Розділ без назви (20)

Відповідь напрочуд проста. Якщо ви кинете у вантажівку, що їде на вас, зернятко попкорну, то навряд чи її зупините чи бодай розіб’єте вікно. Це через те, що попкорн, навіть якщо кинути його з великою енергією, несе маленький імпульс, оскільки важить мало. Щоб зупинити вантажівку, треба сильно змінити її імпульс, оскільки, навіть рухаючись повільно, вона залишається важкою. Щоб зупинити вантажівку чи збити з неї великий предмет, треба кидати велику каменюку.

Аналогічно, щоб вибити з парафіну важку частинку на кшталт протона, гамма-промінь, який складається з безмасових фотонів, повинен нести дуже велику енергію (настільки, щоб імпульс кожного окремого фотона був достатньо великим, щоб вибити важкий протон), а жоден із відомих процесів ядерного розпаду не давав достатньої для цього хоча б за порядком енергії.

Як не дивно, подружжя Жоліо-Кюрі (вони дотримувалися сучасних поглядів й обоє взяли одне й те саме прізвище з дефісом), схоже, як і Дірак, погребувало запропонувати для пояснення отриманих даних варіант із новою елементарною частинкою, оскільки протони, електрони й фотони були не лише добре знайомі, а й досі їх вистачало для пояснення всіх відомих явищ, зокрема екзотичних квантових феноменів, пов’язаних з атомами. Тож Ірен та Фредерік не висунули припущення, яке нині здається очевидним, що, можливо, у розпадах, що їх відкрили Боте й Бекер, виникає нова нейтральна масивна частинка. На жаль, аналогічна боязкість завадила Жоліо-Кюрі заявити права на відкриття позитрона, попри те, що вони реально спостерігали його в ході своїх експериментів ще до того, як Карл Андерсон дещо пізніше повідомив про своє відкриття.

Просунути справу далі випало фізикові Джеймсу Чедвіку. Чедвік, поза всяким сумнівом, мав чудовий нюх на фізику, а от його політична проникливість гостротою не вирізнялася. Закінчивши 1913 року зі ступенем магістра Манчестерський університет, де він працював із Резерфордом, він отримав стипендію, яка дозволяла йому навчатися будь-де. Тож він відправився до Берліна, щоб працювати з Ґейґером. Кращого наставника годі було шукати, і він почав займатися важливими дослідженнями радіоактивних розпадів. На жаль, під час його перебування в Німеччині розпочалася Перша світова війна, і наступні чотири роки Чедвік провів у таборі для інтернованих.

Урешті-решт він повернувся до Кембриджу (куди на той час переїхав Резерфорд), щоб закінчити під його керівництвом докторську дисертацію. Після цього Чедвік залишився працювати з Резерфордом та допомагати керувати Кавендиською лабораторією. Хоча він знав про результати Боте й Бекера та навіть відтворив їх, лише після того, як один із його студентів розповів йому про результати Жоліо-Кюрі, Чедвік, виходячи з наведеної вище енергетичної аргументації, переконався, що спостережуване випромінювання мало бути спричинене новою нейтральною частинкою й масою, порівнянною з масою протона, яка має міститися в атомних ядрах — ідея, яка багато років викристалізовувалася в них із Резерфордом.

Чедвік відтворив та розширив експерименти Жоліо-Кюрі, бомбардуючи інші мішені, окрім парафіну, для вивчення вихідних протонів. Він підтвердив не лише те, що енергетика зіткнень виключала те, що їхнім джерелом могли бути гамма-промені, а й що сила взаємодії нових частинок із ядрами значно перевищувала передбачену для гамма-променів.

Чедвік часу не гаяв. 1932 року, уже через два тижні після початку експериментів, він надіслав у часопис «Nature» лист під заголовком «Можливе існування нейтрона», після чого надіслав детальнішу статтю до Королівського товариства. Так було відкрито нейтрон, на частку якого, як ми тепер знаємо, припадає більша частина маси важчих ядер, а отже, і більша частина маси наших із вами тіл.

