Недавно в издательстве «Питер» вышла книга «Тонкая физика. Масса, эфир и объединение всемирных сил». В ней лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек (Frank Wilczek) рассказывает о массе, энергии, природе вакуума и взаимодействиях элементарных частиц. XX2 ВЕК публикует отрывок из пятой главы «Гидра внутри» — о строении атомных ядер. Текст предоставлен издательским домом «Питер».
«Старое» понимание атомного ядра в виде системы протонов и нейтронов, склеенных между собой или вращающихся друг вокруг друга, в конечном счёте самоликвидировалось. Физики, искавшие силы, которые действуют на устойчивые частицы, вместо этого открыли изумительный новый мир превращений и неустойчивости.
В 1930 году стало понятно направление для следующего шага на пути к созданию полной теории материи. Путешествие вглубь атома достигло предела — его ядра.
Большая часть массы вещества заключена в атомных ядрах. Электрический заряд, сосредоточенный в них, создаёт электрические поля, которые определяют движение окружающих электронов. Ядра намного тяжелее, и поэтому обычно движутся гораздо медленнее, чем электроны. Последние являются действующими лицами в химических и биологических процессах (не говоря уже об электронике), а ядра находятся за кулисами и пишут сценарии.
Несмотря на то, что в биологии, химии и электронике атомные ядра в основном остаются в тени, они блистают в истории о звёздах. Именно из перекомпоновки и превращений ядер звезды, в том числе, конечно же, наше Солнце, черпают свою энергию. Таким образом, важность понимания атомных ядер была и остаётся очевидной.
Однако в 1930 году упомянутое понимание было примитивным, и задача его развития встала в физике очень остро. В своих лекциях Энрико Ферми рисовал нечёткое облако в центре диаграммы атома с пометкой: «Здесь драконы», как в древних картах. Здесь проходила граница того, что предстояло изучить.
Драконы Ферми
С самого начала было ясно, что ядерным миром правят другие, новые силы. Классическими силами доядерной физики являются гравитация и электромагнетизм. Однако в ядрах действуют отталкивающие силы: ядро имеет общий положительный заряд, а одноимённые заряды отталкиваются. Гравитационные силы, действующие на небольшое количество массы в любом отдельно взятом ядре, слишком слабы, чтобы преодолеть электрическое отталкивание. (Мы гораздо подробнее поговорим о слабости гравитации во второй части этой книги.) Нужна была новая сила. Она получила название сильного взаимодействия. Чтобы ядра оставались плотно связанными друг с другом, сильное взаимодействие должно было быть более мощным, чем любое из ранее известных.
Потребовались десятки лет усилий экспериментаторов и изощрений теоретиков, чтобы обнаружить фундаментальные уравнения, описывающие то, что происходит в атомных ядрах. Удивительно, что людям вообще удалось их найти.
Очевидная трудность заключается в том, что наблюдать эти уравнения в действии мешает малый размер атомного ядра. Оно примерно в 100 000 раз меньше самого атома. Это уводит нас в миллион раз дальше за пределы нанотехнологии. Ядра относятся к области микронанотехнологий. Пытаясь манипулировать ядрами с помощью макроскопических инструментов, например весов или обычного пинцета, мы получаем результат хуже, чем у великана, пытающегося поднять песчинку с помощью пары Эйфелевых башен. Это трудная задача. Для изучения ядерного мира необходимо было разработать совершенно новые методы проведения экспериментов и создать необычные виды инструментов. В следующей главе мы посетим ультрастробоскопический наномикроскоп (известный как Стэнфордский линейный ускоритель (Stanford Two Mile Linear Accelerator, SLAC)) и станцию творческого разрушения (известную как Большой электрон-позитронный коллайдер (Large Electron-Positron collider, LEP; по-русски БЭПК), где были сделаны открытия, имеющие центральное значение для нашего повествования.
Другая трудность заключалась в том, что микронанокосм, как оказалось, следует законам, совершенно отличным от всего изученного ранее. Прежде чем отдать должное сильному взаимодействию, физики должны были отказаться от естественного для человека образа мыслей и заменить его странными новыми идеями. Мы рассмотрим эти идеи подробнее в нескольких следующих главах. Они настолько странные, что, если я просто приведу их в качестве фактов, они не покажутся вам правдоподобными, впрочем, они и не должны таковыми казаться. Некоторые из новых идей совершенно отличаются от всего известного прежде. Они могут противоречить — и, вероятно, на самом деле противоречат! — тому, что вы изучали в школе. (Это зависит от того, в какую школу вы ходили и когда.) В данной короткой главе я объясню, что подтолкнуло нас к революции. Эта глава служит для объединения традиционной концепции ядерной физики, которая по-прежнему приводится в большинстве попадавшихся мне учебников по физике для старшеклассников и первокурсников, с нашим новым пониманием.
Борьба с драконами
Открытие Джеймсом Чедвиком нейтрона в 1932 году стало знаковым событием. После открытия Чедвика путь к пониманию представлялся простым. Казалось, что обнаружены строительные блоки ядер. Ими являются протоны и нейтроны, два вида частиц, которые весят примерно одинаково (нейтрон на 0,2 % тяжелее) и имеют аналогичные сильные взаимодействия. Наиболее очевидные различия между протонами и нейтронами заключаются в том, что протон имеет положительный электрический заряд, а нейтрон электрически нейтрален. Кроме того, изолированный нейтрон нестабилен. Период его существования — около 15 минут, после чего нейтрон превращается в протон (и при этом также возникают электрон и антинейтрино). Просто складывая вместе протоны и нейтроны, вы могли бы создавать модели ядра с разными зарядами и массами, которые примерно соответствуют аналогичным параметрам известных ядер.
