Кварки, протоны, Вселенная

Юкава был пятым ребенком из семи, родившихся в семье известного профессора географии. Первые шаги в науке он сделал в конце 20-х годов, когда на Западе физика была взбудоражена идеями квантовой теории и каждый номер физического журнала приносил сенсационные новости. А в университете, где Юкава получил место ассистента, в то время не было ни одного человека, который мог бы читать лекции по квантовой механике. Сам Юкава познакомился с нею во время публичной лекции приезжего профессора из Европы. Трудно поверить, что всего лишь через шесть лет появилась его знаменитая мезонная теория.

Недавние совместные опыты советских и американских физиков привели к выводу, что предсказанный Юкавой пи-мезон имеет почти такой же радиус, как и протон. Поразительный результат: часть имеет такие же размеры, что и целое! Мало того, теория предсказывает, что пи-мезон должен обладать слоистой структурой, периферия которой образуется в результате его распада на несколько... точно таких же пи-мезонов! Рождаясь, они сильно взаимодействуют между собой и быстро слипаются вновь в один пи-мезон. Получается такая же «мигающая» структура, как и у протона. В ее центральных областях рождаются и поглощаются тяжелые частицы. Центр мезона должен быть более, плотным и массивным, чем его периферия.

Насколько верна эта картина, покажут дальнейшие эксперименты. Слишком необычен внутренний мир частиц, чтобы можно было заранее быть в чем-нибудь уверенным.

Заряженные пи-мезоны распадаются за стомиллионную долю секунды, время жизни наименее устойчивых частиц изображается десятичной дробью более чем с двумя десятками нулей после запятой. Эти частицы распадаются, едва образовавшись. Тем не менее физики успевают рассмотреть даже такие эфемерные объекты. В соответствии с теорией относительности, когда частица движется, ход времени для нее замедляется и время ее жизни возрастает. Чем больше скорость частицы, тем дольше она живет. Быстрый космический мю-мезон, например, успевает за свою жизнь пройти сквозь всю толщу земной атмосферы. Если же время жизни частицы остается все-таки слишком коротким и приборы не успевают его заметить, то ее свойства определяются с помощью анализа вторичных, образовавшихся при ее распаде частиц. Это очень сложная задача; для ее решения часто приходится использовать мощные вычислительные машины.

Особенно трудно что-либо сказать о внутреннем строении электрона, хотя, казалось бы, известен он давно и к нему все привыкли. Дело в том, что радиус электрона, как показывают расчеты, должен быть по крайней мере в тысячу раз меньше радиуса протона. Песчинка рядом с валуном! Как заглянуть в глубины такой песчинки, если и «валун» до конца не исследован!

Впрочем, в том факте, что электрон так мал, можно усмотреть и счастливое обстоятельство: точечный электрон может служить хорошим снарядом для прощупывания других, более крупных частиц.

Удивительная природа элементарных частиц! Но самое, наверное, удивительное, с чем мы сталкиваемся, изучая их строение, это то, что внутри частицы и качестве ее составной части может находиться точно такая же частица или даже несколько таких частиц. Например, как уже говорилось выше, протон состоит из протона и пи-мезона, который не уступает ему в размерах, пи-мезон, в свою очередь,— из трех таких же мезонов и так далее. Это напоминает одно из упражнений буддийских монахов, когда путем поста и молитв человек доводит себя до галлюцинаций. Ему кажется, что из его пупка вырастает стебель с цветком лотоса, в чашечке которого сидит Будда, из пупка которого растет еще один цветок с Буддой, и так далее — живая цепь, уходящая в бесконечность.

Привычные для нас представления о простом и сложном, о целом и части в мире частиц часто оказываются неприменимыми. Мы привыкли к тому, что целое всегда сложнее и больше любой своей части. В микромире же часть может быть не менее сложной и более массивной, чем целое. В атоме, к примеру, энергия почти целиком сконцентрирована в его ядре и в орбитальных электронах. Энергия связи их составных частей невелика, и их взаимодействие практически не сказывается на их свойствах. Здесь применимы наши обычные представления о соотношении целого и части. Ядро атома — уже значительно более плотная система, однако и здесь на энергию связи протонов и нейтронов приходится не более одного процента полной энергии, и наши представления о целом и части остаются незыблемыми: ядро, как из кирпичиков, сложено из нуклонов, и их размеры меньше ядра. Пока все в порядке.

Но вот в самом протоне уже все смешалось. Энергия связи его частей настолько велика, что внутри образуемого ими целого они теряют индивидуальность. Утверждение о том, что частица состоит из других частиц, теперь приобретает уже весьма условный характер. Идея чисто механической делимости вещества больше не применима.