Файл: Афонин А.А. Частицы, поля, кванты.pdf

Но в теории всегда используется экспериментальное значение массы электрона, которое уже должно вклю­ чать в себя все возможные добавки, в том числе и эту. Следовательно, исходную массу и добавку к ней можно заменить на наблюдаемую массу электрона. Тем самым добавка навсегда бы выпала из рассмотрения. То, что она бесконечна, будет свидетельствовать о некоторой не­ полноте теории, но не помешает проведению такой про­ цедуры.

Ясно, что возможность такой точки зрения означала бы полную ненаблюдаемость нулевых колебаний, а проб­ лема эфира вновь перешла бы в разряд академических, потеряв всякое экспериментальное основание.

Дело, однако, обстоит сложнее. Оказывается, энергия взаимодействия электрона с нулевыми колебаниями за­ висит от состояния, в котором находится электрон. При­ чем эту энергию можно разбить на две части. Первая — энергия взаимодействия свободного электрона с нулевы­ ми колебаниями. Вторая — та часть энергии, которая за­ висит от взаимодействия данного электрона с другими реальными частицами. Первая часть бесконечно велика и постоянна, и с ней поступают так же, как только что предлагалось поступить со всей энергией взаимодейст­ вия. А именно, с помощью принципа эквивалентности интерпретируют как добавку к массе и считают, что она уже включена в наблюдаемую массу электрона. Это на­ зывается перенормировкой массы.

Вторая часть конечна и соответствует наблюдаемым эффектам. Например, в атомах она приводит к измене­ нию энергии уровней, что проявляется в изменении час­ тот электромагнитного излучения.

Рассмотрим теперь кратко взаимодействие электро­ на с нулевыми колебаниями электронно-позитронного поля. Поскольку электрон создает вокруг себя электри­

80

ческое поле, то в его присутствии нулевые колебания бу­ дут иными. Действительно, виртуально возникающие электроны будут отталкиваться, позитроны — притяги­ ваться. Произойдет так называемая поляризация ваку­ ума. Аналогичное явление можно наблюдать, если в элек­ трическое поле поместить какое-нибудь тело. При этом разноименные заряды получат противоположные сме­ щения.

Врезультате такого частичного разделения зарядов

впространстве (так же, как и в теле) возникнет индуци­ рованное электрическое поле, направленное противопо­ ложно полю электрона.

Его можно разбить на две части: часть поля с зави­ симостью от расстояния такой же, как если бы в точку расположения реального электрона поместить дополни­ тельный положительный заряд, и остальная часть. Пер­ вую часть можно интерпретировать как поле, обус­ ловленное некоторой добавкой к заряду. Исходный заряд электрона вместе с добавкой к нему приравнивается наблюдаемому на опыте заряду электрона. Мы здесь опять-таки исходим из того, что экспериментальная ве­ личина заряда уже должна содержать все добавки. Та­ кая процедура называется перенормировкой заряда. Как и в случае перенормировки массы, добавка к исходному, или, как говорят, к затравочному, заряду оказывается бесконечной.

Эти бесконечности, являются существенным недостат­ ком теории.

Можно лишь надеяться, что будущая теория электро­ нов и фотонов сделает добавки конечными, а соответст­ вующие процедуры перенормировок — математически более корректными.

Вторая часть электрического поля, о которой гово­ рят, что она связана с поляризацией электронно-позит-

■ д р у ги е поля

частицы

взаимодействия

6*

В настоящее время число известных элементарных час- ® тиц приближается к сотне. Почти каждый месяц при­ носит нам одну-две новые частицы.

При таком обилии элементарных частиц и их способ­ ности при соблюдении определенных законов превра­ щаться друг в друга становится трудно говорить об эле­ ментарности каждой из них в отдельности и слова «эле­ ментарная частица» в значительной мере становятся условными.

Ранее в науке уже приходилось сталкиваться с ана­ логичной проблемой для атома. Действительно, слово «атом» (в переводе с греческого — неделимый) использо­ валось сначала для обозначения мельчайшей частицы ве­ щества, принципиально неделимой (и в этом смысле атом понимался элементарным) на более мелкие. Все окружающее считалось состоящим из таких частиц. Но когда выяснилось, что число атомов разного сорта весь­ ма велико и они могут терять один или несколько элек­ тронов, уверенность в их неделимости была сильно поко­ леблена. А теперь уже каждый школьник знает, что атом состоит из положительно заряженного ядра и вращаю­ щихся вокруг него отрицательно заряженных электро­ нов. Делимость же атома встречается чуть ли не на каждом шагу. Например, явление электризации, возни­ кающее хотя бы при натирании эбонита, состоит в отры­ вании электронов от атомов, то есть представляет собой результат одного из возможных способов деления ато­ мов.

Таких примеров можно привести много. Делимость атома твердо установлена и используется в повседнев­ ной практике. А слово «атом» употребляется лишь для обозначения определенных объектов в отрыве от его первоначального смысла, и элементарность атома стала чисто условным понятием.

84

Но в науке новое открытие всегда не просто отбра­ сывает старые понятия и теории, а устанавливает ясную границу, до которой эти старые понятия, теории справед­ ливы и за которой их следует заменить на новые. В опре­

соответствующего химического элемента, еще имеющую химические свойства, присущие этому элементу.

Дальнейшее деление атома хотя и возможно, но обя­ зательно приведет к качественно новым объектам, обла­ дающим совсем другими свойствами. Как мы уже знаем на примере фотонов, электронов и позитронов, элемен­ тарные частицы, получающиеся в результате такого де­ ления, очень отличаются от всего, что было известно до этого.

