Нейтрино - призрачная частица атома - Айзек Азимов

Для проверки гипотезы Ли и Янга нужно было произвести эксперимент, результат которого зависел бы от того, сохраняется четность или нет (аналогично тому, как шестью годами позже возникла необходимость в связи с различием между электронными и мюонными нейтрино для проверки справедливости закона сохранения электронного и мюонного чисел).

Рис. 10. Отличие правого от левого.

Предложенный экспериментальный метод был основан на возможности отличить правое от левого (рис. 10), которая зависит от того, совпадает или не совпадает предмет со своим зеркальным изображением. Ваша левая рука, отраженная в зеркале, похожа на правую, а зеркальное изображение правой руки похоже на левую. Но ни одна из рук не похожа на свое зеркальное изображение из-за того, что большой палец находится только на одной стороне руки и делает ее несимметричной. Именно поэтому можно говорить о «левой» руке и о «правой» руке. Если бы на ваших руках большие пальцы были с обеих сторон, то каждая рука совпадала бы со своим зеркальным изображением и правое нельзя было бы отличить от левого.

Можно показать, что если пространственная четность сохраняется, в мире субатомных частиц нельзя отличить правое от левого, т. е. не существует ни «правых» ни «левых» частиц и все частицы ведут себя совершенно симметрично. Если бы они распадались и испускали частицы, последние разлетались бы во всех направлениях одинаково. Если же четность не сохраняется, должны существовать левые и правые частицы, причем первые при распаде должны были бы испускать частицы преимущественно в одном направлении, а вторые — в противоположном.

Необходимый эксперимент был проведен другим китайским физиком, работающим в США, мадам Цзянь сюн By. Атомы, излучающие β-частицы (посредством слабого взаимодействия), охлаждались до температуры, близкой к абсолютному нулю, и помещались в магнитное поле. Поле выстраивало все атомы в одном направлении, а из-за низкой температуры им не хватало энергии, чтобы изменить это направление. За сорок восемь часов эксперимент дал ответ: электроны испускаются асимметрично, в слабых взаимодействиях пространственная четность не сохраняется, а θ-мезон и τ-мезон — одна и та же частица, которая в одних случаях распадается на нечетную группу мезонов, а в других — на четную [22]. Вскоре и другие эксперименты подтвердили несохранение пространственной четности, по крайней мере в слабых взаимодействиях, а в 1959 году американский физик Морис Голдхабер доказал, что нейтрино и электроны — «левые» частицы, а антинейтрино и позитроны — «правые».

Но эксперименты не дали ответ на многие вопросы. Почему частицы такие? Почему нейтрино, которое участвует только в слабых взаимодействиях, бывает «правым» или «левым»? Что является причиной этой асимметрии и почему она существует в слабых взаимодействиях и не существует в сильных?

Как видите, успехи физиков приводят не только к решению проблем, но и задают им новые загадки. Почему протон в 1836,11 раз тяжелее электрона? Почему электронов гораздо больше, чем позитронов? Почему мюон в 207 раз тяжелее электрона, а во всем остальном похож на него?

Чем же различаются нейтрино мюонного типа и нейтрино электронного типа, если их масса, заряд и спин одинаковы?

Почему частицы симметричны в сильных взаимодействиях и асимметричны в слабых?

Ни на один из перечисленных вопросов до сих пор нет ответа. Но я не сожалею, что должен закончить рассказ о нейтрино вопросами. Что это была бы за наука без загадок, которые вдохновляют и возбуждают ученого? И откуда придут великие и волнующие открытия, если не из этих же самых загадок?

Загадки Вселенной существуют и, вероятно, будут существовать всегда. Полного и окончательного ответа мы, может, так никогда и не получим. Но с каждым поколением загадки становятся все более утонченными, а игра все более стоящей и восхитительной.

Гравитон

Хотя мой рассказ о нейтрино окончен, я должен добавить несколько слов, так сказать, постскриптум.

Вы наверное думаете, что нет ничего более призрачного, чем невесомое, незаряженное нейтрино, которое свободно проходит сквозь огромные толщи твердого вещества. Кажется, невозможно превзойти изобретательность ученых, которые предсказали существование такой частицы, а затем не просто обнаружили ее, а нашли четыре разновидности неуловимой частицы.

Однако существует в природе частица еще более призрачная, чем нейтрино. Физикам известны четыре типа полей: 1) сильные взаимодействия, 2) электромагнитные взаимодействия, 3) слабые взаимодействия и 4) гравитационные взаимодействия. Первые три взаимодействия связаны с обменными силами и обменными частицами. Для первого взаимодействия такой частицей является пион, для второго — фотон, а для третьего w-частица.

