Энергия атома - Состязание с космосом

СОСТЯЗАНИЕ С КОСМОСОМ
ЛУЧИ ИЗ КОСМОСА

Вслед за открытием в 1895 году рентгеновых лучей, а вскоре и радиоактивности естественно возник вопрос, а не существуют ли в природе и другие, пока неизвестные излучения, еще больше раскрывающие сокровенные физические процессы, протекающие в бесконечных глубинах материи.
И действительно, вскоре, как из рога изобилия, посыпались сообщения о новых открытиях, одно сенсационнее другого. Однако все они оказались или уже известными явлениями, скрытыми какими-либо еще малоизученными особенностями, или следствием добросовестных ошибок, допущенных при опытах. Было, к счастью, немного, и «открытий», оказавшихся плодами недобросовестной погони за легкой славой.
Но одно явление все же долгое время оставалось крайне подозрительным, не поддаваясь обычному научному объяснению.
Мы уже рассказывали в начале книги об устройстве и действии обычного школьного электроскопа.
Так вот самое удивительное заключалось в том, что какие бы ни принимались меры для удержания электрического заряда электроскопа, его листочки, спустя некоторое время, неизменно опадали, и заряд с них постепенно исчезал.
Подобное явление можно было воспроизвести искусственно, если электроскоп облучить рентгеновыми лучами или вблизи него поместить кусочек радиоактивного вещества. В этом случае все было понятно. Заключенный в сосуде газ под действием этих излучений ионизировался — из идеального диэлектрика он превращался в более или менее хороший проводник, по которому и стекал с листочков электроскопа в окружающее пространство накопленный на них электрический заряд. Процесс этот заметно замедлялся, если электроскоп помещали в ящик с толстыми свинцовыми стенками. Так как никакими рентгеновыми или радиоактивными лучами саморазряжающиеся электроскопы не облучались, то ученым оставалось сделать только одно предположение: на электроскоп воздействует какое-то еще неизвестное излучение.
Но если от рентгеновского или радиоактивного излучения можно было как-то защититься: слоем свинца, воды, бетона и т. д., то от таинственного излучения ничто не спасало, даже если электроскоп помещали в глубокую шахту или опускали на дно озера.
Подозревая, что загадочное излучение исходит от каких-то содержащихся в земной коре еще неизвестных радиоактивных элементов и что сила его, естественно, должна уменьшаться с высотой, австрийский физик В. Гесс в 1912 году стал запускать воздушные шары с регистрационной аппаратурой на высоту до 5 км. К удивлению, всего ученого мира, излучение вверху оказалось намного сильнее, чем у поверхности Земли. Дальнейшие многочисленные опыты показали, что новое излучение приходит откуда-то извне, из космоса. Поэтому по месту их предполагаемого зарождения оно и было названо космическими лучами.
На протяжении миллиардов лет льется на нашу планету не прекращающийся ни на секунду поток этих лучей, то в виде редких отдельных вспышек, то сплошным ливнем, пронизывая с колоссальной скоростью все живое и мертвое.
Первые же попытки определить природу этих лучей принесли немало неожиданностей и откровений.
Начать с того, что они оказались не лучами, а частицами с большим разнообразием в величине заряда, массы и энергий — в большинстве своем протонов (ядер атомов водорода), небольшого количества альфа-частиц (ядер атомов гелия) и совсем редко ядер атомов более тяжелых элементов — углерода, азота, железа и др. Далее выяснилось, что большинство этих частиц обладает огромной, а некоторые даже чудовищно огромной энергией, достигающей миллиардов электронвольт, в то время как самые быстрые и проникающие частицы, выбрасываемые при распаде радиоактивных веществ, «едва» достигают энергии 10 миллионов электронвольт
Космические частицы удавалось зарегистрировать даже на глубине нескольких километров под землей или водой. Наконец, что самое важное, удалось установить, что подлинно «космических» частиц в этом достигающем Земли потоке вообще нет. Подавляющая масса новых «лучей» — это бесчисленные осколки ядер атомов воздуха, разнесенных вдребезги при лобовом попадании в них первичных, настоящих космических частиц, обладающих столь огромной энергией, что эти осколки превращаются в лучи почти такой же космической энергии, способные с не меньшей легкостью сами разбивать другие ядра атомов воздуха. Даже «осколки осколков» — к тому же еще и нескольких поколений — разбитых до основания ядер атомов способны создавать нарастающую, как снежный ком, лавину — своеобразную цепную реакцию ядерных катастроф. И не только осколков. Выделяющиеся в ходе таких столкновений огромные количества энергии порождают целые семейства новых, не существующих в обычных условиях короткоживущих частиц, которые, распадаясь, тут же порождают новые частицы самых разнообразных физических свойств и характеристик. Природа как бы создает на миллиардные доли секунды свои собственные «искусственные частицы», невольно приподнимая завесу над самыми сокровеннейшими тайнами образования вещества.
Выловить из этого потока виновников первоначальных катастроф — дело почти неосуществимое.
Находясь под столь длительным обстрелом космических частиц, живая материя в процессе эволюции в какой-то мере приспособилась к ним, выработала меры защиты и, несомненно, продолжает приспосабливаться и дальше.
Человечеству несдобровать бы, если бы этот сам по себе огромный поток частиц не был все же относительно редким — на каждый квадратный метр поверхности Земли ежесекундно падает в среднем только до 250 частиц. Поэтому ученые считают обычные дозы такого излучения, прошедшего через своеобразную защитную броню атмосферы планеты, безвредными для организма человека. Их действия на себе мы практически не замечаем и не знаем, какие формы приняла бы жизнь на Земле, если бы этих излучений вообще не было.

