И все же факт есть факт. Даже самые нестабильные из гиперонов, сигма-ноль-частицы, живут не менее чем квинтильонную долю секунды. Может показаться, что это довольно короткий промежуток времени. Но если тот же период выразить не в обычных единицах, а в световых, то окажется, что квинтильонная доля секунды равна 30 000 световых ферми.
Слишком долго!
Но даже 30 000 световых ферми — это необычайно короткий срок жизни для гиперона. У других гиперонов, включая недавно открытые кси-ноль-частицы, период полураспада длится примерно 30 000 000 000 000 световых ферми, или 30 световых миллиметров.
Так как ядерные силы, расщепляющие гипероны, действуют по крайней мере в 10 триллионов раз дольше того промежутка времени, который требуется для рождения частиц, то эти силы должны быть гораздо слабее тех сил, которые относятся к «сильным взаимодействиям». Естественно, о новых силах говорят, что они относятся к «слабым взаимодействиям», и они поистине слабы, так как почти в триллион раз слабее даже электромагнитных сил.
Новые частицы, имеющие отношение к «слабым взаимодействиям», были названы «странными частицами», и это название, приставшее к ним, отчасти оправданно. У каждой частицы есть «странность», выраженная числами: +1, 0, –1 или –2.
У таких обычных частиц, как протоны и нейтроны, «странность» равна 0; у лямбда- и сигма-частиц «странность» равна –1; у кси-частиц «странность» равна –2 и так далее.
Путь движения сквозь вещество и поведение различных гиперонов (и других элементарных частиц) прослеживаются по эффекту их воздействия на молекулы вещества, с которыми они сталкиваются. Обычно такое столкновение влечет за собой просто отрыв одного или двух электронов от молекулы воздуха. То, что остается от молекулы, называется заряженным ионом.
Капелька воды гораздо охотнее образуется около иона, чем около первоначальной незаряженной молекулы. Когда быстро движущаяся частица сталкивается с молекулами в специально приспособленном для опытов сосуде, заполненном перенасыщенным водяным паром (так это делается в камере Вильсона) или жидким водородом при температуре его кипения (так делают в пузырьковой камере), то каждый образующийся ион тотчас становится центром — в первом случае водяной капельки, а во втором — пузырька газообразного водорода. Таким образом, движущаяся частица отмечает свой путь тоненькой дорожкой водяных капель. Когда частица распадается на две другие, которые начинают двигаться в двух разных направлениях, водяная дорожка прослеживает и их пути, разветвляясь в форме буквы ?.
Наши органы чувств не могут воспринять эти мгновенные изменения. Но фотоснимок за фотоснимком фиксируют следы частиц, предоставляя физикам-ядерщикам возможность проследить пути частиц и события, разыгравшиеся в мире частиц.
Только субатомные частицы, которые сами имеют электрический заряд, эффективно выбивают электроны с внешних оболочек молекул воздуха. Именно поэтому заряженные частицы и можно выследить по дорожкам в паре, а незаряженные или нейтральные частицы в любом классе частиц обнаруживаются последними.
Например, нейтрон, который не несет заряда, был открыт на целых 18 лет позже подобной ему (но несущей электрический заряд) частицы — протона. И в семействе гиперонов последней была обнаружена кси-ноль-частица, одна из лишенных заряда тяжелых частиц («ноль» означает «нулевой заряд»).
И все же незаряженные частицы можно обнаружить именно по отсутствию следа. Например, кси- ноль-частицу порождает частица, имеющая заряд, а распадается она в конце концов, давая заряженные частицы другого типа. На фотографии, которая наконец «сорвала банк» (а было изучено 70 000 фотографий!), были видны дорожки, разделенные значительным пробелом. К этому пробелу не удалось подогнать ни одну известную незаряженную частицу: любая из них дала бы пробел другого вида или другую последовательность событий после него. Подходит только кси-ноль-частица. Так, методом безжалостного исключения ученые нашли ту единственную частицу, которая не вызывала сомнений.
