Игрой в частицы-кубики занимались многие. Ей отдали дань самые известные и талантливые физики. И ничего не вышло: оказалось, что все частицы в равной степени элементарны. Среди них нет «более простых» и «более сложных».
Однако их можно разбить на семейства, и членов каждого из них рассматривать как различные состояния одной и той же частицы. (Вспомним еще раз об аналогии с лампочкой, которая меняет свой цвет!) Так были найдены семейства, состоящие из восьми и десяти частиц. Есть семейства, содержащие всего лишь по одной частице. Это мезоны-холостяки.
Семейства объединяются в более сложные группы — кланы. Физики называют такие семейства мультиплетами, а кланы — супермультиплетами (от слова «мульти» — много). Сегодня хорошо изучены супермультиплеты, состоящие из 35 и 56 частиц.
Кроме того, выяснилось, что часть короткоживущих частиц можно считать сильно нагретыми (физики говорят — возбужденными) состояниями остальных.
И самое главное — мультиплеты и супермультиплеты, оказывается, не являются полностью изолированными друг от друга, а связаны определенными родственными отношениями — правилами симметрии.
Если бы частицы, как людей, регистрировали в паспортном столе, то члены семьи-мультиплета имели бы общую фамилию. В клане-супермультиплете были бы представлены разные фамилии, но у всех семей — общие предки. Сами кланы тоже имеют единых прапрародителей.
В целом получается что-то вроде периодической таблицы элементарных частиц, наподобие той, с помощью которой сто лет назад Менделеев навел порядок среди атомов химических элементов. И подобно тому как менделеевская система помогла открыть неизвестные ранее элементы, симметрия мультиплетов также предсказывает существование новых частиц.
Глубокий смысл таблицы Менделеева стал понятен лишь после того, как физика шагнула на новую ступень структурной лестницы — выяснила, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Можно предполагать, что и симметрия элементарных частиц получит свое объяснение после того, как будет открыт следующий ярус строения материи.
Физики нащупали такой ярус, и первые же шаги привели к сенсационным результатам.
Когда часть больше целого
Казалось бы, если частица элементарная, то она не должна иметь частей. Иначе какая же это элементарность, если есть более простые части! И вот первый сюрприз, который природа преподнесла физикам, состоял в том, что элементарная частица протон имеет части!
Когда рядом с протоном находится другой протон или нейтрон, он «играет» с ними в мезонный бадминтон. Если же протон одинок, он играет сам с собой — испускает пи-мезон и поглощает его обратно, снова испускает, ловит и так далее, — как жонглер в цирке. Наверное, все не раз наблюдали, как быстрое мелькание шарика создает впечатление, что вокруг жонглера их целое облако. Так и с протоном. Очень быстро испуская и поглощая обратно мезон, он тоже создает вокруг себя облако частиц. Время каждого отдельного акта испускания и поглощения очень мало, но благодаря многократным их повторениям возникает усредненная по времени пространственная размазка заряда и массы. Образно говоря, нуклон пульсирует, а еще лучше сказать — мигает. Вспыхнет «мезонным светом», погаснет, потом все повторяется заново и так без конца.
Вот как интересно получается: вокруг нас твердые, застывшие тела, а на микроуровне мир, как живой, там все дышит, пульсирует, вращается!
Испустив положительно заряженный мезон, протон превращается в нейтрон, а нейтрон после испускания отрицательного мезона становится протоном. Если же испускается нейтральный мезон, то протон остается протоном, а нейтрон — нейтроном. Во всех случаях пи-мезон, как часть, входит в состав протона и нейтрона.
Сам пи-мезон тоже окружает себя облаком частиц-мячиков. Он на короткое время испускает пару пи-мезонов. Почему именно пару, а не один мезон — это сложный вопрос, связанный с особенностями этой частицы. Для нас сейчас важно то, что пи-мезон не только состоит из частей, но что эти части не отличаются от целого. Мезон состоит из мезонов! Это все равно, как если бы из пчелиного улья вылетали не пчелы, а другие, подобные ему, ульи.
Более того, на очень короткое время мезон может превратиться в нуклон и антинуклон. Например, положительно заряженный мезон π+ — в протон и антинейтрон, нейтральный мезон π0 — в протон и антипротон и так далее. Тут уж часть намного больше целого. Получается как в сказке — кит на воде, а вода на ките! Это был второй поразительный сюрприз, преподнесенный природой физикам.
Сегодня известно, что все элементарные частицы имеют «мигающее» строение и содержат внутри себя различные типы легких и тяжелых частиц. Чем легче испущенная частица, тем дальше может она удалиться от центра, прежде чем будет поглощена обратно. Тяжелые частицы, наоборот, жмутся ближе к центру. Поэтому внутренняя центральная часть любой элементарной частицы (ее называют керном — сердцевиной) значительно более массивная и плотная, чем периферия, окраина.
