Файл: Мякишев Г.Я. Элементарные частицы.pdf

ся. Это время составляет всего лишь Ю - 2 1 сек. Таково ха­ рактерное время электромагнитных процессов. К началу и к концу процесса энергия .одна и та же.

Такую картину рисует современная квантовая теория поля. Никто никогда не наблюдал этих промежуточных фотонов, переносящих взаимодействия между заряжен- _ ными частицами. Более того, теория говорит, что их и нельзя наблюдать с помощью обычных счетчиков или камеры Вильсона. Поэтому подобные фотоны называют виртуальными чтобы как-то отличить их от обычных ре­ альных частиц,'которые можно регистрировать подходя­ щими устройствами. Виртуальные фотоны ведут свое су­ ществование на грани бытия и небытия. Это частицыпризраки, появляющиеся в теории, чтобы сделать, хотя бы в некоторой степени, процессы, происходящие в мик­ ромире, наглядными. Но от обычных призраков, порож­ денных человеческим воображением, они отличаются не­ мало. Привидения рассеиваются, превращаются в ничто, если только попытаться их поймать. Виртуальные же фо­ тоны превращаются в обычные, «добропорядочные» ча­ стицы, если только сообщать электрону дополнительную энергию, ускоряя его движение.

Итак, электромагнитное взаимодействие — это резуль­ тат того, что одна заряженная частица испускает фотоны, а другая их поглощает.

«Образ жизни» заряженной частицы. А может ли ча­ стица сама поглощать испущенные ею же кванты? Ока­ залось, что может. Более того, процесс непрерывного из­ лучения и поглощения виртуальных фотонов составляет суть «жизнедеятельности» любой заряженной частицы. Частица взаимодействует как бы сама с собой.

Величина электрического заряда как раз определяет интенсивность процесса рождения и поглощения фотонов. Так как фотоны переносят взаимодействия, то величина электромагнитных сил будет определяться тем, за какое время происходит рождение и поглощение фотона, т. е. периодом «дыхания» заряженной частицы.

Можно подсчитать энергию взаимодействия частицы самой с собой через виртуальные кванты. Однако такой подсчет привел к удручающе нелепому результату. Эта энергия, а значит, и собственная масса заряженной ча-

1 Виртуальный по-русски означает возможный.

54

Электрон окружен фотонной «шубой».

стицы получилась бесконечно большой. Фотонная «шу­ ба» электрона, а значит, и он сам весят бесконечно мно­ го! Несомненно, взаимодействие с собственным полем должно вносить какой-то вклад в массу частицы. Но не бесконечный же! Выход из этих трудностей до сих пор не найден.

Частицы и античастицы. В 1930 г. английский физик П. Дирак пришел к выводу, что у электрона есть двой­ ник — частица, во всем подобная электрону, но с противо­ положным знаком электрического заряда. Такая частица действительно была обнаружена. Назвали ее позитроном. Как и электрон, эта частица вполне устойчива. Она может существовать сколь угодно долго. Однако стоит пози­ трону встретиться с электроном, как они исчезают (ан­ нигилируют), порождая фотоны высокой энергии.

Может протекать и обратный процесс — рождение электронно-позитронной пары. Например, при столкнове­ нии фотона достаточно большой энергии (его масса дол­ жна быть больше суммы масс покоя рождающихся ча­ стиц) с ядром.

В свое время это буквально потрясло воображение физиков. Электрон, старейшая из частиц, важнейший строительный материал для бесчисленных атомов, на­ дежный, испытанный электрон оказался невечным. Он мог исчезать, мог появляться!

55

После того, как эксперимент блестяще подтвердил предсказания теории, возникло, по словам известного пи­ сателя и физика Ч. Сноу, ощущение полного благополу­ чия. Опять, уже не в первый раз, заговорили о том, что основные законы, управляющие поведением частиц — кирпичиков мироздания, познаны раз и навсегда и теперь остается только применять их для объяснения явлений различной сложности. И, который раз, это оказалось со­ вершенным заблуждением.

Впоследствии • двойники — античастицы — нашлись почти у всех частиц. Античастица имеет ту же массу, что и частица, но все заряды, какие только у нее есть, имеют противоположный знак. (Мы потом увидим, что, кроме электрического, есть еще другие заряды. У некоторых ча­ стиц их не мало.) Обнаружены сравнительно недавно ан­ типротон и антинейтрон.

