Наука и жизнь, 2000 № 02 - [24]

В открытии А. Беккереля одновременно проявились все три вида взаимодействий, пружины микромира, определяющие его интригу: α-распад — сильное, β-распад — слабое и γ-распад — электромагнитное взаимодействия. Мать-Природа, размышляя о подарке человечеству к новому столетию (почему-то она употребляет счет от Рождества Христова), была максимально щедра и подарила для умственной работы сразу все ключи от кладовых с источниками неживого и живого вещества. За этот век физики честно отработали подарок — узнали о всех взаимодействиях очень много. Для того чтобы понять, КАК они действуют, пришлось построить мощные ускорители и огромные детекторы элементарных частиц. Труднее всего достаются законы слабого взаимодействия. Будто Природа дразнит свое высшее создание: «Что, слабо?»

Солнце светит и греет за счет реакции слияния протонов в ядро дейтерия с испусканием позитрона и нейтрино. В ходе каждого акта реакции выделяется 2,2 МэВ энергии в виде излучения.

К 1930 году уже было обнаружено много ядер, способных самопроизвольно превращаться в близкие им по массе с излучением электрона, которым оказалась β-частица Беккереля. Тогда еще и структура ядра «не была» протонно-нейтронной (не был открыт нейтрон), и процесс β-распада в символах записывался так:

Я_p(m_p) —> Я_д(m_д) + e^-

Это означает, что процесс превращения родительского ядра Я_p с массой m_p в дочернее ядро Я_д с массой m_д сопровождается излучением электрона (хотя обычно употребляемое слово «распад» как бы подразумевает то, что дочернее ядро и электрон до распада содержались в родительском ядре; на самом деле ничего подобного нет: все дочерние частицы родились в процессе превращения). Физики не знали, почему распадается ядро, какие силы вынуждают к этому? Природа β-распада предоставляла поле исследования. Покоя не давал другой, казалось бы, более простой вопрос: КАК вообще (независимо от причин) природа допускает такой распад? Ведь измерение энергии вылетающих электронов показывало, что от распада к распаду величина этой энергии принимала различные значения, а незыблемые законы сохранения энергии и импульса предписывали иное: сколько бы распадов ядер определенного типа (никто не сомневался, что они все одинаковые) ни наблюдать, каждый раз энергия электронов должна быть одной и той же. Увидеть в процессе Я_p(m_p) —> Я_д(m_д) с изменяющейся от распада к распаду энергией электрона противоречие закону сохранения энергии-импульса несложно. Надо лишь применить к распаду эти законы, помня о том, что элементарные частицы подчиняются механике теории относительности:

1. Полная энергия свободной движущейся частицы Е равна сумме энергии этой частицы в покое Е₀ (по Эйнштейну, она полностью определяется массой частицы m и скоростью света в вакууме с: Е = mс²) и кинетической энергии движения Т:

Е = mс² + Т.

Для энергии и импульса частицы р в любой момент времени и в любой системе отсчета выполняется равенство

Е² — (рс)² = (mс²)².

Измеряя Е и р частицы в разных системах, мы обнаружим в системе «1» — E₁ и p₁ в системе «2» — и р_ог но разность квадратов всегда будет одна и та же. Это равенство, по существу, и есть определение массы частицы.

Вспомним законы сохранения энергии и импульса: «Каким бы ни было взаимодействие, суммарная энергия всех частиц ДО столкновения (или распада) равна суммарной энергии всех частиц, образовавшихся ПОСЛЕ столкновения (или распада). То же самое справедливо для суммарного импульса» (арифметические расчеты приведены на стр. 30). Из этого закона следуют три важных вывода.

1. Распад происходит только в том случае, если масса родительской частицы не меньше суммы масс продуктов распада. В случае «больше» продукты распада получат кинетическую энергию за счет энергии покоя (массы) родительской частицы.

2. Суммарная кинетическая энергия двух частиц постоянна, но при распределении этой энергии между двумя частицами почти вся кинетическая энергия достанется электрону, который в тысячи раз легче любого из ядер.

3. Если законы сохранения энергии и импульса выполняются в каждом акте распада на две частицы (для трех и более дочерних частиц это не так!), то и полные и кинетические энергии дочерних частиц не могут быть какими угодно. Они определяются только постоянными массами, и данное положение для нашего расследования наиболее важно. Сколько бы распадов ядер Я_p мы ни наблюдали, в каждом из них и дочернее ядро, и электрон унесут одни и те же энергии. Конечно, в реальном опыте измеренные от распада к распаду энергии электронов должны отличаться в пределах ошибки измерения, но это совсем другой (иногда очень драматический, но другой) сюжет.

Измерение электронной энергии в большом числе распадов одинаковых ядер обнаружило совсем не то, что ожидали увидеть физики. Электронный спектр β-распада (относительное число электронов с данной энергией) заполнил сплошь ВСЮ область энергий от нуля до максимально возможной энергии Δmс² и выглядел как плавная кривая с максимумом вместо ожидаемого для двухчастичного распада острого пика. Энергия электронов во всех случаях была меньше, чем предписано законами сохранения. Теперь, если не вступать в противоречие с логикой (а чему еще прикажете подчиняться физику?), приходилось признать, что либо над β-распадом законы сохранения не властны, либо в процессе распада энергия, грубо говоря, украдена. Именно украдена, потому что, если энергию, законно принадлежавшую электрону в двухчастичном распаде (еще раз напомним, что дочернее ядро не уносит заметной энергии), унесла какая-то дополнительная частица (или несколько частиц), она сделала это нелегально. Потому что все попытки обнаружить среди продуктов β-распада следы чего-либо, кроме дочернего ядра и электрона, дали отрицательный результат. В природе происходило то, что не должно происходить, если верить в строгое соблюдение законов сохранения энергии и импульса.