В обычных условиях образование нейтрино при электрон-позитронном взаимодействии чрезвычайно маловероятно. На каждую возникшую таким образом пару нейтрино-антинейтрино приходится по крайней мере 10²⁰ пар фотонов. Поэтому, казалось бы, этим источником нейтрино можно пренебречь.

В центре звезды условия совсем необычные. Когда в процессе эволюции центр звезды становится все горячее и горячее, условия становятся все менее и менее обычными.

Основываясь на теоретических соображениях, Моррисон и Цзу подсчитали, что при возрастании температуры количество пар нейтрино — антинейтрино, образующихся при электрон-позитронных взаимодействиях, становится все больше и больше. Кроме того, фотоны достаточно долго удерживаются в центре звезды, а нейтрино и антинейтрино за несколько секунд покидают звезду.

С помощью пар нейтрино — антинейтрино происходит утечка энергии из звезд, и чем старше звезда, тем больше эта утечка. К тому времени, когда температура ядра звезды достигает 600 000 000 °C, половина энергии ее излучается в виде нейтрино и антинейтрино. При температуре выше 600 000 000 °C звезду с полным основанием можно называть нейтринной.

Такие звезды близки к последней стадии сжатия сверхновой, причем излучение нейтрино, по-видимому, способствует этому коллапсу. Когда температура достигает предельного значения 6 000 000 000 °C и в центре звезды образуется ядро из атомов железа, не способное больше производить ядерную энергию, нейтрино образуется в таком количестве, что звезда начинает катастрофически быстро терять свою энергию. Цзу подсчитал, что при такой температуре нейтрино могут унести все внутренние запасы энергии звезды в течение одного дня. Но внутренние запасы энергии звезды препятствуют ее сжатию под действием собственного гигантского гравитационного поля. Поэтому, как только все внутренние запасы энергии перейдут в нейтринное излучение, звезде остается только сжаться, и тогда возникает сверхновая.

Если эти расчеты верны, появлению сверхновой предшествует необычайно сильное излучение нейтрино, которое продолжается не более нескольких столетий, и нейтринный телескоп обнаружил бы, что некоторые части неба являются такими сильными источниками нейтрино. (По расчетам Цзу, каждые 10—100 сек телескоп регистрировал бы одно нейтрино от источника, находящегося на расстоянии тысячи световых лет.) Эти источники предупреждали бы нас о появлении сверхновой (или катастрофах другого типа).

До сих пор сверхновые изучались только после их взрыва. Если нейтринная астрономия позволит изучать сверхновые непосредственно перед взрывом, можно будет получить массу информации о внутренних областях звезд. Волнение и радость астрономов будут неописуемы.

Вселенная и нейтрино

На самом деле нейтринная астрономия, вероятно расскажет нам даже о более общих свойствах Вселенной. Как я уже говорил, в обычной Вселенной преобладают нейтрино, во Вселенной из антивещества должны преобладать антинейтрино. Какова же плотность нейтрино во Вселенной? Ответить определенно на этот вопрос пока нельзя, хотя кое о чем мы догадываемся.

В любой части Вселенной существуют огромные потоки нейтрино, поскольку все звезды излучают нейтрино (или антинейтрино, если звезда состоит из антивещества), которые фактически никогда не поглощаются. Эти потоки являются свидетелями событий, которые происходили в течение всей истории Вселенной и происходят в настоящее время.

Вполне возможно, что «нейтринный фон» Вселенной имеет свои характерные особенности. Если бы мы обладали способностью видеть нейтрино, мы обнаружили бы, что во Вселенной фактически ничего нет, кроме нейтрино, а все остальные частицы являются, так сказать, незначительными примесями, которые кажутся нам преобладающими во Вселенной только потому, что мы не ощущаем фон. Как только мы начнем регистрировать случайные нейтрино, мы многое узнаем о Вселенной и ее истории, о которой сейчас только догадываемся или вообще даже не подозреваем.

Очевидно, в первую очередь необходимо измерить относительное число нейтрино и антинейтрино, которые доходят до нас из всей Вселенной. Если будут обнаружены только нейтрино, будет доказано, что наша Вселенная состоит из обычного вещества с незначительной примесью антивещества. Если же продолжать настаивать на том, что антивещество существует в равных количествах с веществом (согласно законам сохранения барионного и лептонного чисел), тогда, возможно, это антивещество нельзя обнаружить, и оно образует отдельную «Антивселенную».

Если нейтрино и антинейтрино будут обнаружены приблизительно в одинаковых количествах, значит, Вселенная состоит приблизительно из равных количеств вещества и антивещества. В этом случае нетрудно будет обнаружить отдельные галактики и антигалактики, заметив, откуда именно вылетают нейтрино и антинейтрино.

Если же, напротив, будут зарегистрированы потоки, в основном состоящие из антинейтрино, большая часть Вселенной, следовательно, состоит из антивещества. В таком случае Млечный Путь, в котором находится наше Солнце, — одна из немногих галактик, состоящих из обычного вещества.

Великие открытия нейтринной астрономии — в будущем, а пока можно придумывать самые невероятные вещи. Например, в 1962 году на основе чисто математических соображений было высказано предположение, что нейтрино могут путешествовать в прошлое [17].

Подчас новые факты не укладываются в рамки наших представлений. В том же 1962 году было сделано открытие, связанное с нейтрино, которое было неожиданным и довольно удивительным, хотя и не относилось к путешествию сквозь время.

Глава 10. Ядерное поле

Отталкивание внутри ядра

К 1932 году стало ясно, что ядра состоят исключительно из протонов и нейтронов. От более ранних теорий, которые утверждали, что в ядре находятся электроны, отказались. Хотя это решило сразу много проблем, возник вопрос, которого не было раньше.

До сих пор физики понимали, что удерживает нуклоны вместе. Когда же электрон перестали включать в состав ядра, эта уверенность пропала.

Все протоны несут положительные заряды и поэтому отталкиваются друг от друга. Присутствие в ядре электронов привело бы к появлению сил притяжения, так как протоны и электроны, несущие разноименные заряды, притягиваются друг к другу. Следовательно, электроны играли бы роль «ядерного цемента». С другой стороны, электрически нейтральные нейтроны не притягивают и не отталкивают протоны и, казалось бы, не могут служить таким ядерным цементом.

Отталкивание между протонами достаточно велико. В 1785 году Кулон (по имени которого впоследствии назвали единицу заряда) выразил силу отталкивания между двумя положительно заряженными телами следующим уравнением:

F = (q₁ · q₂) / d²,

где q₁ и q₂ — электрический заряд двух тел в электростатических единицах, a d— расстояние между их центрами в см. Тогда F представляет собой силу отталкивания, выраженную в динах.

Электрический заряд каждого протона равен 4,80298·10^-10 электростатических единиц. Внутри ядра два соседних протона фактически соприкасаются друг с другом, и, следовательно, расстояние между их центрами приблизительно равно 10^-13 см. Если подставить эти числа в уравнение Кулона, окажется, что два протона внутри ядра отталкиваются друг от друга с силой около 2,4·10⁷ дин.

Можно ли противодействовать столь сильному отталкиванию? В начале 30-х годов было известно только два типа сил: одна возникла в результате электромагнитного взаимодействия (например, отталкивание между двумя протонами), другая — гравитационного взаимодействия [18]. Насколько нам известно, гравитационное взаимодействие всегда приводит к притяжению. Значит, два протона кроме электромагнитного отталкивания испытывают также гравитационное притяжение. Может ли это гравитационное притяжение уравновесить электромагнитное отталкивание?

В 1687 году Ньютон выразил закон всемирного тяготения в такой же форме, в какой Кулон выразил свой закон сто лет спустя. Согласно закону Ньютона, два тела притягиваются друг к другу с силой, определяемой из следующего равенства: F = G (m₁m₂)/ d²,

где т₁ и m₂ — массы тел, a d — расстояние между их центрами, см. Величина G называется гравитационной постоянной.

Ньютон не знал величины G. Она была определена только в 1798 году (семьдесят лет спустя после смерти Ньютона) английским физиком Генри Кавендишем. Наиболее точное значение G в системе СГС, полученное в настоящее время, равно 6,670 · 10^-8 дин·см²/г².

Масса каждого протона чрезвычайно мала, всего 1,67252·10^-24 г. Расстояние между двумя протонами внутри ядра по-прежнему равно 10^-13 см. Подставив все эти величины в правую часть уравнения Ньютона, мы сможем определить величину F, т. е. силу гравитационного притяжения между двумя протонами в динах. Она оказывается очень мала — всего 1,86·10^-29 дин.

Другими словами, электромагнитное взаимодействие, стремящееся оттолкнуть протоны друг от друга, в сотни тысяч триллионов раз больше гравитационного взаимодействия, которое стремится их сблизить. Поэтому не удивительно, что при рассмотрении поведения субатомных частиц гравитационным взаимодействием пренебрегают.

Мы сами, однако, в обычной жизни сильно ощущаем действие гравитации. Объясняется это тем, что имеется только гравитационное притяжение, а гравитационного отталкивания нет. В случае электромагнитных взаимодействий наряду с двумя типами электрических зарядов существуют притяжение и отталкивание, которые могут нейтрализовать друг друга. Обычно суммарный электрический заряд любого значительного по размерам тела близок к нулю. Например, суммарные электрические заряды Земли и Солнца равны нулю, и электромагнитное взаимодействие между ними отсутствует.

Гравитационное взаимодействие, наоборот, с увеличением размеров тела становится более заметным. При увеличении массы слабые притяжения накапливаются без нейтрализации. Для тел с размерами планет и звезд гравитационное притяжение становится огромным. Поэтому, постоянно ощущая земное притяжение, мы неправильно думаем, что гравитационное взаимодействие сильное, в действительности же оно невероятно слабое.

Притяжение внутри ядра

Если при рассмотрении атомных ядер пренебречь гравитационными взаимодействиями и учитывать только электромагнитные, трудно объяснить существование ядра. Частицы, из которых оно состоит, не могли бы соединиться из-за колоссальных сил отталкивания между протонами; но даже если бы они каким-то образом все же соединились, они немедленно разлетелись бы, как при взрыве огромной силы. При этих условиях существовали бы только ядра водорода, состоящие из одного протона (или в некоторых случаях из протона и нейтрона).

