ЧТО ТАКОЕ ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ?
СТРАННАЯ ИГРА
Представьте себе, что вы находитесь на футбольном поле и чем больше наблюдаете игру, тем больше недоумеваете. Вместо того чтобы забивать мяч в ворота противника, некоторые игроки старательно посылают его в свои собственные; вратарь в самые опасные моменты, возникающие на штрафной площадке, спокойно уходит и разговаривает с тренером; за ошибки во время игры наказывается не виновная, а пострадавшая сторона... Вы видите поле, ворота, мяч, знаете силы, которые там действуют, но никак не поймете, что же это за правила игры, какими законами она управляется. И, возможно, что, просидев достаточно долго на такой сумасшедшей игре, вам удастся в конце концов догадаться о ее правилах.
Но вот вы попали на соседнее поле, где тоже играют в футбол. Игра идет, как и положено, все правила соблюдаются так, как их каждый знает, но только одна загвоздка — вы не видите мяча. Игроки играют в какой-то невидимый мяч, и, судя по их поведению, они даже видят этот мяч и работают с ним.
Здесь законы игры как будто ясны и понятны, но главный объект игры неизвестен — большой или маленький мяч, легкий или тяжелый, да и мяч ли — это вообще и т. д.
Похожую на эту картину встретили физики при своих попытках понять, что же делается в ядре атома, какие силы в нем господствуют и какие законы ими управляют.
Мы уже знаем, что электрические силы, притягивающие отрицательно заряженные электроны к положительно заряженному ядру атома, должны заставлять собранные в ядре положительно заряженные частицы — протоны — разлетаться с огромной силой в стороны.
Однако, вопреки всем известным нам законам физики, протоны, находясь в пределах атома, вместо того чтобы разлетаться, почему-то удерживаются все вместе, и столь сильно, что необходимо приложить огромную энергию, чтобы их разделить.
Что же это за силы?
Электрические? Если бы у половины протонов в ядре атома положительные заряды переменить на отрицательные, вследствие чего вместо отталкивания они стали бы притягиваться один к другому, то эти электрические силы притяжения оказались бы в десятки раз менее мощными, чем те силы, которые фактически удерживают одинаково заряженные протоны в ядре атома.
Следовательно, эти силы носят явно не электрический характер. Кроме того, как бы могли электрические силы удерживать в ядре и нейтроны, не имеющие никаких электрических зарядов?
Может быть, силы тяготения? Но они оказываются еще менее приемлемыми, так как силы тяготения между двумя частицами ядра атома в 1037 раз слабее сил, удерживающих их на самом деле.
Что же тогда это за таинственные, непонятные силы?
Когда ученые сначала занялись электронами, то силы, участвовавшие в «игре», были им тогда уже точно известны. Это были электрические силы притяжения и отталкивания. Неизвестны были лишь законы, которые управляли действием этих сил.
Чтобы объяснить все самые сложные стороны движения электронов и взаимоотношения их с положительно заряженными частицами, свойства атома в целом (его размеры; химические свойства и поведение; свет, который излучает атом при изменении уровня энергии электронов; движение электрона в пределах атома и т. п.), физика в свое время вынуждена была разработать совершенно новую теорию движения частиц микромира — квантовую механику, объяснившую наконец правила странной и непонятной игры в футбол, вроде изображенной в начале этой главки.
Когда же идет речь о ядре атома, мы тоже можем разобраться в управляющих законах, о них нам говорит та же квантовая механика. Но вот что за силы участвуют в этой внутриядерной «игре», мы не знаем.
ЧТО ПРИТЯГИВАЕТ ЭЛЕКТРОН К ПРОТОНУ
По закону Кулона, сформулированному еще в 1784 году, сила, действующая между двумя электрическими зарядами, зависит от величины зарядов и расстояния между ними: она уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.
Значительно позже, в результате работ Фарадея и Максвелла, был установлен весьма важный для всей современной физики факт: если каким-либо образом изменить расстояние между двумя зарядами, например сдвинув один из них, то подобное изменение электрической силы до другого заряда дойдет не в тот же самый момент, а через некоторое время, именно такое, какое требуется свету, чтобы пробежать расстояние, разделяющее эти заряды.