Магнитное поле Земли — своеобразная броня, защищающая планету от потока сверхбыстрых заряженных частиц. Под действием потока излучаемых Солнцем частиц магнитное поле Земли на освещенной стороне значительно сплющено.
Но совсем иное действие первичные лучи могут оказывать на клетки живых организмов в тех случаях, когда человек будет все чаще, дальше и дольше выходить за пределы спасительной брони своей планеты — ее атмосферы и магнитного поля. И нет ничего удивительного, что таинственное исчезновение заряда со школьного электроскопа дало толчок к рождению мощного раздела современной физики — физики космических лучей, а затем и физики элементарных частиц, ставших в наши дни одними из самых важных участков переднего края фронта науки.
Теперь уже не вызывает сомнений то, что космические лучи — сложное природное явление, в котором главную роль играют ядерные процессы. При этом, помимо известных атомных частиц — протонов, нейтронов и электронов, появляются совершенно необычные, ранее не наблюдавшиеся в природе частицы, с еще более удивительными свойствами.
Сталкиваясь первый раз с ядрами атомов, составляющих атмосферу воздуха и разбивая их, первичные космические лучи расходуют на это только небольшую часть своей первоначальной энергии. Но и ее вполне достаточно для возникновения длинной цепочки сложных преобразований одних частиц в другие, до тех пор, пока остающейся неизрасходованной энергии будет уже недостаточно, чтобы породить новую частицу.
Сначала появляются в основном заряженные и нейтральные пи-мезоны, которые тотчас же распадаются и порождают мю-мезоны — частицы, обладающие огромной проникающей способностью. Эти частицы, собственно говоря, и являются тем, что принято считать космическими лучами, хотя они имеют вторичное, совершенно земное происхождение. Достаточно лишь указать, что именно эти частицы способны проникать сквозь километровые слои горных пород и воды.
Но часть пи-мезонов, особенно те, которые обладают большой энергией, распасться не успевают. Они-то и вызывают образование широких вторичных атмосферных ливней. Нейтральные пи-мезоны распадаются очень быстро, и каждый из них образует два фотона высокой энергии. Каждый из этих фотонов рождает пару электрон — позитрон, которые, в свою очередь, взаимно аннигилируя (самоуничтожаясь), образуют фотоны меньшей энергии.
В результате всей этой совокупности последовательных и параллельных ядерных взаимодействий на поверхность Земли и обрушивается мощный ливень частиц: протонов, нейтронов и пи-мезонов, обрастающих при своем дальнейшем развитии множеством электронов, позитронов и фотонов.
Только в результате огромного количества накопленного материала и данных исследований удалось разобраться во всем этом хаосе частиц и рассортировать их по энергиям, массам и зарядам, установить более или менее точную их родословную. Для этой цели применяются очень сложные установки, состоящие из тысяч отдельных счетчиков частиц, сотен ионизационных камер, большого числа фотоумножителей, камер Вильсона и другой аппаратуры.
Возникает вопрос: а откуда берутся частицы, составляющие первичные космические лучи? Где и при каких обстоятельствах они разгоняются до поистине фантастических энергий, достигающих десятков и сотен миллионов триллионов ( 1017—1020) электронвольт?
Сейчас уже нет сомнения, что столь потрясающую энергию частицам могли придать только электромагнитные поля, создаваемые расширяющимися с огромной скоростью оболочками так называемых новых и сверхновых звезд — катастрофическими взрывами действительно космических масштабов или при еще более грандиозных природных явлениях — таинственных взрывах центральных ядер галактик. В этом случае масса выброшенной плазмы равна не какой-то доле, пусть даже гигантской, но одной звезды, а массе многих десятков и, возможно, сотен и тысяч звезд.
Возникающие при этом электромагнитные поля титанической силы способны разгонять частицы до наблюдаемых предельно огромных энергий. Поэтому, попав в них, уже где-то ранее ускоренные частицы получают добавочное ускорение. После длительного блуждания по просторам нашей Галактики, претерпев бесконечное число ускорений, торможений и перемен направления движения, частицы столь основательно перемешиваются, что приходят на Землю уже равномерно со всех сторон. Не исключено, что некоторые частицы, обладающие самой высокой энергией, приходят к нам из других галактик. Магнитные поля нашей Галактики оказываются недостаточными, чтобы отклонить их в стороны, и они свободно входят и выходят из нее.
Ученые пока еще не могут предсказать, есть ли какие- либо пути практического использования космических лучей человечеством даже в далеком будущем. Однако изучение их дает в руки человека очень мощное орудие, для того чтобы пытаться проникнуть в самые сокровенные тайники природы, познать свойства материи, которые проявляются только при предельно высоких энергиях движения частиц и предельно малых расстояниях взаимодействия между ними, понять устройство микромира в масштабах Галактики, метагалактики, всей Вселенной.
Логика развития науки неминуемо должна привести к ряду новых фундаментальных открытий и выводов, позволяющих решить одну из самых важных проблем современного естествознания — проблему структуры тех мельчайших элементарных частиц (протон, нейтрон, электрон, мезон и др.), из которых построено или может состоять окружающее нас вещество.
Есть и другая сторона вопроса. Потоки, ливни космических лучей и частиц — это термины научного языка. При всей потрясающей воображение грандиозности этих явлений в масштабах макромира они довольно редки, вернее, рассеяны по огромному пространству. При всей привлекательности исследований результатов воздействия частиц с энергиями в миллиарды миллиардов и больше электронвольт на другие частицы, ждать такого случайного столкновения ученым приходится неделями или месяцами. Поэтому неудивительно их нетерпение и стремление создавать мощные искусственные ускорители для получения частиц, не только обладающих огромными, приближающимися к космическим энергиями, но и очень плотных потоков таких частиц, чего нет в космическом излучении. Пока удалось достичь энергии лишь в десятки миллиардов электронвольт и плотностей, в миллионы раз превышающих естественное излучение. Это позволило получать уже искусственным путем на Земле частицы, ранее обнаруживаемые только в космических лучах. Но это далеко не предел. По мере совершенствования техники и изучения природных космических лучей эта пока еще огромная разница в энергиях, бесспорно, будет все более и более сглаживаться.

ОБ «ЭЛЕКТРОНАХ-ОСЛАХ», «МОРЕ-ДИРАКА», АНТИЧАСТИЦАХ И ДРУГИХ МАЛОПОНЯТНЫХ ВЕЩАХ

Начало этой удивительной истории можно отнести к 1928 году, когда в физике все еще считалось, что все вещества в природе состоят только из положительно заряженных частиц — протонов и отрицательно заряженных — электронов.
Именно тогда известный английский физик Поль Дирак предпринял попытку создать теорию строения электрона, которая, основываясь на достижениях современной теоретической и экспериментальной физики, одновременно отвечала бы и требованиям, вытекающим из теории относительности Эйнштейна.
Выведенное им уравнение, определяющее характер вращения электрона вокруг своей оси и вытекающие из такого вращения его физические свойства, весьма точно совпадало с этими же данными, полученными ранее в результате экспериментов и, в частности, путем изучения свойств линий оптического спектра света.
Однако тут же возникло непредвиденное и долго смущавшее ученых обстоятельство: чтобы быть верной, новая теория требовала еще и существования электронов, имеющих отрицательную энергию и отрицательную массу. Электрические силы, действующие на такие электроны, заставляли бы их двигаться в направлении, противоположном их обычному движению. Чем могла быть отрицательная энергия и отрицательная масса, вряд ли кто-либо мог ясно себе представить тогда, да, пожалуй, и теперь. Естественно, что такие частицы, или, как их стали после этого называть, «электроны-ослы», никогда в природе не наблюдались, и признание их существования могло привести в физике к самым немыслимым осложнениям.
В связи с этим Дираку пришлось искать какой-то выход из создавшихся затруднений.
Он предположил, что при некоторых условиях электроны могут попасть на уровень отрицательной энергии и что все эти состояния, или уровни, отрицательной энергии в окружающем нас мире заняты электронами.
По мысли Дирака, все то, что мы до сих пор считали пустым пространством, следует рассматривать как непрерывное и бесконечное множество электронов, находящихся в самых различных возможных состоя них отрицательной энергии. В то же самое время их суммарное электромагнитное н гравитационное действие равно нулю.
Такую мысленную картину непрерывного множества состояний электронов с отрицательным уровнем энергии стали называть «морем Дирака».
Любая колеблющаяся и непрерывно изменяющаяся масса воды заключает в себе пузырьки — пространство, в котором отсутствует вода. Такой пузырек, по мысли Дирака, является как бы «дыркой» в непрерывном «море» электронов с отрицательным уровнем энергии, которая, следовательно, должна проявлять и вести себя противоположным электрону образом, то есть как частица, имеющая положительную массу и положительный заряд.
Больше того, обычный электрон, заскочивший в подобную «дырку», должен вместе с ней неминуемо исчезнуть, излучив по кванту энергии. Этот процесс взаимного исчезновения электрона и «дырки», обладающей свойствами как бы положительного заряда в «море» электронов с отрицательной энергией, и был назван самоуничтожением, или аннигиляцией, вещества.

ПЕРВАЯ АНТИЧАСТИЦА-ПОЗИТРОН

Некоторое время казалось, что физическая сущность такой «дырки» могла быть отождествлена с единственной известной в то время положительно заряженной частицей — протоном. Однако это никак не увязывалось с устойчивостью атома водорода, в котором разноименно заряженные протон и электрон могут безобидно существовать вместе бесконечно долго, в то время как скорость аннигиляции электрона и «дырки», согласно новой теории, должна была бы протекать практически мгновенно.
Кроме того, протон почти в 1836 раз тяжелее электрона, и было непонятно, куда должна деваться разница в массе этих двух частиц при их одновременном взаимном уничтожении и исчезновении. Все это, вместе взятое, делало идеи Дирака более чем сомнительными.
И лишь открытие в 1932 году позитрона — положительно заряженной частицы, имеющей массу, в точности равную электрону, — сразу разрешило все эти сомнения.
Теоретически предполагаемое существование «дырки» нашло свое полное подтверждение в виде позитрона — физической реальности, правда несколько отличной от того, что представлял себе Дирак.
Вскоре удалось наблюдать и самый процесс аннигиляции позитрона и электрона при их столкновении. Обе частицы исчезают с одновременным испусканием двух квантов энергии. Вероятность, повторяемость и скорость этого процесса в точности совпадали с предсказанными теорией.

