Двуличность элементарных Частиц
Квантовая механика, созданная для познания свойств микромира, оказалась бессильной ответить на самые насущные вопросы: почему существуют именно такие микрочастицы, какие мы наблюдаем, почему они обладают именно такими, известными нам из опыта, значениями массы и заряда? Теория была вынуждена принять частицы и их характеристики как факт. Затем уже она могла «строить» из них атомы и молекулы, вычислять их свойства, например, закономерности спектров, силы, удерживающие электроны на орбитах и объединяющие атомы в молекулы, и многое другое. В этом смысле квантовой механике присущи черты феноменологической теории, в уравнения которой входят постоянные, определяемые непосредственно из опыта.
При попытке вычислить энергию электрона квантовая механика приводила к бесконечно большим величинам. Однако бесконечно большая энергия, как показывает теория относительности, соответствует бесконечно большой массе, что никак не совместимо с опытом, дающим вполне определенное значение массы электрона. Такие бесконечности возникали в квантовой механике во многих случаях. Чаще всего, как в задаче о собственной энергии электрона, они появлялись вследствие того, что частицы, в том числе и электроны, выступают в квантовых теориях как точечные образования, не имеющие размеров, а при расчетах одновременно применялись методы новой, квантовой физики и старой — классической.
Для того чтобы избежать противоречащих опыту бесконечных величин, требовалось радикальное изменение теории. Мобилизуя все возможные способы, используя все лазейки, которые можно было отыскать в старых теориях, и отваживаясь на попытки, не имеющие прецедентов в прежней практике, ученые ухитрялись проникать все глубже и глубже в твердь микромира, а точнее — в его «зыбкость». Первого успеха добилась квантовая электродинамика — теория, объединившая то, что казалось непримиримым: свойства электромагнитного поля с квантовой структурой вещества и энергии. Можно сказать, что это примирение основано на компромиссе. Одной из опор служит ощущение гармонии, симметрии между частицами и полями, осознание того, что изменение одного влечет за собой определенное изменение другого. Осознание их кровной связи, их единой природы. Симметрия частиц и поля и стала путеводной, нитью в поисках единой судьбы мира.
Подобная идея привела японского физика Юкаву к созданию теории ядерных сил — поразительной основополагающей теории, роль которой можно уподобить роли одного из китов, на которых держится мир. Юкава предположил, что протоны и нейтроны внутри ядра удерживаются полем, порождающим чрезвычайно большие силы, если расстояния между частицами меньше диаметра ядра. Причем эти силы очень быстро убывают при увеличении расстояния за пределы ядра. Для того чтобы поле обладало этими свойствами, нужно, чтобы его кванты были очень отличны от квантов электромагнитного поля — фотонов. Фотоны движутся со скоростью света и не могут двигаться с другой скоростью. Их масса покоя равна нулю. Поэтому электромагнитное поле действует на очень больших расстояниях, конечно, с увеличением расстояния его действие постепенно ослабевает. Расчеты показали Юкаве, что именно обеспечивает известные свойства ядерных сил, обладающих большой величиной в пределах ядра и быстро убывающих за его пределами: квантами этого поля должны быть особые частицы с массой, примерно в 300 раз превышающей массу электрона. Когда Юкава предсказал эти частицы, ни один опыт не намекал на их реальное существование. Но эти частицы, названные мезонами (промежуточными, так как величина их массы расположена между массами электрона и протона), впоследствии были обнаружены на опыте. Обладая массой покоя, они, конечно, не могут двигаться со скоростью света. Это и обеспечивает чрезвычайную малость зоны действия ядерных сил. Позже эти частицы получили наименование пи-мезонов, ибо были открыты и другие частицы, входящие в семейство мезонов.
Сравнение свойств протона и нейтрона, сильно отличающихся зарядом (заряд протона +1, заряд нейтрона 0) и мало отличающихся по массе (нейтрон лишь на 0,13 % тяжелее протона), заставило ученых задуматься: не существует ли еще одна, дотоле неведомая симметрия, объединяющая микрочастицы в своеобразные группы?
