Значение этих элементарных частиц в жизни людей трудно переоценить не только потому, что они определяют ход химических реакций, без которых жизнь была бы невозможна. Движение электронов в проводящих веществах под воздействием разницы потенциалов — электрический ток — технологическая основа современной цивилизации.
Эти же элементарные частицы способны донести до нас вести из глубин Вселенной: электромагнитное излучение, рождаемое при движении электронов в магнитном поле, называется синхротронным. Синхротронное излучение, приходящее от остатков сверхновых, пульсаров, активных ядер галактик или квазаров, несет информацию о процессах, протекающих в этих объектах.
Фотоны
Фотон — элементарная частица, переносящая электромагнитное взаимодействие, квант электромагнитного поля. Чаще всего фотонами называют частицы света, видимого человеческим глазом (длины волн от 3,5 до 6,5 микрон). Для обозначения переносчиков коротковолнового излучения (фотонов более высоких энергий) часто используют понятие «гамма-квант». В действительности термины «гамма-квант» и «фотон» — синонимы, их можно использовать применительно к кванту электромагнитного излучения с любой длиной волны. Макс Планк в 1900 году для объяснения свойств теплового излучения постулировал, что энергия электромагнитного поля излучается и поглощается отдельными порциями, квантами, а сам термин «фотон» предложил Гилберт Льюис в 1926 году. Свет состоит из фотонов. Электрическая лампочка мощностью в 100 Вт излучает примерно сто миллиардов миллиардов (1020) фотонов в секунду.
Основная функция фотонов в современной Вселенной — переносить энергию, которая выделяется в процессах, происходящих в звездах, активных ядрах галактик, квазарах и других «активных» объектах. Например, энергию, образующуюся в результате термоядерного синтеза в ядрах звезд, уносят фотоны и нейтрино, о которых будет рассказано чуть ниже. Эта энергия рассеивается в межзвездном и межгалактическом пространстве. Часть ее идет (за счет поглощения фотонов атомами) на нагрев планет у звезд с планетными системами, благодаря чему на некоторых из них могут (по крайней мере в теории) возникнуть условия для зарождения жизни. Единственная известная нам сейчас планета, на которой жизнь действительно возникла, — это наша Земля. Все попытки обнаружить внеземную жизнь, хотя бы и неразумную, пока ни к чему не привели — может быть, к сожалению, а может быть, к счастью.
Для нас, людей, фотоны служат одним из самых мощных инструментов познания окружающего мира: 90 % информации, получаемой нами, поступает через органы зрения — глаза. Наши представления о Вселенной почти полностью сформированы наблюдением и исследованием электромагнитного излучения, поступающего из космоса. До середины XVII века, когда Галилео Галилей первым догадался направить на небо подзорную трубу, небесные объекты изучали с помощью глаз. Но и этот простой способ позволил прийти к гелиоцентрической модели мира. Наблюдение неба с помощью фотонов, регистрируемых оптическими телескопами, привело к настоящей революции: к середине XX века стала известна крупномасштабная структура Вселенной, а также природа планет и звезд. Сейчас астрономы изучают космос практически во всех диапазонах длин электромагнитных волн, от радиоволн до гамма-излучения. Вместе с тем бурно развиваются и «нефотонные» методы — регистрация протонов и легких ядер, входящих в состав космических лучей, а также нейтрино.
Нейтрино
История этой частицы началась 4 декабря 1930 года, когда великий Вольфганг Паули в письме участникам физического семинара в немецком городе Тюбингене с горечью написал: «Я сделал сегодня что-то ужасное. Физику-теоретику никогда не следует делать ничего подобного. Я ввел в теорию нечто, что никогда не сможет быть проверено экспериментально». Речь шла о гипотетической в то время частице, название для которой появилось только спустя два года. Крестным отцом стал итальянский физик Энрико Ферми. Он предложил назвать электрически нейтральную безмассовую частицу «маленькое нейтральное», или, по-итальянски, «neutrino». Паули же сокрушался потому, что в отчаянной попытке спасти закон сохранения энергии он был вынужден нарушить основополагающий научный принцип, предложенный в XIV веке Уильямом Оккамом: «Entia non sunt multiplicianda praeter necessitatern» («Сущности не следует умножать без необходимости»). Но у Паули не было другого выхода. Впрочем, давайте по порядку.
