Вероятности существования; частицы, которые в ответ на их ограничение в пространстве увеличивают скорость; внезапные переходы атомов из одного квантового состояния в другое и глубокая взаимосвязь всех явлений — вот некоторые черты необычного для нас мира атомов. Но основная сила, действующая в этом мире, известна и в привычной нам реальности. Это сила притяжения между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. Ее взаимодействие с электронными волнами порождает множество разнообразных структур и явлений, которые окружают нас. Оно регулирует все химические реакции и образование молекул, т. е. соединений, которые состоят из нескольких атомов, связанных силами взаимного притяжения. Таким образом, взаимодействие электронов с ядром составляет основу существования всех твердых тел, жидкостей и газов, а также живых организмов и биологических процессов, связанных с жизнедеятельностью последних.
В этом исключительно богатом атомном мире ядра играют роль предельно малых устойчивых центров, представляющих собой источник электрических сил и образующих основу множества молекулярных структур. Для понимания этих структур и в целом явлений природы нам достаточно знать величину заряда ядер и их массу. Но тот, кто хочет понять природу материи и знать, из чего она состоит, должен исследовать ядро атома, заключающее в себе почти всю массу последнего. Поэтому в 1930-е, после того как квантовая теория пролила свет на мир атома, главной задачей физиков стало изучение структуры ядра, его компонентов и сил притяжения между ними.
Первым важным шагом к пониманию структуры ядра было открытие его второго компонента (первый — протон) — нейтрона: частицы с массой, примерно равной массе протона, в 2000 раз превышающей массу электрона, но без заряда. Это не только продемонстрировало, что ядра всех химических элементов состоят из протонов и нейтронов, но и показало, что сила, связывающая частицы внутри ядра, — совершенно новое явление. Она не могла иметь электромагнитную природу, поскольку нейтроны электрически нейтральны. Физики поняли, что перед ними новая сила, не проявляющаяся нигде, кроме ядра.
Ядро атома в 100 тыс. раз меньше самого атома и всё же содержит в себе почти всю его массу. Это значит, что плотность вещества внутри ядра гораздо выше, чем в привычных нам формах материи. Если бы человеческое тело обладало плотностью ядра, оно было бы куда меньше булавочной головки. Но такая высокая плотность — не единственное необычное свойство ядерного вещества. Обладая, как и электроны, квантовой природой, «нуклоны» (так часто называют и протоны, и нейтроны) реагируют на ограниченность пространства, приобретая очень высокую скорость движения. А поскольку им отводится гораздо более ограниченный объем, их скорость достигает 60 тыс. км/с. Ядерное вещество — разновидность материи, которая не похожа ни на одну из других ее форм, существующих в нашем макроскопическом мире. Его можно сравнить с микроскопическими каплями чрезвычайно плотной жидкости, которые бурно кипят и булькают.
Новый аспект ядерной материи, определяющий его необычные свойства, — мощность ядерной силы, действующей только на очень близком расстоянии, когда нуклоны сближаются на дистанцию, равную примерно двум-трем их диаметрам. На таком расстоянии ядерная сила работает на притяжение. Но при его увеличении она становится отталкивающей и препятствует дальнейшему сближению нуклонов. Ядерные силы сохраняют ядро в исключительно стабильном, но динамическом равновесии.
Согласно результатам исследований, большая часть вещества ядра сосредоточена в микроскопических сгустках, разделенных огромными расстояниями. В пространстве между тяжелыми, бурлящими каплями ядер движутся электроны, которые составляют незначительную долю общей массы, но придают материи твердость и обеспечивают необходимые связи для образования молекулярных структур. Они также участвуют в химических реакциях и отвечают за химические свойства веществ. Но ядерные реакции в этой массе вещества не происходят, потому что имеющейся энергии недостаточно для нарушения равновесия внутри ядра.
Эта форма материи, обладающая многообразием форм и сложной молекулярной структурой, может существовать лишь при условии, что температура не очень высока, а движения молекул не очень сильны. При увеличении тепловой энергии примерно в 100 раз, как, например, внутри большинства звезд, все атомные и молекулярные структуры разрушаются. Получается, состояние большей части материи во Вселенной отличается от описанного выше. В центре звезд находятся большие скопления ядерного вещества. Там идут процессы, которые очень редко наблюдаются на Земле. Они вызывают астрономические явления, большая часть которых вызвана ядерными и гравитационными эффектами. Для нашей планеты особенно важны ядерные процессы в центре Солнца, питающие энергией околоземное пространство. Обнаружилось, что постоянный поток солнечной энергии, который является основой всей жизни на Земле, представляет собой результат ядерных реакций, т. е. процессов, происходящих в бесконечно малых пространствах. Вот он, триумф современной физики: осознание того, что приток солнечной энергии и наша связь с огромным миром становятся результатом реакций, происходящих внутри атома, т. е. явлений, которые можно отнести к бесконечно малым.
