Охотники за частицами

Может позитрон встретиться и со свободно гуляющим в камере электроном. При этом, прежде чем слиться, обе частицы предпочитают сначала немного повальсировать друг подле друга, образовав некое подобие атома водорода. С той, однако, разницей, что при этом уже нельзя сказать, какая из частиц неподвижна, а какая кружится возле нее: обе частицы одинаковы по массе. Такой «атом» физики назвали позитронием.

И здесь позитрон в конце концов (спустя миллиардные доли секунды) кончает свою жизнь, исчезая в паре с электроном. Это исчезновение физики неудачно окрестили латинским словом «аннигиляция», что по-русски означает «превращение в ничто».

Так еще можно было говорить в первые годы после открытия Дирака. Но, с тех пор как место пустоты заняло в рассуждениях физиков поле, аннигиляцию приходится понимать как превращение вещества в поле. И круг замыкается: поле рождает частицы, частицы рождают поле. Вечный круговорот вещества и поля.

Позитрон открыл собой целый список античастиц. О том, как искали их охотники за частицами, мы расскажем в последующих главах.

Глава 5 Открытие невидимки

Изгнание электрона

Наука — та же армия. Наука никогда не ведет наступление с одинаковой силой по всем фронтам. Сегодня — прорыв оборонительной полосы на одном участке фронта, завтра — на другом, послезавтра — на третьем. Только эти «сегодня», «завтра» и «послезавтра» подчас отделены друг от друга десятилетиями.

Неизмеримо широк фронт физики — от мельчайших частиц до гигантских галактик. Одновременное широкое наступление по всему фронту невозможно. Но когда идет успешное наступление на одних участках, на других не спят. Там внимательно прислушиваются к близкой канонаде и ждут своего часа.

В двадцатых годах нашего века в физике все более явно обозначается новый фронт — атомное ядро. Вслед за первыми, поразившими воображение ученых опытами Резерфорда следуют новые энергичные попытки расщепления ядер. И в результате ядро становится в представлениях ученых все более сложным, все более трудным для понимания.

В самом деле, на их глазах представление о ядре — скопище враждующих протонов, удерживаемых от разлетания лишь электронным клеем, становится все менее убедительным. Уже несложный расчет показывает, что ядро на электронном клею должно быть непрочным. Во всяком случае — ненамного прочнее атома.

Атом же, в сущности, не очень прочная конструкция. Высокие температуры, химические реакции, облучение светом и рентгеновыми лучами способны отрывать от него целые куски. Нам уже понятно, что речь идет об ионизации атомов. При достаточном усилии с атомов можно содрать даже всю электронную «шкуру» и оставить одно голое ядро.

Но, с другой стороны, это самое ядро не поддается никаким усилиям физиков. Высочайшие температуры и давления, сильнейшие электрические поля, самые ярые химические реакции не оказывают на него ни малейшего воздействия. Ядро, видимо, способно откликаться лишь на те частицы, которые оно само же породило. Так, например, и случилось в опытах Резерфорда по бомбардировке ядер альфа-частицами.

Получается так, как будто ядро — рекордсмен прочности в природе. Выходит, что цемент, на котором оно замешано, — не электронный цемент.

А квантовая механика добавляет к этому заключению еще одно неоспоримое свидетельство. Она утверждает, что электроны просто-напросто не могут поместиться в ядрах.

Поначалу это может обескуражить. Еще в начале века Гендрик Лоренц подсчитал по старой физике радиус электрона. Он оказался порядка десятитриллионных долей сантиметра. Опыты двадцатых годов, с другой стороны, показывают, что ядра атомов должны иметь размеры того же порядка. Почему же в таком случае электроны должны выпирать за рамки ядра?

Дело, однако, оказывается не столь простым. Квантовая механика — и не без оснований — утверждает, что электрон, а с ним, разумеется, и все другие кирпичики вещества — это не точки и не шарики вполне определенных размеров. Это, скорее, некие облачка, не имеющие никаких строгих границ, — «облака вероятности».

Что ж, теперь, когда мы немного познакомились с квантовой механикой, это не должно вызывать у нас особого удивления. Помните волну вероятности? Она же, строго говоря, не имеет в пространстве ни начала, ни конца — на то она и волна! Но зато, с другой стороны, она не одинаково сильна: облачко, которым теперь представляется частица, в одних местах очень густое, а во всех остальных — почти совершенно прозрачное. Что-то вроде клуба дыма.

Понятно, что чем больше вероятность пребывания частицы в таком-то месте, тем гуще в этом месте «дым». Поэтому физики чисто условно провели границу частицы там, где облачко становилось практически совершенно прозрачным.

Таким «дымовым клубом» физики представили и ядро. И оказалось при этом, что «клубы» протонных облаков, очень крошечные, хорошо укладывались в размеры (конечно, условные) ядра. Тогда как электронные облака расползались чуть ли не по всему атому, имеющему в тысячи раз б'oльшие размеры.