ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.04.2024
Просмотров: 52
Скачиваний: 0
ками. Обозначим первые две малыми латинскими бук вами р и п, а третью — малрй греческой буквой К (ламбда).
Все кварки имеют спин, равный половинке, и барион-
ное число А =
Странность кварков р и п равна нулю, а у кварка
к Б = — 1.
Электрический заряд у п и к одинаковый и равен
-----е. У кварка р он противоположен по знаку и в
два раза больше по величине.
Кроме того, к новой систематике легче всего прийти, предположив, что все адроны составлены из кварков и антикварков. Последние имеют противоположные по зна ку электрический заряд, барионное число и странность. При этом барионы всегда будут состоять из трех квар ков, а мезоны — из кварка и антикварка. В результа те получится вся новая систематика адронов.
Таким образом, все устроено так, как если бы в при роде существовали кварки. По этой причине были пред приняты попытки найти эти частицы на эксперименте, но пока безуспешно. В настоящее время существуют раз ные мнения относительно их существования. Может быть, почти все кварки объединились в адроны и в сво бодном состоянии встречаются чрезвычайно редко? А мо жет быть, они вовсе не существуют как физические объ екты, являясь просто математически удобным способом описания вновь открытой симметрии адронов?
Ответы на эти вопросы явились бы чрезвычайно важ ными, а может быть, и решающими на пути создания теории элементарных частиц.
Крупный советский ученый Я. Б. Зельдович в ответ на вопрос о существовании кварков приводит, например, следующую аналогию:
98
«О кинетической теории газов говорили, что, может быть, все происходит так, как будто есть молекулы, но никаких молекул и атомов в действительности не суще ствует; молекулы и атомы — это только понятия, полез ные для описания химических и термодинамических за конов».
В заключение данного раздела приведем традицион ную таблицу элементарных частиц. В ней содержатся лишь только частицы, стабильные относительно распа дов, обусловленных сильными взаимодействиями, то есть отсутствуют так называемые «резононы». Таблица име ет чисто иллюстративный характер.
О теории других взаимодействий
В настоящее время не только не существует единой теории элементарных частиц, но и не ясно, на каком пути она может быть построена. Делаются лишь попытки в этом направлении. Но если нельзя решить сейчас пол ностью задачу, касающуюся всех частиц и взаимодей ствий, то можно и должно решить часть ее. Ведь суще ствует ясная классификация частиц и взаимодействий. Может быть, можно достигнуть успеха для отдельных групп частиц и определенных взаимодействий?
Так оно и есть. Первой была построена теория элек тромагнитных взаимодействий фотонов, электронов и по зитронов. Это квантовая электродинамика, с которой мы уже познакомились. Ее можно считать удовлетворитель ной с точки зрения внутренней непротиворечивости и прекрасно согласующейся с экспериментами. Имеющая ся непоследовательность, связанная с процедурой пере нормировок, возможно, уже не может быть устранена в рамках квантовой электродинамики.
7* |
99 |
Далее естественно попытаться включить в эту теорию другие заряженные частицы. Но, помимо р-мезона, все остальные заряженные частицы являются адронами, то есть частицами, взаимодействующими сильно.
Электромагнитные эффекты малы по сравнению с сильными и, как правило, проявляются на фоне послед них как малые изменения. Это было бы не так страшно' если бы существовала теория сильных взаимодействий. Но, как мы увидим далее, ситуация там весьма неопре деленная. Следовательно, остается пока только р-мезон. Помимо электромагнитных взаимодействий, он может участвовать еще в слабых, то есть является лептоном. Поскольку электромагнитное взаимодействие гораздо сильнее слабого, то последнее при изучении электромаг нитных свойств р-мезона можно считать выключенным. Тогда р-мезон будет такой же стабильной частицей, как фотон, электрон и позитрон.
Обнаружилось, что во всех электромагнитных взаи модействиях р-мезон ведет себя так же, как электрон, исключая, конечно, те тривиальные кинематические от личия, которые обусловлены неравенством масс. Настоя щий парадокс!
Чем же тогда объяснить такое колоссальное разли чие в их массах? Ведь масса р-мезона более чем в 200 раз больше электронной! В сильных взаимодействиях он не участвует. Очень трудно предположить, чтобы такая громадная разница была обусловлена слабым взаимо действием. И р-мезон до сих пор остается одной из са мых загадочных элементарных частиц.
