Электроны и ядра

В начале 1896 г. ученые крупнейших европейских городов получили послание от профессора Конрада Рентгена из Германии. Послание содержало в себе тоненькую, в десять страниц, брошюрку и несколько странного вида фотоснимки. В брошюрке сообщалось об открытии нового вида излучения, Х-лучей, как назвал их сам К. Рентген (буква X свидетельствовала о том, что автор открытия не понял еще их природу). А на фотоснимках были видны контуры предметов, скрытых под непроницаемыми оболочками.

Необычные свойства Х-лучей, дающих возможность увидеть невидимое, быстро нашли применение в практике, способствуя популярности их открывателя. Довольно быстро выяснилось, что рентгеновские лучи - это электромагнитное излучение очень высоких частот. Но главное, пожалуй, было не в этом. Беккерель, услышав в начале 1896 г. сообщение Пуанкаре об открытии Рентгена и решив, что это, как предположил Пуанкаре, один из видов флуоресценции, кинулся в лабораторию. Он был крупнейший специалист по флуоресценции; и кому как не Беккерелю захотелось найти новые лучи в излучении флуоресцентов.

И вот, промучившись этак с месяц и ничего похожего на лучи Рентгена не обнаружив, он все же решил попробовать для порядка все флуоресценты, которые у него были. Настала очередь уранилсульфата калия. Полежав положенное время на солнышке, кристаллы этого вещества, казалось, уступили настойчивости ученого и засветили, наконец, фотопластинки (Х-излучение, как думал Беккерель). Поэкспериментировав еще некоторое время, он, наконец, доложил на собрании Парижской академии об открытии проникающих Х-лучей, вызываемых светом. Гипотеза Беккереля - Пуанкаре о происхождении рентгеновского излучения вроде бы получала блестящее экспериментальное подтверждение. Однако вскоре сам Беккерель был вынужден опровергнуть ее. По чистой случайности ему удалось поймать уранилсульфат натрия "на месте преступления", когда тот, вовсе не будучи облученным солнечным светом, преспокойно продолжал засвечивать защищенные фотопластинки. Более того, эта интересная способность не уменьшалась со временем. Беккерель принялся за другие вещества и обнаружил, что новое излучение имеет место лишь там, где есть уран. Итак, выходило, что уран излучает энергию доселе невиданным способом, словно черпая ее из каких-то неведомых источников. Невольно думалось даже о несохранении энергии, вечном двигателе... Помимо урана свойством непрерывно испускать проникающие лучи обладал еще только торий (это выяснилось через два года).

Вскоре супруги Кюри сообщили об открытии двух новых "радиоактивных", как стали называть излучающие вещества, элементов - полония и радия.

Мало что могла сказать тогдашняя теория о радиоактивном излучении. Тем не менее физика двигалась вперед. Было установлено, что при распаде радиоактивных веществ образуются три типа излучений, α-излучение - это поток положительно заряженных частиц с атомным весом 4, что отвечает гелию; β-лучи оказались тождественны с электронами, a γ-лучи с электромагнитным излучением.

Радиоактивное излучение

Итак, из открытия А. Беккереля следовало, что вещество может самопроизвольно распадаться. В последующих опытах Э. Резерфорд и Ф. Содди окончательно доказали, что в процессе радиоактивного излучения происходит превращение элементов, т. е. элементы, строго говоря, уже не элементы!

Стало ясно, что это ядерный процесс. Э. Резерфорд установил, что ядра занимают ничтожную часть атома, не более одной стотысячной его размера. Но мысль Э. Резерфорда не останавливается на этом: "...мы не можем отвергнуть той возможности, что дальнейшие исследования покажут, что и эти единицы¹ на самом деле сложны и могут быть разделены на еще более фундаментальные сущности". И сам же, немедля, приступил к этим "дальнейшим исследованиям".

Итак, ядра распадаются, превращаются в ядра других элементов, при этом они испускают α-лучи - это тоже ядра, а вот β- и γ-лучи? Какова их природа?

В ту пору, наверное, было естественным предположение, что электроны просто-напросто содержатся внутри ядра вместе с α-частицами. Что же касается γ-лучей, то Э. Резерфорд считал, что они "соответствуют типам колебаний, содержащихся в его (ядра) структуре электронов".

В 1913 г. Э. Резерфорд предположил, что в ядрах атомов содержатся протоны - ядра атома водорода (экспериментально он доказал это в 1919 г.). А. ван ден Брук тут же выдвинул модель ядра, состоящую из протонов и электронов, которая продержалась почти двадцать лет. Что ж, это выглядело вполне разумно и многое объясняло.