Этот факт позволил связать между собой электрические и световые явления, показав, что электромагнитное поле, окружающее движущийся заряд, распространяется от него со скоростью света.
В результате работ Планка и Эйнштейна было установлено, что и электромагнитное поле, так же как вещество и электрические заряды, имеет не сплошное, а прерывистое — корпускулярное — строение. Минимальное количество электромагнитной энергии, образующей это поле, стали называть квантом или фотоном.
Квант излучения, или фотон, может существовать и распространяться только со скоростью света — 300 тысяч километров в секунду. С этой же скоростью передается и воздействие одного электрического заряда на другой.
Современная физическая теория считает, что силами, осуществляющими взаимодействие между электрическими зарядами, являются непрерывно испускаемые и поглощаемые ими фотоны.
Непрерывный обмен фотонами между двумя заряженными телами и создает силы электрического притяжения или отталкивания.
Два электрически заряженных тела взаимодействуют между собой путем непрерывного обмена фотонами, благодаря чему между ними создаются силы электрического притяжения или отталкивания.
Новая теория ближе и точнее всех других соответствует тому, что удалось получить физикам до сих пор при помощи самых сложных и тонких экспериментов. На ее основе с большой точностью рассчитано строение самого простого атома вещества — водорода, состоящего всего из двух частиц: одного протона и одного электрона.
Когда же мы переходим к выяснению вопроса, с какими силами действуют одна на другую элементарные частицы, из которых складывается ядро атома, и что это за силы, то здесь, не имея ни привычных представлений, вынесенных со школьной скамьи, ни «убедительных» и «очевидных» аналогий (вроде заученных: «разноименно заряженные тела притягиваются, а одноименно заряженные отталкиваются»), представить природу этих особых внутриядерных сил становится очень трудно.
Внутриядерные силы по своему действию и свойствам намного сложнее электрических сил притяжения или отталкивания или любых иных известных ученым сил.
Взаимодействие между двумя ядерными частицами, очевидно, зависит не только от расстояния между ними, но и от скорости их движения, равно как и от относительного направления вращения этих частиц.
Вероятно, имеются силы, которые действуют между тремя, четырьмя или большим количеством частиц одновременно.
Следует особо отметить тот удивительный факт, что эти силы совершенно не зависят от электрических зарядов самих частиц. Протон и протон, нейтрон и нейтрон, протон и нейтрон — все они притягиваются один к другому примерно с одинаковой силой.
Самой интересной особенностью внутриядерных сил оказался их исключительно малый радиус действия. На расстоянии, равном, например, 2,6 · 10-13 см, ядерные силы притягивают два протона один к другому в 10 раз сильнее, чем они взаимно отталкиваются под действием одинаковых положительных электрических зарядов. Если же это расстояние увеличить всего лишь в два раза, ядерные силы притяжения становятся уже равными электрическим силам отталкивания. Увеличение расстояния в 25 раз приводит к тому, что электрические силы отталкивания превышают внутриядерные силы притяжения в миллион раз.
С другой стороны, имеются основания предполагать, что на еще более коротких расстояниях — меньше чем 0,5 · 10-13см — притягивающее действие внутриядерных сил резко обрывается, и они превращаются в еще более отталкивающие силы.
Внутриядерные силы имеют и другое важнейшее свойство: взаимодействие между ядерными частицами также носит характер некоего обмена.
И здесь мы встречаемся с фактом, указывающим, что взаимодействие между нуклонами — нейтроном и протоном — должно осуществляться при помощи каких-то материальных частиц электромагнитного характера, напоминающих фотоны, при посредстве которых осуществляется взаимодействие между электрическими зарядами. Такую мысль впервые высказал советский физик лауреат Нобелевской премии академик И. Е. Тамм.
Что же это за частицы?
Некоторые удивительные особенности действия внутриядерных сил между нуклонами в зависимости от расстояния.
