Stanowczo nie możemy narzekać na brak sensacji naukowych. Aż głowa pęka. Weźmy na przykład mezony — cząstki występujące w promieniach kosmicznych. Zaledwie przyzwyczailiśmy się do ich istnienia, a już dowiadujemy się o tym, że istnieją dwa rodzaje mezonów: lekkie i ciężkie. „Dwa — to jeszcze nic“ — powiedzieli sobie (prawdopodobnie) dwaj fizycy ormiańscy w ZSRR bracia Alichanow i Alichanian, i wraz ze swoimi licznymi pracownikami ustawili w górach Kaukazu osobliwą „sieć“ do chwytania mezonów. Była to niezwykłej pomysłowości aparatura złożona z setek liczników Geigera-Mullera (jaka treść kryje się w tym zdaniu, ten tylko wie, kto posiwiał nad jednym choćby licznikiem). Nałowili dzielni bracia kilkanaście gatunków tych mezonów o rozmaitych masach i nazwali je „waritronami“. Masa najcięższych waritronów przekracza 13-krotnie masę protonu. Są to więc zdumiewająco ciężkie cząstki, a jednak nie będące jądrami atomowymi, gdyż mają ładunki zarówno dodatnie jak i ujemne. Fizycy teoretyczni nie wiedzą jeszcze co począć z waritronami; ale gdy wpadną na właściwy koncept — będzie to prawdopodobnie rewolucja w naszym poglądzie na budowę materii.
W oczekiwaniu na tę sensację zajmijmy się innym niezwykłym wydarzeniem, które miało miejsce w Berkeley w Kalifornii na początku roku 1948. Tam przed 18 laty profesor Ernest O. Lawrence zbudował swój pierwszy, najmniejszy cyklotron świata i tam w czasie ostatniej wojny zbudował cyklotron największy. Budował go z myślą, aby dokonać tego, co się właśnie już stało i o czym zamierzam pisać: aby wyprodukować sztuczne mezony. Czy to właśnie ta sensacja? — zapytacie Czytelnicy. I wyobrazić sobie musicie teraz moją speszoną minę, gdy odpowiadam Wam — ,,…No tak, właśnie ta“ — nie widzę bowiem, aby to na was zrobiło jakiekolwiek wrażenie. A ja to tak przeżyłem!…
Ale teraz już widzę swój błąd. Powinienem był zacząć nie od końca, lecz od początku — i powiedzieć przede wszystkim, co to są mezony. A więc posłuchajcie:
„Już w roku 1935 zauważył Yukawa, że siły, wiążące nukle‘ony w jądrze atomowym…“
Nie — widzę, że z tego nic nie wyjdzie i że muszę zacząć naprawdę od początku. Krótko i zwięźle poinformuję was o tym, co to są atomy, jądra, protony, neutrony itd., no i wreszcie mezony. Wiem, że będę powtarzał rzeczy wiele, wiele razy słyszane. Ale powtarzanie jest matką nauczania. W nagrodę (mam nadzieję) dane wam będzie, poznać jedną z tych wielkich mezonowych sensacji.
Oto mój wykład:
ATOM
Atom jest to więcej niż mikroskopijny układ planetarny, w którym dookoła maleńkiego jądra krążą równie maleńkie elektrony. Jądro jest dodatnio naładowane, elektrony — ujemnie. Jądro jest ciężkie, elektrony zaś lekkie. Atomy najlżejszego pierwiastka chemicznego, wodoru, są najlżejszymi atomami spośród wszystkich rodzajów atomów. Atom wodoru zawiera tylko jeden elektron, krążący dookoła jadra. Jądro atomu wodoru jest najlżejszym jądrem w ogóle i nazywa się protonem. Proton, chociaż najlżejszy wśród jąder, jest jednak 1835 razy cięższy od elektronu. Dlatego proton nazywamy „cząstka ciężką“, a elektron — „lekką“.
To co powiedziałem o krążeniu elektronu dookoła jądra, należy uważać tylko za pewien sposób wyrażania się, wynikający z pięknej tradycji z lat 1913 — 1926. Potem przyszła mechanika kwantowa, która zamieniła krążący elektron na pewną chmurę.
JĄDRO ATOMOWE
Jądro atomowe jest niewyobrażalnie małe, jego średnica jest sto tysięcy razy mniejsza od średnicy atomu. Jądro atomu wodoru, jak już mówiliśmy, jest to proton. Jądra cięższych atomów zawierają w sobie dwa, trzy, cztery, pięć itd… protonów; tym więcej — im atom jest cięższy. Jądro atomu helu zawiera dwa protony, ale… jest cięższe od protonu cztery razy; podobne stosunki zachodzą dla wszystkich innych pierwiastków. Jak to rozumieć? Fizycy zrozumieli to dopiero, gdy odkryli nową „cząstkę ciężką“, taką jak proton, ale bez ładunku elektrycznego. Nazwano ją neutronem. Od tej chwili budujemy jądra z protonów i neutronów. Robimy to po dziś dzień, gdyż koncepcja ta dobrze tłumaczy wszystkie zjawiska jądrowe, jak: promieniotwórczość naturalną i sztuczną, rozbijanie atomów, rozczepianie jąder uranu, wybuch materii itd.
SIŁY JĄDROWE
Proszę zauważyć, jak wielka jest różnica pomiędzy strukturą atomu a strukturą jądra atomowego. Atom składa się z jądra sto tysięcy razy mniejszego od niego i z równie małych elektronów. Zatem prawie cała objętość atomu — to pustka, doskonała pustka. Elektrony znajdują się w olbrzymiej — w stosunku do ich rozmiarów — odległości od jądra. A jeśli od niego nie uciekają i nie rozpraszają się, to tylko dlatego, ze jądro przyciąga je siłami elektrycznymi, jakimi każdy ładunek dodatni przyciąga ładunek ujemny.
Zgoła inaczej przedstawia się sprawa ze strukturą jądra atomowego. Składa się ono z protonów i neutronów ciasno zgniecionych, niby ziemniaki w worku. Protony odpychają się przy tym wzajemnie siłami elektrycznymi i dziw, że wszystko nie rozleci się i trzyma się razem, tak jak gdyby wszystkie cząstki jądra posklejane były z sobą. Owym „klejem“, któremu jądro zawdzięcza swoją spoistość i trwałość są siły, jakie działają między sąsiadującymi ze sobą cząstkami (neutronami i protonami). Siły te nie są natury elektrycznej, są od sił odpychania znacznie większe — pokonywują je przecież — lecz działają tylko na bardzo krótki dystans; mówimy, że mają „krótki zasięg“. Oto są główne cechy sił jądrowych.