Владилен Барашенков - Кварки, протоны, Вселенная
Иногда приходит мысль: может, кварковые модели тоже всего лишь переходный мостик к какой-то совершенно новой картине микромира? Но едва ли... Квантовая механика принесла с собой принципиально новый закон движения. Мир точных устойчивых траекторий сменился расплывчатой, дрожащей картиной сталкивающихся и рассеивающихся волн. Как будто вы наблюдали за игрой футболистов на поле, и вдруг вам надели неподходящие очки и все перед вами расплылось. А с кварками ничего похожего. Изменились физические объекты, закон же движения остался прежним.
Впрочем, мы еще только прикоснулись к кварковым явлениям. Пока это клубок противоречивых гипотез и фактов. Как знать, может, для более точного описания этих явлений потребуется принципиально новая теория?
Рассказ о поисках свободных кварков был бы неполон, если бы мы не упомянули еще об одной «сумасшедшей» идее, появившейся недавно,— о гигантских кварковых «мешках» — целых астероидах и планетах из слипшихся кварков.
Физики давно уже заметили, что внутри атомных ядер иногда образуются очень плотные сгустки из нескольких нуклонов — кластеры. Впервые на это обратил внимание еще четверть века назад советский физик М. Г. Мещеряков и его сотрудники. Причины этого явления долго оставались невыясненными, но теперь теория кварков позволяет его объяснить: кластер — это «мешок» из шести и большего числа кварков. Нуклоны внутри ядра иногда очень близко подходят друг к другу, и их кварки объединяются в общий «мешок». Получается многокварковый супернуклон.
Расчеты теоретиков показывают, что на ранних этапах развития Вселенной, когда господствовала еще большая плотность и температура, слияние маленьких кварковых «мешочков» в гигантские «мешки» могли происходить очень часто. Вес таких «мешков» огромен — один кубический сантиметр их вещества весит столько же, сколько вся наша планета. Авторы гипотезы считают, что в таких «мешках» упаковано почти все (до 99 процентов!) видимое вещество Вселенной.
Вот только где они, эти «мешки»? Среди далеко разлетевшихся осколков Большого взрыва? Внутри квазаров? Или, может быть, они равномерно разбросаны по всей Вселенной? Но тогда почему мы не встречаем кварковых «крошек» — ведь они тоже должны были рождаться вместе с большими кварковыми «мешками». Возможно, изредка сталкиваясь с нашей планетой, они попросту тонут в ее веществе, как камешки в реке, и концентрируются в раскаленном земном ядре?
ГЛАВА ПЯТАЯ,
в которой речь идет о «скульптуре элементарного» — о форме элементарных частиц и ее изменениях. Читатель убеждается в том, что у науки и искусства очень много общего
Когда говорят о свойствах элементарных частиц, обычно представляют их чем-то вроде маленьких шариков. А какую форму они имеют на самом деле? Например, протон и нейтрон — какие они? Круглые, как биллиардные шары, или, может быть, вытянутые наподобие куриного яйца? Остается ли их форма неизменной в любых условиях, или же она меняется под действием внешних сил? А если меняется, то возникают ли у частиц новые свойства и какие?
Простые вопросы, но в физике с ними связана целая эпоха. К их изучению удалось подойти лишь недавно — после того как были построены мощные ускорители, генерирующие пучки электронов и гамма-квантов (жестких фотонов) с энергией, позволившей провести глубинное зондирование элементарных частиц. Лет тридцать назад такие вопросы показались бы просто бессмысленными. «Скульптура элементарного» — в то время это звучало вроде «сухой воды» или «знойного холода»! Физики уверены были тогда, что элементарные частицы — это самые наипростейшие, изначальные физические объекты, а потому уж они никак не могут иметь размеров, а тем более деформироваться. Иначе из них можно выделить еще меньшие и, следовательно, более простые части, а таких частей в опытах никогда не наблюдалось. В представлении физиков частицы были похожи на безразмерные, хотя и материальные точки.
То, что протон и нейтрон — сложные пространственные структуры с плотной центральной сердцевиной-керном и рыхлой, разреженной периферической оболочкой, простирающейся до расстояний, немногим меньших размеров атомных ядер, это выяснилось лишь в середине 60-х годов. Только тогда стало возможно говорить о форме элементарных частиц и даже пытаться как-то воздействовать на свойства этих «наипростейших» объектов именно путем их деформации.
Но разве можно изменить форму частицы? Она ведь так ничтожно мала! А почему бы и нет — ведь и атомы когда-то считались предельно малыми объектами! С течением времени понятия большого и малого изменяются. И с тем же основанием, с каким мы говорим о форме разбросанных по полю каменных валунов, можно говорить о геометрической форме протона и нейтрона.
