65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё

Однако, несмотря на свое название (ведь в переводе с древнегреческого «атом» означает «неделимый»), атомы также имеют свою внутреннюю структуру: в самом центре находится тяжелое положительно заряженное ядро, а вокруг него – легкие отрицательно заряженные электроны[111]. Размеры атома и ядра различаются примерно в миллион раз! Так что ядро занимает весьма незначительную часть от всего атома, так же как наше Солнце занимает микроскопическую часть всей Солнечной системы[112]. То есть бо́льшую часть атома занимает пустое пространство, а точнее 99,999999999999 % объема атома – это просто пустота[113].

Но давайте вернемся к структуре материи. Электроны разделить на части ученые до сих пор не смогли, а вот ядро дальше делится на составные части: положительно заряженные протоны и электрически нейтральные нейтроны. Это довольно тяжелые частицы, примерно в 2000 раз тяжелее электронов (причем нейтрон немного тяжелее протона). А значит, скорее всего, их тоже можно разделить на составные части. Но что это за части? И как вообще можно разделить на части настолько малые объекты? Мы ведь не можем положить их на разделочную доску и просто разрезать.

В физике элементарных частиц используют в некотором смысле более «грубые» методы. Раз мы не можем ухватить и разрезать отдельную частицу, давайте мы поступим, как делал в начале ХХ века Эрнест Резерфорд[114]: будем бомбардировать одни частицы другими, а точнее – разгоним частицы до огромных скоростей и столкнем их с какой-нибудь мишенью. Если скорости частиц будут достаточно велики, то при таких столкновениях они могут уже развалиться на части, которые мы будем ловить специальными детекторами. И по вылетающим осколкам можно будет делать выводы о том, что происходило в момент столкновения и какова была внутренняя структура сталкивающихся частиц.

Конечно, это не самый «ювелирный» метод исследований, но лучше этого физики пока ничего не придумали. Ведь даже если мы попробуем «разрезать» какой-нибудь протон при помощи лазерного луча (самый тонкий инструмент из всех доступных на сегодня), то это будет та же самая бомбардировка протона пучком фотонов. И еще не факт, что все они в него попадут, поскольку после первого же столкновения протон улетит в неизвестном направлении. Так что физики вынуждены строить специальные ускорители элементарных частиц, чтобы разгонять их до скоростей, близких к скорости света, и сталкивать друг с другом.

Аналогичный метод используют при наблюдении за космическими лучами[115]. Только в этих экспериментах мы не можем сами задать параметры бомбардирующих частиц и вынуждены фиксировать результат их столкновения с частицами атмосферы. Но зато частицы, прилетающие к нам из космоса, иногда обладают энергией, в миллионы раз превышающей энергию самых быстрых частиц на земных ускорителях. Поэтому изначально многие открытия в физике элементарных частиц делались в экспериментах именно с космическими лучами и уже потом проверялись на ускорителях.

Так, к примеру, были открыты пи-мезоны – частицы, при помощи которых осуществляется связь протонов и нейтронов в ядрах атомов. Изначально существование пи-мезонов было предсказано в 1935 году в чисто теоретической работе японского физика Хидэки Юкавы (1907–1981), который не только предложил свою теорию ядерных сил, но и получил приблизительную оценку массы пи-мезонов: чуть больше, чем у электрона, но меньше, чем у протона. Тем не менее сам Юкава сомневался в правильности своей теории, поскольку частицы с такой массой никогда не наблюдались во время эксперимента.

Но уже через пару лет частицы, очень похожие на предсказанные Юкавой мезоны, все-таки удалось обнаружить. В целой серии наблюдений за космическими лучами, проведенных Карлом Андерсоном (отрывшим позитрон) и его студентом Сетом Наддермеером (1907–1988), было показано присутствие в атмосферных ливнях частиц[116] с массой в 200 раз большей, чем у электрона. Это открытие произвело фурор в научной среде, поскольку не только подтверждало теорию, но и открывало совершенно новый составной элемент материи.

Однако последующие исследования свойств этих частиц показали, что они не захватываются атомными ядрами (а, согласно теории Юкавы, должны были) и вообще очень слабо с ними взаимодействуют. Поэтому такие частицы не могут быть переносчиками ядерного взаимодействия. Это какие-то совершенно другие частицы. Физики предположили, что это не мезоны Юкавы, а продукты их распада. И, действительно, так и оказалось: в экспериментах с космическими лучами, проведенных в 1947 году группой ученых под руководством британского физика Сесила Пауэлла (1903–1969), впервые удалось зафиксировать те самые пи-мезоны. А также в наблюдениях Пауэлла были зафиксированы частицы, которые образуются в результате распада пи-мезонов. Их назвали мюонами[117].