НА СЦЕНЕ ПОЯВЛЯЕТСЯ НОВАЯ ЧАСТИЦА - МЕЗОН
В 1933 году японский физик Хидеки Юкава, анализируя накопившийся теоретический и опытный материал, высказал ряд новых идей, касающихся природы ядерных сил. Согласно его представлению, в ядре атома роль связывающего кванта выполняет новая материальная частица, названная им мезоном. Он предсказал и свойства частиц, которыми должны были бы обмениваться протон и нейтрон, чтобы привести к появлению огромных сил, действующих на коротких расстояниях и только в пределах ядра атома. Эти обменные частицы должны сами сильно взаимодействовать с протонами, нейтронами и ядрами независимо от их зарядов.
Исходя из общих принципов квантовой механики, следует, что силы, действующие на далеких расстояниях, подобные силам электрическим, могут переноситься частицами, не имеющими массы покоя, то есть которые могут существовать, только двигаясь со скоростью света. Такими частицами, как мы знаем, являются фотоны. Вся масса фотона проявляется и связана с тем, что он движется со скоростью света.
Силы же, действующие на близких расстояниях, исходя из тех же законов квантовой механики, должны передаваться частицами, которые даже в состоянии покоя имеют массу. Эта масса должна быть тем больше, чем короче радиус действия ядерных сил.
Для сил с радиусом действия около 10-13 см (два диаметра ядра атома) масса таких частиц должна быть примерно в 200 раз больше массы электрона.
Для того чтобы эти частицы могли осуществлять обменные функции между нуклонами ядра атома, они должны быть электрически заряженными. Когда протон и нейтрон взаимодействуют между собой, протон излучает положительно заряженный мезон, который и поглощается нейтроном. В этом процессе протон теряет свой положительный заряд и становится нейтроном, в то время как нейтрон приобретает положительный заряд и превращается в протон.
Такой же результат, естественно, получается, если нейтрон излучает отрицательный мезон, который поглощается протоном.
Предположение о существовании и положительного и отрицательного мезонов было высказано Юкавой в соответствии с общими принципами современной физики, состоящими в том, что для любой положительно заряженной частицы в природе должна существовать и противоположная ей по заряду отрицательная частица. Подробнее об этом мы расскажем позднее.
Что происходит с мю-мезоном, попавшим в камеру Вильсона. След медленного мю-мезона начинается в левом углу камеры и постепенно становится все более и более «жирным», так как частица постепенно замедляется вследствие соударений с атомами газа, наполняющего камеру. Замедлившись до энергии, при которой его внутреннее уравновешенное состояние нарушается, мю-мезон взрывается, распадаясь в зависимости от своего первоначального заряда на быстрый позитрон и на два нейтрино. Следы нейтрино на снимке отсутствуют, так как, не имея заряда, они не ионизируют газа.
Первые такие частицы, получившие название мю-мезонов и были обнаружены в космическом излучении в 1936 году. Их масса равнялась 207 массам электрона.
Однако вскоре выяснилось, что с этими частицами происходит совсем не то, что ожидали. Мю-мезоны вели себя безразлично к ядрам атомов и реагировали лишь на электрические заряды протонов. С нейтронами они взаимодействовали настолько слабо, что никак не могли являться переносчиками внутриядерных сил. Помимо всего, они были крайне неустойчивыми. Средний срок их жизни равнялся всего 2,2 миллионной доли секунды. В зависимости от заряда мю- мезона при его распаде всегда возникает электрон или позитрон. Подсчеты энергии, выделяющейся при распаде, показывают, что при этом должны появляться по крайней мере еще две частицы, не имеющие заряда, и с массой, во много раз меньшей массы электрона (1/ 2000). Эти частицы — уже упоминавшиеся нами ранее нейтрино.
СЕМЬЯ МЕЗОНОВ
Мезоны, действительно ответственные за существование обменных сил между ядерными частицами, были открыты лишь в 1948 году Поуэллем, Оккиалини и Латтесом (англичанин, итальянец и бразилец) и названы тяжелыми пи-мезонами. Их масса в 273 раза превышает массу электрона.
Условия образования, существования и последующие превращения пи-мезона имеют очень сложный характер. Обнаруженный впервые также в космическом излучении, пи-мезон в результате торможения в веществе останавливается спустя 2,5 · 10 -8 сек и распадается на две частицы — мю-мезон и нейтрино.
