Азимов Айзек

Нейтрино - призрачная частица атома

Введение

Много-много лет назад человек, ведя тяжелую борьбу с силами природы за собственное существование, обратил вдруг свое внимание на окружающий мир. С тех пор, вероятно, люди и не перестают удивляться. Что представляет собой окружающий мир? Что им управляет? Каково его назначение?

Бесконечные вопросы, неуверенные попытки ответить.

Первые наивные ответы дошли до нас в виде Мифов.

Систематические попытки решить загадку Вселенной с помощью разума, а не мистицизма, двадцать пять столетий назад предприняли греки. Во второй половине шестнадцатого столетия ученые окончательно пришли к выводу, что одних только умозаключений недостаточно, необходим эксперимент.

Начавшийся с 1580 года подъем экспериментальной науки дал возможность человечеству получить часть ответов на загадки Вселенной. Раньше люди даже не мечтали о таких исчерпывающих ответах.

В процессе познания научная картина Вселенной настолько отдалилась от привычной, что связь с реальностью казалась потерянной. Возникло то, что можно было бы назвать «научной мифологией».

Человеческий разум парил далеко за пределами непостижимо большого космоса и проникал внутрь непостижимо малых, крошечных структур.

Величина Галактики лежит за пределами привычных представлений. Наш собственный Млечный Путь состоит примерно из ста тридцати миллиардов звезд разных размеров и имеет сложную спиральную структуру. Земля по сравнению с ним кажется пылинкой. И все же астрономы вышли за пределы Млечного Пути к миллиардам галактик, занимающих колоссальные пространства и живущих десятки миллиардов лет, а возможно, и вечно. Звезды можно видеть невооруженным глазом, галактики — в телескоп. Легко видеть, что они несоизмеримы.

Величина атома также лежит за пределами реальности, но он невидим. Отдельный атом так мал, что сто миллионов их, расположенных один за другим, едва покроют расстояние в один сантиметр. Поэтому, будучи на осязаемым, невидимым, он казался довольно мифическим, но ученые проникли и в его недра. Для создания научной картины микромира были привлечены частицы, гораздо меньшие, чем атом, — частицы настолько малые, что сто тысяч их, расположенных одна за другой, едва ли покроют один атом.

Но самой странной из них является частица, совсем не имеющая размера, не обладающая, казалось бы, ни одним из свойств, присущих обычным телам. Она так мала, такое совершенное «ничто», что проникает сквозь бесконечно толстый слой плотного вещества, словно не подозревая о его существовании. Эта частица — «призрак» — была названа нейтрино. Единственной причиной, побудившей ученых предположить ее существование, была необходимость свести в теоретических расчетах концы с концами. Предположение о существовании нейтрино было сделано с крайней неохотой, так как даже ученые чувствовали, что фокус с частицей-«призраком» зашел слишком далеко. Но, к удивлению всех, даже самих ученых, частица — «призрак» оказалась реальной.

В настоящей книге я попытаюсь описать одну из величайших научных авантюр, а именно то, как сначала частица-«призрак» была с большой неохотой предложена, а потом с триумфом открыта. Для этого я буду вынужден вернуться к началу современной экспериментальной науки, чтобы проследить длинную цепь рассуждений, приведших в конце концов к рождению концепции нейтрино.

Глава 1. Импульс

Обобщения

Мы любим иногда придумывать фантастические места, где случаются самые невероятные вещи. Известны описания подобных мест в книгах Льюиса Кэрролла «Алиса в стране чудес» и «В Зазеркалье». В этих книгах кролики, лягушки, гусеницы разговаривают, играют в карты и шашки. Алиса становится внезапно то больше, то меньше, летает без крыльев и прыгает с большой высоты. Она встречает легендарных чудовищ и наблюдает за тем, как женщина превращается в овцу.

В таких местах интересно бывать, но наверняка никто не захотел бы жить в них. Гораздо удобнее жить в обычном мире, где происходят только вполне привычные события.

Другими словами, мы верим, что наш мир подчиняется определенным правилам, и дело ученых — попытаться выяснить, что это за правила. Ученый внимательно наблюдает события и, если замечает, что какое-нибудь явление происходит периодически, приходит к выводу, что иначе и быть не может. Тогда он формулирует правило, которое тем лучше, чем большее число случаев оно охватывает и чем меньше исключений имеет. Хорошее научное правило не должно иметь никаких исключений.

В качестве примера рассмотрим правило: все зеленые камни, подброшенные в воздух, падают обратно.

Такое правило полезно, так как оно говорит нам о том, чего следует ждать от зеленых камней, а чего нет. Если вы подбрасываете вверх зеленый камень, вы уверены, что он упадет обратно, и на этой основе планируете свои действия. Но опыт, однако, говорит, что все голубые камни, подброшенные в воздух, тоже падают обратно. И все серые камни ведут себя точно так же. Значит, правило станет более общим, если сказать: все камни, подброшенные в воздух, падают обратно. Можно сделать правило даже еще более общим: все, что подбрасывается вверх, должно падать вниз.

Если правило охватывает очень широкий круг событий, возникает соблазн назвать его «законом природы». Мне кажется, лучше назвать очень общее правило просто обобщением. Этот термин подчеркивает, что правила создано человеком и выведено им из ряда наблюдений. Обобщение можно опровергнуть, если доказать, что оно неверно, обобщение может иметь исключения, оно может выполняться только при определенных условиях.

Почти каждый согласится с тем, что обобщение «все, что подбрасывается вверх, падает вниз» — очень широкое и полезное. Но является ли оно «законом природы»? Камни, баскетбольные и волейбольные мячи, кирпичи и многие другие вещи, подброшенные в воздух, в самом деле падают обратно. Но как же быть с птицей или аэропланом? Птица наверняка в конце концов упадет вниз после того, как она умрет, а аэроплан, — если кончится горючее, не раньше. Кроме того, птица и аэроплан падают вниз совсем не так, как камень. Должны ли мы заменить обобщение следующим: «все, что подбрасывается вверх, должно падать вниз, но не обязательно немедленно»?

А как же быть с клубами дыма, с баллоном, наполненным гелием, или с крошечными пылинками? Они плавают в воздухе и не испытывают потребности опуститься вниз. Значит, обобщение нужно заменить следующим: «все, что подбрасывается вверх, должно падать вниз, но не обязательно немедленно и только тогда, когда оно тяжелее воздуха, или если опыт проводится в вакууме»? Но ведь остается еще ракета, которая «простреливает» пространство со скоростью одиннадцать километров в секунду. С такой скоростью ракета может выйти на орбиту вокруг Солнца и никогда не вернуться на земную поверхность. Должны ли мы изменить правило следующим образом: «все, что подбрасывается вверх, должно падать вниз, но не обязательно немедленно, и только тогда, когда оно тяжелее воздуха или опыт проводится в вакууме; и когда его скорость меньше одиннадцати километров в секунду»?

Как видите, обобщение, сделанное сначала в простой форме, становится все более и более громоздким. Нелегко найти в высшей степени полезное обобщение, поэтому ученому, который сделает это, гарантирована известность. В качестве примера исключительно полезного обобщения я приведу одно, сделанное в 1687 году английским ученым Исааком Ньютоном: «Ускорение, вызванное действием на тело несбалансированной силы, пропорционально величине этой силы, имеет то же направление, что и сила, и обратно пропорционально массе».

Математически обобщение очень просто выражается формулой

а = f/m.

Второй закон движения (Ньютон сформулировал также первый и третий законы движения) можно применять ко всем движениям любого вида. И вы легко себе можете представить, что при выводе этого соотношения, связывающего ускорение, силу и массу, потребовались более тщательные наблюдения и более тонкая проницательность, чем при выводе обобщения «все, что подбрасывается, должно падать».

В этой книге мы коснемся группы наиболее фундаментальных из известных науке обобщений, которые включают в себя нечто противоположное движению — неизменность.

Столкновение бильярдных шаров

Сознательно или бессознательно мы доверчиво полагаемся на некоторые события, имеющие место потому, что определенные свойства окружающего мира мы считаем неизменными.

Например, знаток бильярда не без основания уверен в исходе своих ударов, если он точно ударяет шар своим кием (что следует ожидать, так как он хороший игрок), и в момент удара не происходит внезапного землетрясения или другой подобной неожиданности. Что делает его таким уверенным? Откуда он знает, что шары будут ложиться точно так, как он ожидает? Конечно, главная причина — опыт.

Поведение движущихся бильярдных шаров так регулярно, что после наблюдения нескольких сот или тысяч ударов игрок становится уверенным в своих ударах. Тем не менее вы можете всю жизнь играть на скачках или на бирже и никогда не сумеете точно предсказать, что случится в следующий момент, с той определенностью, с ка кой это сделает бильярдный игрок. Очевидно, движущиеся бильярдные шары представляют собой систему более простую, чем скачущие лошади или цены на бирже, и по-этому из поведения шаров легче сделать полезное обобщение.

Вообразите бильярдный шар, движущийся по поверхности стола самым простым образом, без каких-либо вращений, с постоянной скоростью 10 см/сек. Предположим далее, что этот бильярдный шар налетает на неподвижный, который тотчас начинает двигаться, а первый останавливается. При этом, если столкновение было центральным, второй бильярдный шар движется со скоростью 10 см/сек точно в том же направлении, в каком двигался раньше первый. Многочисленными наблюдениями установлено, что при таком столкновении сумма скоростей шаров до и после соударения одинакова (на самом деле имеется небольшое замедление из-за трения шара о поверхность стола и сопротивления окружающего воздуха но этими эффектами пока можно пренебречь). Короче, общая скорость остается неизменной, в то время как другие факторы, например положение и скорость каждого шара в отдельности, меняются. Казалось бы, общая скорость «сохраняется».

Значение такого обобщения в том, что оно исключает все виды случайностей из области возможного. Вы можете быть уверены, что ни один шар не будет двигаться быстрее определенного предела. Более того, если в такой системе из двух шаров известна скорость одного шара тем самым уже предопределена скорость другого. Но будет ли общая скорость «сохраняться» во всех случаях или только в том, который я только что описал?

Что будет, например, если шар ударит не покоящийся, а движущийся шар? Предположим, что один бильярдный шар движется со скоростью 10 см/сек, скажем, на север, другой — со скоростью 10 см/сек на юг, и оба они сталкиваются «в лоб». Мы полагаем, что шары в этих условиях отскочат друг от друга. Но что произойдет, если шары сделать из воска или замазки, так что при соударении они сплющатся и прилипнут друг к другу? Остановятся ли шары в точке столкновения и какими в этом случае будут их скорости?

Конечно, если скорость исчезает, вряд ли можно говорить, что она сохраняется, Чтобы говорить о сохранении скорости, необходимо, оказывается, рассматривать не только ее величину, но и направление движения предмета. Предположим, что скорость движения шара на север равна +10 см/сек, а скорость движения на юг -10 см/сек. В таком случае общая скорость двух движущихся шаров равна не 20 см/сек, а нулю. Следовательно, если два неупругих шара сталкиваются, прилипают и останавливаются в точке столкновения, никакого изменения суммарной скорости не происходит. Нуль остается нулем.

В случае настоящих упругих бильярдных шаров ситуация иная. Каждый шар внезапно меняет направление движения. Шар, движущийся на север, отскакивает на юг, причем скорость его меняется от +10 см/сек до -10 см/сек. Второй шар отскакивает на север, и скорость его меняется от -10 см/сек до +10 см/сек. Однако суммарная скорость остается равной нулю. Если шары недостаточно упруги, то может случиться, что один шар изменит скорость от +10 см/сек до -6 см/сек. Тогда другой изменит скорость с -10 см/сек до +6 см/сек. Результатов такого центрального столкновения множество, но они ограничены условием обязательного сохранения суммарной скорости.

Однако можно усложнить задачу. Что если движущийся бильярдный шар ударяет неподвижный, но не по центру? Что тогда?

Если вы когда-нибудь следили за игрой в бильярд, вы знаете ответ на этот вопрос: шары меняют направление. Неподвижный шар начинает двигаться налево (если удар был справа от центра), а шар, двигавшийся вначале, тоже меняет направление и начинает двигаться направо. При этом никогда не наблюдалось, чтобы оба шара двигались в одну сторону с первоначальным направлением.

Рис. 1. Разложение скорости

Рассмотрим прямолинейное движение в двух измерениях (скажем, на плоской поверхности бильярдного стола). Такое движение всегда можно разложить на две составляющие под прямым углом друг к другу. Это делается с помощью построения линий в направлении движения, длины которых пропорциональны величинам скоростей (рис. 1). Величины горизонтальной и вертикальной составляющих скорости можно определить, составив отношение длин сторон прямоугольника к его диагонали. Это отношение можно вычислить, если известны углы геометрической фигуры. Мы не будем касаться таких расчетов, тем не менее рис. 1 как раз соответствует простому случаю, когда прямолинейное движение со скоростью 10 см/сек имеет вертикальную составляющую 5 см/сек и горизонтальную 8,7 см/сек [1].

Рис. 2. Нецентральное столкновение шаров

Вернемся теперь к нецентральному столкновению бильярдных шаров. Если прямолинейное движение каждого шара разложить на составляющие, окажется, что суммы вертикальных составляющих до и после столкновения равны. В случае, изображенном на рис. 2, начальная скорость движущегося шара равна 10 см/сек. После соударения его вертикальная составляющая будет равна 2,5 см/сек, а соответствующая составляющая неподвижного шара -7,5 см/сек. Каждый шар после столкновения имеет горизонтальную составляющую. Однако, как видно из рис. 2, эти составляющие равны по величине и противоположны по направлению (+ 4,35 см/сек и -4,35 см/сек), так что суммарная горизонтальная скорость равна нулю. Это происходит потому, что при описанных условиях движущийся шар после столкновения должен отклониться в одну сторону, а неподвижный — в противоположную. Если бы оба шара отклонились, например, влево от первоначального направления, то возникла бы результирующая горизонтальная составляющая. Все вышесказанное справедливо для столкновения любого числа бильярдных шаров, движущихся в самых разных направлениях. Общая скорость в любом направлении до и после соударения одна и та же.

Сохранение импульса

Теперь вы, вероятно, начнете подозревать, что «сохранение суммарной скорости» будет иметь место при всех условиях. Подождите — мы еще не рассмотрели всевозможные ситуации.

Предположим, например, что шар ударяет о борт бильярдного стола и отскакивает назад. Стол, неподвижный до удара, остается таким же неподвижным и после него. Казалось бы, нет ничего, что могло бы скомпенсировать изменение скорости бильярдного шара. Если шар ударяется о борт «в лоб», его скорость +х см/сек изменяется на — х см/сек. Если он ударяется под углом, горизонтальная составляющая изменяет свой знак на противоположный. В этом случае суммарная скорость не сохраняется, а поскольку обнаружен даже один случай несохранения, обобщение нарушается. От него следует отказаться и, если это возможно, найти лучшее.

Почему же не годится наш закон «сохранения суммарной скорости»? Одна из причин в том, что мы рассматривали нереальные, слишком ограниченные условия. Все наши сталкивающиеся и отскакивающие бильярдные шары были одинакового размера. Ну а что, если рассмотреть шары разного размера или, выражаясь более точно, разной массы? Слово «масса» было использовано раньше, когда я дал определение второго закона движения Ньютона. Действительно, массу лучше всего определять с помощью второго закона. Масса есть отношение силы, приложенной к телу, к вызываемому ею ускорению.

Однако на поверхности Земли при обычных условиях масса тела пропорциональна его весу, поэтому массу обычно измеряют взвешиванием и с уверенностью можно сказать: чем больше вес, тем больше масса, и чем меньше вес, тем меньше масса. В метрической системе массу принято измерять в граммах.

Рассмотрим далее два шара: движущийся с массой 70 г и неподвижный — 35 г. Если 70-граммовый шар движется со скоростью 10 см/сек и ударяет неподвижный «в лоб», то последний может покатиться вперед со скоростью 8 см/сек, а первый шар будет продолжать свое движение со скоростью 6 см/сек. До столкновения суммарная скорость была равна 10 см/сек, а после соударения 8+6=14 см/сек. Откуда взялась добавочная скорость?

Оказывается, до и после соударения должна рассматриваться не скорость (или ее составляющие), а импульс (или составляющие импульса). Импульсом называется произведение скорости на массу. Вначале 70-граммовый шар двигался со скоростью 10 см/сек, следовательно, начальный импульс этого шара был равен 700 г·см/сек [2]. После столкновения 70-граммовый шар движется со скоростью 6 см/сек, т. е. его импульс равен 420 г·см/сек, а 35-граммовый — со скоростью 8 см/сек, и его импульс равен 280 г·см/сек. Суммарный импульс, следовательно, равен 700 г·см/сек как до, так и после соударения.

Понял и доказал, что сохраняется именно импульс, английский математик Джон Уоллис в 1671 году.

Подставьте вместо скорости импульс, и то, что раньше приводило в тупик, сразу становится понятным. Толкните баскетбольный мяч носком ноги, и он начнет двигаться с определенной скоростью. Толкните точно так же пушечное ядро, и оно начнет двигаться гораздо медленнее. Однако обоим этим телам передан один и тот же импульс. Недостаток скорости ядра компенсируется его массой.

Предположим, что заряженное ружье подвешено на проволоке к потолку. Легким прикосновением к спусковому крючку заставим его выстрелить. Пуля вылетит из дула с некоторой скоростью. Мгновение перед этим она покоилась, теперь же она движется очень быстро, скажем, направо: Чтобы скомпенсировать это движение, ружье должно двигаться налево. Если бы действовало правило сохранения скорости, то ружье стало бы двигаться налево с такой же скоростью, с какой пуля движется направо, но каждый, кто видел этот эксперимент, знает, что это не так. Сохраняется именно импульс, т. е. произведение скорости на массу. Ружье имеет гораздо большую массу, чем пуля, и движется соответственно медленнее. Теперь ответим на вопрос о бильярдном шаре, ударяющем о борт стола. При ударе шар меняет свой импульс. Противоположным образом должен изменить свой импульс стол. Однако бильярдный стол имеет гораздо большую массу, чем шар, и изменение его импульса, требует гораздо меньшего изменения скорости. На самом деле стол связан с поверхностью Земли (трением или еще каким-нибудь образом), так что в действительности, чтобы сбалансировать изменение импульса шара, свой импульс меняет Земля. Но Земля имеет такую огромную массу, что балансирующее изменение ее движения чрезвычайно мало и поэтому незаметно. Можно представить себе поразительную картину того, как подпрыгивает мяч. Когда мяч падает вниз, Земля поднимается ему навстречу, а когда он подпрыгивает вверх, Земля снова опускается вниз. Короче, Земля подскакивает вместе с мячом, но тем меньше, чем масса ее больше массы шара. Поскольку Земля имеет гигантскую массу, не удивительно, что ее колебания и мириады других ее движений, балансирующих все движения на ее поверхности, проходят незамеченными.

Подобным образом можно объяснить и тот факт, что любой движущийся вдоль длинной плоской поверхности предмет в конце концов останавливается. Его импульс не исчезает, Земля постепенно получит этот импульс с помощью трения. Когда автомобиль трогается и разгоняется до большой скорости, его резиновые шины отталкиваются от Земли, которая движется в противоположном направлении, но в силу своей огромной массы с пренебрежимо малой скоростью. Каждый, кто пытался завести и стронуть с места стоящий на льду автомобиль, когда резиновые шины не могут передать импульс Земле, знает, что автомобиль не двинется без такой передачи.

Из-за незаметного изменения движения Земли кажется, что импульс не сохраняется. Рассмотрев приведенные примеры, мы чувствуем некоторую уверенность, возводя обобщение в ранг закона сохранения импульса. Это обобщение очень просто можно выразить следующим образом: суммарный импульс замкнутой системы остается постоянным.

Под замкнутой системой мы подразумеваем любое тело или совокупность тел, на которые никоим образом не влияют окружающие условия. В действительности, никакая совокупность тел, строго говоря, не изолирована, и закон сохранения импульса считают абсолютно верным только для всей Вселенной. Однако системы, меньшие чем Вселенная, часто рассматриваются с достаточной точностью практически изолированными. Например бильярдные шары вместе со столом, киями и игроками можно считать изолированной системой, пока во время игры не произойдет землетрясение или, преследуя шар, на стол не прыгнет хозяйский кот и т. п.

Важно понять, что закон сохранения импульса (подобно всем другим законам сохранения, которые я буду упоминать в книге), является результатом экспериментальных наблюдений, а не логических выводов. Точнее говоря, нельзя утверждать, что импульс должен сохраняться при всех условиях. Импульс сохраняется при всех условиях, которые когда-либо наблюдались, и с той степенью точности, с которой его измеряли.

В таком случае, имеем ли мы право утверждать, что закон никогда не нарушается? Все, чем мы располагаем, — это наш опыт, а он может быть недостаточным В начале главы казалось, что существует закон сохранения скорости, но когда опыт расширился, он сам собой отпал. Случится ли что-либо подобное с законом сохранения импульса? Если не сейчас, то когда-нибудь? Да, конечно, может случиться. В последние годы некоторые важные законы сохранения неожиданно перестали существовать. (Позднее я опишу один такой случай.)

Тем не менее, когда наблюдается явление, которое как кажется на первый взгляд, доказывает несостоятельность важного обобщения, ученым следует тщательно изучить это явление. Нельзя ли его интерпретировать так, чтобы оно не противоречило закону? Если это можно сделать, тем лучше.

Но в случае закона сохранения импульса с ним согласуется множество наблюдений, начиная с космических звездных систем и кончая микросистемами субатомных частиц, и ученым в самом деле трудно согласиться с каким-либо его нарушением. Они готовы принять почти любое объяснение нарушения закона, лишь бы спасти обобщение. Закон сохранения импульса оказался так не-обыкновенно полезен на протяжении приблизительно трех столетий, что ученые, естественно, стремятся сохранить его.

Сохранение момента количества движения

Движение не обязательно должно представлять собой изменение положения. Если бильярдный шар быстро вращается, не трогаясь с места, было бы несправедливо считать такой шар неподвижным. Кроме того, шар может двигаться по прямой линии и одновременно вращаться. Любое тело, которое движется по окружности или вращается вокруг своей оси (например, Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца), обладает угловой скоростью и имеет угловой импульс, или момент количества движения. По аналогии с обычным импульсом можно также предположить, что момент количества движения равен угловой скорости, умноженной на массу [3]. Но это неверно. Вообразите, что вы стоите на вращающемся столике, держа в каждой руке по тяжелой гире и прижимая их к себе. Вы раскручиваетесь и, если столик вращается почти без трения, будете продолжать вращаться с примерно постоянной угловой скоростью довольно долго. Пусть, например, эта скорость равна двум оборотам в секунду. Если бы момент количества движения равнялся произведению массы на угловую скорость и если бы он сохранялся, вы могли бы изменить угловую скорость, меняя свою массу. Если бы, например, кто-нибудь взял гири из ваших рук, масса на вращающемся столике уменьшилась бы, а ваша угловая скорость увеличилась. Если бы вам в руки дали добавочный груз, ваша угловая скорость уменьшилась бы. Если бы момент количества движения зависел только от массы и угловой скорости, то вы, казалось, могли бы изменить угловую скорость, только изменяя массу.

Предположим, вы стоите на вращающемся столе, держа свои гири у туловища и делая два оборота в секунду. Выпрямите руки с гирями насколько возможно. Внезапно ваша угловая скорость уменьшится, и вы будете двигаться со скоростью, возможно, не более одного оборота в секунду. Прижмите руки опять к туловищу — и угловая скорость станет прежней.

Что же случилось? Ведь общая масса на столе не изменилась от того, что вы вытянули руки! Тогда почему же изменилась угловая скорость? Она должна измениться в ответ на определенные изменения в системе, зависящие не от величины массы. Логично предположить, что в момент количества движения входит расстояние массы от оси вращения. Расстояние части массы (ваших рук с гирями в них) от оси вращения увеличилось. Если это расстояние входит в момент количества движения, следует ожидать уменьшения угловой скорости, компенсирующего увеличение расстояния. Когда руки и гири опять прижаты к туловищу, их расстояние от оси вращения снова уменьшается и угловая скорость увеличивается, компенсируя это уменьшение.

Можно утверждать, что момент количества движения сохраняется, если его определять как произведение массы, угловой скорости и квадрата среднего расстояния массы от оси вращения. Тогда закон сохранения момента количества движения, нарушения которого никто никогда не наблюдал, можно сформулировать так: суммарный момент количества движения замкнутой системы остается постоянным.

Я говорю «суммарный момент количества движения» поскольку угловая скорость, так же как линейная, может иметь разные направления. Различают направление вращения по и против часовой стрелки. Если смотреть на Землю со стороны Северного полюса с большой высоты будет казаться, что она вращается против часовой стрелки.

Если два одинаковых шара вращаются вокруг своей оси со скоростью 10 оборотов в секунду, но один по часовой стрелке, а другой — против, то суммарная угловая скорость такой системы равна нулю. Поскольку шары имеют одинаковую массу, форму и строение, суммарный момент количества движения системы тоже равен нулю. Шары могут столкнуться так, что вращение одного погасит вращение другого. После соударения оба шара не вращаются, и момент количества движения системы снова равен нулю.

Можно считать, что в невращающейся системе одна часть вращается по часовой стрелке, а другая — против и эти движения компенсируют друг друга.

Важно помнить, что, несмотря на аналогию в названиях и проявлениях, законы сохранения импульса и момента количества движения действуют совершенно независимо друг от друга. Нельзя прямолинейное движение замкнутой системы заменить вращением по часовой стрелке или наоборот; во всяком случае, никто никогда подобное превращение не наблюдал.

Глава 2. Энергия

Сохранение массы

При рассмотрении импульса мы имели дело с тремя величинами: скоростью, массой и их произведением, т. е. самим импульсом.

С точки зрения сохранения мы рассмотрели две из них: импульс, который сохраняется, и скорость, которая не сохраняется. А что происходит с третьей величиной — массой? Если наблюдать некоторые явления эпизодически, покажется, что существуют явные доказательства несохранения массы. Дерево сгорает, оставляя после себя пепел, имеющий гораздо меньшую массу. Большая часть массы дерева как бы исчезает. Если полностью сжечь свечу, масса ее тоже исчезнет. С другой стороны, если кусок железа полностью съедает ржавчина, образовавшаяся масса значительно больше первоначальной. Кажется, что масса возникла из ничего. Но масса — неотъемлемое свойство вещества, иметь одно без другого нельзя, следовательно, процессы сгорания или ржавления можно считать доказательством исчезновения или появления вещества.

Однако закон сохранения массы нельзя проверить в открытой системе. Мы обнаружили это, когда пытались объяснить поведение бильярдного шара, отскакивающего от борта, не принимая в расчет изменение импульса самого стола.

Ясно, что сгоревшее бревно, свеча или съеденное ржавчиной железо представляют собой открытую систему, так как на них сильно воздействует окружающая среда. По мере сгорания бревна или свечи возникают газы и пары, которые смешиваются с атмосферой Земли. Конечно, следует также рассмотреть их массу, прежде чем сделать какие-нибудь выводы о сохранении массы. Процесс ржавления гораздо более тонкий. По-видимому, некоторая часть воздуха соединяется в процессе ржавления с железом, следовательно, надо учесть массу воздуха прежде чем решить, сохраняется масса или нет.

Вплоть до XVIII столетия химики обычно неправильно оценивали материальную природу воздуха и газов. Они считали, что газы не имеют массы или она очень мала и ею можно пренебречь. Тем не менее XVIII век стал свидетелем грандиозных работ по исследованию свойств газов. Стало ясно, что при рассмотрении некоторых явлений нельзя не учитывать газы. Перелом наступил с появлением теории французского химика Антуана Лавуазье, который описал свои выводы в учебнике химии, опубликованном в 1789 году [4].

Химические реакции сгорания и ржавления Лавуазье провел в закрытых сосудах, из которых не испарялись газы и в которые не проникал воздух. Масса не могла ни проникнуть в систему, ни выйти из системы, которая была таким образом замкнута. Лавуазье взвесил сосуд с eё содержимым до и после реакции. При той точности, которую обеспечивали измерительные приборы, он не обнаружил изменения массы. Его результаты подтвердили другие экспериментаторы, которые использовали все более и более точные методы измерения массы. Измерения, сделанные в самом начале XX столетия, показали, что масса остается постоянной, по крайней мере с точностью до стомиллионной.

Итак, Лавуазье установил закон сохранения массы или, как его иногда называют, закон сохранения вещества.

Масса отличается от других «сохраняющихся» величин одним важным свойством. Импульс и момент количества движения — векторные величины, т. е. величины, имеющие направление. Импульс бывает направлен вперед или назад; момент количества движения — по часовой или против часовой стрелки. Это означает, что импульс одной части системы скомпенсируется противоположным импульсом другой части системы. Поэтому импульс в одной части системы получают путем создания противоположного импульса в другой ее части. Следовательно, при сохранении импульса или момента количества движения мы должны иметь дело с суммарными величинами, полученными путем алгебраического сложения всех положительных и отрицательных значений.

Однако масса — скалярная величина, т. е. величина, которая характеризует количество, но не имеет направления. Одно тело бывает тяжелее другого, но нет такого понятия положительной и отрицательной массы, которые могут погасить друг друга. Чтобы получить общую массу системы, надо только сложить массы частей, составляющих ее, не заботясь об их знаке. Точнее говорить не о суммарной, а о полной массе.

Закон сохранения массы формулируют следующим образом: полная масса замкнутой системы остается постоянной.

Сохранение энергии

Скорость входит не только в импульс. Движущееся пушечное ядро разобьет каменную стену, хотя такое же ядро, но неподвижное ничего не сделает со стенкой, даже соприкасаясь с ней. Движущееся пушечное ядро совершает работу, а идентичное с ним во всем, кроме отсутствия движения, неподвижное ядро не совершает ее. Физики считают, что работа совершается только при движении против сил сопротивления. Так, работа совершается при поднятии груза против сил тяжести, при вколачивании гвоздя в дерево против силы трения, при разрушении каменной стены против межмолекулярных сил, удерживающих ее части вместе. Ясно, что работа, взятая сама по себе, не сохраняется. Если груз висит, работа не совершается. С другой стороны, груз не будет двигаться вверх сам по себе. Что-то должно двигать его вверх; что-то должно совершать работу. Поэтому, если необходимо иметь дело с замкнутой системой, следует учесть и то, что совершает работу.

Все, что способно совершать работу, является формой энергии. (Это слово происходит от греческого energia — деятельность). Итак, движущаяся масса обладает энергией, а неподвижная — нет, как я уже отмечал выше, сравнивая движущееся и неподвижное пушечные ядра. Означает ли это, что энергия движущейся массы эквивалентна ее импульсу? Нисколько! Работа, совершаемая движущейся массой, увеличивается пропорционально не скорости (как показывают точные измерения), а квадрату ее. Утройте массу ядра, не меняя его скорости, и оно совершит втрое большую работу. Но утройте его скорость, не меняя массу, — и оно совершит работу, в девять раз большую. Если обозначить массу буквой т, а скорость v, их произведение будет равно mv. Энергия движения, или кинетическая энергия (от греческого kinetikos — относящиеся к движению), выражается как 1/2 mv^2. Движение — не единственное средство совершить работу. Можно, например, разбить тарелку, не только ударив ее молотком, но сильно нагрев ее или устроив под ней маленький пороховой взрыв. Гвоздь поднимают вверх против сил тяжести с помощью магнита или проволочной катушки с электрическим током. Короче, имеется целый ряд различных проявлений энергии. Вот некоторые из них: электрическая, магнитная, химическая световая, тепловая. Существует даже «энергия положения», или потенциальная энергия, которую можно понять на примере камня, поднятого метра на два над посудой Камень поднят, но не совершает работы. Однако в нем запасена энергия, которая реализуется, когда он падает и разбивает посуду.

Энергия превращается не только в работу, но и в другие формы энергии. Электрический ток вызывает магнетизм, в лампе накаливания — свет и тепло, в двигателе — кинетическую энергию. Химическая энергия, дающая возможность дереву сгореть, превращается во время этого процесса в тепло и свет, а химический взрыв заставляет предметы лететь и таким образом переходит в кинетическую энергию. Кинетическая энергия благодаря трению превращается в тепло, а если трение используют для зажигания спички, тепло преобразуется в свет. Когда заряжается аккумуляторная батарея, электрическая энергия переходит в химическую; когда она разряжается, происходит обратный процесс.

В этом отношении тепло занимает особое место. Любая другая форма энергии при определенных условиях полностью преобразуется в тепловую. Однако тепло не может превратиться в любую другую форму энергии полностью. Часть энергии всегда остается в виде тепла. Более того, если одна форма нетепловой энергии переходит в другую, это превращение никогда не происходит полностью: некоторая часть энергии всегда переходит в тепло. Следовательно, энергию удобно подразделять на тепловую и все другие формы, включая работу. Поэтому неудивительно, что тепло требует специального рассмотрения и имеет даже собственную единицу измерения. (Не надо забывать, что тепло было тщательно изучено еще до того, как его отнесли к формам энергии.) Единица тепла — калория. Это количество тепла, необходимое для того чтобы поднять температуру одного грамма воды от 14,5 °C до 15,5 °C.