И все же образовались, существуют и остаются стабильными все типы сложных ядер. Ядро урана-238 содержит 92 протона, находящихся в чрезвычайно тесном контакте друг с другом, тем не менее распадается оно чрезвычайно медленно, а ядро свинца с 82 протонами, так сказать, устойчиво, вечно.

Если факты противоречат теории, ее следует изменить. Если протоны связаны внутри ядра, должно быть притяжение, которое удерживает их вместе; притяжение, которое сильнее электромагнитного отталкивания. Следовательно, существуют ядерные взаимодействия, которые создают необходимое притяжение. Можно даже предсказать некоторые свойства ядерного взаимодействия. Во-первых, как отмечалось, оно должно быть сильнее электромагнитного и должно создавать притяжение между двумя протонами (а также между протоном и нейтроном и между двумя нейтронами). Во-вторых, ядерное взаимодействие должно действовать только на очень коротких расстояниях.

Электромагнитное и гравитационное взаимодействие обнаруживаются на значительном расстоянии. Каждая единица электрического заряда является как бы центров электромагнитного поля, которое простирается во всем направлениях и постепенно уменьшается с расстоянием. Аналогично каждая единица массы является центром гравитационного поля.

Напряженность каждого из этих полей обратно пропорциональна квадрату расстояния между взаимодействующими телами. Если, например, расстояние между протонами увеличится в два раза, гравитационное притяжение и электромагнитное отталкивание уменьшатся в четыре раза. Несмотря на такое ослабление, оба поля действуют на больших расстояниях. Например, Земля находится под действием гравитации Солнца, несмотря на то что их разделяет расстояние в 150 000 000 км. Значительно более удаленная планета Плутон также удерживается Солнцем, а Солнце, в свою очередь, удерживается на огромной орбите вокруг центра Галактики. Следовательно, электромагнитное и гравитационное поля вполне можно назвать «дальнодействующими».

Ядерные взаимодействия, рождающиеся в ядерном поле, изменяются однако не обратно пропорционально квадрату расстояния. Под действием ядерного поля два протона притягиваются друг к другу с большой силой, пока фактически не соприкоснутся. Но на расстояниях, превышающих размеры атомного ядра, притяжение, вызванное ядерным полем, слабее отталкивания за счет электромагнитного поля; поэтому везде, за исключением внутренних областей ядра, два протона отталкиваются.

Действительно, если атомное ядро имеет необыкновенно большие размеры, ядерное притяжение не в состоянии скомпенсировать электромагнитное отталкивание между протонами по всему объему ядра, и оно стремится развалиться. Именно такие ядра со сложной структурой испытывают α-распад, а иногда подвергаются даже более радикальному распаду, который мы называем «делением». Ядерное поле убывает обратно пропорционально не квадрату, а приблизительно седьмой степени расстояния. Если расстояние между двумя протонами увеличивается вдвое, притяжение между ними уменьшается не в 4 раза, а в 128 раз. Это означает, что поле внутри ядра в сотни раз сильнее электромагнитного, а вне ядра им можно пренебречь.

В 1932 году Гейзенберг (впервые предложивший протон-нейтронную модель ядра) разработал теорию, согласно которой взаимодействия полей осуществляются посредством обмена частицами. Например, притяжение и отталкивание в электромагнитном поле происходят в результате обмена фотонами между телами, испытывающими притяжение или отталкивание, иначе говоря, с помощью так называемых обменных сил. Если соображения Гейзенберга применимы и к ядерному полю, протоны и нейтроны ядра должны обмениваться некоторой частицей, чтобы между ними возникло необходимое притяжение, удерживающее их вместе.

Что это за частица? Почему она создает короткодействующую силу? И снова ответ (как и многие другие ответы в ядерной физике) возник при рассмотрении законов сохранения, но с совершенно новой точки зрения.

Принцип неопределенности

До сих пор мы предполагали, что законы сохранения выполняются строго. Мы не сомневались в этом, ибо могли доказать, что если, скажем, энергия или импульс возникли или исчезли даже в очень малых количествах, имели место явления, которые в действительности не наблюдались. Допустим, вы не удовлетворены простым утверждением, что законы сохранения должны выполняться точно, и пытаетесь проделать измерения, чтобы доказать это утверждение. Однако при измерении любого свойства системы вы вынуждены связать себя с системой. Следовательно, вы неизбежно как-то воздействуете на нее; а это, в свою очередь, искажает измерения.

Что происходит, например, при измерении температуры горячей воды? Обычно эту температуру измеряют, помещая в чашку термометр. Термометр нагревается до температуры воды, которую определяют по высоте ртутного столбика. Однако при нагревании термометр отбирает тепло у воды, которая слегка охлаждается, поэтому измеренная температура не равна температуре воды до погружения в нее термометра.

Аналогичный пример — измерение давления воздуха внутри автомобильной шины. Небольшой измерительный прибор вводится в клапан, и воздух выталкивает внутренний цилиндр прибора. Давление измеряют по степени выталкивания цилиндра. Но при этом некоторая часть воздуха выходит из шины, и измеренное давление не равно в точности давлению внутри шины перед измерением Подобная неточность возникает при любом измерении. Поэтому метод измерения выбирают обычно достаточно точный, чтобы избежать заметного изменения измеряемых величин.

А можно ли вообще настолько улучшить технику измерения, чтобы абсолютно точно определить измеряемое свойство системы? Естественно, этому мешает несовершенство приборов и человеческих органов чувств. Но, предположим, нас интересует принципиальная постановка вопроса при условии, что существуют абсолютно точные приборы и совершенные органы чувств. Можно ли тогда получить совершенно точные значения? В этом случае используемые приборы должны быть очень чувствительными и очень маленькими по сравнению с системой, свойства которой измеряются. Так, крошечный термометр будет поглощать очень мало тепла, а крошечный манометр будет терять очень мало воздуха. Чем меньше измерительный прибор, тем меньше он влияет на измерение, тем точнее измерение.

Предельно точное измерение получится при предельно маленьком измерительном приборе. Если такого прибора нет, невозможно и предельно точное измерение.

Конечно, самыми точными мыслимыми приборами являются субатомные частицы, и они, казалось бы, достаточно малы для любой степени точности. Но при переходе в субатомный мир, используя в качестве приборов субатомные частицы, мы сталкиваемся с измерением свойств объектов, которые сами чрезвычайно малы. Следовательно, наши приборы имеют такую же величину, как и объекты измерения, и поэтому, производя точное измерение, мы неизбежно сталкиваемся со значительными трудностями.

Допустим, необходимо измерить импульс электрона, чтобы в итоге выяснить, выполняется ли точно закон сохранения импульса для системы, частью которой он является. С этой целью направим пучок фотонов в направлении движения электрона. Время от времени один из фотонов сталкивается с электроном и отскакивает от него. Зная направление, в котором возвращается отскочивший фотон, и время, за которое он прошел путь туда и обратно, можно определить положение электрона в любой момент времени. Проделав такую операцию несколько раз, мы узнаем его положение в различные моменты времени и из полученных данных рассчитываем его скорость и импульс. Единственная неприятность состоит в том, что фотон имеет, вероятно, такие же размеры, как электрон, и когда он сталкивается с электроном, тот отскакивает. Путь, который проходит электрон под обстрелом фотонов, существенно отличен от пути, который он проходил бы в отсутствие фотонов. Поэтому, хотя положение электрона в различные моменты времени известно с большой точностью, никакого представления о его скорости в отсутствие фотонов нет.

Попытаемся обойти эту трудность, используя фотоны со все меньшей и меньшей энергией, которые настолько слабы, что существенно не изменят движение электрона В этом случае можно было бы надеяться рассчитать и определить точное положение и импульс электрона К сожалению, чем меньше энергия фотона, тем больше длина его волны, а чем больше длина волны, тем реже он отскакивает от электрона. Более вероятно, что вместо этого фотон обогнет электрон и отскочит от него, если это вообще случится, совершенно в другом направлении. В результате, чем точнее определяется импульс, тем труднее становится судить о положении электрона.

В 1927 году Гейзенберг после тщательного анализа установил, что импульс любой частицы можно определить с какой угодно точностью; но чем точнее определяется импульс, тем менее точно известно положение частицы, и наоборот, чем точнее определяется положение частицы, тем менее точно определяется импульс. Гейзенберг показал, что неточность в определении импульса (которая называется «неопределенностью» импульса и обозначается Δр), умноженная на неточность или неопределенность положения (Δx), всегда больше некоторой фиксированной величины для любой системы, будь то электрон или Солнце. Он получил соотношение

ΔрΔx ≥ h/2π,

где знак ≥ означает «больше или равно», π (греческая буква «пи») — хорошо известная постоянная, равная приблизительно 3,14159, a h — величина, называемая постоянной Планка. Это уравнение выражает собой принцип неопределенности Гейзенберга.

Постоянная Планка, впервые полученная им в 1900 году, когда он разрабатывал теорию квантов, является очень маленькой величиной (в настоящее время принято считать ее равной 6,6256·10^-27 эрг·сек). Величина h/2π равна почти точно 10^-27 эрг·сек. Следовательно, уравнение принципа неопределенности имеет вид

ΔрΔx ≥ 10^-27.

Таким образом, теоретический предел точности в действительности очень мал. Теоретически — если бы имелись достаточно маленькие приборы и совершенные органы чувств — можно было бы одновременно определить положение объекта с точностью менее одной триллионной сантиметра, а его импульс — с точностью менее одной триллионной грамм-сантиметра в секунду. Такая точность измерений вполне достаточна (и даже более чем достаточна) в нашей повседневной жизни или даже в обычном микромире, где точность зависит только от нас. Однако в мире атома и субатомных частиц принцип неопределенности принципиально ограничивает точность данных, получаемых нами. В субатомном мире одна триллионная сантиметра — значительная величина, и, если электрон локализован с меньшей точностью, его положение фактически неопределенно. Если же его местоположение определено более точно, неопределенность его импульса становится соответственно больше, неточность 10^-18 г·см/сек при определении величины импульса электрона является уже неприемлемо большой.

