Ядра и частицы
Ядра и частицы 

Из чего состоят ядра, и что удерживает их части вместе? Было обнаружено, что внутри ядра связаны невероятно мощными силами. Когда эти силы высвобождаются, выделяемая энергия по сравнению с химической энергией огромна, все равно, что сравнить взрыв атомной бомбы со взрывом тротила. Это объясняется тем, что атомная бомба использует внутриядерные силы, тогда как взрыв тротила — изменения электронов во внешних оболочках атома. Вопрос в том, что за силы удерживают вместе протоны и нейтроны в ядрах? Юкава предположил, что, подобно тому как электрическое взаимодействие может быть связано с частицей, фотоном, так внутриядерные силы образуют некоторое поле, а колебания этого поля ведут себя как частицы. Таким образом, в мире могут существовать другие частицы, кроме протона и нейтрона, и Юкава смог вывести свойства этих частиц из уже известных характеристик ядерных сил. Например, он предсказал, что они должны иметь массу в 200-300 раз большую массы электрона; и вот, представьте себе, в космическом излучении были открыты частицы точно такой массы! Правда, впоследствии оказалось, что это совсем не те частицы. Они были названы ц-мезонами, или мюонами. Однако чуть позже, в 1947 или 1948 гг., была открыта другая частица, л-мезон, или пион, которая соответствовала критериям Юкавы. Выходит, чтобы получить внутриядерные силы, мы должны к протону и нейтрону добавить еще и пионы. Теперь вы могли бы воскликнуть: «Как здорово! При помощи этой теории мы построим квантовую ядродинамику, используя пионы именно так, как предполагал Юкава, и если эта теория будет работать, то можно будет объяснить все». На этот раз не повезло. Оказалось, что эта теория требует таких сложнейших вычислений, что никто до сих пор не смог точно установить, каковы практические следствия из этой теории, тем более — проверить их экспериментально, и эта работа продолжается уже почти 20 лет! Так что мы увязли в теории, и мы не знаем, верна она или нет; впрочем, мы знаем, что она отчасти неверна, что в ней че-го-то недостает. Пока мы топтались вокруг теории, пытаясь вычислить, каковы должны быть следствия из этой теории, экспериментаторы открывали кое-что новое. Например, они открыли эти ц-мезоны, или мюоны, и мы до сих пор не знаем, на что они годятся. Кроме того, в космическом излучении было открыто множество «лишних» частиц. На сегодняшний день оказывается, что нам известно свыше 30 частиц, и очень трудно понять связь между ними, для чего они нужны природе и кто из них от кого зависит. Сегодня эти частицы не предстают как различные проявления единого целого, и то обстоятельство, что у нас столько не связанных между собой частиц, означает просто, что у нас слишком много бессвязной информации и нет хорошей теории для ее объяснения. После огромных успехов квантовой электродинамики у нас появился набор сведений из ядерной физики, но эти знания довольно обрывочны, нечто, состоящее наполовину из эксперимента, наполовину из теории. Предполагается, что между протонами и нейтронами существует некоторого рода взаимодействие, и вычисляется, каковы могли бы быть его следствия, но мы не понимаем толком, откуда берутся эти силы. А в остальном мы продвинулись совсем немного. У нас набралось огромное количество химических элементов, и внезапно между ними нам удалось увидеть связь, выраженную в периодической системе Менделеева. Например, натрий и калий — вещества, близкие по своим химическим свойствам, и находятся в одном и том же столбце таблицы Менделеева. Мы пытались найти что-то подобное периодической таблице для новых частиц. Одна такая таблица для новых частиц была предложена независимо друг от друга Гелл-Маном в США и Нишиджимой в Японии. Основой их классификации стало новое число, наподобие электрического заряда. Оно присваивается каждой частице и называется «странность», S. Это число (подобно электрическому заряду) сохраняется неизменным в реакциях, производимых ядерными силами. В таблице 2.2 перечислены все частицы. На данном этапе мы не можем подробно рассматривать их, но эта таблица, по крайней мере, показывает вам, как много мы знаем. Под каждой частицей написана ее масса в определенных единицах, которые называются мегаэлектронвольт, или МэВ. (МэВ равняется 1,782 х 10 " г.) 

 

