Мы уже говорили о позитроне. Эта частица очень похожа на электрон, но только «вывернутый наизнанку». Если то или иное свойство частицы можно выразить числом, то величины этих чисел у электрона и позитрона всегда точно одинаковы. Но если у числа может быть
знак (положительный или отрицательный), то у электрона и позитрона эти знаки обязательно противоположны. Масса электрона ничем не отличается от массы позитрона — масса ведь не может быть отрицательной. Электрический заряд у электрона отрицательный, у позитрона — положительный, но величины зарядов равны. Позитрон во всем, в чем только возможно, противоположен электрону. Его можно бы было назвать «противоэлектроном» или, по-гречески, «антиэлектроном».
Теоретическая физика предсказала и существование позитрона, и то, что у других частиц тоже должны быть античастицы, у которых те же свойства, только с обратным знаком. Это предсказание блестяще подтвердилось, когда были открыты антинуклоны, т. е. антипротоны и антинейтроны.
Частица и античастица похожи и в то же время не похожи друг на друга, как перчатки с правой и левой руки или как предмет и его зеркальное отображение. Но ведь бывают симметричные предметы: гладкий шар, например, невозможно отличить от его зеркального отображения. Нечто подобное существует и в мире элементарных частиц. Известны две симметричные частицы: фотон (световой квант) и нейтральный пи-мезон. У них нет античастиц, или, точнее, каждая из них совпадает со своей античастицей. У всех остальных известных ученым частиц есть «зеркальные отображения» — античастицы.
Мы знаем, что существуют постоянные магниты и электромагниты. В электромагните течет круговой ток; он и возбуждает магнитное поле. В постоянном магните обычных токов нет. В нем магнитное поле возбуждают атомы и даже отдельные электроны, которые ведут себя как маленькие магнитики. В немагнитном веществе эти магнитики направлены беспорядочно. При намагничивании все магнитики выстраиваются в одном направлении. То, что электрон ведет себя как магнит, проще всего объяснить тем, что он вращается, как волчок, вокруг своей оси. Ведь вращающийся заряд — все равно как круговой ток. Любое заряженное тело при вращении становится магнитом. Кстати, и многие другие свойства электрона объяснимы только тем, что он вращается вокруг своей оси.
Но электрон нельзя считать телом с определенными размерами и определенной формой. Вращение электрона вокруг своей оси совсем не то же самое, что вращение тела с определенными размерами и формой.
Для этого свойства электрона придумали специальное название — «спин». Спином обладают также протоны, нейтроны и многие другие из элементарных частиц. Такую частицу следует представлять себе как волчок, который может вращаться вокруг своей оси по часовой стрелке или против ее направления (рис. 12). Но есть частицы и не обладающие спином. Таковы, например, пи-мезоны.
Ученые долго спорили о природе света. Великий Ньютон считал, что свет — Поток быстрых частиц, а его современник Гюйгенс, что это распространение волн. Более двух столетий большинство ученых были уверены, что Ньютон ошибся. Была создана электромагнитная теория света, и она блестяще подтвердилась опытами. По этой теории свет — это колебательные изменения силы электрических и магнитных полей, распространяющиеся в пространстве подобно волне. Такая же природа и у радиоволн, они отличаются от света лишь тем, что их колебания происходят в миллиарды раз медленнее.
Но когда стали внимательно изучать взаимодействие света с веществом, оказалось, что световая энергия может испускаться или поглощаться только определенными порциями — квантами. Так родилась новая, квантовая физика. Сначала думали, что квант — это как бы «атом энергии». Но затем выяснилось, что это не атом энергии, а частица света. Создатель теории относительности великий Эйнштейн установил, что свет — сложное явление, что он одновременно и электромагнитные волны, и поток частиц (световых квантов, или, как их назвали, фотонов). Можно, не делая никакой ошибки, рассматривать свет просто как поток фотонов, но следует помнить, что эти световые частицы обладают волновыми свойствами.
В дальнейшем квантовая физика установила, что не только фотоны, но и все остальные частицы также обладают волновыми свойствами. Замечательные опыты с дифракцией электронов убедительно доказали, что поток электронов в определенных условиях ведет себя как волна. Из квантовой механики — основы современной теоретической физики — следует, что всякая частица обладает волновыми свойствами. Фотон в этом смысле вовсе не исключение.
Особенно наглядно это свойство проявляется при столкновении частиц, из которых одна обладает очень большой энергией. Такие столкновения удобно изучать на специальных фотопластинках с толстым слоем эмульсии. Когда заряженная частица попадает в этот слой, она действует на него так же, как световой луч. В эмульсии после проявления виден след (или, как его называют, «трек») частицы. Можно поместить пластинку в поток частиц,идущих из мощного ускорителя, или поднять ее на большую высоту в поток космических лучей. В обоих случаях в эмульсии после проявления обнаруживаются «звезды» — пучки следов, исходящих из одной точки. В такой точке частица с очень большой энергией столкнулась с ядром одного из атомов эмульсии. Из места столкновения вылетело множество частиц, иногда вылетает несколько десятков.
Подробное исследование их следов показывает, что только немногие из этих частиц могут быть осколками разбитого атомного ядра. Большинство лучей «звезды» — это следы мезонов, частиц, которые мы наблюдаем только при столкновении частиц с высокой энергией. Они «живут» ничтожные доли секунды, а затем распадаются, претерпевая сложные превращения.
