Хорошо, по весу дробление не проходит. Может быть, оно пройдет по размерам? А что такое размер в атомном мире? Квантовая механика не без оснований лишила частицы такой «расплывчатой» характеристики.
Помните, мы рассказывали, как гамма-фотон пытался высмотреть частицу, чтобы установить, как она движется? Ничего у него не вышло. И выйти не могло: со всякой частицей связана волна де-Бройля, которая размазывает частицу по пространству. Теперь уже не частица с четкими границами, а «облако вероятности» без всяких границ, без всяких определенных размеров.
Так… Частицы не имеют четких размеров. Частицы превращаются друг в друга… Физики постепенно, год за годом, пришли к убеждению, что говорить о дробимости или элементарности частиц совершенно бессмысленно. Но они не оставили надежды узнать о структуре частиц, вкладывая теперь в слово «структура» совершенно иной смысл.
Как частицы испускают кванты своих полей? Как частицы поглощают эти кванты от других частиц? Структура частиц определяет все взаимодействия, в которых они участвуют. Но и сами эти взаимодействия определяют структуру частиц. Получается как бы заколдованный круг!
Да, заколдованный круг, из которого до сегодняшнего дня еще не могут выбраться теоретики. Здесь, видимо, нужен какой-то принципиально новый подход, и тогда из этого круга, возможно, найдется выход.
Пока что экспериментаторы высмотрели… нет, не широкий, ясный выход, а некую узенькую щелочку. И, разумеется, в эту щелочку тут же засунули свой любопытный нос теоретики.
И то, что им удалось разнюхать за самые последние годы, вселило в сердца охотников за частицами большие надежды. Надежды навести какой-то достаточно убедительный порядок в мире частиц. То, что ускользало от физиков год за годом, как будто бы, наконец, удалось схватить.
Но расскажем по порядку. Дело началось тринадцать лет назад. Среди обильных трофеев, которые принесло физикам начало пятидесятых годов, среди всех этих мезонов и гиперонов, обнаружились какие-то весьма странные образования. Частицы? Нет, у тогдашних ученых как-то язык не поворачивался назвать их частицами.
Судите сами. Получил исследователь с помощью ускорителя лавину очень энергичных протонов. Бросил он эту лавину на мишень, помещенную внутри ускорителя и содержащую в своем составе протоны. И полетел во все стороны от мишени сноп новых, только что рожденных частиц. А среди них очень много пи-мезонов.
Отсеял исследователь из этого снопа все частицы, кроме пи-мезонов, и бросил эти пи-мезоны на вторую мишень, тоже содержащую протоны. Как будут сталкиваться пи-мезоны с протонами? Что при этом произойдет?
Что ж, это мы уже знаем: в неуловимо короткий миг встречи пи-мезонов с протонами они дадут жизнь целому ряду новых частиц; среди них — и более массивные ка-мезоны, и гипероны. Пролетят новорожденные частицы через камеру Вильсона или пузырьковую камеру, оставят в ней свои следы, будут с ними в камере разнообразные происшествия. И по этим следам пройдут охотники за частицами, узнают о том, что появились неведомые обитатели заповедного леса.
И всё? Оказывается, нет, не всё. Рождение новой частицы — вещь, конечно, очень приятная, но, что ни говори, редкая. Куда чаще после встречи с протонами пи-мезоны просто лишь меняют направление своего полета — рассеиваются в разные стороны. И нередко, если пи-мезоны обладают достаточной энергией, то возле протонов рождают своих собратьев. В снопе пи-мезонов появляются новые колосья.
Физики, разумеется, заинтересовались этим рассеянием: оно обещало пролить свет на природу сил, которые действуют между пи-мезонами и протонами при их сближении. Эти силы, как мы уже говорили, самые сильные силы на свете.
Они-то и обеспечивают колоссальную прочность атомных ядер.
