Частицы-оборотни

В старые времена много рассказывали об оборотнях, да и не только рассказывали, но и верили в них. В наши дни каждый знает, что подобные превращения сверхъесте­ственны. Человек растет, меняется его внешность, но вол­ком он не становится. С куском железа можно производить любые химические реакции, но оно все равно не превра­тится в золото. На основании повседневного опыта мы склоняемся к решению, что в природе не бывает предме­тов-оборотней. Но так ли это?
Были электрон и позитрон, и вот при аннигиляции их больше нет: есть только частицы света — фотоны. Были протон и антипротон, вдруг они превратились в мезоны и фотоны. Не напоминают ли такие превращения проделки оборотней? Элементарные частицы и в самом деле настоя­щие «оборотни» в природе. Основываясь на теории отно­сительности, физикам удалось построить теорию, которая описывает превращения «частиц-оборотней». В этой теории нашли ответ многие интересные вопросы.
Рассмотрим, например, взаимодействие двух электри­ческих зарядов. Почему разноименные заряды притягива­ются? В школьных курсах физики говорится только, что такое притяжение существует, но почему это происходит, не поясняется.
Теория частиц-оборотней дает следующую картину. Электрический заряд излучает кванты электромагнитного поля — фотоны, которые распространяются со световой скоростью и, дойдя до другого заряда, поглощаются им. Происходит как бы игра в «мяч» между электрическими зарядами, причем перебрасываемыми «мячами» служат фотоны. Те фотоны, которые свободно движутся в про­странстве, образуют окружающее заряды электромагнитное поле. Путем такой «игры в мяч» заряды действуют друг на друга: если фотонами обмениваются одноименные заряды, между ними возникают силы отталкивания, если же раз­ноименные заряды,— силы притяжения.
Интересно, что электрические заряды не содержат фотонов. Фотон возникает только в момент излучения и, поглощаясь в другом заряде, снова полностью исчезает. В этом проявляется характер «фотона-оборотня».

В старые времена много рассказывали об оборотнях, да и не только рассказывали, но и верили в них. В наши дни каждый знает, что подобные превращения сверхъесте­ственны. Человек растет, меняется его внешность, но вол­ком он не становится. С куском железа можно производить любые химические реакции, но оно все равно не превра­тится в золото. На основании повседневного опыта мы склоняемся к решению, что в природе не бывает предме­тов-оборотней. Но так ли это?
Были электрон и позитрон, и вот при аннигиляции их больше нет: есть только частицы света — фотоны. Были протон и антипротон, вдруг они превратились в мезоны и фотоны. Не напоминают ли такие превращения проделки оборотней? Элементарные частицы и в самом деле настоя­щие «оборотни» в природе. Основываясь на теории отно­сительности, физикам удалось построить теорию, которая описывает превращения «частиц-оборотней». В этой теории нашли ответ многие интересные вопросы.
Рассмотрим, например, взаимодействие двух электри­ческих зарядов. Почему разноименные заряды притягива­ются? В школьных курсах физики говорится только, что такое притяжение существует, но почему это происходит, не поясняется.
Теория частиц-оборотней дает следующую картину. Электрический заряд излучает кванты электромагнитного поля — фотоны, которые распространяются со световой скоростью и, дойдя до другого заряда, поглощаются им. Происходит как бы игра в «мяч» между электрическими зарядами, причем перебрасываемыми «мячами» служат фотоны. Те фотоны, которые свободно движутся в про­странстве, образуют окружающее заряды электромагнитное поле. Путем такой «игры в мяч» заряды действуют друг на друга: если фотонами обмениваются одноименные заряды, между ними возникают силы отталкивания, если же раз­ноименные заряды,— силы притяжения.
Интересно, что электрические заряды не содержат фотонов. Фотон возникает только в момент излучения и, поглощаясь в другом заряде, снова полностью исчезает. В этом проявляется характер «фотона-оборотня».

Таблица  9
Силы, возникающие при обмене фотонами и мезонами

Силы, возникающие при обмене фотонами и мезонами

1 ферми равняется 10-13 см.

Проблема ядерных сил оказалась одной из самых труд­ных задач для физиков: Колоссальной должна быть сила, объединяющая протоны и нейтроны в плотное ядро, на­столько плотное, что «горстка» атомных ядер, если бы их удалось собрать, весила бы больше, чем весь флот земного шара. Влияние ядерных сил незаметно за пределами ядра. Как это объяснить? Протоны и нейтроны, находящиеся в ядре, также «играют в мяч», только их «мячи» — не фото­ны, а мезоны. Вычисление показывает, что возникающие таким путем силы куда больше, чем электрические силы, но их влияние не распространяется далеко. В табл. 9 срав­ниваются силы электрического отталкивания между двумя протонами и силы притяжения, возникающие между двумя протонами вследствие обмена мезонами. При этом предпо­лагается, что электромагнитное взаимодействие осущест­вляется с помощью фотонов, а неэлектромагнитное — по­средством п-мезонов с массой покоя, равной 273 массам электрона.