Чтобы было понятнее, почему это происходит именно так, напомним, что если частица, в данном случае пи-мезон, не движется, то единственной энергией, которой она обладает, является ее собственная энергия, взаимосвязанная с массой.
Замедляясь в веществе, пи-мезон останавливается и распадается на две частицы: мю-мезон и нейтрино. Далее мю-мезон, также сталкиваясь с ядрами других атомов, замедляется и распадается уже на электрон и два нейтрино
Исчезновение пи-мезона открывает доступ к его собственной энергии. Часть ее идет на создание массы более легкого мю-мезона. Остальная часть превращается в энергию движения, вследствие чего только что народившиеся мю-мезон и нейтрино разлетаются с огромной скоростью (энергией). Приобретенная ими кинетическая энергия в точности эквивалентна этому остатку. Вот почему частица может самопроизвольно распадаться только на более легкие частицы.
Дальше мю-мезон также распадается, образуя электрон и два нейтрино. Попав в ядро атома, быстрый мю-мезон способен его разрушить.
Тяжелые пи-мезоны, в отличие от других мезонов, очень сильно взаимодействуют с ядрами атомов. Именно они оказались обладателями тех самых свойств, которые еще в 1933 году были предсказаны Юкавой, то есть квантами ядерного поля, подобно тому как фотоны являются квантами электромагнитного поля.
Однако теория, предложенная Юкавой, все еще не объясняла полностью некоторых особенностей и тонкостей действия внутриядерных сил.
Для того чтобы все более или менее сходилось точно, необходимо было существование еще и незаряженного нейтрального пи-мезона, ответственного за взаимодействие между протоном и протоном, а также между нейтроном и нейтроном. Мысль о существовании такой частицы была высказана английским физиком Кеммерошем. Протон, естественно, не может поглотить положительный мезон, так как он не может приобрести второй положительный заряд, то есть любой заряженный мезон не в состоянии осуществлять взаимодействие между протонами.
Существование нейтрального мезона, в частности, объясняет независимость действия внутриядерных сил от зарядов частиц, входящих в ядро атома.
Вскоре в космическом излучении были обнаружены и эти недостающие для полноты картины нейтральные мезоны, масса которых превышает массу электрона в 264 раза, но которые не имеют электрического заряда.
Эти мезоны тоже живут очень недолго — меньше 2 · 10-16 сек— и распадаются на два фотона.
Таким образом, в образовании и существовании ядерных сил участвуют три вида частиц, излучаемых и поглощаемых протонами и нейтронами. Это тяжелые положительные и отрицательные пи-мезоны, ответственные за обменные силы между нейтронами и протонами, и тяжелые нейтральные пи- мезоны, являющиеся носителями обменных сил, действующих между одинаковыми ядерными частицами — двумя протонами или двумя нейтронами.
Короче говоря, мезонная теория удовлетворительно объясняет все особенности и тонкости действия внутриядерных сил, которые до сих пор из-за их необычности, противоречия со всем предыдущим опытом и привычками физиков все еще трудно отчетливо себе представить. Похоже, что в мезоне удалось наконец обнаружить тот невидимый мяч, которым велась внутриядерная «игра», упомянутая в начале этого раздела книги.
Вскоре в космических лучах, а позднее и при помощи сверхмощных ускорителей частиц была открыта целая семья еще более тяжелых мезонов, то есть частиц тяжелее пи-мезона, но легче протона. Например, были обнаружены частицы, по массе равные 966 массам электрона. Такому мезону было присвоено название К-мезон. На рисунке (стр. 345) показан процесс появления и нескольких последовательных преобразований этой уж совсем необычной частицы. Неведомая пока еще космическая частица, скорее всего, протон, обладающая огромной энергией — может быть, в несколько десятков или сотен миллиардов электронвольт, — проходя огромную толщу земной атмосферы, служащей как бы гигантской предохранительной броней нашей планеты, а также и всего живого на ней, вдребезги разбивает подвернувшееся ядро атома какого- то вещества. В результате такой катастрофы появляется осколок — сверхтяжелый мезон.
