У цьому розділі мова піде про первинних, нерозкладних далі частинках, з яких побудована вся матерія. ТРИ ЕТАПУ У РОЗВИТКУ ФІЗИКИ елементарних частинок Ви вже більш-менш знайомі з електроном, фотоном, протоном і нейтроном. Але що ж таке елементарна частинка? Етап перший. Від електрона до позитрона: 1897-1932 рр. (Елементарні частинки - «атоми Демокрита» на більш глибокому рівні.) Коли грецький фізик Демокріт назвав найпростіші нероздільне далі частинки атомами (слово атом, нагадаємо, означає «неподільний»), то йому, ймовірно, все уявлялося в принципі не дуже складним. Різні предмети, рослини, тварини складаються з неподільних, незмінних частинок. Перетворення, які спостерігаються в світі, - це проста перестановка атомів. Все в світі тече, все змінюється, крім самих атомів, які залишаються незмінними. Але в кінці XIX століття було відкрито складну будову атомів і був виділений електрон як складова частина атома. Потім, уже в XX столітті, були відкриті протон і нейтрон - частинки, що входять до складу атомного ядра. Спочатку на всі ці частинки дивилися точно так, як Демокріт дивився на атоми: їх вважали неподільними і незмінними початковими сутностями, основними цеглинками світобудови. Етап другий. Від позитрона до кварків: 1932-1964 рр. (Всі елементарні частинки перетворюються один в одного.) Ситуація привабливою ясності тривала недовго. Все виявилося набагато складніше: як з'ясувалося, незмінних частинок немає зовсім. У самому слові елементарна полягає двоякий сенс. З одного боку, елементарний - це само собою зрозумілий, простий. З іншого боку, під елементарним розуміється щось фундаментальне, що лежить в основі речей (саме в цьому сенсі зараз і називають субатомні частіци1 елементарними). Вважати відомі зараз елементарні частинки подібними незмінним атомам Демокрита заважає наступний простий факт. Жодна з часток не безсмертна. Більшість частинок, званих зараз елементарними, не може прожити більше двох мільйонних часток секунди, навіть за відсутності будь-якого впливу ззовні. Вільний нейтрон (нейтрон, що знаходиться поза атомного ядра) живе в середньому 15 хв. Субатомні частинки - частки, з яких складаються атоми. Лише частки фотон, електрон, протон і нейтрино зберігали б свою незмінність, якби кожна з них була одна в цілому світі (нейтрино позбавлене електричного заряду, і його маса спокою, мабуть, дорівнює нулю). Але у електронів і протонів є найнебезпечніші побратими - позитрони і антипротона, при зіткненні з якими відбувається взаємне знищення цих частинок і утворення нових. Фотон, випущений настільною лампою, живе не більше Ю-8 с. Це той час, який йому потрібно, щоб досягти сторінки книги і поглинути папером. Лише нейтрино майже безсмертні, так як вони надзвичайно слабо взаємодіють з іншими частинками. Однак і нейтрино гинуть при зіткненні з іншими частинками, хоча такі зіткнення трапляються вкрай рідко. Отже, у вічному прагненні до відшукання незмінного в нашому мінливому світі вчені виявилися не на «гранітному підставі», а на «хиткому піску». Всі елементарні частинки перетворюються один в одного, і ці взаємні перетворення - головний факт їх існування. Перетворення елементарних частинок вчені спостерігали при зіткненнях частинок високих енергій. Уявлення про незмінність елементарних частинок виявилися неспроможними. Але ідея про їх неразложимости збереглася. Елементарні частинки вже далі неподільні, але вони невичерпні за своїми властивостями. Ось що змушує так думати. Нехай у нас виникло природне бажання досліджувати, чи перебуває, наприклад, електрон з будь-яких інших субелементарних частинок '. Що потрібно зробити для того, щоб спробувати розчленувати електрон? Можна придумати тільки один спосіб. Це той же спосіб, до якого вдається дитина, якщо він хоче дізнатися, що знаходиться всередині пластмасової іграшки, - сильний удар. Зрозуміло, по електрону можна вдарити молотком. Для цього можна скористатися іншим електроном, що летять з величезною швидкістю, або будь-якої іншої, що рухається з великою швидкістю