И теперь вопрос об элементарности поставлен по-но­ вому, значительно шире. Что же является элементар­ ным? Из чего составлены все элементарные частицы? Среди физиков обсуждаются два возможные пути реше­ ния этих вопросов.

1. Из всех известных нам элементарных частиц трудно выделить некоторые, так сказать, более элемен­ тарные. Это связано с тем, что при определенных усло­ виях все эти частицы могут превращаться друг в друга или порождать друг друга. Так, свободный нейтрон в среднем через 11 секунд распадается на протон, электрон и нейтрино. Но, с другой стороны, при столкновении двух протонов могут появиться среди других частиц и нейтро­ ны. Столкновение нейтронов также способно породить протоны.

Иными словами, мы в равной мере можем считать и то, что протон «входит» в состав нейтрона, и то, что ней­ трон «входит» в состав протона. Это справедливо в от­ ношении всех частиц.

85

Таким образом, каждая элементарная частица как бы состоит из всех остальных и в этом смысле все они одинаково элементарны. Наиболее последовательный сторонник такой точки зрения Д. Чу полушутя назвал такую ситуацию «ядерной демократией». Он считает, что и те частицы, которые предстоит еще открыть, будут не более элементарны, чем уже известные.

2. Вторая точка зрения состоит в том, что существ ют истинно элементарные частицы, и основная задача эксперимента должна состоять в поиске таких частиц. Все остальные частицы являются составными.

Чьи предсказания осуществятся, покажет будущее, может быть, и не так уж далекое. Возможно, как это час­ то бывало в прошлом, разгадка будет совсем иной. Одно бесспорно: физика находится на пороге познания новой, более глубокой структуры материи.

Систематика элементарных частиц

Известно, какую большую роль для построения теории играет правильная научная систематизация накоп­ ленных экспериментальных фактов. Каждый легко мо­ жет сам привести многочисленные примеры, подтверж­ дающие это положение. В этом смысле наиболее убеди­ тельным является периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева.

Открытие определенной симметрии в свойствах хи­ мических элементов позволило Д. И. Менделееву не толь­ ко свести в стройную систему известные элементы, но и успешно предсказать ряд новых, ранее неизвестных. Од­ нако только создание квантовой механики и на ее основе теории атома вскрыло природу закономерностей, обна­ руженных Д. И. Менделеевым.

86

Число известных элементарных частиц в настоящее время почти равно числу химических элементов. Поэтому правильная систематизация их является столь же необ­ ходимой, как и химических элементов в свое время. При этом успех будет нам сопутствовать только в том случае, если удастся правильно выбрать характеристики частиц, по которым их следует классифицировать. Вспомним, ведь именно выбор атомного веса и валентности в качест­ ве основных характеристик определил успех таблицы Д. И. Менделеева.

Наиболее разумными критериями для систематиза­ ции элементарных частиц могут служить характеристики взаимодействий одних частиц с другими, то есть в каких взаимодействиях, процессах распада та или иная части­ ца может участвовать, а в каких нет. Иными словами, следует выяснить, какие типы превращений и взаимодей­ ствий и для каких частиц существуют в природе.

Одной из наиболее удобных характеристик такого рода является величина константы связи, введенная на­ ми в предыдущей главе. Она показывает, насколько сильно взаимодействуют два квантованных поля.

Но каждая элементарная частица является квантом (элементарным возбуждением) соответствующего кван­ тованного поля. Поэтому взаимодействие полей в кван­ товой теории будет проявляться в виде взаимодействия частиц.

Все известные на сегодня взаимодействия частиц рез­ ко делятся по величине константы связи на четыре группы:

1. Гравитационное взаимодействие. Оно имеет чрез­ вычайно малую константу связи и, по-видимому, не иг­ рает заметной роли при взаимодействии частиц. Для на­ глядности укажем, что энергия этого взаимодействия для протонов, удаленных друг от друга на расстояние 10-14 см

87

(характерный размер нуклона), составляет всего 10-38от энергии покоя протона. Следует еще отметить, что кван­ товая теория гравитационногб взаимодействия в настоя­ щее время практически отсутствует.

В дальнейшем мы это взаимодействие рассматривать не будем.

2. Слабое взаимодействие. Константа связи его еще очень мала, но уже значительно больше, чем в гравита­ ционном взаимодействии. Энергия этого взаимодействия для двух протонов на расстоянии 10-14 см друг от друга составляет 10-5 от энергии покоя протона.

Слабое взаимодействие и ответственно за наиболее медленные процессы, происходящие в мире элементар­ ных частиц. Такими, как правило, являются распады. Мы уже упоминали об одном из них. Это распад нейтро­ на на протон, электрон и нейтрино.

Рассеяние же частиц друг на друга за счет этого взаимодействия столь слабо, что при существующей тех­ нике эксперимента изучать его очень трудно. Кроме то­ го, оно нередко маскируется эффектами от более силь­ ных взаимодействий.

3. Электромагнитное взаимодействие. Константа свя-

зи равна 1

Энергия взаимодействия двух протонов на расстоя­ нии 10-14 см друг от друга для данного взаимодействия

составляет 1 от энергии покоя протона.

В предыдущей главе мы уже изучали это взаимодей­ ствие для электронов, позитронов и фотонов. Но взаимо­ действовать электромагнитно могут и все другие части­ цы, имеющие электрический заряд.

4. Сильное взаимодействие. Оно характеризуется наи­ большей константой связи (порядка 15). Неоднократно

88