 
ависимость сил, действующих меж­ду двумя протонами, от расстояния между ними.
 
Рис. 46.   Зависимость сил, действующих меж­ду двумя протонами, от расстояния между ними.
Сплошная линия изобража­ет электростатическую силу отталкивания, возникаю­щую при обмене фотонами; пунктирная линия—силу притяжения, возникающую при обмене мезонами
 
Не только протоны, но и нейтроны обмениваются п-ме-зонами. Так в ядре возникают ядерные силы мезонного происхождения, связывающие одинаково сильно все нук­лоны ядра.
Отличие мезонных сил от электромагнитных особенно наглядно показано на рис. 46. Здесь на горизонтальной оси отложено расстояние между двумя протонами, на вер­тикальной — величина сил взаимодействия между прото­нами в килограммах. На маленьких расстояниях силы мезонного притяжения много больше сил электрического отталкивания, при больших же расстояниях мезонные силы становятся практически равными нулю. Рис. 46 позволяет оценить размеры атомного ядра. Так как ме­зонные силы превышают электрические до расстояния примерно 7 ферми, то атомные ядра, удерживаемые ими? в устойчивом состоянии, не могут быть намного больши­ми. Опыты показывают, что эта величина действительно очень близка к истинным размерам ядра.
Мезоны бывают положительные, отрицательные и ней­тральные. Это обусловливает различные дополнительные явления в атомных ядрах. Например, протон, излучая по­ложительно заряженный мезон, отдает мезону свои заряди сам превращается в нейтрон. А тот нейтрон, который пог­лотит положительный мезон, превращается в протон. Мо­жет случиться и иначе. Нейтрон может излучить отрица­тельно заряженный мезон и при этом приобрести поло­жительный заряд (превращается в протон). Если какой-нибудь протон в свою очередь захватит этот отрицательныи мезон, то он утратит свои заряд и превратится в нейтрон. В ядре все время происходят превращения про­тонов в нейтроны и наоборот, но суммарное число нукло­нов (протонов и нейтронов) в ядре остается неизменным. Эти выводы следуют из теории взаимных превращений ядерных частиц, основывающейся на теории относитель­ности.
Теперь мы в своем рассказе дошли до границ, отделяю­щих известное от неизвестного. В теории происхождения ядерных сил еще много не выясненных вопросов. Перед ученым и здесь открывается безграничная область иссле­дований. Чтобы распознать секреты частиц-оборотней, потребуется еще много работы, и можно надеяться, что некоторые из молодых читателей приложат здесь свои силы.
Согласно современным взглядам, частицы-оборотни воз­никают не только из других частиц, они могут появиться на чрезвычайно короткое время и в совершенно «пустом» пространстве. В пространстве, которое мы считаем совер­шенно пустым, т. е. в вакууме, фотоны возникают и сразу же исчезают. Здесь образуются также мгновенные электронно-позитронные пары. Может случиться даже так, что такая мгновенная электронно-позитронная пара аннигили­рует и появится фотон, который сразу же исчезнет. Может
случиться и так, что мгновенный фотон будет порождать мгновенную электронно-позитронную пару. В микрообла­стях пустого пространства происходят удивительные про­цессы очень сложного характера. Эти процессы возможны потому, что даже «пустое» пространство не есть «ничто», а имеет определенные физические свойства.
На большие тела такие мгновенные частицы заметного влияния не оказывают. Другое дело, например, электрон. Если рядом с ним образуется пара, состоящая из электрона и позитрона, то они будут действовать на электрон. Может случиться, что мгновенный позитрон будет анниги­лировать с первоначальным электроном, причем останется электрон, образовавшийся из вакуума. Но так как один электрон ничем не отличается от другого, то непосред­ственно мы такой подмены не заметим, однако косвенно это можно выявить.
Все происходящие в вакууме процессы оказывают на электрон воздействие, которое можно измерить. И что самое интересное — предсказанное теоретически влияние совпа­дает с результатами измерения. Эксперимент и теория нахо­дятся в хорошем согласии, но все же теоретики не вполне довольны. Дело в том, что теория, объясняющая действие «вакуумных процессов» на электрон, не находится в до­статочно хорошем согласии с теорией относительности. И здесь проявляется незыблемая вера физиков в теорию от­носительности: исправить пытаются не теорию относитель­ности, а теорию, объясняющую влияние вакуума на элек­трон. В значительной мере это уже удалось сделать.