На следующей, более низкой ступеньке атомы соединяются в молекулы. Появляется широкая дифференциация, существует бесчисленное множество способов соединения атомов в молекулы, каждый соответствует появлению определенного вещества. На уровне макромолекул разнообразие еще больше: на этой ступеньке появляется живая материя в ее самых различных формах и с ее широчайшими возможностями. Обмен энергией достаточно мал для существования крупных комплексов молекул, клеток и организмов, но в то же время достаточно велик для стимуляции роста и развития этих объектов. На самой низшей ступеньке все разнообразие, любая дифференциация застывает, образуя неизменные картины закристаллизовавшегося вещества.

Элементарные частицы

Есть ли на квантовой лестнице ступенька, находящаяся выше состояния с отдельными протонами и нейтронами? Ответ на этот вопрос приводит нас к границе современной физики элементарных частиц.

Вспомним, что для разложения атомного ядра нужны энергии порядка многих миллионов электроновольт. Современные исследования в области высоких энергий не остановились на этом пределе. За последние 10 лет были построены ускорители, на которых достигались энергии во много сотен миллионов электроновольт. На некоторых устройствах удалось преодолеть даже миллиардный рубеж. В Женеве усилиями четырнадцати европейских наций был построен ускоритель, дающий 28 миллиардов электроновольт. Аналогичное несколько большее устройство работает в Брукхэвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде.

Основное назначение этих устройств уже не состоит в изучении структуры ядра. Скорее на них изучается строение нейтронов и протонов. Здесь сделан шаг на следующую, более высокую ступеньку квантовой лестницы. Ставится вопрос: существует ли предел устойчивости нуклонов, есть ли такая энергия, выше которой становится заметным внутреннее строение протонов и нейтронов? Мы исследуем природу самих элементарных частиц. Вследствие очень малых размеров этих единиц мы ожидаем весьма высокого предела устойчивости, значительно более высокого, чем для атомных ядер. Действительно, достаточно было применить энергии в несколько сот миллионов электроновольт, чтобы были найдены указания на внутреннюю структуру.

При воздействии на вещество столь больших энергий наблюдаются явления, которые до сих пор еще не совсем понятны. Они показывают, что нуклоны обладают структурой, но мы не знаем как следует, что это за структура. В нашей книге мы ограничимся кратким описанием таких явлений, не особенно вдаваясь в их детали.

При этих энергиях наблюдаются явления и факты, которые можно отнести к четырем группам. Перечислим их:

1. Образование квантов ядерного поля — мезонов.

2. Существование антивещества.

3. Появление «странных» частиц.

4. Короткое время жизни частиц.

Первое явление мы можем объяснить довольно хорошо. В качестве свидетельства творческой изобретательности человеческого разума укажем, что японский физик Юкава еще в 1935 г. предсказал существование этих мезонов до того, как они были открыты на опыте. Его теоретические рассуждения до сих пор остаются верными. Протон и нейтрон, рассуждал он, служат источниками ядерных сил, которые удерживают нуклоны в ядре. Поле ядерных сил окружает протон и нейтрон таким же образом, как электрическое поле окружает электрон. Электрон излучает свет, если он испытывает внезапный толчок и приводится в движение. Часть электрического поля как бы отторгается и распространяется в виде световых лучей, или, как мы теперь установили, в форме световых квантов. Аналогичным образом мы полагаем, что часть ядерного поля тоже отторгается при ударе нуклона с высокой энергией. Мы ожидаем найти ядерное излучение, кванты которого аналогичны световым.

Юкава предсказал существование этих квантов поля; исходя из свойств ядерных сил, он даже рассчитал минимальную энергию, необходимую для испускания такого кванта. Иными словами, он предсказал предел устойчивости протонов и нейтронов. Если протон или нейтрон испытывают столкновение с энергией, превышающей несколько сот миллионов электроновольт, то во всех направлениях испускаются мезоны — рождаются кванты поля ядерных сил. Такие кванты называют π-мезонами, чтобы отличать их от других частиц, которые тоже носят название мезонов. Испускание π-мезонов — это один из самых поразительных эффектов, наблюдаемых при очень высоких энергиях[47].