Успех теории ядерных сил дал новый толчок развитию науки. Предстояло объяснить несколько фактов, обнаруженных экспериментаторами, но оставшихся непонятными. Было, например, установлено, что частицы, возникающие за очень короткое время в результате сильных ядерных взаимодействий, затем могут через очень длительное время самопроизвольно распасться без всяких видимых причин. Для объяснения этого и некоторых других фактов пришлось предположить существование еще одного типа сил, получивших наименование слабых, ибо они в 100 000 раз слабее тех, которые ответственны за взаимодействия ядерных частиц, и примерно в 1000 раз слабее сил электромагнитного взаимодействия.
Стабильность большинства ядер, состоящих из протонов и нейтронов, приводит к заключению о том, что сами протоны и нейтроны столь же устойчивы. Однако наблюдения над свободными нейтронами показали, что это не так. В среднем через пятнадцать минут свободный нейтрон распадается, порождая протон, электрон и нейтрино. В некоторых неустойчивых ядрах аналогичные распады наблюдаются и внутри ядра. Этот процесс, называемый бета-распадом, состоит в том, что из ядра вылетает электрон, а положительный заряд ядра увеличивается на единицу. При этом баланс энергии и импульса, измеренный со всей тщательностью, не сходится. Энергия и импульс первоначального ядра оказываются больше, чем сумма энергии и импульса дочернего ядра и электрона. Убеждение в необходимости соблюдения законов сохранения энергии и импульса привело в этом случае к предсказанию существования нейтрино, неизвестных ранее незаряженных частиц, уносящих недостающую энергию и импульс. Впоследствии нейтрино были обнаружены.
Устойчивость ядер и устойчивость нейтронов внутри большинства ядер обеспечивается сильными ядерными взаимодействиями. Распад нейтрона вызывается слабыми взаимодействиями. Они проявляются в полной мере лишь внутри ядерных частиц, вне — чрезвычайно слабы. Даже внутри нейтрона они в 1000 раз слабее электромагнитных взаимодействий. Однако недавно удалось обнаружить, что эти силы действуют и в масштабах атома. Все это, вместе взятое, позволило ученым рассматривать протоны и нейтроны как два варианта одной и той же ядерной частицы— нуклона.
Это могло бы показаться чистой мистикой, не будь столь парадоксальное утверждение основано на реальном фундаменте многочисленных экспериментов. Нуклон, эта двуединая частица, выступает под единой личиной только внутри ядер атомов более тяжелых, чем водород. Внутри ядер электрический заряд не принадлежит отдельным протонам. Он полностью коллективизирован. Можно представить себе, что ядро является каплей нуклонной жидкости, удерживаемой вместе действием ядерных сил, проявляющихся в том, что отдельные нуклоны постоянно обмениваются между собой пи-мезонами. При этом электрические заряды покидают отдельные протоны и оттесняются к поверхности капли.
При ядерных реакциях некоторые частицы покидают ядро. Самые легкие из свободных частиц, имеющих положительный заряд — позитроны — являются античастицами электронов и в земных условиях очень быстро гибнут, встречаясь и аннигилируя с электронами. Самые простые из ядерных частиц, имеющие единичный положительный заряд, оказываются протонами. Их ядерные близнецы, не имеющие заряда, называются нейтронами. Разница между ними может быть обнаружена только при помощи электромагнитных взаимодействий. Нейтроны не реагируют ни на электрическое, ни на магнитное поля, ни на электромагнитные волны. Протоны притягиваются или отталкиваются электрическими зарядами, в соответствии с их знаком, их путь искривляется в магнитном поле, на них можно воздействовать электромагнитными волнами. Правда, эти различия можно обнаружить, лишь когда протон и нейтрон свободны, то есть находятся вне ядер, вне действия ядерных сил, в сто раз превосходящих по величине электромагнитные силы.