Более распространенная единица энергии, которая чаще всего используется для других ее форм, составлена из грамма, сантиметра и секунды. Если выразить энергию как 1/2 mv^2, то единица энергии будет иметь размерность г·см^2/сек^2. Для большего удобства физики договорились назвать эту единицу односложно, для чего было придумано слово эрг (от слова «энергия»). Эрг — малая единица энергии. Чтобы поднять 1 грамм вещества на короткое расстояние в 1 сантиметр, преодолевая земное притяжение, надо затратить 980,7 эрг.

Теперь можно задать один важный вопрос. Когда определенное количество какой-нибудь нетепловой энергии полностью превращается в тепловую, всегда ли выделяется одно и то же количество тепла? Всегда ли х эрг превращается в у калорий, т. е. сохраняется ли, другими словами, энергия?

Необходимые эксперименты провел в сороковых годах XIX века английский физик Джеймс Джоуль. Он пытался превратить энергию в тепло самыми разными способами, например: заставлял двигаться воду или ртуть с помощью колеса с лопастями, сжимал воздух, пропускал воду через узкие трубки, вращал проволочную катушку между полюсами магнита, пропускал через проволоку электрический ток. В каждом случае он измерял потраченную энергию и выделенное тепло. Даже во время своего медового месяца Джоуль не смог побороть искушения измерить температуру вверху и внизу водопада, чтобы узнать, сколько тепла выделяет энергия падающей воды. К 1847 году он установил, что данное количество нетепловой энергии любого вида всегда производит одинаковое количество тепла.

Впоследствии это было подтверждено несчетное число раз, и теперь мы можем сказать, что 41 800 000 эрг эквиваленты 1 кал тепла. Это соотношение называется механическим эквивалентом тепла. В честь Джоуля 10 000 000 эрг принято считать равными 1 джоулю. Следовательно, механический эквивалент тепла 1 калория равен 4,18 джоуля.

В то же самое десятилетие два немецких физика Юлиус Роберт Майер и Герман Людвиг фон Гельмгольц независимо друг от друга привели ряд аргументов в пользу сохранения энергии. Подкрепленные опытами Джоуля, эти аргументы стали в конце концов убедительными. Так был установлен закон сохранения энергии, который является, вероятно, самым фундаментальным и важным обобщением из всех, которые дала наука.

Подобно массе и в отличие от импульса энергия — скалярная величина. Она бывает больше или меньше, но нет положительной или отрицательной энергии.

Предположим, например, что два пушечных ядра одинаковой массы летят навстречу друг другу с одинаковой скоростью. Их импульсы равны и противоположны, так что общий импульс двух ядер равен нулю. Если ядра столкнутся неупруго, они сплющатся и упадут на землю. Но оба ядра обладали кинетической энергией, а она не может исчезнуть. Однако однажды столкнувшись, ядра больше не движутся. Что же случилось с кинетической энергией? Она превратилась в другую форму энергии — тепловую. В результате столкновения ядра так нагреваются, что могут частично расплавиться. Следовательно, правильнее говорить о полной энергии, а не о суммарной и закон сохранения энергии формулировать так: полная энергия замкнутой системы постоянна.

Закон всемирного тяготения

Я опять хочу подчеркнуть, что законы сохранения, которые были описаны, в действительности не «законы», а просто обобщения. Производя разнообразные измерения, ученые убеждались каждый раз, что импульс, момент количества движения, масса и энергия системы, которая кажется замкнутой, остаются постоянными при любых изменениях в системе. Тогда они сделали широкое обобщение, что данные этих измерений всегда остаются постоянными при всех условиях. Но слова «всегда» и «при всех условиях» — предательские слова. Знаем ли мы на самом деле, что происходит «всегда» и «при всех условиях»? Но даже если упорно продолжать верить в справедливость этого обобщения на Земле, будет ли верно оно для внеземных условий? Наши измерения «сохраняющихся» величин сделаны на Земле, в земных условиях. Не очень хорошо переходить от измерений к предположению о том, что происходит «всегда» и «при всех условиях на Земле. И совсем плохо предполагать, что слова всегда» и «везде» справедливы для всей Вселенной, условия в которой могут невероятно отличаться от земных.

Будет ли сохраняться энергия в условиях вакуума космического пространства? Сохраняется ли энергия при сверхвысоких температурах внутри звезд, температурах, которые нельзя воспроизвести в лаборатории?

В древности философы считали само собой разумеющимся, что «законы природы» не одни и те же во Вселенной: одни — для Земли, другие — для неба. Казалось, что для этого были все основания. На Земле тела падают вниз, а небесные тела движутся по неизменным орбитам и никогда не падают. На Земле тела меняются, разлагаются, умирают, а в небе нельзя заметить каких-либо изменений; Солнце такое же светлое и яркое, как и вчера и вообще на всей памяти человечества.

Однако в наше время собраны факты, которые подчеркивают единство законов природы. Первый сокрушительный удар был нанесен в 1687 году Ньютоном, опубликовавшим книгу о трех законах движения. Основываясь на них, он доказал, что падать яблоко с ветки на землю заставляет та же сила, которая удерживает Луну на орбите вокруг Земли. Падающие на Землю предметы и вращающиеся в небе тела подчиняются одному и тому же основному закону взаимного притяжения, или, выражаясь точнее, закону всемирного тяготения. Акцент в этой фразе надо сделать на слове «всемирное».

Но является ли этот закон действительно всемирным? во времена Ньютона и более столетия после него действие гравитации изучали на примере планет и спутников, так что «закон», несмотря на предполагаемую универсальность, в действительности был ограничен Солнечной системой. В девяностых годах XVIII века английский астроном Вильям Гершель открыл «двойные звезды», которые при внимательном наблюдении оказались близкими соседями, вращающимися один вокруг другого. Дальнейшее тщательное изучение показало, что эти звезды, отстоящие друг от друга на сотни триллионов километров, вращаются по своим орбитам точно в соответствии с законом всемирного тяготения Ньютона.

Но даже за самыми удаленными двойными звездами имеются огромные космические пространства, недосягаемые для самых современных приборов.

Правильно ли тогда утверждать, что закон всемирного (предположительно) тяготения справедлив во всей Вселенной, известной и неизвестной? Нет, конечно.

С другой стороны, факты, свидетельствующие в пользу единства «закона природы», производят впечатление. Позиция физиков примерно такова: то, что мы считаем «законами природы», нельзя применять одинаково во всей Вселенной во все времена, но пока не получено надежное доказательство обратного, мы будем их применять.

Эта позиция основана не только на одном факте кажущейся универсальности гравитации. Более веские доказательства, подтверждающие универсальность основных научных обобщений, исходят из того, что свет от самых далеких звезд очень похож на свет газового пламени с расстояния одного метра.

Свет проявляет свойства, которые можно объяснить предположив, что он состоит из волн различной длин Присутствие определенных длин волн и отсутствие других характеризует материал, служащий источником света. Каждый химический элемент, если его раскалить до высокой температуры, дает в спектре характерный набор длин волн, по которому его можно отличить от других элементов. Этот метод был тщательно разработан в 1859 году немецким физиком Густавом Робертом Кирхгофом. Так как свет разлагается в спектр, т. е. в полосу расположенных по порядку длин волн, техника разложения была названа спектроскопией. С помощью спектроскопии можно получить сведения о химическом составе Солнца. Оказалось, что оно содержит те же химические элементы, что и Земля. По крайней мере спектральные характеристики различных хорошо известных химических элементов в точности воспроизводят отдельные области солнечного спектра. Изучение спектра звезд наглядно свидетельствует о том, что остальная Вселенная состоит из тех же элементов.

В 1868 году, когда некоторые спектральные характеристики солнечного света нельзя было воспроизвести никаким из известных элементов, английский астроном Джозеф Норман Локьер предположил существование нового элемента, еще не открытого на Земле. Он назвал его гелием, что по-русски означает «солнце». В конце концов в 1895 году этот солнечный элемент действительно был открыт на Земле. Итак, если предположить, что научное обобщение (в частности, законы сохранения) универсально для Вселенной, можно по-новому взглянуть на астрономию. До 1700 года астрономы ограничивались только наблюдением небесного свода, затем они вышли за пределы простого наблюдения. Они делали все больше и больше выводов о структуре небесных тел, об их прошлом и будущем, применяя к ним земные законы сохранения.

Например, Солнечная система состоит из тел, которые вращаются вокруг своих осей и движутся вокруг других тел. Так, Луна движется вокруг Земли, Ганимед — вокруг Юпитера, а Земля и Юпитер вращаются вокруг Солнца. Если Солнечную систему обозревать с точки, расположенной над Северным полюсом, окажется, что Земля вращается вокруг своей оси против часовой стрелки. Точно так же вращается Солнце и все планеты, за исключением Урана и Венеры. Более того, все планеты без исключения и все спутники с одним небольшим несущественным исключением вращаются вокруг Солнца или некоторых центральных планет против часовой стрелки. Следовательно, имеется громадный момент количества движения, только незначительная часть которого скомпенсирована противоположным моментом количества движения. Поэтому любая теория, пытающаяся объяснить возникновение Солнечной системы, должна объяснить существование этого момента количества движения. Он не мог возникнуть из ничего, он должен был образоваться в процессе формирования Солнечной системы, при котором компенсирующий противоположный момент был передан остальной части Вселенной.

Более того, если тела Солнечной системы рассматривать отдельно, окажется, что планеты, масса которых составляет меньше 0,2 % общей массы Солнечной системы, обладают 98 % полного момента количества движения. Солнце, имея массу больше 99,8 % общей массы Солнечной системы, обладает только 2 % момента количества движения. Любая теория, пытающаяся объяснить образование Солнечной системы, должна, следовательно, объяснить не только существование момента количества движения, но и его неравномерное распределение.

Удовлетворить требованиям сохранения момента количества движения при создании теорий образования солнечной системы оказалось нелегко. Однако без закона сохранения подходила бы почти любая теория образования Солнечной системы, и нельзя было отдать предпочтение ни одной из них. До сих пор еще не создана теория полностью и удовлетворительно объясняющая существование и распределение момента количества движения, хотя астрономы прилагают свои усилия в определенных направлениях. Добавим, что когда в конце концов возникнет теория, которая полно и логично объяснит существование и распределение момента количества движения будут все основания считать ее верной, так как невероятно, чтобы две радикально противоположные теории независимо удовлетворяли такому строгому условию, как закон сохранения момента количества движения.

Мы рассмотрим одну из иллюстраций могущества закона сохранения. В дальнейшем нам встретится целый ряд подобных примеров.

Энергия Солнца

Момент количества движения приводит в затруднение, когда мы пытаемся объяснить далекое прошлое Солнечной системы, но в настоящее время нет никаких доказательств, что момент количества движения Солнечной системы не сохраняется. Однако, когда открыли закон сохранения энергии, он опирался на еще более шаткий фундамент. На Земле справедливость закона была, в самом деле, очевидной, но Солнце являлось постоянным убедительным свидетельством против него.

Рассмотрим Солнце.

Самая очевидная характеристика этого тела — количество излучаемого света и тепла. Несмотря на то, что Солнце находится на расстоянии 150 000 000 км от Земли, оно освещает и согревает всю ее постоянно в течении всей истории. Один квадратный сантиметр поверхности Земли каждую минуту получает от полуденного Солнца 1,97 кал энергии в виде света и тепла. Эта величина, т. е. 1,97 кал/(см^2 мин), называется солнечной постоянной.

Площадь поперечного сечения Земли в плоскости, перпендикулярной идущей от Солнца радиации, равна приблизительно 1 280 000 000 000 000 000, или 1,2·10^18 см^2 [5]. Следовательно, полное излучение, попадающее каждую минуту на Землю, составляет приблизительно 2,51·10^18 кал. Но даже это число никоим образом не выражает всю радиацию Солнца. Солнце излучает энергию во всех направлениях, и только очень малая часть ее попадает на крошечную Землю. Вообразите огромную полую сферу с радиусом 150 000 000 км и с Солнцем в центре. Солнце освещало бы и нагревало каждую часть сферы, как Землю, а поверхность огромной сферы в два миллиарда раз превосходила бы поперечное сечение Земли. Это означает, что Солнце излучает в два миллиарда раз больше энергии, чем получает Земля. Полная энергия, излучаемая Солнцем равна 5,6·10^27 кал/мин. Сколько же энергии излучило Солнце за всю историю своего существования, если каждую минуту оно излучает в среднем 5,6·10^27 кал!

Тогда возникает критический вопрос: откуда берется вся эта энергия? Если закон сохранения энергии верен и для Солнца, невероятно огромные запасы энергии, извергаемые Солнцем в пространство, не могут возникать из ничего. Энергия только переходит из одной формы в другую, следовательно, солнечная радиация должна возникать за счет другой формы энергии. Но какой именно?

На первый взгляд кажется, что такой формой является химическая энергия. Горящий уголь, например, как и Солнце, выделяет свет и тепло, когда углерод угля и кислород воздуха, соединяясь, образуют двуокись углерода, Тогда, может быть, Солнце — огромный горящий кусок угля, и излучаемая им энергия получается за счет химической энергии?

Такое предположение легко опровергнуть. Химики знают совершенно точно, сколько энергии получается при сгорании данного количества угля. Предположим, что вся огромная масса Солнца (которая в 333 500 раз больше массы Земли) состоит из угля и кислорода и излучает каждую минуту 5,6·10^27 кал. Солнце тогда было бы действительно горящим углем, освещающим и обогревающим Солнечную систему. Какое время горел бы этот уголь, прежде чем на Солнце осталась только двуокись углерода? Ответ звучит довольно легкомысленно — в течение полутора тысяч лет!

Это очень маленький период времени. Он может охватить лишь часть истории цивилизованного человечества (о целых эрах до нее и говорить нечего). Так как Солнце сияло с такой же силой во времена расцвета Римской империи, с какой оно светит и сейчас, без дальнейших исследований мы утверждаем, что оно не может быть горящим углем, иначе к настоящему времени оно погасло бы. Действительно, пока неизвестна химическая реакция которая снабдила бы Солнце необходимой энергией даже на короткий период существования цивилизованного человечества.

Рассмотрим некоторые альтернативы химической энергии. Одной из них является кинетическая энергия.

На Земле проявление такой энергии случается каждый раз, когда в верхние слои атмосферы влетает метеорит. Его кинетическая энергия в результате сопротивления воздуха превращается в тепло. Даже крошечный метеорит размером с булавочную головку раскаляется до такой степени, что сияет на расстоянии в несколько километров. Метеорит, весящий 1 г и движущийся с обычной для метеоритов скоростью (скажем, 30 км/сек), имеет кинетическую энергию более чем 5·10^12 эрг, или около 120 000 кал. Такой же метеорит, падающий на Солнце, разгонялся бы гораздо большей гравитационной силой Солнца до гораздо большей скорости, чем на Земле, поэтому он передавал бы Солнцу значительно большую энергию. Подсчитано, что один грамм вещества, падающего на Солнце с большого расстояния, возместил бы 44 000 000 кал, потерянных Солнцем. Следовательно, если учесть всю энергию, излучаемую Солнцем, о для полной ее компенсации на него ежеминутно должно падать 1,2·10^20 г метеоритного вещества, т. е. более чем сто триллионов тонн вещества!

Расчет хорошо выглядел на бумаге, но астрономы отнеслись к этой ситуации с глубочайшим подозрением Во-первых, нет никаких доказательств, что Солнечная система настолько богата метеоритным материалом, чтобы каждую минуту снабжать Солнце сотней триллионов тонн вещества на протяжении многих исторических эр.

Во-вторых, если бы метеоритное вещество накапливалось на Солнце с такой скоростью, его масса увеличилась бы на один процент за 300 000 лет. Такое увеличение сильно повлияло бы на гравитационное притяжение Солнца, зависящее от его массы. Если бы даже масса Солнца возрастала столь медленно, Земля постепенно приближалась бы к нему и наш год все время укорачивался бы. Каждый год становился бы фактически на две секунды короче предыдущего, и астрономы немедленно зафиксировали бы этот факт. Но подобных изменений в длине года не наблюдали. Поэтому предположение о том, что метеориты служат источником солнечной радиации, отвергли.

К более приемлемой альтернативе пришел в 1853 году Гельмгольц — один из создателей закона сохранения энергии. Зачем рассматривать метеориты, падающие на Солнце, если может падать вещество самого Солнца? Поверхность Солнца отстоит от его центра на 696 000 км. предположим, что поверхность медленно опускается, причем кинетическая энергия этого падения может превратиться в излучение. Естественно, если бы с небольшого расстояния упал маленький кусочек солнечной поверхности, выделилось бы очень мало энергии. Однако если бы упала вся солнечная поверхность, т. е. если бы Солнце сжалось, энергия излучения была бы огромной. Гельмгольц показал, что скорость сжатия Солнца 0,014 см/мин достаточна для объяснения его радиации. Предположение было весьма заманчивым, ибо оно не требовало изменения солнечной массы и, следовательно, его гравитационного притяжения. Более того, изменение его диаметра в результате сжатия было бы небольшим.

За все шесть тысяч лет существования человеческой цивилизации диаметр Солнца уменьшился бы только на 900 км, т. е. весьма незначительно по сравнению с диаметром Солнца 1 400 000 км. За 250 лет, прошедшие со времени изобретения телескопа до работ Гельмгольца, диаметр Солнца сократился бы только на 37 км. Естественно, астрономы не заметили бы такого уменьшения.

Проблема солнечной радиации казалась решенной, если бы не одно серьезное упущение: Солнце излучало энергию не только в период существования человеческой цивилизации, но и в течение всего времени до того, как человек вообще появился на Земле. Во времена Гельмгольца никто точно не знал, как долго длился этот промежуток времени. Сам Гельмгольц чувствовал, что в исследуемом вопросе не все продумано до конца.

Если бы солнечное вещество падало внутрь с большого расстояния, скажем, с земной орбиты, выделялось бы достаточно энергии, чтобы Солнце излучало ее с той же скоростью, что и сейчас, в течение 18 000 000 лет. Однако это означало бы, что возраст Земли не больше 18 000 000 лет, ибо она вряд ли существовала в своем теперешнем виде, когда вещество Солнца простиралось до областей, через которые теперь движется Земля. Геологи, изучавшие медленные изменения земной коры, казалось, неопровержимо доказали, что Земля существует не десятки, а сотни миллионов лет, возможно, даже миллиарды лет, причем все это время Солнце сияло с той же силой, c какой оно светит сейчас. В 1859 году английским натуралистом Чарльзом Робертом Дарвином была создана «теория эволюции путем естественного отбора». Если эволюция действительно происходила, а, по мнению биологов, она должна была происходить, то Земля существует по крайней мере сотни миллионов лет, все это время так же, как сегодня!

Следовательно, в течение второй половины XIX века применение закона сохранения энергии по отношению к Солнцу казалось спорным. Была предложена правдоподобная теория, которую астрономы не прочь были бы принять, но против которой энергично возражали геологи и биологи. Таким образом, было три альтернативы:

1. Закон сохранения энергии выполняется не везде во Вселенной, в частности не выполняется на Солнце.

2. Закон сохранения выполняется на Солнце, а геологи и биологи каким-то образом неправильно интерпретируют факты, которые они собрали, и Земля существует всего несколько миллионов лет.

3. Закон сохранения справедлив и для Солнца, но существует еще неизвестный науке источник энергии, который позволяет Солнцу излучать энергию с постоянной интенсивностью в течение миллиардов лет. Таким образом, физическая теория примиряется с точкой зрения геологов и биологов [6].

В течение пятидесяти лет, после того как Гельмгольц предложил свою теорию, правильного пути для выбора одной из этих трех гипотез не было найдено. Вопрос был решен благодаря открытиям в области предельно малых, а не предельно больших тел. Они принадлежат к микромиру, к рассмотрению которого мы теперь переходим.

Глава 3. Строение атома

Радиоактивность

Блестящая серия физических открытий в последнее десятилетие XIX века поистине явилась началом научной революции. Прологом к ней послужило открытие, сделанное в 1896 году французским физиком Антуаном Анри Беккерелем, который обнаружил, что соединения, содержащие атомы тяжелого металла урана, постоянно испускают какие-то неизвестные прежде лучи. Излучение имело такую проникающую способность, что засвечивало фотопленку, закрытую черной бумагой или даже металлической фольгой. Стали говорить, что урановые соединения радиоактивны, а само явление было названо радиоактивностью.

В следующее десятилетие ученые обнаружили, что излучение урана бывает трех видов. Лучи были названы по первым трем буквам греческого алфавита: α-лучи, β-лучи и γ-лучи.

Оказалось, что α-лучи состоят из частиц, масса которых примерно в 60 раз меньше массы атомов урана, из которых они вылетают, и почти равна массе легкого атома газа гелия. Действительно, доказано, что α-частицы имеют очень близкое отношение к атомам гелия. β-Лучи тоже состоят из частиц, но гораздо менее тяжелых, чем атомы. Их масса составляет только 1/1837 массы атома самого легкого вещества — водорода. Было обнаружено, что β-частицы очень похожи на другие легкие частицы, которые обнаружили в электрическом токе, проходящем через вакуум. Последние из-за своего происхождения были названы электронами.

Следовательно, β-частицу можно рассматривать как электрон, вылетающий из радиоактивного атома. γ-Лучи не являются частицами в прямом смысле этого слова. Они представляют излучение, обладающее, подобно свету, волновыми свойствами, с той только разницей, что γ-лучи имеют гораздо более короткие длины волн, чем свет.

Однако такое описание γ-лучей не является полным. Волновая природа γ-излучения удовлетворяла физиков XIX века, но в начале XX века на световые волны смотрели уже с новой точки зрения.

В 1900 году немецкий физик Макс Планк после изучения закономерностей излучения нагретым телом световых волн различной длины обнаружил, что объяснить все явления радиации можно только в том случае, если энергия излучается маленькими порциями, которые он назвал квантами.

Тело может излучать один квант света или два, но оно никогда не излучает полтора или два и одну треть кванта. Энергия излучается не непрерывно, а дискретно, отдельными порциями, или квантами. Однако кванты так малы, что в обычных условиях их нельзя различить, и энергия кажется непрерывным потоком. Подобно этому, песчаный берег издали представляется сплошной широкой полосой и только на близком расстоянии в песке становятся заметными отдельные песчинки. Более глубокой аналогией является пример алюминиевого бруска, который даже под лучшим микроскопом кажется сплошным, но который, как мы теперь знаем, состоит из отдельных мельчайших атомов.

Но не все кванты так малы. Величина квантов излучения зависит от длины волны. Чем короче длина волны, тем больше кванты. Длина волны обычного света равна примерно 1/20 000 см. Эта очень маленькая величина достаточно велика, чтобы квант видимого света был очень малым. Длины волн γ-лучей почти в 5000 раз меньше длин волн видимого света, следовательно, кванты γ-лучей по крайней мере в 5000 раз больше квантов обычного света.

В некоторых случаях кванты ведут себя как частицы поэтому они были названы фотонами (от греческого phos (photos) — свет). Естественно, чем больше кванты, тем ярче выражены корпускулярные свойства излучения. Обычный свет, обладая малыми квантами, слабо проявляет корпускулярные свойства, поэтому в XIX веке его принимали за чисто волновое явление. γ-Лучи, обладая большими квантами, проявляют корпускулярные свойства, которые нельзя игнорировать. Поэтому фотон γ-лучей относят к частицам, образующим субатомный мир.

Атомное ядро

Открытие α- и β-частиц заставило физиков изменить свои основные представления об атомах. В течение всего XIX века они считали атомы самыми мелкими частицами вещества. Предполагалось, что каждый отдельный элемент состоит из определенных атомов, отличающихся друг от друга только массой.

Масса отдельного атома исключительно мала. Чтобы получить один грамм массы, надо взять около трех миллиардов триллионов самых тяжелых из известных атомов. Чтобы не иметь дело с такими маленькими числами, химики предпочли приравнять массу атома кислорода произвольному числу 16 и относительно него измерять массу всех других атомов, или атомный вес. Число 16 было выбрано так, чтобы ни один атом, даже самый легкий, не имел по «кислородной шкале» атомный вес меньше единицы [7]. По этой шкале атом водорода имеет атомный вес 1, атом гелия — 4, атом серы — 32, атом урана — 238 и т. д. [8].

Однако с открытием радиоактивности стало очевидным, что атом, каким бы ни были его свойства, не может быть просто очень маленьким бильярдным шариком, как его представляли химики XIX века. Он должен иметь структуру, должен состоять из еще меньших, субатомных частиц.

Масса β-частицы, как я уже говорил, в 1837 раз меньше массы самого легкого атома, тогда как весьма тяжелая а-частица гораздо меньше атома. Исчерпывающие эксперименты показали, что диаметр обычного атома порядка одной стомиллионной сантиметра. Диаметр α-частицы намного меньше. Потребовалось бы около 50 тысяч частиц, уложенных одна к одной, чтобы они могли заполнить диаметр атома.

Решительный шаг в понимании внутреннего строения атома сделал английский физик, уроженец Новой Зеландии, Эрнест Резерфорд. Он обстрелял тонкие металлические листки α-частицами и обнаружил, что они проходят через металл так, как будто на их пути ничего нет. Он сделал вывод, что атомы в основном «пусты». Но иногда α-частица как будто сталкивалась с чем-то твердым и отклонялась в сторону. К 1908 году Резерфорд пришел к заключению, что в состав каждого атома входит маленькое атомное ядро, расположенное в центре атома и занимающее не более одной триллионной его объема. Однако несмотря на ничтожно малые размеры, на атомное ядро приходится 99,95 % всей массы атома. Остальная часть атома занята электронами, имеющими такую малую массу, что для летящей α-частицы, масса которой более чем в 7000 раз превосходит массу одного электрона, она кажется пустой [9].

Все электроны, насколько нам известно, одинаковы. Тем или иным путем электроны можно выбить из атома. Каждый атом любого элемента содержит одно определенное число электронов.

При химических реакциях происходит передача одного или нескольких электронов от одного атома к другому. То, что обычно называют химической энергией, лучше было бы назвать «электронной энергией». Отдельный атом может иметь на один или несколько электронов больше или меньше, чем ему положено. В некоторых случаях атом вовсе не имеет электронов, так что остается только голое ядро. Например, атом гелия обычно имеет два электрона. Если оба электрона удалить, останется голое ядро гелия будет идентично α-частице.

Несмотря на то что атомное ядро гораздо меньше атома, за исключением одного случая (атом водорода) оно не является бесструктурным. Все атомные ядра состоят из двух или более субатомных частиц, или нуклонов. Известно два типа таких частиц. Рассмотрим сначала эти две разновидности вместе, без различий.

Масса каждой из разновидностей нуклонов в атомных единицах немногим больше единицы. Примем массовое число нуклона равным единице, тогда масса данного атомного ядра в атомных единицах с несущественной на данном этапе погрешностью будет равна числу содержащихся в нем нуклонов. Более того, массу ядра можно принять равной массе атома, которому оно принадлежит. Поскольку масса электрона равна 0,00054 массы нуклона, его вклад в массу атома пренебрежимо мал.

Ядра атомов некоторых элементов обладают характерным числом нуклонов. Например, все имеющиеся в природе атомы алюминия содержат в своих ядрах 27 нуклонов, следовательно, они имеют массовое число 27. Такие атомы принято обозначать «алюминий-27». Однако было обнаружено, что атомы большинства элементов отличаются числом нуклонов. Большинство ядер атомов водорода содержат один нуклон, но всегда есть очень небольшое число атомов с ядрами из двух нуклонов. Следовательно, существуют водород-1 и водород-2. Аналогично в природе существуют гелий-3 и гелий-4 (α-частица есть голое ядро атома гелия-4), уран-235 и уран-238. Атомы олова встречаются в десяти различных видах: олово-112, -114, -115, -116, -117, -118, -119, -120, -122, и -124. Правда, такое множество разновидностей одного элемента является совершенно исключительным. Разновидности одного и того же элемента обычно называют изотопами. Водород, гелий и уран имеют по два изотопа каждый, олово — десять, алюминий — только один. Обычно химики обозначают элементы их химическими символами, состоящими, как правило, из одной или двух начальных букв названия элемента. Так, водород обозначается Н, гелий — Не, уран — U, алюминий — Аl. Олово — один из немногих элементов, известных еще в древности, сохранило свое латинское название stannum, от которого происходит его химический символ Sn. Массовое число каждого изотопа пишется справа вверху химического символа. Так, водород-1 и водород-2 обычно записываются как Н^1 и Н^2. Аналогично можно записать He^3 и Не^4, U^235 и U^238, Al^27, Sn^112, Sn^114 и все остальные.

Ядерная энергия

Представление об атоме, возникшее в начале XIX столетия, позволило по-новому ответить на вопрос об источнике солнечной энергии. Почти тотчас же внимание физиков было направлено на третью альтернативу, упомянутую ранее. Атомы элемента урана (а также другого тяжелого металла — тория) постоянно излучают α-частицы с колоссальной скоростью — в среднем около 20 000 км/сек. Следовательно, α-частица имеет кинетическую энергию примерно 1,3·10-5 эрг. Поскольку 1 эрг— маленькая величина, возникает искушение пренебречь ее миллионными долями. Однако для энергии, излучаемой одним атомом, величина эта огромна. Чтобы лучше понять сказанное, введем новую единицу энергии, значительно меньшую, чем эрг.

При исследованиях атомных частиц физики обычно разгоняют их до огромных скоростей, подвергая такие частицы действию электрического поля. Сила электрического поля, заставляющая атомную частицу двигаться быстрее и, следовательно, увеличивающая ее кинетическую энергию, измеряется в вольтах. (Эта единица названа по имени итальянского физика Алессандро Вольты, впервые сконструировавшего в 1800 году электрическую батарею.)

Электрон, находясь под действием электрического потенциала в один вольт, получает определенное количество энергии. Такая величина энергии называется электронвольтом и сокращенно обозначается эв. Тысяча электронвольт обозначается кэв, миллион электронвольт — Мэв, миллиард — Бэв (иногда миллиард электронвольт называют гигаэлектронвольтом и обозначают Гэв):

Один злектронвольт равен 1,602·10-12 эрг. Эта величина немногим больше одной триллионной эрга и удобна для выражения изменения энергии атомов и субатомных частиц [10].

Предположим, например, что углерод соединяется с кислородом и образует двуокись углерода. Каждый грамм углерода, соединяясь таким образом, выделяет 7807 кал. Один атом углерода, соединяясь с двумя атомами кислорода при образовании молекулы двуокиси углерода, освобождает немногим более 4 эв.

Это типичная величина энергии, освобождаемая одним атомом в процессе химических реакций. Сравним ее с величиной энергии α-частицы, вылетающей из атома урана. Крошечная величина в 1,3·10-5 эрг, выраженная в электронвольтах, огромна — 8 Мэв. Один атом, испускающий при радиоактивном распаде субатомную частицу, выделяет в два миллиона раз больше энергии, чем такой же атом во время обычной химической реакции. Почему?

Ha этот вопрос можно дать разумный ответ на основе модели строения атома, созданной в XIX веке. Обычные химические реакции связаны с изменением расположения электронов в атоме, а при изменении положения этих легких частиц затрачивается энергия в несколько электронвольт. С другой стороны, радиоактивные превращения, такие, как излучение α-частиц, происходят в результате изменения расположения нуклонов в ядрах. Нуклоны гораздо тяжелее электронов и находятся в невообразимой тесноте. Энергии, удерживающие их, в миллионы раз больше тех, которые удерживают электроны. Когда при перераспределении нуклонов выделяется энергия, она излучается соответственно большими порциями. В этом случае в отличие от обычных химических реакций говорят о ядерных реакциях и в отличие от обычной химической энергии — о ядерной энергии. Радиоактивность— одно из первых обнаруженных проявлений ядерной энергии.

Тогда, может быть, именно ядерная энергия, о которой не имели понятия во времена Гельмгольца, служит постоянным неисчерпаемым источником солнечной радиации? Спектроскопия достаточно убедительно доказала, что в действительности Солнце состоит в основном из водорода. Что из этого следует?

За короткое время физики подробно изучили ядерные реакции, протекающие на Солнце: насколько они вероятны, какая энергия излучается и т. д. Уже в 1938 году немецкий физик Ганс Альбрехт Бете, работавший в США, вывел цепочку ядерных реакций, которые могут протекать в условиях, существующих внутри Солнца. В результате таких реакций четыре атома водорода превращаются в один атом гелия, при этом выделяется энергия, примерно равная 27,6 Мэв. Если подобные реакции действительно происходят на Солнце, как долго излучало бы оно энергию, если с самого начала состояло только из водорода, который превращался в гелий в количествах, достаточных, чтобы энергия излучалась с необходимой скоростью? Оказывается, около сотни миллиардов лет. Следовательно, ядерная энергия полностью решает вопрос об энергетическом балансе Солнца. Солнцу незачем сжиматься. А геологам и биологам не стоит больше сомневаться относительно возраста Земли.