Схема, объясняющая тонкости взаимодействия ядерных частиц посредством непрерывного обмена пи-мезонами (л). Взаимодействие между протоном и протоном, нейтроном и нейтроном может осуществляться лишь посредством нейтрального пи- мезона. Между протоном и нейтроном, и нейтроном и протоном — при помощи положительных или отрицательных пи-мезонов.
На схеме показано появление тяжелого К-мезона и процесс его дальнейших последовательных преобразований Черные следы в звезде — это следы протонов. Более тонкие — следы очень быстрых протонов и пи-мезонов.
Пролетев некоторое расстояние, эта частица через 0,85х10-8сек распадается уже на три пи-мезона, которые, в свою очередь, спустя некоторое время распадаются на мю-мезоны, а те — на электроны и нейтрино.
Так же, как у пи-мезонов, существуют и нейтральные тяжелые К-мезоны.
Не исключено, что мезонная теория внутриядерных сил окажется короткоживущей и ученым придется терпеливо строить здание новой теории, объясняющей загадку № 1 современной физики — что такое внутриядерные силы?
СВЕРХТЯЖЕЛЫЕ ЧАСТИЦЫ — ГИПЕРОНЫ
В последние годы опять-таки сперва в космическом излучении, а затем и в ускорителях были обнаружены частицы, масса которых оказалась даже больше массы протона. Эти неустойчивые, быстро распадающиеся частицы были названы сверхпротонами или гиперонами. Они могут быть и заряженными и нейтральными. Относительно изученным из них по ряду причин оказался нейтральный гиперон. Его масса равна 2182 массам электрона, то есть примерно на 340 электронных масс тяжелее протона. Появившись, он живет не больше 3х10-10 сек и на лету распадается на протон или нейтрон и отрицательно заряженный пи-мезон.
Пока нет оснований считать их какой-то новой разновидностью мезонов. Для этого они слишком тяжелы. Ведь трудно предположить, что, взаимодействуя между собой, протон и нейтрон обмениваются частицами, масса которых больше, чем они сами.
После распада гиперонов всегда возникает либо протон, либо нейтрон, что заставляет предположить, что гиперон представляет собой протон или нейтрон, поглотивший значительную дополнительную энергию и вследствие этого оказавшийся возбужденным. Поэтому он должен эту энергию тут же выделить обратно и, естественно, распадается на протон или нейтрон и мезон.
Такова картина, дающая только приблизительное представление о характере сил, действующих в границах ничтожно малого объема ядра атома, в непрерывном движении и преобразованиях которых скрыта огромная энергия.
ЧТО МОЖЕТ БЫТЬ ОБЩЕГО МЕЖДУ КАПЛЕЙ ВОДЫ И ЯДРОМ АТОМА?
Вы уже знаете, что ядра атомов тяжелых элементов крайне неустойчивы и, поглотив нейтрон, приходят в сильно возбужденное состояние, заканчивающееся в конце концов либо «испарением» одной или нескольких лишних частиц или делением ядра атома, например урана-235, надвое.
Как это более или менее обоснованное и понятное объяснение увязать с наличием столь мощных сил, связывающих и удерживающих вместе все нуклоны ядра, казалось бы, вовсе исключающих распад даже сильно возбужденного ядра?
К сожалению, пока что не существует исчерпывающего объяснения сложнейшего механизма действия внутриядерных сил. Есть лишь несколько гипотез и даже теорий, помогающих в какой-то мере объяснить внутриядерные процессы и производить хотя бы приблизительные необходимые расчеты.
Одной из таких теорий является капельная модель ядра атома, предложенная в свое время датским физиком Нильсом Бором и советским физиком Я. И. Френкелем.