Причина, почему была избрана именно эта единица измерения, чисто историческая, и мы не будем сейчас в это вдаваться. Частицы с большей массой помещены вверху таблицы; видно, что протон и нейтрон имеют почти одинаковую массу. В вертикальных столбцах помещены частицы с одинаковым электрическим зарядом, все нейтральные — посередине, положительно заряженные — справа от него, все отрицательно заряженные — слева. Частицы подчеркнуты сплошной линией, «резонансы» — пунктирной. Несколько частиц не вошли в таблицу. Среди них очень важные частицы с нулевым зарядом и массой — фотон и гравитон (они не вписываются в барион-мезон-лептонную схему классификации), так же как некоторые недавно открытые резонансы. Античастицы мезонов приведены в таблице, но античастицы лептонов и барионов пришлось бы представить в другой таблице, которая выглядела бы почти точно так же, лишь в зеркальном отражении относительно нулевой колонки. Хотя все частицы, за исключением электрона, нейтрино, фотона, гравитона и протона, нестабильны, продукты их распада показаны только для резонансов. Понятие странности к лептонам неприменимо, потому что они не вступают в сильное взаимодействие с ядрами. Все частицы, стоящие вместе с нейтронами и протонами, носят название барионы. Это «лямбда», с массой 1154 МэВ, и еще три под названием «сигма», называемые сигма-минус, сигма-нуль, сигма-плюс, с почти одинаковыми массами. Группы частиц с массами, отличающимися на 1-2%, называются мультиплетами. У всех частиц, входящих в мультиплет, одинаковая странность. Первый мультиплет — это протон-нейтронная пара (дублет), затем идет синглет (одиночка) лямбда, затем триплет (тройка) сигм и, наконец, дублет кси и синглет омега-минус. Совсем недавно, в 1961г., было открыто и еще несколько тяжелых частиц. Да и вообще, частицы ли это. Они живут такое короткое время (распадаются, едва возникнув, на А и я), что мы не знаем, рассматривать ли их как новые частицы, или как некоторый вид «резонансных» взаимодействий между А и я при некоторой фиксированной энергии. Помимо барионов, существуют другие частицы, участвующие в ядерных взаимодействиях — мезоны. Во-первых, это три разновидности пионов (плюс, нуль и минус), они образуют новый триплет. Найдены также новые частицы, получившие название К-мезонов, они образуют дублет, К и И здесь также каждая частица имеет свою античастицу, если только она сама не является своей античастицей. Например, п и античастицы, но сама себе античастица античастицы. Кроме того, в 1961 г. мы обнаружили также еще некоторые мезоны или вроде-мезоны, которые распадаются почти мгновенно. Диковина под названием со, распадающаяся на три пиона, имеет массу 780 по этой шкале; и существует нечто менее определенное, распадающееся на два пиона. Эти частицы, называемые мезонами и барионами, и античастицы мезонов представлены в той же таблице, но античастицы барионов нужно поместить в другую таблицу, «зеркальное отражение» первой относительно столбца нулевого заряда. Точно так же, как очень удачная таблица Менделеева в конце имела «хвост» выпадающих из нее редкоземельных элементов, так и у нас некоторые частицы не умещаются в эту таблицу. Это те частицы, которые с ядрами сильно не взаимодействуют, никак не связаны с ядерными взаимодействиями и между ними также нет сильного взаимодействия (я имею в виду огромной мощности тип взаимодействия, дающий ядерную энергию). Эти частицы называются лептонами. Среди них — электрон, имеющий по этой шкале очень маленькую массу, всего лишь 0,510 МэВ. Затем идет ц-мезон, или мюон, с массой в 206 раз большей массы электрона. Насколько мы можем судить из экспериментов, вся разница между электроном и мюон ом заключается в их массе. Все свойства мюона, все взаимодействия ничем не отличаются от свойств электрона — только один тяжелее другого. Почему существует еще одна такая частица, как электрон, только более тяжелая, и для чего она предназначена? Мы не знаем. Вдобавок есть еще нейтральный лептон — нейтрино с нулевой массой. На самом деле, сейчас уже известно, что есть два различных вида нейтрино, один, связанный с электронами, и другой — смюонами. И, наконец, существуют еще две частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях с ядерными частицами: одна из них — фотон и, если поле тяготения аналогично квантовомеханическому (квантовая теория тяготения еще не разработана), то, возможно, существует еще одна частица с нулевой массой, гравитон. Что значит «нулевая масса»? Массы, приведенные здесь, это массы покоящихся частиц. Тот факт, что частица имеет нулевую массу покоя, значит, между прочим, что она не может находиться в состоянии покоя. Фотон никогда не стоит на месте, он движется со скоростью 300 ООО км/с. Мы сможем лучше понять, что означает понятие массы, когда разберемся в теории относительности. Таким образом, перед нами огромное количество частиц, которые все вместе, по-видимому, образуют фундаментальные составляющие части вещества. К счастью, не все эти частицы отличаются по своим взаимодействиям друг от друга. На самом деле, как сейчас представляется, существуют только четыре типа взаимодействий между частицами. Если расположить их в порядке убывания, то получим: ядерные силы, электрические взаимодействия, Р-распадное взаимодействие и тяготение. Фотон взаимодействует со всеми заряженными частицами, причем сила взаимодействия определяется некоторым постоянным числом, а именно 1/1з7. Закон, детально описывающий это взаимодействие, известен — это квантовая электродинамика. Тяготение взаимодействует с любой энергией, но сила этого взаимодействия ничтожно мала, намного слабее, чем электричество. Этот закон также известен. Затем следуют так называемые слабые распады — p-распад, в ходе которого относительно медленно нейтрон распадается на протон, электрон и нейтрино. Этот закон выяснен лишь отчасти. Так называемое сильное взаимодействие (мезон-барионное взаимодействие) обладает по этой шкале силой, равной 1, и закон для него совершенно неизвестен, хотя известен ряд правил, например, что число барионов остается неизменным во всех реакциях. Таблица 2.3. Элементарные взаимодействия 

  

 Вот в таком ужасном состоянии находится сейчас физика. Чтобы подвести итог, я могу сказать следующее: вне ядра мы, похоже, знаем все; внутри ядра квантовая электродинамика также работает — мы не обнаружили таких случаев, где бы она была опровергнута. Ареной, на которой действуют наши знания, можно считать релятивистское пространство-время, возможно, с включенным в него тяготением. Мы не знаем, каково было начало Вселенной, мы ни разу не ставили опытов с целью проверки, насколько точны наши представления о пространстве-времени на малых расстояниях; все, что мы знаем, что наши представления верны вне этих расстояний. Следует также добавить, что правилами этой игры являются принципы квантовой механики, и что эти принципы применимы, насколько мы можем судить, как к уже известным частицам, так и к вновь открываемым. Поиски происхождения ядерных сил приводят нас к новым частицам, в то время как у нас нет полного понимания их взаимных отношений, хотя мы уже знаем, что между ними существуют некоторые удивительные взаимодействия. По-видимому, мы постепенно нащупываем путь к пониманию мира заатомных частиц, но неизвестно, насколько далеко нам еще предстоит идти для достижения этой цели.