В настоящее время по максимальным оценкам возраст Земли равен пяти миллиардам лет. Но Солнце излучало энергию с теперешней интенсивностью все это время без заметного изменения своего внешнего вида и без существенных изменений запасов водородного топлива. Фактически так может продолжаться еще десятки миллиардов лет.

Чтобы поставить на этом точку, добавлю, что человечество вскоре научилось само получать ядерную энергию и в конце концов создало водородную бомбу, в которой используются ядерные реакции, аналогичные тем, которые происходят на Солнце.

Глава 4. Связь массы и энергии

Несохранение массы

Новое представление о строении атома укрепило уверенность физиков в том, что законы сохранения применимы не только к окружающему нас повседневному миру, но и к тому огромному миру, который изучают астрономы. Но справедливы ли законы сохранения в невообразимо малом мире атома? Применимы ли одни и те же основные обобщения и к мельчайшим частицам вещества и к очень большим телам?

Кажется, да. Например, быструю α-частицу можно сделать в некотором смысле видимой, если пропустить ее через камеру Вильсона, — камеру с пересыщенным водяными парами газом. Пересыщенный газ содержит больше водяных паров, чем при обычных условиях. Этот пар стремится выделиться в виде капель жидкости. Такие капельки наиболее легко образуются около мелких твердых частиц, которые притягивают молекулы воды или которые имеют такую форму, что молекулы воды легко садятся на них. Это — центры конденсации. Обычно воздух содержит пылинки, крупинки соли морской воды и другие материальные частицы, которые могут служить подобными центрами. Если таких центров конденсации нет пар не будет конденсироваться до тех пор, пока пересыщение не станет очень сильным или температура необычайно низкой.

Газ в камере Вильсона специально очищается от всех пылинок чтобы водяные пары не выделялись в виде капелек. α-Частица, пролетая через камеру, сталкивается на своем пути с молекулами газа и выбивает электроны из атомов этих молекул. Такие атомы, в которых теперь недостает электронов, называются ионами. Ионы в отличие от обычных атомов могут служить центрами конденсации водяных капель. Таким образом, путь пролетающей α-частицы становится видимым благодаря следу из водяных капелек, образующихся вокруг создаваемых ею ионов.

Пролетая через камеру, α-частица сталкивается с ядром какого-нибудь атома. В этом случае α-частица отскакивает в одну сторону, а ядро — в другую сторону. Движущееся атомное ядро само создает ионы и, следовательно, оставляет за собой капельки воды. Физики знают массу α-частицы и ядра, с которым она сталкивается. По кривизне траектории в магнитном поле они определяют скорость мельчайших частиц до и после соударения, а следовательно, их импульс. По-видимому, во всех бесчисленных зарегистрированных случаях столкновений α-частиц и ядер (так же как в других аналогичных субатомных процессах) импульс сохраняется.

Кроме того, ядра вращаются, т. е. имеют момент количества движения, или, как его чаще называют, спин.

Он тоже сохраняется при всех ядерных столкновениях и реакциях.

Отрадно было обнаружить, что широкий круг обобщений, полученных при обычных условиях, справедлив для радикально новых условий. А как обстоит дело с сохранением массы?

Рассмотрим, например, излучение α-частицы атома урана. Наиболее распространенная разновидность атома урана U^238 состоит из 238 нуклонов и, следовательно, имеет массовое число 238. а-Частица является ядром Не^4 и имеет массовое число 4. Когда атом U^238 излучает а-частицу, из него вылетают 4 нуклона, и он перестает быть U^238. Он становится изотопом тория, содержащим 234 нуклона Th^234.

Запишем реакцию в виде уравнения:

U^238 → Th^234+Не^4

Менее распространенный изотоп урана U^235, излучая α-частицу, превращается в Th^231. И, наконец, изотоп тория Th^232 (единственный изотоп этого элемента, встречающийся в природе в достаточных количествах) испускает α-частицу, становясь изотопом радия (Ra^228), т. е.

U^235→ Th^231+He^4;

Th^232→ Ra^228 + He^4.

Во всех трех случаях сумма массовых чисел двух образующихся частиц равна массовому числу исходной частицы. Запишем в виде уравнения реакцию, являющуюся источником солнечной энергии:

4Н^1 → Не^4.

Массовое число атома водорода-1 равно единице, а массовое число четырех таких атомов равно 4, т. е. массовому числу изотопа гелия.

При таком рассуждении кажется, что масса сохраняется при всех радиоактивных превращениях и вообще во всех ядерных реакциях, происходящих с обычными атомами. Но это неверно.

Масса нуклонов не равна точно единице. Если мы хотим проверить, сохраняется ли масса, следует использовать самые точные значения, которые удалось получить физикам. Например, масса ядра водорода-1, согласно наиболее точным измерениям, равна 1,00797. Значит, масса четырех ядер водорода равна 4,03188, а масса одного ядра гелия-4 — 4,00280. Когда четыре ядра водорода превращаются в одно ядро гелия, масса изменяется от 4,03188 до 4,00280, следовательно, масса 0,02908 исчезает.

Величина этой исчезнувшей массы, равной примерно 1/34 массы нуклона, кажется малой, но она слишком велика, чтобы ею можно было пренебречь. Если закон сохранения массы справедлив, он не должен зависеть от точности измерений.

При тщательном исследовании ядерных реакций всегда обнаруживали небольшое расхождение между массами атомов в начале и в конце реакции. Следовательно, закон сохранения массы, установленный Лавуазье двести лет назад, не всегда выполняется, по крайней мере в атомном мире. Иными словами, обобщение оказалось не совсем законным.

Теория относительности

С изобретением прибора, названного масс-спектрографом появилась возможность измерить массу отдельных атомных ядер с такой точностью, чтобы обнаружить несостоятельность закона сохранения массы. Прибор был сконструирован английским физиком Фрэнсисом Уильямом Астоном в 1919 году и через несколько лет получил всеобщее признание. Однако к этому времени ошибочность обобщения Лавуазье, так долго служившего основой химии, не была еще полностью доказана. Правда, она была предсказана еще в 1905 году физиком Альбертом Эйнштейном (уроженцем Германии, в то время работавшим в Швейцарии) на основе убедительных теоретических соображений.

Теория Эйнштейна, названная специальной теорией относительности, возникла как следствие неспособности физиков измерить изменения скорости света при условиях, когда законы движения Ньютона предсказывали, что такие изменения должны быть. Поэтому Эйнштейн попытался создать систему обобщений, в которой скорость света оставалась бы неизменной.

Предположения Эйнштейна в корне отличались от ньютоновских, но в обычных условиях обе теории приводили к одинаковым выводам. (Это необходимо, так как Вселенная остается Вселенной, и ее свойства не меняются в зависимости от теории.) Разница между эйнштейновским и ньютоновским взглядами на Вселенную становилась заметной только при исключительно больших скоростях, близких к скорости света.

Эти исключительные условия были изучены, и в каждом случае обнаружено большее соответствие теории Эйнштейна. Специальная теория относительности Эйнштейна теперь окончательно принята физиками, и в течение полувековых исследований ничто еще не потрясло ее основы [11].

Основное положение теории Эйнштейна состоит в том, что ни одна из измеренных скоростей не может быть больше скорости света в вакууме. Максимальная измеренная скорость равна 299 792,5 км/сек, или приблизительно 3·10^10 см/сек. Кроме того, теория рассматривает массу и энергию как разные формы одной и той же сущности. Масса ведет себя как чрезвычайно компактная форма энергии, а энергия является распределенной формой массы. Эйнштейн вывел соотношение между этими двумя формами, которое выражается ставшим теперь знаменитым уравнением

е = тс^2,

где е обозначает энергию, т — массу, а с от латинского слова celeritas, означающего «скорость», — скорость света в вакууме.

Если в этом уравнении массу выразить в граммах, скорость света — в сантиметрах в секунду, то энергия получится в эргах. Поскольку скорость света очень велика, а квадрат ее еще больше, крошечной массе соответствует громадная энергия. Так, массе в 1 г соответствует энергия, равная 9 10^20 г·см^2/сек^2, или 9·10^20 эрг. Эквивалентом этого количества энергии является энергия 100-ваттной лампочки накаливания, горящей в течение тридцати пяти тысяч лет.

Из эквивалентности массы и энергии по теории Эйнштейна следует, что если система теряет энергию, то она теряет эквивалентную этой энергии массу, и наоборот.

Понятно, почему при обычных химических реакциях кажется, что масса сохраняется, — изменения энергии такого порядка, что вызывают неизмеримо малые изменения массы. Рассмотрим, например, сгорание бензина, химическую реакцию, при которой выделяется довольно большое количество энергии. Литр бензина весит 700 г и выделяет, сгорая, 8 000 000 кал, или 3,4·10^14 эрг, которые эквивалентны всего лишь 4·10-7г.

Заметить исчезновение четырех десятимиллионных грамма из общей массы порядка тысячи граммов было за пределами возможностей химии XIX века. Поэтому даже наиболее точные измерения не обнаружили противоречия в законе сохранения массы. Закон сохранения массы используется до сих пор при рассмотрении химических реакций.

Закон сохранения массы и энергии

В ядерных реакциях изменения энергии столь значительны, что эквивалентностью массы и энергии уже нельзя пренебречь. Если следить за изменением одной только массы, кажется, что закон сохранения нарушается.

Чтобы убедиться в этом, рассмотрим соотношение между массой и энергией в единицах атомной шкалы масс. Тогда в уравнение е = тс^2 будет входить не 1 г масссы, а масса 1 по атомной весовой шкале, приблизительно равная весу ядра атома водорода-1, самого легкого из известных атомных ядер. В действительности масса 1 по атомной шкале равна 1,67·10-24 г.

Несмотря на громадную величину с^2, энергия, которой эквивалентна такая ничтожная масса, составляет только 0,0015 эрг.

В обычных повседневных масштабах 0,0015 эрг действительно величина небольшая, но по атомной шкале она равна примерно одному миллиарду электронвольт — это уже внушительная цифра. По данным последних измерений, масса 1 по шкале атомных весов эквивалентна 0,931478 Гэв или 931,478 Мэв.

Если положить массу ядра водорода равной 1,00797, она будет эквивалентна энергии 0,938 905 Бэв, а масса четырех таких ядер водорода эквивалентна энергии 3,75562 Гэв. С другой стороны, масса ядра гелия, равная 4,00280 по шкале атомных весов, эквивалентна энергии 3,72803 Гэв. Когда четыре ядра водорода превращаются в одно ядро гелия, потеря массы, следовательно, составляет 0,02759 Гэв или 27,59 Мэв. Измеренная величина выделяющейся при этой реакции энергии оказалась очень близка к теоретической. Исследования показали, что во всех ядерных реакциях такого типа выделенная энергия соответствует исчезнувшей массе согласно уравнению Эйнштейна. В результате стало привычным говорить не о законе сохранения только массы или только энергии, а о законе сохранения массы и энергии. Однако можно говорить просто о законе сохранения энергии, имея в виду, что масса есть форма энергии. Именно так я буду поступать в дальнейшем.

Вернемся теперь к источнику солнечной энергии. Если действительно она возникает за счет превращения ядер водорода в гелий, колоссальная энергия, которая при этом образуется и излучается в окружающее пространство, должна быть сбалансирована эквивалентным исчезновением массы.

Суммарная энергия излучения Солнца, как я уже говорил, равна 5,6·10^27 кал/мин, что эквивалентно 3,8·10^33эрг/сек. Поделив на с^2, получим, что излучение этой

энергии эквивалентно потере 4,2·10^12 г в 1 сек, или 276 000 000 т в 1 мин.

По метеоритной теории солнечного излучения, каждую минуту на Солнце попадает 1,2·10^20 г метеоритного вещества. Такая постоянная добавка к солнечной массе уменьшает продолжительность каждого года на две секунды. Потеря массы при превращении водорода в гелий составляет примерно одну тридцатимиллионную прироста массы, требующегося по метеоритной теории. В результате потери солнечной массы за счет ядерных реакций год увеличился бы только на одну секунду за пятнадцать миллионов лет. Изменение длины года трудно обнаружить, и оно не имеет для нас практического значения.

Фотоны

Теперь сделаем наоборот. Рассмотрев массу как проявление энергии, рассмотрим энергию как проявление массы. Фотон, например, обладает определенной величиной энергии, а она должна быть в свою очередь эквивалентна определенной величине массы.

Рис. 3. Спектр электромагнитных волн.

Согласно квантовой теории Планка, энергию фотона легко определить по длине световой волны. Чтобы выразить эту энергию в электронвольтах, надо величину 1,24·10-4, полученную в результате цепочки математических доказательств, приводить которые нет необходимости, разделить на длину волны света в сантиметрах. Величина самых длинных волн видимого света (темно-красного по цвету) равна грубо 7·10-5 см, а самых коротких (темно-фиолетового) 3,5·10-5 см. Следовательно, фотон самых длинных волн видимого света имеет энергию 1,8 эв, а самых коротких — 3,6 эв, т. е. с уменьшением длины волны пропорционально увеличивается энергия соответствующего фотона. В результате химических реакций освобождается около 4 эв энергии на каждый атом, поэтому не удивительно, что фотоны, возникающие при этом, часто находятся в диапазоне энергий видимого света.

Фотоны инфракрасного излучения обладают меньшими энергиями. Они невидимы, но мы можем ощущать их как тепло, поглощаемое кожей. Энергии фотонов ультракоротких и радиоволн еще меньше.

Обладающие большими энергиями фотоны ультрафиолетового излучения, испускаемого при некоторых химических реакциях, тоже невидимы, но их можно легко обнаружить по воздействию на фотопластинку. Длины волн ультрафиолетового света так малы, что энергия фотонов достигает 1000 эв. За областью самого коротковолнового ультрафиолетового света лежит область еще более коротких рентгеновских лучей, энергия фотонов которых находится в диапазоне от 1 до 100 кэв. И, наконец, энергии фотонов γ-лучей лежат в области миллионов электронвольт. Не удивительно поэтому, что ядерные реакции, освобождающие энергию в миллионы электронвольт, приводят в результате к образованию γ-квантов.

Какой массе эквивалентны фотоны? Для сравнения больше всего подходит масса электрона, равная 1/1836,11 массы ядра водорода и эквивалентная 0,51 Мэв, так как энергия, эквивалентная массе протона, значительно больше энергии даже самых коротковолновых фотонов γ-излучения. Энергия фотона видимого света в среднем равна 2,5 эв, следовательно, эквивалентная ей масса представляет собой лишь 1/200 000 массы электрона, т. е. без большой погрешности можно считать, что фотоны видимого света не имеют массы.

Эквивалентная масса фотонов возрастает по мере уменьшения длины волны излучения. γ-Излучение с длиной волны 2,4·10-10 см состоит из фотонов, масса которых равна массе электрона. Следовательно, корпускулярные свойства фотонов γ-излучения легко обнаружить прибором, используемым при изучении электронов.

Это было проделано в 1923 году американским физиком Артуром Холли Комптоном. Он обнаружил, что фотон рентгеновских лучей с эквивалентной массой, гораздо меньшей, чем у электрона, сталкиваясь с электроном, отскакивает от него рикошетом. Электрон получает энергию. а фотон теряет ее, как и в случае столкновения двух электронов. Более того, фотон ведет себя как частица, обладающая импульсом. При взаимодействии его с электроном выполняется закон сохранения импульса.

Так, еще раз была подтверждена корпускулярная природа света, обладающего и волновыми свойствами. Именно Комптон предложил назвать квант света «фотоном», используя суффикс «он», ставший отличительным признаком для названий субатомных частиц, после того, как двадцатью пятью годами раньше был открыт электрон.

Корпускулярные свойства фотонов γ-излучения выражены сильнее, чем фотонов рентгеновских лучей. Когда γ-кванты излучаются в процессе ядерной реакции, необходимо учитывать их импульс. Более того, фотон обладает спином, и следовательно, моментом количества движения. Поэтому, применяя законы сохранения импульса и момента количества движения к ядерным реакциям, надо учитывать импульс и момент количества движения фотона.

Хотя фотон γ-излучения и электрон эквивалентны по массе, между ними есть разница, так как эквивалентность не означает идентичность.

Рассмотрим, например, массу электрона, который может двигаться относительно наблюдателя с любой скоростью от 0 до 3·10^10 см/сек. Масса электрона или любого материального тела при этом меняется со скоростью от минимального значения, когда тело покоится, до бесконечно большого, когда его скорость максимальна [12].

Масса тела, покоящегося относительно наблюдателя, называется массой покоя, и именно ее обычно имеют в виду, когда говорят просто «масса». Когда, например, говорят, что масса электрона равна 9,1091·10-28 г, всем понятно, что это масса покоя. Электроны часто сталкиваются, двигаясь со скоростями, равными или большими, чем 0,99 скорости света в вакууме, причем их массы в семь или более раз превышают массу покоя.

В вакууме фотон всегда летит со скоростью света относительно любого наблюдателя [13]. Это исходное положение специальной теории относительности Эйнштейна. Так как фотон никогда не покоится относительно какого-либо наблюдателя, нельзя измерить его массу покоя непосредственно.

Физикам удобно считать массу покоя фотона равной нулю, т. е. частицей без массы, хотя ему и приписывают эквивалентную массу.

Однако фотон — не единственная частица без массы. Нам встретятся еще частицы без массы, не являющиеся фотонами. Пока сделаем обобщение, что все частицы без массы, будь то фотоны или другие частицы, с момента их рождения и до момента поглощения летят со скоростью света.

Глава 5. Электрический заряд

Сохранение электрического заряда

В атомном мире существуют, насколько нам известно, три важных закона сохранения, которые выполняются как в повседневной жизни, так и в огромной окружающей нас Вселенной.

К ним относятся законы сохранения импульса, сохранения момента количества движения и сохранения энергии.

Все три закона устанавливают соотношения между массой и скоростью — хорошо знакомыми нам величинами. Но атом и образующие его частицы, оказывается, подчиняются еще и четвертому закону сохранения, касающемуся совершенно незнакомого нам явления. Уже в 600 году до новой эры, благодаря исследованиям греческого философа Фалеса Милетского, было известно, что натертая ископаемая смола — янтарь — обладает свойством притягивать легкие предметы. Теперь принято говорить, что натертый янтарь получает электрический заряд или «электризуется». Слово «электричество» произошло от греческого elektron — янтарь.

В 1773 году французский физик Шарль Франсуа Дюфе продемонстрировал существование двух разных видов электрического заряда, один из которых был обнаружен на натертом янтаре, а другой — на натертом стекле. Разница между двумя этими электрическими зарядами видна из следующего опыта.

Подвесим два маленьких кусочка пробки рядом на шелковых ниточках. К каждому из них прикоснемся куском электрически заряженного янтаря, при этом некоторая часть электрического заряда стечет в каждый из кусочков пробки. Шелковые нити, к которым они подвешены, больше не висят вертикально, а отклоняются под углом. Теперь пробки находятся друг от друга дальше, чем они были до получения заряда. То же самое случится, если обоих кусочков пробки коснуться электрически заряженными кусочками стекла.

Если, однако, одного куска пробки коснуться заряженным янтарем, а другого стеклом, оба кусочка притянутся друг к другу. В этом и заключалась разница, которая привела Дюфе к предположению о существовании двух видов электрического заряда. Возникло обобщение: одноименные электрические заряды отталкиваются, разноименные — притягиваются.

В сороковых годах XVIII века американец Бенджамин Франклин, человек широкого кругозора, начал эксперименты с электричеством. Он заметил, что если тела, несущего один вид заряда, коснуться телом, несущим равный по величине заряд другого знака, заряды нейтрализуют друг друга, и оба тела становятся электрически незаряженными. Как будто электрическая жидкость перелилась оттуда, где она была в избытке, туда, где ее не хватало. В результате в обоих местах установился какой-то средний уровень.

Франклин считал, что тело, содержащее электрическую жидкость в избытке, несет положительный электрический заряд, а тело, испытывающее ее недостаток, несет отрицательный электрический заряд. Он не мог сказать, какое тело содержит избыток, а какое недостаток, поэтому он произвольно принял заряд ненатертого стекла за положительный, а натертого янтаря — за отрицательный. Этих обозначений с того времени и придерживаются.

Последующие поколения физиков, изучавших поведение электрически заряженных тел, пришли к выводу, что суммарный электрический заряд замкнутой системы постоянен.

Действительно, когда натирают янтарь, электрический заряд не возникает из ничего. Если янтарь натирают рукой, отрицательный электрический заряд, полученный янтарем компенсируется точно таким же положительным зарядом, который получает рука. Сумма этих двух зарядов равна нулю. Когда электрический заряд с руки уходит в землю и растекается по всей земной поверхности, кажется, что он исчезает. Создается иллюзия «возникновения» заряда на янтаре. Мы рассмотрели уже аналогичные случаи с положительными и отрицательными импульсами или с моментами количества движения по и против часовой стрелки. Следовательно, можно сформулировать четвертый закон сохранения: сохранение электрического заряда.

Ядерные реакции и электрический заряд

Когда в 90-х годах прошлого века физики стали яснее представлять себе структуру атома, они обнаружили, что, по крайней мере, некоторые его части несут электрический заряд. Например, электроны, заполняющие внешние области атома, заряжены отрицательно, а ядро в центре атома несет положительный электрический заряд. Конечно, сразу же возник вопрос о величине этих зарядов, прежде чем ответить, рассмотрим некоторые единицы заряда.

Общепринятой единицей электрического заряда является кулон (по имени французского физика Шарля Огюстена Кулона, определившего в 1785 году величину электрического заряда по измеренной силе притяжения и отталкивания его другими зарядами). В 60-ваттной лампочке каждые две секунды через любую точку нити накала проходит электрический заряд в один кулон. Гораздо меньше электростатическая единица заряда. Кулон равен 3·10^9 электростатических единиц.

Но даже электростатическая единица чрезвычайно велика для измерения заряда одного электрона. Впервые с достаточной точностью заряд электрона измерил в 1911 году американский физик Роберт Эндрюс Милликен. Он оказался равным примерно половине миллиардной доли электростатической единицы. Согласно последним измерениям, заряд электрона составляет 4,80298·10-10 электростатических единиц. Чтобы не пользоваться такой неудобной дробью, приняли электрический заряд электрона равным —1, где знак минус означает отрицательный заряд. Любой электрон, участвует ли он в электрическом токе или принадлежит атому какого-либо элемента, имеет заряд, точно равный -1, независимо от точности наших самых чувствительных инструментов.

Простейшее атомное ядро, т. е. ядро атома водорода имеет электрический заряд +1. Насколько позволяют судить наиболее чувствительные приборы, положительный заряд ядра водорода точно равен отрицательному заряду электрона (хотя, конечно, противоположен по знаку). Более тяжелые атомные ядра имеют большие положительные заряды, которые обязательно выражаются целым числом. До сих пор, по крайней мере, не обнаружили какого-либо дробного заряда, положительного или отрицательного.

Атомы каждого элемента имеют характерный ядерный заряд, отличный от заряда атомов других элементов. Например, все атомы водорода имеют ядерный заряд +1, все атомы гелия +2, все атомы углерода +6, все атомы урана +92. Этот ядерный заряд называется атомным номером.

Изотопы отличаются друг от друга массовым числами, но тем не менее они идентичны по атомному номеру и являются атомами одного и того же элемента. Существуют как атомы с ядерным зарядом +1 и массовым числом 1, так и атомы с ядерным зарядом +1 и массовым числом 2. Оба типа относятся к атомам водорода. Их называют водород-1 или водород-2, или 1Н^1и 1H^2, где индекс вверху справа — массовое число, индекс внизу слева— атомный номер. Таким же образом два изотопа урана записывают 92U^238 и_92U^235.

Поскольку речь дальше будет идти о сохранении электрического заряда, я буду подчеркивать его количество, обозначая любой изотоп атома урана как U+92.

Оба изотопа урана радиоактивны. Каждый распадается, излучая α-частицу и превращаясь в атом тория. Атомный номер тория 90, а α-частица, являющаяся ядром атома гелия, имеет атомный номер 2. Тогда можно записать:

U+92→ Th+90 + He+2.

Начальное атомное ядро имело заряд +92, а два конечных ядра +90 и +2, т. е. в общей сложности +92. Это частный случай общего правила. Атом с атом номером х, излучив α-частицу, всегда превращается в другой атом с атомным номером х—2. Исключений никогда не наблюдали. Следовательно, в случае излучения α-частицы закон сохранения электрического заряда выполняется.

Применим ли закон сохранения электрического заряда к излучению атомным ядром β-частицы? Эта частица представляет собой электрон, который обозначается e-1, так как электрон имеет заряд -1.

Рассмотрим далее поведение изотопов тория, образовавшихся при распаде урана. Они не очень распространены в природе, поскольку, в свою очередь, быстро распадаются. При этом излучается β-частица и образуется изотоп элемента протактиния, который имеет атомный номер 91 и обозначается символом Ра. Сосредоточив внимание на электрическом заряде, можно записать

Th+90 → Pa+91 + e-1.

Снова наблюдаем сохранение электрических зарядов.

Атом с атомным числом х, излучив β-частицу, всегда превращается в другой атом с атомным числом х+1. Исключений из этого правила также не наблюдали. Значит, закон сохранения электрического заряда справедлив и для излучения β-частицы.

Атом, излучающий γ-лучи, не меняет в процессе излучения атомного номера, так как фотон γ-лучей не несет заряда.

Короче говоря, оказалось, что закон сохранения электрического заряда выполняется при любой ядерной реакции.

Строение ядра

Хотя вопрос об излучении β-частицы казался окончательно выясненным, поскольку закон сохранения электрического заряда выполнялся, физики продолжали свои исследования. Для них оставалось загадкой, как положительно заряженное ядро способно испускать отрицательно заряженную частицу.

Тот простой факт, что атомное ядро испускает α- и β-частицы, сам по себе свидетельствует о том, что ядро состоит из еще более мелких частей и, по крайней мере, одна из них должна нести положительный электрический заряд.

Почти десять лет после открытия электрона физики подстерегали некую положительно заряженную частицу, аналогичную отрицательно заряженному электрону. Но поиски не увенчались успехом. Самая маленькая положительно заряженная частица, которую удалось обнаружить, оказалась ядром водорода-1, и ее обозначили 1H^1. Электрический заряд ее был минимальным, т. е. в точности равнялся заряду электрона, но имел противоположный знак. Однако масса этой частицы была в 1836,11 раз больше массы электрона.

К 1914 году Резерфорд убедился, что ядро водорода является самой легкой положительно заряженной частицей, присутствующей во всех атомных ядрах. Но почему она гораздо тяжелее отрицательно заряженного электрона (хотя обе частицы имеют одинаковые заряды противоположного знака), — он не мог объяснить. И никто не смог, ни тогда, ни теперь. Это остается одной из нерешенных проблем ядерной физики по сей день.

В 1920 году Резерфорд предложил назвать эту положительно заряженную частицу протоном от греческого слова protos — первый, так как из-за своей большой массы он казался первой, т. е. самой важной, среди субатомных частиц. Масса протона по атомной шкале равна 1,00797, и в большинстве случаев без большой погрешности ее принимают за единицу.

Ядро водорода-1 состоит из одного протона. Казалось, все другие ядра должны содержать два или более протонов, но вскоре выяснилось, что атомные ядра (не водорода-1, а другие) не могут состоять только из протонов. Протон имеет электрический заряд +1 и массовое число, примерно равное единице, и если бы ядра состояли только из протонов, их атомный номер должен был равняться атомному числу. Но это верно только для водорода-1. Массовые числа других ядер больше их атомных номеров.

Рассмотрим, например, ядро азота с массовым числом 14. Если бы оно состояло только из протона, его электрический заряд был бы равен +14 и, следовательно, атомный номер был бы тоже 14. В действительности же электрический заряд ядра азота +7 и ядро можно обозначить как 7N^14. Что же происходит с остальными семью единицами заряда?

Сначала физики думали, что ответ заключается в наличии в ядре электронов. Если бы ядро азота содержало 14 протонов и 7 электронов, суммарная масса семи электронов была бы достаточно маленькой, чтобы ею пренебречь, зато электроны компенсировали бы половину положительных зарядов. В качестве побочного эффекта наличие ядерных электронов сказалось бы также на способности ядра излучать электроны в виде β-частиц. Эта модель строения ядра потерпела крах в вопросе о спине частицы.

Известно, что при движении заряженных частиц создается магнитное поле. В 1928 году английский физик Поль Дирак пришел к выводу, что заряженные частицы движутся даже тогда, когда кажется, что они находятся в покое. Лучше всего предположить, что такие частицы вращаются вокруг своей оси, т. е. имеют определенный момент количества движения. Если частица вращается, она должна обладать энергией, которая поглощается определенными порциями, или квантами. Это справедливо для всех вращающихся тел (даже для планет вроде Земли). Величина кванта, однако, так мала по сравнению с полной энергией вращения Земли, что если бы Земля получила квант или даже триллион квантов энергии вращения, никто ничего не заметил бы. Но если бы такой квант энергии получила субатомная частица, ее вращение заметно изменилось бы, так как для субатомной частицы квант очень велик. Вращение частицы нельзя обнаружить никакими измерениями, но можно показать, что значения спина частицы соответствуют только целому числу квантов энергии. Величина момента количества движения вращающейся частицы чрезвычайно мала. Поэтому была придумана специальная шкала, по которой спин фотона был принят равным единице, по этой шкале протон и электрон имеют спин 1/2 каждый. Момент количества движения бывает направлен по и против часовой стрелки. Протон или электрон могут вращаться в том или ином направлении и, следовательно, их спин равен либо +1/2, либо -1/2.

Рассмотрим систему, содержащую несколько таких частиц. Если справедлив закон сохранения момента количества движения, суммарный спин системы должен быть равен сумме спинов отдельных частиц. Пусть система состоит из четырех частиц — протонов или электронов, или тех и других вместе. Если каждая частица имеет спин +1/2 или -1/2, суммарный спин равен нулю или целой величине. Суммарный спин любой системы, содержащей четное число частиц, каждая из которых имеет спин + 1/2 или -1/2, всегда равен нулю или целому числу.

Если же система состоит из нечетного числа частиц каждая из которых имеет спин +1/2 или -1/2, суммарный спин никогда не будет равен целому числу или нулю, а будет принимать только полуцелые значения.

Следовательно, если атомное ядро состоит из протонов и электронов, суммарный спин ядра (ядерный спин) зависит от полного числа всех частиц. Тогда, если ядро азота 7N^14 в самом деле состоит из 14 протонов и 7 электронов, общее число частиц 21, т. е. нечетное, и ядерный спин азота-14 должен быть равен 1/2.

Эксперименты, проведенные в 1929 году, показали, однако, что он равен целому числу.

Такое несоответствие было обнаружено и для некоторых других ядер. Стало совершенно ясно, что, если ядра содержат и протоны, и электроны, некоторые из них нарушают закон сохранения момента количества движения. Физики страшно не любят отказываться от закона, если есть возможность избежать этого, поэтому они бросились на поиски какого-либо другого объяснения строения ядра.

Предположим, что вместо пары протон — электрон в ядре присутствует одна незаряженная частица. Ее существование не влияет на закон сохранения электрического заряда, так как суммарный электрический заряд пары протон — электрон равен нулю, заряд заменяющей их частицы также равен нулю.

Разница заключается в моменте количества движения. Если протон и электрон имеют спины +1/2 или -1/2 каждый, суммарный спин будет равен +1, 0 или -1. Незаряженная же частица может обладать спином +1/2 или -1/2. Ядро азота-14 должно тогда состоять из протонов и незаряженных частиц.

Если масса нейтральной частицы равна массе протона, массовое число должно быть равно 14, а атомный номер (обусловленный одними протонами, так как только они обладают положительным зарядом) — семи, т. е. это был бы изотоп 7N^14. Только общее число частиц в ядре было бы 14, т. е. четным, вместо нечетного 21. Но при четном числе частиц, каждая из которых имеет спин 1/2, спин ядра азота должен быть целым числом. Таким образом, закон сохранения момента количества движения был бы спасен.

Трудность заключалась в самом отыскании этой незаряженной частицы.

Методы обнаружения субатомных частиц были основаны на их способности выбивать электроны из атомов, с которыми они сталкиваются, превращая их в ионы. Последние регистрируются разными приборами, используемыми физиками для изучения частиц.

Ионы образуются частицами, несущими любой тип заряда Отрицательно заряженная частица отталкивает отрицательно заряженные электроны и выбивает их из атома, вблизи которого она пролетает. Положительно заряженная частица притягивает электроны, вырывая их из ближайших к ней атомов. Незаряженная частица не взаимодействует с электронами, т. е. не образует ионов, а следовательно, ее нельзя обнаружить непосредственно. Тем не менее, существуют косвенные методы обнаружения невидимых обычно объектов. Если вы посмотрите в окно, вы увидите деревья, но не увидите воздуха. Однако если вы заметите, что листва на деревьях колышется, справедливо предположите, что она получает энергию за счет движения каких-то масс, которые вы не в состоянии видеть. Тщательно изучая поведение движущихся листьев, можно много узнать о свойствах воздуха, совсем не видя его.