Когда был впервые сформулирован принцип неопределенности, многих физиков (включая и Альберта Эйнштейна) обеспокоила мысль о том, что имеется неизбежный предел наших знаний о Вселенной. Справедливость принципа неопределенности означает, что природа ведет «нечестную игру». Однако принцип неопределенности оказался очень полезным. Физики-теоретики смогли объяснить, каким образом атомы поглощают и излучают энергию, предположив, что все частицы обладают волновыми свойствами, причем чем легче частица, тем заметней эти свойства. Электрон, являющийся самой легкой частицей, должен особенно отчетливо проявлять волновые свойства, и они на самом деле были обнаружены в 1927 году (в том же году, когда был сформулирован принцип неопределенности). Раз электрон обладает волновыми свойствами, нельзя говорить о его точном положении, словно это крошечный бильярдный шарик, так как он не является таковым. Принцип неопределенности, парадоксальный, если электрон представлять в виде крошечного бильярдного шарика, стал единственной возможностью придать электронной волне какой-то смысл.

Поскольку принцип неопределенности оказался очень важным при детальном исследовании ядерного поля, я поведу свой рассказ в этом направлении, чтобы со временем вернуться к нейтрино.

Принцип неопределенности и законы сохранения

В 1930 году на конгрессе физиков в Брюсселе Эйнштейн пытался доказать ошибочность принципа неопределенности. Сделать это ему не удалось. Соображения которые он привел, чтобы доказать несостоятельность принципа неопределенности, как показал датский физик Нильс Бор, были ошибочны, и Эйнштейн, так сказать, высек самого себя.

В процессе дискуссии Эйнштейн показал, что, если принцип неопределенности верен, его можно выразить через неопределенность энергии Δе, умноженную на неопределенность времени Δt, по аналогии с соотношением Гейзенберга, т. е.

ΔеΔt ≥ 10^-27.

Согласно эйнштейновской версии принципа неопределенности, чем точнее мы определяем энергию системы, тем менее точно знаем момент времени, в который энергия действительно имеет это определенное значение, и наоборот.

В обычных условиях энергию системы определяют в течение достаточно длинного отрезка времени, поэтому можно в принципе определить ее с большой точностью и убедиться, что закон сохранения энергии выполняется с такой же большой точностью.

А если необходимо определить энергию системы в течение, скажем, одной триллион-триллионной доли секунды? В этом случае время нужно определить по крайней мере с такой же степенью точности, следовательно, неопределенность энергии будет очень большой. В этом случае нельзя сказать, имеет ли система такую энергию, которую она «должна» иметь согласно закону сохранения энергии, так как из-за неточности измерения энергия системы может быть значительно больше или значительно меньше истинного значения.

Предположим, школьнику запрещается в любое время неучтиво относиться к строгому учителю под страхом суровой порки. Есть ли у учителя основания считать, что мальчишка не высовывает язык каждый раз, когда он поворачивается к нему спиной? Учитель может обернуться и не увидеть высунутого языка, так как ученик спрячет язык быстрее, чем учитель повернется. Неважно, поймает учитель мальчишку или нет. Если мальчишка высунет свой язык, он нарушит правила вне зависимости от того, будет ли он пойман или нет. Значит, практически правило для школьника означает не «Быть вежливым», а «Никогда не быть пойманным за невежливость». Если учитель не заметит высунутого языка, у него не будет основания наказать мальчишку.

Аналогично закон сохранения энергии требует, чтобы система имела определенное фиксированное значение энергии вне зависимости от того, как ее измеряют. А если энергию системы нельзя измерить точно, нельзя с чистой совестью утверждать, что ее величина должна быть именно такой.

Короче говоря, закон сохранения энергии мы должны формулировать следующим образом: «Полная энергия замкнутой системы остается постоянной в пределах принципа неопределенности». При этой, более разумной формулировке закон сохранения энергии в его абсолютном смысле может «нарушаться» в течение короткого промежутка времени, и чем он короче, тем сильнее его можно нарушить.

Эту довольно гибкую версию закона сохранения энергии использовали при детальном рассмотрении ядерного поля, для объяснения существования атомных ядер элементов тяжелее водорода. В начале 30-х годов над этой проблемой работал японский физик Хидэки Юкава, опубликовавший свои результаты в 1935 году. Он предположил, что ядерное поле создает сильное притяжение с помощью обменной частицы. Самим своим существованием эта частица нарушает старую, доквантовую формулировку закона сохранения энергии. Значит, она существует только в течение очень короткого времени, дозволенного ей принципом неопределенности.

Предположим, что нейтрон или протон испускает частицу, которой в обычных условиях не хватает энергии, чтобы вылететь из нейтрона или протона. Такая частица должна быстро поглотиться за время, определяемое принципом неопределенности. Эту частицу, называемую виртуальной, которая испускается и тут же поглощается, нельзя зарегистрировать никаким прибором.

Если виртуальная частица возникает внутри ядра и движется со скоростью света, она проходит расстояние от одного нуклона до другого и обратно приблизительно за 5·10^-24 сек. Если этот промежуток времени рассматривать как неопределенность во времени Δt, из эйнштейновской версии принципа неопределенности можно подсчитать неопределенность энергии протона Δе, испускающего виртуальную частицу. Эта величина равна приблизительно 0,0002 эрг или 125 Мэв, что эквивалентно массе приблизительно равной 250 массам электрона.

Другими словами, если бы протон излучал частицу в 250 раз тяжелее электрона, ее нельзя было бы зарегистрировать за время, меньшее чем 5·10^-24 сек. В течение этого промежутка времени протон может нарушить закон сохранения энергии в пределах 250 электронных масс, но в течение этого времени частица способна долететь до следующего нуклона и вернуться обратно. Если бы виртуальная частица была значительно легче, ее нельзя было бы зарегистрировать в течение значительно большего периода времени, и она вылетела бы за пределы ядра на значительное расстояние. Тогда ядерное поле проявилось бы вне ядра, чего на самом деле не наблюдается. С другой стороны, если бы виртуальная частица была более чем в 250 раз тяжелее электрона, у нее не хватило бы времени долететь до соседнего нуклона и нуклоны не могли бы удерживаться вместе в ядре.

Так, в 1935 году Юкава предсказал, что ядро устойчиво благодаря ядерному полю, которое существует за счет непрерывного испускания и поглощения частиц с массой, приблизительно в 250 раз большей массы электрона. А принцип неопределенности объяснил, почему ядерное поле имеет такой маленький радиус действия.

Глава 11. Мюоны

Открытие мезона

Пока обменные частицы не найдены и их существование не продемонстрировано каким-либо образом, они остаются не более чем теоретическим вымыслом. Мы знаем, что виртуальная частица остается виртуальной толь-ко потому, что системе, из которой она возникает, не хватает энергии, чтобы сделать ее реальной. Если же системе сообщить энергию, которая превратилась бы в массу частицы, последняя находилась бы тогда вне сферы действия принципа неопределенности, и ее можно было бы обнаружить. Однако для этого атомному ядру необходимо сообщить по крайней мере 125 Мэв, а в начале 30-х годов получать такие энергии еще не умели. В то время единственным источником больших энергий были космические лучи, бомбардирующие Землю из межпланетного пространства. Энергия некоторых космических частиц достигает сотен и миллиардов мегаэлектронвольт. (Максимальные энергии космических частиц остаются недостижимыми даже сейчас, когда построены огромные ускорители, способные создавать пучки субатомных частиц с энергиями 30 000 Мэв и выше.)

Теперь известно, что частицы космических лучей представляют собой голые атомные ядра, которые медленно ускоряются за время своего длинного путешествия через межзвездное пространство (по-видимому, за счет переменных магнитных полей звезд и галактик). (Поскольку вещество Вселенной состоит в основном из водорода и гелия, не удивительно, что космические лучи содержат приблизительно 78 % протонов (ядра водорода), 20 % α-частиц (ядра гелия) и 2 % более тяжелых ядер.

Положительно заряженные ядра представляют собой первичное излучение. Когда частицы первичного излучения попадают в атмосферу Земли, их огромные энергии приводят к ряду изменений в ядрах, с которыми они сталкиваются. Из ядер выбиваются быстрые частицы, образующие вторичное излучение. Было бы не удивительно, если бы вторичное излучение состояло из быстрых электронов и фотонов большой энергии, но некоторые свойства этого излучения свидетельствуют против.

Физики, исследовавшие космические лучи в начале 30-х годов, строили догадки (совершенно независимо от теории ядерного поля Юкавы) о существовании частиц тяжелее электрона, но легче протона. Такие частицы с промежуточной массой были нужны для объяснения данных, полученных в процессе исследования космических лучей. В 1935 году, вскоре после того, как была опубликована теория Юкавы, Андерсон (который тремя годами раньше открыл позитрон) занимался исследованием космических лучей на Пайк-Пике (штат Колорадо). В следующем году, изучая полученные фотографии, он обнаружил треки с кривизной, которую следовало бы ожидать от частиц с промежуточной массой. Частица оказалась приблизительно в 207 раз тяжелее электрона. Андерсон назвал ее мезотроном, от греческого слова mesos, что означает промежуточный, но название быстро сократили до слова мезон, которое и стало общепринятым.

Вначале думали, что частица Андерсона является обменной частицей Юкавы, хотя масса ее была меньше, чем предсказывал Юкава. К сожалению, данные противоречили этому. Сама природа ядерного поля предполагала что обменная частица Юкавы должна очень интенсивно и быстро взаимодействовать с любым нуклоном, встречающимся на ее пути. Поэтому она не сможет глубоко проникнуть в вещество, так как первое же встречное ядро поглотит ее. Однако оказалось, что частица Андерсона легко проникает в вещество, проходя, например, сквозь слой свинца значительной толщины. При этом она сталкивается со многими ядрами и не поглощается ими, значит, она не является ядерной обменной частицей.

Горечь разочарования исчезла в 1948 году благодаря работе группы английских физиков, возглавляемой Сеслом Фрэнком Пауэллом, которая изучала космические лучи на больших высотах в Боливийских Андах. Они зарегистрировали частицы, более тяжелые, чем мезоны Андерсона, частицы, имеющие массу приблизительно в 270 раз больше массы электрона.