Появление и исчезновение позитрона и электрона (сверху вниз): из свинцовой пластинки, расположенной поперек камеры Вильсона, под действием фотона космического излучения (путь его вследствие отсутствия заряда не виден) выбивается пара заряженных частиц — электрон и позитрон: минимальная энергия фотона (hν), необходимая для создания пары: электрон (е -) и позитрон (е + ), равна 1,02 Мэв — по 0,51 Мэв на каждую частицу; встретившись, позитрон и электрон взаимно аннигилируют (исчезают), превращаясь в два кванта излучения с энергией по 0,51 Мэв каждый.
Таким образом, теория электрона, предложенная в свое время Дираком и по необходимости претерпевшая в ходе своей проверки естественные для любой современной физической теории изменения, этим открытием полностью и блестяще подтвердилась.
Дальнейшее подтверждение эта теория нашла и в том, что позитроны, обнаруживаемые до этого только в космическом излучении, вскоре были получены и в лабораторных условиях при помощи очень жестких гамма-лучей, пропускаемых при определенных условиях через вещество.
В этом случае возникает процесс, который является полной противоположностью аннигиляции: определенное количество квантов излучения исчезает, а вместо них одновременно появляется два вида частиц — электроны и позитроны.
Превращение гамма-кванта в пару электрон — позитрон возможно только там, где существует сильное электрическое или гравитационное поле. Первое — вблизи ядер атомов, второе — у поверхности очень плотных звезд.
Это явление можно легко наблюдать в наполненной газом камере Вильсона.
Сами гамма-лучи невидимы, но время от времени в поле зрения появляются следы двух заряженных частиц, исходящие из одной и той же точки, которые под действием внешнего магнитного поля камеры закручиваются в противоположные стороны. В остальном эти следы тождественны один другому и свидетельствуют о том, что энергия, скорость и масса этих частиц одинаковы, а заряды противоположны.
Энергия, которая требуется для образования пары электрон — позитрон, в точности равна удвоенной энергии покоя одиночного электрона (0,51 Мэв), вычисленной по формуле Е = т0с2, и составляет 1,02 Мэв. Такую энергию легко получить, используя даже гамма-излучение обычных радиоактивных веществ.

ДОЛЖЕН БЫТЬ И АНТИПРОТОН!

Несколько иная, несходная картина получалась и с попытками создать теорию протона. Его фактически измеренные магнитные свойства (магнитный момент) оказались в три раза выше, чем полагалось при вычислении по уравнениям Дирака. Правильное же совпадение практических и теоретических результатов могло быть лишь в том случае, если по аналогии с электроном и позитроном допускалось реальное существование наряду с протоном одинаковой с ним по массе частицы, но имеющей противоположный ему, то есть отрицательный, заряд.
Если реальное существование позитрона со временем могло быть относительно легко подтверждено экспериментально, то обнаружить частицу, противоположную протону, в течение длительного времени было просто невозможно.

Вот что было необходимо для получения антипротона.
Протон в 1836 раз тяжелее электрона, и, следовательно, для того чтобы образовать пару из протона и антипротона, нужен был источник энергии значительно больше требуемых для этого 1,8 миллиарда электронвольт — по 936 Мэв на каждый нуклон. Частицы с такой энергией могли существовать лишь в космическом излучении.
Одно время за отрицательные протоны ученые приняли обнаруженные в космическом излучении отрицательные частицы тяжелее электрона, которые, однако, оказались мезонами с массой не больше 1/6 массы протона.
Не обнаружив отрицательных протонов в космическом излучении, многие ученые стали выражать сомнение в возможности существования таких частиц вообще. Другие ученые, в частности доктор Б. Д. Хаймс из Манчестерского университета (Англия), наоборот, утверждали, что отрицательные протоны до сих пор не удавалось обнаружить лишь потому, что количество их в космическом излучении должно быть ничтожно малым, если только они обладают всеми теми свойствами, какие им приписывались физиками-теоретиками. Поймать неуловимые частицы не удалось, но была разработана довольно тонкая и остроумная методика их обнаружения.
Спустя некоторое время стали появляться сообщения об открытии антипротона в той или иной лаборатории. Однако эти сообщения достаточно убедительно не подтверждались.

«Иголка в стоге сена». Сложнейшая система устройства и расстановки приборов, которую пришлось сооружать ученым, чтобы обнаружить, выделить и измерить антипротон: 1 — пучок протонов, мезонов, гиперонов и других частиц, выбитых из медной мишени ускорителя; среди них есть и некоторое количество антипротонов; 2 — магнитная линза, отклоняющая в сторону все более легкие, чем антипротон, отрицательно заряженные частицы (легкие мезоны) и не пропускающая дальше все положительно заряженные частицы (протоны, мезоны и др.); 3 — магнитная линза, собирающая в узкий пучок прошедшие предыдущую линзу отрицательно заряженные частицы (антипротоны, тяжелые мезоны); 4 — бетонная стена, отделяющая ускоритель частиц от помещения, где установлены измерительные установки; 5 — первый сцинтилляционный (светящийся) счетчик, делающий отметку о времени пролета отрицательно заряженной частицы; вторая отметка делается другим таким же счетчиком 8, расположенным на расстоянии 1218 см от первого; если частица пролетает это расстояние за 40 миллиардных долей секунды, это всего лишь отрицательно заряженный мезон; если же частица пролетает это расстояние за 51 миллиардную долю секунды, она является антипротоном; 6 — еще одна фокусирующая линза, собирающая частицы в узкий пучок; 7 — магнитная линза, отклоняющая в сторону антипротоны от еще более тяжелых частиц — гиперонов; 8 — второй сцинтилляционный счетчик, делающий вторую отметку о пролетевшей частице; 9 — первый контрольный счетчик Черенкова; вещество этого счетчика подобрано так, что оно светится только тогда, когда скорость пролетающей через него частицы равна 75—78% скорости света, то есть когда эта частица — антипротон; 10 — второй контрольный счетчик Черенкова; свечение в нем появляется только в том случае, если пролетающая через него частица имеет скорость, уже превышающую 78% скорости света, то есть если это не искомый антипротон, а какая-то случайно проскочившая более тяжелая частица или частица, попавшая в тщательно оберегаемый пучок со стороны; 11 — финальный контрольный сцинтилляционный счетчик позволяет проверить, что искомая и измеряемая частица в конце концов пролетела весь свой сложный путь через систему приборов до конца; 12 — примерное изображение, получаемое на экранах измерительных приборов, когда через установку пролетает мезон (а), антипротон (б) или еще более тяжелая частица (в).