Вначале это рассеяние как будто подтверждало самые общие догадки физиков. С ростом энергии пи-мезонов рассеяние их протонами все более ослабевало. Это и понятно: чем быстрее летит пи-мезон, тем меньше времени проводит он возле протона. Значит, тем меньше вероятность, что за это время обе частицы успеют обменяться крепкими «рукопожатиями». А значит, менее вероятно и то, что в результате более легкий из них пи-мезон сильно отлетит в сторону от своего первоначального пути.
Но тут же начались и неожиданности. При определенной энергии пи-мезонов рассеяние вдруг сильно возрастало. А затем, при дальнейшем повышении энергии мезона, оно снова приходило в норму. На рисунке, изображающем зависимость рассеяния от энергии мезона, появлялся небольшой горбик.
Первый горбик увидел в 1952 году уже известный нам неутомимый охотник за частицами Энрико Ферми. Посылая пучок пи-мезонов, рожденный в ускорителе Калифорнийского университета, на вещество, содержащее много протонов, Ферми заметил, что при энергии мезонов примерно в двести миллионов электрон-вольт они начинали вдруг очень сильно рассеиваться протонами.
Впечатление было такое, как будто качаешь маятник рукой. Вначале, пока толкаешь его редко и слабо, размах маятника невелик. Но, даже не усиливая толчков, а лишь учащая их, в какой-то момент добиваешься очень больших колебаний. А будешь подталкивать маятник еще чаще — и все пропадет. Причина этого известна давно: нащупал случайно собственную частоту колебаний маятника, и он ответил резонансом.
Все резонансные кривые имеют один и тот же вид. Неважно, описывают ли они размах колебаний маятника в зависимости от частоты толчков его, или слышимость, когда антенна радиоприемника настраивается в резонанс с частотой далекой радиостанции, или же когда с помощью оптического прибора физик нащупывает спектральную линию света от какого-либо химического элемента.
Этот вид всегда таков: на плавно идущей кривой вдруг возникает холм. Потому и горбик на кривой рассеяния пи-мезонов физики окрестили условно резонансом. В те годы казалось, что это лишь не более, чем внешняя аналогия. Да и к тому же совершенно загадочная.
В самом деле, о чем мог говорить горбик на кривой рассеяния? Раз частица рассеивается сильнее, значит, она больше времени проводит по соседству с протоном. Словно замедлила свой фантастически быстрый, почти со скоростью света, полет, чтобы получше разглядеть своего массивного родича.
На сколько же задерживается мезон около протона? Горбик на графике позволяет это прикинуть. Но только прикинуть — никакими часами этого не измерить. Размер (конечно, как мы помним, чисто условный) протона — порядка 10–13 сантиметра, скорость полета пи-мезона — порядка 1010 сантиметров в секунду. Значит, пи-мезон пролетает мимо протона примерно за 10–23 секунды.
Эта цифра нам известна: она дает порядок времени сильных взаимодействий. Так оно и должно быть: между протоном и пи-мезоном — квантом ядерного поля — существует именно сильное взаимодействие.
Так вот, «резонансный» пи-мезон задерживается около протона на время того же порядка — те же 10–23 секунды. И лишь, может быть, это время в два-три раза больше, чем для мезона с соседней, нерезонансной энергией. Точнее определить время задержки нет никакой возможности, известен лишь его порядок величины.
Но нам важно сейчас, что такая задержка все же происходит. Что там делают обе частицы в этот ничтожный промежуток времени? Сливаются, слипаются? — спрашивают друг друга физики.
Неясно, отвечают теоретики, но почему-то при этом появляются новые пи-мезоны. Впрочем, это, возможно, тот самый случай, когда энергия ядерного поля материализуется в виде новых квантов этого же поля. Виртуальный процесс, но с самыми реальными последствиями!
И вот экспериментатор появляется в кабинете теоретика. Оторванный от тяжких раздумий теоретик как будто недоволен.
— Итак, чем могу служить?
— Да вот, получил я новую кривую рассеяния пи-мезонов на протонах. А вот и еще одна: это я пустил на протоны пучок ка-мезонов. Трудно, знаете ли, было. Ка-мезоны — редкие гости. Намучился, пока закончил опыт.