Новая частица обладала массой, близкой к предсказанной Юкавой, и достаточно интенсивно взаимодействовала с веществом. Ядерной обменной частицей оказался мезон Пауэлла, а не Андерсона. Так была подтверждена теория Юкавы и доказано существование ядерного поля.

Пауэлл назвал свою частицу π-мезоном, а частица Андерсона — первый открытый мезон — впоследствии была названа μ-мезоном.

Со времен были открыты другие типы мезонов и стало очевидно, что все субатомные частицы можно разделить на три группы, а не на две. Кроме лептонов и барионов появились мезоны.

Сильные и слабые взаимодействия

Открытие ядерного поля не разрешило сразу все нерешенные проблемы. Возникло недоумение по поводу времени взаимодействия мезона. Пролетая мимо ядра практически со скоростью света, π-мезон находится все же достаточно близко от него и в течение не более 10^-23 сек испытывает влияние очень короткодействующего ядерного поля. За этот ультракороткий промежуток времени π-мезон тем не менее имеет возможность взаимодействовать с ядром.

Разумно предположить, что все мезонные взаимодействия должны протекать одинаково быстро. В частности, следовало бы ожидать, что π-мезоны и μ-мезоны в свободном состоянии распадутся за время не более 10^-23 сек. Однако изолированный π-мезон распадается на более легкие частицы в течение приблизительно 2,55·10^-8 сек. А изолированный μ-мезон живет еще дольше, распадаясь на более легкие частицы за 2,212 ·10^-6 сек.

Интервалы времени в десяти- и стомиллионные доли секунды кажутся нам предельно короткими, но в субатомных масштабах времени они чрезвычайно велики. Предположим, теория утверждает, что некая частица распадается за одну секунду, хотя обнаружено, что некоторые частицы живут сто миллионов, а другие десять миллиардов лет. Мы были бы удивлены этими огромными временами жизни, не так ли? А ведь время 10^-23 сек, в течение которого, согласно теории, должен жить π-мезон, и 2,55·10^-8 сек, которые он живет в действительности, находятся в таком же отношении друг к другу, как одна секунда и сто миллионов лет.

Необходимо было предположить, что не одно ядерное поле ответственно за все мезонные взаимодействия, а два, одно из которых сильнее другого. Одно поле приводит к сильным взаимодействиям, как, например, взаимодействие π-мезона с ядром, а другое является причиной слабых взаимодействий в ряде распадов π-мезонов и μ-мезонов. Распад нейтрона разумно отнести к слабым взаимодействиям.

Если π-мезон является обменной частицей для сильных взаимодействий, должна, вероятно, существовать обменная частица и для слабых взаимодействий. Ферми разработал теорию слабых взаимодействий, для которой, по-видимому, необходима такая обменная частица. Иногда ее называют w-частицей (от английского слова weak — слабый). Согласно теории, w-частица, по-видимому, имеет большую массу в свободном состоянии. Она намного тяжелее протона, но время жизни ее только 10^-17 сек, что составляет приблизительно одну миллиардную времени жизни π-мезона. Поэтому ее не так-то легко зарегистрировать.

В настоящее время физики различают четыре типа полей, ответственных за все протекающие во Вселенной процессы. Это два ядерных поля: электромагнитное и гравитационное. Ядерное поле сильных взаимодействий — наиболее мощное из всех полей, оно в сотни раз сильнее электромагнитного. Поле слабых взаимодействий в сто миллиардов раз слабее электромагнитного но во много триллионов раз сильнее гравитационного поля. Насколько известно, гравитация остается пока наиболее слабой силой в природе [19].

Тяжелый электрон

В 50-х годах μ-мезон становился все более и более загадочной частицей. В отличие от π-мезона, нужного для устойчивости ядер, он не играет никакой существенной роли, которую физики могли бы понять до конца. Более того, он постепенно теряет свою индивидуальность и становится все более и более похожим на разновидность электрона.

Это может показаться странным, так как наиболее отличительные свойства μ-мезона и электрона совершенно различны. Во-первых, μ-мезон в 207 раз тяжелее электрона, во-вторых, в то время как электрон — стабильная частица, μ-мезон нестабилен, он распадается за 2,212 ·10^-6 сек.

И все же ряд свойств электрона и μ-мезона совпадают:

1) заряд электрона равен -1, а его античастицы, позитрона, + 1. В этом отношении μ-мезон похож на электрон. У него есть две разновидности: отрицательный μ-мезон, который, подобно электрону, имеет заряд -1 и является частицей, и положительный μ-мезон, который, подобно позитрону, имеет заряд +1 и является античастицей. Отрицательный μ-мезон изображается символом μ^-, а положительный μ-мезон, являющийся античастицей, символом \'μ⁺;

2) в природе не существует «нейтрального электрона», т. е. нет незаряженной частицы с массой электрона. Точно так же нет и «нейтрального μ-мезона»;

3) спины электрона и позитрона равны +1/2 или -1/2. Такие же значения имеют спины отрицательного и положительного μ-мезонов.

4) электрон и позитрон никогда не участвуют в сильных взаимодействиях, зато принимают участие в слабых, как и положительный и отрицательный μ-мезоны;

5) наконец, магнитные свойства электрона и позитрона фактически совпадают с магнитными свойствами отрицательного и положительного μ-мезонов.

Важно ли различие в массе и стабильности μ-мезона и электрона, если они во многом так похожи?

Что касается различия в стабильности, им можно вообще пренебречь. Я уже говорил, что в субатомных масштабах время жизни 0,000002212 сек чрезвычайно велико. Это время находится в таком же отношении ко времени, характерному для сильных взаимодействий, как десять миллиардов лет к одной секунде. Событие, продолжающееся десять миллиардов лет, практически «вечно» по сравнению с событиями, длящимися одну секунду. Аналогично в субатомных масштабах времени μ-мезон существует практически «вечно», и разница между его временем жизни и действительно бесконечным временем жизни электрона и позитрона незначительна.

А вот различие масс μ-мезона и электрона остается загадочным. Тяжелые частицы участвуют как в слабых, так и в сильных взаимодействиях, в то время как легкие частицы, очевидно, участвуют только в слабых взаимодействиях. Граница проходит через π-мезон; π-мезон— самая легкая из известных тяжелых частиц, участвующая в сильных взаимодействиях.

Однако μ-мезон, масса которого составляет примерно 3/4 массы π-мезона, не участвует в сильных взаимодействиях. Он участвует только в слабых взаимодействиях. Почему же, несмотря на свою массу, он не способен участвовать в сильных взаимодействиях? Увы, до сих пор на этот вопрос нет ответа. Почему отрицательный (μ-мезон в сущности так похож на электрон, а положительный μ-мезон — на позитрон? И если μ-мезоны действительно просто «тяжелые электроны», то почему их масса именно в 207 раз больше массы электрона — не больше и не меньше? До сих пор физики не получили ответа ни на один из этих вопросов.

Поскольку нам приходится рассматривать μ-мезоны как более тяжелые электроны и позитроны, то они должны считаться лептонами и подчиняться закону сохранения лептонного числа. Отрицательному μ-мезону, подобно электрону, приписали лептонное число +1, а положительному μ-мезону, подобно позитрону, -1. Физики установили, что при таком выборе во всех субатомных процессах с участием μ-мезонов закон сохранения лептонного числа выполняется. А поскольку μ-мезон является лептоном, чтобы не впадать в заблуждение, его назвали мюоном. Конечно, существуют отрицательные и положительные мюоны.

Что касается π-мезона, он оправдывает свое название. Прежде всего он и не лептон, и не барион. Если ему приписать нулевые лептонное и барионное числа, то во всех субатомных процессах с участием π-мезона законы сохранения лептонного и барионного чисел будут выполняться. Тем не менее, по аналогии с мюоном π-мезон стали все чаще и чаще называть пионом. Пион существует в двух зарядовых состояниях: положительный пион (π⁺), являющийся частицей, и отрицательный пион (\'π^-), представляющий собой античастицу. В отличие от электрона и мюона пион может существовать и в виде незаряженной частицы — нейтрального пиона (π⁰), которая немного легче заряженного пиона — ее масса в 264 раза больше массы электрона, а живет она значительно меньшее время, распадаясь в течение 1,9·10^-16 сек. Особенно необычно то, что нейтральный пион, подобно фотону, является своей собственной античастицей.

Если мюон только более тяжелая разновидность электрона, он должен дублировать его функции в атоме, что наблюдается в действительности. Электрон, находящийся во внешних областях атома, можно представить как частицу, вращающуюся вокруг атомного ядра по определенным орбитам, или как волну, имеющую определенные энергетические состояния. При определенных условиях отрицательные мюоны на короткое время занимают место электронов в атомах. (А положительные мюоны, вероятно, могут занять место вращающихся позитронов в атомах антивещества.) Атом, в котором отрицательный мюон замещает электрон, называется мезоатомом.

Конечно, разница масс мюона и электрона приводит к некоторым изменениям. Момент количества движения частицы, вращающейся вокруг ядра, кроме всего прочего зависит от массы частицы и ее расстояния от ядра.

Так как мюон в 207 раз тяжелее электрона, расстояние его от ядра должно быть меньше, чтобы при замене электрона мюоном момент количества движения не менялся.

В очень тяжелых атомах, внутренние электроны которых расположены близко к ядру, отрицательный мезон может так близко вращаться вокруг ядра, что почти вся его орбита будет находиться внутри ядра. Это обстоятельство еще раз показывает, насколько слабо он взаимодействует с протонами и нейтронами. (И снова мюон напоминает электрон, который тоже слабо взаимодействует с нуклонами. В противном случае ядро поглотило бы электроны и вещество в обычном его виде не существовало бы.)

Если мюон в мезоатоме представить в виде волны, имеющей определенные энергетические состояния, из-за большой массы энергия этих уровней соответственно выше, чем у электрона, а расстояние между соседними уровнями соответственно больше. Фотоны, излучаемые при переходе мюона в мезоатоме с одного энергетического уровня на другой, тоже имеют соответственно большую энергию, так что излучение мезоатомов находится в области рентгеновских лучей, в то время как обычные электронные атомы излучают видимую и ультрафиолетовую части спектра.