Всякая элементарная частица окутана слоистым «облаком» или, как еще говорят, одета в «шубу» из рождающихся и быстро исчезающих частиц. Даже кванты света — фотоны и всепроникающие нейтрино — имеют свои «шубы». Вокруг них рождаются электроны и позитроны. Только это происходит весьма редко, и «шубы» у фотона и нейтрино необычайно «воздушные», почти эфемерные, как говорится, на рыбьем меху! Лишь на расстояниях, в тысячи раз меньших «шубы» протона, эти частицы приобретают нечто вроде тонкого «свитера», состоящего из мю-мезонов. Такую же тонкую и тесную «шубу» имеет и электрон.
Элементарные частицы, в свою очередь, тоже состоят из элементарных частиц. Получается единая крепко сплетенная сеть, где нет начала и конца, а все частицы одновременно являются и элементарными и сложными. Понятия простого и элементарного в современной физике не совпадают. И самое удивительное здесь то, что часть может быть больше целого. Ничего подобного еще никогда не встречалось. Известный советский физик-теоретик Д. И. Блохинцев как-то в шутку заметил: если атом уподобить органу, то элементарная частица — это аккордеон, рождающий не звуки, а музыкальные инструменты: то барабан, то скрипку, а иногда и большой концертный рояль!
В окружающем нас мире «больших», макроскопических, явлений это противоречит здравому смыслу, выглядит полнейшей бессмыслицей. Но в микромире такое возможно, природа устроена хитрее и изобретательнее любой человеческой фантазии.
Но как быть с законами сохранения массы и энергии? Ведь если протон, оторвав от себя увесистый «кусочек» в виде пи-мезона, остается тем же протоном, откуда взялся «материал» для мезона? Что-то тут не так, не может же, в самом деле, мезон возникнуть «из ничего»!
Энергетическая ванна
Противоречие, можно сказать, налицо. Особенно, когда мезон распадается на нуклон и антинуклон. Конечные частицы в этом случае весят в четырнадцать раз больше начальной. Чтобы понять, как это может быть, нам придется отправиться в далекое путешествие — снова в Древнюю Грецию, а точнее, в окруженный высокими стенами греческий город на юге Апеннинского полуострова, где жил знаменитый греческий ученый Архимед. Его интересовали не только глубокие теоретические проблемы, много времени он отдавал решению практических задач — конструировал подъемные механизмы, создавал военные машины для обороны города, а иногда занимался и более мелкими, но не менее трудными вопросами. Один из таких вопросов задал ему правитель города царь Гиерон. В благодарность за победу, одержанную его войском, царь решил пожертвовать богам золотой венец. Он отвесил мастеру необходимое количество золота, но когда тот принес изготовленную драгоценность, Гиерон — по преданию, очень скупой и жестокий человек — усомнился в его честности и повелел Архимеду придумать, как изобличить плута, не портя, однако, драгоценного венца. Архимед долго не мог сообразить, как справиться с таким необычным поручением. Но вот однажды, садясь в ванну, он заметил, что погруженное в воду тело заметно легчает. Искомое решение задачи четко предстало перед его умственным взором. Говорят, что с криком: «Эврика!» («Нашел!») — обрадованный Архимед среди бела дня голым бежал по городу к дворцу царя.
Эффект Архимеда — жидкость снизу давит на тело и компенсирует часть его веса. Об этом идет речь на уроках физики в седьмом классе. И вот оказывается, что этот «банный эффект» играет важную роль внутри элементарной частицы. Только место воды там занимает энергия. Образно выражаясь, «куски» частицы погружены в силовое поле взаимодействия — в своеобразную энергетическую ванну, и их масса уменьшается. Энергия взаимодействия внутри частицы имеет отрицательный знак — ведь для того, чтобы растащить притягивающиеся друг к другу части, надо затратить энергию. Она-то и компенсирует излишек энергии частей элементарной частицы.
Энергетическая «ванна» есть и в атоме. В нее «налита» энергия электромагнитного взаимодействия электронов с ядром. Оно в тысячи раз слабее сил, действующих внутри элементарных частиц, поэтому плотность энергии во внутриатомной «ванне» очень мала и погруженные в нее электроны почти не теряют в своем весе, так же, как мы, люди, в бассейне земной атмосферы.
Плотность энергии, которой наполнено ядро атома, значительно больше. Потеря веса здесь составляет уже проценты. А внутри элементарных частиц взаимодействие их частей настолько велико, что они как бы «растворяются» в энергии взаимодействия. Получается что-то вроде сильно разваренных ягод в густом варенье. На связь частей уходит значительное количество общей энергии и массы. В этом главное отличие элементарной частицы от атомного ядра и всех других микрочастичек, которые мы называем составными, хотя все они имеют сложное внутреннее строение.
Современную физику нельзя просто выучить, к ней надо еще и привыкнуть!
Но с лестницей, которая ведет в недра материи, происходит что-то странное. Атомы расположены глубже молекул, ядра глубже атомов, а вот в протоне уже все смешалось. Ступеньки налезают друг на друга, громоздятся… Уже и не скажешь сразу, спускаемся мы или топчемся на месте…