Начиная с 1930 года ученые стали замечать, что при бомбардировке некоторых элементов α-частицами возникает излучение, которое нельзя обнаружить обычными методами. Если на пути такого излучения помещался парафин, из него вылетали протоны. Что-то сообщало протонам импульс. Переданный импульс был значительным, следовательно, излучение должно было состоять из очень тяжелых или очень быстрых частиц, а возможно, из тяжелых и одновременно быстрых. Английский физик Джеймс Чедвик сумел правильно истолковать полученные данные и в 1932 году заявил об открытии давно подозреваемой нейтральной частицы. Она была названа нейтроном. Нейтрон имеет массу, которая чуть-чуть больше массы протона; в настоящее время она принята равной 1,008655. У нейтрона нулевой электрический заряд и спин +1/2 или -1/2, т. е. именно те свойства, которые были необходимы, чтобы спасти закон сохранения момента количества движения.

Немецкий физик Вернер Карл Гейзенберг сразу же предположил, что ядро состоит из протонов и нейтронов, т. е. из двух разновидностей нуклонов, которые были упомянуты выше.

Поскольку массовые числа протонов и нейтронов равны примерно единице, массовое число любого ядра равно числу содержащихся в нем нуклонов. Атомный номер, представляющий собой электрический заряд ядра, равен числу протонов, так как только протоны несут электрический заряд. Ядро 2Не^4 состоит из 2 протонов и 2 нейтронов (т. е. из четырех нуклонов), 8O^16 состоит из восьми протонов и восьми нейтронов (т. е. из 16 нуклонов), 90Th^232 состоит из 90 протонов и 142 нейтронов (т. е. из 232 нуклонов).

Все изотопы любого элемента имеют одинаковый атомный номер, следовательно, все они должны иметь одинаковое характерное число протонов в ядрах. Массовые числа у них разные, поэтому они должны иметь разное количество нуклонов. Разница эта возникает только из-за разницы числа нейтронов. Так, ядра двух изотопов углерода, 6С^12 и 6С^13 содержат 6 протонов и 6 нейтронов в первом случае и 6 протонов и 7 нейтронов во втором.

Что касается урана, то ядро 92U^235 состоит из 92 протонов и 143 нейтронов, т. е. всего из 235 нуклонов, ядро 92U^238 — из 92 протонов и 146 нейтронов, т. е. всего из 238 нуклонов.

Распад нейтрона

Протон-нейтронная модель ядра вполне удовлетворяет физиков и по сей день считается лучшей. Тем не менее, на первый взгляд она вызывает некоторые сомнения. Если атомное ядро состоит только из протонов и нейтронов, снова возникает вопрос о том, как могут вылететь из него отрицательно заряженные электроны в виде β-частиц. А что если электронов в ядре нет и они образуются в момент распада? Применим законы сохранения в поисках правильного решения.

Образование электрона означает возникновение отрицательного электрического заряда. Но по закону сохранения электрического заряда отрицательный заряд не может образоваться, пока одновременно не возникнет положительный. Однако ни одна положительно заряженная частица не вылетает из ядра вместе с β-частицей следовательно, такая частица должна остаться внутри ядра. Известно, что внутри ядра существует одна-единственная положительно заряженная частица — протон. Из всего сказанного следует, что, когда из ядра вылетает электрон, внутри ядра образуется протон. Перейдем к закону сохранения энергии. Протон обладает массой, и если он образуется, где-то в другом месте должна исчезнуть масса. Во всех ядрах, кроме водорода-1 присутствуют нейтроны. Будучи незаряженным, нейтрон появляется или исчезает, не нарушая закон сохранения электрического заряда. Следовательно, при излучении β-частицы внутри ядра исчезает нейтрон и одновременно возникает протон (рис. 4). Другими словами, нейтрон превращается в протон, испуская при этом электрон. Нарушение закона сохранения энергии не наблюдается, так как нейтрон чуть-чуть тяжелее протона. Протон и электрон вместе имеют массу 1,008374 по шкале атомных весов, а масса нейтрона равна 1,008665. При превращении нейтрона в электрон и протон масса 0,00029 «исчезает». В действительности она превращается в кинетическую энергию вылетающей β-частицы, равную примерно 320 кэв.

Рис. 4. Излучение β-частицы.

Такое объяснение кажется удовлетворительным, поэтому подведем итог, используя по возможности простую систему символов. Обозначим нейтрон n, протон p+, электрон е- и запишем уравнение излучения β-частицы:

n → р+ + е-.

Наши рассуждения только косвенно отражают то, что происходит внутри ядра. В действительности нельзя заглянуть внутрь ядра и увидеть, как протон превращается в нейтрон, когда вылетает заряженный электрон. По крайней мере, до сих пор нельзя. А можно ли наблюдать отдельные нейтроны в свободном состоянии? Будут ли они, так сказать, на наших глазах превращаться в протоны и испускать быстрые электроны?

В 1950 году физикам удалось, наконец, получить ответ. Свободные нейтроны время от времени распадаются и превращаются в протоны, причем происходит это не часто. Каждый раз, когда нейтрон претерпевает такое изменение, излучается электрон.

Нейтроны существуют в свободном состоянии до тех пор, пока не произойдет распад, и вопрос о том, как долго длится этот период, очень важен. Когда конкретно нейтрон претерпит радиоактивный распад, — сказать невозможно. Процесс этот носит случайный характер. Один нейтрон существует, не распадаясь, одну миллионную долю секунды, другой — пять недель, третий — двадцать семь миллиардов лет. Тем не менее, для большого количества частиц одного типа с достаточной степенью точности можно предсказать, когда распадется определенный процент их. (Аналогичным образом страховой статистик не может предсказать, как долго будет жить отдельный человек, но для большой группы людей определенного возраста, профессии, места жительства т. д. со значительной точностью он может предсказать, через сколько времени половина из них умрет.)

Время, в течение которого распадается половина частиц данного типа, называют обычно периодом полураспада частицы. Этот термин был введен Резерфордом в 1904 году. Каждый вид частиц имеет свой собственный характерный период полураспада. Например, период полураспада урана-238 4,5·10^9 лет, тория-232 гораздо больше — 1,4·10^10 лет. Поэтому уран и торий до сих пор встречаются в значительных количествах в земной коре, несмотря на то что в каждый момент некоторые из их атомов распадаются. В течение всей пятимиллиардной истории Земли распалась только половина запасов урана-238 и гораздо меньше половины запасов тория-232.

Некоторые радиоактивные ядра гораздо менее стабильны. Например, когда уран-238 излучает α-частицу, он превращается в торий-234. Период полураспада тория-234 только 24 дня, поэтому в земной коре имеются лишь следы этого элемента. Он очень медленно образуется из урана-238 и, образовавшись, очень быстро распадается.

Распадаясь, торий-234 излучает β-частицу. Внутри ядра тория нейтрон превращается в протон. Это превращение тория-234 происходит с такой скоростью, что период полураспада равен двадцати четырем дням, В других радиоактивных изотопах нейтроны гораздо медленнее превращаются в протоны. Например, калий-40 излучает β-частицы с периодом полураспада 1,3·10^9 лет. Некоторые изотопы вовсе не подвержены радиоактивному распаду. Так, в ядрах атомов кислорода-16, насколько известно, ни один нейтрон сам по себе не превращается в протон, т. е. период полураспада бесконечен. Однако нас больше всего интересует период полураспада свободного нейтрона. Свободный нейтрон не окружен другими частицами, которые делали бы его более или менее стабильным, удлиняя или укорачивая его период полураспада, т. е. в случае свободного нейтрона мы имеем, так сказать, неискаженный период полураспада. Оказывается, он равен примерно двенадцати минутам, следовательно, половина из триллиона нейтронов превращается в протоны и электроны в конце каждой двенадцатой минуты.

Глава 6. Античастицы

Лептоны и барионы

Остановимся еще раз на известных нам субатомных частицах. Прежде всего к ним относятся ядра различных элементов. Их мы рассматривать не будем, так как ядра атомов всех элементов, за исключением водорода-1, состоят из еще более мелких частиц. Именно эти частицы, названные физиками элементарными [14], и будут нас интересовать.

Я уже упоминал четыре частицы, которые называют элементарными: протон, нейтрон, электрон и фотон. Их можно разделить на две группы. Протон, нейтрон и другие тяжелые элементарные частицы, открытые после 1932 года, объединены под общим названием барионы (от греческого слова barys — тяжелый). Электрон имеет маленькую массу, а масса фотона равна нулю. Эти и другие легкие частицы, открытые после 1932 года, называют лептонами (от греческого слова leptos — легкий, слабый).

Четыре элементарные частицы можно классифицировать по другому признаку. Протон, электрон и фотон — стабильны. Другими словами, если бы во Вселенной был один-единственный протон (или электрон, или фотон), он существовал бы без изменения бесконечно долго. (Говоря точнее, любая из трех перечисленных частиц может претерпеть изменение, но лишь при взаимодействии с другими частицами.) Нейтрон является нестабильной частицей. Если бы во Вселенной существовал один нейтрон, он рано или поздно, а вероятнее всего в течение нескольких минут, распался бы на протон и электрон. Такая нестабильность свойственна самой природе частицы и не зависит от наличия частиц других видов.

Почему же нейтрон в этом отношении не похож на другие частицы? Превращение нейтрона в протон и электрон сопровождается уменьшением массы. Очевидно, существенно именно это уменьшение массы. Оказывается, при любом спонтанном распаде происходит уменьшение массы. Потерянная масса превращается в энергию. Во Вселенной имеется, по-видимому, общая тенденция перехода от вещества к энергии. Становится понятным тогда, почему стабилен фотон. Он имеет нулевую массу покоя и поэтому не может распасться на частицы меньшей массы. По той же причине стабильна любая частица, не имеющая массы.

Подобные рассуждения, однако, неприменимы для объяснения стабильности электрона. Электрон имеет хоть и ничтожную, но все же конечную массу покоя. Но если тенденция превращения массы в энергию универсальна, почему она щадит электрон? Почему он не распадается на один или несколько фотонов с нулевой массой покоя, энергия которых эквивалентна массе электрона?

Оказывается, этому процессу препятствует закон сохранения электрического заряда. Фотон не несет электрического заряда, и если бы электрон распался на фотоны, что стало бы с его отрицательным зарядом? Насколько физикам известно, не существует частицы с отрицательным зарядом легче электрона. Поэтому электрон не распадается.

А протон? Является ли он самой легкой частицей с положительным зарядом? Ответ оказался отрицательными физикам пришлось искать другое объяснение его стабильности.

Позитроны

Первый намек на существование положительно заряженной частицы легче протона был сделан в 1930 году, когда Поль Дирак сумел математически описать некоторые свойства электрона. Он пришел к заключению, что если его математические расчеты верны, электрон должен существовать в двух разных формах. Одна из них — обычный, хорошо известный электрон, который к к тому времени исследовали уже в течение более тридцати лет. Другая форма была очень похожа на обычный электрон, но вместо отрицательного заряда он имел положительный.

Спустя два года, в 1932 году, американский физик Карл Дэвид Андерсон, изучая космические лучи больших энергий, бомбардирующие Землю, в своем детекторе частиц обнаружил нечто, что вело себя точно так же, как электрон, но под действием магнитного поля отклонялось в противоположную сторону. Значит, эта частица вместо отрицательного заряда несла положительный. Так был открыт положительно заряженный электрон Дирака.

Андерсон назвал эту положительно заряженную частицу позитроном. Хотя этот термин используется чаще всего для названия открытой частицы, он неудачен, так как маскирует близкое родство с электроном. Иногда электрон и позитрон называют отрицательным электроном и положительным электроном. Такое наименование отражено в современных обозначениях этих частиц: e- и е+. Чтобы сохранить за электроном его имя, позитрон иногда называют антиэлектроном, где приставка «анти» означает «противоположный». По многим причинам антиэлектрон — наилучшее название, так как другие частицы тоже имеют свои противоположности, для которых используют приставку «анти». Все эти противоположные частицы объединены в группу античастиц.

В настоящее время принято обозначать античастицы символом частицы с горизонтальной линией над ним Так, позитрон можно обозначить 'e+, что указывает на то, что он не просто положительно заряженный электрон, а античастица (в fb2 версии горизонтальная линия заменена на на штрих перед символом из-за ограничений шрифтов — прим. верстальщика).

Вскоре после открытия Андерсона было обнаружено, что позитрон образуется некоторыми радиоактивными атомными ядрами, — конечно, не теми, которые существуют в природе, а специально полученными в лаборатории.

В 1934 году французские ученые супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри, бомбардируя α-частицами атомы алюминия, получили фосфор-30, который спонтанно, т. е. самопроизвольно, излучал позитроны (в виде положительных β-частиц) и превращался в кремний-30. Атомный номер фосфора — 15, кремния—14, следовательно, радиоактивный распад можно записать:

P+15 → Si+14 + 'e+.

Электрический заряд снова сохраняется, так как 14 + 1 = 15.

Какие же процессы внутри ядра приводят к излучению позитрона? Массовые числа кремния-30 и фосфора-30 одинаковы, так что общее число нуклонов до быть в обоих случаях одним и тем же. С другой стороны, атомный номер ядра кремния-30 на единицу меньше, чем фосфора-30, следовательно, ядро кремния-30 содержит на один протон меньше, чем ядро фосфора-30. Чтобы уменьшить число протонов на единицу, не изменяя общего числа нуклонов, надо одновременно добавить один нейтрон. Другими словами, позитрон излучается тогда, когда внутри ядра протон превращается в нейтрон. При этом атомный номер уменьшается на единицу а массовое число остается неизменным. Процесс прямо противоположен тому, который приводит к излучению электрона, когда нейтрон превращается в протон. Но этого и следовало ожидать, так как позитрон является как бы зеркальным отображением электрона и все происходящее с ним является отображением событий, происходящих с электроном.

С другой стороны, протон легче нейтрона, поэтому неудивительно, что именно нейтрон спонтанно превращается в протон, так как спонтанные превращения всегда сопровождаются уменьшением массы. Но как же тогда протон спонтанно превращается в нейтрон и испускает позитрон?

Действительно, протон легче нейтрона, если речь идет о свободных частицах. Внутри ядра, однако, происходят изменения энергии, которые слегка меняют массу отдельных нуклонов. Иногда масса ядра уменьшается, если протон превращается в нейтрон, а иногда, если нейтрон заменяется протоном, изменение массы всецело зависит от строения ядра. В первом случае излучаются позитроны, а во втором — электроны, Конечно, имеются ядра, обладающие при данном числе нуклонов комбинацией нейтронов и протонов, при которой масса минимальна. Тогда превращение протона нейтрон или нейтрона в протон увеличивает массу. Такие ядра не претерпевают никаких спонтанных превращений, они стабильны, если это не тяжелые ядра, которые излучают α-частицы.

Еще раз напомним, что свободные нейтроны могут спонтанно превратиться в протоны, обратное же превращение невозможно.

Позитрон, как и электрон, — стабильная частица. Насколько нам известно, сам по себе он никогда не изменяется, так как позитрон — самая легкая частица, несущая положительный электрический заряд. Стабильность ее является выражением закона сохранения электрического заряда. Однако позитрон существует во Вселенной, состоящей из бесчисленного множества других частиц, в том числе электронов. В обычных условиях позитрон сталкивается с электроном через одну миллионную секунды, а когда частица встречает свою античастицу, обе перестают существовать.

Нечто подобное происходит в том случае, когда деревянная пробка вставляется в отверстие в деревянной поверхности, к которому она точно подогнана, — в «антипробку». Пробка и «антипробка» исчезают, а вместо них появляется гладкая деревянная поверхность, При слиянии позитрона и электрона выполняются различные законы сохранения. Если частицы, двигаясь с одинаковыми скоростями навстречу друг другу, сталкиваются «в лоб», два импульса, складываясь, дают нуль. Если электрон имеет спин -1/2, а позитрон +1/2, суммарный спин системы тоже нуль. Электрон имеет заряд -1, а позитрон +1, следовательно, общий электрический заряд двух частиц равен нулю. Кажется, что происходит полная аннигиляция (уничтожение).

А что происходит с энергией, которая не существует в положительной или отрицательной форме и которая, следовательно, в сумме никогда не равна нулю? После аннигиляции электрона и позитрона энергия, связанная с их массой и движением, должна продолжать существовать в той или иной форме. Оказывается, обе частицы превращаются в фотоны. Энергия, эквивалентная массе электрона, равна 0,51 Мэв. Но позитрон имеет такую же массу, поэтому энергия, эквивалентная общей массе, равна 1,02 Мэв. Следовательно, каждый раз, когда пара позитрон — электрон аннигилирует, должна освобождаться энергия 1,02 Мэв. Экспериментальная проверка энергетического баланса при аннигиляции явилась превосходным подтверждением справедливости закона сохранения энергии для процессов, происходящих в субатомном мире.

Какие же фотоны возникают при аннигиляции пары электрон — позитрон? Фотоны не имеют заряда, но они должны иметь импульс и момент количества движения. Если бы возникал один фотон, должны были бы возникнуть импульс и момент количества движения, а это невозможно в силу закона сохранения. В действительности возникают два разлетающихся в противоположных направлениях фотона, каждый из которых уносит энергию 0,51 Мэв, поэтому их суммарный импульс равен нулю. Один фотон имеет спин +1, другой -1, так что суммарный момент количества движения тоже равен нулю.

Если суммарный импульс или момент количества движения электрона и позитрона до аннигиляции отличны от нуля, они сохранятся и после аннигиляции. Предположим, каждая из частиц имеет спин +1/2, следовательно, суммарный спин равен +1. Если бы система обладала импульсом, то мог бы возникнуть один фотон со спином +1. Когда же суммарный импульс системы равен нулю, закон сохранения импульса и момента количества движения будет выполнен, если возникнут три фотона энергией 0,34 Мэв каждый, разлетающихся по направлению трех вершин равностороннего треугольника. При этом суммарный импульс трех фотонов равен нулю, а суммарный спин +1, если спины фотонов равны +1, +1, -1 соответственно.

Превращение электрон-позитронной пары в фотоны γ-излучения можно записать следующим образом:

e- + 'e+ → γ + γ + γ.

Существует обратный процесс — превращение энергии в массу. Фотон γ-лучей с энергией 1,02 Мэв при определенных условиях превращается в электрон-позитронную пару. Для фотона с меньшей энергией этот процесс невозможен, а более энергичный фотон отдает излишки своей энергии разлетающимся частицам. Фотон γ-лучей никогда не превращается только в электрон или только в позитрон. При таком превращении закон сохранения заряда был бы нарушен. Короче говоря, независимо от того, как происходит электрон-позитронная аннигиляция, должны сохраняться четыре основные величины: импульс, момент количества движения, электрический заряд и энергия.

Антинуклоны

Теорию Дирака, предсказавшую существование положительно заряженного электрона, применили к протону. Было высказано предположение, что должен существовать отрицательно заряженный протон — антипротон. После открытия позитрона физики были убеждены, что антипротон существует и его можно получить в лаборатории. Трудность заключалась в том, что протон в 1836 раз тяжелее электрона и, если для создания пары электрон — позитрон требуется энергия 1,02 Мэв, для создания протона и антипротона потребовалось бы минимум 1872 Мэв. Только после 1950 года физики получили устройство, которое позволяло концентрировать такую энергию в малом объеме.

В 1956 году итальянский физик Эмилио Сегре, работающий в США, и его американский коллега Оуэн Чемберлен закончили работу, в результате которой убедительно доказали существование антипротона. Когда протон и антипротон встречаются, они аннигилируют подобно электрон-позитронной паре. Только в случае аннигиляции протон-антипротонной пары выделяется гораздо большая энергия. Если обозначить антипротон 'р-, то процесс аннигиляции можно записать следующем виде:

p+ + 'p- → γ + γ

В 1965 году была получена обратная реакция, когда γ-излучение большой энергии было превращено в протон-антипротонные пары.

Правда, при взаимодействии протона и антипротона наблюдали новое явление. Почти сразу же после открытия антипротона было обнаружено, что иногда, если протон и антипротон сталкиваются, едва касаясь друг друга, электрический заряд обоих исчезает, но массы не уничтожаются. Вместо двух заряженных тяжелых частиц образуются две тяжелые незаряженные частицы: вместо протона возникает нейтрон, а вместо антипротона — антинейтрон. Если последний обозначить символом 'п, можно записать:

p+ + 'p- → n + 'п.

Антинейтрон и антипротон называют антинуклонами. Нуклоны и антинуклоны принадлежат к барионам (как позитроны к лептонам).

Но что же такое антинейтрон? Позитрон отличается от электрона зарядом, и антипротон отличается от протона зарядом. Антинейтрон, как и нейтрон, не заряжен. Чем же они тогда отличаются?

Ответ, очевидно, надо искать в природе спина. Предположим, что субатомная частица — крошечная сфера, вращающаяся вокруг своей оси и обладающая двумя полюсами. Если посмотреть на частицу со стороны одного из полюсов, будет казаться, что она вращается против часовой стрелки, а со стороны другого полюса — по часовой стрелке. Назовем полюс, с которого кажется, что частица вращается против часовой стрелки, северным. (Подобно этому вращение Земли с запада на восток происходит против часовой стрелки, если смотреть на Землю со стороны северного полюса.) При вращении заряженная частица создает магнитное поле, в котором есть и северный, и южный магнитные полюса. В протоне северный магнитный полюс совпадает с северным полюсом, а в антипротоне северный магнитный полюс совпадает с южным. Другими словами, магнитное поле антипротона противоположно магнитному полю протона (рис. 5). Магнитные и электрические свойства частицы противоположны соответствующим свойствам античастицы.

Рис. 5. Магнитные полюса протона и антипротона.

Хотя нейтрон не имеет электрического заряда, тем не менее он имеет связанное с ним магнитное поле. Причина этого не совсем ясна, но физики подозревают, что протон состоит из областей с положительным и отрицательным зарядом, расположенных несимметрично, что приводит к появлению магнитного поля. Магнитное поле нейтрона ориентировано в одном направлении, а антинейтрона — в другом. Именно в этом и заключается их различие.

Масса антинейтрона равна массе нейтрона, а масса антипротона — массе протона. Это означает, что антинейтрон несколько тяжелее антипротона и, следовательно, может в него превратиться. При распаде антинейтрона с нулевым зарядом в антипротон с зарядом -1 возникает отрицательный заряд. Согласно закону сохранения электрического заряда, при таком превращении одновременно должен возникнуть и положительный заряд. Положительный заряд появляется в виде позитрона:

'п → 'p- + 'e+.

Распад антинейтрона аналогичен во всех отношениях распаду нейтрона (за исключением обратных зарядов). Даже период полураспада в обоих случаях одинаков. Процесса, обратного антинейтронному распаду, нет. Антипротон сам по себе стабилен, так же как протон, и, насколько мы знаем, остается неизменным.

Сохранение барионного числа

До сих пор мы не ответили на вопрос: почему протон стабилен? Теперь мы можем к этому вопросу добавить другой: почему стабилен антипротон? Совершенно неуместно говорить о том, что протон имеет наименьшую массу, с которой связан положительный заряд. Такое искушение могло у нас возникнуть, пока мы не ввели античастицы. Ведь протон мог бы распасться на позитрон и фотоны γ-лучей. При этом электрический заряд сохранился бы, а все другие законы сохранения удовлетворились бы автоматически. Подобным образом антипротон мог бы распасться на электрон и γ-квант.

Если какой-нибудь распад не нарушает ни одного из законов сохранения в субатомном мире, он должен иметь место. Распад может быть очень редким явлением, но он обязательно должен происходить. Если, с другой стороны, какой-то субатомный процесс упорно не желает протекать, значит, он нарушает какой-нибудь закон сохранения.

Протон никогда не распадается на позитрон. Этот процесс не нарушает ни один из известных нам законов сохранения, следовательно, ему препятствует какой-то новый закон. Превращение протона в позитрон не нарушает закона сохранения электрического заряда, так как оба несут положительный заряд, равный единице. А свойства позитрона и фотонов, образующихся из протона, легко подобрать таким образом, чтобы не нарушались законы сохранения импульса, момента количества движения и энергии.

Итак, физикам пришлось сделать вывод о том, что существует пятый, прежде неизвестный закон сохранения. Когда они еще раз внимательно стали изучать все субатомные процессы, которые они знали, им начало казаться, что барионы вообще никогда не исчезают. Всякий раз, когда исчезал барион одного вида, мгновенно возникал барион другого вида. Конечно, когда барион встречается с антибарионом (например, когда протон встречает антипротон), обе частицы могут исчезнуть, не оставив взамен никакого другого бариона.

Чтобы разобраться в таком странном поведении барионов, всем субатомным частицам физики приписали определенные барионные числа. Протон и нейтрон получили барионные числа +1 каждый, а антипротон и антинейтрон -1 каждый. Всем лептонам (электрону, позитрону и фотону) приписали нулевые барионные числа. Итак был сформулирован новый закон: суммарное барионное число замкнутой системы постоянно. (Все законы сохранения, рассмотренные нами, были открыты при исследовании явлений обычной повседневной жизни а затем применены к атому. Теперь мы в первый, но не в последний раз встретились с законом сохранения, возникшим непосредственно при изучении явлений, происходящих в субатомном мире.)

Рассмотрим несколько примеров. При радиоактивных превращениях ядро урана-238 распадается на ядро тория-234 и α-частицу (гелий-4). Ядро урана-238 содержит в общей сложности 238 протонов и нейтронов, следовательно, его барионное число 238. Аналогично барионное число тория-234 равно 234, а α-частицы — 4. Поскольку сумма барионных чисел тория-234 и α-частицы равна 238, барионное число в этом процессе сохраняется. Далее, ядро тория-234 излучает β-частицу (т. е. электрон с нулевым барионным числом) и превращается в ядро протактиния-234. Следовательно, барионное число снова сохраняется. В действительности оно сохраняется во всех известных радиоактивных превращениях. А что происходит с барионным числом элементарных частиц? Если нейтрон распадается на протон и электрон, барионное число сохраняется, так как сумма барионных чисел протона и электрона равна единице. Точно так же сохраняется барионное число и при распаде антинейтрона на антипротон и позитрон.

Если протон и антипротон, взаимодействуя, превращаются в нейтрон и антинейтрон, суммарные барионные числа до и после реакции равны. Если взаимодействуют протон и антипротон, образуя два γ-кванта (или любое число их), закон сохранения барионного числа снова выполняется, так как +1–1 = 0 + 0.

Во всех известных до сих пор атомных и субатомных процессах барионное число сохраняется. Физики ни разу не сталкивались с нарушением закона сохранения барионного числа. Теперь становится понятно, почему протон не превращается спонтанно в позитрон, а антипротон — в электрон. В первом случае барионное число +1 стало бы нулем, а во втором — в нуль превратилось бы барионное число -1. Ни одно из этих превращений невозможно без нарушения закона сохранения барионного числа.

В самом деле, насколько мы знаем, протон и антипротон — наименее тяжелые из известных барионов. Именно поэтому они стабильны. Любое спонтанное превращение означало бы появление менее тяжелых частиц. Но любая более легкая частица — не барион, и, следовательно, за кон сохранения барионного числа был бы нарушен.

По закону сохранения электрического заряда, казалось бы, ни один электрон не возникает без одновременного рождения позитрона. Согласно тому же закону и закону сохранения барионного числа, ни один протон не возникает без одновременного рождения антипротона. В окружающей нас Вселенной электронов и протонов сколько угодно, а позитроны и антипротоны исключительно редки. Почему?

Убедительного ответа на этот вопрос еще нет. Одна гипотеза предполагает, что, когда возникла наша Вселенная, частиц и античастиц было равное количество, но они были как-то разделены. Возможно, кроме нашего мира существует также антимир. Все вещества нашего мира состоят из атомов с ядрами из протонов и нейтронов и с электронами во внешних областях атома. В антимире антиматерия должна состоять из атомов с ядрами из антипротонов и антинейтронов и с позитронами вместо электронов во внешних областях атома. В антимире обычное вещество встречалось бы исключительно редко. (До недавнего времени антивещество оставалось просто теоретической концепцией. Однако в 1965 году физики Брукхейвенской национальной лаборатории получили очень недолговечные ядра из антипротона и антинейтрона. Известно, что ядро водорода-2 состоит из протона и нейтрона. Водород-2 часто называют дейтерием, поэтому систему протон + нейтрон назвали дейтроном, а систему антипротон + антинейтрон — антидейтроном. Антидейтрон — простейший вид антиматерии, который представляет собой более сложное образование по сравнению с элементарной частицей. Без сомнения, придет время, когда более сложные формы антивещества будут созданы в лаборатории.

Не исключена возможность, что в нашей Вселенной присутствуют одновременно и вещество и антивещество, но находятся они в разных галактиках. Трудно определить, видим ли мы в телескопы галактики или антигалактики. На первый взгляд кажется, что галактику от антигалактики можно отличить по излучаемому свету. Если обычное вещество излучает фотоны, антивещество должно излучать «антифотоны». Нельзя ли их различить? К несчастью, нет! Если существуют антифотоны, аннигиляция частиц и античастиц привела бы к образованию одинакового числа фотонов и антифотонов. Однако образуются только фотоны, поэтому физики сделали вывод, что фотон является собственной античастицей, т. е. излучение вещества и антивещества должно быть совершенно одинаково, и по нему нельзя различить две галактики. (Однако позднее мы убедимся, что не все еще потеряно.) Если бы и материя и антиматерия сосуществовали в нашей Вселенной, они могли бы случайно встретиться в значительных количествах. Если бы это произошло, при аннигиляции выделилось бы колоссальное количество энергии, гораздо больше, чем при ядерных реакциях внутри таких звезд, как наше Солнце.

В действительности существуют галактики и другие космические объекты, которые излучают необычно большие потоки энергии в виде света или радиоволн, или того и другого вместе. Сейчас астрономы заняты попытками определить источник этой энергии. Аннигиляция вещества и антивещества — возможный, но не единственный ее источник.

Глава 7. Появление нейтрино

Энергия α-частицы

Законы сохранения строго выполнялись во всех случаях, описанных в предыдущих главах. Когда один из законов оказывался несовершенным, приходилось интерпретировать его по-другому. Так, старый закон сохранения массы был расширен и превращен в более общий закон сохранения энергии. С другой стороны, когда ожидаемые события в действительности не происходили, придумали новый закон сохранения (как было в случае закона сохранения барионного числа). Однако не всегда легко доказать, что законы сохранения выполняются точно. Особенно загадочная ситуация возникла на заре развития ядерной физики при изучении кинетической энергии частиц, испускаемых радиоактивными веществами.

Энергию α-частицы можно определить, измеряя массы исходного радиоактивного ядра, α-частицы и конечного ядра. Суммарная масса α-частицы и конечного ядра должна быть немного меньше массы исходного ядра, а энергетический эквивалент недостающей массы равняться кинетической энергии α-частицы. Измерять с высокой точностью массы различных ядер и других частиц физики смогли только в 20-х годах нашего столетия. Тем не менее, некоторые важные выводы относительно энергий частиц они сделали, не зная точного значения масс.

Рассмотрим торий-232, который распадается на α-частицу (гелий-4) и радий-228. Все ядра тория-232 имеют одинаковые массы. Массы всех ядер радия-228 также имеют одинаковую величину, как и массы всех α-частиц. Не зная величину этих масс, все же можно сказать, что каждый раз, когда атом тория-232 испускает α-частицу, дефицит массы должен быть одинаков, а следовательно, должна быть одинакова и кинетическая энергия α-частиц. Другими словами, торий-232 должен испускать α-частицы с одной и той же энергией.

Как же определить кинетическую энергию α-частиц? Известно, что чем больше энергия α-частицы, тем глубже она проникает в вещество. α-Частицы тормозятся очень тонким слоем твердого вещества, но могут пройти сквозь слой воздуха толщиной в несколько сантиметров. При этом α-частицы непрерывно передают энергию молекулам воздуха, с которыми они сталкиваются, постепенно замедляются и, захватывая электроны, становятся в конце концов обычными атомами гелия. В таком состоянии их уже нельзя обнаружить методами, с помощью которых регистрируются α-частицы, так что фактически они исчезают.

Обнаружить α-частицы можно при помощи пленки химического соединения, называемого сернистым цинком. Каждый раз, когда α-частица налетает на такую пленку, она вызывает слабую вспышку света. Если рядом с источником α-частиц (скажем, кусочком тория-232 в свинцовом контейнере с очень узким отверстием) поместить сцинтилляционный счетчик, то число вспышек будет соответствовать количеству образующихся α-частиц. Если сцинтилляционный счетчик располагать все дальше и дальше от источника, α-частицы должны будут проходить через все больший и больший слой воздуха, чтобы попасть в него. Если бы α-частицы испускались с различными энергиями, то обладающие наименьшей энергией исчезли бы очень быстро, более «энергичные» α-частицы прошли бы больший путь в воздухе и т. д. В результате по мере удаления сцинтилляционного счетчика от источника число α-частиц, попадающих в счетчик, должно было бы постепенно уменьшаться. Если бы α-частицы вылетали с одинаковой энергией, все они проходили бы в воздухе одинаковый путь. Следовательно, сцинтилляционный счетчик должен был бы регистрировать одно и то же число частиц по мере удаления от источника, вплоть до некоторой критической точки, за которой он не зарегистрировал бы ни одной вспышки.