Большие надежды на решение этой волнующей загадки и получение новой частицы уже искусственным путем появились после пуска ускорителя Калифорнийского университета,
способного разгонять частицы до энергии, равной 6200 Мэв. Когда ускоренный до энергии 5600 Мэв протон попадает в протон или нейтрон другого атома, то получившая удар частица отлетает в сторону, унося 2/3 полученной ею энергии (3700 Мэв), 1/3 энергии (1900 Мэв) остается свободной для возникновения («рождения») новой частицы.
Попробуем пояснить это явление несколько подробнее.
Любое событие, происходящее в микромире, можно рассматривать как изолированное, так как расстояния, на которых частицы взаимодействуют одна с другой, как правило, крайне ничтожны (10-3 cм) по сравнению с расстояниями между соседними атомами (10-8 см).
Поэтому при отдельном столкновении двух ядерных частиц, при реакции между ними или в процессе самопроизвольного распада ядра полная энергия этих частиц остается неизменной. 
Эта энергия всегда черпается из двух источников: если частица замедляется, то при этом высвобождается часть ее кинетической энергии (энергия движения). Если происходит расщепление (разрушение) частицы, обладающей массой, то выделяется часть собственной энергии этой частицы с соответствующим уменьшением ее массы, в точном соответствии с законом взаимосвязи массы и энергии. Аналогично и потребление энергии может осуществляться двумя способами: либо может происходить ускорение частицы (с соответствующим увеличением ее массы), либо при достаточной величине этой энергии может возникнуть новая частица.
Постановка опыта разрабатывалась очень тщательно. Идея его заключалась в следующем. Поток ускоренных в синхрофазотроне протонов направлялся на медную мишень, помещенную внутри вакуумной камеры ускорителя.
В результате столкновений ускоренных протонов с ядрами атомов меди из мишени вместе с другими частицами должны вылетать и отрицательные протоны, которые будут двигаться в том же направлении, в каком двигались выбившие их протоны. Но вследствие того, что антипротоны несут на себе отрицательный заряд, магнитное поле ускорителя изгибает их траекторию не внутрь — по кругу вакуумной камеры установки, а наружу, то есть заставляет их выходить из вакуумной камеры сквозь ее стенку.
Дальше пучок антипротонов пропускается через фильтры с многочисленными щелями, помещенные в сильное поле другого магнита. Эти щели подобраны и установлены одна относительно другой таким образом, чтобы все частицы, отличающиеся от антипротонов по величине и знаку заряда и хотя бы немного по скорости и массе (мезоны и особенно гипероны), неминуемо задерживались в фильтрах, а отфильтрованные от них антипротоны пропускались дальше к регистрирующему устройству.
В качестве подобного устройства могут применяться или пакеты фотографических толстослойных пластинок, на которых антипротоны оставляют свои следы, или счетчики, которые улавливают свет, излучаемый прозрачным веществом, когда через него пролетает быстрая заряженная частица, а также счетчики, основанные на так называемом свечении Черенкова.
Каждый раз, когда идет речь о скорости распространения света или иных излучений электромагнитного характера, обычно приводится число 300 000 км/сек. Не говоря уже о том, что более точная скорость света соответствует 299 998,6±05 км/сек, она верна только для распространения света в вакууме. И никакое тело, никакой физический процесс в природе не может превысить этой скорости.
Однако в других средах, например в атмосфере, воде, стекле и других веществах, скорость света может быть иной, более медленной.

Свечение Черенкова появляется лишь в том случае, когда через прозрачное вещество (жидкость, пластмасса) пролетает частица со скоростью большей, чем в этом веществе может распространяться свет.
Отсюда понятно смущение, когда при описании какого- либо физического процесса попадается указание, что частица (чаще всего электрон) движется со скоростью, большей скорости света. При этом имеется в виду или подразумевается, что в данной среде электрон движется со скоростью большей, чем способен распространяться в ней свет.
Суть знаменитого явления, названного в честь его первооткрывателя, ныне лауреата Нобелевской премии П. А. Черенкова (явление открыто совместно с академиком С. И. Вавиловым), заключается в том, что такая имеющая скорость больше скорости света (повторяем, в данной среде) частица сама излучает свет. Это новое излучение обладает рядом замечательных свойств. Оно распространяется не во все стороны, а в виде конуса (воронки), ось которого совпадает с направлением движения частиц, а угол раскрытия конуса строго зависит от скорости частицы и, естественно, от коэффициента преломления вещества для данной длины волны, испускаемого частицей света. Чем быстрее движется частица, тем более узким становится этот конус.
Яркость излучения возрастает с увеличением скорости возбуждающей его частицы и прямо пропорциональна ее электрическому заряду.
Угол излучения, а также длительность и яркость вспышки света настолько чувствительны к скорости движения частицы и физическим свойствам вещества, что, помимо огромного, чисто научного значения этого открытия, позволили использовать его в приборах исключительно высокой точности для измерения скорости и направления движения самых быстрых заряженных частиц — электронов, протонов, мезонов.
Пролетая сквозь вещество, частица по пути возбуждает его атомы, которые начинают излучать свет лишь в тот момент, когда до них долетает эта частица и передает им часть своей энергии.
А так как электромагнитные волны излучаются не сразу всеми атомами вещества, а постепенно, то благодаря интерференции световых волн все они гасятся по всем направлениям, кроме направления, совпадающего с движением летящей частицы.
Это явление немного напоминает «усы» — две волны, расходящиеся в стороны при движении быстроходной моторной лодки, когда ее скорость превышает скорость распространения волн на поверхности воды.
Пропуская поток исследуемых частиц последовательно через батарею созданных на основе этого явления счетчиков и измеряя яркость и угол испускаемого в том или ином веществе конуса света, легко установить точную скорость частиц, а в сочетании с другими счетчиками и приборами — их массу, заряд и другие характеристики. Такие счетчики для простоты называют «черенковскими».
Подтвердилось также мнение, что новая частица появляется чрезвычайно редко. Удавалось обнаружить не больше 20 антипротонов в день. Время жизни антипротона — одна десятимиллионная доля секунды. При взаимоуничтожении (аннигиляции) антипротона, соединяющегося с протоном, выделяется энергия, равная 900 Мэв.
В отличие от процесса аннигиляции электрона и позитрона, при котором происходит излучение двух квантов энергии (электромагнитное излучение), соединение протона и антипротона такого излучения не вызывает. Вместо этого возникает некоторое количество мезонов.

МОЖЕТ ЛИ СУЩЕСТВОВАТЬ АНТИВЕЩЕСТВО?

Открытие, доказавшее возможность существования протонов и электронов как с положительным, так и с отрицательным электрическими зарядами, дало повод поставить и такой вопрос: почему все протоны окружающей нас материи обязательно заряжены положительно, а электроны отрицательно?
Возможно ли существование веществ, в которых все элементы состоят из атомов, имеющих ядра из отрицательных протонов, а на электронных оболочках вращаются положительные электроны (позитроны)?
Такие вопросы, кстати, как и многие другие, легче задать, чем на них ответить. Это обстоятельство дало повод предположить, что известное ныне физическое строение вещества окружающего нас мира — явление местное, существующее только в нашей Солнечной системе, а возможно, лишь в нашей Галактике.
Но некоторые другие галактики могут быть построены из вещества, атомы которого состоят из отрицательных протонов и положительных электронов. Установить это обычными астрофизическими способами наблюдения, конечно, невозможно.
Такая материя из «галактики наоборот», встретив на своем пути материю из нашей обычной Галактики, должна немедленно исчезнуть (аннигилировать) со взрывом, гигантскую мощь которого не способно представить себе даже самое пылкое воображение.
Тот факт, что космическое излучение, регистрируемое на Земле, содержит много протонов и практически ни одного антипротона, сторонники существования «материи наоборот» объясняют тем, что, стало быть, космические лучи зарождаются в пределах нашей Галактики, равно как и падающие на Землю метеориты.
Совсем недавно группе физиков Колумбийского университета (США) удалось при помощи ускорителя частиц на 30 миллиардов электронвольт зарегистрировать образование первой атомной частицы антивещества — антидейтрона, состоящего из антипротона и антинейтрона. Однако весь опыт современной астрофизики и астрономии весьма определенно доказывает, что наблюдаемая нами Вселенная состоит из одинаковой материи и меняются лишь формы ее движения.

Техника плюс логика. Схема опыта, позволившего обнаружить существование антинейтрона. Частица, которая при прохождении сцинтилляционного счетчика не вызывает его свечения и в то же время, попав во встречный атом вещества счетчика, аннигилирует со взрывом, может быть только антинейтроном, столкнувшимся с нейтроном (правый рисунок).

СИММЕТРИЧЕН ЛИ И ДАЛЬШЕ МИР МИКРОЧАСТИЦ?