Конечно, мезоатомы так же нестабильны, как и мюоны, ибо когда мюон распадается в течение примерно одной миллионной доли секунды, атомное ядро заменяет его обычным электроном.

Глава 12. Мюонное нейтрино

Распад пиона

Если мюон действительно просто тяжелый электрон, при взаимодействии частиц он должен в точности копировать поведение электрона Например, отрицательный пион распадается, образуя отрицательный мюон, а положительный пион — положительный мюон, причем образование этих мюонов походит на рождение электронов. А поскольку электрон (или позитрон) рождается вместе с антинейтрино (или нейтрино), не будут ли возникать эти частицы и при образовании мюонов? Оказывается, нейтрино и антинейтрино действительно появляются при распаде мюонов, и мы можем записать:

\'π^-→ μ^-+ \'ν

π⁺→\'μ⁺+ ν.

В обоих случаях суммарное лептонное число продуктов распада равно нулю. Закон сохранения лептонного числа требует, чтобы лептонное число частиц перед распадом также было равно нулю. До распада существовали только отрицательный и положительный пионы, которым по этим соображениям следует приписать нулевые лептонные числа. По-видимому, из взаимодействия следует, что «закон сохранения мезонного числа» не существует, так как при распаде пиона мюон исчезает бесследно. Но физики и не стремятся приспособить свои теории к закону сохранения мезонов. В этом смысле их вполне устраивает естественное положение вещей.

Однако возникает законный вопрос: почему пион распадается только на мюон, если мюон является просто тяжелым электроном? Почему при распаде не образуется электрон? Оказывается, такой распад иногда имеет место.

В 1958 году было обнаружено, что один пион из 7000 распадается на электрон, а не на мюон:

\'π^-→ e^-+ \'ν,

π⁺→\'e⁺+ ν.

Почему мюоны и электроны образуются не в одинаковом количестве? Прежде всего, из-за разницы в массах. Мюон во много раз тяжелее электрона, поэтому почти вся энергия, освобождающаяся при распаде пиона, идет на образование массы, и только незначительная ее часть превращается в кинетическую энергию. В результате возникший мюон имеет скорость порядка 40 000 км/сек. При образовании электрона только очень незначительная часть энергии распада превращается в массу и электрон вылетает со скоростью более 290 000 км/сек, что очень близко к скорости света.

При создании теории слабых взаимодействий Ферми показал, что вероятность рождения мюона, а не электрона при распаде пиона зависит, в частности, от скорости образующейся частицы. Чем ближе скорость частицы к скорости света, тем меньше вероятность ее рождения. Именно поэтому медленный мюон образуется чаще, чем быстрый электрон.

Если не учитывать разности масс, можно сказать, что для любого известного взаимодействия частиц с участием электронов (или позитронов) имеются аналогичные взаимодействия, в которых участвуют отрицательные (или положительные) мюоны.

А одинаковы ли нейтрино и антинейтрино, образующиеся вместе с электронами и мюонами?

Вначале, когда сходство между электронами и мюонами не принимали во внимание и мюон считали особой частицей, не похожей на электрон, не было оснований думать, что легкие нейтральные частицы, образующиеся при рождении мюона, должны быть обязательно нейтрино. Было известно, что мюон намного тяжелее электрона, и поэтому казалось разумным предположить, что легкая нейтральная частица, возникающая вместе с ним, тяжелее невесомого нейтрино, но, несомненно, легче нейтрона. Поэтому некоторое время частицу с промежуточной массой физики называли «нейтретто». Подозревали даже, что она тяжелее электрона.

При более внимательном изучении «нейтретто» было обнаружено, что величину ее массы следует уменьшать и уменьшать. Все больше начинало казаться, что эта частица, подобно нейтрино, не имеет массы. Поэтому, когда было установлено сходство мюона и электрона, ничего не стоило предположить, что рождение мюона и электрона сопровождается нейтрино, одинаковыми в обоих случаях.

Сохранение электронного и мюонного чисел

Однако, если нейтрино, сопровождающее возникновение электрона, идентично нейтрино, сопровождающему рождение мюона, появляется новый вопрос в связи с распадом мюона. При распаде отрицательного мюона образуется электрон, а при распаде положительного — позитрон. Кроме того, в первом случае должно было бы возникнуть антинейтрино, а во втором — нейтрино:

μ^-→ e^-+ \'ν, \'μ⁺→\'e⁺+ ν.

Можно заметить, что с лептонным числом творится что-то неладное. Отрицательный мюон имеет лептонное число +1, а лептонные числа электрона и антинейтрино + 1 и -1 соответственно, т. е. их суммарная величина равна нулю. С другой стороны, положительный пион имеет лептонное число -1, а позитрон и нейтрино — лептонные числа -1 и +1 соответственно, следовательно, их суммарное значение тоже равно нулю.

Нарушается ли закон сохранения лептонного числа? Или следует мюону приписать нулевое лептонное число? Ни одна из этих возможностей неприемлема для физиков, ибо вызвала бы больше вопросов, чем решила. Проще всего выйти из положения, если предположить, что при распаде мюона возникает еще третья частица.

Допустим, при распаде отрицательного мюона рождается не только электрон и антинейтрино, но еще и нейтрино, а при распаде положительного мюона — позитрон, нейтрино и антинейтрино, т. е.

μ^-→ e^-+ \'ν + ν,

\'μ⁺→\'e⁺+ ν + \'ν.

Таким образом, если вначале был отрицательный мюон с лептонным числом +1, после распада будут три частицы с лептонными числами +1, -1 и +1 и их сумма равна +1. Если вначале был положительный мюон с лептонным числом -1, после распада возникнут три частицы с лептонными числами -1, +1 и -1, и их сумма равна -1. Так, не лишая мюона принадлежности к лептонам, мы одновременно спасли закон сохранения лептонного числа.

Но не все еще ясно. Присутствие нейтрино и антинейтрино среди продуктов распада мюона приводит к новой проблеме.

Обычно частица и античастица при достаточном сближении, аннигилируют, излучая фотоны соответствующей энергии. Возможно, нейтрино и антинейтрино аннигилируют с меньшей вероятностью, чем обычные частицы и античастицы, но такая аннигиляция должна происходить, даже если это редкое явление. Тогда время от времени отрицательный мюон распадался бы на электрон и фотоны, а положительный мюон — на позитрон и фотоны, а фотоны легко было бы зарегистрировать. Однако их нет. Почему?

Одна теория, предложенная для объяснения отсутствия фотонов, заставляла отказаться от существования w-частицы. Если w-частица не существует, распад мюонов на электроны и фотоны должен был происходить так редко, что его нельзя было бы обнаружить. Однако w-частица часто используется в теории, и физики начали искать другое объяснение.

Объяснение появилось в 1957 году и сводилось к предположению, что нейтрино и антинейтрино, возникающие при распаде мюона, на самом деле не являются настоящими частицей и античастицей. Иными словами, электрон при распаде образует один сорт нейтрино, которое можно назвать электронным нейтрино ν_e (ему соответствует электронное антинейтрино \'ν_e), а мюон образует нейтрино другого сорта — мюонное нейтрино ν_μ, (которому соответствует мюонное антинейтрино \'ν_μ).

Рассмотрим теперь распад мюона в новом свете. Отрицательный мюон распадается на электрон и электронное антинейтрино. Следовательно, третья частица, образующаяся при распаде отрицательного мюона, должна быть мюонным нейтрино. Поэтому электронное антинейтрино и мюонное нейтрино не аннигилируют, так как они не являются комбинацией частица — античастица. По тем же соображениям положительный мюон распадается на позитрон, электронное нейтрино [20] и мюонное антинейтрино. Запишем распады мюонов в следующем виде:

μ^-→ e^-+ \'ν_e+ ν_μ,

\'μ⁺→\'e⁺+ ν_e+ \'ν_μ.

Нетрудно заметить, что при такой записи лептонное число сохраняется, а кроме того, возникает возможность сформулировать два более узких закона сохранения. Разделим все лептоны на электронное и мюонное семейства. Семейство электронов включает электрон, позитрон, электронное нейтрино и электронное антинейтрино. Электрон и электронное нейтрино имеют электронное число +1 каждый, а позитрон и электронное антинейтрино — соответственно -1 каждый. К семейству мюонов относят ся отрицательный мюон, положительный мюон, мюонное нейтрино и мюонное антинейтрино. Отрицательный мюон и мюонное нейтрино должны иметь мюонное число +1, а положительный мюон и мюонное антинейтрино — мюонное число -1. (Фотон, оставшийся лептон, не принадлежит ни к одной из этих групп, и его электронное и мюонное числа равны нулю. Точно так же будет обстоять дело с мезонами и барионами. Более того, частицы из семейства электронов будут иметь нулевые мюонные числа, и наоборот.)

Уравнения, описывающие распад мезона и образование двух разных нейтрино, иллюстрируют закон сохранения электронного числа и закон сохранения мюонного числа, которые утверждают соответственно, что суммарное значение электронного числа и суммарное значение мюонного числа замкнутой системы остаются постоянными.

Рассмотрим сначала распад отрицательного мюона, имеющего мюонное число +1 и нулевое электронное число. При распаде образуются три частицы: электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино, мюонные числа которых равны 0, 0 и +1 соответственно, а электронные числа равны +1, -1 и 0 соответственно. Таким образом, мюонное и электронное числа сохраняются. Аналогично можно показать, что мюонное и электронное числа сохраняются и в случае распада положительного мюона.

Эти законы справедливы для некоторых рассмотренных ранее взаимодействий с участием электронов и мюонов если при этом учесть различие двух типов нейтрино. Распад нейтрона происходит при участии электронного антинейтрино:

n→p⁺+ e^- + \'ν_e.

Нетрудно видеть, что электронное и мюонное числа равны нулю в начале и в конце распада.

Отрицательный пион распадается на отрицательный мюон и антинейтрино мюонного типа или на электрон и антинейтрино электронного типа:

\'π^-→ μ^-+ \'ν_μ,

\'π^-→ e^-+ \'ν_e .

