ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 107
Скачиваний: 0
массивных объектов. А для таких ничтожно малых крупиц материи, как элементарные ча стицы, они едва ощутимы и обычно не учиты ваются.
Электромагнитные силы, действующие меж ду электрически заряженными телами, зна
чительно больше гравитационных. Например, сила электрического отталкивания между дву мя протонами превышает силы гравитационно го притяжения между ними в огромное число раз, которое записывается в виде единицы с 37 нулями! Электрические силы могут действовать на очень большие расстояния, они убывают с расстоянием так же медленно, как и силы тя готения. Электромагнитные взаимодействия обеспечивают устойчивость атомов, связь меж ду атомами в молекулах и кристаллах, прояв ляются во всех химических реакциях. Так как большинство элементарных частиц имеет элек трический заряд, то эти взаимодействия играют существенную роль в микромире.
Электромагнитные взаимодействия изучены лучше всего. Они осуществляются через по средство электромагнитного поля, возникаю щего вокруг заряженных тел. По современным представлениям, это поле состоит из фотонов, непрерывно испускаемых и поглощаемых те лом, несущим электрический заряд. Притяже ние или отталкивание двух таких тел сводится к обмену фотонами. В мире элементарных ча стиц существуют и другие проявления электро магнитных взаимодействий. Примерами могут служить: 1) рассеяние фотона на электроне, 2) рассеяние фотона на протоне, 3) распад я°-
110
мезона на 2 фотона, 4) превращение З^-гипе- рона в Л°-частицу с испусканием фотона, 5) ан нигиляция и 6) рождение электронно-позитрон ных пар.
Эти процессы на языке введенных выше символов (см. табл. 2) можно записать в виде следующих простых соотношений:
1) у -)- е~ ^ е~ + у, |
4) |
2° -> у + А", |
|
2) у + |
р + у, |
5) |
е~ 4- е+-> 2у, |
3) я°->2у, |
|
6) 2у->е~-\-е+. |
Характерным спутником всех этих процессов является фотон. Это и определяет его роль и место в системе элементарных частиц как ма териального носителя электромагнитных взаи модействий.
В заключение заметим, что изучение элект ромагнитных процессов и явлений в микроми ре является весьма важным и существенным и, что самое главное, одним из наиболее надеж ных источников сведений о свойствах и приро де элементарных частиц. Это связано, в част
ности, |
с тем, что |
теория электромагнитных |
взаимодействий, |
так называемая к в а н т о |
|
в а я |
э л е к т р о д и н а м и к а , является в на |
стоящее время одним из наиболее разработан ных разделов теории элементарных частиц. Ее предсказания, проведенные на ее основе расче ты конкретных процессов дают блестящее сов падение с экспериментальными данными.
Понятие о сильном (ядерном) взаимодей ствии появилось при попытках объяснить
удивительную прочность атомных ядер. Ядра, в состав которых входят одноименно заряжен-
111
Обычная игла, изготовленная из плотно упакованных ядер, была бы тяжелее многотон* ного груза
ные протоны, неизбежно разлетелись бы под действием электрических сил отталкивания, если бы их не связывало между собой мощное притяжение. Это притяжение сжимает протоны и нейтроны в ядрах до фантастически огром ных плотностей. Достаточно сказать, что са мая тонкая игла из чисто ядерн'ого вещества весила бы около одного миллиона тонн. В зем ных условиях такие плотности не встречаются. Дело прежде всего в том, что сильное взаимо действие проявляется лишь при соприкоснове нии протонов и нейтронов между собой, точ нее, на расстоянии порядка 1СМ3 см, не пре вышающем размеров самих частиц. Ядра вещества в земных условиях находятся друг от друга на расстояниях в 100 000 раз больших. На таких расстояниях ядерные силы отсутст вуют, а далыюдействующие электрические си лы скорее стремятся растолкнуть ядра, чем сблизить.