Следующей по степени завершенности является тео рия слабых взаимодействий. Надо сразу же оговориться, что степень эта весьма невелика. Еще более малая кон станта связи, чем в электродинамике, казалось бы, так же позволяет воспользоваться теорией возмущений. Дей
100
ствительно, с помощью первого порядка этой теории уда лось объяснить многие экспериментальные факты. Но при попытке уточнить теоретические вычисления с по мощью учета следующих порядков теории возмущений вместо разумного численного результата получим беско нечность. В квантовой электродинамике спасительной в такой ситуации оказалась процедура перенормировок. Но здесь она бессильна. Дело в том, что в этом случае перенормировать нужно каждый порядок теории возму щений, то есть число перенормировок бесконечно велико. Поэтому невозможно связать эту процедуру с переопре делением физических величин массы и'заряда. Такая теория называется неперенормируемой.
Таким образом, имеющееся в первом порядке согла сие теории и эксперимента, вообще говоря, «висит в воз духе». Успокаивать может только то, что эксперимент пока не настолько точный, чтобы требовать следующих порядков для своего объяснения. Иными словами, точ ность первого порядка теории возмущений сейчас вполне достаточна.
Следующей отличительной чертой слабых взаимодей ствий является отсутствие частицы-переносчика. Объяс ним, что это такое.
Электромагнитное взаимодействие между заряжен ными частицами осуществляется с помощью фотонакванта электромагнитного поля и представляет собой по переменное испускание фотона одной заряженной части цей и поглощение другой. Иначе говорят, что фотон играет роль переносчика электромагнитных взаимодей ствий.
Переносчиком сильных взаимодействий между барионами являются мезоны. Переносчик же слабых взаимо действий неизвестен. Неясно даже, существует ли он во обще. Известно только, что если такая частица существу
101
ет в природе, то она должна обладать спином, равным единице.
Но физики доказали, что даже открытие этого мезона не сделает теорию слабых взаимодействий перенорми руемой.
Со слабым взаимодействием связаны недавние откры тия по несохранению четностей. Выясним кратко смысл этих открытий.
Уже, по-видимому, ни у кого не вызывает сомнений то, что почти всем частицам соответствуют античастицы: электрону — позитрон, нуклону — антинуклон, л+-мезо- ну — я~-мезон и так далее. При переходе от частицы к античастице все квантовые числа меняют знак: электри ческий заряд, барионное число, странность. Операция такого перехода называется зарядовым сопряжением. Долгое время считалось, что если в любом возможном в природе процессе, в котором участвуют элементарные частицы, заменить все частицы на античастицы, а анти частицы на частицы (то есть сделать зарядовое сопря жение), то получится процесс также возможный. Причем установлению такой точки зрения предшествовали дол гие и трудные раздумья физиков. Тот факт, что всегда, когда это можно ожидать, для частицы находится ее ан тичастица, в конце концов убедил их в этом мнении.
Но вот в 1957 году выяснилось, что это не так. Оказа лось, что слабое взаимодействие нарушает эту симме трию, то есть оно меняется при зарядовом сопряжении. Было, например, найдено различие в распадах р+-мезо- на и ее античастицы — р'-мезона. Однако в сильных и электромагнитных взаимодействиях полная симметрия частиц и античастиц по-прежнему остается.
1957 год принес еще одно крупное открытие. Оказа лось, что слабое взаимодействие нарушает симметрию между правым и левым.
102
Всем известно, что зеркальное изображение отлича ется от оригинала заменой правого на левое и наоборот. Из повседневной практики мы знаем, что всегда возмож но построить предмет, который был бы зеркальным ото бражением данного предмета. Причем, если в качестве последнего взять любую механическую машину (часы, станок, автомобиль и др.), то ее зеркальный вариант бу дет работать ничем не хуже и по тем же законам. Любая физическая теория всегда включала, как само собой ра зумеющееся, зеркальные процессы и явления в число принципиально возможных, ничем не выделяя их по сравнению с оригинальными.
И вот Ли и Янг, изучая распады элементарных час тиц, предположили, что в слабых взаимодействиях это го нет.
Не существует в природе строгой симметрии между правым и левым. Последняя так же, как и симметрия от носительно зарядового сопряжения, сохраняется только в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Экспе римент подтвердил предсказание Ли и Янга.
Советский физик-теоретик Л. Д. Ландау, рассмотрев более детально известные тогда случаи нарушения обеих упомянутых симметрий, пришел к выводу, что в природе существует строгая симметрия лишь относительно обоих преобразований (зарядовое сопряжение и зеркальное от ражение) сразу. Следовательно, чтобы при переходе к античастицам получить реализуемые в природе процессы, необходимо еще совершить и зеркальное преобразование.
Эта гипотеза стимулировала постановку эксперимен тальных работ, посвященных изучению этой новой сим метрии. Многие процессы, вызываемые слабым взаимо действием, подтверждали ее.
Но вот буквально в течение последних лет было по лучено сначала указание, а затем и доказательство того,
103
что и эта симметрия может нарушаться, то есть не явля ется строгой.
