Помню, был такой случай. Один известный московский теоретик (не буду сейчас называть его имени) изучал спонтанное, то есть самопроизвольное, рождение античастиц внутри нейтрона. Если они появляются на очень короткое время, то, как и испускание мезонов, это не нарушает закона сохранения энергии, но может повлиять на распределение зарядов в нейтроне. До конца теоретику решить задачу не удавалось, но промежуточные результаты выглядели настолько обнадеживающими, что было решено сообщить о них на ближайшем международном конгрессе. По некоторым причинам сам теоретик на этот конгресс поехать не мог и передал рукопись доклада одному из своих коллег. И надо же было так случиться, что уже во время доклада тот внезапно обнаружил: в рукописи недостает нескольких страниц с наиболее важными выкладками! Остались они в Москве или же выпали во время таможенных осмотров на границах, не известно. Ясно было одно — восстановить выкладки по памяти не удастся, слишком уж они сложны.
Зал конгресса притих, ожидая, что предпримет докладчик.
И вот тут, в те несколько минут, пока тот лихорадочно перебирал свои бумаги в безнадежных попытках найти утерянные листки, он вдруг увидел совершенно новый путь к решению задачи — более простой, а главное, доводивший решение до конца.
Одна за другой выстраивались на доске длинные цепочки формул. В зале уже поняли идею расчета и по страничкам блокнотов забегали карандаши. И зал и докладчик закончили расчет одновременно: радиус
нейтрона получился не равным нулю. Раздался общий вздох разочарования.
— Опять нам не повезло, нейтрон никак не хочет расстаться со своей тайной! — подвел итог докладчик и, сопровождаемый аплодисментами и смехом зала, вернулся на свое место.
Тайна была раскрыта спустя несколько лет. И как это уже не раз случалось в истории науки, природа оказалась куда изобретательнее физиков. Выяснилось, что при определенных условиях мезоны могут как бы слипаться, образуя новые, необычайно короткоживущие частицы. Из таких частиц-«капель» в основном и состоит мезонная «шуба» нуклона. Одиночные мезоны встречаются в ней редко.
В протоне условия благоприятствуют образованию заряженных мезонных «капель», в нейтроне—нейтральных, поэтому электроны и не чувствуют электрической мезонной шубы нейтрона. Для них она прозрачна. Нейтрон ведет себя как протяженная частица с размазанными в пространстве массой и магнитным моментом и равным нулю радиусом распределения электрических зарядов.
Если вспомнить аналогию с жонглером, то можно сказать, что он подбрасывает сразу несколько шариков, которые иногда слипаются в пары и тройки.
Тяжелые и легкие частицы располагаются в нуклоне не вперемешку, а в определенном порядке. Чем тяжелее испускаемая частица, тем быстрее происходит ее обратное поглощение и тем меньшее расстояние успевает она пройти. Поэтому тяжелые частицы тяготеют к центру нуклона. И этот центр должен быть значительно плотнее и тяжелее, чем периферия. Просвечивание в электронных и мезонных пучках подтвердило это. Вещество в нуклоне, как и в атоме, сконцентрировано главным образом в его сердцевине. Но если атом состоит в основном из пустоты, то в нуклоне нет резкой границы между оболочкой и центральным остовом — керном. Атом своим строением напоминает Солнечную систему, а нуклон больше похож на планету с массивным центральным ядром и окружающей ее протяженной атмосферой. Радиус керна в нуклоне всего лишь в несколько раз меньше размеров мезонной шубы.
Пожалуй, еще лучше сравнить нуклон со спелым абрикосом или персиком. В центре косточка керн, а вокруг — мякоть, плотная внутри и очень мягкая, рыхлая снаружи.
И еще одно важное отличие строения нуклона от атома. Электрон присутствует в атоме всегда, а мезон рождается и тут же исчезает. Нуклон как бы пульсирует или, лучше сказать, мигает. Вспыхнет мезонным «светом» и погаснет, снова вспыхнет и снова погаснет... Его структура — это усредненный или, как говорят физики, динамический эффект.
Получается, что при малом увеличении окружающие нас тела — твердые, а при большом увеличении они выглядят как динамические пульсирующие системы.
Сложной внутренней структурой должны обладать все частицы; любая из них окружает себя облаком рождающихся и исчезающих дочерних частиц. Правда, сведения об этом пока еще скудны, но о мезоне, например, кое-что определенное уже известно.
Прежде всего внесем важное уточнение. Открыто много различных типов мезонов — несколько десятков. Друг от друга они отличаются массой и другими свойствами. Один из самых легких, входящий в состав нуклона мезон, называют пи-мезоном. Он раз в семь легче протона. Частицы, образующиеся при слиянии двух и трех пи-мезонов, называют ро- и омега-мезонами. Все эти названия происходят от соответствующих греческих букв π, ρ, ω, которыми физики обозначают частицы.
Есть впрочем, еще К-мезоны, свойства которых в свое время так поразили физиков, что они отнесли эти частицы к разряду странных. Это название так за ними и сохранилось. Их масса составляет около половины массы нуклона. Ну, а самые тяжелые мезоны, обозначаемые большими буквами X и Y, весят раз в сто больше протона и нейтрона — примерно столько же, сколько атом брома или даже молибдена! Не исключено, что в природе существуют и более тяжелые частицы.
