З чого складаються ядра? Чим частини ядра утримуються разом? Виявлено, що існують сили величезної величини, які й утримують складові частини ядра. Коли ці сили вивільняються, то енергія, що виділяється, порівняно з хімічною енергією величезна, це все одно, що порівняти вибух атомної бомби з вибухом тротилу. Пояснюється це тим, що атомний вибух викликаний змінами всередині ядра, тоді як при вибуху тротилу перебудовуються лише електрони на зовнішній оболонці атома.
То які ж ті сили, якими нейтрони і протони скріплені в ядрі?
Електричну взаємодію пов'язують із частинкою — фотоном. Аналогічно до цього Юкава припустив, що сили притягання між протоном і нейтроном мають поле особливого роду, а коливання цього поля поводяться як частинки. Отже, не виключено, що, крім нейтронів і протонів, у світі існують деякі інші частинки. Юкава зумів вивести властивості цих частинок із уже відомих характеристик ядерних сил. Наприклад, він передбачив, що вони повинні мати масу, у 200— 300 разів більшу, ніж електрон. І—о, диво!— у космічних променях якраз відкрили частинку з такою масою! Утім, трохи згодом з'ясувалося, що це зовсім не та частинка. Назвали її μ-мезон, або мюон.
І все ж дещо пізніше, у 1947 або 1948 р., виявилася частинка—π-мезон, або піон,— що задовольняла вимогам Юкави. Виходить, щоб отримати ядерні сили, до протона і нейтрона треба додати піон. «Чудово! — вигукнете ви.— За допомогою цієї теорії ми тепер спорудимо квантову ядродинаміку, і піони послужать тим цілям, заради яких їх увів Юкава; подивимося, чи запрацює ця теорія, і якщо так, то пояснимо все». Марні сподівання! З'ясувалося, що розрахунки в цій теорії настільки складні, що нікому ще не вдалося їх виконати і видобути з теорії якісь наслідки, нікому не випало щастя порівняти її з експериментом. І триває це вже майже 20 років!
З теорією щось не клеїться; ми не знаємо, правильна вона чи ні; втім, ми вже знаємо, що в ній чогось бракує, що якісь неправильності в ній криються. Поки ми тупцювали навколо теорії, намагаючись обчислити наслідки, експериментатори за цей час дещо відкрили. Ну, той самий μ-мезон, або мюон. А ми досі не знаємо, на що він годиться. Знову ж таки, у космічних променях відшукали безліч «зайвих» частинок. На сьогодні їх уже понад 30, а зв'язок між ними все ще важко вловити, і незрозуміло, чого природа від них хоче і хто з них від кого залежить. Перед нами всі ці частинки поки не постають як різні прояви однієї й тієї самої сутності, і той факт, що є купа розрізнених частинок, є лише відображенням наявності незв'язної інформації без стерпної теорії. Після незаперечних успіхів квантової електродинаміки — якийсь набір відомостей з ядерної фізики, уривки знань, напівдослідних-напівтеоретичних. Задаються, скажімо, характером взаємодії протона з нейтроном і дивляться, що з цього вийде, не розуміючи насправді, звідки ці сили беруться. Понад описане ніяких особливих успіхів не сталося.
Але хімічних елементів теж було безліч, і раптом між ними вдалося побачити зв'язок, виражений періодичною таблицею Менделєєва. Скажімо, калій і натрій — речовини, близькі за хімічними властивостями,— у таблиці потрапили в один стовпець. Так от, спробували спорудити таблицю на кшталт таблиці Менделєєва і для нових частинок. Одна подібна таблиця була запропонована незалежно Гелл-Манном у США і Нішіджімою в Японії. Основа їхньої класифікації — нове число, подібне до електричного заряду. Воно присвоюється кожній частинці і називається її «дивністю» S. Це число не змінюється (так само як електричний заряд) у реакціях, що виробляються ядерними силами.
У табл. 2.2 наведено нові частинки. Ми поки не будемо докладно говорити про них. Але з таблиці принаймні видно, як мало ми ще знаємо. Під символом кожної частинки стоїть її маса, виражена в певних одиницях, званих мегаелектронвольт, або МеВ (1 МеВ—це 1,782*10-27 г). Не будемо заглиблюватися в історичні причини, що змусили ввести цю одиницю. Масивніші частинки стоять у таблиці вище. В одній колонці стоять частинки однакового електричного заряду, нейтральні — посередині, позитивні — праворуч, негативні — ліворуч.
Зображення
Частинки підкреслені суцільною лінією, «резонанси» — штрихами. Деяких частинок у таблиці немає зовсім: немає фотона і гравітона, дуже важливих частинок з нульовими масою і зарядом (вони не потрапляють у баріон-мезон-лептонну схему класифікації), немає й деяких новітніх резонансів (φ, f, Y* та ін.). Античастинки мезонів у таблиці наведені, а для античастинок лептонів і баріонів довелося б скласти нову таблицю, схожу на цю, але тільки дзеркально відображену відносно нульової колонки. Хоча всі частинки, крім електрона, нейтрино, фотона, гравітона і протона, нестійкі, продукти їхнього розпаду написані тільки для резонансів. Дивність лептонів теж не написана, оскільки це поняття до них незастосовне — вони не взаємодіють сильно з ядрами.