Например, различие между атомным весом и атомным номером достигалось тем, что заряд "лишних" протонов компенсировался противоположным зарядом электронов. Частицы разных зарядов притягиваются, и Э. Резерфорду (а также, независимо от него, У. Харкинсу) пришло на ум, что в ядре содержатся не просто электроны и протоны, но, скорее, каждый электрон связан с протоном в составную частицу - нейтрон. С этого момента и начались поиски нейтрона.

В 1931 г. супруги Жолио-Кюри, пытаясь понять результаты опытов, проведенных Боте и Беккером, изучали действие на водород вторичного излучения, получающегося при облучении α-частицами ядер легких элементов. Из-за большой проникающей силы этого излучения они решили, что новое излучение состоит из фотонов высокой энергии, тем более что при этом образовывалось большое число быстрых вторичных протонов. По-другому оценил это явление Джеймс Чэдвик, ученик Э. Резерфорда. Более чем десятилетние поиски нейтрона не прошли даром: Дж. Чэдвик быстро повторил опыт Жолио-Кюри и убедился в том, что это и есть то, что он искал так долго, - нейтроны! Статья Дж. Чэдвика увидела свет в начале 1932 г.

Первым из теоретиков, откликнувшихся на это открытие, был Дмитрий Дмитриевич Иваненко. Весной 1932 г. он предложил считать ядра построенными из нейтронов и протонов и, что особенно важно, указал на то, что нейтрон столь же элементарен, сколь и протон. Немного погодя появилась статья В. Гейзенберга, в которой он развил идею Д. Д. Иваненко, в частности предложив считать нейтрон и протон двумя состояниями одной и той же частицы - нуклона. Для этого вводилось новое квантовое число - изоспин, аналогичное до известной степени обычному спину, но отличающее направление не в обычном пространстве, а более абстрактном (внутреннем) пространстве изоспина.

Предыдущая же гипотеза о протон - электронном строении ядер приводила ко многим проблемам, например к неправильному спину ядер.

- Но как все же объяснить β-распад ядер, сопровождающийся испусканием электронов?

- Одним из камней преткновения, мешавших сразу и окончательно признать, что электронов нет в ядре ни в "свободном" виде, ни в виде связанного состояния с протоном и что нейтрон столь же фундаментален, как и протон, и явился этот β-распад.

Многие физики были в плену механистического представления о том, что если что-то появляется наружу, то это "что-то" обязательно "сидит" в готовом виде внутри. Но уже в следующей своей работе, посвященной ядру, Д. Д. Иваненко указал, что электрон, участвующий в Р-распаде, следует считать рождающимся в акте распада (так же как фотон рождается электроном при переходе с одного уровня в атоме на другой).

В 1934 г. Энрико Ферми сформулировал теорию β-распада, в которой основным процессом был процесс n → р + е + , где n, р - нейтрон и протон, е - электрон, - антинейтрино (тогда его еще называли просто "нейтрино"), после чего вопрос о строении ядра был решен более или менее окончательно. Кроме того, и это исключительно важно, β-распад демонстрировал новое взаимодействие, не сводимое к электромагнитному. Впоследствии его назвали слабым - по величине вероятности процесса по отношению, например, к вероятностям электромагнитных процессов.

В поисках ответа на вопрос, что же удерживает протоны и нейтроны в ядре, физики по очевидным причинам не рассматривали ни электромагнитное, ни тем более гравитационное взаимодействие в качестве подходящих кандидатов. Естественно было, однако, попробовать на эту роль новое, фермиевское взаимодействие, которое можно приводить к следующему процессу взаимодействия между протоном и нейтроном:

т. е. нейтрон, превращаясь в протон, отдавал пару электрон-нейтрино протону, который при этом превращался в нейтрон. Это был пример уже известных ранее из квантовой механики атомов обменных взаимодействий, когда частица (электрон - в случае атомов), переходя от одного атома к другому, приводит к силам притяжения между ними.

Аналогичную роль И. Е. Тамм и Д. Д. Иваненко хотели приписать в 1934 г. паре (е,) для обеспечения притяжения между нейтроном и протоном.

