Все разнообразие Вселенной многим из нас представляется как простое сочетание нескольких десятков элементарных «деталей» атомов: протонов, нейтронов и электронов. В основе всего — водород. В ядре этого «простейшего» атома один протон и один нейтрон, а вокруг вращается один электрон. Под вторым номером в периодической таблице Менделеева значится газ гелий. У него в ядре уже два протона и два нейтрона, а вокруг ядра вращается два электрона. В результате получится совершенно не похожий на водород атом гелия.

Таким же образом, путем добавления протонов и нейтронов в ядра атомов и, соответственно, электронов на орбиты ядер получается полный «набор» всех атомов-элементов. Атомы могут химически соединяться друг с другом в молекулы, которые и образуют все разнообразие веществ, встречающихся в природе.

Такое представление об устройстве мира соответствует истине. Соответствует, но не исчерпывает действительность. Все во сто крат сложнее и запутанней. Мы уже видели в предыдущей главе, что более подробное проникновение в устройство атома привело к открытию явлений, грубо сломавших только что нарисованную нами строго логичную картину. В частности, оказалось, что электрон не находится ни в каком определенном месте и вообще не подпадает под старые представления о материи.

В 1911 году Резерфорд уподобил строение атома строению солнечной системы (Солнце — ядро, планеты — электроны). И хотя от этой модели пришлось отказаться, понятие атомного ядра — нуклона — прочно вошло в физику. Нуклон — общее наименование для протонов и нейтронов — частиц, из которых построены все атомные ядра. При распаде или синтезе атомных ядер освобождается огромная энергия.

Все это так. Но электрон в то же время оказался не столь понятным крошечным шариком, механически вращающимся вокруг ядра, подобно Земле, движущейся вокруг Солнца. Люди знали и могли логически представить себе состояние электрона в качестве мельчайшей твердой частички — шарика, но не могли представить его в форме пульсирующего поля — облака — или переходящим в другие элементарные частицы. В этом и заключается секрет «пропавшей материи». Ничего, конечно, не пропадает, но вновь познанная форма существования материи качественно другая, она совсем не похожа на старую.

И вот мы опять возвращаемся к Демокриту. Его гениальная догадка об атомах привела к атомистике, но она же, внушив правильную мысль о единстве мира, породила ошибочное представление о какой-то общей «первоматерии». Сперва под материей понимался атом. Потом «неделимый» разделился на элементарные частицы. Одни думали, что «материя» — это атом водорода; другие видели первооснову в электроне; третьи — в квантах света; четвертые надеются найти «первоматерию» в еще неизвестных, более простых элементарных частицах.

Мы только что мысленно признавались в том-, что еще крепко сидит в нас предельно простая картина атома, состоящего из «шариков на орбитах», протонов и электронов, частиц, неуничтожаемых и вечных. Но в последние полвека новые открытия физиков, возмужание теории относительности и квантовой механики помогли проникнуть в какой-то степени не в макетно-школьный, а в истинный атом.

Все оказалось чрезвычайно сложней. Подтвердилось гениальное предвидение В. И. Ленина о неисчерпаемости электрона. Сейчас известны элементарные частицы двухсот с лишним видов. Большинство из них нестабильны, то есть вскоре после возникновения самопроизвольно распадаются, превращаясь в другие частицы. Многие существуют всего лишь… триллионные доли секунды!

Теперь стало ясным, что элементарные частицы далеко не элементарны. Уже получены многочисленные экспериментальные данные, подтверждающие гипотезу о составном строении большого числа частиц.

Вполне логично, что ученые пытаются разобраться в этом потоке элементарных частиц, классифицировать обитателей микромира, привести их пестрое разнообразие к определенному порядку и единству.

Заманчиво найти новые «кирпичики» материи, если старые — атомы, а затем электроны, протоны и нейтроны — «раскрошились», перестав считаться «неделимыми», превратились в сотни различных элементарных частиц.

