Безумные идеи

От участников конкурса требовалось найти число рыб, которое удовлетворяло бы условиям этой задачи.

Каково же было изумление жюри, когда оно прочло ответ студента Дирака. По его решению, рыбаки выловили минус две рыбы! Но этот несуразный ответ удовлетворял всем условиям задачи!

Возможно, этих-то отрицательных рыб Дирак и вспомнил, когда неумолимые законы природы подсунули ему невиданную частицу. Тогда-то Дирак и представил научному миру свою странную находку и уверенно заявил, что электроны с отрицательной энергией столь же реальны, как электроны с энергией положительной. Но это не обычные электроны, а позитроны — частицы, во всех отношениях подобные электронам, но несущие положительный заряд.

Более того, ученый огорошил своих коллег предположением, что все частицы в природе существуют парами, что каждой заряженной частице соответствует своя античастица с такой же массой, но с зарядом противоположного знака. Дирак справедливо решил, что если существует пара для электрона — позитрон (так назвали антиэлектрон), то должна существовать и пара для протона. Если существуют атомы водорода, должны существовать и атомы антиводорода. То есть в природе наравне с веществом должно равноправно существовать и антивещество.

Итак, как сказал знаменитый швейцарский физик Паули, «тонкое природное чутье физика помогло Дираку начать свои рассуждения, не зная, что они приведут к теории, которая обладает точной симметрией по отношению к знаку заряда, в которой энергия всегда положительна и в которой предсказывается рождение и аннигиляция пар».

Уравнение Дирака толкало ученых на путь удивительных открытий.

И действительно, еще свежо было впечатление от феноменального открытия Дирака, еще памятны были годы молчания, которым деликатно обходили физики дираковское уравнение, когда американский ученый Андерсон впервые увидел след положительно заряженного электрона, рожденного в камере Вильсона при прохождении через нее космической частицы. Его путь искривлялся магнитным полем в направлении, противоположном пути обычного электрона. Все остальные признаки совпадали. Несомненно, это был тот самый позитрон, существование которого гениально предсказал Дирак.

Это было в 1932 году. Появление позитрона стало мировой сенсацией, гвоздем четвертого десятилетия нашего века. Двери в антимир были открыты. Физики ринулись открывать новые «земли». Они с упоением отдались поискам других частиц и античастиц.

Камера Вильсона решила, видно, сыграть роль рога изобилия. И вслед за первой сенсацией породила вторую, потом третью, четвертую... целый каскад новых элементарных частиц и античастиц.

Охотники за космическими частицами еще ниже склонились над своими установками. Они стали еще пристальнее рассматривать фотографии, испещренные толстыми и тонкими, еле видными и отчетливыми линиями — следами промелькнувших космических частиц и осколков разбитых атомов. Физики проявляли чудеса наблюдательности, копаясь в путанице ничего и никому, кроме них, неговорящих следов. И наконец — это было в 1936 году — Андерсон и Неддермайер разглядели еще одну, никем из людей не виденную частицу. Она двигалась проворнее протона, но солиднее электрона. Она была легче первого, но тяжелее второго. Так ее и назвали — «мезон», что значит по-гречески «промежуточный».

Судьба этой частицы очень напоминает судьбу дираковского позитрона. Мезон тоже был введен в науку пером физика-теоретика. Японский ученый Юкава в 1935 году при разработке теории ядра был вынужден ввести особое поле ядерных сил, квантами которых, по его расчету, должны являться особые частицы масса которых составляет около 200 масс электрона, то есть была примерно в 10 раз меньше массы протона.

Давно уже не было секретом, что делим не только сам атом, но и его ядро, что, когда космическая частица прямым ударом разбивала ядро, оно разлеталось на осколки — ядра более легких атомов и одиночные протоны и нейтроны. Протоны ни в ком особого интереса не вызывали. Это были давно известные ядра атомов водорода, из которых природа лепит ядра более тяжелых элементов. Нейтроны, эти нейтральные, незаряженные частицы, тоже уже были знакомы ученым. Но что являлось действительно тайной за семью печатями, так это вопрос о том, как протонам и нейтронам удается сплестись в столь прочный клубок, как атомное ядро. Ведь это не дом, где кирпичи связаны известью; не дерево, пронизанное волокнами; не живой организм из клеток. Что же это такое — атомное ядро? Что связывает его в единое целое? Короче, какова природа ядерных сил, преодолевающих электрические силы отталкивания положительно заряженных протонов?

И Юкава ответил на этот вопрос просто и гениально. Он сказал... Впрочем, представьте себе такую картину. Вдоль дороги идут двое. Не останавливаясь, они все время перебрасывают друг другу мяч. Из-за этого они не могут отойти друг от друга дальше некоторого определенного расстояния. Если издали смотреть на этих людей, то мяча не видно и можно подумать, что эти двое просто дружески беседуют, по-приятельски идут рядом и что их удерживают друг около друга некие силы притяжения.

— Подобные силы притяжения и испытывают протоны и нейтроны в атомном ядре, — сказал Юкава. — Они могут без отдыха биллионы веков «играть в мяч», перебрасываясь мезонами, пока какой-нибудь снаряд, вроде космической частицы, не нарушит это приятное занятие. Тогда, выронив «мяч», протоны и нейтроны брызнут из ядра, и оно погибнет. При этом можно обнаружить и мезоны.

Эту драматическую ситуацию ученым и удалось подстроить и подстеречь в своих приборах. Они стали свидетелями представления, разыгравшегося за кулисами микромира, и смогли увидеть ее актеров без масок. Так они познакомились с мезоном.

Однако вскоре выяснилось, что мезоны Андерсона и Неддермайера, масса которых равна 207 электронным массам, — это не мезоны Юкавы. Это другие частицы. Было установлено, что они не участвуют в образовании ядра и по поведению скорее напоминают электроны. Но в отличие от электронов эти мезоны (теперь их называют мю-мезонами) неустойчивы. Через миллионную долю секунды после своего рождения они распадаются на электрон и два нейтрино, уносящие с собой энергию, соответствующую примерно 200 массам электрона.

А что же мезон Юкавы? Ошибка, заблуждение ученого? Или, как позитрон Дирака, он явился слишком рано, опередив возможности эксперимента? Да, мезон, найденный Юкавой на бумаге, был открыт в действительности лишь через 10 лет английским ученым Поуэлом, который применил новую экспериментальную методику.

Новым окном в природу была толстая фотографическая эмульсия, внутри которой после проявления возникали следы самих космических частиц и тех частиц, которые они выбивали из ядер атомов, входящих в фотоэмульсию.

Частицы, открытые таким образом в 1947 году, имели массу, близкую к вычисленной Юкавой.

Оказалось, что этот мезон, его назвали пи-мезоном, существует в трех разновидностях — два из них, заряженные (положительный и отрицательный), в 273 раза тяжелее электрона, и третий — нейтральный, масса его составляет 264 электронные массы. Они действительно участвуют в образовании связей между ядерными частицами — протонами и нейтронами.

Эти частицы еще неустойчивее, чем мю-мезоны. Заряженные пи-мезоны живут лишь одну стомиллионную долю секунды, распадаясь на мю-мезон и нейтрино. Нейтральный пи-мезон живет еще в 100 миллионов раз меньше. Именно поэтому пи-мезон — ядерный мезон Юкавы — был открыт позже мю-мезона, на некоторое время сбившего ученых на ошибочный путь.

Но, как говорят, лиха беда — начало. За первым мезоном, действительно как из рога изобилия, посыпались другие элементарные частицы. Стала популярной шутка академика Вавилова: «Каждый сезон приносит новый мезон». И это верно отражало положение дел.