За це відкриття три роки по тому, 1935-го, він отримав Нобелівську премію. Одначе справедливість теж, можна сказати, восторжествувала, адже троє з тих, чиї експерименти уможливили результати Чедвіка, але хто при цьому не зумів ідентифікувати нейтрон, також удостоєні цієї нагороди за інші роботи. Боте здобув Нобелівську премію 1954 року за роботу з використання збігів між спостережуваними подіями в різних детекторах для вивчення детальної природи ядерних та атомних феноменів. Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі, яким не вистачило дещиці, щоб зробити два інші відкриття, відзначені Нобелівськими преміями, здобули 1935 року цю нагороду з хімії за відкриття штучної радіоактивності, яке пізніше стало ключовим інгредієнтом у розробці як ядерної енергетики, так і ядерної зброї. Що цікаво, лише після Нобелівської премії Ірен дістала у Франції посаду професора. Враховуючи дві Нобелівські премії, здобуті її матір’ю, Марією, загалом Кюрі набрали п’ять Нобелівок — найбільшу кількість нагород, що їх коли-небудь отримали члени однієї родини.

Після свого відкриття Чедвік узявся за вимірювання маси нейтрона. Його перша оцінка, 1933 року, дала масу, дещо меншу за суму мас протона й електрона. Це підкріплювало ідею, що, можливо, нейтрон є зв’язаним станом цих двох частинок, а різниця в масі, виходячи з відношення Ейнштейна E = mc2, спричинена втратою енергії на їх зв’язування. Проте після кількох інших результатів вимірювань, одержаних іншими групами, подальший аналіз, який провів Чедвік рік по тому з використанням ядерної реакції, індукованої гамма-променями, що дозволило виміряти всі енергії з дуже високою точністю, чітко засвідчив, що нейтрон важчий за суму мас протона й електрона, хоч і не набагато, менш ніж на 0,1 %.

Кажуть, що «близько» враховується лише під час кидання підків чи ручних гранат, проте близькість мас протона й нейтрона рахується дуже й дуже сильно. Це одна з ключових причин нашого з вами існування.

1896 року Анрі Беккерель відкрив радіоактивність урану, а вже через три роки Ернест Резерфорд виявив, що радіоактивність буває двох типів, які він позначив альфа- й бета-променями. Іще через рік було відкрито гамма-промені, і 1903-го Резерфорд підтвердив, що вони є новою формою радіації, давши їм їхню назву. 1900 року Беккерель визначив, що промені за бета-розпаду насправді є електронами, які, як ми знаємо нині, виникають у результаті розпаду нейтрона.

За бета-розпаду нейтрон розділяється на протон та електрон, що, як буде показано нижче, було б неможливо, якби нейтрон не був трохи важчим за протон. Проте дивним у розпаді нейтрона є не те, що він узагалі відбувається, а те, чому він триває так довго. Зазвичай розпад нестабільних елементарних частинок відбувається вже через мільйонні чи мільярдні частки секунди. Ізольовані нейтрони в середньому живуть понад десять хвилин.

Однією з головних причин, чому нейтрони живуть так довго, є те, що маса нейтрона лише трохи більша за суму мас протона й електрона. Таким чином, за рахунок маси спокою нейтрона він має таку кількість енергії, якої ледве вистачає на розпад на ці частинки зі збереженням енергії (іншою причиною є те, що нейтрон розпадається не лише на протон плюс електрон, а на три частинки… залишайтеся з нами!).

Хоча на атомній часовій шкалі десять хвилин видаються віч­ністю, це дуже малопорівняно з людським життям або життям атомів на землі. Повертаючись до загадки, наведеної на початку цього розділу: чому так? Як ми можемо складатися переважно з нейтронів, якщо вони розпадаються ще до першої рекламної паузи в 30-хвилинному телешоу?