В 1914 году английский физик Джеймс Чедвик обнаружил, что электроны, испускаемые при Р-распаде атомных ядер, имеют непрерывный энергетический спектр. Другими словами, при измерении энергии электронов, родившихся в разных распадах, каждый раз получался разный результат. Суть р-распада состоит в том, что атомные ядра самопроизвольно испускают отрицательные электроны (е), при этом нейтрон превращается в протон и заряд ядра увеличивается на единицу: Z — > (Z+1) + е.
Предполагая, что распадающееся ядро находится в покое (то есть имеет нулевой импульс), и исходя из законов сохранения импульса и энергии, можно было ожидать, что образовавшееся при распаде ядро и электрон всегда вылетают в диаметрально противоположных направлениях с равным абсолютным значением импульса. Следовательно, энергия электрона всегда одна и та же. Эксперимент же показывал другое. Радикально мыслящий Нильс Бор предположил, что в p-распаде не соблюдается закон сохранения энергии. Более осторожный Паули предложил гипотезу, в соответствии с которой вместе с электроном из ядра вылетает еще одна частица, уносящая часть энергии. Экспериментаторы не видят ее, поскольку она электрически нейтральна и очень слабо взаимодействует с веществом. Ее-то и окрестили нейтрино v.
Закон сохранения энергии оказался спасенным, но взамен пришлось мириться с существованием гипотетической слабовзаимодействующей частицы, которую никто не надеялся обнаружить экспериментально. Однако уже через 26 лет предположение Паули подтвердилось. В экспериментах на атомных реакторах, проведенных в 1953–1956 годах, группа американского физика Фредерика Рейнеса надежно зарегистрировала нейтрино.
Вселенная наполнена нейтрино. На каждый нуклон их приходится около миллиарда. Вероятность взаимодействия с веществом для них чрезвычайно мала — почти все нейтрино, рожденные в центре Солнца, проходят до его поверхности и затем сквозь Землю, не испытывая взаимодействия. Поэтому эксперименты по обнаружению нейтрино очень сложны.
С одной стороны, нейтрино почти не определяют свойств нашего мира. С другой стороны, именно эти частицы несут информацию, которую другим путем получить невозможно. Протоны электрически заряжены, траекторию их полета искривляют галактические и межгалактические магнитные поля; в результате невозможно определить объект, в котором они были ускорены. Нейтроны в свободном состоянии подвержены распаду и «не доживают» до Земли, если рождены в удаленных объектах. Хотя у-кванты стабильны и нейтральны, их поглощает межзвездная среда. Только стабильные, электрически нейтральные и слабовзаимодействующие нейтрино проходят расстояния в миллиарды световых лет или пробиваются из ядра Солнца, не изменяя своих свойств и храня информацию о физических условиях, в которых они образовались. Загадка происхождения космических лучей сверхвысоких энергий, подтверждение модели взрыва сверхновых звезд, изучение механизма термоядерного горения в ядре Солнца — эти и многие другие физические проблемы решены или решаются именно посредством детектирования нейтрино в сложнейших экспериментах. Рассказ об этих экспериментах и о том, что физики узнали и еще надеются узнать с их помощью, — в следующих статьях нашего цикла.
Другие известные частицы
Как мы уже говорили, помимо стабильных частиц есть короткоживущие, время жизни которых — от 10-22 до 10-6 секунды: мюоны, τ-лептоны, π-мезоны, К-мезоны, Ω- и ρ-гипероны и многие другие. Они рождаются в столкновениях стабильных частиц — например, в столкновениях протонов космических лучей с атомами земной атмосферы — и распадаются на другие стабильные частицы. Изучение коротко-живущих частиц привело ко многим серьезным открытиям, но существенной роли в жизни нашего мира они не играют именно в силу своей нестабильности.