Открытие античастиц — позитрона и антипротона — навело ученых на мысль, что и у остальных материальных частиц микромира должны быть аналогичные античастицы, и, в частности, у нейтрона. Правда, в этом случае довольно затруднительно представить, какими же свойствами должен обладать антинейтрон — ведь нейтрон не имеет электрического заряда! Анти... что?
И вот совсем недавно ученым удалось опознать и такую новую частицу — антинейтрон.
Уже давно стало известно, что быстрый протон, пролетая сквозь ядро атома, может потерять свой электрический заряд и появиться наружу как нейтрон. Оказывается, «краешек» одного нуклона наталкивается на «краешек» другого. А нейтральные их области — сердцевины — пролетают одна мимо другой без взаимодействия. Столкнувшиеся самые внешние части нуклонов (оболочки) образуют сгусток возбужденной ядерной материи — «огненный шар», как его называют физики. Он неустойчив и быстро «рассыпается» на мезоны, еще раз подтверждая вывод, что нуклон нельзя рассматривать как нечто однородное. Это скорее всего образование, напоминающее земной шар и его атмосферу с постепенно уменьшающейся плотностью. Такие же точно подозрения вскоре появились и в отношении антипротона. И действительно, вскоре после его открытия было найдено, что антипротон, обнаруживаемый по скорости и заряду, пролетая затем через так называемый сцинтилляционный счетчик, превращается в некую нейтральную частицу. Это заключение основано на том, что вспышка света, появляющаяся в этом счетчике, оказывается значительно слабее, чем та, когда через него с такой же скоростью пролетает протон.
Однако эта нейтральная частица, попав затем в другой счетчик, расположенный дальше на ее пути, исчезает со взрывом, что может быть лишь в том случае, если образовавшаяся таким путем нейтральная частица является античастицей к нейтрону — антинейтроном.
Таким образом, эту новую частицу можно опознать только благодаря ее самоуничтожению при встрече с обычным нейтроном. Под «самоуничтожением» антинейтрона и нейтрона здесь следует подразумевать превращение этих частиц в другие — например, в пи-мезоны.
Чем же тогда антинейтрон отличается от нейтронов? Не обладая электрическим зарядом, нейтрон не может иметь зеркальную, противоположную себе частицу с зарядом какого-то необычного знака.
Однако у нейтрона есть ряд других свойств, по отношению к которым и могут проявляться особенности частицы с противоположными свойствами. Например, нейтрон ведет себя как маленький постоянный магнитик. Следовательно, антинейтрон может вести себя тоже как магнит, но с противоположной полярностью, а поскольку магнитные свойства частиц зависят от направления вращения вокруг своей оси, то выходит, что антинейтрон вращается в противоположном направлении, чем нейтрон.
Таким образом удалось достаточно убедительно обнаружить античастицы ко всем обычным частицам, из которых построено вещество.
Ну, а как обстоит дело с мезонами и другими новыми частицами?

ЭЛЕМЕНТАРНЫ ЛИ «ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ» ЧАСТИЦЫ?

По мере углубления в таинственные недра ядра атома средства, с помощью которых ученые могут осуществлять это проникновение, все больше и больше суживаются и практически остается только одно — потоки различных ускоренных частиц, получаемые на ускорителях. С их помощью можно разбить или «прощупать» ту или иную частицу.
С момента появления на вооружении ученых мощной, а затем и сверхмощной «атомной артиллерии» начали появляться одно сенсационное открытие за другим. Пожалуй, чаще, чем этому полагалось бы быть. И в первую очередь, появление новых частиц. Энергия «атомных снарядов» в миллионы электронвольт оказалась достаточной, чтобы среди осколков «микрокатастроф» обнаружить положительно заряженный электрон — позитрон. Ускорители на сотни миллионов электронвольт позволили получать искусственным путем мезоны, до этого впервые обнаруженные в составе космических лучей. Создание ускорителей на энергии в миллиарды электронвольт привело к открытию существования античастиц — антипротона, антинейтрона и др.
И чем дальше, тем больше!
К настоящему времени известно уже 16 элементарных частиц и примерно столько же античастиц. Если же включить в этот список еще и очень короткоживущие частицы, так называемые квазичастицы — резонансы, то общее количество известных частиц достигнет многих десятков.
Большинство этих частиц неустойчиво. Спустя ничтожно короткое время они распадаются, превращаясь после ряда радиоактивных распадов (с испусканием бета-частиц) в немногие уже устойчивые частицы с меньшей массой: в электроны, протоны, гамма-кванты и нейтрино.
Насколько это удалось установить, ни одну из этих определенно существующих элементарных частиц нельзя разложить на более мелкие составные части. Все они считаются элементарными только потому, что под этим понимается отсутствие у них структуры. Иными словами, эти частицы нельзя представить себе состоящими из каких-то других частиц.
К числу неустойчивых принадлежат два класса частиц. К одному из них относятся частицы тяжелее электрона, но легче протона. Их называют мезоны. К другому классу принадлежат частицы тяжелее протона. Их называют гипероны. При распаде гиперонов всегда образуются нуклоны. Мезоны известны следующих типов: мю-мезоны, пи-мезоны и К-мезоны. Масса мю-мезона составляет примерно 1/8 массы протона, масса пи-мезона — примерно 1/7 и масса К-мезона — около 1/2 массы протона. Мю-мезоны могут быть лишь отрицательными или положительными. Нейтрального мю-мезона не существует. Не считая массы, мю-мезон, по-видимому, полностью подобен электрону, и его можно рассматривать как тяжелый электрон. Однако других тяжелых электронов в природе не встречается.
Античастицей к отрицательному мю-мезону (μ-) является положительный мю-мезон (μ+). Едва появившись, мю-мезон распадается на электрон и два нейтрино:

Благодаря такому взаимодействию все эти три частицы имеют много общего, и поэтому их назвали лептонами, то есть легкими.
Пи-мезоны бывают отрицательные, положительные и нейтральные (π-, π+, π-0). Античастицей по отношению к положительному пи-мезону является отрицательныйли-мезон.
Пи-мезоны легко получить, бомбардируя нуклоны частицами или фотонами излучения с энергией в несколько сотен миллионов электронвольт. В этом случае происходит прямое превращение кинетической энергии нуклонов в массу покоя пи-мезона. Здесь возможна целая гамма реакций:
Протон + протон → протон + нейтрон + положительный пи-мезон.
Протон + нейтрон → протон + протон + отрицательный пи-мезон.
Гамма-квант → протон — нейтрон → положительный мезон. Гамма-квант + протон → протон + нейтральный пи-мезон. Гамма-квант + нейтрон → протон + отрицательный пи-мезон. И так далее.
Получаемые на мощных ускорителях заряженные пи-мезоны распадаются по следующим схемам: положительный пи-мезон: положительный мю-мезон + нейтрино или позитрон + нейтрино; отрицательный пи-мезон: отрицательный мю-мезон + антинейтрино; или электрон + антинейтрино с периодом полураспада 2,6· 10-8сек. Нейтральный пи-мезон распадается значительно быстрее, но только на два фотона с периодом полураспада приблизительно равным 4 · 10 -16 сек.
Известны положительные и нейтральные К-мезоны (К и К0) с их соответствующими античастицами: отрицательный (К-) и нейтральный (К0) мезоны.
Благодаря большой массе К-мезон имеет и больше различных возможностей распада. Период полураспада заряженного К-мезона равен 0,85 · 10 -8 сек.
Гиперонов — элементарных частиц тяжелее протона — существует три разновидности. Они обозначаются заглавными буквами греческого алфавита: Λ (ламбда), Σ (сигма) и Ξ (кси). Все они распадаются на нуклоны.
У каждого гиперона существует своя античастица с противоположным знаком. Мир элементарных частиц оказывается исключительно богатым как разнообразием самих частиц, так и видами их взаимодействий и взаимопревращений.

МОЖЕТ ЛИ ЧАСТЬ БЫТЬ БОЛЬШЕ ЦЕЛОГО?