Может показаться, что все это — чисто академические вопросы. Но как знать... Об элементарных частицах нам известно еще очень мало. А вот деформация атомных ядер, например, оказалась связанной с тонкими внутриядерными эффектами, и ее исследование стало одним из важных разделов ядерной физики. Когда изучаешь глубины материи, никогда нельзя сказать заранее, к каким практическим результатам это приведет.
Первый вопрос, который возникает при изучении формы элементарных частиц: а как вообще увидеть их форму? Ведь частицу нельзя рассмотреть или сфотографировать под микроскопом, как это делают, например, с микробом. Способ один — изучать движение частиц под действием различных полей.
Электрическое поле, создаваемое заряженным телом, зависит от того, какую форму имеет это тело. Поле заряженной горошины отличается от поля, создаваемого заряженным чечевичным зерном, а поле вытянутой сигары не похоже ни на то, ни на другое. Внешнее электрическое поле тоже по-разному действует на тела с различной геометрической формой.
Теория говорит, что в мире элементарных частиц должно быть то же самое. Их взаимодействие также должно зависеть от их формы. Поэтому, наблюдая рассеяние сталкивающихся частиц, когда они сближаются на очень малые расстояния и поле их взаимодействия становится очень сильным, можно заметить различия в их форме.
Особенно удобно изучать взаимодействия частиц с электронами и гамма-квантами. И те, и другие в отличие от мезонов и нуклонов не чувствительны к ядерным силам. Законы, управляющие ядерными силами, известны пока еще не слишком хорошо, поэтому предугадать
их влияние на ход эксперимента трудно. Взаимодействие же электронов и гамма-квантов с частицами целиком обусловлено электромагнитными силами, свойства которых хорошо изучены и очень точно описываются теорией. Все это упрощает эксперимент и позволяет более надежно и однозначно интерпретировать его результаты. Все отклонения экспериментальных данных от теоретических формул, выведенных для безразмерных, точечных частиц, в этом случае можно целиком приписать влиянию формы и размеров частиц.
В последние 20—30 лет в различных физических лабораториях выполнено много опытов с рассеянием электронов и гамма-квантов на протонах. И во всех опытах протоны вели себя как абсолютно круглые, сферически симметричные частицы. То же самое обнаружилось и при рассеянии частиц на нейтронах. Они тоже оказались похожими на шарики — в целом электрически нейтральные, но имеющие внутри себя слои перекрывающихся положительных и отрицательных зарядов. Словом, самые точные эксперименты не обнаружили у протона и нейтрона никаких отклонений от сферической симметрии.
Недавно на самом большом советском ускорителе, в подмосковном городке Протвино, вблизи Серпухова, были закончены опыты с рассеянием пучков пи-мезонов на атомарных электронах. Результат таков: мезон — тоже сферически симметричный шарик.
О других элементарных частицах экспериментальных данных еще нет. Сведения об их форме можно получить лишь на основании теоретических соображений. А из этих соображений, в частности, следует, что форма частиц тесно связана с величиной их спинов. Как уже говорилось, многие частицы похожи на безостановочно вращающиеся волчки. Возможно, это вызвано какими-нибудь круговыми движениями в их недрах, вроде широтных течений в океанах или сейсмических волн в земной коре. Как бы там ни было, квантовые законы, которым подчиняются микропроцессы, разрешают передачу лишь дискретных, прерывистых порций энергии, поэтому вращательное движение внутри частиц происходит не с любыми, а только лишь с некоторыми дискретными угловыми моментами-спинами. Чем массивнее вращающееся тело, тем больше скорость и орбиты движения его частей, тем труднее остановить вращение или изменить направление его оси — тело сопротивляется. Вот эту сопротивляемость и характеризует величина углового момента. Чем она больше, тем движение устойчивее и энергичнее.
Частицы с небольшим спином можно назвать медленно вращающимися. Протон и нейтрон как раз таки частицы. К этой группе принадлежат также гипероны и многие из мезонов. Пи-мезон вообще не вращается, его спин равен нулю. Расчеты теоретиков показывают, что все медленно вращающиеся частицы должны иметь форму, очень близкую к сферической, а вот быстро вращающиеся, «высокоспиновые», как бы деформируются центробежными силами и могут стать вытянутыми, подобно упомянутой сигаре, или сжаться вдоль оси своего вращения, как чечевичное зерно. Такими свойствами должны обладать, например, так называемые резонансы-быстро вращающиеся состояния «слипшихся» мезона и нуклона, а также многие атомные ядра.