Вторая группа фактов особенно удивительна. В 1930 г. английский физик-теоретик П. А. М. Дирак предсказал существование антиэлектрона, позитрона, и его предсказание было вскоре подтверждено Карлом Д. Андерсоном, нашедшим позитрон в космических лучах. Мы уже говорили об этой частице, рассматривая радиоактивность; позитрон испускается вместе с нейтрино, когда протон превращается в нейтрон. Антиэлектрон почти тождествен обычному электрону, но имеет противоположный заряд (положительный) и противоположные магнитные свойства. Но интереснее всего следующее: если антиэлектрон (позитрон) сталкивается с обычным электроном, то происходит нечто вроде взрыва, и обе частицы исчезают. Они взаимно аннигилируют, и энергия, заключенная в их массе, превращается в свет. Наоборот, при достаточной энергии свет также может при известных обстоятельствах преобразоваться в пару электрон — позитрон; таким образом, электроны и позитроны могут создаваться за счет чистой энергии. Масса одного электрона отвечает энергии в полмиллиона электроновольт. Следовательно, создание одной пары электрон — антиэлектрон требует энергии, не меньшей 1 Мэв.

Атомы содержат не только электроны, но и ядра, которые в свою очередь состоят из протонов и нейтронов. Возникает вопрос: существуют ли антипротоны и антинейтроны? Поскольку массы нейтронов и протонов очень велики, для создания такой пары, частица — античастица, потребуется значительно большая энергия, чем для создания пары электрон— позитрон; она должна достигать нескольких миллиардов электроновольт. Когда в Беркли была построена установка на 6 Бэв (рис. 50), физики всего мира с беспокойством ожидали результата решающего опыта — существует ли антипротон?

Рис. 50. Бэватрон в Беркли.

Ответ был утвердительным. То, что протон и нейтрон имеют античастицы, было показано Сегре, Чемберленом, Вигандом и Ипсилантисом. Тем самым было установлено, что все частицы, из которых состоит вещество, имеют своих антидвойников. Это открытие доказало, что существует антивещество, состоящее из антипротонов, антиэлектронов и антинейтронов. Если антивещество придет в соприкосновение с обычным веществом, начнется взрывная аннигиляция. Антипротоны и протоны взаимно аннигилируют, и большое количество энергии, заключенной в массе, перейдет к разлетающимся квантам ядерных сил, мезонам. Вот почему антивещество никогда не встречается на Земле, если только оно не произведено на наших установках. Оно может существовать только до момента соприкосновения с обыкновенным веществом.

Перейдем теперь к третьей группе высокоэнергетических явлений, к появлению странных частиц. Когда протоны или нейтроны бомбардируют частицами очень высоких энергий, они иногда превращаются в частицы нового типа, называемые гиперонами. Гиперон обладает большей энергией, чем протон, и может рассматриваться как более высокое квантовое состояние протона. Атом тоже можно перевести в более высокое квантовое состояние, сообщая ему необходимый добавок энергии. Однако положение здесь не так уж просто: образование гиперонов всегда сопровождается одновременным рождением κ-мезонов, которые, по-видимому, тоже являются квантами ядерного поля, но обладают большей энергией, чем π-мезоны. Физики все еще только стремятся понять смысл этого явления.

Четвертая группа наблюдений характерна для физики высоких энергий. Все недавно открытые частицы: π-мезон, κ-мезон, гипероны — неустойчивы. Они имеют очень короткое время жизни, существуя около одной миллиардной доли секунды или даже меньше, а потом превращаются в другие частицы. Например, квант ядерного поля, π-мезон, живет только 10^-8 сек. После этого он превращается в пару электрон — нейтрино. Положение здесь осложняется тем, что в этой паре мы имеем не обычный электрон, а тяжелую его разновидность с массой, примерно в 200 раз превышающей массу обычного электрона. Его принято называть μ-мезоном, но такое название не очень удачно, так как мезоны суть кванты поля, а тяжелый электрон — это обычная частица.