Частинки, що стоять разом з нейтроном і протоном, називають баріонами. Це «лямбда» з масою 1115,4 МеВ і три інші—«сигми», звані сигма-мінус, сигма-нуль, сигма-плюс, з майже однаковими масами. Групи частинок майже однакової маси (відмінність на 1—2%) звуться мультиплетами. У всіх частинок у мультиплеті дивність однакова. Перший мультиплет — це пара (дублет) протон — нейтрон, потім іде синглет (одинак) лямбда, потім — триплет (трійка) сигм, дублет ксі і синглет омега-мінус. Починаючи з 1961 р., почали відкривати нові важкі частинки. Але чи частинки це? Живуть вони так мало (розпадаються, щойно виникнувши), що невідомо, назвати їх новими частинками чи вважати «резонансною» взаємодією між продуктами їхнього розпаду, скажімо, Λ і π за деякої фіксованої енергії.
Для ядерних взаємодій, крім баріонів, необхідні інші частинки — мезони. Це, по-перше, три різновиди піонів (плюс, нуль і мінус), що утворюють новий триплет. Знайдено й нові частинки — K-мезони (це дублет K+ і K0). У кожної частинки буває античастинка, якщо тільки частинка не виявляється своєю власною античастинкою, скажімо π+ і π-— античастинки одна одної, a π0—сам собі античастинка. Античастинки і K- з K+, і K0 з K0`. Крім того, після 1961 р. ми почали відкривати нові мезони, або ніби-мезони, що розпадаються майже миттєво. Одна така дивовижа зветься омега, ω, її маса 783, вона перетворюється на три піони; є й інше утворення, з якого виходить пара піонів.
Подібно до того як з дуже вдалої таблиці Менделєєва випали деякі рідкісні землі, точно так само з нашої таблиці випадають деякі частинки. Це ті частинки, які з ядрами сильно не взаємодіють, до ядерної взаємодії стосунку не мають і між собою сильно теж не взаємодіють (під сильним розуміється потужний тип взаємодії, що дає атомну енергію). Звуться ці частинки лептонами; до них належать електрон (дуже легка частинка з масою 0,51 МеВ) і мюон (з масою в 206 разів більшою за масу електрона). Наскільки ми можемо судити з усіх експериментів, електрон і мюон розрізняються тільки масою. Усі властивості мюона, всі його взаємодії нічим не відрізняються від властивостей електрона — тільки один важчий за іншого. Чому він важчий, яка йому від цього користь, ми не знаємо. Крім них, є ще нейтральний лептон — нейтрино, з масою нуль. Більш того, зараз відомо, що є два сорти нейтрино: одні, пов'язані з електронами, а інші — з мюонами.
І нарешті, існують ще дві частинки, теж з ядрами не взаємодіючі. Одну ми вже знаємо — це фотон; а якщо поле тяжіння також має квантовомеханічні властивості (хоча поки квантова теорія тяжіння не розроблена), то, можливо, існує і частинка гравітон з масою нуль.
Що таке «маса нуль»? Маси, які ми наводили,— це маси частинок у стані спокою. Якщо в частинки маса нуль, то це означає, що вона не сміє спочивати. Фотон ніколи не стоїть на місці, його швидкість завжди дорівнює 300 000 км/с. Ми з вами ще розберемося в теорії відносності і спробуємо глибше вникнути в сенс поняття маси.
Отже, ми зустрілися з цілим строєм частинок, які всі разом, вочевидь, є дуже фундаментальною частиною речовини. На щастя, ці частинки не всі відрізняються за своєю взаємодією одна від одної. Схоже, є лише чотири типи взаємодій між ними. Перелічимо їх у порядку спадання сили: ядерні сили, електричні взаємодії, (β-розпадна взаємодія і тяжіння. Фотон взаємодіє з усіма зарядженими частинками із силою, що характеризується деяким постійним числом 1/137. Детальний закон цього зв'язку відомий — це квантова електродинаміка. Тяжіння взаємодіє з будь-якою енергією, але надзвичайно слабко, набагато слабше, ніж електрика. І цей закон відомий. Потім ідуть так звані слабкі розпади: β-розпад, через який нейтрон розпадається досить повільно на протон, електрон і нейтрино. Тут закон з'ясований лише частково. А так звана сильна взаємодія (зв'язок мезона з баріоном) має за цією шкалою силу, що дорівнює одиниці, а закон її зовсім темний, хоч і відомі деякі правила, на кшталт того, що кількість баріонів у жодній реакції не змінюється.
Зображення
Сцена, на якій діють усі наші знання,— це релятивістський простір-час; не виключено, що з ним пов'язане й тяжіння. Ми не знаємо, як почався Всесвіт, і ми жодного разу не ставили дослідів з метою точної перевірки наших уявлень про простір-час на малих відстанях, ми тільки знаємо, що поза цими відстанями наші погляди безпомилкові. Можна було б ще додати, що правила гри — це принципи квантової механіки; і до нових частинок вони, наскільки нам відомо, застосовні не гірше, ніж до старих. Пошуки походження ядерних сил приводять нас до нових частинок; але всі ці відкриття викликають тільки сум'яття. У нас немає повного розуміння їхніх взаємних відносин, хоча в деяких дивовижних зв'язках між ними ми вже переконалися. Ми, вочевидь, поступово наближаємося до розуміння світу позаатомних частинок, але невідомо, наскільки далеко ми пройшли цим шляхом.
Становище, в якому перебуває сучасна фізика, слід вважати жахливим. Я б підсумував його такими словами: поза ядром ми, вочевидь, знаємо все; всередині нього справедлива квантова механіка, порушень її принципів там не знайдено.