Постоянная тонкой структуры и постоянная Ферми

Психология и физиология восприятия информации

Как мы видели теория слабого взаимодействия, какой она существовала еще несколько лет назад, совсем не была похожа на электродинамику. В электродинамике элементарным процессом было испускание фотона заряженной частицей, которое на удобном для теории языке описывается как исчезновение электрона и рождение фотона и электрона с другим импульсом - с таким, чтобы удовлетворялся закон сохранения энергии и импульса. На этом языке о распаде нейтрона говорят как об исчезновении нейтрона и рождении сразу трех частиц: протона, электрона и антинейтрино. Хотя для описания распада ядер теория Ферми была достаточно хороша, при переходе к другим процессам различие между электродинамикой и этой теорией оказалось роковым.

В электродинамике, как мы знаем, взаимодействие частиц и поля характеризуется зарядом или безразмерной постоянной тонкой структуры L= 1/137. В теории Ферми появляется другая постоянная, которую называют постоянной Ферми и обозначают GF.

Постоянная Ферми не похожа на электрический заряд ни по величине, ни по размерности.

И из GF нельзя получить безразмерной постоянной, ни с помощью деления на he, них помощью деления на какие-либо другие комбинации h и с. Неприятность происходит от энергии, которая входит в размерность постоянной Ферми. Последствием этого факта оказывается то, что интенсивность взаимодействия (так сказать, "заряд Ферми"), в отличие от электрического заряда, растет с энергией.

Роль безразмерной постоянной или, точнее говоря, постоянной, которая выражается через "фундаментальные постоянные" h и с в теории Ферми, играет не само G_F, а произведение G_F на квадрат энергии Е, выделяющейся в рассматриваемом процессе. Такой вывод связан с очень глубоким свойством нашего мира. В микромире нет фундаментальных постоянных, из которых можно было составить величину, имеющую энергию. Поэтому размерность энергии должна быть связана с массой какой-либо частицы. Это и было первым указанием на то, что в постоянной G_F замешана какая-то масса. Можно даже оценить, какой величины эта масса должна была быть. Если записать постоянную Ферми в виде

и предположить, что L_F должна быть близка должна быть близка по величине к 1/100, как в электродинамике, то видно, что масса M_F должна иметь величину порядка нескольких десятков ГэВ.

Отсюда можно сделать и второй вывод. Если масса M_F действительно имеет реальный смысл, то при энергиях порядка нескольких десятков ГэВ должны появиться процессы, связанные с рождением частиц, масса которых найдена у нас из общих соображений. Таково неизбежное следствие общих законов квантовой механики.

Если производить вычисление разных процессов, то можно прийти к еще более кардинальному выводу: при энергиях, для которых G_F становится порядка единицы (точные расчеты указывают на энергии порядка 600 ГэВ) в процессе рассеяния, например, нейтрино на протонах, число рассеянных частиц нелепым образом оказывается -по формуле больше, чем число падающих. Теоретические формулы переходят, как говорят, "унитарный предел" и становятся просто неверными. Переход к какой-то новой теории стал неизбежен.

Рассуждая о разномерности, мы незаметным образом решили одну важную задачу: мы можем определить радиус действия сил слабого взаимодействия. Действительно, если в процессах играет роль частица с массой M порядка 50-100 ГэВ, то такая частица будет порождать силы с радиусом взаимодействия около 10^-16 см. Это и есть радиус действия сил слабого взаимодействия. Как ни кажется ненадежной такая оценка, открытие бозонов ее блестящим образом подтвердило.

Во всей рассказанной истории есть важная мораль: законы природы имеют универсальный характер, в далеких областях обнаруживаются похожие закономерности. Поэтому аналогии в теории оказываются очень часто значительно более глубокими, чем это предполагалось в начале исследований. Путь от теории Ферми к современной теории Вейнберга, Глешоу и Салама очень похож на путь от теории Ампера к теории Максвелла. Однако понадобилось почти 50 лет, чтобы из многих вариантов теории выбрать тот, который ближе к Максвеллу и который сейчас нам представляется самым естественным.

Взаимодействие частиц, как и ряд других физических процессов, удобно отображать простыми диаграммами, примеры которых приводятся на рисунке. Первая диаграмма (а) описывает распад протона на нейтрон, позитрон и антинейтрино; на второй диаграмме (б) - рассеяние антинейтрино на протонах, в результате чего рождаются нейтрон и позитрон. Одна из диаграмм (в) иллюстрирует идеализированный (по Амперу) процесс взаимодействия двух токов - тока позитронов и тока протонов (для простоты мы "забыли"; что силы зависят от расстояния). Наконец, последняя диаграмма (г) показывает, что взаимодействие токов происходит через некий промежуточный процесс, связанный с излучением и поглощением фотона.

Постоянная тонкой структуры
Фундаментальная постоянная L, характеризующая силу взаимодействия заряженной частицы с лолем. Введена в физику впервые для описания взаимодействия спина электрона с электрическим полем, создаваемым тем же электроном при его движении в атоме (спин-орбитальная связь). Это взаимодействие приводит к тонкой структуре линий в спектре водорода и других атомов, и отсюда и название постоянной L.

Главное меню

Зрительное восприятие

Слух, обоняние, вкус

О жажде

Что такое жажда

Головной мозг

Дополнительно