елементарною частинкою. Сучасні прискорювачі повідомляють заряджених частинок швидкості, дуже близькі до швидкості світла. Що ж відбувається при зіткненні частинок надвисокої енергії? Вони аж ніяк не дробляться на щось таке, що можна було б назвати їх складовими частинами. Ні, вони народжують нові частинки з числа тих, які вже фігурують в списку елементарних частинок. Чим більше енергія частинок, що стикаються, тим більша кількість, і до того ж більш важких, часток народжується. Це можливо 'Маю на увазі частки, з яких складалися б відомі зараз елементарні частинки. завдяки тому, що при збільшенні швидкості маса частинок зростає. Всього лише з однієї пари будь частинок із збільшеною масою можна в принципі отримати всі відомі на сьогоднішній день частки. На малюнку 269 ви бачите результат зіткнення ядра вуглецю, що мав енергію 60 млрд еВ (жирна верхня лінія), з ядром срібла фотоемульсії. Ядро розколюється на осколки, що розлітаються в різні боки. Одночасно народжується багато нових елементарних частинок - півоній. Подібні реакції при зіткненнях релятивістських ядер, отриманих в прискорювачі, вперше в світі здійснено в лабораторії високих енергій Об'єднаного інституту ядерних досліджень у м Дубні під керівництвом академіка А. М. Балдіні. Позбавлені електронної оболонки ядра були отримані шляхом іонізації атомів вуглецю лазерним променем. Можливо, звичайно, що при зіткненнях частинок з недоступною поки нам енергією будуть народжуватися і якісь нові, ще невідомі частинки. Але суті справи це не змінить. Народжувані при зіткненнях нові частинки ніяк не можна розглядати як складові частини частинок - «батьків». Адже «дочірні» частинки, якщо їх прискорити, можуть, не змінивши своєї природи, а тільки збільшивши масу, породити, в свою чергу, при зіткненнях відразу кілька таких же в точності частинок, якими були їхні «батьки», та ще й безліч інших частинок. Отже, за сучасними уявленнями, елементарні частинки - це первинні, нерозкладних далі частинки, з яких побудована вся матерія. Однак неподільність елементарних частинок не означає, що у них відсутня внутрішня структура. Етап третій. Від гіпотези про кварках (1964 г.) до наших днів. (.Більшість елементарних частинок має складну структуру.) У 60-і роки виникли сумніви в тому, що всі частинки, звані зараз елементарними, повністю виправдовують цю назву. Підстава для сумнівів просте: цих частинок дуже багато. Відкриття нової елементарної частинки завжди становило і зараз становить видатний тріумф науки. Але вже досить давно до кожного чергового тріумфу початку домішуватися частка занепокоєння. Тріумфи стали слідувати буквально один за одним. Була відкрита група так званих дивних часток: Л "-мезонів і гіперонів з масами, що перевищують масу нуклонів. У 70-ті роки до них додалася велика група часток з ще більшими масами, названих зачарованими. Крім того, були від криті короткоживучі частинки з часом життя близько 10 22- Ю-23 с. Ці частинки були названі резонансами, і їх число перевалило за двісті. Ось тоді-то (в 1964 р) М. Гелл-Манноне і Дж. Цвейг була запропонована модель, згідно з якою всі частинки , які беруть участь в сильних (ядерних) взаємодіях, - адрони1 - побудовані з олее фундаментальних (або первинних) часток - кварків. 2 1 Кварки мають дробовий електричний заряд + -у е і - -у е. Протони і нейтрони складаються з трьох кварків. В даний час в реальності кварків ніхто не сумнівається, хоча у вільному стані вони не виявлені і, ймовірно, не будуть виявлені ніколи. Існування кварків доводять досліди з розсіювання електронів дуже високої енергії на протонах і нейтронах. Число різних кварків одно шести. Кварки, наскільки зараз відомо, позбавлені внутрішньої структури і в цьому сенсі можуть вважатися істинно елементарними. Легкі частинки, що не беруть участі в сильних взаємодіях, називаються лептонами. Їх теж шість, як і кварків (електрон, три види нейтрино і ще дві частки - мюон і тау-лептон з масами, значно більшими маси електрона). Кварки і лептони істинно елементарні частинки.