Но тут же выяснилось, что величина получающихся сил слишком мала, чтобы они могли связать нуклоны в ядро и преодолеть электрическое отталкивание протонов друг от друга. Однако сама идея обменных сил как источника удержания нуклонов в ядре оказалась чрезвычайно плодотворной. В 1935 г. Хидэки Юкава на этой основе сделал следующий смелый шаг: он предположил существование новой частицы, обмениваясь которой нуклоны испытывают достаточно сильное притяжение, чтобы образовать ядро атома. Из известных размеров ядра и соотношения неопределенностей X. Юкава смог оценить массу гипотетического "тяжелого кванта", оказавшуюся равной, по его расчетам, примерно 200 массам электрона. Интересна концовка статьи X. Юкавы: "Поскольку квант с такой большой массой и положительным или отрицательным зарядом никогда не наблюдался, изложенная теория находится, по-видимому, на неверном пути. Однако мы в состоянии показать, что в условиях обычных ядерных превращений подобный квант не может быть излучен во внешнее пространство". Так рождалась теория сильных взаимодействий.

Действительно, "тяжелые кванты", или, как их позже стали называть, мезоны, не были известны в то время. Кроме того, многие ведущие физики либо игнорировали, либо скептически восприняли работу японского теоретика. В 1937 г. Андерсен объявил об открытии в космическом излучении частицы с массой, близкой к массе тяжелого кванта X. Юкавы. Это стимулировало интерес к идее X. Юкавы и дальнейшим разработкам в этом направлении, хотя впоследствии оказалось, что Андерсен открыл не ядерный квант, а тяжелый аналог электрона - мюон, который не участвует непосредственно в ядерных взаимодействиях. Квант X. Юкавы, впоследствии названный π-мезоном (или пионом), был открыт лишь в 1947 г.

После второй мировой войны физика частиц двинулась вперед семимильными шагами. Строились новые и новые ускорители, открывались все новые и новые частицы. Скоро их стало так много, что радостное возбуждение начало постепенно сменяться недоумением: что стоит за этим многообразием, как в нем разобраться, Зачем природе нужно столько частиц? Ведь одно время казалось, что все необходимое для функционирования Вселенной, для существования человека уже обеспечено протоном, нейтроном, π-мезоном, электронами и фотоном. К этому еще добавлялось нейтрино, которого никто не видел, но в существовании которого не сомневались.

Действительно, ядра всех элементов состоят из протонов и нейтронов, "склеенных" π-мезонами, фотоны связывают ядра и электроны во всевозможные атомы, чего еще? Ну еще есть нейтрино - оно нужно хотя бы для закона сохранения энергии, есть мюон, но с ним не ясно пока, со временем разберемся... И вот в 1949 г. физики обнаруживают странные пары частиц: они рождаются всегда вместе, и ничем это нельзя объяснить, если пользоваться только известными законами. Над названием долго голову не ломали: так и назвали новые частицы странными, а чтобы объяснить то, что они рождаются парами, придумали новое квантовое число "странность", так что парность рождения странных частиц примерно того же типа, что парность электрона и позитрона.

Странные частицы имели нулевой спин, изоспин - половинку, умеренные массы, "странность" и были наречены К-мезонами. Эти К-мезоны оказались очень интересными частицами.

Итак, частиц открывалось все больше, и, естественно, хотелось усмотреть в этом какой-то новый порядок; нельзя же считать, скажем, что существует сто элементарных частиц? Конечно, при желании можно, но у большинства физиков такого желания не возникало.

Элементарные частицы

В том же, 1949 году, когда были открыты К-мезоны, Ферми и Янг предложили считать мезоны связанными состояниями нуклонов и антинуклонов. Однако эта модель не встретила большого энтузиазма, так как многого не могла объяснить.

И вот в 1056 г. Сеёти Саката попытался навести порядок. Он предположил, развивая в известном смысле идею Янга - Ферми, что из всех сильновзаимодействующих частиц - адронов - только три фундаментальны: протон, нейтрон и открытый в 1950 г. странный нейтральный барион, названный лямбда-гипероном. Так, по теории С. Сакаты, положительно заряженный л-мезон состоит из протона и антинейтрона; открытый в 1954 г. кси-минус-гиперон - из антипротона, антилямбда - гиперона и нейтрона и т. д. Но после первых успехов начались трудности, которые в конце концов привели к отказу от модели С. Сакаты. Однако эта модель сыграла ключевую роль в дальнейших исследованиях. В частности, она показала, что фактически поиски порядка в мире адронов были поисками симметрии. Симметрия, симметричный - знакомые слова, не правда ли? Но среди тех, кто употребляет их, не всякий сразу ответит на вопрос: что такое симметрия? Перевод с греческого ("соразмерность") не годится, он ничего не объясняет. Для дальнейшего можно удовлетвориться следующим определением: симметрия - это свойство чего-либо оставаться неизменным при совершении определенных действий (преобразований симметрии). Поясним на примере.