Можно составить целый каталог мезонов. Все они — нестабильные, короткоживущие частицы. Самый устойчивый и самый легкий из них, мю-мезон, живет приблизительно миллионную долю секунды и распадается на электрон и нейтрино. Заряженные пи-мезоны живут в 100 раз меньше, а их нейтральный брат еще в 100 миллионов раз меньше — около 10-10 секунд. Нейтральный пи-мезон почти мгновенно распадается на два фотона с большой энергией: вещество превращается в коротковолновое электромагнитное излучение.
Кстати сказать, с открытием пи- и мю-мезонов произошла занятная путаница. В середине 30-х годов мезон был теоретически предсказан физиком Хидеки Юкавой. Понадобился он для того, чтобы объяснить сильное притяжение нуклонов внутри ядра. Из расчетов следовало, что мезон должен быть в 200—300 раз тяжелее электрона. Вскоре частицу с такой массой обнаружили в космических лучах. Однако, к удивлению физиков, она легко проходила сквозь толстые железные и свинцовые экраны, и оставалось загадкой, каким же образом столь слабо взаимодействующая частица может так плотно связывать нуклоны в ядрах. Ответ был найден уже после войны. Оказалось, что существует не один, а два мезона: один — более легкий и слабо взаимодействующий (его-то и открыли в предвоенные годы) и другой — предсказанный Юкавой сильно взаимодействующий пи-мезон. Физиков сбила с толку близость масс этих частиц. Да никто в то время и не думал, что мезонов, может быть много. Все были уверены, что раз частицы «элементарные», то их число невелико.
Овальное, плоское, как изображение на медальоне, лицо с короткими прямыми бровями и высоким, почти квадратным лбом — таков портрет знаменитого теоретика Юкавы (до женитьбы его имя было Хидеки Огава, но, женившись, он, по японскому обычаю, взял фамилию жены — Юкава). Жизнь Юкавы не богата внешними событиями. Он не строил реакторов и не создавал атомных бомб, как Энрико Ферми, и не бежал из оккупированного фашистами родного города в бомбовом отсеке самолета, подобно Нильсу Бору. Если не считать коротких научных командировок, то всю свою жизнь он прожил в древней столице Японии Киото — небольшом, тихом научном городке вблизи Токио. Много зелени, храмов, памятников старины...
Юкава был пятым ребенком из семи, родившихся в семье известного профессора географии. Первые шаги в науке он сделал в конце 20-х годов, когда на Западе физика была взбудоражена идеями квантовой теории и каждый номер физического журнала приносил сенсационные новости. А в университете, где Юкава получил место ассистента, в то время не было ни одного человека, который мог бы читать лекции по квантовой механике. Сам Юкава познакомился с нею во время публичной лекции приезжего профессора из Европы. Трудно поверить, что всего лишь через шесть лет появилась его знаменитая мезонная теория.
Недавние совместные опыты советских и американских физиков привели к выводу, что предсказанный Юкавой пи-мезон имеет почти такой же радиус, как и протон. Поразительный результат: часть имеет такие же размеры, что и целое! Мало того, теория предсказывает, что пи-мезон должен обладать слоистой структурой, периферия которой образуется в результате его распада на несколько... точно таких же пи-мезонов! Рождаясь, они сильно взаимодействуют между собой и быстро слипаются вновь в один пи-мезон. Получается такая же «мигающая» структура, как и у протона. В ее центральных областях рождаются и поглощаются тяжелые частицы. Центр мезона должен быть более, плотным и массивным, чем его периферия.
Насколько верна эта картина, покажут дальнейшие эксперименты. Слишком необычен внутренний мир частиц, чтобы можно было заранее быть в чем-нибудь уверенным.
Заряженные пи-мезоны распадаются за стомиллионную долю секунды, время жизни наименее устойчивых частиц изображается десятичной дробью более чем с двумя десятками нулей после запятой. Эти частицы распадаются, едва образовавшись. Тем не менее физики успевают рассмотреть даже такие эфемерные объекты. В соответствии с теорией относительности, когда частица движется, ход времени для нее замедляется и время ее жизни возрастает. Чем больше скорость частицы, тем дольше она живет. Быстрый космический мю-мезон, например, успевает за свою жизнь пройти сквозь всю толщу земной атмосферы. Если же время жизни частицы остается все-таки слишком коротким и приборы не успевают его заметить, то ее свойства определяются с помощью анализа вторичных, образовавшихся при ее распаде частиц. Это очень сложная задача; для ее решения часто приходится использовать мощные вычислительные машины.
Особенно трудно что-либо сказать о внутреннем строении электрона, хотя, казалось бы, известен он давно и к нему все привыкли. Дело в том, что радиус электрона, как показывают расчеты, должен быть по крайней мере в тысячу раз меньше радиуса протона. Песчинка рядом с валуном! Как заглянуть в глубины такой песчинки, если и «валун» до конца не исследован!