Именно это явление наблюдал английский физик Уильям Генри Брэгг в 1904 году. Почти все α-частицы, вылетающие из ядер одного и того же элемента, имели одну и ту же энергию и обладали одинаковой проникающей способностью. Все α-частицы тория-232 проходили слой воздуха толщиной 2,8 см, все α-частицы радия-226— 3,3 см, а α-частицы полония-212 — 8,6 см [15]. На самом деле имеются некоторые отклонения. В 1929 году было обнаружено, что небольшая часть частиц одного и того же радиоактивного ядра может обладать необычайно большой кинетической энергией и большей проникающей способностью, чем остальные. Причина этого в том, что исходное радиоактивное ядро может находиться в одном из возбужденных состояний. В возбужденных состояниях ядра имеют большую энергию, чем в своем нормальном основном состоянии. Когда ядро испускает α-частицу, находясь в возбужденном состоянии, α-частица получает дополнительную энергию. В результате помимо основной группы α-частиц образуются маленькие группы α-частиц с большей проникающей способностью, по одной группе для каждого возбужденного состояния.

Когда радиоактивное ядро образуется при распаде другого ядра, оно иногда находится в возбужденном состоянии с момента своего образования. Тогда большая часть испускаемых им α-частиц имеет необыкновенно большую энергию, а α-частицы с меньшей энергией образуют небольшие группы. Эти отдельные группы α-частиц (от 2 до 13) с различными энергиями образуют спектр α-частиц данного ядра. Каждая компонента спектра соответствует, как и предполагали, одному из возбужденных состояний ядра. Итак, закон сохранения энергии α-частиц выполняется, чего нельзя сказать в случае β-частиц.

Энергия β-частицы

Если все выводы, сделанные для α-частиц, были бы применимы к β-частицам и выполнялись бы рассмотренные энергетические соотношения, все образующиеся при распаде ядер β-частицы обладали бы одной и той же кинетической энергией. Однако еще в 1900 году создалось впечатление, что β-частицы испускаются с любой энергией вплоть до некоторого максимального значения. В течение последующих пятнадцати лет доказательства постепенно накапливались, пока не стало совершенно ясно, что энергии β-частиц образуют непрерывный спектр.

Каждое ядро, испуская в процессе распада β-частицу, теряет определенное количество массы. Уменьшение массы должно соответствовать величине кинетической энергии β-частицы. При этом кинетическая энергия β-частицы любого из известных нам радиоактивных ядер не превышает энергии, эквивалентной уменьшению массы. Таким образом, уменьшение массы при любом радиоактивном распаде соответствует максимальному значению кинетической энергии β-частиц, образующихся в процессе этого распада.

Но, согласно закону сохранения энергии, ни одна из β-частиц не должна обладать кинетической энергией меньше энергии, эквивалентной уменьшению массы, т. е. максимальная кинетическая энергия β-частицы должна быть одновременно и минимальной. В действительности это не так. Очень часто β-частицы испускаются с меньшей кинетической энергией, чем следует ожидать, причем максимального значения, соответствующего закону

сохранения энергии, вряд ли достигает хоть одна β-частица. Одни β-частицы обладают кинетической энергией, несколько меньшей максимального значения, другие — значительно меньшей, остальные — намного меньшей. Наиболее распространенная величина кинетической энергии равна одной трети максимального значения. В общем, более половины энергии, которая должна возникать вследствие уменьшения массы при радиоактивных распадах, сопровождающихся образованием β-частиц, нельзя обнаружить.

В двадцатых годах многие физики были склонны уже отказаться от закона сохранения энергии, по крайней мере для тех процессов, в которых образуются β-частицы. Перспектива была тревожной, так как закон оставался справедлив во всех других случаях. Но существует ли другое объяснение этого явления?

В 1931 году Вольфганг Паули предложил следующую гипотезу: β-частица не получает всю энергию из-за того, что образуется вторая частица, которая уносит остаток энергии. Энергия может распределиться между двумя частицами в любых пропорциях. В некоторых случаях почти вся энергия передается электрону, и тогда он имеет почти максимальную кинетическую энергию, эквивалентную уменьшению массы.

Иногда почти вся энергия передается второй частице, тогда энергия электрона фактически равна нулю. Когда энергия распределяется между двумя частицами более равномерно, электрон имеет промежуточные значения кинетической энергии.

Какая же частица удовлетворяет предположению Паули? Вспомним, что β-частицы возникают всякий раз, когда внутри ядра нейтрон превращается в протон. При рассмотрении превращения нейтрона в протон, несомненно, проще иметь дело со свободным нейтроном. Нейтрон не был открыт, когда Паули впервые предложил свою теорию. Мы же можем воспользоваться преимуществом ретроспективного взгляда.

При распаде свободного нейтрона на протон и электрон, последний вылетает с любой кинетической энергией вплоть до максимальной, которая приблизительно равна 0,78 Мэв. Ситуация аналогична испусканию радиоактивным ядром β-частицы, поэтому при рассмотрении распада свободного нейтрона необходимо учесть частицу Паули.

Обозначим частицу Паули х и попробуем выяснить ее свойства. Запишем реакцию распада нейтрона:

п → р+ + е- + х.

Если при распаде нейтрона выполняется закон сохранения электрического заряда, х-частица должна быть нейтральной. Действительно, 0=1–1+0. При распаде нейтрона на протон и электрон потеря массы составляет 0,00029 единиц по атомной шкале масс, что приблизительно равно половине массы электрона. Если бы x-частица получила даже всю энергию, образующуюся в результате исчезновения массы, и если бы вся энергия пошла на образование массы, масса х составляла бы только половину массы электрона. Следовательно, x-частица должна быть легче электрона. На самом деле она должна быть значительно легче, так как обычно электрон получает большую часть выделяющейся энергии, а иногда почти всю. Более того, вряд ли энергия, переданная х-частице, полностью превращается в массу; значительная часть ее переходит в кинетическую энергию х-частицы. С годами оценка массы х-частиц становилась все меньше и меньше. Наконец, стало ясно, что х-частица, как и фотон, не имеет массы, т. е. подобно фотону она распространяется со скоростью света с момента своего возникновения. Если энергия фотона зависит от длины волны, энергия х-частицы зависит от чего-то аналогичного.

Следовательно, частица Паули не имеет ни массы, ни заряда, и становится понятным, почему она остается «невидимкой». Заряженные частицы обычно обнаруживают благодаря ионам, которые они образуют. Незаряженный нейтрон был обнаружен из-за большой массы. Частица без массы и без заряда ставит физика в тупик и лишает его какой бы то ни было возможности поймать и изучить ее.

Вскоре после того, как Паули предположил существование х-частицы, она получила имя. Сначала её хотели назвать «нейтроном», так как она не заряжена, но через год после появления гипотезы Паули Чедвик открыл тяжелую незаряженную частицу, которая получила это имя. Итальянский физик Энрико Ферми, имея в виду, что х-частица намного легче нейтрона Чедвика, предложил назвать х-частицу нейтрино, что по-русски значит «нечто маленькое, нейтральное». Предложение было очень удачным, и с тех пор она так и называется. Обычно нейтрино обозначают греческой буквой ν «ню») и распад нейтрона записывают следующим образом:

п → р+ + е- + ν..

Нейтрино совершенно необходимо

Гипотеза Паули о существовании нейтрино и последовавшая затем детальная теория рождения нейтрино, созданная Ферми, были по-разному встречены физиками. Никто не желал отказываться от закона сохранения энергии, хотя имелись серьезные сомнения относительно необходимости спасения этого закона с помощью частицы без массы и без заряда, частицы, которую нельзя обнаружить, частицы, единственным основанием для существования которой было просто желание спасти закон сохранения энергии. Некоторые физики считали ее призрачной частицей, своего рода трюком для спасения энергетической «бухгалтерии». Фактически концепция нейтрино была просто способом выражения того, что «закон сохранения энергии не выполняется» [16]. Закон сохранения энергии оказался не единственным, спасенным нейтрино.

Рассмотрим неподвижный нейтрон, т. е. нейтрон с нулевым импульсом относительно наблюдателя. При его распаде суммарный импульс протона и электрона должен равняться нулю, если распад сопровождается образованием только двух частиц. Электрон должен вылететь в одном направлении, а протон точно в противоположном (но с меньшей скоростью, так как его масса больше).

Однако это не так. Электрон и протон испускаются в направлениях, которые образуют определенный угол. Небольшой суммарный импульс в направлении вылета частиц возникает как бы из ничего, и закон сохранения импульса нарушается. Однако, если при этом возникает нейтрино, оно может вылететь в таком направлении, что в точности скомпенсирует суммарный импульс двух других частиц (рис. 6).

Другими словами, закон сохранения импульса выполняется только благодаря нейтрино.

Рис. 6. Распад нейтрона.

Легко видеть, что аналогично обстоит дело и с моментом количества движения. Нейтрон, протон и электрон имеют спин +1/2 или -1/2 каждый. Предположим, что спин нейтрона +1/2. При его распаде суммарный спин протона и электрона должен быть равен +1/2, если закон сохранения момента количества движения справедлив и при распаде образуются только эти две частицы. Возможно ли это? Спины протона и электрона могут быть равны +1/2 и +1/2; +1/2 и -1/2; -1/2 и -1/2, т. е. суммарный спин обеих частиц равен +1, 0 и — 1 соответственно. Он не равен и никогда не может быть равен +1/2 или -1/2, если вначале спин нейтрона был равен -1/2. Короче говоря, если нейтрон распадается только на протон и электрон, закон сохранения момента количества движения нарушается.

Но предположим, что при распаде возникает нейтрино со спином +1/2 или -1/2. Тогда суммарный спин трех возникших при распаде частиц всегда будет равен спину исходного нейтрона. Следовательно, существование нейтрино «спасает», по крайней мере, три закона: закон сохранения энергии, импульса и момента количества движения. Примечательно, что одна и та же частица выполняет тройную работу.

Трудно сказать, что было хуже: признать существование одной загадочной, призрачной частицы или нарушение одного закона сохранения. Значительно легче сделать выбор между призрачной частицей и нарушением сразу трех законов сохранения. Пришлось физикам выбрать призрачную частицу. Постепенно существование нейтрино было признано ядерщиками. Они перестали сомневаться в реальности нейтрино независимо от того, могли его обнаружить или нет.

Сохранение лептонного числа

Нейтрино не только спасает три закона сохранения, но и создает один новый. Чтобы понять, как это происходит, рассмотрим нейтрино применительно к античастицам.

Антинейтрон распадается на антипротон и позитрон (антиэлектрон). Ситуация аналогична распаду нейтрона. Позитрон вылетает с меньшей кинетической энергией, чем должен, позитрон и антипротон не разлетаются во взаимно противоположных направлениях и их спины не складываются надлежащим образом. Добавление нейтрино и в этом случае все сбалансирует.

Возникает, естественно, вопрос: одно и то же ли нейтрино образуется при распаде антинейтрона и при распаде нейтрона?

Нетрудно доказать, что нейтрино бывают разными. Нейтрино, обладающее спином, подобно нейтрону, создает магнитное поле, которое имеет два различных направления. Следовательно, нейтрино и антинейтрино существуют точно так же, как нейтрон и антинейтрон. При распаде нейтрона возникает один из близнецов нейтрино, а при распаде антинейтрона — другой. Но какой из них сопровождает данный распад?

Я уже описал закон сохранения барионного числа, который утверждает, что суммарное барионное число замкнутой системы остается постоянным. Имеется ли аналогичный закон сохранения лептонного числа, по которому суммарное лептонное число замкнутой системы, остается неизменным? Почему нам не потребовать от лептонов того же, что и от барионов? К сожалению, если нейтрино не включить в рассмотрение, то этого сделать нельзя.

Припишем электрону лептонное число +1, а позитрону или антиэлектрону — лептонное число -1. Фотон, являющийся своей собственной античастицей, не может иметь лептонное число ни +1, ни -1, и было бы логично приписать ему нулевое лептонное число. Все барионы также имеют нулевые лептонные числа.

Вернемся снова к распаду нейтрона. Начнем с одного нейтрона, имеющего барионное число 1 и нулевое лептонное число. Предположим, что при распаде нейтрона образуется только протон и электрон. Протон и электрон должны иметь суммарное барионное число 1 и суммарное лептонное число 0, если оба эти числа сохраняются. Действительно, сумма барионных чисел двух частиц равна +1 (т. е. 1 + 0) в соответствии с законом сохранения барионного числа. Суммарное лептонное число протона и электрона тоже равно +1 (т. е. 1 + 0), хотя в начале и реакции лептонное число равнялось нулю. Следовательно, лептонное число не сохраняется.

Предположим, что к лептонам принадлежат нейтрино и антинейтрино с лептонными числами + 1 и -1 соответственно. Тогда при распаде нейтрона на протон, электрон и антинейтрино лептонное число сохраняется (0 + 1–1 = = 0), и распад можно записать следующим образом:

п → р+ + е- + 'ν,

где 'ν — антинейтрино.

Когда распадается антинейтрон с нулевым лептонным числом, возникают антипротон, позитрон и нейтрино. Лептонные числа трех образовавшихся частиц 0, -1 и +1 соответственно, а их сумма равна нулю:

'п → 'р- + 'е+ + ν.

В свободном состоянии нейтроны и антинейтроны распадаются на протоны и антипротоны, обратная ситуация не имеет места. Однако внутри ядер протоны иногда спонтанно превращаются в нейтроны (например, в случае фосфора-30). Аналогично в антивеществе антипротоны превращаются в антинейтроны.

Когда протон превращается в нейтрон, образуются позитрон и нейтрино:

р+ → n +'e+ + ν.

Когда же антипротон превращается в антинейтрон, образуются электрон и антинейтрино:

'р- →'n + е- + ν.

В обоих случаях лептонное число сохраняется. Суммируя, можно сказать, что при испускании электрона должно возникать антинейтрино, а при испускании позитрона должно возникать нейтрино, чтобы в конце распада лептонное число равнялось нулю.

Если принимать во внимание нейтрино и антинейтрино, лептонное число сохраняется во всех изученных субатомных процессах. Таким образом, существование нейтрино и антинейтрино не только спасло законы сохранения энергии, импульса и момента количества движения, но и позволило также установить закон сохранения лептонного числа. Поэтому физикам было очень трудно не признать существование этих частиц.

Глава 8. Поиски нейтрино

Поглощение фотонов

До сих пор нейтрино было очень похоже на фотон. Подобно фотону, нейтрино не заряжено, не имеет массы, всегда движется со скоростью света. Обе частицы имеют спин. Спин фотона +1 или -1, тогда как спин нейтрино +1/2 или -1/2 (отличие не очень существенное). Тем не менее между ними существует интересная и даже удивительная разница, понять которую нам помогут следующие рассуждения.

Проследим два события, обращенные во времени. Пусть человек, держащий мяч, бросает его, скажем, на юг. Если же мяч приближается к человеку, двигаясь в обратном направлении, человек поднимает руку и ловит его. В первом случае последовательность событий была такова: 1) человек держит мяч, 2) человек бросает мяч, 3) мяч летит на юг. Движение, обращенное во времени, имело другую последовательность событий: 1) мяч летит на север, 2) человек ловит мяч, 3) человек держит мяч. Все это очень напоминает кинофильм, который сначала прокручивают в одну сторону, а затем в обратную.

Попробуем перенести этот принцип в субатомный мир Если электрон в атоме переходит из возбужденного состояния в менее возбужденное, он излучает фотон видимого света, длина волны которого зависит от разности энергий между двумя возбужденными состояниями атома. Тот же самый атом может поглотить или «поймать» фотон с точно такой же длиной волны, при этом электрон перейдет из менее возбужденного состояния в более возбужденное. Каждый тип атома излучает фотоны определенных длин волн (в зависимости от величины энергии его возбужденных состояний) и при подходящих условиях поглощает фотоны с точно такими же длинами волн.

И все-таки разница между прямым и обращенным во времени событием существует не только в изменении направления и последовательности. Поймать мяч труднее, чем бросить его. Бросая мяч, вы приводите в движение неподвижный предмет, и все зависит только от вас. Располагая своим временем, вы можете удобнее взять мяч, тщательно прицелиться и т. д. Когда же вы ловите мяч, приходится иметь дело с движущимся предметом и зевать некогда. Когда мяч приблизится, его нужно быстро схватить, так как мяч будет оставаться в пределах досягаемости долю секунды. В эту долю секунды вы должны успеть вытянуть руку точно в направлении движения мяча и остановить его. Если вы промахнетесь, мяч пролетит мимо.

То же самое происходит и с атомом, излучающим фотон. Такой атом испускает фотон за время, которое в среднем составляет около 10-8 сек. Следовательно, атом, так сказать, сам распоряжается своим временем и излучает фотон, когда ему удобно.

Чтобы поглотить этот же фотон, атому необходимо 10-8 сек, что является естественным следствием обратимости событий. Но атом не может поглотить фотон без значительных хлопот. Фотон движется со скоростью света и не остается вблизи атома в течение всего промежутка времени 10-8 сек. За такой промежуток времени фотон света пролетает в среднем 300 см. Некоторые фотоны могут пройти большее расстояние, а другие меньшее. Понятно, почему обычно атомам очень трудно поймать фотоны: ведь размер атома значительно меньше этого расстояния! (Точно так же баскетболистам трудно ловить мячи, летящие слишком быстро). Тем не менее, случайно атом может поймать и поглотить фотон.

Все сказанное предполагает, что фотон не имеет собственных размеров; хотя на самом деле его размеры довольно велики. Типичный фотон видимого света имеет длину волны около 1/20 000 см. На этой длине укладывается в ряд около тысячи атомов. Фотон видимого света можно представить как некую сферу, диаметр которой в тысячу раз больше диаметра атома, а объем в 1000000000 раз больше объема атома. В любой момент времени фотон света соприкасается приблизительно с миллиардом атомов, один из которых ухитряется поймать и поглотить его.

Следовательно, глубина, на которую фотон проникает в вещество до поглощения, не 300 см, а в миллиард раз меньше, т. е. 3·10-7 см.

На таком расстоянии умещаются в ряд не более 10–15 атомов. Это означает, что фотон света до момента поглощения проникает в вещество не глубже, чем на 10–15 атомарных слоев. Толщина в 10–15 атомов — сущий пустяк в обычных масштабах, поэтому большинство твердых веществ даже в виде тонких пленок непрозрачны для света (хотя золотую фольгу можно сделать настолько тонкой, что она станет прозрачной).

Чем короче длина волны света, тем меньше фотон, тем меньше атомов соприкасается с ним в любой момент времени и, следовательно, тем больший путь он проходит через вещество до поглощения. Именно по этой причине ультрафиолетовый свет проникает в кожу человека глубже, чем видимый свет; рентгеновские лучи свободно проходят через мягкие ткани тела и останавливаются только более плотным веществом костей; а γ-лучи пронизывают плотное вещество на много сантиметров. (Конечно, видимый свет проходит значительное расстояние в таких веществах, как стекло или кварц, не говоря уже о большинстве жидкостей, но все это является предметом отдельного рассмотрения).

Поглощение нейтрино

Постараемся теперь использовать все вышесказанное применительно к нейтрино и антинейтрино. Запишем еще раз реакцию распада нейтрона, в результате которой образуется протон, электрон и антинейтрино:

п → р+ + е- + 'ν.

Предположим, что при подходящих условиях возможен обратный процесс, в котором протон, захватывая электрон и антинейтрино, становится нейтроном. Тогда обратная реакция выглядела бы так:

р+ + е- + 'ν → п.

Естественно, протон должен поймать электрон и антинейтрино одновременно, что очень сильно уменьшает вероятность успешного завершения процесса. (Это равносильно тому, чтобы просить баскетболиста поймать одной рукой одновременно два мяча, летящих на него с разных сторон.)

Для упрощения задачи изменим порядок обращения. Любой процесс, в котором происходит поглощение электрона, можно заменить процессом, в результате которого рождается позитрон. (Подобное правило существует в алгебре: вычитание -1 равносильно прибавлению +1.) Другими словами, вместо одновременного поглощения электрона и антинейтрино протон может поглотить антинейтрино и излучить позитрон:

р+ + 'ν → п + 'е+.

При таком варианте реакции законы сохранения выполняются. Поскольку протон заменяется нейтроном (оба с барионным числом +1), а антинейтрино заменяется позитроном (оба с лептонным числом -1), законы сохранения барионного и лептонного чисел выполняются.

Остается рассмотреть вероятность поглощения антинейтрино протоном. Период полураспада нейтрона равен 12,8 мин, хотя отдельным нейтронам для распада требуется больше или меньше 12,8 мин. Следовательно, для образования нейтрона при захвате протоном антинейтрино и излучении позитрона требуется в среднем 12,8 мин. Другими словами, антинейтрино поглощается протоном в среднем за 12,8 мин.

Но нейтрино распространяется со скоростью света и за 12,8 мин проходит расстояние 2,3·10^8 км (т. е. путь, приблизительно равный расстоянию от Солнца до Марса). Трудно поверить, что антинейтрино до поглощения способно пройти такое огромное расстояние в твердом веществе, даже если предположить, что объем его равен объему фотона. Но на самом деле антинейтрино значительно меньше атома.

В действительности дело обстоит гораздо сложнее, В случае фотонов поглощение происходит за счет электронов, занимающих большую часть объема атома, а в твердом веществе атомы плотно прилегают друг к другу. Антинейтрино же поглощается протонами, расположенными в атомных ядрах, которые занимают ничтожную часть атома. Антинейтрино, пролетая через твердое вещество, очень редко сталкивается с крошечным ядром. Лишь одну стомиллионную всего времени, в течение которого антинейтрино находится внутри атома, оно бывает настолько близко к протону, что последний может захватить его. Следовательно, для того чтобы у антинейтрино был определенный шанс быть пойманным протоном, оно должно пройти в твердом веществе путь в сто миллионов раз больший, чем 230 000 000 км. Было установлено, что в среднем антинейтрино должно пролететь в свинце около 3500 световых лет до поглощения.

Естественно, во Вселенной нигде нет слоя свинца толщиной в 3500 световых лет. Вселенная состоит из отдельных звезд, чрезвычайно редко распределенных в пространстве, а диаметр любой звезды значительно меньше одной миллионной светового года. Большинство звезд состоят из вещества, плотность которого значительно меньшей плотности свинца. Исключение составляет сверхплотное вещество сравнительно небольшого ядра звезды. (Во Вселенной имеются и сверхплотные звезды, но они очень малы — не больше планет.) Но задержать антинейтрино не могут даже сверхплотные части звезд. Пролетая через Вселенную в любом направлении, антинейтрино очень редко проходит сквозь звезду и еще реже — сквозь ее сверхплотное ядро. Суммарная толщина звездного вещества, через которое проходит антинейтрино, пролетая из одного конца видимой Вселенной в другой, значительно меньше одного светового года.

Все, что говорилось здесь относительно антинейтрино, применимо, естественно, к нейтрино, и можно, следовательно, утверждать, что нейтрино и антинейтрино практически не поглощаются. Однажды возникнув в каком-то субатомном процессе, они вечно движутся и не подвержены никаким изменениям и влияниям со стороны всего окружающего. Время от времени они поглощаются, но число поглощенных нейтрино ничтожно по сравнению с огромным числом уже существующих и вновь возникающих. Современные знания позволяют нам с уверенностью сказать, что фактически все нейтрино и антинейтрино, возникшие за время жизни Вселенной, существуют и по сей день.

Как же поймали антинейтрино?

Сделанный выше вывод явился не очень приятной новостью. Сколько бы ни выводил физик необходимость существования нейтрино и антинейтрино из законов сохранения, он был бы по-настоящему счастлив, только действительно обнаружив крошечные частицы прямым наблюдением. Но, чтобы продемонстрировать их существование, он должен сначала поймать хотя бы одну частицу, то есть заставить ее провзаимодействовать с какой-нибудь другой частицей, чтобы можно было обнаружить результат этого взаимодействия. А поскольку поймать нейтрино или антинейтрино фактически было невозможно, возникло серьезное сомнение в реальности их существования!

В результате физик спас свое представление о строении Вселенной, которое развивалось на протяжении трех столетий, настаивая на существовании чего-то, что нужно было принять на веру. Он доказывал существование нейтрино на основе своих теорий и спасал свои теории, утверждая существование нейтрино. Получился «замкнутый круг». Причины для сомнений и неопределенности оставались. Было чрезвычайно важно разработать какой-нибудь метод регистрации нейтрино или антинейтрино, если это вообще возможно.

Брешь в почти непроницаемой броне неуловимого нейтрино была пробита с помощью слова «в среднем». Я говорил, что до поглощения антинейтрино в среднем проходит через слой твердого свинца толщиной 3500 световых лет. Но это только в среднем. Некоторые антинейтрино, возможно, проходят более короткий путь, другие — более длинный, и лишь немногие пройдут до поглощения или очень маленькое, или очень большое расстояние. Следовательно, необходимо сосредоточить внимание на бесконечно малой доле антинейтрино, поглощающихся в такой толщине вещества (скажем, несколько метров), которую легко создать в лаборатории. Чтобы этот бесконечно малый процент содержал возможно большее число антинейтрино, необходимо иметь очень мощный источник этих частиц. Таким мощным источником антинейтрино является ядерный реактор. Образующиеся в реакторе избыточные нейтроны рано или поздно распадаются на протоны, электроны и антинейтрино. Когда реактор работает на полную мощность, непрерывно рождается огромное число антинейтрино. В 1953 году группа американских физиков, возглавляемая Клайдом Коуэном и Фредериком Рейнесом, начала опыты по регистрации антинейтрино. В качестве источника частиц они использовали ядерный реактор в Саванна-Ривер, штат Южная Каролина. Этот реактор испускал каждую секунду примерно 10^18 антинейтрино.

Рис. 7. Детектирование антинейтрино.

Для такого несметного числа антинейтрино нужно было создать мишень, богатую протонами. Простейшей естественной мишенью является вода. Каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода, ядра которых представляют собой протоны, и атома кислорода. Коуэн и Рейнес использовали пять баков воды длиной 1,9 м и шириной 1,4 м. Толщина баков была различной (рис. 7). Два тонких бака высотой 7,6 см использовались в качестве мишени. Три других бака высотой 60 см служили детектором. Баки располагали в таком порядке: детектор — мишень — детектор — мишень — детектор. Вода в баках-мишенях содержала небольшое количество растворенного хлористого кадмия. Баки-детекторы содержали раствор сцинтиллятора — вещества, которое излучает часть энергии, полученной им при поглощении субатомной частицы, в виде короткой вспышки света. Такой «двойной сэндвич» из баков располагался на пути потока антинейтрино из реактора. Оставалось только ждать. Если антинейтрино действительно существуют, каждые Двадцать минут (в среднем) одно из них должно поглотиться протоном. Но баки подвергались непрерывному действию космического излучения из межпланетного пространства, бомбардировке частицами, испускаемыми небольшими количествами радиоактивных веществ, находящихся в воздухе, строительных материалах, почве. Вся трудность заключалась в том, чтобы на всем этом фоне событий, происходивших внутри баков с водой, выделить поглощение антинейтрино.

Вначале нежелательный субатомный «шум» не позволял обнаружить поглощение антинейтрино. Постепенно создавалось все более и более эффективное экранирование, чтобы избавиться от нежелательного излучения и частиц. Конечно, антинейтрино никакое экранирование, никакие толщины металла или бетона не могли задержать, и в конце концов «шум» уменьшился до уровня, который уже не скрывал слабый «шепот» очень редких антинейтрино, случайно захваченных протонами. Но этот шепот надо было еще идентифицировать.

При поглощении антинейтрино протоном образуется нейтрон и позитрон — комбинация частиц, которую легко отличить. Как только в одном из баков-мишеней образуется позитрон, он взаимодействует с электроном меньше, чем за одну миллионную секунды, при этом возникает два фотона, каждый из которых имеет энергию 0,51 МэВ. Согласно закону сохранения импульса, два фотона должны разлетаться в точно противоположных направлениях: если один из них из бака-мишени попадает в верхний бак-детектор, то другой должен попасть в нижний бак-детектор. В каждом баке-детекторе возникает вспышка света. Эти вспышки тотчас же автоматически регистрируются сотней или более фотоумножителей, расположенных вокруг баков с водой.

А что же происходит с нейтроном? Обычно он просто блуждает среди молекул воды (которые очень редко поглощают нейтрон), сталкиваясь с ними, пока самопроизвольно не распадется в среднем через 12,8 мин после своего возникновения. Однако ждать так долго ни к чему, так как распад может произойти на несколько минут раньше или позже. Вот здесь-то и приходит на помощь хлористый кадмий в баке-мишени. Нейтрон блуждает до тех пор, пока не столкнется с атомом кадмия, тогда он почти мгновенно поглощается. Происходит это в течение нескольких миллионных долей секунды после аннигиляции позитрона — срок довольно короткий и все же достаточный, чтобы разделить во времени два события: аннигиляцию позитрона и поглощение нейтрона. При поглощении нейтрона атомом кадмия выделяется энергия, которая тотчас излучается в виде трех или четырех фотонов с суммарной энергией 9 Мэв.

Итак, Коуэн и Рейнес наблюдали следующую картину: сначала одновременно появлялись два фотона с энергией 0,5 Мэв каждый, которые регистрировались двумя фотоумножителями на противоположных сторонах баков с водой, затем через несколько миллионных долей секунды следовало одновременное образование трех фотонов с энергией 3 Мэв каждый (иногда четырех фотонов с энергией 2,25 Мэв каждый). Никакое другое субатомное взаимодействие не приводило к такой последовательности событий. И если был зарегистрирован именно такой ход событий, разумно было заключить, что протон поглощает антинейтрино, следовательно, антинейтрино действительно существует.

Но тут в осторожных умах экспериментаторов возникла другая мысль. А что если такая последовательность событий вызвана не одним субатомным взаимодействием, а двумя?

Предположим, что каким-то образом возник позитрон, а через несколько миллионных долей секунды атом кадмия поглотил нейтрон, который существовал независимо от позитрона. В таком случае появление двух, а затем трех фотонов явилось бы результатом не одного взаимодействия (антинейтрино с протоном), а двух совершенно несвязанных взаимодействий. Какое же взаимодействие наблюдали Коуэн и Рейнес?

Экспериментаторы решили проблему, произведя свои измерения сначала с работающим реактором, а затем с выключенным. Если реактор выключить, на баки будет действовать шум, а бомбардировка их потоком антинейтрино прекратится. (На самом деле в окружающем пространстве всегда имеются антинейтрино, но их число намного меньше числа антинейтрино вблизи работающего реактора.) Следовательно, при выключенном реакторе продолжали бы регистрироваться двойные совпадения, а поглощение антинейтрино прекратилось бы.

Оказалось, что с выключенным реактором регистрировалось на 70 событий в день меньше, чем с включенным. Значит, в день поглощалось и регистрировалось 70 антинейтрино (по одному каждые двадцать минут). Результаты эксперимента можно было считать несомненным доказательством, и в 1956 году было сделано сообщение, что спустя целых двадцать пять лет после того, как Паули впервые предсказал существование антинейтрино, такая частица была наконец зарегистрирована. Об этом событии обычно говорят как о «регистрации нейтрино», хотя было зарегистрировано антинейтрино. Однако после того, как «изловили» антинейтрино, физики считают, что существование нейтрино не вызывает сомнения.

Глава 9. Нейтринная астрономия

Антинейтрино и Земля

Как только было доказано существование нейтрино, перед учеными встал вопрос о роли нейтрино во Вселенной. Другими словами, возникло новое направление в науке — нейтринная астрономия.

Мощным естественным источником нейтрино во Вселенной являются радиоактивные атомы. Радиоактивные превращения нестабильных изотопов, имеющих такой большой период полураспада, что они не распались за время существования Земли, почти всегда сопровождаются возникновением β-частиц или α-частиц. Но ни один из естественных радиоактивных атомов, находящихся в земной коре, не излучает позитроны. Это означает, что естественная радиоактивность порождает только антинейтрино, причем одно антинейтрино сопровождает каждую β-частицу.

Естественное образование β-частиц на Земле происходит благодаря распаду главным образом атомов трех типов: урана-238, тория-232 и калия-40. Уран-238, последовательно распадаясь, превращается в конечном счете в свинец-206, испуская в процессе распада восемь α-частиц и шесть β-частиц. При последовательном превращении тория-232 в свинец-208 излучается семь α-частиц и четыре β-частицы. При переходе калия-40 в кальций-40 возникает одна β-частица.

Расчеты, проведенные с учетом разности масс этих атомов, их периода полураспада и распространенности в земной коре, показали, что в каждом килограмме вещества земной коры образуются 7330 β-частиц в секунду (6200 — за счет урана-238, 800 — калия-40 и 330 — тория-232).

