Так было показано, что принцип неопределенности — это фундаментальное свойство природы, и вы не можете обойти его. Но что самое интересное, на него можно опереться в ситуации, которую без него трудно было бы понять. Примером служит вакуум.
Что такое вакуум? Уберите из пространства все вещество, излучение, силовые поля, тогда все, что останется, можно назвать вакуумом. Вы думаете, что это скучно? Напротив — вакуум полон событий. По Гейзенбергу, энергия любого «события» тем более неопределенна, чем короче происходящее. Если даже средняя энергия вакуума может быть нулевой, то на коротких интервалах времени принцип неопределенности позволяет частицам возникать ниоткуда и исчезать никуда. Говорят, что такие частицы живут за счет «займа Гейзенберга».
Таким образом, вакуум заполнен частицами. Хотя каждая частица живет крошечный промежуток времени, на замену им постоянно рождаются новые. Все обычные постоянные частицы плавают в этом «море» частиц (рис. 17.7. Позже мы обнаружим, что вакуум может иметь еще более странные свойства, которые управляют эволюцией всей Вселенной.
Рис. 17.7. Пары частица-античастица рождаются и аннигилируют даже в космическом вакууме.
Глава 18 Элементарные частицы
К 1932 году сложилось довольно простое представление о структуре вещества. Считалось, что атомное ядро состоит из протонов и нескольких электронов. Эти электроны служили для нейтрализации электрического заряда некоторых протонов, поскольку атомный вес всех элементов, за исключением легкого изотопа водорода, превышает их атомный номер, указывающий электрический заряд ядра. Явление бета-излучения, когда электрон вылетает из ядра, поддерживало мнение о том, что электроны входят в состав ядра. Все вещество состоит из двух типов элементарных частиц: из легких отрицательно заряженных электронов и массивных положительных протонов. Из комбинаций этих частиц можно собрать ядро любого элемента. Добавив нужное число обращающихся вокруг ядра электронов, можно получить любой элемент. А химические соединения элементов дают все многообразие вещества во всех его формах.
Эта простая картина рухнула в «сумасшедшем» для физиков 1932 году. Первым значительным событием этого года стало открытие новой элементарной частицы — нейтрона. Главная заслуга в этом принадлежит Джеймсу Чедвику (1891–1974). Он был студентом Резерфорда в Манчестере, а в момент открытия нейтрона работал заместителем директора Кавендишской лаборатории.
Ядерная сила.
Если бериллиевую мишень бомбардировать быстрыми альфа-частицами, то бериллий начинает испускать неизвестные глубоко проникающие лучи. Сначала Чедвик обнаружил, что эти лучи не являются электромагнитным излучением, а состоят из частиц. Затем он сделал вывод, что эта частица не может иметь электрического заряда, поскольку она проникает в вещество гораздо легче, чем протоны. И, наконец, его опыты со столкновениями показали, что масса этой частицы примерно равна массе протона. Чедвик назвал эту частицу нейтроном из-за ее электрической нейтральности. Написанная им тогда фраза висит в Библиотеке Тринити-колледжа в Кембридже: «Эврика! Я нашел ее!» Но он не верил, что это была элементарная частица, а считал, что она состоит из протона и электрона (то же самое предполагал Резерфорд еще в 1920 году).
В 1932 году в журнале Nature Чедвик высказал подозрение, что нейтрон может быть элементарной частицей. Эта мысль укрепилась спустя два года, когда Чедвик и Морис Гольдхабер измерили массу нейтрона: он оказался немного тяжелее, чем протон и электрон вместе взятые. Это противоречило модели сложной частицы. Более того, вскоре обнаружилось, что между ядерными частицами действует раннее неизвестная сила, которая не различает протоны и нейтроны. Следовательно, нейтрон такая же элементарная частица, как протон.
Эта ядерная сила должна быть силой притяжения, чтобы заряженные протоны не смогли вытолкнуть друг друга из ядра. Внутри ядра эта сила должна превосходить электрическое отталкивание протонов. По современным данным, ядерная сила притяжения между двумя протонами превышает их электростатическое отталкивание примерно в 100 раз. С другой стороны, действие этой силы не может распространяться далеко за пределы атомного ядра, где доминирует электрическая сила, удерживающая электроны в атоме. Поэтому ядерная сила должна ослабевать с расстоянием быстрее, чем по закону обратных квадратов ослабевает электростатическая (кулоновская) сила.