Сперва было подмечено, что подавляющее большинство элементарных частиц «живут» как бы семьями-мультиплетами, в основном по 8, иногда по 10 видов частиц. Все они вроде бы «близкие родственники», схожи по многим признакам, хотя и носят различные «фамилии», имея определенные различия.

Это уже была победа. Ибо, зная, в каком мультиплете находится малоизученная или предполагаемая, но неизвестная частица, можно по свойствам остальных, более известных «родственников» рассчитать ее данные.

Теоретическое обоснование мультиплетным объединениям дали советский ученый М. А. Марков и затем американец М. Гелл-Манн. Подобно тому как любое вещество, скажем железо, может принимать при определенных условиях твердое, жидкое, газообразное, плазменное состояние, также и ядерное поле в различных условиях принимает свое устойчивое состояние, которое и проявляется в форме определенных элементарных частиц.

В 1964 году произошло чрезвычайно важное событие. Был открыт омега-минус-гиперон. Ученые-физики ликовали. Впервые была найдена реальная элементарная частица, существование которой заранее предсказывалось определенной «пустой клеточкой» в одной из групп мультиплетных семей элементарных частиц.

В то время как в мультиплетах обычно обитает не менее 8 схожих частиц, образовывалась предполагаемая семья всего с тремя родственниками. Это было очень странно. Но вместе с тем если отбросить три непонятные, к тому же практически не найденные частицы, то нарушается стройность всей таблицы.

М. Гелл-Манн решился признать три непокорных частицы (и такие же три античастицы, наделенные противоположными зарядами). Поскольку они невидимки и их не изучали в реальной жизни, он попробовал теоретически рассчитать свойства этих частиц. Получилось что-то невероятное!

Начать хотя бы с того, что у них оказался… дробный электрический заряд. Еще школьный учитель объяснил нам, что элементарная частица — носительница электрического заряда — сохраняет его при любых, самых чудовищных воздействиях. При этом учитель говорил, что существует наименьшая из возможных «порция» электричества — заряд электрона.

Непонятное с дробностью заряда… Но и это еще цветочки по сравнению с загадкой массы тройки странных частиц. Она у них огромна — раз в десять тяжелее протона, общепризнанного чемпиона тяжелого веса микромира. Дальше… Тяжелое порождает легкое. Странные сверхтяжелые частицы преобразуются в частицы несравненно более легкие. При этом не менее 97 процентов первоначальной массы (а значит, и энергии) должно переходить в другое состояние материи. При термоядерных процессах на Солнце подобный переход не превышает 0,7 процента.

Три странные гипотетические частицы были названы кварками. «Кошмары» и «безумства» трех странных частиц напомнили М. Гелл-Манну безумного трактирщика-короля, героя романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». В этом произведении, преследуя трактирщика-короля, чайки-судьи кричат пронзительно, загадочно и страшно: «Три кварка мистеру Марку… Три кварка, три кварка…»

Оказалось, что гипотетические кварки не только «цементируют» таблицу элементарных частиц, но (пока теоретически) являются теми материальными частицами, которые как бы придают устойчивость, стабильность окружающему нас миру. Например, именно из кварка и антикварка можно получить элементарные частицы мезоны, обеспечивающие стабильность атомного ядра. И не только мезоны, но и все известные долгоживущие тяжелые элементарные частицы. Если к этому вы еще узнаете, что кварки позволяют объяснить происхождение магнитного поля элементарных частиц, то вы согласитесь с мнением ученых, считающих кварки элементарными «кирпичиками» мироздания. Видимо, именно они призваны наводить определенную гармонию и устойчивость в хаосе микромира.

Правда, еще никто не видел своими глазами (точнее, глазами своих приборов) кварки. И это как раз неудивительно. Сверхтяжелые кварки не могут быть получены даже на самых сильных ускорителях, из тех, которыми располагают люди. Даже космические лучи в своем подавляющем большинстве не обладают достаточной энергией, чтобы при столкновении с атомами в верхних слоях атмосферы порождать кварки.