А что можно сказать о гравитационном взаимодействии? Если это поле, оно тоже должно обладать частицами, посредством которых его влияние распространяется от одного тела к другому, а поскольку гравитация, подобно электромагнетизму, представляет собой дальнодействующее взаимодействие, его обменные частицы в отличие от пиона и w-частицы должны иметь нулевую массу подобно фотону.

Гравитационная обменная частица, подобно фотону, должна быть лептоном, она электрически нейтральна и совпадает со своей античастицей. Единственное отличие этой частицы от фотона должно заключаться в спине. Из теоретических соображений физики предполагают, что ее спин равен +2 или -2, тогда как спин фотона +1 и -1 (другие лептоны и барионы большей частью имеют спины +1/2 или -1/2, а спин мезонов равен 0). Частице гравитационного поля физики дали имя гравитон. Видимые тела оказывают друг на друга гравитационное действие посредством непрерывного излучения и поглощения огромного количества гравитонов.

Однако гравитоны до сих пор не обнаружены. Прежде всего, если они вообще существуют, они обладают чрезвычайно малой энергией (если принять во внимание необычайную слабость гравитационного взаимодействия). Гравитоны большой энергии, которые можно было бы обнаружить, вероятно, возникают, например, при быстром колебательном движении звезды. Звездные катастрофы не редки, звезды взрываются и коллапсируют, огромные массы вещества извергаются наружу и устремляются внутрь звезды (или даже попеременно наружу и внутрь в случае пульсирующих звезд), но центр тяжести звезды остается неподвижным. Отдельные части звезды движутся быстро, но звезда как целое неподвижна, а без движения всего тела энергия гравитонов не возрастает.

Неужели, наконец, физики столкнулись с непреодолимым барьером, встретились с частицей, которую невозможно обнаружить?

Вряд ли кто-нибудь отважится предсказать подобное, принимая во внимание последние достижения науки. Вряд ли кто-нибудь отважится утверждать, что в науке невозможен и такой подвиг.

А пока будем надеяться, что ученые создадут методы регистрации гравитонов. Подождем и посмотрим.

Послесловие

А. А. Поманский

Понятие нейтрино охватывает в настоящее время одну из наиболее интересных и сложных областей современной физики и нейтринной астрофизики. Экспериментальные установки, предназначенные для исследований в этих областях, настолько грандиозны по размерам, сложны по управлению и уникальны по чувствительности, что само их создание находится на грани достижений современной науки и техники.

Идеи, заложенные в основополагающих работах советских физиков академиков М.А.Маркова и Б.М.Понтекорво, начали интенсивно претворяться в жизнь в самые последние годы. Причем информация, которая должна быть получена в результате проведения этих экспериментов, настолько фундаментальна и важна для современной физики и астрофизики, что не приходится считаться с большими затратами, необходимыми для создания экспериментальных установок. Физики не жалеют тратить многие годы, а порой и десятилетия для получения этой информации.

Понятно, что каждую книгу и научную статью о нейтрино (а число их год от года растет) читатели встречают с большим интересом. С таким чувством читатели раскроют и книгу Айзека Азимова — замечательного писателя-фантаста и известного популяризатора науки. Однако по мере чтения читателя охватывает некоторое недоумение и даже разочарование: проходит четверть книги, треть, половина, а о нейтрино пока еще, за исключением заглавия и нескольких вводных слов, ничего не сказано. И хотя автор логично «оправдывается» в подстрочном примечании 16, говоря, что ему нужно было подвести читателя к нейтрино, рассказав про законы сохранения, строение атома, радиоактивный распад и другие характерные для микромира явления, тем не менее у читателя остается некоторая неудовлетворенность, тем более что изложение соответствующих вопросов подчас не обладает достаточной научной строгостью. В качестве примера укажем на неоднократно повторяющееся утверждение, что фотоны — это лептоны. Хотя Азимов и говорит, что логично фотону не приписывать лептонное число, далее он опять несколько раз повторяет, что фотон — это лептон. Первая половина книги Азимова кажется тем более лишней, что советский читатель увидел недавно во втором издании замечательную книгу ныне покойного член-корр. АН СССР К.И.Щелкина «Физика микромира», в которой соответствующие вопросы изложены на исключительно высоком научном уровне, сочетающемся с занимательностью, простотой и наглядностью изложения.