Проклятые вопросы

Чэдвик считал, что нейтрон представляет собой образование из тесно связанных протона и электрона. «Конечно, — писал он в своей статье «Существование нейтрона», — можно было бы предположить, что нейтрон является элементарной частицей. Однако нет достаточных оснований для того, чтобы принять эту точку зрения, за исключением возможности объяснения статистики таких ядер, как азот-14».

Но требования статистики почти сразу одержали верх над удобной электрон-протонной моделью нейтрона. Спин такого «нейтрона» должен быть равен нулю. При этом невозможно объяснить, каким образом ядро азота, имеющее заряд, равный семи, подчиняется статистике Бозе, справедливой для частиц, обладающих спином, равным 1/2.

Загадка спина ядра азота в то время была возведена в ранг «азотной катастрофы», ибо она могла разрушить основы новой квантовой физики. Вскоре Д. Д. Иваненко (статья поступила в редакцию 26 апреля 1932 года) и Чэдвик (статья поступила 10 мая 1932 года) устранили «азотную катастрофу», предположив, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, а не из протонов и электронов, как считалось в то время. При этом нейтрон выступал как первая нейтральная частица с массой покоя, отличной от нуля.

Значение этого открытия не меньше, чем значение открытия позитрона. В науку вошла первая из частиц, обладающая массой покоя, но лишённая электрического заряда. (Ранее элементарными считались фотон, не имеющий заряда, но не имеющий и массы покоя, электрон и протон, имеющие и то и другое.)

Поразительно, что один из создателей квантовой механики, В. Гейзенберг, менее чем через три месяца (7 июля 1932 года) рассмотрел возможность того, что протон и нейтрон являются двумя модификациями одной и той же частицы, которая, входя в состав ядер, находится в них в двух квантовых состояниях. Сейчас это предположение считается истиной. Частицу, которая при наличии заряда (положительного) выступает как протон, а при отсутствии заряда выступает как нейтрон, называют нуклоном, простейшим кирпичиком, из которых состоят ядра всех атомов. Через три года Чэдвик и Гольдхабер установили, что масса нейтрона превышает (хотя и мало, всего на 0,9 процента) массу протона. Это послужило для них достаточной основой для того, чтобы поставить вопрос о стабильности, или иначе, о радиоактивности нейтрона. Это значит, что нейтрон, находясь внутри ядра в устойчивом состоянии, должен распадаться вне ядра. Долгое время казалось, что наблюдать такой распад невозможно. Лишь после создания ядерных реакторов, из которых можно извлечь множество нейтронов, удалось зафиксировать распад нейтрона. Свободный нейтрон распадается на протон и электрон в среднем за 15 минут. Это не значит, что в нейтроне содержится тесно связанная пара протон и электрон, как это некоторое время думал Чэдвик. Нейтрон был первой частицей, исследование которой показало, что представление о том, что микрочастица «состоит из» или «разделима на», имеет лишь ограниченное применение.

Теперь мы знаем, что лишь в определённых случаях законно спрашивать, из «чего» состоит данная частица. Этот вопрос можно задавать только тогда, когда для разделения частицы на части достаточно лишь малого количества энергии, малого по сравнению с массой покоя хотя бы одной из частиц, получаемых при разрушении первоначальной частицы. Во всех остальных случаях эти вопросы теряют смысл. В этих случаях принято говорить «распад порождает». Первый пример этого показал нейтрон, который распадаясь порождает протон и электрон под воздействием очень слабых сил, обусловленных слабыми взаимодействиями.

Изучение свойств нейтрона продолжается и в наши дни, спустя более полувека после его открытия. Это связано с уникальными свойствами нейтрона. Он может считаться элементарным, но участвует во всех известных взаимодействиях — сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных. Он нейтрален, но имеет спин и магнитный момент. Он достаточно стабилен в свободном состоянии (живёт около 15 минут), и, наконец, чисто экономический фактор: затраты, требуемые для получения одного свободного нейтрона, меньше, чем для любых других частиц, за исключением электронов и протонов.

Но возвратимся к мезону и работе Юкавы. После того как, устранив «азотную катастрофу», Иваненко, Чэдвик и Гейзенберг изгнали электроны из ядер атомов и заменили их нейтронами, сразу возник вопрос: как же положительный заряд протонов не разрушает ядра? Ведь положительные заряды взаимно отталкиваются. Что же удерживает протоны и нейтроны внутри ядер?

И Юкава ответил на этот вопрос просто и гениально. Он сказал… Впрочем, представьте себе такую картину: вдоль дороги идут двое. Не останавливаясь, они всё время перебрасывают друг другу мяч. Из-за этого они не могут отойти друг от друга дальше некоторого определённого расстояния. Если издали смотреть на этих людей, то мяча не видно и можно подумать, что эти двое просто дружески беседуют, по-приятельски идут рядом и что их удерживают друг около друга некие силы притяжения.