Эту странную ядерную силу объяснил Хидеки Юкава (1907–1981), первый японец, получивший Нобелевскую премию в 1949 году. Чтобы объяснить, как влияние ядерной силы передается между частицами, Юкава предложил новую идею: частица «сообщает» вокруг о своем существовании, излучая частицы-вестники. Когда вестник встречает другую частицу, он передает информацию о своем источнике, и получающая ее частица знает, как на это реагировать. Когда частицы связаны между собой посредством вестников, они знают, что нужно держаться вместе и не разбегаться.
Эта идея была не такой уж необычной для объяснения ядерной силы: электромагнитную силу можно объяснить точно так же. «Кусочки» электромагнитного поля — энергетические пакеты — летают между зарядами, неся свои сообщения. С этой точки зрения, поле электромагнитных сил состоит из фотонов.
Согласно Юкаве, главное различие между электромагнитным полем и полем ядерной силы состоит в массе вестника. Фотоны электромагнитного поля не имеют массы, в то время как вестники поля ядерной силы являются частицами с массой, отличной от нуля. Юкава предсказал, что эти частицы в 200–300 раз тяжелее электрона. Таким образом, вестник ядерной силы должен располагаться по массе между ядерными частицами и электроном (протон в 1836, а нейтрон в 1839 раз тяжелее электрона). Частицы такого типа называют мезонами, из греческого «meso» — средний. Область влияния частицы-вестника зависит от ее массы: чем тяжелее вестник, тем меньше область. Только частицы без массы, такие как фотоны, могут распространять свое влияние на любое расстояние.
В современной физике метание частиц-вестников взад и вперед заменило собой вихри Декарта, действие на расстоянии Ньютона, силовые линии Фарадея и волны в эфире. Разумеется, теориями Ньютона и Фарадея все еще пользуются для вычисления гравитационной и электромагнитной силы. Однако новые силы, открытые в XX веке, лучше описываются методом Юкавы, и сильное ядерное взаимодействие стало первым тому примером.
Юкава предсказал свои частицы-вестники в 1935 году. Через два года в потоках космических лучей (частицы, приходящие на Землю из космоса) была обнаружена новая частица в 207 раз тяжелее электрона; она была хорошим кандидатом в вестники. Время ее жизни оказалось маленьким: в среднем за две микросекунды она разрушается на другие частицы. Однако дальнейшие исследования показали, что эта частица, названная мюоном, скорее является тяжелой формой электрона, а не вестником. Прошло еще 12 лет, и группа Сесила Пауэлла (1903–1969) в Бристольском университете впервые увидела частицу Юкавы — пион. Существуют два типа пионов — заряженный (в 273 раза массивнее электрона) и нейтральный (264 массы электрона).
По нашим меркам, заряженный пион живет очень мало: в среднем 2,6 x 10-8 с. Но нам следует сравнивать время его жизни с «ядерным годом» — временем, необходимым ядерной частице для одного оборота вокруг ядра, а оно составляет всего 10-22 с. Так что пион живет в 1014 раз дольше ядерного года, что выглядит вечностью в ядерной шкале времени. В этой шкале даже нейтральный пион, распадающийся в среднем за 10-16 с, тоже живет очень долго. Если предположить, что «предназначением» пионов в природе является передача ядерной силы, то им нет необходимости жить так долго.
Явления в атомных ядрах и слабая сила.
Мы дошли до картины, в которой атомное ядро содержит одну или нескольких ядерных частиц, движущихся друг вокруг друга в маленьком объеме ядра под действием притяжения ядерной силой. Существует два типа ядерных частиц: протоны и нейтроны. Можно представить облако пионов, мечущихся между этими частицами и создающих ядерную силу. Ядро также может обладать плотными скоплениями двух протонов и двух нейтронов, которые могут выбрасываться из ядра как альфа-частицы. По аналогии с электроном, прыгающим между энергетическими уровнями, ядерные частицы могут так перестраивать свои орбиты, что энергия высвобождается в виде высокоэнергичного гамма-излучения. Энергия ядерных процессов значительно больше, чем атомных, примерно в миллион раз. Этим объясняется преимущество (на единицу веса) ядерного топлива, используемого на атомных электростанциях, по сравнению с химическим топливом обычных электростанций. Этим же объясняется гигантская мощь ядерных взрывов.