Мюонное и электронное числа пиона равны нулю. В первом распаде пиона отрицательный мюон и антинейтрино мюонного типа имеют мюонные числа +1 и -1, т. е. их сумма равна нулю. Во втором — электрон и антинейтрино электронного типа имеют электронные числа +1 и -1 соответственно, т. е. их сумма также равна нулю. Те же самые соображения применимы и к распаду положительного пиона.

Физики установили, что в действительности при всех взаимодействиях частиц с участием мюонов или электронов или и тех и других вместе мюонное и электронные числа сохраняются. Конечно, их сумма (лептонное число) также сохраняется. Поскольку более важно сохранение этих чисел в отдельности, а не сохранение их суммы, законом сохранения лептонного числа перестали пользоваться, хотя он никогда не нарушался, и вместо него физики говорят о законах сохранения электронного и мюонного чисел.

Двухнейтринный эксперимент

Законы сохранения электронного и мюонного чисел имеют силу только в том случае, если электронное нейтрино и мюонное нейтрино на самом деле различны по своей природе. К сожалению, нет такого свойства, по которому можно было бы установить это различие. Оба типа нейтрино не имеют ни массы, ни заряда. Спины обоих равны +1/2 или -1/2, и оба имеют античастицы. В чем же тогда заключается их различие?

Физики не решались постулировать различие между электронным и мюонным нейтрино без дополнительного доказательства. Они искали взаимодействие, которое протекало бы по-разному в зависимости от того, одинаковы или различны эти нейтрино. Такой эксперимент был придуман и проведен в 1962 году в лаборатории Брукхейвена. Для проведения эксперимента требовался пучок нейтрино высоких энергий. Его получали при столкновении протонов большой энергии с бериллиевой мишенью, использовавшейся для получения интенсивного пучка положительно и отрицательно заряженных пионов (рис. 9).

Пучок пионов направляли на стену из стальной брони (от старого линкора) толщиной около 13,5 м. Не достигнув стены, приблизительно 10 % весьма нестабильных положительных пионов распадалось на положительные мюоны и мюонные нейтрино, такое же количество отрицательных пионов распадалось на отрицательные мюоны и мюонные антинейтрино. Кроме того, положительные пионы создавали позитроны и электронные нейтрино, а отрицательные пионы — электроны и электронные антинейтрино, но в таком незначительном количестве, что ими можно было свободно пренебречь.



Рис. 9. Рождение нейтрино в двухнейтринном эксперименте.



Когда этот конгломерат частиц сталкивался со стальной стенкой, пионы и мюоны обоих знаков останавливались, а нейтрино мюонного и электронного типов продолжали двигаться в прежнем направлении, проходя 13,5 м стальной брони, как через вакуум. По другую сторону от стальной стены было огорожено место, в котором располагался 10-тонный детектор (искровая камера), очень чувствительный к определенным ядерным процессам. Через искровую камеру проходил непрерывный поток нейтрино и мюонное антинейтрино. Очень редко мюонное нейтрино должно было реагировать с нейтроном, образуя протон и отрицательный мюон (по крайней мере, этого следовало ожидать согласно теории):

ν_μ+ n→p⁺ + μ^-.

Барионное число при такой реакции сохраняется, так как нейтрон превращается в протон и оба имеют барионное число +1. Кроме того, сохраняется и мюонное число, так как мюонное нейтрино превращается в отрицательный мюон и оба имеют мюонное число +1. Это как раз то, что следовало бы ожидать, если справедлив закон сохранения мюонного числа. Ну, а что было бы в противном случае? Что если мюонное нейтрино совпадает с электронным нейтрино и сохраняется только лептонное число, а не электронное и мюонные числа в отдельности? Тогда мы должны были бы говорить просто о нейтрино, которое при взаимодействии с нейтроном может образовать протон и отрицательный мюон или протон и электрон:

ν+ n→p⁺ + μ^-,

ν+ n→p⁺ + e^-.

Если бы существовал только один тип нейтрино, то, согласно теории, вероятность образования отрицательных мюонов и электронов должна была быть одинакова и оба типа частиц должны были возникать в одинаковых количествах. В этом случае следовало пользоваться только сохранением лептонного числа.

Если же существуют два типа нейтрино, то, поскольку в искровую камеру попадают только мюонные нейтрино, должны возникать только отрицательные мюоны, а образование электронов не имело бы место. Тогда были бы справедливы законы сохранения электронного и мюонного чисел.

К июню 1962 года через искровую камеру прошло примерно сто триллионов нейтрино и было зарегистрировано 51 «событие». (Кроме них были, конечно, события, вызванные космическими лучами и другими косвенными причинами, — всего 480. Все они были идентифицированы и отброшены.) Из 51 события, вызванного нейтрино, каждое приводило к образованию отрицательного мюона и ни одно из них не создавало электрона. (Треки, образованные мюонами и электронами в искровой камере, совершенно непохожи друг на друга и их легко различить.)

Вывод из этого «двухнейтринного эксперимента» сводился к тому, что действительно существуют две разновидности нейтрино и можно смело говорить о законах сохранения электронного и мюонного чисел [21].

Сохранение четности

До сих пор, рассказывая о нейтрино, мы использовали семь законов сохранения: 1) импульса, 2) момента количества движения, 3) энергии, 4) электрического заряда, 5) барионного числа, 6) электронного числа, 7) мюонного числа.

Это не все законы сохранения, используемые физиками-ядерщиками, но, за одним исключением, их вполне достаточно для рассказа о нейтрино. Исключение связано с величиной, называемой четностью и представляющей собой чисто математическое свойство, описать которое наглядно довольно трудно. Для нас вполне достаточно знать, что каждая частица может быть четной или нечетной.

Удобство введения таких терминов состоит в том, что четности складываются так же, как четные и нечетные числа в арифметике. Например, два нечетных числа в сумме всегда дают четное число, два четных числа при сложении тоже дают четное число:

нечетное + нечетное = четное;

четное + четное = четное;

нечетное + нечетное = четное + четное;

Кроме того, нечетное и четное числа при сложении дают нечетное число:

нечетное + четное = нечетное;

нечетное + четное = нечетное + четное.

По-видимому, при взаимодействии частиц независимо от сложности процесса действуют такие же правила. Если нечетная частица распадается на две частицы, то одна из них оказывается нечетной, а другая — четной. Если же четная частица распадается на две частицы, то обе они оказываются либо четными, либо нечетными.

Поскольку эти правила выполняются, говорят о законе сохранения четности, который утверждает, что четность замкнутой системы остается постоянной.

Неприятности появились после открытия K-мезонов (которые иногда называют каонами) в конце 40-х годов. Эти мезоны тяжелее пионов, их масса в 966 раз больше массы электрона, но они в два раза легче нейтрона и протона, K-мезоны распадаются по-разному. Иногда K-мезон распадается на два пиона, а иногда — на три. Два пиона образуют четную группу частиц, а три — нечетную (так как пион — нечетная частица). Чтобы не входить в противоречие с законом сохранения четности, предположили, что имеются два типа K-мезонов, один из которых нечетный и распадается на три пиона, а другой четный и распадается на два пиона. Типы мезонов стали различать с помощью греческих букв: нечетный K-мезон назвали τ-мезоном, а четный — θ-мезоном. Во всех отношениях, за исключением четности, два мезона были совершенно одинаковыми. Но достаточно ли одной четности, чтобы отличить одну частицу от другой? Может быть, существует только одна частица, а не две, и четность не обязательно сохраняется? В 1956 году китайские физики Цзун-дао Ли и Чжень нин Янг, работающие в США, выдвинули теоретические соображения о том, что, хотя четность сохраняется в сильных взаимодействиях, она не обязательно должна сохраняться в слабых взаимодействиях (а распад K-мезонов является, конечно, примером слабого взаимодействия).

Для проверки гипотезы Ли и Янга нужно было произвести эксперимент, результат которого зависел бы от того, сохраняется четность или нет (аналогично тому, как шестью годами позже возникла необходимость в связи с различием между электронными и мюонными нейтрино для проверки справедливости закона сохранения электронного и мюонного чисел).



Рис. 10. Отличие правого от левого.



Предложенный экспериментальный метод был основан на возможности отличить правое от левого (рис. 10), которая зависит от того, совпадает или не совпадает предмет со своим зеркальным изображением. Ваша левая рука, отраженная в зеркале, похожа на правую, а зеркальное изображение правой руки похоже на левую. Но ни одна из рук не похожа на свое зеркальное изображение из-за того, что большой палец находится только на одной стороне руки и делает ее несимметричной. Именно поэтому можно говорить о «левой» руке и о «правой» руке. Если бы на ваших руках большие пальцы были с обеих сторон, то каждая рука совпадала бы со своим зеркальным изображением и правое нельзя было бы отличить от левого.

Можно показать, что если пространственная четность сохраняется, в мире субатомных частиц нельзя отличить правое от левого, т. е. не существует ни «правых» ни «левых» частиц и все частицы ведут себя совершенно симметрично. Если бы они распадались и испускали частицы, последние разлетались бы во всех направлениях одинаково. Если же четность не сохраняется, должны существовать левые и правые частицы, причем первые при распаде должны были бы испускать частицы преимущественно в одном направлении, а вторые — в противоположном.

Необходимый эксперимент был проведен другим китайским физиком, работающим в США, мадам Цзянь сюн By. Атомы, излучающие β-частицы (посредством слабого взаимодействия), охлаждались до температуры, близкой к абсолютному нулю, и помещались в магнитное поле. Поле выстраивало все атомы в одном направлении, а из-за низкой температуры им не хватало энергии, чтобы изменить это направление. За сорок восемь часов эксперимент дал ответ: электроны испускаются асимметрично, в слабых взаимодействиях пространственная четность не сохраняется, а θ-мезон и τ-мезон — одна и та же частица, которая в одних случаях распадается на нечетную группу мезонов, а в других — на четную [22]. Вскоре и другие эксперименты подтвердили несохранение пространственной четности, по крайней мере в слабых взаимодействиях, а в 1959 году американский физик Морис Голдхабер доказал, что нейтрино и электроны — «левые» частицы, а антинейтрино и позитроны — «правые».

