Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

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.

Аналогічне розмірковування, хоча й трохи більш математично навантажене, справедливе й для випадку, якщо протон та електрон мають різні маси. Якщо в результаті розпаду нейтрона утворюються лише ці дві частинки, їхні швидкості, а отже, і їхні енергії та імпульси повинні мати певні унікальні фіксовані значення, які залежать від співвідношення їхніх мас.

Як наслідок, якщо електрони, отримані при бета-розпаді нейтронів, виникатимуть, маючи цілий діапазон різних енергій, це порушуватиме закони збереження енергії та імпульсу. Проте, як я тонко натякнув вище, це справедливо лише для випадку, коли електрон і протон – єдині частинки, що виникають у результаті нейтронного розпаду.

Знов-таки, 1930-го, лише за кілька років до відкриття нейтрона, видатний австрійський фізик-теоретик Вольфганг Паулі написав колегам зі Швейцарського федерального технологічного інституту листа, що починався з безсмертного заголовка «Шановні радіоактивні леді й джентльмени», у якому вчений окреслив варіант розв’язання цієї проблеми, який він, за його ж власними словами, не вважав «достатньо обґрунтованим для публікації». Паулі висунув ідею існування нової електрично нейтральної частинки, яку назвав нейтроном, і що при бета-розпаді, крім електрона й протона, утворюється ще й ця нова нейтральна частинка, тож електрон, протон і ця частинка разом узяті можуть розділяти між собою наявну в результату розпаду енергію, що призведе до неперервного спектра.

Паулі, який пізніше здобув Нобелівську премію за «принцип виключення» у квантовій механіці, не був дурнем. Мало того, він не терпів дурнів. Про нього казали, що під час лекцій він підбігав до дошки та забирав у доповідача крейду, якщо вважав, що