Здесь весьма своевременно вспомнить о теореме Лю- дерса-Паули, которая, исходя из самых общих положе ний, утверждает следующее:
«Любая физическая теория не должна меняться, если одновременно совершить зеркальное отражение, зарядо вое сопряжение и обращение времени». С точки зрения этой теоремы, нарушение симметрии Л. Д. Ландау озна чает, что слабое взаимодействие максимально несимме трично, то есть для него существует лишь симметрия от носительно трех упомянутых преобразований сразу. Кро ме того, из теоремы Людерса-Паули следует также, что любые два преобразования из трех эквивалентны треть ему. Поэтому нарушение симметрии Л. Д. Ландау озна чает нарушение симметрии относительно отражения вре мени. Пока не существует удовлетворительного и одно значного объяснения всех этих новых фактов, и можно быть довольным лишь тем, что они не противоречат тео реме Людерса-Паули. Если бы такое противоречие было обнаружено, то это свидетельствовало бы, что терпят крах основы современного физического знания, такие, как, например, специальная теория относительности.
О теории сильных взаимодействий
Успехи квантово-полевого подхода в электродинами ке и в теории слабых взаимодействий привели к естест венному распространению его на другие частицы и вза имодействия. Этот подход оказывает сейчас очень серь езное влияние на все размышления физиков над проблемами элементарных частиц. Основные положения его, что все элементарные частицы суть кванты соответ-
104
ствующих полей, а взаимодействие частиц есть не что иное, как проявление взаимодействия полей, принимают ся даже в разного рода обобщениях существующей теории.
Основные уравнения квантовой теории поля могут быть написаны и для сильных взаимодействий. Но если в электродинамике можно было извлечь из них необхо димые нам сведения, то здесь дело дальше установления этих уравнений не пошло. В квантовой электродинамике успех был связан с применением теории возмущений, что оказалось возможным благодаря малости константы
связи: ё2 = Но в сильных взаимодействиях константа
связи на три порядка больше (д2=15), и уже бессмыслен но трактовать это взаимодействие как малое возмущение. Здесь теория возмущений неприменима. Другого же спо соба проанализировать основные уравнения в настоящее время не существует.
Врезультате мы не только не можем ничего сказать
осравнении теории с опытом, но не знаем даже, противо речива или нет сама теория. Это заставило при изучении свойств сильных взаимодействий идти по пути более или менее модельных представлений, использующих те или иные представления и понятия теории квантованных по лей. В дальнейшем для разбора некоторых из этйх мо делей нам понадобится знать качественную картину взаимодействия элементарных частиц, а также такие по нятия, как радиус взаимодействия, короткодействующие силы, обмен некоторой элементарной частицей.
Всвязи с этим нам необходимо еще раз вернуться к соотношению неопределенностей между временем и энер
гией. |
Как мы уже говорили, если энергию некоторой ни |
с чем |
не взаимодействующей квантово-механической |
системы измерить дважды в моменты времени, отличаю
105
щиеся на ДЕ то получим, вообще говоря, разные значения Е[ и Е2. При многократном повторении этого опыта мож но убедиться, что среднее значение абсолютной величины отклонения ДЕ (то есть без учета знака отклонения) и интервал времени Д1 всегда связаны между собой соот ношением неопределенностей ДЕ*Д1>1г.
С такой ситуацией мы сталкиваемся только в кванто вой теории. В классической (не квантовой) теории неопре деленности в измеряемых величинах получаются толь ко из-за несовершенства экспериментальных установок. Улучшая последние, мы будем добиваться сколь угодно большой точности. Для энергии, например, мы могли бы достичь очень малых значений ДЕ, независимо от вели чины ДЕ В квантовом же случае существует принципи альное ограничение на точность повторных измерений энергии. Как бы мы не улучшали измерительную установ ку, значения энергии, полученные в двух актах измере ния, отстоящих друг от друга по времени на ДЕ, будут
отличаться в среднем по крайней мере на |
Достичь |
большей точности нельзя и причина этого не в несовер шенстве измерительной аппаратуры, а в квантомеханиче ской природе изучаемых объектов. Поэтому в квантовых теориях о законе сохранения энергии можно говорить лишь для достаточно больших интервалов времени. В процессах, протекающих в течение малых интервалов времени, этот закон теряет силу. Уже упоминалось, что примером таких процессов в квантовой теории поля яв ляются процессы рождения и уничтожения виртуальных частиц.
Если имеется по крайней мере два взаимодействую щих квантованных поля, то в дополнение к ранее сказан ному появляется возможность еще одного способа рож дения и уничтожения виртуальных частиц, который в
106
