Владилен Барашенков - Кварки, протоны, Вселенная
Когда заходит речь о самом большом и самом малом, где нашим знаниям противостоит область загадочного и неизвестного, никак нельзя обойтись без философии. И мы без нее не обойдемся: в основе наших рассуждений лежит диалектический материализм, по поводу которого один из его основоположников, Фридрих Энгельс, говорил, кстати, что это не свод застывших, раз и навсегда установленных правил, а живой, динамичный метод, чутко откликающийся на каждое фундаментальное открытие в естествознании. Наше понимание пространства, времени, материи становится все более общим и вместе с тем все более точным. Как и естественные науки, марксистская философия развивается: в ней возникают новые проблемы и новые их решения.
ГЛАВА ВТОРАЯ,
в которой рассказывается об истории открытия атомов и) элементарных частиц и делается попытка объяснить, каким образом в протоне оказывается мезон, а в мезоне — протон
Еще со школьной скамьи нам известно, что вещество — твердые тела, жидкости, газы — все это состоит из атомов. В свою очередь, каждый атом — это как бы маленькая солнечная система: в центре солнце-ядро, вокруг вращаются планеты-электроны. Сегодня эту схему можно встретить даже на политических плакатах.
Размеры атома чрезвычайно малы. Он в десятки миллиардов раз мельче макового зернышка, а его ядро еще в десятки тысяч раз мельче. Ультрамикроскопические пылинки, почти точки! Но ведь это означает, что окружающие нас тела и мы сами состоим в основном из пустоты! И как ни удивительно, но это факт! В исчезающе малом объеме ядра заключена практически вся масса атома, на вращающиеся планеты-электроны приходятся лишь сотые доли процента. Плотность ядерного вещества в десять триллионов раз превосходит плотность стали.
Атомное ядро, как мы помним тоже со школьных времен, состоит из протона и нейтрона. По внешнему виду оно похоже на шарик слипшихся маковых зернышек. В ядре водорода таких зернышек всего одно — один-единственный протон; в ядрах тяжелых элементов, например в свинце или уране, их уже более двухсот, причем протонов приблизительно столько же, сколько и нейтронов.
Ну а дальше, из чего состоят протон, нейтрон, электрон? И как глубоко в недра материи спускается лестница таких «ступенек»? В русских народных сказках рассказывается о дремучем лесе, в середине которого высится гора, на ее вершине растет дуб, на дубе висит сундук, в нем сидит утка, в ней — яйцо, в яйце — игла, а на ее кончике Кощеева смерть. Может, природа устроена по такой же схеме, и существует последняя, «самая глубокая» ступенька — неделимые далее элементарные объекты, из которых, как из деталей детского конструктора, собрана вся Вселенная? Или же лестница структурных форм материи бесконечна?
Эти вопросы важны не только потому, что нам интересно знать, как устроен окружающий мир. История науки свидетельствует, что всякий раз, когда человечество овладевало очередной ступенькой, ведущей в глубь вещества, это приводило к открытию нового, еще более, мощного вида энергии.
Химическая энергия горения и взрыва связана с перестройкой электронных оболочек атомов и состоящих из них молекул. Процессы деления и слияния атомных ядер сопровождаются выделением в миллионы раз большего количества энергии. С еще большим выделением энергии мы встречаемся на уровне элементарных частиц, например в процессах аннигиляции, то есть взаимоуничтожения протона и антипротона. Словом, изучение строения вещества — это одновременно и поиски новых энергетических возможностей. Когда думаешь об этом, не устаешь удивляться: атом сначала придумали, изобрели и только потом открыли — через две с половиной тысячи лет! Изобрели его древнегреческие ученые Левкипп и. Демокрит. Они учили, что мир состоит из бесчисленного числа твердых неделимых далее частичек. Слово «атом» как раз и означает в переводе с греческого «неделимый». Атомы, согласно Левкиппу, могут быть самой различной формы: круглые, пирамидальные, плоские. Поэтому и свойства состоящего из них мира неисчерпаемо разнообразны. Цепляясь друг за друга крючочками, атомы образуют твердые тела и жидкости.
Но как можно было говорить об атомах, если в то далекое время не было даже микроскопа? Не была ли атомная теория древнегреческих ученых просто выдумкой, наподобие тех, что изобретают в своих книгах писатели-фантасты, а потом оказалось, что она случайно совпадает с атомистикой нашего времени?