В начале 1930-х в истории изучения микромира наступил момент, когда физики испытали уверенность в том, что «строительные блоки» материи наконец открыты. Тогда стало известно, что вся материя состоит из атомов, а атомы — из протонов, нейтронов и электронов. Эти так называемые элементарные частицы воспринимались как конечные неделимые единицы материи, подобные атомам Демокрита. Как было сказано раньше, из квантовой теории следует, что мир нельзя разложить на отдельные мельчайшие составляющие, но в то время это воспринимали далеко не все. Классическое мышление было всё еще настолько сильно, что многие физики верили, будто материя состоит из «фундаментальных строительных блоков». Даже сейчас у этой точки зрения много сторонников.
Но два важных достижения физики показали, что пора отказаться от представлений об элементарных частицах как о мельчайших составляющих материи. Первое носило экспериментальный характер, второе — теоретический, и оба были сделаны в 1930-е. Усовершенствование техники эксперимента и разработка новых приборов обнаружения частиц помогли открыть новые их разновидности. Так, к 1935 г. было известно уже не три, а шесть элементарных частиц, к 1955 г. — 18, а к 1974 г. — более 200. В такой ситуации слово «элементарная» уже вряд ли применимо. В таблицах 1–2[55] приведены данные о большинстве из известных к 1974 г. частиц[56].
Таблица 1. Таблица мезонов, апрель 1974 г.
Таблица 2. Таблица барионов, апрель 1974 г.
Получается, прилагательное «элементарные» уже не настолько привлекательно, как раньше. По мере увеличения числа известных частиц росла уверенность в том, что не все они подходят под это определение, а уже в 1970-е многие физики считали, что этого названия не заслуживает ни одна из них.
Эта точка зрения подкрепляется теоретическими разработками, проводившимися одновременно с экспериментальным изучением частиц. Вскоре после формулировки квантовой теории стало очевидно, что она не может быть всеобъемлющим инструментом для описания ядерных явлений и должна быть дополнена теорией относительности. Дело в том, что частицы в пределах ядра часто движутся со скоростью, близкой к скорости света. Это очень важно, поскольку описание любого природного явления, в котором действуют скорости, близкие к световой, должно учитывать теорию относительности, т. е. быть, как говорят физики, «релятивистским». Для точного понимания ядра нам нужна модель, объединяющая теорию относительности и квантовую теорию. Она еще не создана, и попытки полного описания ядра пока не увенчались успехом. Мы немало знаем о строении ядра и взаимодействиях его частиц, но не располагаем фундаментальным пониманием природы ядерных сил и сложной формы, в которой они проявляются. Не существует и всеобъемлющей теории атомной частицы, сопоставимой с описанием атома в квантовой теории. Есть несколько «квантово-релятивистских» моделей, удовлетворительно раскрывающих отдельные аспекты мира частиц, но соединение квантовой теории и теории относительности и создание общей теории частиц остаются главными из пока не решенных задач современной физики.
Теория относительности заметно повлияла на наши представления о материи, заставив нас существенно пересмотреть понятия об элементарных частицах. В классической физике масса тела всегда ассоциировалась с некой неделимой материальной субстанцией — «материалом», из которого состоит всё. Теория относительности показала, что масса не имеет отношения ни к какой субстанции, будучи одной из форм энергии. Но энергия — динамическая величина, связанная с действием или процессами. Поскольку масса частицы эквивалентна определенному количеству энергии, частица не может уже восприниматься как статический объект. Она должна пониматься как динамическая модель, процесс, вовлекающий энергию, которая проявляется в массе данной частицы.
Начало новому взгляду на элементарные частицы положил Поль Дирак, сформулировавший релятивистское уравнение для описания поведения электронов. Его модель не только успешно объясняла мельчайшие детали строения атома, но и раскрывала фундаментальную симметричность между материей и антиматерией. Так, Дирак предсказал существование антиэлектрона, обладающего массой электрона, но с противоположным зарядом. Пару лет спустя была открыта положительно заряженная частица — позитрон. Из принципа симметричности материи и антиматерии следует, что для каждой частицы есть античастица с той же массой и тем же зарядом, но противоположным знаком. Пары частиц и античастиц могут быть созданы при наличии достаточного количества энергии и обращены в чистую энергию в процессе взаимного уничтожения. Существование процессов синтеза и аннигиляции частиц было предсказано теорией Дирака до того, как они были открыты, и с тех пор ученые наблюдали эти процессы в лабораториях миллионы раз.