Когда частица космических лучей сталкивается в атмосфере с атомным ядром кислорода или другого газа, также происходит множественное рождение новых частиц. Рождающиеся частицы могут пройти в воздухе большой путь и, сталкиваясь с ядрами других атомов, размножаются в очень большом количестве. Получается широкий «ливень» быстрых заряженных частиц, и все они — «потомки» одной первичной частицы, передавшей им свою энергию. Подсчитав мощность ливня, можно определить энергию первичной частицы. Ученым удавалось наблюдать ливни, у которых энергия первичной частицы должна была быть в миллиарды раз больше, чем у частиц, получаемых в самых мощных ускорителях.
Самое важное и замечательное свойство элементарных частиц это способность к превращениям. Раньше думали, что превращаться могут только сложные частицы, состоящие из более простых. Но опыт показал, что к взаимным превращениям способно большинство элементарных частиц. Мы знаем, что атомы построены из трех видов таких частиц: электронов, протонов и нейтронов. Если эти частицы не включены в атом, а находятся в свободном состоянии, устойчивыми будут только протоны и электроны. Свободный нейтрон самопроизвольно распадается на протон и электрон. При этом возникает еще одна неуловимая частица, но о ней мы расскажем потом.
В большом количестве нейтронов один распадается раньше, другой — позже, но в среднем свободный нейтрон может «прожить» только около четверти часа.
В мире элементарных частиц такое время «жизни» можно считать очень продолжительным. Другие элементарные частицы распадаются в миллионы и миллиарды раз быстрее.
Итак, свободный протон устойчив, а свободный нейтрон распадается на протон и электрон. Казалось бы, можно сделать вывод, что нейтрон не элементарная частица, что он состоит из протонов и электронов. Оказывается, ничего подобного. Когда нейтроны и протоны связаны в атомных ядрах, устойчивость этих частиц изменяется. При определенных соотношениях между числом протонов и числом нейтронов ядро устойчиво: ни протоны, ни нейтроны не распадаются. Но если в такое устойчивое ядро добавить лишние нейтроны, оно станет неустойчивым (радиоактивным). Лишние нейтроны распадаются в ядре так же, как и свободные нейтроны,— на протон и электрон. Но вот что самое удивительное: если добавить в устойчивое ядро протоны, оно также перестает быть устойчивым. В таком ядре распадаются лишние протоны! Связанный, но лишний протон распадается на нейтрон и частицу, подобную электрону, но только с положительным электрическим зарядом. Эту частицу назвали позитроном. Распад нейтронов или протонов с испусканием электронов или позитронов называют бета-распадом. Это одна из разновидностей радиоактивного распада.
Все разнообразие новых необычных элементарных частиц можно получить при столкновениях самых обыкновенных внутриатомных частиц, если только они разогнаны предварительно до высокой энергии. Такой разгон достигается в особых установках — ускорителях. Современный ускоритель — громадное и сложное сооружение, одно из подлинных чудес техники. Заряженные частицы получают в нем энергию от радиоволн или переменных токов высокой частоты и большой мощности. Чтобы частица при этом не сбилась с пути, ее надо ограничить определенным направлением, как поезд рельсами. Для этого используют сильный магнит. Он создает в пространстве магнитное поле, которое и выполняет роль рельсов, направляющих ускоряемые частицы по определенному пути.
Магнитное поле удобно представлять себе состоящим из силовых линий, которые, подобно нитям, натянуты между полюсами магнита. Когда заряженная частица пролетает через магнитное поле, оно не разгоняет и не замедляет ее, но непрерывно изгибает ее путь. Если никакие другие силы не действуют, частица огибает силовые линии магнитного поля по окружности.
Переменным электрическим напряжением высокой частоты можно «подталкивать» частицу в такт с ее вращением. Тогда переменное электрическое поле будет передавать свою энергию частице и ее движение будет ускоряться. На этом принципе построен круговой циклический ускоритель — циклотрон.
Энергия движущейся частицы зависит от ее массы и скорости. Пока скорость мала в сравнении со скоростью света, масса частицы постоянна и энергия, передаваемая частице, расходуется на увеличение скорости, а масса почти не меняется. Частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, называются релятивистскими, т. е. «относительностными». Такое название означает, что их движение происходит по законам, выведенным теорией относительности. Передачу энергии релятивистским частицам условно называют «ускорением частиц», хотя в действительности при этом скорость почти не возрастает, а растет масса частицы.
Тела, которые кажутся нам сплошными, на самом деле состоят из мельчайших частиц — молекул. Наука установила, что молекулы состоят из еще более мелких частиц — атомов. Химическими средствами — сжиганием, действием кислот, щелочей и т. п.— можно только изменить сочетание атомов в молекуле, но нельзя ничего сделать с самими
атомами. Поэтому с точки зрения химиков атомы — это простейшие частицы вещества. Вещества, построенные только из одного вида атомов, химия так и называет простыми веществами или элементами. Сейчас известны 104 элемента. Столько же и разных видов атомов, отличающихся химическими свойствами.
Само название «атом» означает по-гречески «неделимый». Но с развитием науки атомы потеряли право считаться простейшими частицами вещества. В своем победном шествии атомная и ядерная физика разложила атом и его ядро на более простые составные части — на элементарные частицы.
Изучение элементарных частиц вышло из ведения химии и стало одним из важнейших разделов современной физики.