Нет, не была. Греческая атомистика родилась не на пустом месте. Сначала она возникла чисто логически: если бы все на свете делилось бесконечно, рассуждали упомянутые философы, то материальный мир не мог бы существовать. Значит, есть предел делимости, есть неделимые частицы. Затем атомистика начала предлагать простое и наглядное объяснение многим очевидным, но не совсем понятным тогда фактам: почему, например, от прикосновений верующих стирается позолота со статуй богов и сами статуи становятся тоньше, почему мел остается мелом, как бы тонко его ни истолкли. Подобных загадок было много. Конечно, их можно было объяснить и без атомов. Но атомисты объясняли эти загадки со своей позиции. Сначала Демокрит, за ним — Эпикур. Для того чтобы их гениальная гипотеза превратилась в научный факт, понадобилось почти двадцать пять веков.
Прощупали атом сравнительно недавно — в 1909 г. Сделал это с помощью альфа-частиц английский физик Эрнест Резерфорд. Он первым «рассмотрел» и атомное ядро. Двадцать лет спустя немецкий физик Вернер Гейзенберг и его советский коллега Дмитрий Дмитриевич Иваненко, ныне профессор Московского университета, выдвинули быстро подтвердившуюся на опыте гипотезу о том, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Дальше открытия посыпались как из рога изобилия. Перед второй мировой войной был открыт мезон, а после войны редкий год не приносил какой-либо новой частицы или теории, предсказывавшей дальнейшие открытия. На сегодняшний день известно несколько сотен элементарных частиц. За последние два десятка лет наука узнала о строении мира больше, чем за все предшествующие столетия.
Вернемся теперь к вопросу о том, из чего состоят частицы ядра — протон и нейтрон. Они настолько похожи друг на друга по своим свойствам, что физики считают их как бы двумя состояниями одной и той же частицы — нуклона. Когда у нуклона нет электрического заряда — это нейтрон, когда же в результате взаимодействий он получит заряд, возникнет протон. В каком-то смысле нуклон напоминает монету: одна ее сторона — протон, а другая — нейтрон.
Подобным же образом можно сгруппировать и другие частицы с близкими свойствами. Каждая из них представляет собой как бы сторону единого многогранника. Частицу мезон, например, о которой еще пойдет у нас речь, можно уподобить трехгранной пирамиде: одна ее сторона соответствует отрицательно заряженному мезону, вторая — мезону с положительным зарядом, а третья — их нейтральному собрату.
Иногда думают, что научно-популярная статья или книга — дело нехитрое: ведь речь идет о вещах, хорошо знакомых автору. Начинай и рассказывай! Это и так и не так. Предмет действительно автору хорошо знаком, по есть одна серьезная трудность — язык. Ученый говорит и думает на емком профессиональном языке, где за каждым словом кроется уйма специальных понятий. Например, для описания свойств заряженных и нейтральных частиц в физике вводится особая величина — изотопический спин. Это нечто вроде момента количества движения вращающегося штопора, только вращающегося не в обычном пространстве, а в зарядовом. Когда изотопический спин нуклона направлен вверх — частица является протоном, когда вниз— нейтроном. Изотопический спин мезона имеет три направления — вверх, вниз и вбок. Есть частицы, чей спин обладает еще большим количеством направлений. Попробуйте переложить все это на обиходный язык! А если пуститься в подробные объяснения, вас просто перестанут слушать. Вот и приходится прибегать к аналогиям, заменять сложные и точные понятия более простыми и приблизительными. Проигрываем в строгости, зато выигрываем в наглядности.
Каждый из нас не раз наблюдал за жонглером, который так быстро бросает и ловит шарик, что его мелькание воспринимается как целое облако шариков. Сходным образом ведут себя протон и нейтрон. Очень быстро испуская и поглощая легкую частицу мезон, они создают вокруг себя облако электрических зарядов. Продолжительность каждого отдельного акта испускания и поглощения очень мала, но благодаря многократным их повторениям возникает некая пространственная структура. Точечная частица превращается в протяженную, или, как говорят физики, в размазанную.
Испустив положительно заряженный мезон, протон становится нейтроном, а нейтрон, испустив отрицательно заряженный мезон, превращается в протон. Если же испускается нейтральный мезон, то протон так и остается протоном, а нейтрон— нейтроном.