Действительно, ядро по характеру протекающих в нем процессов очень напоминает каплю жидкости. Частицы-нуклоны (протоны и нейтроны), из которых сложено ядро, представляются расположенными таким же образом и по тем же законам, как молекулы в сферической капле жидкости, например воды. Электрические заряды молекул довольно энергично (и сильно) расталкивают их в стороны, вследствие чего молекулы слабо связаны между собой, и капля в целом стремится растечься — «распухнуть». В то же самое время довольно сильное натяжение наружной молекулярной пленки воды на поверхности капли стремится удержать, сжать молекулы вместе, вследствие чего жидкость принимает единственно возможную в данных условиях форму сферической капли. Если мысленно разрезать такую каплю пополам, то плотность вещества внутри ее будет везде одинаковой и резко оборвется на границе с воздухом, то есть количество молекул воды в любом объеме пропорционально этому объему.
Электрически заряженная сферическая капля воды сохраняет свою форму в результате сложного взаимодействия между поверхностным натяжением воды, силами молекулярного сцепления ее частиц и распределенными в ней электрическими зарядами. Нарушение этих условий вызывает деление капли. Сходным образом можно представить себе и поведение ядра урана. При попадании в него нейтрона (а) ядро становится неустойчивым (б), вытягивается в виде гантели (в), а затем, разделившись надвое (г), разлетается с огромной энергией в стороны (д).
Как показали все исследования, ядерные силы являются силами близкодействующими. В ядре взаимодействуют одна с другой только частицы, находящиеся рядом, то есть почти так же, как и молекулы в капле воды. Между более удаленными частицами ядерные силы не действуют.
Поэтому и требуется одно и то же усилие, чтобы зачерпнуть ложку воды из стакана или из реки, так же как нужно затратить примерно одну и ту же энергию, чтобы отделить ядерную частицу от ядра железа или свинца.
Если привести сферическую каплю жидкости в состояние колебания, то она в зависимости от энергии этих колебаний проходит ряд состояний, далеких от ее первоначальной формы. При малой энергии она превращается из сферы в эллипсоид, а затем под действием поверхностного натяжения наружной пленки превращается снова в сферу. Если же размах колебаний велик, капля может принять форму гантели, и теперь достаточно уже небольшого усилия, чтобы она разорвалась на две деформированные части, тотчас же приобретающие форму правильной сферы.
Так можно представить себе действующие на коротких расстояниях силы сцепления между элементарными частицами — нуклонами, составляющими ядро атома (А), и силы электрического отталкивания между положительно заряженными протонами (Б). Когда расстояние между частицами увеличивается, действие сил сцепления резко уменьшается. Это можно сравнить с тем, что происходит, когда стенки показанной на рисунке коробочки деформируются и заключенные в ней фигурки начинают выскакивать в образовавшиеся провалы.
Возбужденное ядро атома тяжелого элемента в своем колебательном движении проходит примерно тот же ряд состояний. В один из моментов, когда ядро приобретает форму гантели, то есть одни из участков ядерной «капли» как бы выдавливаются за границы действия ядерных сил, а сгустки положительно заряженных частиц, также выдавленных на концы гантели, оказываются в исключительно благоприятных условиях, усиливающих их отталкивающее действие, происходит разрыв перемычки, и ядро делится надвое.
Если в плоскую резиновую круглую коробочку налить воды, а затем перехватить — сжать ее посередине, то вода выплескивается из коробочки вследствие того, что объем деформированной коробочки стал меньше круглой.
Если теперь читатель сумеет нарисованную выше в наглядных геометрических образах картину перевести на куда менее образную «игру» и взаимодействие энергетических уровней частиц в ядре атома, то результат будет намного точнее и ближе к тому, что происходит в сильно возбужденном ядре атома в действительности.
ЗАГАДКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧАСТИЦ
Свойства атомных и ядерных частиц раскрываются в процессе их взаимодействия.
В повседневной жизни мы очень широко пользуемся понятием «сила» — можно было бы насчитать несколько десятков всевозможных сил, вплоть до «силы воли» и «силы привычки»... Однако подлинных, глубоко различающихся по своей природе сил взаимодействия между физическими телами не столь уже много.
Если не считать сил тяготения, которое играет существенную роль только в присутствии очень больших масс, известны лишь три вида взаимодействий: электромагнитные, сильные и слабые. Эти термины, конечно, сугубо условны.