Но эксперименты не дали ответ на многие вопросы. Почему частицы такие? Почему нейтрино, которое участвует только в слабых взаимодействиях, бывает «правым» или «левым»? Что является причиной этой асимметрии и почему она существует в слабых взаимодействиях и не существует в сильных?

Как видите, успехи физиков приводят не только к решению проблем, но и задают им новые загадки. Почему протон в 1836,11 раз тяжелее электрона? Почему электронов гораздо больше, чем позитронов? Почему мюон в 207 раз тяжелее электрона, а во всем остальном похож на него?

Чем же различаются нейтрино мюонного типа и нейтрино электронного типа, если их масса, заряд и спин одинаковы?

Почему частицы симметричны в сильных взаимодействиях и асимметричны в слабых?

Ни на один из перечисленных вопросов до сих пор нет ответа. Но я не сожалею, что должен закончить рассказ о нейтрино вопросами. Что это была бы за наука без загадок, которые вдохновляют и возбуждают ученого? И откуда придут великие и волнующие открытия, если не из этих же самых загадок?

Загадки Вселенной существуют и, вероятно, будут существовать всегда. Полного и окончательного ответа мы, может, так никогда и не получим. Но с каждым поколением загадки становятся все более утонченными, а игра все более стоящей и восхитительной.

Гравитон

Хотя мой рассказ о нейтрино окончен, я должен добавить несколько слов, так сказать, постскриптум.

Вы наверное думаете, что нет ничего более призрачного, чем невесомое, незаряженное нейтрино, которое свободно проходит сквозь огромные толщи твердого вещества. Кажется, невозможно превзойти изобретательность ученых, которые предсказали существование такой частицы, а затем не просто обнаружили ее, а нашли четыре разновидности неуловимой частицы.

Однако существует в природе частица еще более призрачная, чем нейтрино. Физикам известны четыре типа полей: 1) сильные взаимодействия, 2) электромагнитные взаимодействия, 3) слабые взаимодействия и 4) гравитационные взаимодействия. Первые три взаимодействия связаны с обменными силами и обменными частицами. Для первого взаимодействия такой частицей является пион, для второго — фотон, а для третьего w-частица.

А что можно сказать о гравитационном взаимодействии? Если это поле, оно тоже должно обладать частицами, посредством которых его влияние распространяется от одного тела к другому, а поскольку гравитация, подобно электромагнетизму, представляет собой дальнодействующее взаимодействие, его обменные частицы в отличие от пиона и w-частицы должны иметь нулевую массу подобно фотону.

Гравитационная обменная частица, подобно фотону, должна быть лептоном, она электрически нейтральна и совпадает со своей античастицей. Единственное отличие этой частицы от фотона должно заключаться в спине. Из теоретических соображений физики предполагают, что ее спин равен +2 или -2, тогда как спин фотона +1 и -1 (другие лептоны и барионы большей частью имеют спины +1/2 или -1/2, а спин мезонов равен 0). Частице гравитационного поля физики дали имя гравитон. Видимые тела оказывают друг на друга гравитационное действие посредством непрерывного излучения и поглощения огромного количества гравитонов.

Однако гравитоны до сих пор не обнаружены. Прежде всего, если они вообще существуют, они обладают чрезвычайно малой энергией (если принять во внимание необычайную слабость гравитационного взаимодействия). Гравитоны большой энергии, которые можно было бы обнаружить, вероятно, возникают, например, при быстром колебательном движении звезды. Звездные катастрофы не редки, звезды взрываются и коллапсируют, огромные массы вещества извергаются наружу и устремляются внутрь звезды (или даже попеременно наружу и внутрь в случае пульсирующих звезд), но центр тяжести звезды остается неподвижным. Отдельные части звезды движутся быстро, но звезда как целое неподвижна, а без движения всего тела энергия гравитонов не возрастает.

Неужели, наконец, физики столкнулись с непреодолимым барьером, встретились с частицей, которую невозможно обнаружить?

Вряд ли кто-нибудь отважится предсказать подобное, принимая во внимание последние достижения науки. Вряд ли кто-нибудь отважится утверждать, что в науке невозможен и такой подвиг.

А пока будем надеяться, что ученые создадут методы регистрации гравитонов. Подождем и посмотрим.

Послесловие

А. А. Поманский

Понятие нейтрино охватывает в настоящее время одну из наиболее интересных и сложных областей современной физики и нейтринной астрофизики. Экспериментальные установки, предназначенные для исследований в этих областях, настолько грандиозны по размерам, сложны по управлению и уникальны по чувствительности, что само их создание находится на грани достижений современной науки и техники.

Идеи, заложенные в основополагающих работах советских физиков академиков М.А.Маркова и Б.М.Понтекорво, начали интенсивно претворяться в жизнь в самые последние годы. Причем информация, которая должна быть получена в результате проведения этих экспериментов, настолько фундаментальна и важна для современной физики и астрофизики, что не приходится считаться с большими затратами, необходимыми для создания экспериментальных установок. Физики не жалеют тратить многие годы, а порой и десятилетия для получения этой информации.

Понятно, что каждую книгу и научную статью о нейтрино (а число их год от года растет) читатели встречают с большим интересом. С таким чувством читатели раскроют и книгу Айзека Азимова — замечательного писателя-фантаста и известного популяризатора науки. Однако по мере чтения читателя охватывает некоторое недоумение и даже разочарование: проходит четверть книги, треть, половина, а о нейтрино пока еще, за исключением заглавия и нескольких вводных слов, ничего не сказано. И хотя автор логично «оправдывается» в подстрочном примечании 16, говоря, что ему нужно было подвести читателя к нейтрино, рассказав про законы сохранения, строение атома, радиоактивный распад и другие характерные для микромира явления, тем не менее у читателя остается некоторая неудовлетворенность, тем более что изложение соответствующих вопросов подчас не обладает достаточной научной строгостью. В качестве примера укажем на неоднократно повторяющееся утверждение, что фотоны — это лептоны. Хотя Азимов и говорит, что логично фотону не приписывать лептонное число, далее он опять несколько раз повторяет, что фотон — это лептон. Первая половина книги Азимова кажется тем более лишней, что советский читатель увидел недавно во втором издании замечательную книгу ныне покойного член-корр. АН СССР К.И.Щелкина «Физика микромира», в которой соответствующие вопросы изложены на исключительно высоком научном уровне, сочетающемся с занимательностью, простотой и наглядностью изложения.

Заметно интереснее становится книга, когда А.Азимов переходит непосредственно к физике сегодняшнего дня — к нейтринным экспериментам. Автор подробно и достаточно строго описывает фундаментальный опыт Рейнеса и Коуэна, которые экспериментально подтвердили существование нейтрино, рассказывает о начальных шагах экспериментальной нейтринной астрономии, которой принадлежит огромное будущее, рассказывает, хотя и очень скупо, об опытах на гигантских ускорителях, приведших к открытию мюонных нейтрино. Подробно обосновывается необходимость введения нового квантового числа (лептонного) и соответствующего закона сохранения. Как справедливо отмечает автор, проведение экспериментов с естественными нейтрино из-за малости их потока возможно лишь в глубоко расположенных подземных помещениях для защиты от фона мюонов космических лучей. Однако автор говорит не о всех таких работах. Рассказывая про работу Рейнеса по исследованию нейтрино высоких энергий, возникающих при распаде мюонов, пионов и каонов космических лучей, он ничего» не говорит об аналогичной работе индийско-японо-английской группы, проводимой на территории Индии в шахтах Колар-Голд-Филд. Эта работа, продолжающаяся и в настоящее время, была начата одновременно с работой группы Рейнеса. Интересно, что первые взаимодействия таких атмосферных нейтрино были зарегистрированы на обеих установках почти в одно и то же время, буквально чуть ли не в один день. Надо отметить, что автор допускает грубую ошибку, говоря что Рейнес сообщил о регистрации нейтрино из межпланетного пространства. Как говорилось выше, нейтрино, зарегистрированные Рейнесом, — атмосферного происхождения, и никакого отношения к межпланетному пространству не имеют. Вообще надо сказать, что и во второй половине книги имеется ряд неточностей и путаных выражений. Например, когда вводятся понятия нейтрино и антинейтрино (противоположные утверждения) или говорится о составе первичного космического излучения.

Результат огромной важности в области нейтринной астрономии был получен незадолго до выхода из печати книги А. Азимова в США. Р.Дэвис из Брукхэйвенской лаборатории на установке, расположенной глубоко под землей и содержащей в качестве нейтринной мишени 600 тонн (!) хлорсодержащей жидкости, показал, что верхний предел потока нейтрино, возникающих при распаде В⁸ в недрах Солнца (это нейтрино с наибольшей энергией, которую они могут иметь при условиях, существующих на Солнце — их энергия простирается до 14 Мэв) в 10 раз ниже теоретически ожидавшегося. Хотя после опубликования результатов Дэвиса теоретики «снизили» в 5 раз нижний предел потока этих нейтрино, тем не менее концы с концами у эксперимента и теории не сходятся. Так как не существует (пока!) никаких сомнений в том, что механизм генерации солнечной энергии ядерный, то этому расхождению особенного значения не придают. Однако, если экспериментальный предел регистрации потока солнечных нейтрино высокой энергии (т. е. энергии в несколько мегаэлектронвольт, в то время как в опытах с атмосферными нейтрино — это десятки и сотни гигаэлектронвольт) снова снизят в несколько раз, то ситуация будет близка к катастрофической, так как при любом варианте теории предел этот не может быть уменьшен более чем в 10 раз по сравнению с верхним уровнем. Р.Дэвис собирается увеличить чувствительность своей установки в несколько раз. Стоит подчеркнуть, что он извлекает единичные атомы (!) радиоактивного Аr³⁷ (продукта взаимодействия солнечных нейтрино) из объема жидкости, равного 400 м³. По сравнению с этим задача о нахождении иголки в стоге сена представляется тривиальной.