Сейчас мы хорошо знаем, что рождение пар и их ан­ нигиляция не составляют монополии электронов и пози­ тронов.

Только в исключительных случаях частицы не имеют

зонов нет никаких зарядов, и частица поэтому ничем не отличается от античастицы. При столкновении же они мо­ гут аннигилировать, как и пары частица — античастица. Так, Два фотона, сталкиваясь, могут аннигилировать, да­ вая электронно-позитронную или какую-либо другую пару. Правда, вероятность этого процесса настолько ма­ ла, что он никогда не наблюдался.

Атомное ядро... Квантовая теория движения электро­ нов и взаимодействия их с фотонами, т. е. с электромаг­ нитным полем, превосходно описывает электронную обо­ лочку атома и все события, которые могут в ней произой­ ти. Нет ни одного эксперимента, который количественно не объясняла бы теория. В атоме нет загадок, если не счи­ тать того, что загадочными остаются сами частицы, его слагающие.

До 1932 г. вопрос о строении ядра оставался без от­ вета. Было известно, что ядро простейшего атома, атома водорода, представляет собой положительно заряженную

66

силы из всех, которыми располагает природа. Сейчас физики склонны назызать вещи прямо своими именами и таким образом создавать официальные термины. Сог­ ласно этому обычаю ядерные силы часто называют силь­ ными взаимодействиями. Причем сильные взаимодейст­ вия не сводятся только к взаимодействию нуклонов в ядре. Это особый тип взаимодействия, присущий неко­ торым элементарным частицам наряду с электромагнит­ ными силами.

Другая важная особенность ядерных сил, или сильных взаимодействий,—это их короткодействующий характер. Электромагнитные силы являются дальнодействующими. Они медленно убывают с расстоянием. Ядерные силы за­ метно проявляются, как показывают прямые опыты, лишь на расстояниях порядка размеров ядра— Ю - 1 2 — 10~ 1 3 см. Это, так сказать, гигант с очень короткими руками. Ка­ кова же природа ядерных сил?

Мезоны — кванты ядерного поля. Рассматривая кар­ тину взаимодействия заряженных частиц с позиций кван­ товых представлений, мы обнаружили, что она напомина­ ет игру в волейбол. Заряженные частицы обмениваются (перебрасываются) частицами промежуточного поля — фотонами.

Если не пытаться при исследовании ядерных сил воз­ вращаться к отвергнутой еще в XIX в. концепции дально­ действия, то нужно признать, что взаимодействие между протонами и нейтронами осуществляется посредством особого поля.

Раз есть поле, значит, есть и кванты этого поля, т. е. особые элементарные частицы. Взаимодействие нуклонов внутри ядра должно определяться тем, что они перебра­ сываются какими-то частицами, являющимися перенос­ чиками взаимодействия.

Первым к такому заключению пришел в 1935 г. япон­ ский физик Хидеки Юкава. Принимая во внимание изве­ стный факт, что внутриядерные силы являются коротко­ действующими и на расстояниях, превышающих разме-

58 .

ры ядра, практически никак не сказываются, Юкава су­ мел оценить массу частиц-квантов ядерного поля. С по­ мощью принципа неопределенностей это сделать настоль­ ко несложно, что мы сейчас это тоже проделаем.

Испускание протоном или нейтроном кванта промежу­ точного поля является виртуальным процессом. Энергия кванта е должна укладываться в рамки того разброса энергий, который допускается соотношением неопреде­ ленностей:

Время At, очевидно, есть не что иное, как время пре­ бывания частицы-переносчика взаимодействия в пути, т. е. промежуток между моментом испускания и моментом по­

же путь по порядку величины просто равен радиусу дей­ ствия ядерных сил ( / ~ 1 0 - 1 3 см), а скорость без большой ошибки можно считать равной скорости света. Поэтому;

с

Следовательно, искомая энергия кванта ядерного вза­ имодействия выразится так.-

he

Е = ~ г -

Понятно, что масса, эквивалентная этой энергии, опреде­ лится по формуле:

электрона.и протона. Поэтому новые гипотетические ча­ стицы получили название мезонов, что означает «проме­ жуточная частица».

После того как Юкава предсказал мезоны, экспери­ ментаторы энергично принялись за поиски этих частиц.

59