Драконоборцы. 100 научных сказок - Николай Николаевич Горькавый

Но была одна проблема: при бета-распаде нестабильных ядер оттуда вылетали электроны. Когда учёные подсчитали энергетический баланс этой реакции, то обнаружили, что энергия системы до распада и после различается, словно закон сохранения энергии не выполняется. Вольфганг Паули в 1930 году выдвинул идею нейтрино – лёгкой нейтральной частицы, которая уносит часть энергии бета-распада. С учётом нейтрино, которое было очень трудно обнаружить, закон сохранения удавалось спасти.

– Значит, для построения мира нужно было пять частиц? – уточнила Галатея.

– Для ядерных сил, скрепляющих атомное ядро, японец Юкава в 1934 году предложил модель, в основе которой лежит новая и нестабильная элементарная частица пи-мезон.

– Шесть частиц? – Галатея стала загибать пальцы на второй руке.

– В 1936 году нашли частицу, которую приняли за мезон Юкавы. Но это оказался мюон, совсем не та частица, которая ожидалась. Как сказал профессор Исидор Раби, когда был открыт мюон: «Кто заказал это?» Пи-мезон Юкавы был открыт в 1947 году.

– Уже семь частиц! – продолжила счёт девочка.

– Модель элементарных частиц затрещала по швам. В том же году были открыты две новые элементарные частицы – К-мезон и лямбда-гиперон. В 1955 году был открыт антипротон, в 1956 году – нейтрино, предсказанное Паули. Элементарные частицы посыпались, как горох из разорвавшегося мешка.

– Ой! – Галатея посмотрела на свои загнутые пальцы: её персональный компьютер исчерпал память.

– К ним пришлось добавить античастицы, которых, согласно уравнению Дирака, было ровно столько же, сколько обычных частиц. Элементарных частиц открывалось по несколько штук в год, и за несколько десятков лет учёные нашли сотни таких частиц. Целый зоопарк в микромире: даже нейтрино оказалось не одного, а трёх сортов – электронное, мюонное и тау-нейтрино. Стало понятно, что привычные «элементарные частицы» не могут претендовать на звание «элементарных», тем более что они крайне нестабильны и никак не походят на неизменные атомы Демокрита. Значит, они сами построены из более простых и неделимых частичек? Начались интенсивные поиски по-настоящему элементарных частиц. Но пусть лучше об этом расскажет известный физик Ричард Фейнман, или, вернее, его дух, который живёт в моём домашнем компьютере.

Динамики компьютера вдруг ожили, и дух Фейнмана сказал:

– Число частиц в мире не ограничено и зависит от энергии, потраченной на разрушение ядра. В настоящее время открыто более четырёхсот таких частиц. Мы не можем смириться с тем, что существуют четыре сотни элементарных частиц – это слишком сложно! Природа продолжает нагромождать эти частицы как бы с целью нас одурманить. Если 99 % явлений в мире можно объяснить при помощи электронов и фотонов, то оставшийся 1 % явлений потребует в десять или двадцать раз больше дополнительных частиц.

– И что же делать? – спросила Галатея.

– Думать! – рявкнули динамики голосом Фейнмана. – Великие изобретатели вроде Гелл-Манна чуть с ума не посходили, пытаясь вывести правила, которым подчиняются эти частицы, и в начале 70-х годов XX века создали теорию сильных взаимодействий (или «квантовую хромодинамику»), в которой основными действующими лицами являются частицы, получившие название «кварки». Все частицы, состоящие из кварков, разделяются на два класса: одни частицы, например протоны и нейтроны, состоят их трёх кварков (такие частицы получили ужасное название «барионы»), другие – например пион – состоят из кварка и антикварка (они называются «мезонами»).

Дзинтара снова взяла нить повествования в свои руки.

– Физики любят исследовать элементарные частицы, сталкивая их лбами. Разгоняют частицы на ускорителях, и – бабах! – только искры из глаз у частиц сыплются. Физики изучают эти искры и траектории заплаканных частиц, разлетающихся после соударения, и узнают о строении частиц много нового.

– Ужас! – сказала Галатея. – Надо организовать союз защиты элементарных частиц.

– Таким способом Эрнст Резерфорд исследовал строение атома: облучил атомы положительно заряженными альфа-частицами и обнаружил, что альфа-частицы иногда сильно отклоняются при рассеянии на атомах. Это возможно, только если атом является не рыхлой крупной структурой, как думал Томсон, а содержит в себе крошечное и плотное ядро с положительным зарядом. Так Резерфорд доказал, что в атоме есть ядро с размером в десять тысяч раз меньше, чем сам атом.

Аналогичное открытие сделали физики более полувека спустя. Они по рассеянию протонов друг на друге нашли, что протон не представляет собой однородный шар – в нём прячутся маленькие и плотные части, которые позже стали называть кварками и глюонами.

Химик Менделеев проанализировал свойства химических элементов и нашёл в них закономерности, которые привели к открытию Периодического закона. На основании этого закона Менделеев предсказал существование ещё не открытых химических элементов и даже заранее вычислил их массу и другие характеристики.

Аналогично поступили и физики: они изучили свойства всех известных элементарных частиц и нашли, что их можно разделить на три группы: лептоны, кварки и кванты полей.

Исходя из этой классификации, шотландец Хиггс, бельгиец Энглерт и другие физики создали теорию элементарных частиц и предсказали открытие нескольких ранее неизвестных частиц, в частности бозон Хиггса. Для этих неоткрытых частиц удалось вычислить массу и другие характеристики. Несколько десятилетий экспериментаторы, работающие на ускорителях, искали эти частицы – и нашли абсолютно все, включая бозон Хиггса, который журналисты любят называть «частицей бога» – настолько фундаментальной во всех смыслах оказалась эта частица.

– Звучит как-то двусмысленно, – сказал Андрей. – Словно бог состоит только из бозонов Хиггса.

– Термин «божья частица» появился в заголовке книги нобелевского лауреата Леона Ледермана. Он сначала хотел назвать бозон Хиггса «чёртовой частицей», но редактор книги не согласился – и «чёртову» частицу переделали в «божью», тем более что в английском языке для этого просто нужно отрезать вторую половину слова.

– Как тонка оказалась грань между чёрным и белым! – хихикнула по-детски королева Никки, слушавшая сказку с таким же вниманием, как и дети.

– Эксперименты, полностью подтвердившие теорию кварков, сделали её Стандартной для элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий. В 2013 году за эту теорию Питеру Хиггсу и Франсуа Энглерту была присуждена Нобелевская премия.

Что говорит Стандартная теория об основных группах элементарных частиц?

Самым известным представителем группы лептонов является электрон. Два других лептона – мюон и частица тау – похожи по свойствам на электрон, только гораздо тяжелее его и нестабильны. Мюон тяжелее электрона в 207 раз, и живёт он всего две миллионные доли секунды.

– Так мало? – удивилась Галатея.

– Так много! – возразила Дзинтара. – Другие нестабильные элементарные частицы живут гораздо меньше. Среди нестабильных частиц дольше мюона живёт только свободный нейтрон. Мюоны рождаются при столкновении космических лучей с атмосферой, но за счёт своей длинной жизни, которая дополнительно продлевается из-за скорости частицы…

– Согласно теории относительности Эйнштейна, – отметил педантичный Андрей, состоящий частично из коричневых кубиков.

– …мюоны могут достигать поверхности Земли.