Вклад остальных радиоактивных атомов (включая очень редко встречающийся уран-235) так мал по сравнению с перечисленными, что им можно пренебречь. С каждой β-частицей излучается антинейтрино, следовательно, каждый килограмм земной коры непрерывно излучает 7330 антинейтрино, а вся земная кора излучает около 1,75·10^26 антинейтрино в секунду.

Эти оценки относятся, конечно, только к земной коре. Уран, торий и калий очень распространены в поверхностных слоях Земли, но они имеются и в более глубоких слоях планеты, которые также участвуют в рождении антинейтрино.

Однако оценки содержания перечисленных элементов в глубоких слоях Земли очень грубые и вряд ли их нужно учитывать при расчетах.

Приблизительно половина всех антинейтрино излучается в направлении к центру Земли и, следовательно, проходит через Землю. Если предположить, что антинейтрино распределяются равномерно по объему Земли, окажется, что в любой части Земли объемом 40 см^3 в течение секунды непременно находится одно антинейтрино. Средний объем тела человека равен 70 000 см^3, следовательно, каждую секунду через него проходит около 1750 антинейтрино.

Мы этого, естественно, не замечаем, так как антинейтрино не взаимодействует с атомами нашего тела. За семьдесят лет жизни человека имеется приблизительно только один шанс из миллиарда, что какой-нибудь протон его тела поглотит антинейтрино. Через Землю антинейтрино проходят с такой же легкостью, как и через наши тела, и количество поглощенных частиц ничтожно по сравнению с числом антинейтрино, проходящих через нее беспрепятственно.

Нейтрино и Солнце

Рассмотрим теперь термоядерные реакции, происходящие внутри звезд. В звездах, подобных нашему Солнцу, энергия образуется за счет превращения водорода в гелий. Детали превращения могут быть различны, но общим в реакции синтеза является превращение четырех ядер водорода (каждое с зарядом +1) в ядро гелия (с зарядом +2).

В процессе реакции, в соответствии с законом сохранения заряда, образуются два позитрона, каждый из которых несет заряд +1. Таким образом, заряд в начале и в конце реакции равен +4. Четыре ядра водорода в начале реакции имеют суммарное нулевое лептонное число, как ядро гелия в конце ее. Однако каждый позитрон имеет лептонное число -1, поэтому для компенсации суммарного лептонного числа позитронов одновременно с ними должны возникнуть два нейтрино, каждое из которых имеет лептонное число +1. Следовательно, при исчезновении двух атомов водорода на Солнце возникает одно нейтрино (но не антинейтрино).

Полное число нейтрино, образующихся на Солнце, зависит от полного числа сгоревших ядер водорода. В реакции синтеза гелия из водорода 0,71 % массы превращается в энергию, и, как я уже говорил, Солнце каждую секунду теряет 4 600 000 г своей массы. Если эта потеря массы составляет 0,71 % общей массы водорода, превращающегося в гелий каждую секунду, полная масса водорода, участвующего в реакции, равна 650 000 000 т. Но в 650 000 000 т водорода содержится 3,6·10^38 протонов. Следовательно, каждую секунду на Солнце рождаются 1,8·10^38 нейтрино. Таким образом, число нейтрино, образующихся на Солнце каждую секунду, почти в триллион раз больше числа антинейтрино, возникающих за одну секунду в земной коре, следовательно, наша Вселенная содержит частиц больше, чем соответствующих античастиц. Во Вселенной, состоящей из антиматерии, в процессе естественной радиоактивности возникали бы нейтрино, а при ядерном синтезе — антинейтрино. В такой Вселенной антинейтрино были бы более распространены, чем нейтрино.

Итак, энергия Солнца излучается в пространстве в основном в форме фотонов и нейтрино, а не одних фотонов, причем большая часть энергии уносится фотонами и только не более 5 % уносится нейтрино. Следует отметить, что фотоны и нейтрино уносят эту энергию по-разному. Фотоны, возникающие в чрезвычайно горячем центре Солнца, где процессы ядерного синтеза протекают при температуре около 15 000 000 °C, легко поглощаются окружающим веществом. Прежде чем снова поглотиться, они проходят расстояние порядка одного сантиметра, затем они излучаются, потом снова поглощаются и т. д. Поэтому свой путь через 600 000 км солнечного вещества от центра Солнца к поверхности фотоны проходят очень медленно. По этой причине солнечное вещество — превосходный теплоизолятор и поверхность Солнца имеет температуру только 6000 °C. Конечно, по земным стандартам там довольно жарко, но нужно принять во внимание, что поверхность с температурой 6000 °C находится на расстоянии лишь немногим более 600 000 км от вещества с температурой 15 000000 °C!

Нейтрино, однажды возникнув, уносится со скоростью света, практически не поглощаясь веществом Солнца (за исключением чрезвычайно незначительного числа случаев). Независимо от того, в каком направлении от центра Солнца вылетает нейтрино, оно будет на его поверхности через три секунды. Затем оно вылетит в межпланетное пространство и достигнет Земли за восемь минут (если оно вылетело в нужном направлении). Оно свободно пролетит через Землю самое большее за 1/25 сек и продолжит свое бесконечное путешествие по Вселенной.

Конечно, нейтрино Солнца разлетаются по различным направлениям и все, за исключением ничтожной части их, пролетают мимо Земли, которая представляет собой очень маленькую мишень на таком большом расстоянии от Солнца. Тем не менее, Земля получает от Солнца 8·10^28 нейтрино в 1 сек. Это приблизительно в 450 раз больше числа антинейтрино, испускаемых радиоактивными элементами земной коры, а каждый квадратный сантиметр площади поперечного сечения Земли получает 6·10^10 нейтрино каждую секунду.

Солнечная активность является источником большей части получаемых нами нейтрино. Помимо того, на Землю попадают нейтрино от других звезд, но последние настолько далеки от нас, что их нейтрино имеют очень маленькую плотность в околоземном пространстве, поэтому очень немногие из них достигают Земли. (Другими словами, Земля представляет собой значительно меньшую мишень для нейтрино, летящих с альфа Центавра чем для нейтрино Солнца.)

Охота за нейтрино

Если Солнце представляет собой столь щедрый источник нейтрино, почему бы не изловить их, скажем, так же, как были пойманы антинейтрино?

При поглощении антинейтрино протоном образуются нейтрон и позитрон. Когда же нейтрон поглощает нейтрино, происходит как бы зеркальная реакция, при которой образуются протон и электрон, т. е.

ν + п → р++ е-.

В случае антинейтрино ученые были вынуждены выбрать мишень, богатую протонами, а в последнем случае— богатую нейтронами. Тогда как отдельные протоны легко собрать в виде водорода или химических соединений, содержащих водород, как, например, вода. К сожалению, отдельные нейтроны в больших количествах собрать нельзя. Поэтому пришлось иметь дело с атомными ядрами, содержащими большое количество нейтронов. Бруно Понтекорво предложил использовать хлор-37, который составляет одну четвертую всех атомов хлора. Его ядро содержит 17 протонов и 20 нейтронов. Если один из нейтронов захватит нейтрино, он превратится в протон (и излучит электрон), после чего ядро будет иметь 18 протонов и 19 нейтронов и станет ядром аргона-37. Чтобы сделать большую мишень из нейтронов ядер хлора, можно было бы использовать газообразный хлор или, лучше, жидкий хлор, так как жидкость в данном объеме содержит больше молекул (каждая молекула состоит из двух атомов хлора). Однако хлор — коррозионноактивный газ с сильными токсическими свойствами, а сжижение его представляет большие трудности.

Вместо этого используют органические вещества, содержащие хлор. (Нет оснований сомневаться, что в ядерных реакциях участвуют не только свободные атомы, но и атомы, находящиеся в молекулах.) Обычно используют четыреххлористый углерод, молекулы которого состоят из одного атома углерода и четырех атомов хлора, или тетрахлорэтилен, состоящий из двух атомов углерода и четырех атомов хлора. При комнатной температуре — это жидкости, совершенно безопасные при обычных предосторожностях. (Их часто используют при химической чистке.)

Если атом хлора, который является частью молекулы тетрахлорэтилена, поглощает нейтрино и превращается в атом аргона, его связь с молекулой нарушается, так как атомы аргона не вступают в химическую связь с другими атомами. Таким образом, поглощение нейтрино приводит к образованию свободных атомов аргона из атомов хлора, связанных в молекуле. Свободные атомы аргона в конце концов соберутся в крошечные пузырьки газа.

Немногочисленные атомы аргона можно зарегистрировать лишь благодаря их радиоактивности. Хлор-37 — абсолютно стабильный атом, а аргон-37 — неустойчив, и его обнаруживают даже в малых количествах по особой форме его радиоактивности.

Вид радиоактивности удается установить, если концентрация радиоактивных атомов достаточно велика. Для того чтобы повысить концентрацию аргона, баки после нескольких недель облучения (когда радиоактивных атомов накопится нужное количество) продувают газообразным гелием. Гелий (газ, очень похожий на аргон) увлекает за собой атомы аргона, а после того, как они растворятся в гелии, их легче регистрировать.

С помощью хлор-аргоновой методики американский физик Раймонд Дэвис доказал, что в действительности существуют и нейтрино, и антинейтрино (как это и следовало из закона сохранения лептонного числа).

Предположим, что существуют не две такие частицы, а только одна, и что нейтрино, подобно фотону, является своей собственной античастицей. Тогда во всех субатомных процессах эта частица выступала бы в роли нейтрино и одновременно антинейтрино. Например, если мы обнаружили частицу, которая поглощается протоном, образуя позитрон и нейтрон, та же самая частица должна поглощаться атомом хлора, образуя атом аргона. Первая реакция характерна для антинейтрино, вторая — для нейтрино, и если нейтрино и антинейтрино — одна частица, она одновременно выполняет обе функции.

Ядерный реактор излучает частицы, которые поглощаются протонами. Следовательно, — это антинейтрино. Могут ли те же самые частицы превратить атомы хлора в атомы аргона?

В 1956 году Девис установил баки с тетрахлорэтиленом около реактора и не обнаружил такой реакции, т. е. антинейтрино, существование которых было доказано Коуэном и Рейнисом, по-видимому, не могли выполнять функции нейтрино. Значит, должна существовать другая частица со свойствами нейтрино. Таким образом, закон сохранения лептонного числа был подтвержден.

Следующий этап состоит в непосредственном обнаружении солнечных нейтрино. Для регистрации последних были построены нейтринные телескопы, которые состоят из огромных баков, содержащих 450 000 л или более тетрахлорэтилена, расположенных глубоко под землей. (Дэвис работает в серебряном руднике на глубине полутора километров.) В 1965 году Рейнесом, проводившим исследования в золотом руднике в Южной Америке, за девять месяцев было обнаружено семь нейтрино из межпланетного пространства.

На первый взгляд кажется странным, что астрономические наблюдения должны проводиться глубоко под землей, но это имеет определенный смысл. Через слой земли толщиной в полтора километра проникает очень слабый субатомный «шум». Космические лучи экранируются, и остается лишь «шум», связанный со следами радиоактивных веществ в породах, окружающих шахту. А солнечные нейтрино могут совершенно свободно попасть в бак с тетрахлорэтиленом, хотя он расположен на полуторакилометровой глубине. (С такой же легкостью они могли бы попасть в бак, если бы он находился даже в центре Земли.)

Детектирование солнечных нейтрино имеет огромное значение. Фотоны Солнца проходят невероятно запутанный путь через солнечное вещество, и это путешествие очень сильно изменяет их свойства. Нейтрино же доходят до нас непосредственно из центра.

Зная энергии нейтрино, физики, вероятно, сумеют выяснить характер реакций синтеза, протекающих на Солнце. Энергия образующихся нейтрино зависит от последовательности реакций, в результате которых водород превращается в гелий. Зная энергетический спектр нейтрино, можно определить эту последовательность, которая позволит вычислить внутреннюю температуру Солнца и другие его характеристики. Короче говоря, нейтринная астрономия дает нам возможность «заглянуть» прямо в центр Солнца и узнать много интересного.

Сверхновые звезды и нейтрино

За последние десятилетия астрономы достаточно подробно разработали теории ядерных процессов, протекающих в ядрах старых звезд. Наше Солнце не принадлежит к этой категории звезд. Хотя возраст его исчисляется пятью или шестью миллиардами лет, оно все еще молодо; оно все еще превращает посредством термоядерного синтеза свои обширные запасы водорода в гелий. Звезды, синтезирующие водород, очень устойчивы и существуют многие миллиарды лет без значительного изменения.

В процессе водородного синтеза в центре звезды образуется гелиевое ядро, объем и температура которого все время возрастают. Когда температура увеличивается до определенной величины, становятся существенными ядерные процессы, которые раньше не имели особого значения. Например, при температуре центра Солнца 15 000 000 °C атомы гелия редко участвуют в реакции синтеза. Однако, когда температура достигает 100 000 000 °C, три ядра гелия все чаще начинают сливаться, образуя ядра углерода. Звезда переходит в стадию «гелиевого синтеза» (рис. 8, а).

Внутри гелиевого ядра образуется новое углеродное ядро, и температура в центре его продолжает расти. При температуре 600 000 000 °C из углерода начинает синтезироваться магний. При 2 000 000 000 °C атомы магния образуют серу, а при 4 000 000 000 °C из атомов серы синтезируется железо. (На каждой стадии имеется также несколько сложных побочных реакций.)

Когда звезда начинает сжигать гелий и образует все более и более сложные ядра, она вступает в свою последнюю стадию (см. рис. 8, б). В реакциях синтеза ядер из гелия выделяется сравнительно мало энергии. В реакции синтеза водорода при образовании каждого ядра гелия выделяется энергия 27,5 Мэв, а при переходе от гелия к железу энергия, выделяющаяся при сгорании одного атома гелия, составляет менее 9 Мэв.

Это означает, что звезда, прошедшая стадию водородного синтеза, уже израсходовала приблизительно 2/3 всех имевшихся запасов ядерной энергии. Последующие изменения должны протекать все быстрее и быстрее, чтобы выделялось достаточно энергии и температура звезды становилась больше и больше. Звезда может перейти от стадии магниевого синтеза к стадии синтеза серы за столетие или даже меньше.

Когда начинает образовываться железо (см. рис. 8, в) звезда вступает в последнюю стадию своего развития поскольку речь идет о термоядерных реакциях, так как ядра железа очень компактны и содержат минимум энергии. Чтобы ядро железа превратить в более сложное ядро при помощи реакции синтеза или в менее сложное посредством реакции деления, необходим приток энергии.

Рис. 8. Эволюция звезды.

Астрономы предполагают, что единственным источником такой энергии может быть только гравитационное поле. Так возродилась теория Гельмгольца о гравитационном сжатии как источнике излучения, но в сильно измененной и более катастрофической форме. Для получения энергии, необходимой для превращения железа обратно в гелий, гравитационное сжатие (коллапс) должно произойти с феноменальной скоростью, т. е. менее чем за день звезда должна сжаться до крошечных размеров.

В результате внезапного и быстрого коллапса вещество звезды сжимается до такой степени, что ядра подходят друг к другу значительно ближе, чем в обычном веществе. Звезда становится белым карликом, состоящим из вырожденного вещества, плотность которого достигает сотен тонн в 1 см^3. В процессе коллапса сильно сжимается и вещество во внешних областях, где еще имеются остатки исходного горючего звезды и даже водорода. Когда это горючее сжимается, его температура резко возрастает и мгновенно начинается термоядерная реакция. Так образуется сверхновая — звезда, которая за короткое время излучает энергию со скоростью, во много миллионов раз превышающей скорость излучения обычной звезды. В течение нескольких недель она может излучать энергию, как целая галактика обыкновенных звезд.

Не исключено, что гигантская катастрофа сверхновой играет важную роль во Вселенной. В настоящее время астрономы считают, что в молодости Вселенная состояла только из водорода. Более сложные атомы вплоть до железа медленно образовывались в центрах звезд. Каждая сверхновая благодаря огромному количеству мгновенно освобождаемой энергии могла бы образовать ядра более сложные, чем железо, а затем, взрываясь, рассеять все образовавшиеся атомы в пространство. Благодаря сверхновым, которые взрывались с начала образования Вселенной, вещество, распределенное между звездами, сравнительно богато тяжелыми атомами. Звезды, медленно образующиеся из этого межзвездного вещества (которое когда-то было веществом более ранних звезд), называются вторичными. Вторичные звезды сравнительно богаты тяжелыми атомами, хотя в результате процессов, происходящих в ядрах этих звезд, они не образуются. Такой вторичной звездой является наше Солнце, а Земля существует в своем теперешнем виде только потому, что составляющие ее атомы образовались когда-то в звездах, которые давным-давно взорвались, и если они еще и существуют, то только в виде белых карликов, затерянных в безграничных просторах Вселенной.

По относительной концентрации различных ядер во Вселенной астрономы пытаются понять, какие реакции протекают в центрах звезд на различных этапах, стараясь обосновать все еще не подтвержденную гипотезу эволюции звезд.

Появление сверхновой — довольно редкое явление. Подсчитано, что в любой галактике за тысячу лет появляется только три сверхновых. Полагают, что за последнюю тысячу лет в нашей галактике — Млечном Пути возникли три сверхновых звезды, причем последняя появилась в 1604 году, как раз перед изобретением телескопа.

В наши дни сверхновая может возникнуть в любой момент, и нам остается только надеяться, что к этому времени в области нейтринной астрономии ученые добьются определенных успехов.

После опубликования работ американских физиков Филиппа Моррисона и Хонг-Йи Цзу из Принстонского университета появилась надежда, что это время не за горами. В поисках новых ядерных взаимодействий, которые объяснили бы этапы звездной эволюции, они исследовали характер электрон-позитронного взаимодействия. Обычно такое взаимодействие приводит к образованию двух фотонов γ-лучей. Однако имеется небольшой шанс, что вместо γ-квантов образуются нейтрино и антинейтрино, т. е.

е- + 'е+ → ν + 'ν.

В такой реакции выполняются все законы сохранения. Сохраняется электрический заряд (так как -1 + 1 = = 0 + 0), сохраняется и лептонное число (так как 1–1 = 1–1).

В обычных условиях образование нейтрино при электрон-позитронном взаимодействии чрезвычайно маловероятно. На каждую возникшую таким образом пару нейтрино-антинейтрино приходится по крайней мере 10^20 пар фотонов. Поэтому, казалось бы, этим источником нейтрино можно пренебречь.

В центре звезды условия совсем необычные. Когда в процессе эволюции центр звезды становится все горячее и горячее, условия становятся все менее и менее обычными.

Основываясь на теоретических соображениях, Моррисон и Цзу подсчитали, что при возрастании температуры количество пар нейтрино — антинейтрино, образующихся при электрон-позитронных взаимодействиях, становится все больше и больше. Кроме того, фотоны достаточно долго удерживаются в центре звезды, а нейтрино и антинейтрино за несколько секунд покидают звезду.

С помощью пар нейтрино — антинейтрино происходит утечка энергии из звезд, и чем старше звезда, тем больше эта утечка. К тому времени, когда температура ядра звезды достигает 600 000 000 °C, половина энергии ее излучается в виде нейтрино и антинейтрино. При температуре выше 600 000 000 °C звезду с полным основанием можно называть нейтринной.

Такие звезды близки к последней стадии сжатия сверхновой, причем излучение нейтрино, по-видимому, способствует этому коллапсу. Когда температура достигает предельного значения 6 000 000 000 °C и в центре звезды образуется ядро из атомов железа, не способное больше производить ядерную энергию, нейтрино образуется в таком количестве, что звезда начинает катастрофически быстро терять свою энергию. Цзу подсчитал, что при такой температуре нейтрино могут унести все внутренние запасы энергии звезды в течение одного дня. Но внутренние запасы энергии звезды препятствуют ее сжатию под действием собственного гигантского гравитационного поля. Поэтому, как только все внутренние запасы энергии перейдут в нейтринное излучение, звезде остается только сжаться, и тогда возникает сверхновая.

Если эти расчеты верны, появлению сверхновой предшествует необычайно сильное излучение нейтрино, которое продолжается не более нескольких столетий, и нейтринный телескоп обнаружил бы, что некоторые части неба являются такими сильными источниками нейтрино. (По расчетам Цзу, каждые 10—100 сек телескоп регистрировал бы одно нейтрино от источника, находящегося на расстоянии тысячи световых лет.) Эти источники предупреждали бы нас о появлении сверхновой (или катастрофах другого типа).

До сих пор сверхновые изучались только после их взрыва. Если нейтринная астрономия позволит изучать сверхновые непосредственно перед взрывом, можно будет получить массу информации о внутренних областях звезд. Волнение и радость астрономов будут неописуемы.

Вселенная и нейтрино

На самом деле нейтринная астрономия, вероятно расскажет нам даже о более общих свойствах Вселенной. Как я уже говорил, в обычной Вселенной преобладают нейтрино, во Вселенной из антивещества должны преобладать антинейтрино. Какова же плотность нейтрино во Вселенной? Ответить определенно на этот вопрос пока нельзя, хотя кое о чем мы догадываемся.

В любой части Вселенной существуют огромные потоки нейтрино, поскольку все звезды излучают нейтрино (или антинейтрино, если звезда состоит из антивещества), которые фактически никогда не поглощаются. Эти потоки являются свидетелями событий, которые происходили в течение всей истории Вселенной и происходят в настоящее время.

Вполне возможно, что «нейтринный фон» Вселенной имеет свои характерные особенности. Если бы мы обладали способностью видеть нейтрино, мы обнаружили бы, что во Вселенной фактически ничего нет, кроме нейтрино, а все остальные частицы являются, так сказать, незначительными примесями, которые кажутся нам преобладающими во Вселенной только потому, что мы не ощущаем фон. Как только мы начнем регистрировать случайные нейтрино, мы многое узнаем о Вселенной и ее истории, о которой сейчас только догадываемся или вообще даже не подозреваем.

Очевидно, в первую очередь необходимо измерить относительное число нейтрино и антинейтрино, которые доходят до нас из всей Вселенной. Если будут обнаружены только нейтрино, будет доказано, что наша Вселенная состоит из обычного вещества с незначительной примесью антивещества. Если же продолжать настаивать на том, что антивещество существует в равных количествах с веществом (согласно законам сохранения барионного и лептонного чисел), тогда, возможно, это антивещество нельзя обнаружить, и оно образует отдельную «Антивселенную».

Если нейтрино и антинейтрино будут обнаружены приблизительно в одинаковых количествах, значит, Вселенная состоит приблизительно из равных количеств вещества и антивещества. В этом случае нетрудно будет обнаружить отдельные галактики и антигалактики, заметив, откуда именно вылетают нейтрино и антинейтрино.

Если же, напротив, будут зарегистрированы потоки, в основном состоящие из антинейтрино, большая часть Вселенной, следовательно, состоит из антивещества. В таком случае Млечный Путь, в котором находится наше Солнце, — одна из немногих галактик, состоящих из обычного вещества.

Великие открытия нейтринной астрономии — в будущем, а пока можно придумывать самые невероятные вещи. Например, в 1962 году на основе чисто математических соображений было высказано предположение, что нейтрино могут путешествовать в прошлое [17].

Подчас новые факты не укладываются в рамки наших представлений. В том же 1962 году было сделано открытие, связанное с нейтрино, которое было неожиданным и довольно удивительным, хотя и не относилось к путешествию сквозь время.

Глава 10. Ядерное поле

Отталкивание внутри ядра

К 1932 году стало ясно, что ядра состоят исключительно из протонов и нейтронов. От более ранних теорий, которые утверждали, что в ядре находятся электроны, отказались. Хотя это решило сразу много проблем, возник вопрос, которого не было раньше.

До сих пор физики понимали, что удерживает нуклоны вместе. Когда же электрон перестали включать в состав ядра, эта уверенность пропала.

Все протоны несут положительные заряды и поэтому отталкиваются друг от друга. Присутствие в ядре электронов привело бы к появлению сил притяжения, так как протоны и электроны, несущие разноименные заряды, притягиваются друг к другу. Следовательно, электроны играли бы роль «ядерного цемента». С другой стороны, электрически нейтральные нейтроны не притягивают и не отталкивают протоны и, казалось бы, не могут служить таким ядерным цементом.

Отталкивание между протонами достаточно велико. В 1785 году Кулон (по имени которого впоследствии назвали единицу заряда) выразил силу отталкивания между двумя положительно заряженными телами следующим уравнением:

F = (q_1 · q_2) / d^2,

где q_1 и q_2 — электрический заряд двух тел в электростатических единицах, a d— расстояние между их центрами в см. Тогда F представляет собой силу отталкивания, выраженную в динах.

Электрический заряд каждого протона равен 4,80298·10-10 электростатических единиц. Внутри ядра два соседних протона фактически соприкасаются друг с другом, и, следовательно, расстояние между их центрами приблизительно равно 10-13 см. Если подставить эти числа в уравнение Кулона, окажется, что два протона внутри ядра отталкиваются друг от друга с силой около 2,4·10^7 дин.

Можно ли противодействовать столь сильному отталкиванию? В начале 30-х годов было известно только два типа сил: одна возникла в результате электромагнитного взаимодействия (например, отталкивание между двумя протонами), другая — гравитационного взаимодействия [18]. Насколько нам известно, гравитационное взаимодействие всегда приводит к притяжению. Значит, два протона кроме электромагнитного отталкивания испытывают также гравитационное притяжение. Может ли это гравитационное притяжение уравновесить электромагнитное отталкивание?

В 1687 году Ньютон выразил закон всемирного тяготения в такой же форме, в какой Кулон выразил свой закон сто лет спустя. Согласно закону Ньютона, два тела притягиваются друг к другу с силой, определяемой из следующего равенства: F = G (m_1m_2)/ d^2,

где т_1 и m_2 — массы тел, a d — расстояние между их центрами, см. Величина G называется гравитационной постоянной.

Ньютон не знал величины G. Она была определена только в 1798 году (семьдесят лет спустя после смерти Ньютона) английским физиком Генри Кавендишем. Наиболее точное значение G в системе СГС, полученное в настоящее время, равно 6,670 · 10-8 дин·см^2/г^2.

Масса каждого протона чрезвычайно мала, всего 1,67252·10-24 г. Расстояние между двумя протонами внутри ядра по-прежнему равно 10-13 см. Подставив все эти величины в правую часть уравнения Ньютона, мы сможем определить величину F, т. е. силу гравитационного притяжения между двумя протонами в динах. Она оказывается очень мала — всего 1,86·10-29 дин.

Другими словами, электромагнитное взаимодействие, стремящееся оттолкнуть протоны друг от друга, в сотни тысяч триллионов раз больше гравитационного взаимодействия, которое стремится их сблизить. Поэтому не удивительно, что при рассмотрении поведения субатомных частиц гравитационным взаимодействием пренебрегают.

Мы сами, однако, в обычной жизни сильно ощущаем действие гравитации. Объясняется это тем, что имеется только гравитационное притяжение, а гравитационного отталкивания нет. В случае электромагнитных взаимодействий наряду с двумя типами электрических зарядов существуют притяжение и отталкивание, которые могут нейтрализовать друг друга. Обычно суммарный электрический заряд любого значительного по размерам тела близок к нулю. Например, суммарные электрические заряды Земли и Солнца равны нулю, и электромагнитное взаимодействие между ними отсутствует.

Гравитационное взаимодействие, наоборот, с увеличением размеров тела становится более заметным. При увеличении массы слабые притяжения накапливаются без нейтрализации. Для тел с размерами планет и звезд гравитационное притяжение становится огромным. Поэтому, постоянно ощущая земное притяжение, мы неправильно думаем, что гравитационное взаимодействие сильное, в действительности же оно невероятно слабое.

Притяжение внутри ядра

Если при рассмотрении атомных ядер пренебречь гравитационными взаимодействиями и учитывать только электромагнитные, трудно объяснить существование ядра. Частицы, из которых оно состоит, не могли бы соединиться из-за колоссальных сил отталкивания между протонами; но даже если бы они каким-то образом все же соединились, они немедленно разлетелись бы, как при взрыве огромной силы. При этих условиях существовали бы только ядра водорода, состоящие из одного протона (или в некоторых случаях из протона и нейтрона).

И все же образовались, существуют и остаются стабильными все типы сложных ядер. Ядро урана-238 содержит 92 протона, находящихся в чрезвычайно тесном контакте друг с другом, тем не менее распадается оно чрезвычайно медленно, а ядро свинца с 82 протонами, так сказать, устойчиво, вечно.

Если факты противоречат теории, ее следует изменить. Если протоны связаны внутри ядра, должно быть притяжение, которое удерживает их вместе; притяжение, которое сильнее электромагнитного отталкивания. Следовательно, существуют ядерные взаимодействия, которые создают необходимое притяжение. Можно даже предсказать некоторые свойства ядерного взаимодействия. Во-первых, как отмечалось, оно должно быть сильнее электромагнитного и должно создавать притяжение между двумя протонами (а также между протоном и нейтроном и между двумя нейтронами). Во-вторых, ядерное взаимодействие должно действовать только на очень коротких расстояниях.

Электромагнитное и гравитационное взаимодействие обнаруживаются на значительном расстоянии. Каждая единица электрического заряда является как бы центров электромагнитного поля, которое простирается во всем направлениях и постепенно уменьшается с расстоянием. Аналогично каждая единица массы является центром гравитационного поля.

Напряженность каждого из этих полей обратно пропорциональна квадрату расстояния между взаимодействующими телами. Если, например, расстояние между протонами увеличится в два раза, гравитационное притяжение и электромагнитное отталкивание уменьшатся в четыре раза. Несмотря на такое ослабление, оба поля действуют на больших расстояниях. Например, Земля находится под действием гравитации Солнца, несмотря на то что их разделяет расстояние в 150 000 000 км. Значительно более удаленная планета Плутон также удерживается Солнцем, а Солнце, в свою очередь, удерживается на огромной орбите вокруг центра Галактики. Следовательно, электромагнитное и гравитационное поля вполне можно назвать «дальнодействующими».

Ядерные взаимодействия, рождающиеся в ядерном поле, изменяются однако не обратно пропорционально квадрату расстояния. Под действием ядерного поля два протона притягиваются друг к другу с большой силой, пока фактически не соприкоснутся. Но на расстояниях, превышающих размеры атомного ядра, притяжение, вызванное ядерным полем, слабее отталкивания за счет электромагнитного поля; поэтому везде, за исключением внутренних областей ядра, два протона отталкиваются.

Действительно, если атомное ядро имеет необыкновенно большие размеры, ядерное притяжение не в состоянии скомпенсировать электромагнитное отталкивание между протонами по всему объему ядра, и оно стремится развалиться. Именно такие ядра со сложной структурой испытывают α-распад, а иногда подвергаются даже более радикальному распаду, который мы называем «делением». Ядерное поле убывает обратно пропорционально не квадрату, а приблизительно седьмой степени расстояния. Если расстояние между двумя протонами увеличивается вдвое, притяжение между ними уменьшается не в 4 раза, а в 128 раз. Это означает, что поле внутри ядра в сотни раз сильнее электромагнитного, а вне ядра им можно пренебречь.

В 1932 году Гейзенберг (впервые предложивший протон-нейтронную модель ядра) разработал теорию, согласно которой взаимодействия полей осуществляются посредством обмена частицами. Например, притяжение и отталкивание в электромагнитном поле происходят в результате обмена фотонами между телами, испытывающими притяжение или отталкивание, иначе говоря, с помощью так называемых обменных сил. Если соображения Гейзенберга применимы и к ядерному полю, протоны и нейтроны ядра должны обмениваться некоторой частицей, чтобы между ними возникло необходимое притяжение, удерживающее их вместе.

Что это за частица? Почему она создает короткодействующую силу? И снова ответ (как и многие другие ответы в ядерной физике) возник при рассмотрении законов сохранения, но с совершенно новой точки зрения.

Принцип неопределенности

До сих пор мы предполагали, что законы сохранения выполняются строго. Мы не сомневались в этом, ибо могли доказать, что если, скажем, энергия или импульс возникли или исчезли даже в очень малых количествах, имели место явления, которые в действительности не наблюдались. Допустим, вы не удовлетворены простым утверждением, что законы сохранения должны выполняться точно, и пытаетесь проделать измерения, чтобы доказать это утверждение. Однако при измерении любого свойства системы вы вынуждены связать себя с системой. Следовательно, вы неизбежно как-то воздействуете на нее; а это, в свою очередь, искажает измерения.

Что происходит, например, при измерении температуры горячей воды? Обычно эту температуру измеряют, помещая в чашку термометр. Термометр нагревается до температуры воды, которую определяют по высоте ртутного столбика. Однако при нагревании термометр отбирает тепло у воды, которая слегка охлаждается, поэтому измеренная температура не равна температуре воды до погружения в нее термометра.

Аналогичный пример — измерение давления воздуха внутри автомобильной шины. Небольшой измерительный прибор вводится в клапан, и воздух выталкивает внутренний цилиндр прибора. Давление измеряют по степени выталкивания цилиндра. Но при этом некоторая часть воздуха выходит из шины, и измеренное давление не равно в точности давлению внутри шины перед измерением Подобная неточность возникает при любом измерении. Поэтому метод измерения выбирают обычно достаточно точный, чтобы избежать заметного изменения измеряемых величин.