Известно, что, несмотря на великое разнообразие электромагнитных явлений, все они определяются взаимодействием электрических зарядов, которые одинаковы по величине для всех элементарных частиц — будь то протон, электрон, заряженный мезон или гиперон.
Сюда относятся все явления, связанные с излучением и поглощением электромагнитных волн и света, все химические и молекулярные явления, в которых участвуют исключительно электронные оболочки атомов.
Главным действующим лицом, или «агентом», ответственным за самую возможность таких взаимодействий, посредником, которым как бы обмениваются между собой заряженные физические тела, является фотон — квант энергии электромагнитного излучения. Об этом мы достаточно говорили в предыдущих главах.
Термин «сильные взаимодействия» появился после 1932 года, когда раскрылась тайна внутренней структуры ядра атома, состоящего из разного рода элементарных частиц — заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Именно сильные взаимодействия соединяют и удерживают нуклоны в ядре атома и лежат в основе ядерных сил, которые, в отличие от электромагнитных, характеризуются очень малым радиусом действия, но зато очень большой интенсивностью. Они резко обрываются на расстоянии около двух диаметров ядра атома.
В основе их лежит, как мы уже разобрались, процесс испускания и поглощения пи-мезонов, которыми обмениваются взаимодействующие между собой нуклоны — протоны и нейтроны.
Помимо этого, сильные взаимодействия проявляются еще и при столкновении частиц, обладающих высокой энергией, в процессе которых за счет части энергии этих частиц появляются мезоны, гипероны и многие другие частицы.
Однако существуют еще соударения элементарных частиц, обусловленные «слабыми взаимодействиями». Они зачастую остаются незаметными в океане сильных и даже электромагнитных соударений. Речь идет о многочисленных самопроизвольных, тихих превращениях различных элементарных частиц, которые в принципе ничего общего между собой могли не иметь, таких, как, например, бета-распад нуклонов (протона или нейтрона), распад мю-мезона и пи-мезона, захват мю-мезона нуклоном и распады других частиц.
Процессы, вызванные слабыми взаимодействиями, часто называют медленными, так как это время относительно велико, хотя в ряде случаев оно может длиться всего миллионные доли секунды. За это время, например, распадается мю- мезон. В мире элементарных частиц такой промежуток времени действительно весьма продолжителен, поскольку для сильных взаимодействий характерны процессы, длящиеся 10-23 сек.
Процесс распада элементарных частиц вызывается не электромагнитным, а особым взаимодействием, в котором участвуют нейтрино и другие легкие частицы. Это взаимодействие в миллиарды раз слабее электромагнитного, хотя намного сильнее гравитационного. Физики называют его слабым.
Сила тяготения между двумя телами универсальна и зависит только от расстояния между ними и от их масс, но не зависит от того, из какого материала состоят тела, будь то золото или железо. Электрическая сила притяжения или отталкивания положительно и отрицательно заряженных частиц зависит только от величины зарядов и расстояния частиц, но не зависит от того, какие именно частицы являются носителями зарядов.
Что же тогда лежит в основе слабых взаимодействий элементарных частиц?
Прежде чем попытаться дать ответ на этот вопрос, вернемся к одному очень важному обстоятельству, которое в последние годы беспокоит физиков.
ПРОБЛЕМА СУЩЕСТВОВАНИЯ НЕЙТРИНО
Наиболее неуловимой частицей в физике является нейтрино.
Мы, к сожалению, не имеем возможности изложить здесь очень сложные и тонкие рассуждения и расчеты, приведшие ученых к убеждению в безусловной реальности и настоятельной необходимости существования пока еще очень загадочной нейтральной частицы — нейтрино. Эта частица не несет на себе никакого заряда и не имеет массы покоя. Она может существовать только в движении со скоростью, очень близкой к скорости света, так же, как и фотон, обладающий квантом электромагнитной энергии.
Поведение частиц, появляющихся при распаде нейтрона, вызвавшее в свое время подозрение ученых о существовании еще одной и притом довольно странной по свойствам частицы — нейтрино: а — если нейтрон распадается только на протон и электрон, то закон сохранения количества движения требует, чтобы эти частицы разлетались точно в противоположных направлениях; б — фактически же они разлетаются под некоторым углом; это доказывает, что потерянное количество движения уносится еще одной частицей — нейтрино.
