Самые тщательные и придирчивые исследования подтвердили: да, следы действительно принадлежат частицам, обладающим всеми свойствами электронов, однако имеющим положительный заряд.
Сомнений больше не оставалось: открыта новая частица, получившая название «позитрон» — положительный электрон.
В том же году при изучении поведения бериллия под действием излучения радия физик Чадвик натолкнулся на новое удивительное явление: бериллий сам начинал испускать какие-то загадочные лучи! В камере Вильсона эти лучи не видны. Но если поместить бериллий не в самой камере, а рядом, то в ней начинали появляться коротенькие следы. Они возникали внутри самой камеры и имели самые различные направления.
После многих опытов ученые установили, что лучи, испускаемые бериллием, представляют собой поток тяжелых незаряженных частиц. Масса каждой из них оказалась чуть больше массы протона. Новую частицу назвали нейтроном, так как она электрически нейтральна.
И вот тогда-то перед физиками снова стал вопрос: как теперь быть? Пока ученые располагали лишь электронами и протонами, все казалось ясным: ядро атома состояло из протонов и некоторого количества «связанных» электронов, а вокруг ядра носилось «облако» свободных электронов.
А куда же теперь «деть» позитроны и нейтроны?
Советский ученый Д. Д. Иваненко первый высказал мысль о том, что ядро атома состоит не из электронов и протонов, а из протонов и нейтронов. И сразу возникла новая, колоссальная по трудности проблема: как же, чем удерживаются вместе протоны и нейтроны, образуя устойчивое ядро? Старые положения рушились.
Оставалось предположить, что в ядре имеются силы совершенно нового, неизвестного до сих пор типа.
— И ученые сделали то, — с легкой улыбкой замечает Пайерлс, — что всегда полезно в науке: ввели новый термин — «ядерные силы».
Но дать название — еще не значит объяснить. И начались настойчивые исследования.
Путь к решению открыло изучение столкновений между нейтронами и протонами. Среди многочисленных столкновений внимание ученых привлекло несколько случаев, на первый взгляд ничем по примечательных. Двигавшийся с большой скоростью нейтрон налетал на неподвижный протон. После столкновения нейтрон останавливался, а протон продолжал его движение.
* * *
Идет тренировочный футбольный матч. С помощью „РПД“ тренер команды прямо с трибун может руководить штурмом ворот условного противника.
— Здорово, — сказал Верхоглядкин. — Ну, я пойду, мне нора…
(См. стр 15)
* * *
Что же здесь интересного, спросите вы, — подобные столкновения мы не раз видели во время игры на биллиарде. Действительно, при лобовом столкновении биллиардных шаров налетающий шар останавливается, а покоившийся начинает двигаться со скоростью первого.
Ученые подсчитали вероятность лобового столкновения дейтрона с протоном. Она оказалась очень малой; поэтому все наблюдавшиеся случаи нельзя объяснить простым лобовым столкновением. Как же быть? А что, если сделать такое смелое предположение: когда нейтрон сближается с протоном настолько, что попадает в зону действия ядерных сил (но частицы не сталкиваются!), нейтрон превращается в протон и, почти не изменив энергии движения, продолжает свой путь? А неподвижный протон продолжает покоиться, но превращается в нейтрон? Это может произойти, если в момент сближения положительный заряд протона перейдет на нейтрон, который от этого превратится в протон. Протон же, потеряв свой заряд, станет нейтроном.
«Смело! — скажете вы. — Но для того, чтобы я вам окончательно поверил, объясните, как же происходит обмен зарядами? Собственно говоря, что вы имеете в виду когда говорите об этом обмене. Ведь до сих пор носителями заряда были определенные частицы: электрон, протон, позитрон. Заряда без частицы не существовало. О какой же частице сейчас идет речь?
Ответ на эти принципиальные вопросы дал японский физик Юкава. Он выдвинул очень интересную гипотезу о свойствах частиц, которыми обмениваются протон и нейтрон. Именно они, эти частицы, и обусловливают ядерные силы. Во-первых, эти частицы должны быть прочно связаны с протонами и нейтронами. А во-вторых, их масса должна быть тем больше, чем короче радиус действия силы. При тех расстояниях, на которых сказываются ядерные силы, масса частицы должна составлять 1/7 массы протона. Это было своего рода предсказанием: если ядерные силы вызваны обменом какими-то частицами, то масса этих частиц должна быть около 200 электронных единиц. Эти предполагаемые частицы назвали мезонами.
Здесь мы подходим к одному из сложнейших вопросов современной науки. Если мезон имеет массу и все время тесно связан с протонами и нейтронами, то почему же его масса не сказывается на массе этих частиц? А если он появляется лишь в момент их сближения, то откуда же он возникает?
Чтобы хоть немного облегчить понимание этих явлений, рассмотрим очень приблизительную аналогию. Наверное, каждый знает, что белый фосфор обладает способностью светиться в темноте. Объясняется это явление просто. Энергия, приносимая лучами при освещении фосфора, возбуждает его атомы.
Она словно растворяется в нем. А затем атом, переходя из возбужденного состояния в обычное, отдает энергию в виде свечения. Свечение, как и любая электромагнитная энергия, излучается определенными порциями — фотонами. Современная физика рассматривает фотон не только как порцию энергии, но и как некоторую частицу. Откуда же берутся эти фотоны при свечении фосфора? Они словно растворены в возбужденном атоме, находятся в нем в скрытом виде.
Что-то подобное происходит и с мезонами. Они тоже словно растворены в ядре, находятся в нем в неявном виде. И именно они обеспечивают ядру его необычайную устойчивость и компактность. Для перевода мезонов из неявного состояния в свободное необходима значительная энергия. И если какая-нибудь частица приносит в ядро такую энергию, это приводит к серьезным изменениям в ядре, сопровождающимся как бы «рождением» мезона в явном виде.
Проблема ядерных сил очень сложна и, по существу, еще не решена. Она изучается много лет, но чем подробнее мы знакомимся с ядерными силами, тем более сложной она представляется.
Прошлой три года после создания Юкава своей теории, и частицы, о говорил, действительно были обнаружены Андерсеном и Н…майером в космическом излучении. Они получили название (мю) — мезонов. Теоретики рассматривали это открытие как триумф мезонной теории ядерных сил.
Почти десять лет μ-мезоны тщательно изучались. Все их свойства сходились с предсказаниями Юкава. Оставалось совсем немногое: доказать, что они взаимодействуют с протонами и нейтронами так как говорила теория.
Здесь-то физику и ждало глубокое разочарование: μ-мезоны не оправдали возлагавшихся на них надежд. Они не подчинялись теории Юкава. Что же, значит, она не верна и от мезонной теории ядерных сил, на построение которой ученые потратили столько времени и труда и которая казалась такой плодотворной, надо отказаться? Это было бы очень тяжелым ударом.
Английский физик Пауэлл совершенно неожиданным образом подтвердил ее. Он доказал, что мезоны космических лучей — это не мезоны Юкава, а несколько иные частицы, а в 1948 году открыл новую частицу — π (пи) — мезон, которая вела себя совершенно так как предсказывал японский ученый.
Немногие открытия приносят ученым столько новых трудностей, сколько принесли мезоны. Оказалось, что и μ-мезоны и π-мезоны очень неустойчивы. Время жизни их измеряется миллионными и миллиардными долями секунды. А затем они распадаются на более легкие и устойчивые частицы.