помощью ускорителя.

И вот в 1970 году учёные, ведущие исследования на Стэнфордском линейном ускорителе (США), направили пучок электронов, разогнанных до высоких скоростей, на протоны и нейтроны. Уже давно было доказано, что эти частицы имеют конечный диаметр, порядка 10^-13 сантиметра, что в 100 тысяч раз меньше размера атома, и все же величина измеримая. Так что протон и нейтрон могут быть атомными «мишенями», и, целя в «яблочко», можно попытаться прозондировать внутреннее устройство этих малюток.

У стэнфордских физиков повторилась история Резерфорда! Резерфорд расстреливал атом, его ядро. Теперь же, обстреливая электронами протон и нейтрон, учёные тоже открыли в них какие-то объекты! Электроны разгоняли в ускорителе до энергии 21 Гэв, они могли уже прощупать размеры в 10^-16 сантиметра, то есть приблизительно тысячные доли от диаметра протона.

Как и в опытах Резерфорда, выяснилось: протон и нейтрон в большей части своего объема пусты! — электроны в основном проскакивали сквозь них, не меняя своей траектории. Однако изредка при соударении с протоном электроны натыкались на какую-то преграду.

Эти микрообъекты американский физик-теоретик Ричард Фейнман (известный прежде всего по «Фейнмановским лекциям по физике») работавший в Калифорнийском технологическом институте, назвал партонами. (В отличие от загадочного слова «кварк» это название объяснить совсем просто; оно образовано от английского part — часть.)

Итак, появилось ещё одно действующее лицо микромира — партоны. Не есть ли это всё те же кварки, которые так долго и упорно искали и никак не могли обнаружить? Если б удалось доказать, что в протоне ровно три партона, эта гипотеза стала бы ещё правдоподобнее. Во всяком случае, кварковая модель, вопреки предсказаниям скептиков, получила бы мощную поддержку.

Но партоны (или кварки?) ставят перед исследователями ещё более важный вопрос: как же всё-таки устроена материя? Молекулы состоят из атомов, атомы — из ядра и вращающихся вокруг него электронов, ядро — из протонов, нейтронов и других частиц. В свою очередь, протон и нейтрон слагаются из партонов или кварков… Отчего бы не продолжить этот перечень?

Ю. ЧИРКОВ, доктор химических наук.