Уже говорилось, что деформация заметно меняет условия поединка сил внутри атомного ядра. Выявить, а тем более правильно вычислить величину искажения формы, на которую ядро расходует всего лишь несколько тысячных долей от своей полной энергии, так же сложно, как подметить элементы былой стройности в фигуре располневшего человека. Тем не менее с помощью оболочечной модели можно рассчитать, в какой степени искажают форму нуклоны, перемещающиеся на внешней незаполненной оболочке и оказывающие несимметричное давление на поверхность ядра. А по капельной модели — объемные и поверхностные колебания ядерной жидкости, производимые коллективными действиями всех крепко сцепленных друг с другом нуклонов.
Ядра с заполненными оболочками имеют идеально сферическую «фигуру» и не знают, что такое деформация. Однако форма большинства не очень легких ядер далека от идеальной. Как же связать деформацию ядра, возникающую от воздействия внешних нуклонов с коллективными колебаниями всех остальных протонов и нейтронов?
Можно представить, что любое тяжелое ядро состоит как бы из двух неразрывно связанных частей. Одна часть — это капля сферической формы с заполненными оболочками, а другая — это несколько нуклонов на внешней незаполненной оболочке.
Чем сильнее число внешних частиц отличается от ближайшего магического, тем больше они деформируют поверхность капли. Эта деформация тут же сказывается на состоянии внешних протонов и нейтронов, потому что меняется то усредненное поле сил, которое создают все нуклоны капли.
Так впервые удалось увязать свойства отдельных нейтронов и протонов с их коллективными движениями в ядре. И сразу же получили объяснение многие экспериментальные результаты. В частности, выяснилось, что порядок заполнения оболочек в тяжелых ядрах зависит от состояния всей его системы нуклонов в целом.
Обобщенная модель атомных ядер и сегодня пользуется большой популярностью у теоретиков. За ее создание совсем недавно, в 1975 году, Дж. Рейнуотер, О. Бор и Б. Моттельсон были удостоены Нобелевской премии.
Но ядро — этот удивительно многоликий объект микромира — зачастую проявляет себя с такой необычной стороны, что и с помощью этой модели невозможно объяснить все нюансы в его поведении. И теоретики вынуждены были создавать бесконечные вариации уже известных моделей, в которых учитывались бы дополнительные взаимодействия между нуклонами, и искать все новые и новые подходы к объяснению необычных экспериментальных фактов. Например, ядро сравнивается с различными макроскопическими системами. И не только с такими, скажем, как жидкость, газ или кристалл, но и с таким необычным состоянием вещества, в каком пребывает гелий при сверхнизких температурах.
Более 60 лет физики тщательно изучают «лики» атомных ядер. Но до сих пор единого портрета, передающего все своеобразие этой трудно уловимой для художника-теоретика натуры, сделать не удалось. Единой теории ядра и сейчас еще не существует.
Профессор Я. Смородинский сказал, что «ядро представляет собой очень сложную систему, с которой придется еще много повозиться, пока станут ясными хотя бы основные закономерности».
А пока эти закономерности не прояснились, исследователи вынуждены использовать широкий набор приближенных представлений о ядрах. В этом смысле, как остроумно заметил кто-то из физиков, Храм науки можно было бы назвать Домом моделей.
Сейчас качественное объяснение в рамках той или иной модели получают практически все факты, добываемые экспериментаторами, но количественные соотношения установить удается довольно редко. Да и они еще ни о чем не говорят. По свидетельству самих теоретиков, удачно подобранной формулой с 5 параметрами всегда удается описать 50 произвольно заданных чисел с 5-процентной точностью. Сегодня теория только объясняет то, что делает эксперимент, редко правильно интерпретирует результаты и еще реже отваживается на какие-либо предсказания. Лидером в ядерной физике по-прежнему остается эксперимент.
Некоторые теоретики, правда, надеются, что, как только будут правильно заданы силы, действующие между двумя нуклонами, они смогут описать и все свойства ядерной материи.
Однако может оказаться, что выполнение этого условия относительно ядерных сил будет недостаточным для решения всей проблемы атомного ядра. Ведь не удалось же воссоздать свойства простейшей клетки на основе законов молекулярной биологии!
Другие полагают, что точное описание взаимодействия двух нуклонов, особенно при малых расстояниях между ними, в принципе невозможно, и подтверждение этому находят в экспериментах по рассеянию протонов на протонах и нейтронах.
Ну что ж, ситуация вполне научная, ибо, как сказал известный советский физик П. Капица: «Там, где кончаются сомнения, кончается наука».
Путешествия в глубь ядра
— Из рассказанного создается впечатление, что физикам довольно легко удалось установить контакт с ядром.
— Смотря что называть контактом. Сотрудники Э. Резерфорда уже в первых экспериментах по превращению азота в кислород имели дело с ядром.
— Ну, такое общение носило совершенно случайный характер. Интересно, как потом ученые разобрались в том, что такое ядро и какие необходимо применить для его исследования методы?
— История «взаимоотношений» ученых и атомного ядра похожа на описанную в романе С. Лема историю попыток землян установить контакт с планетой Солярис; в романе здесь периоды взлета чередовались с периодами падения интереса, разочарования — с надеждами.
Неожиданное открытие почти точечной по своим размерам кладовой атома — атомного ядра — возбудило к этой точке пространства огромный интерес. Но и в течение последующих 20 лет ученые не так уж много смогли разузнать о хранящихся в ней ценностях. Все полученные экспериментаторами сведения сводились в основном к тому, что ядра состоят из протонов и нейтронов, а поведение ядер и некоторые их свойства зависят от числа этих частиц.
Раскрыть главный секрет устройства этой сложной системы — природу ядерных сил — пока не удавалось. И перед учеными во всей своей необъятной сложности предстала проблема описания ядерных сил.
Столь ограниченные и неутешительные выводы могли охладить пыл не одного энтузиаста ядерной физики. Но наиболее стойкие не унимались и продолжали накапливать сведения об этом «Солярисе» микрокосмоса.
Информация добывалась в основном не активным вторжением с помощью каких-либо микроинструментов в глубины ядерного вещества, а скорее созерцанием тех свойств, что проявлялись при радиоактивном распаде ядер или в тех ядерных реакциях, когда удавалось слегка поворошить нуклоны.
Многие считали, что ядерная физика зашла в тупик. И это было похоже на правду.
Гораздо более интересным и многообещающим представлялось исследование самих элементарных частиц, из которых состояло атомное ядро.
Лет тридцать назад, как только появились первые ускорители протонов высоких энергий, ученым удалось открыть некоторые свойства ядерных сил, проявляющиеся при взаимодействии пары протонов или протона с нейтроном. Но этим, в сущности, и ограничился тогда вклад «элементарщиков» в ядерную физику.
Наблюдения за столкновением нуклонов больших энергий принесли новые неожиданные открытия, и экспериментаторы, увлекшись изучением этих составных частей ядра, вдруг обнаружили, что давно покинули ядерные сферы и витают уже в мире элементарных частиц. Но останавливаться было уже поздно. Они обзавелись мощнейшими ускорителями, овладели искусством создания пучков протонов, нейтронов и таких вторичных нестабильных частиц, как пи- и мю-мезоны, тяжелые К-мезоны, гипероны, и накопили об этих представителях микромира ценнейшую информацию.
Но даже всей совокупности добытых исключительно важных сведений было недостаточно для понимания того, как ведут себя нуклоны в коллективе.