Мощность ядерных сил можно грубо оце нить по количеству протонов в атомных ядрах последних устойчивых элементов периодиче ской таблицы, ибо в них уже наступает равно весие между электрическими силами отталки вания и ядернымн силами притяжения. В этом одна из причин того, что более тяжелые устой чивые ядра не существуют. В самых устойчи вых тяжелых ядрах около ста протонов. Сле довательно, силы ядерного притяжения при близительно в 100 раз больше электрических сил. Иначе говоря, сильные взаимодействия в 100 раз сильнее электромагнитных.
Точно так же, как фотоны являются носи телями электромагнитного взаимодействия, ка-
8. А. Богуш, Л. Мороз |
113 |
кие-то частицы должны быть носителями силь ного взаимодействия. Это предположение ве дет свое начало от известных идей академика И. Е. Тамма и было сформулировано в развер нутом виде в 1935 г. японским физиком Юкавсй, теоретически предсказавшим их массу.
В основе этого предсказания лежит связь радиуса действия сил с массой частицы-носи теля. Чем меньше радиус действия, тем больше масса частицы-носителя. Бесконечно большому радиусу действия электромагнитных сил соот ветствует отсутствие массы у фотона. Чрезвы чайно малый радиус действия ядерных сил — 10-13 см требовал, чтобы масса частицы-носи теля в 200—300 раз превышала массу элект рона. Для обеспечения большой силы взаимо действия сами частицы-носители должны очень сильно взаимодействовать с протонами и ней тронами. Предсказанные носители ядерных сил, получившие название пи-мезонов, были открыты в 1947 г.
Протон или нейтрон на весьма короткое время испускает пи-мезон и в течение этого же времени как-то изменяет свое состояние. Это изменение происходит столь быстро, что в со ответствии с законом квантовой механики мы в принципе не можем определить энергию ну клона в этот период с точностью большей, чем 140 Мэе. Эта энергия как раз и равна той энер гии, которую уносит с собой пи-мезон. Полу чается, грубо говоря, что нуклон как бы одал живает на очень малое время часть своей соб ственной энергии рождаемому им пи-мезону. Разумеется, что за такое короткое время, как 10-23 сек, нельзя будет в принципе обнаружить
114
ни изменение энергии нуклона, пи зафиксиро вать испускание пи-мезона. Эти в принципе ненаблюдаемые процессы, с помощью которых объясняется ядерное взаимодействие нукло нов, получили особое название — виртуальных процессов, а участвующие в них пи-мезоны на зывают виртуальными пи-мезонами.
Описанная модель, иллюстрирующая наши представления о механизме сильных взаимо действий, является грубой и поверхностной и далеко не отражает истинную картину весь ма сложного и трудно поддающегося теорети ческому и экспериментальному изучению ядерного взаимодействия. Достаточно сказать, что только за последние несколько лет наши пред ставления о ядерных силах значительно услож нились. Прежде всего оказалось, что не только пи-мезоны являются носителями ядерных сил. Наряду с известными уже нам сильно взаимо действующими частицами, такими, как напри мер ка-мезоны, нуклон — антинуклонные пары и др., в процессах сильного взаимодействия участвует большое число своеобразных обра зований из ядерных частиц — резонансов (о них будет идти речь ниже). Сложность картины усугубляется еш.е тем, что по мере проникнове ния в область все более высоких энергий при изучении таких элементарных процессов, как А/—./V, я —N и других сильных взаимодействий, лежащих в основе ядерных сил, открываются все новые и новые резонансы. Все это говорит о том, что на пути разрешения тайны ядерных сил сделаны пока лишь первые шаги. Не уди вительно, что эти проблемы занимают цент ральное место в физике наших дней.
115
Рассмотренный выше механизм испускания виртуальных пи-мезонов нуклонами позволяет дать представление о возможном объяснении экспериментально установленной внутренней электромагнитной структуры нуклонов.