Разработана более или менее удовлетворительная и разумная система классификации этих частиц и их взаимодействий. Однако она еще очень далека от гармоничной картины, и обнаруженные виды частиц и виды их взаимодействий остаются еще не связанными между собой. Современная теория допускает, что нуклон может состоять не только из пи-мезонов, но и из пар нуклонов и антинуклонов, электрон в своем «составе» может так же содержать электрон-позитронные пары и даже нуклон-антинуклонные пары; мезон — из трех мезонов, и т. п.
Возникает совершенно неизвестная ранее ситуация. Мы привыкли к тому, что большее может состоять только из меньшего: атом из ядра и электронов, ядро — из нуклонов; что часть всегда меньше целого, что зернышко арбуза не может быть больше самого арбуза.
Но как в таком случае пара нуклон — антинуклон может входить в состав электрона? Однако современная физика утверждает, что частицы могут состоять одна из другой и, больше того, большее может заключаться в меньшем.
Здесь слово «заключать» или «состоит» нужно понимать в другом смысле — не статическом (неподвижном), а в динамическом (непрерывно изменяющемся), то есть, что при взаимодействии некоторой частицы, например нуклона, с другой частицей — допустим, с фотоном — неизбежно в качестве промежуточных агентов будут участвовать и другие частицы: мезоны, нуклоны, антинуклоны и т. д., временно возникающие в результате этого взаимодействия.
Чудес не бывает и здесь. Дело не в том, что из чего возникает, а в энергии, которой обладает в данный момент та или иная частица, и какая ее часть может, превратившись в массу, способствовать возникновению той или иной новой частицы. А здесь все более или менее ясно — частица с большей энергией (даже если она в обычном Состоянии меньше по массе) может породить за счет излишка энергии частицу с большей массой. Следует лишь не забывать закон Эйнштейна — масса взаимосвязана с энергией.
Частицы, находящиеся внутри другой частицы, весьма тесно связаны одна с другой. Но эта связь требует затрат колоссальных количеств энергии. Поэтому какая-то, и весьма значительная (иногда даже вся!), масса «частиц-вкладышей» тратится именно на эту энергетическую связь. Таким образом, «странность» всего того, о чем мы рассказываем, объясняется тем, что масса элементарной частицы есть сумма масс составляющих ее частиц минус энергия связи, на что затрачена значительная доля массы взаимодействующих таким образом частиц. При соударении двух элементарных частиц, обладающих огромной энергией, они должны рассыпаться на те частицы, из которых они состоят, а их массы соответственно увеличиться за счет переданной им энергии.
Именно поэтому мы не можем рассматривать частицу как некоторый неизменный объект, вроде твердого заряженного шарика с неизменной массой и строго определенным количеством энергии.
Повторяем, теория допускает. Однако попытки построить сложные модели частиц, когда одни частицы предстают как сложные системы, состоящие из других, более элементарных частиц и при этом с огромным дефектом масс, оказываются пока несостоятельными.
Выше речь шла о разрушении, дроблении элементарных частиц. И о неожиданных последствиях таких микрокатастроф, порядком спутавших карты ученых, но, правда, открывших новые, неведомые пути к тайнам строения материи. Однако полученные результаты не сняли проблемы строения элементарных частиц, по крайней мере тех из них, которые мы с несколько большим основанием можем пока еще считать элементарными: протона, нейтрона и электрона.
Подводя итог сказанному, можно считать, что во всех случаях соударения элементарных частиц, разогнанных до больших энергий, происходит не механическое дробление их на более мелкие частицы, а превращение одних частиц в другие, более легкие. Взаимопревращаемость — всеобщее и наиболее характерное свойство элементарных частиц. Существуют лишь две не подчиняющиеся этому правилу ненормальные частицы—это протон и электрон. Для них распад, вернее, превращение в другие, более легкие частицы, запрещен. Это исключение и делает возможным существование окружающего нас более или менее устойчивого материального мира.
Так в случае ядерной реакции, называемой позитронным распадом,

где р — протон; п — нейтрон; е+ — позитрон; v — нейтрино.
Один из продуктов реакции — нейтрон имеет большую массу покоя, чем исходная частица—протон, хотя нейтрон образовался вместе с двумя другими частицами из протона и как «часть» его должен быть меньше целого по массе.
Все это говорит о том, что понятия части и целого, как это было принято в классической физике, здесь неприменимы.
Приведенная выше реакция свидетельствует о сложности протона, ибо он порождает три частицы — нейтрон, позитрон и нейтрино. Но это совсем не означает, что протон состоит из трех указанных частиц — хотя бы потому, что «внутри» протона этих частиц нет. К тому же протон участвует во множестве других реакций, результатом которых являются самые различные частицы, и нам пришлось бы допустить, что все они тоже входят в состав протона.
В некоторых случаях, когда энергия соударения протона с другими частицами сравнительно невелика, он ведет себя как истинно элементарная частица.
Мы уже говорили, что протон не является однородным шариком. В сердцевине (керне) протона электрического заряда нет. Он расположен в кольцеобразной внешней пульсирующей оболочке, состоящей из пи-мезонного облака. Когда же попытались обстреливать протон, вернее, его пи-мезонную оболочку пи-мезонами же, то стали появляться новые частицы: К-мезоны и гипероны, а также античастицы — антипротоны и антинейтроны. Все они возникают при столкновении пи-мезонов с протонами, но только в том случае, если пи-мезон сталкивается с керном протона, а не тогда, когда он лишь пронизывает мезонную оболочку. Гипероны, антипротоны и антинейтроны появляются, когда летящие пи-мезоны проходят совсем близко от керна.
Это позволило заключить, что и керн протона не является сплошным образованием, а состоит из нескольких оболочек: снаружи расположена К-мезонная оболочка, потом оболочка гиперонов, антипротонов и антинейтронов. А истинный «голый» протон притаился где-то в самой глубине керна. Все эти частицы «размазаны» по своим оболочкам так же, как пи- мезоны в наружном пульсирующем облачке. «Прощупывание» строения одной из элементарных частиц—протона с помощью ускоренного до нескольких миллиардов электронвольт пучка электронов, а затем и пи-мезонов снова вернуло нас к энергетическому состоянию частиц, объясняющему,. казалось бы, необъяснимое — почему частицы, имеющие большую массу (гипероны, антигипероны), ухитряются, да еще   не одна, а сразу несколько, умещаться в значительно меньшем объеме протона (вернее, его массы). До поры до времени эта большая масса, как туго заведенная пружина, невидимо присутствует в энергии меньшей частицы, которая превращается в массу соответствующих частиц после того, как покинет тесную «темницу» протона.
Отчаяние ученых особенно усилилось после того, как стало ясно, что по мере увеличения энергии частиц, разгоняемых на ускорителях, растет и количество все новых и новых видов частиц, причем все они неизменно проходят цепочки последовательных распадов и превращений одних в другие. И чем большей энергией обладает каждая вновь открываемая частица, тем в более тяжелую частицу она превращается в самом начале процесса распада, тем короче время ее существования.
Природа не любит сложных вещей. Все сложное, как правило, неустойчиво. В конечном счете в основе подавляющего большинства ее законов и явлений лежат очень простые вещи. Сложным оказывается лишь путь к их пониманию. Короче говоря, эти сложности заложены не в самой природе, а в головах ученых. Ведь, несмотря на все великое разнообразие, превращения частиц подчиняются определенным законам, например тяжелые частицы сами по себе не могут превратиться в легкие, электроны не могут стать фотонами, и т. д.
Так вот, не кроется ли разгадка всей великой сложности и обилия элементарных частиц в очень простой идее: все они представляют собой только различные энергетические состояния очень небольшого числа истинно элементарных частиц, а все остальные их свойства, приписываемые другим частицам, являются их же ненормальным состоянием, связанным с чрезмерной перегрузкой энергией?
Например, известный американский физик В. Вайскопф считает, что в природе на самом деле существует только две элементарные частицы — барион и лептон. Барионы — это протоны и нейтроны, а лептоны — электроны, мю-мезоны и два вида нейтрино. По сути же дела основными элементами вещества являются только протон и электрон.
Пи-мезоны и К-мезоны — это пакеты энергии, испускаемые барионами, а странные частицы (ламбда, сигма и кси) — сами возбужденные барионы.
Только будущее, и, видимо, недалекое, покажет, справедливы ли эти идеи. Сейчас пока ясно лишь одно: чем большим количеством частиц будут располагать ученые, тем больше вероятность открыть законы, позволяющие свести их великое разнообразие к минимальному количеству действительно элементарных частиц.