Но где здесь световые единицы, с которых я начал? Пожалуйста: ведь частица, движущаяся почти со скоростью света, имеет возможность, если время ее жизни равно примерно 30 световым миллиметрам, проделать путь в 30 миллиметров, прежде чем распадется.
Здесь одно предполагает другое. Пользуясь обычными единицами, вы могли бы сказать, что длина следа примерно 30 миллиметров предполагает, что период полураспада равен примерно триллионной доле секунды (и наоборот); но между этими численными величинами нет никакой видимой связи. Сказать же, что след в 30 миллиметров предполагает период полураспада в 30 световых миллиметров, — тоже верно, но как отчетливо проявляется взаимосвязь! Вновь, как и в случае астрономических единиц расстояния, скорость света позволяет одним числом охарактеризовать и расстояние и время.
Группа частиц, вышедшая на сцену раньше гиперонов, — это мезоны. Эти частицы выступают в среднем весе: они легче протонов и нейтронов, но тяжелее электрона (поэтому их название и было образовано от греческого слова, означающего «средний»).
Мезонов тоже известно три разновидности. Два более легких вида мезонов различают греческими буквами: это мю-мезоны, открытые в 1935 году и имеющие массу, которая составляет примерно 11 процентов массы протона, и пи-мезоны, открытые в 1947 году, — их масса составляет примерно 15 процентов массы протона. Наконец, начиная с 1949 года было открыто несколько необычайно тяжелых мезонов, так называемых ка-мезонов. Их массы равны примерно половине массы протона.
В целом мезоны не так нестабильны, как гипероны. Их время жизни дольше. Даже самые устойчивые из гиперонов имеют период полураспада лишь 30 световых миллиметров, тогда как период полураспада мезонов колеблется от 8000 световых миллиметров (у заряженных пи-мезонов) до 800 000 световых миллиметров (у мю-мезонов).
Теперь уже 800 000 световых миллиметров покажутся вам поистине долгой «полужизнью», поэтому я напомню, что в обычных единицах это как раз 1/400 000 секунды.
Короткое мгновение для нас, но долгое, очень долгое время по ядерным масштабам.
Из мезонов только ка-разновидность относится к «странным» частицам. Ка-плюс- и ка-ноль-мезоны имеют «странности», равные +1, а ка-минус-мезон имеет «странность» –1.
Кстати, слабые взаимодействия недавно вызвали в физике почти революцию. Примерно в первые 8 лет после их открытия слабые взаимодействия казались не более чем досадной неясностью. И вдруг в 1957 году в результате исследований, связанных с ними, обнаружили, что «закону сохранения четности» подчиняются отнюдь не все процессы в природе.
Я не буду углубляться в подробности; пожалуй, достаточно сказать, что демонстрация опыта поразила физиков как гром среди ясного неба; двое молодых ученых, которые разгадали загадку, тотчас стали лауреатами Нобелевской премии, а перед теорией ядра открылись новые горизонты.
Кроме мезонов и гиперонов, известна только одна нестабильная частица — нейтрон. В атомном ядре нейтрон стабилен; но пребывания в одиночестве он не выдерживает и в конце концов распадается, порождая протон, электрон и нейтрино. (Разумеется, античастицы — позитроны и антипротоны — нестабильны в том смысле, что вступают в реакцию с электронами и протонами. В обычных условиях это совершается не позже чем примерно через миллионную долю секунды после их рождения. Однако, если бы эти античастицы оказались в изоляции, они оставались бы неизменными до бесконечности, а именно это мы и подразумеваем под стабильностью.)
Период полураспада нейтрона равен 1010 секундам (или примерно 17 минутам), а это значит, что он живет примерно в миллиард раз дольше, чем любая другая нестабильная частица.
В световых единицах период полураспада нейтрона составил бы 350 миллионов световых километров. Другими словами, если бы группа нейтронов неслась со скоростью света, то они покрыли бы расстояние 350 миллионов километров (от одной крайней точки земной орбиты до другой и еще немного), прежде чем половина из них распалась бы.