Казалось, что понимание и уточнение этих моделей было лишь вопросом измерения сил, действующих на протоны и нейтроны. Данные силы удерживали бы ядра от распада. Уравнения, описывающие эти силы, стали бы теорией сильного взаимодействия. Решая уравнения указанной теории, мы могли проверить её и сделать прогнозы. Таким образом, мы бы написали новую лаконичную главу под названием «ядерная физика», центральной идеей которой стала бы «ядерная сила», описываемая простым и элегантным уравнением.
Такая программа действий вдохновила экспериментаторов на изучение столкновений протонов с другими протонами (нейтронами или другими ядрами). Мы называем такие эксперименты, в процессе которых сталкивают частицы с другими и изучают то, что получилось, экспериментом по рассеянию. Идея заключается в том, что, изучая отклонение протонов и нейтронов, или, как мы говорим, рассеяние, вы можете определить, какие силы на них действуют.
Эта простая стратегия с треском провалилась. Во-первых, сила оказалась очень сложной. Было установлено, что она имеет сложную зависимость не только от расстояния между частицами, но и от их скоростей и направлений их спинов. Вскоре стало ясно, что нам не удастся обнаружить простой и красивый закон для этой силы, достойный места в одном ряду с законом тяготения Ньютона или законом Кулона для электричества.
Во-вторых, что было ещё хуже, «сила» не была силой. При столкновении двух энергичных протонов происходит не просто их отклонение. Часто в результате образуется более двух частиц, которые не обязательно являются протонами. В самом деле, в ходе проводимых физиками экспериментов по рассеянию при высокой энергии, таким образом, были обнаружены многие новые виды частиц. Новые частицы, которых были найдены десятки, нестабильны, поэтому мы обычно не наблюдаем их в природе. Однако при их подробном изучении оказалось, что другие их свойства, особенно сильные взаимодействия и размер, подобны аналогичным параметрам протонов и нейтронов.
После этих открытий стало неестественно рассматривать протоны и нейтроны сами по себе или думать, что основная проблема заключается в определении сил, обусловливающих их взаимодействие. Вместо этого «ядерная физика» в традиционном понимании стала частью более крупного предмета, включающего все новые частицы и очевидно сложные процессы их создания и распада. Для описания нового «зоопарка» элементарных частиц, этого нового вида драконов, было придумано название «адрон».
Гидра
Опыт в области химии предполагал возможность объяснения всех этих сложностей. Может быть, протоны, нейтроны и другие адроны не являются элементарными частицами. Может быть, они состоят из более простых объектов, обладающих более простыми свойствами.
В самом деле, если вы проведёте над атомами и молекулами такие же эксперименты, что и над протонами и нейтронами, изучая то, что остаётся после их столкновений, вы также получите сложные результаты. Вы могли бы перестраивать и разлагать молекулы для получения их новых видов (или возбуждённых атомов, ионов и радикалов), иными словами, проводить химические реакции. Простому закону взаимодействия подчиняются только электроны и ядра. Атомы и молекулы, состоящие из многих электронов и ядер, ему не подчиняются. Может ли существовать аналогичная закономерность для протонов, нейтронов и их недавно обнаруженных сородичей? Может ли их очевидная сложность объясняться тем, что они состоят из более мелких строительных блоков, которые подчиняются гораздо более простым законам?
Разламывание чего-либо на куски может быть грубым способом, однако этот метод может оказаться и самым надёжным для выяснения того, из чего оно состоит. Если достаточно сильно столкнуть два атома, они распадутся на составляющие их электроны и ядра. Так обнаруживаются строительные блоки, из которых они состоят.
Тем не менее поиск более простых строительных блоков внутри протонов и нейтронов привёл к необычным трудностям. Если вы действительно сильно столкнёте между собой протоны, то в результате получите ещё больше протонов, иногда в сопровождении их адронных родственников. Типичным результатом при столкновении двух протонов при высокой энергии является появление трёх протонов, антинейтрона и нескольких пи-мезонов. Общая масса появившихся в результате частиц превышает массу исходных. Мы обсуждали эту возможность ранее, и вот она снова нас настигла. Вместо того чтобы открыть более мелкие и лёгкие строительные блоки, переходя к все более высокой энергии и производя все более сильные столкновения, вы просто находите ещё больше того же самого. Тенденции к упрощению не наблюдается. Это всё равно, как если бы вы столкнули между собой два яблока одного сорта и получили три яблока того же сорта, одно яблоко другого сорта, дыню, десяток вишен и пару кабачков.
Дракон Ферми превратился в кошмарную гидру из мифа. Отрежьте гидре голову, и на её месте появится несколько новых.
Более простые строительные блоки существуют. Однако их фундаментальная «простота» подразумевает странное и парадоксальное поведение, которое делает их как революционными для теории, так и неуловимыми во время экспериментов. Чтобы их понять или даже воспринять, нам придётся начать всё с начала.