КОГДА 2X2 — ОЧЕНЬ МНОГО!

Человечество никогда не сумело бы высвободить чудовищно-огромную энергию, скрытую в недрах атома, если бы удовлетворилось только открытием ядра атома и окружающей его электронной оболочки. Именно попытки узнать, из чего сложено ядро атома, позволили обнаружить обширное семейство элементарных частиц и ту удивительную истину, что, складывая когда-то из них ядра атомов существующих элементов, природа хотя и действовала удивительно скупо и целесообразно, но отнюдь не «мудро». Люди научились «переупаковывать» ядра атомов значительно плотнее, чем это было ранее сделано слепыми силами природы, а высвобождаемую в результате этого излишне затраченную энергию обращать в свою пользу.
И нет ничего удивительного в том, что, создав такие тонкие инструменты исследования, как ускорители частиц, ученые захотели исследовать до конца или, по крайней мере, проникнуть как можно глубже внутрь микромира.
Создавая все более и более мощные ускорители частиц, ученые радовались, ибо каждый новый достигнутый рубеж в энергии «снарядов» «атомной артиллерии», открывал существование все новых и новых частиц, сперва единицами, потом парами, затем уже десятками. А физики-теоретики предсказывают, что не за горами время, когда они станут появляться сотнями.
Все это, помимо труда и усилий многочисленной армии экспериментаторов, стоило еще и огромных материальных затрат. Каждое последующее поколение более мощных ускорителей потребовало изготовления магнитов, весящих тысячи и десятки тысяч тонн, ускорительных камер, размеры которых стали измеряться километрами, а все сооружение, по меткому выражению одного советского популяризатора, стало по размерам приближаться к географическим объектам, а по точности изготовления — к микроскопам.
Естественно, что в соответствующих масштабах возрастает и стоимость подобных сооружений.
И хотя построенные до настоящего времени ускорители поражают воображение энергией разгоняемых в них частиц —  33 миллиарда электронвольт, а с недавним пуском советского ускорителя под Серпуховом — 70 миллиардов электронвольт, спектр энергий, существующих в природе, затронут человеком лишь в самом его начале: в космических лучах встречаются частицы с энергией в 1020 электронвольт — 10 миллионов триллионов электронвольт!
По сравнению с этими природными ускорителями поистине космических масштабов безнадежно меркнут даже грандиозные проекты создания усовершенствованных сверхмощных ускорителей уже установившихся типов: на 300 и даже на 1000 миллиардов электронвольт. Возник вопрос, есть ли смысл продолжать строительство подобных гигантов, у которых вес, размеры, стоимость, требуемая точность изготовления растут в кубической прогрессии, а энергии лишь удваиваются? Почему бы не попытаться заняться своеобразной микроминиатюризацией ускорительной техники?
Вопрос оказался более чем своевременным.
Уже давно в воздухе носилась очень простая, понятная даже из повседневной жизни идея. Разрушительная сила столкновения двух автомобилей, мчащихся навстречу один другому, допустим, со скоростью 60 км каждый, оказывается не в два, а в четыре раза большей, чем при столкновении любого из них с неподвижным препятствием. По аналогии с этим примером, если обстреливать потоком ускоренных частиц не неподвижную мишень, а, допустим, мишень (или поток таких же частиц), которая с такой же скоростью движется навстречу летящим на нее частицам, то можно было бы получить четырехкратный выигрыш в энергии столкновения (в системе центра масс). Однако при столкновении частиц, движущихся со скоростями, сопоставимыми или близкими к скорости света, все значительно сложнее и, к счастью, в пользу исследователей, так как в этом случае дело идет не о чисто механических силах, а о величине энергии, которая участвует в тех или иных ядерных реакциях. А это, оказывается, не одно и то же.
Когда ускоренный до высокой энергии ион сталкивается с неподвижной частицей мишени, то энергия ускоренной частицы расходуется не столько на возможные при этом ядерные реакции, сколько на разгон центра тяжести всей системы сталкивающихся частиц. Последнее вытекает из законов сохранения энергии и импульса, вследствие чего налетающая частица принципиально никогда не в состоянии израсходовать полностью свою кинетическую энергию, а покоящаяся частица-мишень, получив удар, должна начать двигаться с большой скоростью, что также требует значительного расхода энергии. Примерно так же, как при попытке расколоть молотком камень. Та часть энергии удара, которая расходуется на перемещение камня, то есть на его ускорение, оказывается потерянной для цели — расколоть камень. Если при этом бить по тяжелому камню очень легким молотком, то камень переместится недалеко; почти вся энергия молотка пойдет на разрушение камня. Если же по легкому камню или гальке бить тяжелым молотком, то почти вся энергия ударов будет переходить в энергию перемещения гальки, а для ее разрушения не останется ничего. Наконец, если вес молотка и камня окажутся одинаковыми, то в результате удара они будут двигаться вместе со скоростью, равной половине первоначальной скорости молотка: молоток ее потеряет, камень приобретет.
Для того чтобы определить, какая же доля энергии может быть израсходована на интересующие нас реакции, например на возникновение новых частиц, необходимо перейти в систему центра масс, в которой обе частицы — и налетающая, и частица-мишень — движутся навстречу одна другой. В этом случае уже нет причин, препятствующих тому, чтобы каждая из частиц в момент столкновения полностью израсходовала свою энергию. Помимо этого, на сцену выступают другие, так называемые релятивистские (близкие к скорости света) эффекты, съедающие большую часть преимуществ, получаемых при увеличении энергии ускоряемых частиц.
Мы уже говорили, что по мере приближения скорости частицы к скорости света значительно увеличивается ее масса, то есть мы увеличиваем массу нашего «молотка», а следовательно, теряем все большую и большую долю энергии на его ускорение. При столкновении протона, ускоренного до энергии в миллиард электронвольт, с неподвижным протоном 57% энергии (570 Мэв) расходуется впустую (на последующее движение частиц) и только 43% (430 Мэв) могут быть обращены на осуществление ядерной реакции. При ускорении протона до 3 миллиардов электронвольт полезная часть энергии оказывается равной всего 1,15 миллиарда электронвольт; при 6 миллиардах электронвольт она составит лишь 2,0 миллиарда; при 10 миллиардах электронвольт использовать можно 2,9 миллиарда, при 50 миллиардах — только 7,5 и, наконец, при 100 миллиардах электронвольт полезная часть составит 10,5 миллиарда электронвольт.
Стократное увеличение энергии, от 1 до 100 миллиардов электронвольт, дает только двадцатикратное увеличение полезной доли энергии. Конечно, мы должны быть довольны и этим, ибо других путей получения нужной энергии нет, однако подобное уменьшение к. п. д. соударения снаряда о мишень никого не устраивает.
Теперь предположим, что вместо обстрела частицами высокой энергии неподвижной мишени (состоящей, допустим, из тех же протонов) мы сумели осуществить между ними прямое столкновение лоб в лоб. В момент столкновения обе частицы мгновенно останавливаются, вследствие чего и приобретенное ими до этого релятивистское увеличение массы целиком пойдет на осуществление желательной ядерной реакции.

При встречном столкновении ускоренных частиц в иные частицы может превратиться большая часть или даже вся кинетическая энергия этих частиц.

