Прошло всего четыре года, и в 1932 г. при изучении космических лучей американский физик К. Андерсон обнаружил частицу, свойства которой совпадали со свойствами «антиэлектронов» Дирака. Новая частица получила название позитрона. В настоящее время физикам известны антинейтроны, антипротоны и многие другие античастицы. Любопытно, что частицы и античастицы не могут сосуществовать. При соприкосновении друг с другом они аннигилируют — взаимно уничтожаются с выделением большого количества энергии, полностью превращаясь в излучение.
Атом водорода. — Водород — простейший и в то же время самый распространенный химический элемент во Вселенной. Атом водорода состоит из положительно заряженного ядра — протона и движущегося вокруг него электрона. Электрические заряды электрона и протона одинаковы, но противоположны по знаку. Масса протона в 1836 раз больше массы электрона. Масса атома водорода в граммах составляет 1,67·10–24 грамм.
Масса электрона — 9,1·10–28 грамм. Диаметр атома водорода не может быть точно определен, его граница размыта, приблизительно он равен 10–8 сантиметра. Эта единица, равная одной стомиллионной доле сантиметра, в честь шведского ученого Андерса Ангстрема названа ангстремом.
Радиус протона примерно в 100 тысяч раз меньше радиуса атома водорода. Он составляет 1,3·10–13 сантиметра. Длина 10–13 сантиметра принята за ядерную единицу длины. Она получила название ферми в честь знаменитого итальянского физика Энрико Ферми. Плотность вещества в протоне фантастически велика — около 200 миллионов тонн в кубическом сантиметре. Приблизительно такова же плотность вещества во всех атомных ядрах.
Дейтерий. — Кроме обычного водорода в природе существует еще так называемый тяжелый водород, или дейтерий, который был открыт в 1932 г. Электронная оболочка атома дейтерия, так же как и у водорода, состоит из одного электрона, но его ядро — дейтон — примерно вдвое тяжелее и состоит из двух частиц — протона и нейтрона.
Дейтерий применяется в современной ядерной технике как взрывчатое вещество. В будущем он будет использоваться как горючее в термоядерных энергетических установках. Запасы термоядерной энергии дейтерия, имеющиеся в воде земных океанов, примерно в 100 миллионов раз превосходят запасы энергии ископаемого топлива (угля, нефти, газа, торфа).
Инвариантность — неизменяемость. В математике и физике инвариантные величины — величины, не меняющие своего значения, при том или ином классе преобразования играют весьма важную роль.
В широком — философском — смысле инвариантность — это независимость от способа описания.
Камера Вильсона. — В конце прошлого столетия физик Ч. Вильсон, работая на горной обсерватории в Шотландии, обратил внимание на любопытные оптические явления, возникающие при освещении солнечными лучами облаков и тумана. Ученый решил воспроизвести подобное явление в лаборатории и провел несколько экспериментов, получая искусственные облака путем расширения паров. Эти опыты натолкнули Ч. Вильсона на плодотворную идею, которая и легла в основу знаменитой камеры для регистрации элементарных частиц, названной его именем. В камере Вильсона пролетающие частицы оставляют видимые следы из капелек воды в парах, образующихся в результате быстрого расширения. Эти следы можно фотографировать.
Масса и энергия. — Из теории относительности следует, что полное количество энергии, содержащейся в некотором количестве материи, равно произведению массы этой материи на квадрат скорости света в вакууме. Поэтому в физике высоких энергий массы измеряются в единицах энергии — так называемых миллионах электрон-вольт (мэв). В этих единицах массы электрона и позитрона равны примерно 0,5 мэв, а массы протона и нейтрона — 940 мэв. Иногда используется более крупная единица, равная одному миллиарду электрон-вольт (гэв), — гигаэлектрон-вольт. Масса одного грамма вещества выражается астрономическим числом — 6·1023 гэв.
Мезоны. — Изучая взаимодействия частиц, входящих в состав атомного ядра, японский физик Юкава пришел к выводу, что их взаимное притяжение является результатом непрекращающегося обмена особыми частицами — мезонами. Юкава предсказал также, что масса мезона должна примерно в 200 раз превосходить массу электрона. Впоследствии были открыты три мезона с близкими массами, но с разными электрическими зарядами: положительный, отрицательный и нейтральный. Эти ядерные мезоны получили название пи-мезонов. Кроме того, открыты еще два мю-мезона — положительный и отрицательный. Они возникают при распаде соответственно положительного и отрицательного пи-мезонов.
Нейтрон и нейтрино. — Нейтрон — частица с массой 1838,6 электронной массы — был открыт в 1932 г. английским ученым Д. Чедвиком. Вне атомного ядра нейтрон не стабилен. Средняя продолжительность его жизни 17 минут. Затем нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино (распад).
В свое время физики обнаружили, что нейтрон может самопроизвольно распадаться на протон и электрон. Однако при этом обнаружилось странное нарушение закона сохранения энергии. Общая энергия продуктов реакции оказалась меньше, чем следовало из теоретических расчетов. Известный швейцарский физик В. Паули высказал предположение о том, что недостающую энергию уносит с собой неизвестная частица. Однако обнаружить эту частицу, названную по предложению Э. Ферми нейтрино (что одновременно означает «маленький» и «нейтральный»), удалось лишь сравнительно недавно.
Главная отличительная особенность нейтрино — удивительная способность беспрепятственно проходить сквозь громадные толщи вещества. Длина свободного пробега нейтрино в космосе сравнима с радиусом доступной современным исследователям области Вселенной.
Пузырьковая камера. — Одно из наиболее эффективных устройств для регистрации явлений, вызываемых частицами высоких энергий. Принцип ее работы сходен с принципом работы камеры Вильсона. Жидкость, наполняющая камеру, перегревается и приобретает способность легко вскипать. Благодаря этому вдоль пути, пройденного заряженной частицей, образуется видимый след, состоящий из пузырьков газа.
Поле. — Особая форма существования материи. Представим себе мощный радиопередатчик, излучающий электромагнитные волны. Где бы мы ни помещали антенну нашего приемника, они будут возбуждать в ней движение электронов, электрические токи, которые после соответствующего усиления и преобразования создают звук в динамике. Энергия, излучаемая передатчиком, заполнила определенную область пространства. Но энергия — это свойство материи, которое не может существовать отдельно, независимо от самой материи. Она всегда должна иметь материального носителя. В данном случае носителем энергии является электромагнитное поле. О материальной природе электромагнитного поля говорит и то обстоятельство, что оно способно оказывать на помещенные в него объекты не только электрическое, магнитное, но и прямое механическое воздействие. Так, электромагнитные (например, световые) волны производят определенное давление на преграды, а излучатели таких волн испытывают реактивный эффект, получая ускорение в противоположном направлении, как если бы выбрасывали обычные частицы вещества.
Типы взаимодействий. — Современной физике известны четыре типа взаимодействий между элементарными частицами.
Взаимодействие большой интенсивности, обусловленное обменом пи-мезонами и удерживающее в атомном ядре протоны и нейтроны, называется сильным взаимодействием.
Несколько слабее — электромагнитное взаимодействие, притяжение и отталкивание разноименных и одноименных зарядов.
Третий тип — слабые взаимодействия, возникающие при распадах и столкновениях частиц со средними и малыми массами.
Последний тип взаимодействия — притяжение масс, или гравитация. Однако в микромире гравитационные силы почти не играют никакой роли, так как они во много раз слабее других сил.