Новые экспериментальные возможности для нейтринной физики высоких энергий открываются в связи с запуском в СССР крупнейшего в мире ускорителя протонов под Серпуховом. После того как на нем будет получен нейтринный пучок, энергия нейтрино в котором в несколько раз превысит энергии нейтрино, получаемых на ускорителях в Брукхэйвене (США) и в ЦЕРНе (Швейцария), будут, в частности, осуществлены эксперименты по поиску промежуточного W-мезона — гипотетической частицы, являющейся переносчиком слабых взаимодействий (о ней рассказывает в своей книге А. Азимов), по измерению зависимости вероятности взаимодействия нейтрино от его энергии.

Последний опыт особенно интересен с точки зрения гипотезы, выдвинутой советскими физиками член-корр. АН СССР Г. Т. Зацепиным и В. С. Березинским, о возможном происхождении гигантских атмосферных ливней космических лучей от нейтрино с энергиями, большими 10¹⁰ миллиардов электронвольт (10¹⁹эв). В.С.Березинский и Г.Т.Зацепин провели расчеты, показывающие, что нейтрино таких больших энергий могут существовать во Вселенной, и предположили, что вероятность взаимодействия этих нейтрино с веществом растет пропорционально их энергии. В настоящее время вопрос о частицах с энергией, большей 3·10¹⁹ эв, генерирующих самые большие атмосферные ливни, остается открытым.

Стоит также упомянуть о проекте эксперимента с использованием импульсного ядерного реактора, предложенном советскими физиками член-корр. АН СССР П.Е.Спиваком и Л.А.Микаэляном. Громадный поток нейтрино, создаваемый таким реактором в течение очень короткого времени, позволит проводить опыты по исследованию взаимодействия нейтрино при относительно меньшем уровне радиоактивного и космического фона. А как известно, именно фон ограничивает возможности нейтринных экспериментов. За счет использования импульсности поток нейтрино как бы сжимается во времени, в то время как уровень радиоактивного и космического фона в единицу времени остается практически неизменным.

Эксперименты в областях физики нейтрино и нейтринной астрофизики находятся на самом переднем крае современной науки. Не случайно им уделяется такое большое внимание в разных странах. Причем количество сооружаемых установок все время увеличивается, растут их размеры и сложность экспериментального оборудования. Еще не зарегистрированы нейтрино от Солнца, а ученые уже рассматривают возможности регистрации нейтринных потоков, возникающих при взрывах сверхновых звезд. Уникальная информация, которая может быть получена в результате проведения таких опытов, даст возможность проверить правильность теоретических представлений о строении и эволюции звезд и вообще о развитии Вселенной во времени — вопроса, которому сейчас уделяется огромное внимание.

Осуществление опытов по регистрации нейтринных потоков от взрывов сверхновых звезд упростится, если существуют переходы (осцилляции) между различными типами нейтрино. Б.М.Понтекорво выдвинул идею о возможности таких осцилляций и, проанализировав имеющиеся экспериментальные данные, пришел к выводу, что они также не противоречат гипотезе об осцилляциях. Хотя, как было правильно сказано А.Азимовым, введение мюонных и электронных нейтрино необходимо для описания и понимания результатов экспериментов, тем не менее не исключено, что уже после рождения мюонные и электронные нейтрино взаимно переходят друг в друга и обратно.

Развитие нейтринной физики идет настолько быстрыми темпами, что если бы А.Азимов написал свою книгу через год, то и сама книга и послесловие к ней наверняка существенно дополнились бы за счет новых результатов, которые несомненно будут получены теоретиками и экспериментаторами. Поэтому очень важно, чтобы широкие круги читателей, интересующихся передовой наукой, были бы в курсе ее важнейших достижений. Удовлетворению интереса таких читателей и служит книга А.Азимова, хотя и не лишенная некоторых недостатков, о которых говорилось выше, но тем не менее живо и образно повествующая о том, что было достигнуто в решении проблемы, которая охватывается словом нейтрино.

Примечания

[1] Аналогичное рассмотрение проводится и в трехмерном пространстве, где прямолинейное движение можно разложить на три взаимно перпендикулярные составляющие. Каждая составляющая скорости будет пропорциональна длине одной из трех сторон куба диагональю которого является скорость начального движения.

[2] Заметим, что при умножении таких величин умножаются и числа, и размерности. Следовательно, г·см/сек — размерность импульса.

[3] Иногда импульс называют линейным, чтобы подчеркнуть, что он — результат движения по прямой линии, в противоположность угловому импульсу, или моменту количества движения, возникающему при движении по кривой.

[4] Закон сохранения массы впервые был сформулирован М. В. Ломоносовым в 1760 году в работе «Рассуждение о твердости и жидкости тел». — Прим. перев.

[5] Очень большие числа и очень малые дроби, которые часто используют ученые, удобно записывать в виде степени. Так, 1 280 000 000 000 000 000 можно записать как 1,28·10¹⁸, где 18 — показатель степени.

[6] Я так детально углубился в историю солнечного излучения по нескольким причинам. Во-первых, это демонстрирует почти космические выводы, которые можно сделать при детальном рассмотрении простого закона сохранения. Во-вторых, показывает серьезность, с которой наука подходит ко всем альтернативам, прежде чем отбросить закон сохранения. В-третьих, подобное отношение к законам сохранения сыграет, как и в полемике об источнике солнечной энергии, в истории нейтрино аналогичную роль. И, в-четвертых, солнечная радиация, как мы увидим, имеет прямую связь с нейтрино.

[7] Увеличивающаяся точность методов, используемых для измерения масс атомов, заставила ученых в последние годы принять новую шкалу. С одной стороны, было установлено, что не все атомы кислорода одинаковы по массе. С другой стороны, атомы других элементов обладают массами, которые можно определить гораздо точнее, и поэтому они больше подходят для эталона. В 1961 году вес одного из атомов углерода приравняли числу 12. Атомные веса изменились немного, но точность их измерений увеличилась. Цифры, используемые в этой книге для масс атомов, даются по «углеродной шкале».

[8] На данном этапе эти не совсем точные атомные веса являются хорошим приближением. Более точные значения будут использованы в книге позднее.

[9] Атом имеет определенное сходство с Солнечной системой. Солнце, находясь в самом центре Солнечной системы, так же как ядро в центре атома, занимает малый объем, но содержит большую часть ее массы. Метеор пролетает через Солнечную систему, как через пустое пространство, хотя эти области содержат многочисленные планеты, спутники, астероиды, кометы и другие тела.

[10] Можно почувствовать раздражение от такого разнообразия единиц энергии: злектронвольт, эрг, джоуль, калория. Однако каждая имеет свою собственную область применения. Ведь никому не придет в голову измерять расстояние между двумя городами в миллиметрах, длину комнаты в километрах, а диаметр копейки в метрах!

[11] Тем не менее, законы Ньютона гораздо проще выразить математически, и они все еще используются во многих разделах физики и будут использоваться всегда, когда простота важнее точности.

[12] Специальная теория относительности Эйнштейна предсказала этот результат, и он действительно был подтвержден экспериментом. Увеличение массы совершенно ничтожно, пока скорости не достигнут тысяч километров в секунду. В обычной жизни можно совершенно спокойно считать массу постоянной.

[13] В другой прозрачной среде, не в вакууме, фотоны летят с меньшими скоростями. Даже воздух замедляет их движение. Однако, когда фотоны покидают прозрачную среду и входят снова в вакуум, их скорости тотчас же возрастают до 3·10¹⁰ см/сек.

[14] К середине XX века физики не были уже уверены в своих представлениях об элементарных частицах. Весьма возможно, что частицы, которые приняли за элементарные, состоят из еще более мелких частиц.

[15] Чем больше проникающая способность α-частиц данного ядра, тем больше дефицит массы в процессе радиоактивного распада и тем больше вероятность этого распада, т. е. чем больше проникающая способность α-частиц, тем меньше период полураспада ядра. Если торий-232 имеет период полураспада 14 миллиардов лет, период полураспада радия-226 — 1620 лет, а полония-212 — три десятимиллионных доли секунды.

[16] В самом деле, если бы я поддался искушению ввести понятие о нейтрино в самом начале книги, было бы трудно доказать, что нейтрино — не плод научного мистицизма. Однако, поскольку первая половина книги подчеркивает значение и важность законов сохранения, сейчас можно показать, что нейтрино, несмотря на все его странные свойства — реальная и совершенно необходимая частица.

[17] Сюжет моей самой первой научно-фантастической повести, написанной в 1937 году и нигде не опубликованной, был основан фактически на гипотетической способности субатомных частиц путешествовать сквозь время.

[18] А как же быть с обычными «механическими силами», например, с силой, которую вы прилагаете к мячу, бросая его? Фактически, когда атомы одного тела сближаются с атомами другого, возникает отталкивание между внешними электронами атомов. Это отталкивание вы используете при любых механических действиях, следователь-но, механические силы являются примером электромагнитных взаимодействий. Силы, удерживающие атомы внутри молекулы, а молекулы внутри твердого тела, также возникают в результате электромагнитных взаимодействий.

[19] В 1964 году физики на основе вновь полученных данных пришли к выводу о возможности существования пятого поля, более слабого, чем гравитационное. Однако предварительные эксперименты в начале 1965 года показали, что пятого поля не существует.

[20] Вы можете спросить: почему не позитронное нейтрино? Да потому, что под словом «электрон» здесь подразумевается и электрон, и позитрон, как под словом «мюон» — отрицательный и положительный мюоны. В данном случае очень неудобно называть позитрон его собственным именем вместо очень удобного названия «антиэлектрон» или «положительный электрон».

[21] В 1963 году «двухнейтринный эксперимент» был повторен в ЦЕРНе (Женева) с пучком нейтрино высоких энергий, возникающих при распаде К-мезонов. Результаты этого эксперимента не оставили никаких сомнений в реальности двух нейтрино. — Прим. перев.

[22] Похожая ситуация возникла в связи с распадом незаряженных K-мезонов. Существуют два вида нейтральных K-мезонов, один из которых — долгоживущий — распадается на три π-мезона, другой — короткоживущий — на два. В 1964 году группа американских физиков во главе с Крониным установила, что долгоживущая разновидность нейтрального K-мезона также испытывает двухпионный распад. В настоящее время считают, что опыт Кронина указывает на несохранение временной четности. Однако ученые еще не могут с уверенностью сказать, какое взаимодействие ответственно за это несохране-чие. — Прим. перев.