Конкретно, при столкновении протона, ускоренного до энергии 30 миллиардов электронвольт, с неподвижным протоном полезной оказывается энергия, равная только 8 миллиардам электронвольт. При столкновении же двух протонов, ускоренных до той же энергии каждый, полезными оказываются все 60 миллиардов электронвольт энергии. А чтобы получить эти полезные 60 миллиардов электронвольт энергии при столкновении движущегося протона с неподвижным так, как это происходит в обычных ускорителях, бомбардирующий протон пришлось бы разогнать до энергии 2000 миллиардов электронвольт.
А для дальнейшего прогресса физических исследований как раз и требуется не суммарная величина энергии сталкивающихся частиц, а именно полезная ее доля.
Еще больший эффект можно получить, если разгонять не тяжелые частицы, а электроны, так как при той же энергии они имеют большую скорость. Полезная энергия двух сталкивающихся «на лету» электронов, ускоренных «всего» до миллиарда электронвольт (когда масса электрона увеличивается в 30 тысяч раз!), оказывается эквивалентной тому, как если бы один электрон покоился, а другой налетал на него с энергией 2000 миллиардов электронвольт, то есть 2 триллиона. В чем же тогда дело? Почему бы не воспользоваться этим методом?
Дело в том, что вещество мишени обычно имеет плотность порядка 1022 ядер в кубическом сантиметре. Во встречных же пучках частиц в миллиарды раз меньше, чем в таком же объеме вещества твердой мишени. В этих условиях сравнительно редкое облачко частиц может проскочить сквозь «строй» другого такого же облачка, не вызвав ни единого столкновения.
Отсюда вторая и, пожалуй, еще более трудная задача — добиваться предельно возможных по плотности сгустков ускоренных частиц, обеспечивающих какое-то реальное число лобовых столкновений.
Эта же задача может быть решена и несколько иным путем: почему бы, например, не заставить наше пока еще сравнительно «не густое» облачко частиц встречаться с другим таким же облачком огромное число раз, что должно увеличить вероятность столкновений и тем самым компенсировать недостаточную еще плотность потока частиц. Для этого нужно заставить порцию электронов или иных частиц достаточно долго — десятки часов и больше — циркулировать в кольцевой вакуумной камере, устроенной примерно так же, как кольцевая камера в больших синхрофазотронах, в так называемых накопительных системах.

Ускоритель на встречных пучках электронов и позитронов.
Вращаясь на одной и той же орбите в течение многих часов, частицы после каждого оборота будут возвращаться в одну и ту же точку пространства. Нетрудно сделать так, чтобы вращающиеся в двух разных кольцах, но в противоположных направлениях частицы (например, электроны, протоны или иные частицы) каждый раз встречались в этой точке пространства. Для этого нужно лишь соединить в одном месте оба кольца таким образом, чтобы они вместе как бы составляли большую восьмерку.
Опыты по созданию ускорителей со встречными пучками электронов были начаты в СССР еще 10 лет назад. Первая такая установка, названная скромно ВЭП-1, представляет собой магнитную дорожку из двух соединенных вместе полых железных колец диаметром немногим больше 2 м, напоминающую большую цифру 8. Каждые 15 сек специальный синхротрон «впрыскивает» в каждую половинку магнитной дорожки навстречу одна другой порцию электронов, предварительно ускоренных до энергии порядка 40 Мэв. Попав в сильное магнитное поле, окружающее дорожку, электроны начинают закручиваться в ней и разгоняться до 130 Мэв, затрачивая на один оборот всего стомиллионную долю секунды. Так как сгустки электронов встречаются около 100 миллионов раз в секунду, время от времени происходят лобовые столкновения ускоренных таким образом электронов. В результате выделяется полезная энергия, которую можно было бы получить, обстреливая неподвижную мишень потоком электронов, ускоренных до энергии 70 миллиардов электронвольт. Для получения этой же энергии иным путем пришлось бы строить циклический ускоритель с кольцом диаметром 7 км, а линейный ускоритель на такую же энергию протянулся бы на 5 км.
Учитывая эти бесспорные преимущества, на новом гигантском линейном ускорителе длиной около 3,2 км, построенном в Стенфордском университете (США) и разгоняющем электроны до энергии 10—20 миллиардов электронвольт, предполагается соорудить еще и накопительные кольца. В них энергия двух сталкивающихся лоб в лоб электронных пучков будет соответствовать энергии, которую можно было бы получить при бомбардировке неподвижной мишени потоком электронов, разгоняемых до энергии 6 триллионов электронвольт.
Сразу же выявились и главные трудности. Пучок электронов оказался недостаточно плотным, вследствие чего нужные лобовые столкновения электронов происходили слишком редко. Кроме того, сталкиваясь, электроны только «рассеиваются», то есть отскакивают один от другого. Хотя это и позволяет решить многие очень важные для физики вопросы, в процессе таких столкновений другие частицы практически не возникают.
Поэтому почти одновременно возникла идея накапливать, а затем сталкивать не электрон с электроном, а электрон с позитроном.
Так как заряды у них различны, то в одном и том же магнитном поле они будут двигаться в противоположных направлениях. Для их дополнительного ускорения и накапливания может быть использована всего одна кольцевая магнитная дорожка — накопитель.
Хотя электрон-позитронная установка конструктивно значительно проще, получать искусственным путем в большом количестве позитроны очень трудно. Однако эти трудности с лихвой оправдываются тем, что, сталкиваясь, электроны и позитроны взаимоуничтожаются (аннигилируют), но зато вместо них появляются новые частицы и античастицы.
На этой идее и была создана установка ВЭПП-2, представляющая собой массивное железное кольцо диаметром около 5 м, внутри которого под действием магнитного поля накапливаются и разгоняются навстречу один другому сгустки электронов и позитронов, предварительно ускоренные до энергии порядка 700 Мэв. 

В результате их столкновения энергия в системе центра масс соответствует той энергии, которую на обычном ускорителе с неподвижной мишенью можно было бы получить, разгоняя частицы до энергии 2 триллиона электронвольт. Линейный ускоритель на такую энергию протянулся бы на сотни километров. Энергия, получаемая в ВЭПП-2, дает возможность получать пары даже таких тяжелых частиц, как мю-, пи- и К-мезоны.
Большой интерес представляет собой разработка проектов ускорителей, на которых будут сталкиваться уже протоны с протонами.
В Новосибирске начато строительство ускорителя с встречными протон-антипротонными пучками с энергией в каждом из пучков, равной 25 миллиардам электронвольт. Такая установка эквивалентна обычному ускорителю с энергией частиц 1200 миллиардов электронвольт.
При современных технических и экономических возможностях уже можно говорить о строительстве ускорителей с энергией по 1000 миллиардов электронвольт в каждом встречном пучке, что будет эквивалентно обычному ускорителю с энергией 2 миллиона миллиардов электронвольт.
Ускорители со встречными пучками, как и бывает в подобных случаях, оказались ключом не ко всем замкам ядерной физики. На них, например, невозможно получить вторичные частицы высоких энергий — гипероны, мезоны, нейтрино. Но, обладая колоссальным преимуществом в осуществлении соударений таких устойчивых частиц, как электроны, протоны и их античастицы, они позволяют стереть ряд вопросительных знаков у многих остающихся еще загадочными проблем. Например, имеет ли электрон конечные размеры и если да, то какие? Является ли пространство непрерывным или оно прерывисто и подчиняется законам квантования?
Эти ускорители дают возможность проверить законы взаимодействия заряженных частиц на самых кратчайших расстояниях. Получить как можно больше данных о таинственном и пока еще проблематичном антивеществе. Ведь любое антивещество представляет собой идеальное, даже не атомное горючее. Его теплотворная способность в тысячи раз больше, чем у ядерного горючего, в сто раз больше, чем у термоядерного, и в миллиарды раз выше, чем у нефти и угля.