{Г
Типичным проявлением слабого взаимодей ствия является ¡^-радиоактивность — само
произвольное испускание атомными ядрами электронов. Ответ на то, откуда берутся здесь не входящие в атомное ядро электроны, дает уже известная нам реакция: н е й т р о н - ш п р о то н+ э л е кт р о н+ а н т и н е й т р и н о. Пре вращение одной частицы в другую, нейтрона в протон, сопровождается испусканием двух но вых частиц. В этой реакции ярко проявляются все основные свойства слабых взаимодействий. Участие в реакции четырех фермионов — одна из характерных особенностей слабых взаимо действий. Вторая особенность, которая отли чает это взаимодействие от других, — их сила. Слабые взаимодействия значительно сильнее гравитационных и в 1012 раз слабее электро магнитных. Они так же, как и сильные, имеют очень короткий радиус действия.
Третьей отличительной особенностью сла бых взаимодействий является нарушение так называемой зеркальной симметрии.
В соответствии с общим правилом наличие зеркальной симметрии влечет за собой инва риантность теории относительно операций про странственной инверсии, что автоматически приводит к некоторому закону сохранения, к сохранению некоторой величины, характери зующей участвующие в реакции частицы. Эта
116
величина получила название п р о с т р а н с т
в е н н о й ч е т н о с т и Р и является еще |
од |
ной из основных характеристик частиц. |
Она |
принимает значения+1 или —1 в зависимости от того, как ведет себя при преобразовании ин версии, т. е. при переходе от координат х, у, г (от правого) к координатам —х, —у, —г (кле вому), та функция, которая описывает состоя ние частицы *. Существует большая группа ча стиц с положительной четностью (Р— +1), функции которых при данном преобразовании инверсии никогда не меняют своего вида, и су ществует другая группа частиц, у которых чет ность всегда отрицательна (Р = —1). В послед нем случае при преобразовании пространствен ной инверсии функция состояния частиц всегда меняет знак на противоположный, т. е. умно жается на —1. Закон сохранения четности тре бует, чтобы при пространственной инверсии функция состояния вступающих в реакцию ча стиц вела себя так же, как и функция состоя ния продуктов реакции. Это соответствует тому, что вероятность процесса, который получается отражением рассматриваемой картины в зер кале, будет такая же, как и для исходного. Фи зики все время были твердо убеждены в том, что закон сохранения пространственной четно сти является универсальным законом сохране ния и выполняется для всех без исключения
*Понятие пространственной четности Р является чисто квантовомеханическим понятием. Поэтому, чтобы дать
представление об этой величине, мы вынуждены вос пользоваться тем, что в квантовой механике состоя ние частицы, системы описывается некоторой функци ей, так называемой волновой функцией состояния.
117
процессов взаимодействия элементарных ча стиц. Не было никаких экспериментальных данных, которые бы в той или иной мере про тиворечили этому.
Но вот в 1956 г. произошло событие, кото рое потрясло до основания все сложившиеся к этому времени представления.
Было обнаружено, что симметрия между правым и левым в процессах слабого взаимо действия нарушается. Оказалось, что вопреки ожиданиям в процессе радиоактивного бетараспада испускаемые при этом электроны вы летают из ядра преимущественно в направле нии спина ядра.
Если бы этот процесс был зеркально-сим метричен, то электроны должны были бы вы летать по направлению спина и против него в совершенно одинаковом количестве. Ведь при зеркальном отражении направление спина (собственного момента вращения) по отноше нию к направлению вылета частиц изменяется на обратное. Поэтому только при условии аб солютного равноправия в вылете электронов по направлению спина и против него поворот спина оставит общую картину процесса совер шенно неизменной. Таким образом, при бетараспаде наблюдается явное нарушение зер кальной симметрии, а следовательно, и несохранение пространственной четности.
В дальнейшем было показано, что в отли чие от электромагнитных и сильных взаимо действий, для которых закон сохранения про странственной четности остается незыблемым, нарушение закона сохранения четности — ха рактерная, неотъемлемая особенность всех без
118