Знов-таки відповідь криється в крайній близькості мас нейтрона й протона. Вільний нейтрон розпадається приблизно за десять хвилин. Проте розглянемо нейтрон, зв’язаний усере­дині атомного ядра. Зв’язаність означає, що для його вибивання з ядра потрібна енергія. Проте це означає, що, зв’язуючись із ядром, він спершу втрачає енергію. Але Ейнштейн каже нам, що сумарна енергія масивної частинки пропорційна її масі за формулою E = mc2. Це означає, що, якщо нейтрон втрачає енергію під час зв’язування з ядром, його маса зменшується. Проте оскільки його маса в ізольованому стані лише на дещицю більша за суму мас протона й електрона, то, втративши масу, він уже не має достатньо енергії на розпад на протон і електрон. Якби він захотів розпастися на протон, він мав би або вивільнити достатню кількість енергії, щоб ще й вибити протон із ядра, якої, беручи до уваги стандартні енергії зв’язування ядер, він не має, або ж вивільнити достатню кількість енергії, щоб новий протон залишився в новому стабільному ядрі. Оскільки нове ядро було б ядром іншого елемента, додавання додаткового позитивного заряду до ядра також зазвичай потребує більше енергії, ніж є в наявності при розпаді нейтрона. Як наслідок нейтрон і більшість атомних ядер, що містять нейтрони, лишаються стабільними.

Уся ця стабільність ядер, з яких складається все, що ми бачимо, зокрема більшість атомів нашого тіла, є випадковим наслідком того факту, що маси нейтрона й протона відрізняються лише на 0,1 %, тож навіть маленька зміна маси першого з включенням у ядро означає, що він більше не може розпастися на останній. Ось що я дізнався від Томмі Ґолда.

Коли я про це думаю, досі вражаюся. Існування складної матерії, періодичної таблиці елементів, усього, що ми бачимо, від далеких зір до клавіатури, на якій я друкую цей текст, — залежить від такого видатного збігу. Чому? Чи випадковість це, чи закони фізики з якоїсь невідомої причини цього вимагають? Запитання на кшталт цього спонукають нас, фізиків, шукати можливі відповіді ще глибше.

Відкриття нейтрона й подальші спостереження його розпаду зробили більше, ніж просто ввели в субатомний зоопарк нову частинку. Вони дали привід думати, що на мікроскопічно малих відстанях на рівні атомних ядер можуть порушуватися дві найфундаментальніші властивості природи: закон збереження енергії й закон збереження імпульсу.

Майже за двадцять років до відкриття нейтрона Джеймс Чедвік спостерігав дещо дивне, пов’язане з бета-променями; ще задовго до того, як він чи хтось інший знав, що вони спричинені розпадами нейтронів. Спектр енергії, яку несуть випромінені в результаті розпаду нейтрона електрони, неперервний і змінюється в діапазоні від фактично нульової енергії аж до максимальної енергії, яка залежить від енергії, наявної після розпаду нейтрона; у випадку вільного нейтрона ця максимальна енергія становить різницю між масою нейтрона й сумою мас протона та електрона.

Проте тут є одна проблема. Її найпростіше побачити, якщо на мить уявити, що протон та електрон мають рівну масу. Тоді, якщо протон після розпаду нестиме більше енергії, ніж електрон, він рухатиметься швидше за електрон. Але якщо їхні маси однакові, протон також матиме більший імпульс, ніж в електрона. Проте якщо нейтрон розпадається в стані спокою, його імпульс перед розпадом буде нульовим, тож імпульс вихідного протона має скоротити імпульс вихідного електрона. Утім, це можливо лише тоді, коли вони мають однакові імпульси й рухаються в протилежних напрямках. Отже, величина імпульсу протона ніяк не може бути більшою за імпульс електрона. Коротше кажучи, якщо ці дві частинки після розпаду мають однакову масу, їхні енергія та імпульс можуть набувати лише якогось одного значення.