Если вы повернете карандаш или переложите его на другой стол, это будут преобразования симметрии. Если же вы в сердцах сломаете его, то, конечно, нет.

Что остается неизменным при вращении и переносе карандаша? Его длина, например.

Ищу порядок

Другой пример преобразований симметрии - переход от одной инерциальной системы к другой. При этом не меняются законы движения и взаимодействия физических объектов. Преобразования симметрии не всегда столь наглядны. Например, если поменять местами протоны и нейтроны и не обращать внимания на разницу в электрическом заряде, то законы сильного взаимодействия между протонами и нейтронами останутся неизменными. В действительности разница, конечно, есть, но ее можно вполне списать на электромагнитные взаимодействия в виде небольшой поправки. Это значит, что с высокой степенью точности сильные взаимодействия обладают симметрией относительно замены протона нейтроном и наоборот. Если теперь мы вспомним, что Гейзенберг ввел изоспин, то эту замену можно более или менее наглядно представить себе как поворот изоспинового вектора в воображаемом внутреннем трехмерном пространстве. Преобразования симметрии можно комбинировать и получать новые преобразования той же симметрии. Например, два последовательных поворота - это, конечно, то же самое, что определенный поворот, проделанный сразу. Набор преобразований симметрии математики называют группой.

А теперь обратимся к адронам. В начале 60-х гг. было замечено, что все адроны можно распределить по так называемым мультиплетам - наборам частиц, характеризуемых рядом общих признаков. При этом переход от частицы к частице внутри каждого мультиплета отвечал преобразованиям вращения в восьмимерном внутреннем пространстве - обобщении пространства изоспина. Соответствующая группа симметрии - SU (3) - была введена в физику японскими учеными Огава, Онуки и Икеда еще в 1959 г. Дальше на помощь пришла математика. Из теории групп следовало, что существует так называемый фундаментальный мультиплет, отвечающий в данном случае всего трем частицам. Но ни одна из известных частиц не могла претендовать на участие в этом триплете, в то время как все они могли быть составлены из членов этого триплета, если бы они существовали. В 1964 г. Гелл-Манн и Цвейг, независимо друг от друга, предположили, что такие частицы на самом деле существуют. Гелл-Манн назвал их кварками, а Цвейг - асами.

По теории кварков барионы состоят из трех кварков, а мезоны - из двух. Про кварки мы еще поговорим, а пока что возвратимся к тем самым странным К-мезонам, открытым в середине 50-х гг. После того как их снабдили новым квантовым числом - "странностью", выяснилось, что главные-то странности еще впереди. К-мезоны - нестабильные частицы и из-за слабого взаимодействия распадаются на π-мезоны (хотя не только на них, но это сейчас не важно). Так вот эти распады происходили так, словно нарушается никогда не вызывавшая сомнений симметрия относительно замены правого на левое.

- Почему же это "не вызывавшая сомнений"? Мы сами-то живое опровержение этой симметрии, иначе бы у каждого из нас был бы зеркальный двойник!

- Совершенно правильно! Но речь идет об элементарных частицах, для которых эта симметрия всегда строго выполнялась. Конечно, если даже сто частиц подчиняются какому-то закону, то отсюда не следует, что сто первая тоже будет ему подчиняться. Но ведь вся физика стоит на максимально возможном распространении действия установленных закономерностей, в физике нет строгих логических доказательств. Вернее, у нее своя логика, не совсем похожая на ту, которая применяется в математике.

Впрочем, в данном случае для веры в зеркальную симметрию было гораздо меньше оснований, чем для веры, скажем, в теорию относительности. И может поэтому Янг Чженьнин и Ли Цзундао поставили зеркальную (на самом деле более общую) симметрию под сомнение и предложили ряд экспериментов, в которых этот вопрос можно было решить окончательно. Эксперименты были поставлены, и закон зеркальной симметрии перестал быть всеобщим законом! В β-pacпаде радиоактивного изотопа кобальта электроны явно не желали вылетать одинаково охотно направо и налево. Впрочем, справедливости ради, надо сказать, что зеркальная симметрия не так уж и безнадежно нарушена. Для многих и многих процессов, не связанных со слабыми взаимодействиями, это действительно симметрия.

Вместо закона зеркальной симметрии придумали другой, в котором преобразованием симметрии является комбинация зеркального отражения и замены частицы на античастицу. Но слабые взаимодействия оказались удивительно сильными в борьбе за ниспровержение симметрии, и не прошло и десяти лет, как комбинированную симметрию постигла судьба зеркальной.