А можно ли вообще настолько улучшить технику измерения, чтобы абсолютно точно определить измеряемое свойство системы? Естественно, этому мешает несовершенство приборов и человеческих органов чувств. Но, предположим, нас интересует принципиальная постановка вопроса при условии, что существуют абсолютно точные приборы и совершенные органы чувств. Можно ли тогда получить совершенно точные значения? В этом случае используемые приборы должны быть очень чувствительными и очень маленькими по сравнению с системой, свойства которой измеряются. Так, крошечный термометр будет поглощать очень мало тепла, а крошечный манометр будет терять очень мало воздуха. Чем меньше измерительный прибор, тем меньше он влияет на измерение, тем точнее измерение.

Предельно точное измерение получится при предельно маленьком измерительном приборе. Если такого прибора нет, невозможно и предельно точное измерение.

Конечно, самыми точными мыслимыми приборами являются субатомные частицы, и они, казалось бы, достаточно малы для любой степени точности. Но при переходе в субатомный мир, используя в качестве приборов субатомные частицы, мы сталкиваемся с измерением свойств объектов, которые сами чрезвычайно малы. Следовательно, наши приборы имеют такую же величину, как и объекты измерения, и поэтому, производя точное измерение, мы неизбежно сталкиваемся со значительными трудностями.

Допустим, необходимо измерить импульс электрона, чтобы в итоге выяснить, выполняется ли точно закон сохранения импульса для системы, частью которой он является. С этой целью направим пучок фотонов в направлении движения электрона. Время от времени один из фотонов сталкивается с электроном и отскакивает от него. Зная направление, в котором возвращается отскочивший фотон, и время, за которое он прошел путь туда и обратно, можно определить положение электрона в любой момент времени. Проделав такую операцию несколько раз, мы узнаем его положение в различные моменты времени и из полученных данных рассчитываем его скорость и импульс. Единственная неприятность состоит в том, что фотон имеет, вероятно, такие же размеры, как электрон, и когда он сталкивается с электроном, тот отскакивает. Путь, который проходит электрон под обстрелом фотонов, существенно отличен от пути, который он проходил бы в отсутствие фотонов. Поэтому, хотя положение электрона в различные моменты времени известно с большой точностью, никакого представления о его скорости в отсутствие фотонов нет.

Попытаемся обойти эту трудность, используя фотоны со все меньшей и меньшей энергией, которые настолько слабы, что существенно не изменят движение электрона В этом случае можно было бы надеяться рассчитать и определить точное положение и импульс электрона К сожалению, чем меньше энергия фотона, тем больше длина его волны, а чем больше длина волны, тем реже он отскакивает от электрона. Более вероятно, что вместо этого фотон обогнет электрон и отскочит от него, если это вообще случится, совершенно в другом направлении. В результате, чем точнее определяется импульс, тем труднее становится судить о положении электрона.

В 1927 году Гейзенберг после тщательного анализа установил, что импульс любой частицы можно определить с какой угодно точностью; но чем точнее определяется импульс, тем менее точно известно положение частицы, и наоборот, чем точнее определяется положение частицы, тем менее точно определяется импульс. Гейзенберг показал, что неточность в определении импульса (которая называется «неопределенностью» импульса и обозначается Δр), умноженная на неточность или неопределенность положения (Δx), всегда больше некоторой фиксированной величины для любой системы, будь то электрон или Солнце. Он получил соотношение

ΔрΔx ≥ h/2π,

где знак ≥ означает «больше или равно», π (греческая буква «пи») — хорошо известная постоянная, равная приблизительно 3,14159, a h — величина, называемая постоянной Планка. Это уравнение выражает собой принцип неопределенности Гейзенберга.

Постоянная Планка, впервые полученная им в 1900 году, когда он разрабатывал теорию квантов, является очень маленькой величиной (в настоящее время принято считать ее равной 6,6256·10-27 эрг·сек). Величина h/2π равна почти точно 10-27 эрг·сек. Следовательно, уравнение принципа неопределенности имеет вид

ΔрΔx ≥ 10-27.

Таким образом, теоретический предел точности в действительности очень мал. Теоретически — если бы имелись достаточно маленькие приборы и совершенные органы чувств — можно было бы одновременно определить положение объекта с точностью менее одной триллионной сантиметра, а его импульс — с точностью менее одной триллионной грамм-сантиметра в секунду. Такая точность измерений вполне достаточна (и даже более чем достаточна) в нашей повседневной жизни или даже в обычном микромире, где точность зависит только от нас. Однако в мире атома и субатомных частиц принцип неопределенности принципиально ограничивает точность данных, получаемых нами. В субатомном мире одна триллионная сантиметра — значительная величина, и, если электрон локализован с меньшей точностью, его положение фактически неопределенно. Если же его местоположение определено более точно, неопределенность его импульса становится соответственно больше, неточность 10-18 г·см/сек при определении величины импульса электрона является уже неприемлемо большой.

Когда был впервые сформулирован принцип неопределенности, многих физиков (включая и Альберта Эйнштейна) обеспокоила мысль о том, что имеется неизбежный предел наших знаний о Вселенной. Справедливость принципа неопределенности означает, что природа ведет «нечестную игру». Однако принцип неопределенности оказался очень полезным. Физики-теоретики смогли объяснить, каким образом атомы поглощают и излучают энергию, предположив, что все частицы обладают волновыми свойствами, причем чем легче частица, тем заметней эти свойства. Электрон, являющийся самой легкой частицей, должен особенно отчетливо проявлять волновые свойства, и они на самом деле были обнаружены в 1927 году (в том же году, когда был сформулирован принцип неопределенности). Раз электрон обладает волновыми свойствами, нельзя говорить о его точном положении, словно это крошечный бильярдный шарик, так как он не является таковым. Принцип неопределенности, парадоксальный, если электрон представлять в виде крошечного бильярдного шарика, стал единственной возможностью придать электронной волне какой-то смысл.

Поскольку принцип неопределенности оказался очень важным при детальном исследовании ядерного поля, я поведу свой рассказ в этом направлении, чтобы со временем вернуться к нейтрино.

Принцип неопределенности и законы сохранения

В 1930 году на конгрессе физиков в Брюсселе Эйнштейн пытался доказать ошибочность принципа неопределенности. Сделать это ему не удалось. Соображения которые он привел, чтобы доказать несостоятельность принципа неопределенности, как показал датский физик Нильс Бор, были ошибочны, и Эйнштейн, так сказать, высек самого себя.

В процессе дискуссии Эйнштейн показал, что, если принцип неопределенности верен, его можно выразить через неопределенность энергии Δе, умноженную на неопределенность времени Δt, по аналогии с соотношением Гейзенберга, т. е.

ΔеΔt ≥ 10-27.

Согласно эйнштейновской версии принципа неопределенности, чем точнее мы определяем энергию системы, тем менее точно знаем момент времени, в который энергия действительно имеет это определенное значение, и наоборот.

В обычных условиях энергию системы определяют в течение достаточно длинного отрезка времени, поэтому можно в принципе определить ее с большой точностью и убедиться, что закон сохранения энергии выполняется с такой же большой точностью.

А если необходимо определить энергию системы в течение, скажем, одной триллион-триллионной доли секунды? В этом случае время нужно определить по крайней мере с такой же степенью точности, следовательно, неопределенность энергии будет очень большой. В этом случае нельзя сказать, имеет ли система такую энергию, которую она «должна» иметь согласно закону сохранения энергии, так как из-за неточности измерения энергия системы может быть значительно больше или значительно меньше истинного значения.

Предположим, школьнику запрещается в любое время неучтиво относиться к строгому учителю под страхом суровой порки. Есть ли у учителя основания считать, что мальчишка не высовывает язык каждый раз, когда он поворачивается к нему спиной? Учитель может обернуться и не увидеть высунутого языка, так как ученик спрячет язык быстрее, чем учитель повернется. Неважно, поймает учитель мальчишку или нет. Если мальчишка высунет свой язык, он нарушит правила вне зависимости от того, будет ли он пойман или нет. Значит, практически правило для школьника означает не «Быть вежливым», а «Никогда не быть пойманным за невежливость». Если учитель не заметит высунутого языка, у него не будет основания наказать мальчишку.

Аналогично закон сохранения энергии требует, чтобы система имела определенное фиксированное значение энергии вне зависимости от того, как ее измеряют. А если энергию системы нельзя измерить точно, нельзя с чистой совестью утверждать, что ее величина должна быть именно такой.

Короче говоря, закон сохранения энергии мы должны формулировать следующим образом: «Полная энергия замкнутой системы остается постоянной в пределах принципа неопределенности». При этой, более разумной формулировке закон сохранения энергии в его абсолютном смысле может «нарушаться» в течение короткого промежутка времени, и чем он короче, тем сильнее его можно нарушить.

Эту довольно гибкую версию закона сохранения энергии использовали при детальном рассмотрении ядерного поля, для объяснения существования атомных ядер элементов тяжелее водорода. В начале 30-х годов над этой проблемой работал японский физик Хидэки Юкава, опубликовавший свои результаты в 1935 году. Он предположил, что ядерное поле создает сильное притяжение с помощью обменной частицы. Самим своим существованием эта частица нарушает старую, доквантовую формулировку закона сохранения энергии. Значит, она существует только в течение очень короткого времени, дозволенного ей принципом неопределенности.

Предположим, что нейтрон или протон испускает частицу, которой в обычных условиях не хватает энергии, чтобы вылететь из нейтрона или протона. Такая частица должна быстро поглотиться за время, определяемое принципом неопределенности. Эту частицу, называемую виртуальной, которая испускается и тут же поглощается, нельзя зарегистрировать никаким прибором.

Если виртуальная частица возникает внутри ядра и движется со скоростью света, она проходит расстояние от одного нуклона до другого и обратно приблизительно за 5·10-24 сек. Если этот промежуток времени рассматривать как неопределенность во времени Δt, из эйнштейновской версии принципа неопределенности можно подсчитать неопределенность энергии протона Δе, испускающего виртуальную частицу. Эта величина равна приблизительно 0,0002 эрг или 125 Мэв, что эквивалентно массе приблизительно равной 250 массам электрона.

Другими словами, если бы протон излучал частицу в 250 раз тяжелее электрона, ее нельзя было бы зарегистрировать за время, меньшее чем 5·10-24 сек. В течение этого промежутка времени протон может нарушить закон сохранения энергии в пределах 250 электронных масс, но в течение этого времени частица способна долететь до следующего нуклона и вернуться обратно. Если бы виртуальная частица была значительно легче, ее нельзя было бы зарегистрировать в течение значительно большего периода времени, и она вылетела бы за пределы ядра на значительное расстояние. Тогда ядерное поле проявилось бы вне ядра, чего на самом деле не наблюдается. С другой стороны, если бы виртуальная частица была более чем в 250 раз тяжелее электрона, у нее не хватило бы времени долететь до соседнего нуклона и нуклоны не могли бы удерживаться вместе в ядре.

Так, в 1935 году Юкава предсказал, что ядро устойчиво благодаря ядерному полю, которое существует за счет непрерывного испускания и поглощения частиц с массой, приблизительно в 250 раз большей массы электрона. А принцип неопределенности объяснил, почему ядерное поле имеет такой маленький радиус действия.

Глава 11. Мюоны

Открытие мезона

Пока обменные частицы не найдены и их существование не продемонстрировано каким-либо образом, они остаются не более чем теоретическим вымыслом. Мы знаем, что виртуальная частица остается виртуальной толь-ко потому, что системе, из которой она возникает, не хватает энергии, чтобы сделать ее реальной. Если же системе сообщить энергию, которая превратилась бы в массу частицы, последняя находилась бы тогда вне сферы действия принципа неопределенности, и ее можно было бы обнаружить. Однако для этого атомному ядру необходимо сообщить по крайней мере 125 Мэв, а в начале 30-х годов получать такие энергии еще не умели. В то время единственным источником больших энергий были космические лучи, бомбардирующие Землю из межпланетного пространства. Энергия некоторых космических частиц достигает сотен и миллиардов мегаэлектронвольт. (Максимальные энергии космических частиц остаются недостижимыми даже сейчас, когда построены огромные ускорители, способные создавать пучки субатомных частиц с энергиями 30 000 Мэв и выше.)

Теперь известно, что частицы космических лучей представляют собой голые атомные ядра, которые медленно ускоряются за время своего длинного путешествия через межзвездное пространство (по-видимому, за счет переменных магнитных полей звезд и галактик). (Поскольку вещество Вселенной состоит в основном из водорода и гелия, не удивительно, что космические лучи содержат приблизительно 78 % протонов (ядра водорода), 20 % α-частиц (ядра гелия) и 2 % более тяжелых ядер.

Положительно заряженные ядра представляют собой первичное излучение. Когда частицы первичного излучения попадают в атмосферу Земли, их огромные энергии приводят к ряду изменений в ядрах, с которыми они сталкиваются. Из ядер выбиваются быстрые частицы, образующие вторичное излучение. Было бы не удивительно, если бы вторичное излучение состояло из быстрых электронов и фотонов большой энергии, но некоторые свойства этого излучения свидетельствуют против.

Физики, исследовавшие космические лучи в начале 30-х годов, строили догадки (совершенно независимо от теории ядерного поля Юкавы) о существовании частиц тяжелее электрона, но легче протона. Такие частицы с промежуточной массой были нужны для объяснения данных, полученных в процессе исследования космических лучей. В 1935 году, вскоре после того, как была опубликована теория Юкавы, Андерсон (который тремя годами раньше открыл позитрон) занимался исследованием космических лучей на Пайк-Пике (штат Колорадо). В следующем году, изучая полученные фотографии, он обнаружил треки с кривизной, которую следовало бы ожидать от частиц с промежуточной массой. Частица оказалась приблизительно в 207 раз тяжелее электрона. Андерсон назвал ее мезотроном, от греческого слова mesos, что означает промежуточный, но название быстро сократили до слова мезон, которое и стало общепринятым.

Вначале думали, что частица Андерсона является обменной частицей Юкавы, хотя масса ее была меньше, чем предсказывал Юкава. К сожалению, данные противоречили этому. Сама природа ядерного поля предполагала что обменная частица Юкавы должна очень интенсивно и быстро взаимодействовать с любым нуклоном, встречающимся на ее пути. Поэтому она не сможет глубоко проникнуть в вещество, так как первое же встречное ядро поглотит ее. Однако оказалось, что частица Андерсона легко проникает в вещество, проходя, например, сквозь слой свинца значительной толщины. При этом она сталкивается со многими ядрами и не поглощается ими, значит, она не является ядерной обменной частицей.

Горечь разочарования исчезла в 1948 году благодаря работе группы английских физиков, возглавляемой Сеслом Фрэнком Пауэллом, которая изучала космические лучи на больших высотах в Боливийских Андах. Они зарегистрировали частицы, более тяжелые, чем мезоны Андерсона, частицы, имеющие массу приблизительно в 270 раз больше массы электрона.

Новая частица обладала массой, близкой к предсказанной Юкавой, и достаточно интенсивно взаимодействовала с веществом. Ядерной обменной частицей оказался мезон Пауэлла, а не Андерсона. Так была подтверждена теория Юкавы и доказано существование ядерного поля.

Пауэлл назвал свою частицу π-мезоном, а частица Андерсона — первый открытый мезон — впоследствии была названа μ-мезоном.

Со времен были открыты другие типы мезонов и стало очевидно, что все субатомные частицы можно разделить на три группы, а не на две. Кроме лептонов и барионов появились мезоны.

Сильные и слабые взаимодействия

Открытие ядерного поля не разрешило сразу все нерешенные проблемы. Возникло недоумение по поводу времени взаимодействия мезона. Пролетая мимо ядра практически со скоростью света, π-мезон находится все же достаточно близко от него и в течение не более 10-23 сек испытывает влияние очень короткодействующего ядерного поля. За этот ультракороткий промежуток времени π-мезон тем не менее имеет возможность взаимодействовать с ядром.

Разумно предположить, что все мезонные взаимодействия должны протекать одинаково быстро. В частности, следовало бы ожидать, что π-мезоны и μ-мезоны в свободном состоянии распадутся за время не более 10-23 сек. Однако изолированный π-мезон распадается на более легкие частицы в течение приблизительно 2,55·10-8 сек. А изолированный μ-мезон живет еще дольше, распадаясь на более легкие частицы за 2,212 ·10-6 сек.

Интервалы времени в десяти- и стомиллионные доли секунды кажутся нам предельно короткими, но в субатомных масштабах времени они чрезвычайно велики. Предположим, теория утверждает, что некая частица распадается за одну секунду, хотя обнаружено, что некоторые частицы живут сто миллионов, а другие десять миллиардов лет. Мы были бы удивлены этими огромными временами жизни, не так ли? А ведь время 10-23 сек, в течение которого, согласно теории, должен жить π-мезон, и 2,55·10-8 сек, которые он живет в действительности, находятся в таком же отношении друг к другу, как одна секунда и сто миллионов лет.

Необходимо было предположить, что не одно ядерное поле ответственно за все мезонные взаимодействия, а два, одно из которых сильнее другого. Одно поле приводит к сильным взаимодействиям, как, например, взаимодействие π-мезона с ядром, а другое является причиной слабых взаимодействий в ряде распадов π-мезонов и μ-мезонов. Распад нейтрона разумно отнести к слабым взаимодействиям.

Если π-мезон является обменной частицей для сильных взаимодействий, должна, вероятно, существовать обменная частица и для слабых взаимодействий. Ферми разработал теорию слабых взаимодействий, для которой, по-видимому, необходима такая обменная частица. Иногда ее называют w-частицей (от английского слова weak — слабый). Согласно теории, w-частица, по-видимому, имеет большую массу в свободном состоянии. Она намного тяжелее протона, но время жизни ее только 10-17 сек, что составляет приблизительно одну миллиардную времени жизни π-мезона. Поэтому ее не так-то легко зарегистрировать.

В настоящее время физики различают четыре типа полей, ответственных за все протекающие во Вселенной процессы. Это два ядерных поля: электромагнитное и гравитационное. Ядерное поле сильных взаимодействий — наиболее мощное из всех полей, оно в сотни раз сильнее электромагнитного. Поле слабых взаимодействий в сто миллиардов раз слабее электромагнитного но во много триллионов раз сильнее гравитационного поля. Насколько известно, гравитация остается пока наиболее слабой силой в природе [19].

Тяжелый электрон

В 50-х годах μ-мезон становился все более и более загадочной частицей. В отличие от π-мезона, нужного для устойчивости ядер, он не играет никакой существенной роли, которую физики могли бы понять до конца. Более того, он постепенно теряет свою индивидуальность и становится все более и более похожим на разновидность электрона.

Это может показаться странным, так как наиболее отличительные свойства μ-мезона и электрона совершенно различны. Во-первых, μ-мезон в 207 раз тяжелее электрона, во-вторых, в то время как электрон — стабильная частица, μ-мезон нестабилен, он распадается за 2,212 ·10-6 сек.

И все же ряд свойств электрона и μ-мезона совпадают:

1) заряд электрона равен -1, а его античастицы, позитрона, + 1. В этом отношении μ-мезон похож на электрон. У него есть две разновидности: отрицательный μ-мезон, который, подобно электрону, имеет заряд -1 и является частицей, и положительный μ-мезон, который, подобно позитрону, имеет заряд +1 и является античастицей. Отрицательный μ-мезон изображается символом μ-, а положительный μ-мезон, являющийся античастицей, символом 'μ+;

2) в природе не существует «нейтрального электрона», т. е. нет незаряженной частицы с массой электрона. Точно так же нет и «нейтрального μ-мезона»;

3) спины электрона и позитрона равны +1/2 или -1/2. Такие же значения имеют спины отрицательного и положительного μ-мезонов.

4) электрон и позитрон никогда не участвуют в сильных взаимодействиях, зато принимают участие в слабых, как и положительный и отрицательный μ-мезоны;

5) наконец, магнитные свойства электрона и позитрона фактически совпадают с магнитными свойствами отрицательного и положительного μ-мезонов.

Важно ли различие в массе и стабильности μ-мезона и электрона, если они во многом так похожи?

Что касается различия в стабильности, им можно вообще пренебречь. Я уже говорил, что в субатомных масштабах время жизни 0,000002212 сек чрезвычайно велико. Это время находится в таком же отношении ко времени, характерному для сильных взаимодействий, как десять миллиардов лет к одной секунде. Событие, продолжающееся десять миллиардов лет, практически «вечно» по сравнению с событиями, длящимися одну секунду. Аналогично в субатомных масштабах времени μ-мезон существует практически «вечно», и разница между его временем жизни и действительно бесконечным временем жизни электрона и позитрона незначительна.

А вот различие масс μ-мезона и электрона остается загадочным. Тяжелые частицы участвуют как в слабых, так и в сильных взаимодействиях, в то время как легкие частицы, очевидно, участвуют только в слабых взаимодействиях. Граница проходит через π-мезон; π-мезон— самая легкая из известных тяжелых частиц, участвующая в сильных взаимодействиях.

Однако μ-мезон, масса которого составляет примерно 3/4 массы π-мезона, не участвует в сильных взаимодействиях. Он участвует только в слабых взаимодействиях. Почему же, несмотря на свою массу, он не способен участвовать в сильных взаимодействиях? Увы, до сих пор на этот вопрос нет ответа. Почему отрицательный (μ-мезон в сущности так похож на электрон, а положительный μ-мезон — на позитрон? И если μ-мезоны действительно просто «тяжелые электроны», то почему их масса именно в 207 раз больше массы электрона — не больше и не меньше? До сих пор физики не получили ответа ни на один из этих вопросов.

Поскольку нам приходится рассматривать μ-мезоны как более тяжелые электроны и позитроны, то они должны считаться лептонами и подчиняться закону сохранения лептонного числа. Отрицательному μ-мезону, подобно электрону, приписали лептонное число +1, а положительному μ-мезону, подобно позитрону, -1. Физики установили, что при таком выборе во всех субатомных процессах с участием μ-мезонов закон сохранения лептонного числа выполняется. А поскольку μ-мезон является лептоном, чтобы не впадать в заблуждение, его назвали мюоном. Конечно, существуют отрицательные и положительные мюоны.

Что касается π-мезона, он оправдывает свое название. Прежде всего он и не лептон, и не барион. Если ему приписать нулевые лептонное и барионное числа, то во всех субатомных процессах с участием π-мезона законы сохранения лептонного и барионного чисел будут выполняться. Тем не менее, по аналогии с мюоном π-мезон стали все чаще и чаще называть пионом. Пион существует в двух зарядовых состояниях: положительный пион (π+), являющийся частицей, и отрицательный пион ('π-), представляющий собой античастицу. В отличие от электрона и мюона пион может существовать и в виде незаряженной частицы — нейтрального пиона (π^0), которая немного легче заряженного пиона — ее масса в 264 раза больше массы электрона, а живет она значительно меньшее время, распадаясь в течение 1,9·10-16 сек. Особенно необычно то, что нейтральный пион, подобно фотону, является своей собственной античастицей.

Если мюон только более тяжелая разновидность электрона, он должен дублировать его функции в атоме, что наблюдается в действительности. Электрон, находящийся во внешних областях атома, можно представить как частицу, вращающуюся вокруг атомного ядра по определенным орбитам, или как волну, имеющую определенные энергетические состояния. При определенных условиях отрицательные мюоны на короткое время занимают место электронов в атомах. (А положительные мюоны, вероятно, могут занять место вращающихся позитронов в атомах антивещества.) Атом, в котором отрицательный мюон замещает электрон, называется мезоатомом.

Конечно, разница масс мюона и электрона приводит к некоторым изменениям. Момент количества движения частицы, вращающейся вокруг ядра, кроме всего прочего зависит от массы частицы и ее расстояния от ядра.

Так как мюон в 207 раз тяжелее электрона, расстояние его от ядра должно быть меньше, чтобы при замене электрона мюоном момент количества движения не менялся.

В очень тяжелых атомах, внутренние электроны которых расположены близко к ядру, отрицательный мезон может так близко вращаться вокруг ядра, что почти вся его орбита будет находиться внутри ядра. Это обстоятельство еще раз показывает, насколько слабо он взаимодействует с протонами и нейтронами. (И снова мюон напоминает электрон, который тоже слабо взаимодействует с нуклонами. В противном случае ядро поглотило бы электроны и вещество в обычном его виде не существовало бы.)

Если мюон в мезоатоме представить в виде волны, имеющей определенные энергетические состояния, из-за большой массы энергия этих уровней соответственно выше, чем у электрона, а расстояние между соседними уровнями соответственно больше. Фотоны, излучаемые при переходе мюона в мезоатоме с одного энергетического уровня на другой, тоже имеют соответственно большую энергию, так что излучение мезоатомов находится в области рентгеновских лучей, в то время как обычные электронные атомы излучают видимую и ультрафиолетовую части спектра.

Конечно, мезоатомы так же нестабильны, как и мюоны, ибо когда мюон распадается в течение примерно одной миллионной доли секунды, атомное ядро заменяет его обычным электроном.

Глава 12. Мюонное нейтрино

Распад пиона

Если мюон действительно просто тяжелый электрон, при взаимодействии частиц он должен в точности копировать поведение электрона Например, отрицательный пион распадается, образуя отрицательный мюон, а положительный пион — положительный мюон, причем образование этих мюонов походит на рождение электронов. А поскольку электрон (или позитрон) рождается вместе с антинейтрино (или нейтрино), не будут ли возникать эти частицы и при образовании мюонов? Оказывается, нейтрино и антинейтрино действительно появляются при распаде мюонов, и мы можем записать:

'π-→ μ-+ 'ν

π+→'μ++ ν.

В обоих случаях суммарное лептонное число продуктов распада равно нулю. Закон сохранения лептонного числа требует, чтобы лептонное число частиц перед распадом также было равно нулю. До распада существовали только отрицательный и положительный пионы, которым по этим соображениям следует приписать нулевые лептонные числа. По-видимому, из взаимодействия следует, что «закон сохранения мезонного числа» не существует, так как при распаде пиона мюон исчезает бесследно. Но физики и не стремятся приспособить свои теории к закону сохранения мезонов. В этом смысле их вполне устраивает естественное положение вещей.

Однако возникает законный вопрос: почему пион распадается только на мюон, если мюон является просто тяжелым электроном? Почему при распаде не образуется электрон? Оказывается, такой распад иногда имеет место.

В 1958 году было обнаружено, что один пион из 7000 распадается на электрон, а не на мюон:

'π-→ e-+ 'ν,

π+→'e++ ν.

Почему мюоны и электроны образуются не в одинаковом количестве? Прежде всего, из-за разницы в массах. Мюон во много раз тяжелее электрона, поэтому почти вся энергия, освобождающаяся при распаде пиона, идет на образование массы, и только незначительная ее часть превращается в кинетическую энергию. В результате возникший мюон имеет скорость порядка 40 000 км/сек. При образовании электрона только очень незначительная часть энергии распада превращается в массу и электрон вылетает со скоростью более 290 000 км/сек, что очень близко к скорости света.

При создании теории слабых взаимодействий Ферми показал, что вероятность рождения мюона, а не электрона при распаде пиона зависит, в частности, от скорости образующейся частицы. Чем ближе скорость частицы к скорости света, тем меньше вероятность ее рождения. Именно поэтому медленный мюон образуется чаще, чем быстрый электрон.

Если не учитывать разности масс, можно сказать, что для любого известного взаимодействия частиц с участием электронов (или позитронов) имеются аналогичные взаимодействия, в которых участвуют отрицательные (или положительные) мюоны.

А одинаковы ли нейтрино и антинейтрино, образующиеся вместе с электронами и мюонами?

Вначале, когда сходство между электронами и мюонами не принимали во внимание и мюон считали особой частицей, не похожей на электрон, не было оснований думать, что легкие нейтральные частицы, образующиеся при рождении мюона, должны быть обязательно нейтрино. Было известно, что мюон намного тяжелее электрона, и поэтому казалось разумным предположить, что легкая нейтральная частица, возникающая вместе с ним, тяжелее невесомого нейтрино, но, несомненно, легче нейтрона. Поэтому некоторое время частицу с промежуточной массой физики называли «нейтретто». Подозревали даже, что она тяжелее электрона.

При более внимательном изучении «нейтретто» было обнаружено, что величину ее массы следует уменьшать и уменьшать. Все больше начинало казаться, что эта частица, подобно нейтрино, не имеет массы. Поэтому, когда было установлено сходство мюона и электрона, ничего не стоило предположить, что рождение мюона и электрона сопровождается нейтрино, одинаковыми в обоих случаях.

Сохранение электронного и мюонного чисел

Однако, если нейтрино, сопровождающее возникновение электрона, идентично нейтрино, сопровождающему рождение мюона, появляется новый вопрос в связи с распадом мюона. При распаде отрицательного мюона образуется электрон, а при распаде положительного — позитрон. Кроме того, в первом случае должно было бы возникнуть антинейтрино, а во втором — нейтрино:

μ-→ e-+ 'ν, 'μ+→'e++ ν.

Можно заметить, что с лептонным числом творится что-то неладное. Отрицательный мюон имеет лептонное число +1, а лептонные числа электрона и антинейтрино + 1 и -1 соответственно, т. е. их суммарная величина равна нулю. С другой стороны, положительный пион имеет лептонное число -1, а позитрон и нейтрино — лептонные числа -1 и +1 соответственно, следовательно, их суммарное значение тоже равно нулю.

Нарушается ли закон сохранения лептонного числа? Или следует мюону приписать нулевое лептонное число? Ни одна из этих возможностей неприемлема для физиков, ибо вызвала бы больше вопросов, чем решила. Проще всего выйти из положения, если предположить, что при распаде мюона возникает еще третья частица.

Допустим, при распаде отрицательного мюона рождается не только электрон и антинейтрино, но еще и нейтрино, а при распаде положительного мюона — позитрон, нейтрино и антинейтрино, т. е.

μ-→ e-+ 'ν + ν,

'μ+→'e++ ν + 'ν.

Таким образом, если вначале был отрицательный мюон с лептонным числом +1, после распада будут три частицы с лептонными числами +1, -1 и +1 и их сумма равна +1. Если вначале был положительный мюон с лептонным числом -1, после распада возникнут три частицы с лептонными числами -1, +1 и -1, и их сумма равна -1. Так, не лишая мюона принадлежности к лептонам, мы одновременно спасли закон сохранения лептонного числа.

Но не все еще ясно. Присутствие нейтрино и антинейтрино среди продуктов распада мюона приводит к новой проблеме.

Обычно частица и античастица при достаточном сближении, аннигилируют, излучая фотоны соответствующей энергии. Возможно, нейтрино и антинейтрино аннигилируют с меньшей вероятностью, чем обычные частицы и античастицы, но такая аннигиляция должна происходить, даже если это редкое явление. Тогда время от времени отрицательный мюон распадался бы на электрон и фотоны, а положительный мюон — на позитрон и фотоны, а фотоны легко было бы зарегистрировать. Однако их нет. Почему?

Одна теория, предложенная для объяснения отсутствия фотонов, заставляла отказаться от существования w-частицы. Если w-частица не существует, распад мюонов на электроны и фотоны должен был происходить так редко, что его нельзя было бы обнаружить. Однако w-частица часто используется в теории, и физики начали искать другое объяснение.

Объяснение появилось в 1957 году и сводилось к предположению, что нейтрино и антинейтрино, возникающие при распаде мюона, на самом деле не являются настоящими частицей и античастицей. Иными словами, электрон при распаде образует один сорт нейтрино, которое можно назвать электронным нейтрино νe (ему соответствует электронное антинейтрино 'νe), а мюон образует нейтрино другого сорта — мюонное нейтрино νμ, (которому соответствует мюонное антинейтрино 'νμ).

Рассмотрим теперь распад мюона в новом свете. Отрицательный мюон распадается на электрон и электронное антинейтрино. Следовательно, третья частица, образующаяся при распаде отрицательного мюона, должна быть мюонным нейтрино. Поэтому электронное антинейтрино и мюонное нейтрино не аннигилируют, так как они не являются комбинацией частица — античастица. По тем же соображениям положительный мюон распадается на позитрон, электронное нейтрино [20] и мюонное антинейтрино. Запишем распады мюонов в следующем виде:

μ-→ e-+ 'νe+ νμ,

'μ+→'e++ νe+ 'νμ.

Нетрудно заметить, что при такой записи лептонное число сохраняется, а кроме того, возникает возможность сформулировать два более узких закона сохранения. Разделим все лептоны на электронное и мюонное семейства. Семейство электронов включает электрон, позитрон, электронное нейтрино и электронное антинейтрино. Электрон и электронное нейтрино имеют электронное число +1 каждый, а позитрон и электронное антинейтрино — соответственно -1 каждый. К семейству мюонов относят ся отрицательный мюон, положительный мюон, мюонное нейтрино и мюонное антинейтрино. Отрицательный мюон и мюонное нейтрино должны иметь мюонное число +1, а положительный мюон и мюонное антинейтрино — мюонное число -1. (Фотон, оставшийся лептон, не принадлежит ни к одной из этих групп, и его электронное и мюонное числа равны нулю. Точно так же будет обстоять дело с мезонами и барионами. Более того, частицы из семейства электронов будут иметь нулевые мюонные числа, и наоборот.)