В этом смысле нейтрино является самой волнообразной частицей.
К этому убеждению ученых привели следующие опыты. При распаде нейтрона на протон и электрон, в соответствии с законом сохранения количества движения, образующиеся частицы должны были бы разлетаться точно в противоположные направления. Фактически же они разлетаются под некоторым углом. Это и навело ученых на мысль, что потерянное количество движения, как и значительное количество энергии, которой они в таких случаях всегда недосчитывались, уносит еще одна частица с необычными свойствами.
Самое удивительное в этой частице — ее поистине потрясающая проникающая способность. Если другие частицы от соударения до соударения в любом веществе — например, железе или меди — в лучшем случае проходят несколько десятков сантиметров или даже метров, то электрически нейтральное нейтрино, не имеющее массы покоя и движущееся, видимо, со скоростью света, было бы способно беспрепятственно пролететь, не вступая ни в какое взаимодействие с частицами вещества, сквозь чугунную плиту толщиной, в несколько миллиардов раз превышающей расстояние от Земли до Солнца!
И неудивительно, что ученым потребовалось более 25 лет упорного труда, чтобы убедиться в существовании этой частицы. Только в 1956 году удалось впервые реально зарегистрировать нейтрино.
Собственно говоря, «поймали» не само нейтрино, а противоположную ему частицу — антинейтрино. И не столько «поймали», сколько обнаружили редчайшее явление — след его взаимодействия с другими частицами вещества.
Мы уже говорили, что у каждой элементарной частицы существует двойник, свойства которого противоположны ее свойствам, например электрический заряд. Труднее представить себе, чем отличается нейтральная частица от своего нейтрального же двойника, поскольку обе они не несут никаких электрических зарядов и имеют одинаковые массы. Различия их столь незначительны и проявляются в столь тонких взаимодействиях, что их можно считать истинно нейтральными. Однако опыты показали, что нейтрино и антинейтрино все же разные частицы.
Более того, советские ученые сумели доказать, что должно существовать не одно, а два нейтрино: одно — электронное, а другое — мюонное (мю-мезонное), и соответственно им два антинейтрино. Электронное нейтрино участвует во всех взаимодействиях, в которых участвует электрон, а мюонное участвует только в паре с мю-мезоном.
Спрашивается, какую конкретную роль вообще играет нейтрино во всех физических явлениях, с которыми ученые повседневно сталкиваются в своих стремлениях еще глубже познать природу материи?
Не является ли оно некой «заплаткой», с помощью которой физики-теоретики пытаются штопать прорехи в сложнейших современных теориях, где все еще не сходятся концы с концами?
Проникновение в тайны нейтрино исключительно важно для построения теории слабых взаимодействий. Очень важно оно и для изучения мира звезд и галактик. Например, энергия потока нейтрино, излучаемая Солнцем, всего лишь в 10 раз меньше полной энергии, испускаемой им в виде света. Когда ученые научатся улавливать потоки нейтрино, испускаемых звездами и галактиками, человечество получит еще один источник информации, помимо света и радиоволн, ограничивающих радиус наблюдаемой Вселенной «только» несколькими миллиардами световых лет. Нейтринная астрономия благодаря огромной проникающей силе нейтрино сразу раздвинет эти рамки, даже трудно сказать, насколько — в десятки, сотни, а может, и тысячи раз!
Плотность нейтрино в космосе, вероятно, сравнима с плотностью всей остальной материи, поэтому без нейтрино теперь невозможно строить и науку о космосе — космогонию. Ведь в жизни звезд неминуемы периоды, когда их нейтринное излучение по мощности даже превышает обычную светимость.
И вот лишь совсем недавно получены достаточно веские доказательства его существования. В подземной нейтринной лаборатории, размещенной в старой шахте вблизи города Иоганнесбурга, в Южной Африке, на глубине более 3 км, впервые удалось зарегистрировать семь нейтрино, возникших при взаимодействии первичных космических лучей с атомами атмосферы Земли.
