Ядерные силы

Психология и физиология восприятия информации

Ядерные силы

Квантовая электродинамика описывает взаимодействие электрических зарядов или токов, как процесс обмена фотонами. Один заряд испускает фотон, и он практически сразу поглощается другим зарядом. Этих фотонов никто не видит, как говорят, обмен идет виртуальными фотонами, но иногда испущенный фотон не поглощается, уходит в окружающее пространство - это процесс излучения электромагнитной волны, или излучения фотона. Интенсивность электромагнитного взаимодействия определяется, естественно, величиной электрического заряда е. Какую размерность имеет заряд? Из теории нетрудно вывести, что его квадрат е² имеет размерность энергии, умноженной на расстояние. Но как раз такую же размерность имеет произведение двух фундаментальных постоянных - постоянной Планка и скорости света. А отсюда следует замечательный факт: отношение

не имеет размерности, его величина не изменяется, в каких бы системах единиц мы ни измеряли входящие в него величины. Эта величина, ее называют постоянной гонкой структуры, равна

Тот факт, что постоянная тонкой структуры L столь мала, играет важную роль в нашем мире. Можно, не очень греша против истины, сказать, что теоретически вероятность излучения двух квантов в 137 раз меньше, чем вероятность излучения одного. Только поэтому мы имели право говорить, что взаимодействие зарядов описывается как обмен одним фотоном. Как говорят, электроны слабо взаимодействуют с электромагнитным полем, почти в любую формулу с их участием входит малая величина ¹/₁₃₇ Казалось бы, успех электродинамики должен был спровоцировать физиков применить те же соображения и к другим силам, которые действуют в природе.

Наиболее известные силы - это силы всемирного тяготения, но о них было известно очень мало, известна была лишь великая формула Ньютона и больше ничего. Удивительным образом этого оказалось достаточно для создания общей теории относительности, теории, связавшей тяготение с геометрией пространства. Понадобилось очень много времени, чтобы при таком подходе увидеть нечто общее между тяготением и электромагнетизмом.

Другие силы, о которых стало известно после открытия Резерфордом атомного ядра,- это силы ядерные, определяющие так называемое сильное взаимодействие. Ядерные силы связывают протоны и нейтроны в ядре, и, казалось бы, их теорию было бы естественно строить по аналогии с электродинамикой.

Однако ядерные силы обладают странной особенностью: для них не существуют формулы типа формулы Кулона, они действуют лишь на очень малых расстояниях, на расстояниях порядка 1 ферми: на больших расстояниях их действие как бы обрывается и ядерные силы не действуют вообще. Поэтому обмен какими-то аналогами фотона, родственниками фотона, не мог дать правильную картину сильного взаимодействия.

Как это ни кажется странным сейчас (а история всегда кажется потом странной), только в 1935 году Юкава понял, в чем дело. По-видимому, нужна была большая смелость (во всяком случае, нужно было не бояться критиков), чтобы, основываясь только на одном свойстве ядерных сил - их короткодействии,- заявить: квант, который переносит ядерное взаимодействие это новая неизвестная частица. Ее надо искать: может быть, она обнаружится в космических лучах - единственном источнике частиц с большой энергией, известном в то время. Конечно, после открытия нейтрона (1932 год) нельзя было утверждать, что все составные части микромира известны, но все же теоретическое предсказание Юкавы было не менее сенсационным, чем предсказание новой планеты, когда астрономы уверены, что они знают все о нашей Солнечной системе.

Юкава понял, как возникает короткодействие: для этого квант должен иметь массу покоя. Теория показывает, что если квант имеет массу т, то в выражении для ядерных сил появляется экспоненциальный множитель

(где r величина порядка h/mc), который "обрезает" взаимодействие на расстоянии порядка r₀.

Этот результат теории, о котором уже упоминали, можно иллюстрировать таким (не точным) рассуждением. Мы знаем, что кванты, которыми обмениваются частицы, виртуальные. Это, в частности, означает, что они испускаются в нарушение закона сохранения энергии. Рассмотрим протон, который покоится. Чтобы испустить квант массы m, он должен получить откуда-то энергию, не меньшую, чем mc² В классической физике ему занимать энергию неоткуда, но квантовая механика разрешает протону нарушить закон сохранения энергии, если только это нарушение будет длиться не более, чем

порядка h/mc². Это есть знаменитое соотношение неопределенностей между временем и энергией. За время

квант не может улететь дальше, чем на расстояние

порядка h/mc что и объясняет появление такой величины в экспоненциальной зависимости, написанной выше.

Раньше мы получали эту формулу иначе. Если фотону отвечает обычная плоская электромагнитная волна, то кванту с массой m отвечает волна, затухающая на расстоянии r₀ порядка h/mc. Величину h/mc обычно называют комптоновской длиной волны часстицы с массой m. Происхождение этого названия ясно: раз энергии отвечает частота hw, то покоящейся частице отвечает частота mc²/h. Отсюда формально можно вычислить длину волны, поделив скорость света на частоту.

Мы привели несколько формул, в которых присутствует масса кванта, но запомнить нужно лишь один важный факт: если квант имеет массу, то силы, которые "обеспечиваются" за счет обмена этим квантом, оказываются короткодействующими. Можно сказать, что электромагнитные силы не имеют ограниченного радиуса действия, потому что фотон не имеет массы.

Опыт блестяще подтвердил смелую гипотезу Юкавы. Правда, не обошлось без комического происшествия. Радиусу взаимодействия 1,2 ферми (примерно такую величину получали на опыте) отвечала масса промежуточного бозона (его называли мезотроном), около 140 МэВ, что в 280 раз больше массы электрона. Открытый вскоре мюмезотрон (мюон, или мю-мезон, как его называют сейчас) имел несколько меньшую массу - 105 МэВ. А дальше еще хуже: выяснилось, что мюон слабо взаимодействуете веществом, свободно пролетая всю толщу атмосферы Земли, чего, конечно, никак нельзя было ожидать от переносчика ядерных сил. Долго физики ломали голову над новым парадоксом, пока в 1947 году не был открыт пи-мезон (пион), который и оказался частицей, предсказанной Юкавой. Мюон же был переквалифицирован: он был освобожден от роли переносчика ядерных сил и переведен в отдел лептонов, где до этого находились лишь электрон и его нейтрино v_x. Несколько лет назад в этом семействе появился еще и тяжелый (2000 МэВ) таон (тау-мезон), которому сопутствует еще третье (таонное) нейтрино vx. Пион также не удержался на своем месте. Переносчиком ядерных сил оказались глюоны, и роль пионов стала менее ответственной. Но это уже другая тема.

Теперь мы знаем почти все, что нужно для объяснения свойств переносчиков слабого взаимодействия промежуточных бозонов, и можем понять, как были предсказаны эти свойства.

Главное меню

Зрительное восприятие

Слух, обоняние, вкус

О жажде

Что такое жажда

Головной мозг

Дополнительно