Уравнения, описывающие распад мезона и образование двух разных нейтрино, иллюстрируют закон сохранения электронного числа и закон сохранения мюонного числа, которые утверждают соответственно, что суммарное значение электронного числа и суммарное значение мюонного числа замкнутой системы остаются постоянными.

Рассмотрим сначала распад отрицательного мюона, имеющего мюонное число +1 и нулевое электронное число. При распаде образуются три частицы: электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино, мюонные числа которых равны 0, 0 и +1 соответственно, а электронные числа равны +1, -1 и 0 соответственно. Таким образом, мюонное и электронное числа сохраняются. Аналогично можно показать, что мюонное и электронное числа сохраняются и в случае распада положительного мюона.

Эти законы справедливы для некоторых рассмотренных ранее взаимодействий с участием электронов и мюонов если при этом учесть различие двух типов нейтрино. Распад нейтрона происходит при участии электронного антинейтрино:

n→p++ e- + 'νe.

Нетрудно видеть, что электронное и мюонное числа равны нулю в начале и в конце распада.

Отрицательный пион распадается на отрицательный мюон и антинейтрино мюонного типа или на электрон и антинейтрино электронного типа:

'π-→ μ-+ 'νμ,

'π-→ e-+ 'νe .

Мюонное и электронное числа пиона равны нулю. В первом распаде пиона отрицательный мюон и антинейтрино мюонного типа имеют мюонные числа +1 и -1, т. е. их сумма равна нулю. Во втором — электрон и антинейтрино электронного типа имеют электронные числа +1 и -1 соответственно, т. е. их сумма также равна нулю. Те же самые соображения применимы и к распаду положительного пиона.

Физики установили, что в действительности при всех взаимодействиях частиц с участием мюонов или электронов или и тех и других вместе мюонное и электронные числа сохраняются. Конечно, их сумма (лептонное число) также сохраняется. Поскольку более важно сохранение этих чисел в отдельности, а не сохранение их суммы, законом сохранения лептонного числа перестали пользоваться, хотя он никогда не нарушался, и вместо него физики говорят о законах сохранения электронного и мюонного чисел.

Двухнейтринный эксперимент

Законы сохранения электронного и мюонного чисел имеют силу только в том случае, если электронное нейтрино и мюонное нейтрино на самом деле различны по своей природе. К сожалению, нет такого свойства, по которому можно было бы установить это различие. Оба типа нейтрино не имеют ни массы, ни заряда. Спины обоих равны +1/2 или -1/2, и оба имеют античастицы. В чем же тогда заключается их различие?

Физики не решались постулировать различие между электронным и мюонным нейтрино без дополнительного доказательства. Они искали взаимодействие, которое протекало бы по-разному в зависимости от того, одинаковы или различны эти нейтрино. Такой эксперимент был придуман и проведен в 1962 году в лаборатории Брукхейвена. Для проведения эксперимента требовался пучок нейтрино высоких энергий. Его получали при столкновении протонов большой энергии с бериллиевой мишенью, использовавшейся для получения интенсивного пучка положительно и отрицательно заряженных пионов (рис. 9).

Пучок пионов направляли на стену из стальной брони (от старого линкора) толщиной около 13,5 м. Не достигнув стены, приблизительно 10 % весьма нестабильных положительных пионов распадалось на положительные мюоны и мюонные нейтрино, такое же количество отрицательных пионов распадалось на отрицательные мюоны и мюонные антинейтрино. Кроме того, положительные пионы создавали позитроны и электронные нейтрино, а отрицательные пионы — электроны и электронные антинейтрино, но в таком незначительном количестве, что ими можно было свободно пренебречь.

Рис. 9. Рождение нейтрино в двухнейтринном эксперименте.

Когда этот конгломерат частиц сталкивался со стальной стенкой, пионы и мюоны обоих знаков останавливались, а нейтрино мюонного и электронного типов продолжали двигаться в прежнем направлении, проходя 13,5 м стальной брони, как через вакуум. По другую сторону от стальной стены было огорожено место, в котором располагался 10-тонный детектор (искровая камера), очень чувствительный к определенным ядерным процессам. Через искровую камеру проходил непрерывный поток нейтрино и мюонное антинейтрино. Очень редко мюонное нейтрино должно было реагировать с нейтроном, образуя протон и отрицательный мюон (по крайней мере, этого следовало ожидать согласно теории):

νμ+ n→p+ + μ-.

Барионное число при такой реакции сохраняется, так как нейтрон превращается в протон и оба имеют барионное число +1. Кроме того, сохраняется и мюонное число, так как мюонное нейтрино превращается в отрицательный мюон и оба имеют мюонное число +1. Это как раз то, что следовало бы ожидать, если справедлив закон сохранения мюонного числа. Ну, а что было бы в противном случае? Что если мюонное нейтрино совпадает с электронным нейтрино и сохраняется только лептонное число, а не электронное и мюонные числа в отдельности? Тогда мы должны были бы говорить просто о нейтрино, которое при взаимодействии с нейтроном может образовать протон и отрицательный мюон или протон и электрон:

ν+ n→p+ + μ-,

ν+ n→p+ + e-.

Если бы существовал только один тип нейтрино, то, согласно теории, вероятность образования отрицательных мюонов и электронов должна была быть одинакова и оба типа частиц должны были возникать в одинаковых количествах. В этом случае следовало пользоваться только сохранением лептонного числа.

Если же существуют два типа нейтрино, то, поскольку в искровую камеру попадают только мюонные нейтрино, должны возникать только отрицательные мюоны, а образование электронов не имело бы место. Тогда были бы справедливы законы сохранения электронного и мюонного чисел.

К июню 1962 года через искровую камеру прошло примерно сто триллионов нейтрино и было зарегистрировано 51 «событие». (Кроме них были, конечно, события, вызванные космическими лучами и другими косвенными причинами, — всего 480. Все они были идентифицированы и отброшены.) Из 51 события, вызванного нейтрино, каждое приводило к образованию отрицательного мюона и ни одно из них не создавало электрона. (Треки, образованные мюонами и электронами в искровой камере, совершенно непохожи друг на друга и их легко различить.)

Вывод из этого «двухнейтринного эксперимента» сводился к тому, что действительно существуют две разновидности нейтрино и можно смело говорить о законах сохранения электронного и мюонного чисел [21].

Сохранение четности

До сих пор, рассказывая о нейтрино, мы использовали семь законов сохранения: 1) импульса, 2) момента количества движения, 3) энергии, 4) электрического заряда, 5) барионного числа, 6) электронного числа, 7) мюонного числа.

Это не все законы сохранения, используемые физиками-ядерщиками, но, за одним исключением, их вполне достаточно для рассказа о нейтрино. Исключение связано с величиной, называемой четностью и представляющей собой чисто математическое свойство, описать которое наглядно довольно трудно. Для нас вполне достаточно знать, что каждая частица может быть четной или нечетной.

Удобство введения таких терминов состоит в том, что четности складываются так же, как четные и нечетные числа в арифметике. Например, два нечетных числа в сумме всегда дают четное число, два четных числа при сложении тоже дают четное число:

нечетное + нечетное = четное;

четное + четное = четное;

нечетное + нечетное = четное + четное;

Кроме того, нечетное и четное числа при сложении дают нечетное число:

нечетное + четное = нечетное;

нечетное + четное = нечетное + четное.

По-видимому, при взаимодействии частиц независимо от сложности процесса действуют такие же правила. Если нечетная частица распадается на две частицы, то одна из них оказывается нечетной, а другая — четной. Если же четная частица распадается на две частицы, то обе они оказываются либо четными, либо нечетными.

Поскольку эти правила выполняются, говорят о законе сохранения четности, который утверждает, что четность замкнутой системы остается постоянной.

Неприятности появились после открытия K-мезонов (которые иногда называют каонами) в конце 40-х годов. Эти мезоны тяжелее пионов, их масса в 966 раз больше массы электрона, но они в два раза легче нейтрона и протона, K-мезоны распадаются по-разному. Иногда K-мезон распадается на два пиона, а иногда — на три. Два пиона образуют четную группу частиц, а три — нечетную (так как пион — нечетная частица). Чтобы не входить в противоречие с законом сохранения четности, предположили, что имеются два типа K-мезонов, один из которых нечетный и распадается на три пиона, а другой четный и распадается на два пиона. Типы мезонов стали различать с помощью греческих букв: нечетный K-мезон назвали τ-мезоном, а четный — θ-мезоном. Во всех отношениях, за исключением четности, два мезона были совершенно одинаковыми. Но достаточно ли одной четности, чтобы отличить одну частицу от другой? Может быть, существует только одна частица, а не две, и четность не обязательно сохраняется? В 1956 году китайские физики Цзун-дао Ли и Чжень нин Янг, работающие в США, выдвинули теоретические соображения о том, что, хотя четность сохраняется в сильных взаимодействиях, она не обязательно должна сохраняться в слабых взаимодействиях (а распад K-мезонов является, конечно, примером слабого взаимодействия).

Для проверки гипотезы Ли и Янга нужно было произвести эксперимент, результат которого зависел бы от того, сохраняется четность или нет (аналогично тому, как шестью годами позже возникла необходимость в связи с различием между электронными и мюонными нейтрино для проверки справедливости закона сохранения электронного и мюонного чисел).

Рис. 10. Отличие правого от левого.

Предложенный экспериментальный метод был основан на возможности отличить правое от левого (рис. 10), которая зависит от того, совпадает или не совпадает предмет со своим зеркальным изображением. Ваша левая рука, отраженная в зеркале, похожа на правую, а зеркальное изображение правой руки похоже на левую. Но ни одна из рук не похожа на свое зеркальное изображение из-за того, что большой палец находится только на одной стороне руки и делает ее несимметричной. Именно поэтому можно говорить о «левой» руке и о «правой» руке. Если бы на ваших руках большие пальцы были с обеих сторон, то каждая рука совпадала бы со своим зеркальным изображением и правое нельзя было бы отличить от левого.

Можно показать, что если пространственная четность сохраняется, в мире субатомных частиц нельзя отличить правое от левого, т. е. не существует ни «правых» ни «левых» частиц и все частицы ведут себя совершенно симметрично. Если бы они распадались и испускали частицы, последние разлетались бы во всех направлениях одинаково. Если же четность не сохраняется, должны существовать левые и правые частицы, причем первые при распаде должны были бы испускать частицы преимущественно в одном направлении, а вторые — в противоположном.

Необходимый эксперимент был проведен другим китайским физиком, работающим в США, мадам Цзянь сюн By. Атомы, излучающие β-частицы (посредством слабого взаимодействия), охлаждались до температуры, близкой к абсолютному нулю, и помещались в магнитное поле. Поле выстраивало все атомы в одном направлении, а из-за низкой температуры им не хватало энергии, чтобы изменить это направление. За сорок восемь часов эксперимент дал ответ: электроны испускаются асимметрично, в слабых взаимодействиях пространственная четность не сохраняется, а θ-мезон и τ-мезон — одна и та же частица, которая в одних случаях распадается на нечетную группу мезонов, а в других — на четную [22]. Вскоре и другие эксперименты подтвердили несохранение пространственной четности, по крайней мере в слабых взаимодействиях, а в 1959 году американский физик Морис Голдхабер доказал, что нейтрино и электроны — «левые» частицы, а антинейтрино и позитроны — «правые».

Но эксперименты не дали ответ на многие вопросы. Почему частицы такие? Почему нейтрино, которое участвует только в слабых взаимодействиях, бывает «правым» или «левым»? Что является причиной этой асимметрии и почему она существует в слабых взаимодействиях и не существует в сильных?

Как видите, успехи физиков приводят не только к решению проблем, но и задают им новые загадки. Почему протон в 1836,11 раз тяжелее электрона? Почему электронов гораздо больше, чем позитронов? Почему мюон в 207 раз тяжелее электрона, а во всем остальном похож на него?

Чем же различаются нейтрино мюонного типа и нейтрино электронного типа, если их масса, заряд и спин одинаковы?

Почему частицы симметричны в сильных взаимодействиях и асимметричны в слабых?

Ни на один из перечисленных вопросов до сих пор нет ответа. Но я не сожалею, что должен закончить рассказ о нейтрино вопросами. Что это была бы за наука без загадок, которые вдохновляют и возбуждают ученого? И откуда придут великие и волнующие открытия, если не из этих же самых загадок?

Загадки Вселенной существуют и, вероятно, будут существовать всегда. Полного и окончательного ответа мы, может, так никогда и не получим. Но с каждым поколением загадки становятся все более утонченными, а игра все более стоящей и восхитительной.

Гравитон

Хотя мой рассказ о нейтрино окончен, я должен добавить несколько слов, так сказать, постскриптум.

Вы наверное думаете, что нет ничего более призрачного, чем невесомое, незаряженное нейтрино, которое свободно проходит сквозь огромные толщи твердого вещества. Кажется, невозможно превзойти изобретательность ученых, которые предсказали существование такой частицы, а затем не просто обнаружили ее, а нашли четыре разновидности неуловимой частицы.

Однако существует в природе частица еще более призрачная, чем нейтрино. Физикам известны четыре типа полей: 1) сильные взаимодействия, 2) электромагнитные взаимодействия, 3) слабые взаимодействия и 4) гравитационные взаимодействия. Первые три взаимодействия связаны с обменными силами и обменными частицами. Для первого взаимодействия такой частицей является пион, для второго — фотон, а для третьего w-частица.

А что можно сказать о гравитационном взаимодействии? Если это поле, оно тоже должно обладать частицами, посредством которых его влияние распространяется от одного тела к другому, а поскольку гравитация, подобно электромагнетизму, представляет собой дальнодействующее взаимодействие, его обменные частицы в отличие от пиона и w-частицы должны иметь нулевую массу подобно фотону.

Гравитационная обменная частица, подобно фотону, должна быть лептоном, она электрически нейтральна и совпадает со своей античастицей. Единственное отличие этой частицы от фотона должно заключаться в спине. Из теоретических соображений физики предполагают, что ее спин равен +2 или -2, тогда как спин фотона +1 и -1 (другие лептоны и барионы большей частью имеют спины +1/2 или -1/2, а спин мезонов равен 0). Частице гравитационного поля физики дали имя гравитон. Видимые тела оказывают друг на друга гравитационное действие посредством непрерывного излучения и поглощения огромного количества гравитонов.

Однако гравитоны до сих пор не обнаружены. Прежде всего, если они вообще существуют, они обладают чрезвычайно малой энергией (если принять во внимание необычайную слабость гравитационного взаимодействия). Гравитоны большой энергии, которые можно было бы обнаружить, вероятно, возникают, например, при быстром колебательном движении звезды. Звездные катастрофы не редки, звезды взрываются и коллапсируют, огромные массы вещества извергаются наружу и устремляются внутрь звезды (или даже попеременно наружу и внутрь в случае пульсирующих звезд), но центр тяжести звезды остается неподвижным. Отдельные части звезды движутся быстро, но звезда как целое неподвижна, а без движения всего тела энергия гравитонов не возрастает.

Неужели, наконец, физики столкнулись с непреодолимым барьером, встретились с частицей, которую невозможно обнаружить?

Вряд ли кто-нибудь отважится предсказать подобное, принимая во внимание последние достижения науки. Вряд ли кто-нибудь отважится утверждать, что в науке невозможен и такой подвиг.

А пока будем надеяться, что ученые создадут методы регистрации гравитонов. Подождем и посмотрим.

Послесловие

А. А. Поманский

Понятие нейтрино охватывает в настоящее время одну из наиболее интересных и сложных областей современной физики и нейтринной астрофизики. Экспериментальные установки, предназначенные для исследований в этих областях, настолько грандиозны по размерам, сложны по управлению и уникальны по чувствительности, что само их создание находится на грани достижений современной науки и техники.

Идеи, заложенные в основополагающих работах советских физиков академиков М.А.Маркова и Б.М.Понтекорво, начали интенсивно претворяться в жизнь в самые последние годы. Причем информация, которая должна быть получена в результате проведения этих экспериментов, настолько фундаментальна и важна для современной физики и астрофизики, что не приходится считаться с большими затратами, необходимыми для создания экспериментальных установок. Физики не жалеют тратить многие годы, а порой и десятилетия для получения этой информации.

Понятно, что каждую книгу и научную статью о нейтрино (а число их год от года растет) читатели встречают с большим интересом. С таким чувством читатели раскроют и книгу Айзека Азимова — замечательного писателя-фантаста и известного популяризатора науки. Однако по мере чтения читателя охватывает некоторое недоумение и даже разочарование: проходит четверть книги, треть, половина, а о нейтрино пока еще, за исключением заглавия и нескольких вводных слов, ничего не сказано. И хотя автор логично «оправдывается» в подстрочном примечании 16, говоря, что ему нужно было подвести читателя к нейтрино, рассказав про законы сохранения, строение атома, радиоактивный распад и другие характерные для микромира явления, тем не менее у читателя остается некоторая неудовлетворенность, тем более что изложение соответствующих вопросов подчас не обладает достаточной научной строгостью. В качестве примера укажем на неоднократно повторяющееся утверждение, что фотоны — это лептоны. Хотя Азимов и говорит, что логично фотону не приписывать лептонное число, далее он опять несколько раз повторяет, что фотон — это лептон. Первая половина книги Азимова кажется тем более лишней, что советский читатель увидел недавно во втором издании замечательную книгу ныне покойного член-корр. АН СССР К.И.Щелкина «Физика микромира», в которой соответствующие вопросы изложены на исключительно высоком научном уровне, сочетающемся с занимательностью, простотой и наглядностью изложения.

Заметно интереснее становится книга, когда А.Азимов переходит непосредственно к физике сегодняшнего дня — к нейтринным экспериментам. Автор подробно и достаточно строго описывает фундаментальный опыт Рейнеса и Коуэна, которые экспериментально подтвердили существование нейтрино, рассказывает о начальных шагах экспериментальной нейтринной астрономии, которой принадлежит огромное будущее, рассказывает, хотя и очень скупо, об опытах на гигантских ускорителях, приведших к открытию мюонных нейтрино. Подробно обосновывается необходимость введения нового квантового числа (лептонного) и соответствующего закона сохранения. Как справедливо отмечает автор, проведение экспериментов с естественными нейтрино из-за малости их потока возможно лишь в глубоко расположенных подземных помещениях для защиты от фона мюонов космических лучей. Однако автор говорит не о всех таких работах. Рассказывая про работу Рейнеса по исследованию нейтрино высоких энергий, возникающих при распаде мюонов, пионов и каонов космических лучей, он ничего» не говорит об аналогичной работе индийско-японо-английской группы, проводимой на территории Индии в шахтах Колар-Голд-Филд. Эта работа, продолжающаяся и в настоящее время, была начата одновременно с работой группы Рейнеса. Интересно, что первые взаимодействия таких атмосферных нейтрино были зарегистрированы на обеих установках почти в одно и то же время, буквально чуть ли не в один день. Надо отметить, что автор допускает грубую ошибку, говоря что Рейнес сообщил о регистрации нейтрино из межпланетного пространства. Как говорилось выше, нейтрино, зарегистрированные Рейнесом, — атмосферного происхождения, и никакого отношения к межпланетному пространству не имеют. Вообще надо сказать, что и во второй половине книги имеется ряд неточностей и путаных выражений. Например, когда вводятся понятия нейтрино и антинейтрино (противоположные утверждения) или говорится о составе первичного космического излучения.

Результат огромной важности в области нейтринной астрономии был получен незадолго до выхода из печати книги А. Азимова в США. Р.Дэвис из Брукхэйвенской лаборатории на установке, расположенной глубоко под землей и содержащей в качестве нейтринной мишени 600 тонн (!) хлорсодержащей жидкости, показал, что верхний предел потока нейтрино, возникающих при распаде В^8 в недрах Солнца (это нейтрино с наибольшей энергией, которую они могут иметь при условиях, существующих на Солнце — их энергия простирается до 14 Мэв) в 10 раз ниже теоретически ожидавшегося. Хотя после опубликования результатов Дэвиса теоретики «снизили» в 5 раз нижний предел потока этих нейтрино, тем не менее концы с концами у эксперимента и теории не сходятся. Так как не существует (пока!) никаких сомнений в том, что механизм генерации солнечной энергии ядерный, то этому расхождению особенного значения не придают. Однако, если экспериментальный предел регистрации потока солнечных нейтрино высокой энергии (т. е. энергии в несколько мегаэлектронвольт, в то время как в опытах с атмосферными нейтрино — это десятки и сотни гигаэлектронвольт) снова снизят в несколько раз, то ситуация будет близка к катастрофической, так как при любом варианте теории предел этот не может быть уменьшен более чем в 10 раз по сравнению с верхним уровнем. Р.Дэвис собирается увеличить чувствительность своей установки в несколько раз. Стоит подчеркнуть, что он извлекает единичные атомы (!) радиоактивного Аr^37 (продукта взаимодействия солнечных нейтрино) из объема жидкости, равного 400 м^3. По сравнению с этим задача о нахождении иголки в стоге сена представляется тривиальной.

Новые экспериментальные возможности для нейтринной физики высоких энергий открываются в связи с запуском в СССР крупнейшего в мире ускорителя протонов под Серпуховом. После того как на нем будет получен нейтринный пучок, энергия нейтрино в котором в несколько раз превысит энергии нейтрино, получаемых на ускорителях в Брукхэйвене (США) и в ЦЕРНе (Швейцария), будут, в частности, осуществлены эксперименты по поиску промежуточного W-мезона — гипотетической частицы, являющейся переносчиком слабых взаимодействий (о ней рассказывает в своей книге А. Азимов), по измерению зависимости вероятности взаимодействия нейтрино от его энергии.

Последний опыт особенно интересен с точки зрения гипотезы, выдвинутой советскими физиками член-корр. АН СССР Г. Т. Зацепиным и В. С. Березинским, о возможном происхождении гигантских атмосферных ливней космических лучей от нейтрино с энергиями, большими 10^10 миллиардов электронвольт (10^19эв). В.С.Березинский и Г.Т.Зацепин провели расчеты, показывающие, что нейтрино таких больших энергий могут существовать во Вселенной, и предположили, что вероятность взаимодействия этих нейтрино с веществом растет пропорционально их энергии. В настоящее время вопрос о частицах с энергией, большей 3·10^19 эв, генерирующих самые большие атмосферные ливни, остается открытым.

Стоит также упомянуть о проекте эксперимента с использованием импульсного ядерного реактора, предложенном советскими физиками член-корр. АН СССР П.Е.Спиваком и Л.А.Микаэляном. Громадный поток нейтрино, создаваемый таким реактором в течение очень короткого времени, позволит проводить опыты по исследованию взаимодействия нейтрино при относительно меньшем уровне радиоактивного и космического фона. А как известно, именно фон ограничивает возможности нейтринных экспериментов. За счет использования импульсности поток нейтрино как бы сжимается во времени, в то время как уровень радиоактивного и космического фона в единицу времени остается практически неизменным.

Эксперименты в областях физики нейтрино и нейтринной астрофизики находятся на самом переднем крае современной науки. Не случайно им уделяется такое большое внимание в разных странах. Причем количество сооружаемых установок все время увеличивается, растут их размеры и сложность экспериментального оборудования. Еще не зарегистрированы нейтрино от Солнца, а ученые уже рассматривают возможности регистрации нейтринных потоков, возникающих при взрывах сверхновых звезд. Уникальная информация, которая может быть получена в результате проведения таких опытов, даст возможность проверить правильность теоретических представлений о строении и эволюции звезд и вообще о развитии Вселенной во времени — вопроса, которому сейчас уделяется огромное внимание.

Осуществление опытов по регистрации нейтринных потоков от взрывов сверхновых звезд упростится, если существуют переходы (осцилляции) между различными типами нейтрино. Б.М.Понтекорво выдвинул идею о возможности таких осцилляций и, проанализировав имеющиеся экспериментальные данные, пришел к выводу, что они также не противоречат гипотезе об осцилляциях. Хотя, как было правильно сказано А.Азимовым, введение мюонных и электронных нейтрино необходимо для описания и понимания результатов экспериментов, тем не менее не исключено, что уже после рождения мюонные и электронные нейтрино взаимно переходят друг в друга и обратно.

Развитие нейтринной физики идет настолько быстрыми темпами, что если бы А.Азимов написал свою книгу через год, то и сама книга и послесловие к ней наверняка существенно дополнились бы за счет новых результатов, которые несомненно будут получены теоретиками и экспериментаторами. Поэтому очень важно, чтобы широкие круги читателей, интересующихся передовой наукой, были бы в курсе ее важнейших достижений. Удовлетворению интереса таких читателей и служит книга А.Азимова, хотя и не лишенная некоторых недостатков, о которых говорилось выше, но тем не менее живо и образно повествующая о том, что было достигнуто в решении проблемы, которая охватывается словом нейтрино.

Примечания

[1] Аналогичное рассмотрение проводится и в трехмерном пространстве, где прямолинейное движение можно разложить на три взаимно перпендикулярные составляющие. Каждая составляющая скорости будет пропорциональна длине одной из трех сторон куба диагональю которого является скорость начального движения.

[2] Заметим, что при умножении таких величин умножаются и числа, и размерности. Следовательно, г·см/сек — размерность импульса.

[3] Иногда импульс называют линейным, чтобы подчеркнуть, что он — результат движения по прямой линии, в противоположность угловому импульсу, или моменту количества движения, возникающему при движении по кривой.

[4] Закон сохранения массы впервые был сформулирован М. В. Ломоносовым в 1760 году в работе «Рассуждение о твердости и жидкости тел». — Прим. перев.

[5] Очень большие числа и очень малые дроби, которые часто используют ученые, удобно записывать в виде степени. Так, 1 280 000 000 000 000 000 можно записать как 1,28·10^18, где 18 — показатель степени.

[6] Я так детально углубился в историю солнечного излучения по нескольким причинам. Во-первых, это демонстрирует почти космические выводы, которые можно сделать при детальном рассмотрении простого закона сохранения. Во-вторых, показывает серьезность, с которой наука подходит ко всем альтернативам, прежде чем отбросить закон сохранения. В-третьих, подобное отношение к законам сохранения сыграет, как и в полемике об источнике солнечной энергии, в истории нейтрино аналогичную роль. И, в-четвертых, солнечная радиация, как мы увидим, имеет прямую связь с нейтрино.

[7] Увеличивающаяся точность методов, используемых для измерения масс атомов, заставила ученых в последние годы принять новую шкалу. С одной стороны, было установлено, что не все атомы кислорода одинаковы по массе. С другой стороны, атомы других элементов обладают массами, которые можно определить гораздо точнее, и поэтому они больше подходят для эталона. В 1961 году вес одного из атомов углерода приравняли числу 12. Атомные веса изменились немного, но точность их измерений увеличилась. Цифры, используемые в этой книге для масс атомов, даются по «углеродной шкале».

[8] На данном этапе эти не совсем точные атомные веса являются хорошим приближением. Более точные значения будут использованы в книге позднее.

[9] Атом имеет определенное сходство с Солнечной системой. Солнце, находясь в самом центре Солнечной системы, так же как ядро в центре атома, занимает малый объем, но содержит большую часть ее массы. Метеор пролетает через Солнечную систему, как через пустое пространство, хотя эти области содержат многочисленные планеты, спутники, астероиды, кометы и другие тела.

[10] Можно почувствовать раздражение от такого разнообразия единиц энергии: злектронвольт, эрг, джоуль, калория. Однако каждая имеет свою собственную область применения. Ведь никому не придет в голову измерять расстояние между двумя городами в миллиметрах, длину комнаты в километрах, а диаметр копейки в метрах!

[11] Тем не менее, законы Ньютона гораздо проще выразить математически, и они все еще используются во многих разделах физики и будут использоваться всегда, когда простота важнее точности.

[12] Специальная теория относительности Эйнштейна предсказала этот результат, и он действительно был подтвержден экспериментом. Увеличение массы совершенно ничтожно, пока скорости не достигнут тысяч километров в секунду. В обычной жизни можно совершенно спокойно считать массу постоянной.

[13] В другой прозрачной среде, не в вакууме, фотоны летят с меньшими скоростями. Даже воздух замедляет их движение. Однако, когда фотоны покидают прозрачную среду и входят снова в вакуум, их скорости тотчас же возрастают до 3·10^10 см/сек.

[14] К середине XX века физики не были уже уверены в своих представлениях об элементарных частицах. Весьма возможно, что частицы, которые приняли за элементарные, состоят из еще более мелких частиц.

[15] Чем больше проникающая способность α-частиц данного ядра, тем больше дефицит массы в процессе радиоактивного распада и тем больше вероятность этого распада, т. е. чем больше проникающая способность α-частиц, тем меньше период полураспада ядра. Если торий-232 имеет период полураспада 14 миллиардов лет, период полураспада радия-226 — 1620 лет, а полония-212 — три десятимиллионных доли секунды.

[16] В самом деле, если бы я поддался искушению ввести понятие о нейтрино в самом начале книги, было бы трудно доказать, что нейтрино — не плод научного мистицизма. Однако, поскольку первая половина книги подчеркивает значение и важность законов сохранения, сейчас можно показать, что нейтрино, несмотря на все его странные свойства — реальная и совершенно необходимая частица.

[17] Сюжет моей самой первой научно-фантастической повести, написанной в 1937 году и нигде не опубликованной, был основан фактически на гипотетической способности субатомных частиц путешествовать сквозь время.

[18] А как же быть с обычными «механическими силами», например, с силой, которую вы прилагаете к мячу, бросая его? Фактически, когда атомы одного тела сближаются с атомами другого, возникает отталкивание между внешними электронами атомов. Это отталкивание вы используете при любых механических действиях, следователь-но, механические силы являются примером электромагнитных взаимодействий. Силы, удерживающие атомы внутри молекулы, а молекулы внутри твердого тела, также возникают в результате электромагнитных взаимодействий.

[19] В 1964 году физики на основе вновь полученных данных пришли к выводу о возможности существования пятого поля, более слабого, чем гравитационное. Однако предварительные эксперименты в начале 1965 года показали, что пятого поля не существует.

[20] Вы можете спросить: почему не позитронное нейтрино? Да потому, что под словом «электрон» здесь подразумевается и электрон, и позитрон, как под словом «мюон» — отрицательный и положительный мюоны. В данном случае очень неудобно называть позитрон его собственным именем вместо очень удобного названия «антиэлектрон» или «положительный электрон».

[21] В 1963 году «двухнейтринный эксперимент» был повторен в ЦЕРНе (Женева) с пучком нейтрино высоких энергий, возникающих при распаде К-мезонов. Результаты этого эксперимента не оставили никаких сомнений в реальности двух нейтрино. — Прим. перев.

[22] Похожая ситуация возникла в связи с распадом незаряженных K-мезонов. Существуют два вида нейтральных K-мезонов, один из которых — долгоживущий — распадается на три π-мезона, другой — короткоживущий — на два. В 1964 году группа американских физиков во главе с Крониным установила, что долгоживущая разновидность нейтрального K-мезона также испытывает двухпионный распад. В настоящее время считают, что опыт Кронина указывает на несохранение временной четности. Однако ученые еще не могут с уверенностью сказать, какое взаимодействие ответственно за это несохране-чие. — Прим. перев.

Content

Азимов Айзек Нейтрино - призрачная частица атома

Введение

Глава 1. Импульс

Обобщения

Столкновение бильярдных шаров

Сохранение импульса

Сохранение момента количества движения

Глава 2. Энергия

Сохранение массы

Сохранение энергии

Закон всемирного тяготения

Энергия Солнца

Глава 3. Строение атома

Радиоактивность

Атомное ядро

Ядерная энергия

Глава 4. Связь массы и энергии

Несохранение массы

Теория относительности

Закон сохранения массы и энергии

Фотоны

Глава 5. Электрический заряд

Сохранение электрического заряда

Ядерные реакции и электрический заряд

Строение ядра

Распад нейтрона

Глава 6. Античастицы

Лептоны и барионы

Позитроны

Антинуклоны

Сохранение барионного числа

Глава 7. Появление нейтрино

Энергия α-частицы

Энергия β-частицы

Нейтрино совершенно необходимо

Сохранение лептонного числа

Глава 8. Поиски нейтрино

Поглощение фотонов

Поглощение нейтрино

Как же поймали антинейтрино?

Глава 9. Нейтринная астрономия

Антинейтрино и Земля

Нейтрино и Солнце

Охота за нейтрино

Сверхновые звезды и нейтрино

Вселенная и нейтрино

Глава 10. Ядерное поле

Отталкивание внутри ядра

Притяжение внутри ядра

Принцип неопределенности

Принцип неопределенности и законы сохранения

Глава 11. Мюоны

Открытие мезона

Сильные и слабые взаимодействия

Тяжелый электрон

Глава 12. Мюонное нейтрино

Распад пиона

Сохранение электронного и мюонного чисел

Двухнейтринный эксперимент

Сохранение четности

Гравитон

Послесловие

Примечания