Поиски вечной, неизменной, изначальной материн — первоматерии, из комбинаций элементов которой состоят все тела, начались, как и поиски золотого руна, в героическом прошлом человечества. Это оказалось более сложным делом, чем выполнить просьбу Язона, так что поиски продолжаются и по настоящее время. Самым древним из известных героев на этом поприще является Фалес Милетский, вероятно поэтому получивший прозвище Отца Философии. Он рассуждал о единстве и множественности; говорят, он полагал, что все состоит из одной субстанции — воды. Его современник Анаксимен, который также был родом из Милета, считал, что такой субстанцией является не вода, а воздух. Гераклит же отдавал предпочтение огню. Парменид из Элеи отрицал воду, воздух и огонь, более того, он отрицал даже возможность изменений. Он постулировал, что основу Вселенной составляет бытие (которое он представлял, как конкретную субстанцию), и предполагал, что все сущее образует бытие, которое не может изменяться. Учение о неизменном и вечном бытии породило среди ученых кризис, так как было не ясно, как представлять себе движение, если ничто не может изменяться; в результате этого кризиса ученые следующего поколения разбились на два лагеря. (Возможно, Зенон выдвинул свои парадоксы, чтобы продемонстрировать обманчивую природу движения.)

Примерно через 80 лет Демокрит, пытаясь примирить идеи Парменида с тем очевидным фактом, что изменения действительно происходят, разбил все бытие на отдельные элементы, или атомы, каждый из которых является неделимым и неизменным. Он утверждал, что помимо бытия существует ничто и что это ничто разделяет атомы. (Бытие есть то, что заполнено атомами, а ничто — это пустота.) Пустота представляла собой пространство, в котором движутся атомы. Атомы Демокрита находились в вечном движении; они не могли сливаться друг с другом, как не могли создаваться и разрушаться, но могли только изменять свое положение. По мнению Демокрита, такие свойства атомов объясняли все изменения, какие мы наблюдаем. Таким образом, он предполагал (возможно, впервые), что вес наблюдаемое нами является следствием перегруппировок атомов.

Именно из конфигураций и комбинаций ограниченного числа таки х атомов был построен мир Эпикура, Лукреция и Гассенди. Ньютону эти фундаментальные атомы представлялись как твердые, массивные и неделимые частицы:

«При размышлении о всех этих вещах мне кажется вероятии, что Бог вначале дал материн форму твердых массивных, непроницаемых, подвижных частиц… Эти первоначальные частицы, являясь твердыми, несравнимо тверже, чем всякое пористое тело, составленное из них, настолько тверже, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются в куски. Никакая обычная сила не способна разделить то, что создал сам Бог при первом творении… Если бы они изнашивались или разбивались на куски, то природа вещей, зависящая от них, изменялась бы. Вода и земля, составленные из старых изношенных частиц и их обломков, не имели бы той же природы и строения теперь, как вода и земля, составленные из целых частиц вначале».

1

Считалось, что комбинации этих атомов каким-то (не очень точно определенным или выясненным) образом составляют всю наблюдаемую нами материю. Химики девятнадцатого столетия внесли изменение в понятие атома. Они назвали атомами те элементы, составные части материи, число которых в настоящее время стало равно 105. Свойства этих атомов в достаточной мере фундаментальны с точки зрения классификации веществ, но, как признается всеми в настоящее время, атомы на самом деле — сложные системы, состоящие из более элементарных объектов.

Открытие электрона и появление ядерной модели атома в начале двадцатого века составили первый список таких элементарных объектов: электрон, фотон, протон (ядро атома водорода); однако было неясно, к чему отнести несколько сотен других ядер (фиг. 281).

Открытие нейтрона, сделанное Чэдвиком в 1932 г., позволило, по крайней мере в принципе, создать модели всех атомных ядер в виде комбинаций протонов и нейтронов: ядро водорода—один протон, ядро дейтерия — протон и нейтрон, ядро гелия — два протона и два нейтрона и т. д., ядро урана — 92 протона и 146 нейтронов. Было признано, что для образования атома нужно окружить ядро электронами, которые ведут себя в соответствии с теорией Бора или квантовой механикой. Это привело к замечательной унификации всех 92 химических элементов, искусственных элементов и всех изотопов, которые перестали теперь быть элементарными объектами, а превратились в системы, состоящие из довольно простых составных частей — протонов, нейтронов и электронов.

