Проклятые вопросы

Так Дирак ввёл в науку важнейшую идею о существовании в природе новой симметрии — сопряжённости частиц и античастиц. Это явилось первым результатом объединения квантовой теории и теории относительности. Объединились уравнения квантовой теории и преобразования Лоренца. Выявилась возможность превращения кинетической энергии сталкивающихся частиц в массу покоя новых частиц и обратно. В нерелятивистской физике считалось само собой разумеющимся постоянство количества частиц. Оно казалось эквивалентом закону сохранения вещества. Первоначальная квантовая теория считала число частиц одним из квантовых чисел. В релятивистской квантовой физике число частиц перестало быть постоянной величиной, а значит, оно перестало быть квантовым числом.

Итак, как сказал знаменитый швейцарский физик Паули, «тонкое природное чутьё физика помогло Дираку начать свои рассуждения, не зная, что они приведут к теории, которая обладает точной симметрией по отношению к знаку заряда, в которой энергия всегда положительна и в которой предсказывается рождение и аннигиляция пар».

Уравнение Дирака толкало учёных на путь удивительных открытий.

И действительно, ещё свежо было впечатление от феноменального открытия Дирака, ещё памятны были годы молчания, которым деликатно обходили физики дираковское уравнение, когда американский учёный Андерсон впервые увидел след положительно заряженного электрона, рождённого в камере Вильсона при прохождении через неё космической частицы. Его путь искривлялся магнитным полем в направлении, противоположном пути обычного электрона. Все остальные признаки совпадали. Несомненно, то был позитрон, существование которого гениально предсказал Дирак.

Это произошло в 1932 году. Появление позитрона стало мировой сенсацией, гвоздём четвёртого десятилетия XX века. Двери в антимир были открыты. Физики ринулись «открывать новые земли». Они с упоением отдались поискам других частиц и античастиц.

Камера Вильсона решила, видно, сыграть роль рога изобилия. И вслед за первой сенсацией породила вторую, потом третью, четвёртую… целый каскад новых элементарных частиц и античастиц.

Охотники за космическими частицами ещё ниже склонились над своими установками. Они стали ещё пристальнеё рассматривать фотографии, испещрённые толстыми и тонкими, еле видными и отчётливыми линиями — следами промелькнувших космических частиц и осколков разбитых атомов. Физики проявляли чудеса наблюдательности, копаясь в путанице ничего и никому, кроме них, не говорящих следов. И наконец, — это было в 1936 году — Андерсон и Неддермайер разглядели ещё одну, никем из людей не виденную частицу. Она двигалась проворнее протона, но солиднее электрона. Она была легче первого, но тяжелее второго. Так её и назвали — «мезон», что значит по-гречески «промежуточный».

ГЕНИЙ ЮКАВЫ

Судьба этой частицы очень напоминает судьбу дираковского позитрона. Мезон тоже введён в науку пером физика теоретика. Японский учёный Юкава в 1935 году при разработке теории ядра был вынужден ввести особое поле ядерных сил, квантами которых, по его расчёту, должны являться особые частицы. Их масса составляет около 200 масс электрона, то есть примерно в десять раз меньше массы протона. Для выполнения этой работы потребовалось пять лет.

В 1932 году, вскоре после экспериментального наблюдения позитрона, Дж. Чэдвик открыл нейтрон. Открытие возникло не на пустом месте. За два года до того А. Боте и Г. Беккер при бомбардировке ядер бора и бериллия альфа-частицами обнаружили излучение, обладающее очень большой проникающей способностью. Они сочли, что это известные ранеё гамма-лучи. Вскоре Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри установили, что новое излучение способно выбивать быстрые протоны из веществ, содержащих водород. Открытие совершенно неожиданное и необъяснимое. Для того чтобы это было возможным, соответствующие гамма-лучи должны были бы иметь энергию, во много раз превосходящую энергию гамма-лучей, порождаемых другими источниками.

Чэдвик повторил опыты с бериллием, а затем проделал аналогичные опыты с гелием и углеродом. Измеряя энергию отдачи ядер, бомбардируемых гипотетическими гамма частицами, Чэдвик убедился, что гипотеза о гамма-лучах как причине выбивания протонов противоречит законам сохранения энергии и импульса. Тогда он заключил, что излучение, порождаемое бомбардировкой альфа-частицами изученных им ядер, освобождает из них нейтральные частицы с массой, равной массе протона. Только тогда учёные вспомнили, что ещё в 1920 году Резерфорд высказал гипотезу о том, что подобная нейтральная частица могла бы существовать. И сам Чэдвик говорил, что он в своих исследованиях руководствовался этой гипотезой, основанной на прозорливости Резерфорда.