2

Нейтрон, правда, не является полностью устойчивым объектом: в пустом пространстве он после примерно 15 мин распадается на протон, электрон и новую частицу — нейтрино (масса 0, заряд 0, спин 1/2), введенную для спасения законов сохранения энергии и импульса. Таким образом, к 1933 г. список элементарных частиц можно было представить так, как показано на фиг. 282. Теперь таких частиц было шесть, и, хотя нейтрон не был стабильной частицей, из них можно было построить по крайней мере качественную картину наблюдаемого мира.

В каком смысле их можно было считать частицами? Никто не считал, что они обладают свойствами частиц Ньютона или Декарта, так как в атомных масштабах оказалось невозможным проследить за их движением по определенным орбитам, которые были бы аналогичны орбитам планет. Они являются частицами, в частности, в том смысле, что переносят определенные свойства, которые невозможно ни разобщить, ни разделить. Так, например, электрон несет массу m порядка 10-27 г, заряд, примерно равный 10-10 эл. -ст. ед., спин 1/2 и т. д., и эти величины нельзя отделить друг от друга. Заряд невозможно разобщить с массой; нельзя удалить спин из частицы, а также нельзя разделить ни заряд, пи массу на две части. Далее, этот объект посредством электрических, гравитационных и других сил взаимодействует с остальным миром в соответствии со строго определенными законами. Следовательно, мы можем сказать, что элементарные объекты— это определенные комбинации свойств (заряд, масса, спин и другие свойства, которые будут описаны ниже), соответствующие тем или иным объектам и переносимые всегда вместе.

3

Возможно, было бы приятнее, если бы мы могли считать такие элементарные объекты вечными, как любили полагать греки. (Как же можно считать объект фундаментальным, если он не живет вечно?) Было бы приятнее сохранить понятие «частиц», которые «не изнашиваются и не разбиваются на куски», однако, как станет очевидным позже, такое определение элементарных объектов крайне неудобно для описания результатов наших наблюдений. Например, атом гелия, состоящий из двух протонов, двух нейтронов и двух электронов, устойчив; сам по себе он может существовать вечно. Тем не менее вряд ли удобно рассматривать атом гелия в качестве элементарного объекта.

С другой стороны, нейтрон, который удобно считать элементарным объектом (хотя не исключено, что это и не так), живет всего лишь 15 мин. Как мы уже говорили, нейтрон сам по себе распадается на протон, электрон и нейтрино. Слово «распадается» является абсолютно новым понятием: начиная с двадцатых годов нашего столетия было установлено, что превращаться друг в друга1) могут не только атомы или ядра, но и объекты, которые иногда называются элементарными. Некоторые из них подобно нейтрону распадаются самопроизвольно.

1) Этот процесс более сложен, чем тс процессы, о которых мечтали древние алхимики; в принципе нет ничего абсурдного в попытках превращения свинца в золото, просто такой процесс невозможен при использовании химического горения.

Если бы удалось построить всю материю из этих частиц в соответствии с согласованной системой правил, то мы могли бы примириться с распадом нейтрона и сочли бы всю ситуацию вполне удовлетворительной. Однако после тридцатых годов, особенно в течение пятидесятых и шестидесятых годов, число созданных и открытых так называемых элементарных объектов росло с катастрофической быстротой. Так что теперь, в зависимости от принятой классификации, можно говорить о 30, 50 или даже о сотне таких частиц. Каждой из них соответствуют определенные масса, заряд, спин и т. д. Многие из них имеют малые времена жизни, порядка миллионных долей секунды2).

2) Эти времена, будучи малыми в обычных масштабах, сравнительно велики в масштабах ядра.

Однако стабильность сама по себе не может служить критерием для классификации элементарных частиц. Они рождаются при столкновениях ядер, обладающих достаточной энергией; затем они распадаются на другие частицы, которые в свою очередь тоже распадаются. Вероятно, можно утверждать, что материя, известная нам, каким-то образом состоит из этих объектов, но каким именно образом — пока неизвестно. Считать, что все эти объекты являются элементарными, по меньшей мере неэстетично; было бы лучше представлять все эти объекты как различные проявления некоего более глубокого свойства или считать их состоящими из более фундаментальных объектов. Можно ли так сделать или нет, неизвестно; более того, неизвестно даже, окажется ли плодотворным само понятие элементарных объектов, или элементарных частиц. Именно этот вопрос является в настоящее время главным вопросом, над решением которого работают многие физики.

Можно считать, что протоны и нейтроны в некотором смысле являются элементарными объектами. Однако, если взглянуть на разнообразие других частиц, возникающих при столкновении двух энергичных протонов (фиг. 283), то может возникнуть подозрение, что сами протоны являются сложными конгломератами различных частиц. Смысл обозначений на фиг. 283, методы получения и наблюдения этих частиц и современные попытки их классификации — это будет предметом следующих глав.