Ричард Фейнман - КЭД – странная теория света и вещества

С наблюдаемой константой связи е – амплитудой поглощения или излучения реального фотона реальным электроном – связан очень глубокий и красивый вопрос. Число е, в соответствии с экспериментами, равно примерно – 0,08542455. (Мои друзья-физики не узнают этого числа, они привыкли пользоваться обратной величиной его квадрата, 137,03597 с погрешностью примерно 2 в последнем знаке. С тех пор, как его открыли свыше пятидесяти лет назад, это число остается тайной. Все хорошие физики-теоретики выписывают это число на стене и мучаются из-за него.)

Вам, конечно, хотелось бы узнать, как появляется это число: выражается ли оно через π, или, может быть, через основание натуральных логарифмов? Никто не знает. Это одна из величайших проклятых тайн физики: магическое число, которое дано нам и которого человек совсем не понимает. Можно было бы сказать, что это число написала «рука Бога», и «мы не знаем, что двигало Его карандашом». Мы знаем, что надо делать, чтобы экспериментально измерить это число с очень большой точностью, но мы не знаем, что делать, чтобы получить это число на компьютере – не вводя его туда тайно!

Хорошая теория гласила бы, что е равно, скажем, √3, деленному на 2π2. Время от времени появлялись предположения, чему равно е, но все они оказались бесполезными. Сначала Артур Эддингтон чисто логически доказал, что число, которое так любят физики, должно быть равно в точности 136 (это тогдашнее экспериментальное значение). После того, как более точные эксперименты показали, что число ближе к 137, Эддингтон обнаружил небольшую ошибку в своих рассуждениях и снова чисто логически доказал, что число равно в точности 137! Время от времени кто-нибудь замечает, что некоторая комбинация π , е (основания натуральных логарифмов), двоек и пятерок образует таинственную константу взаимодействия. Но знали бы те, кто любит играть с арифметикой, как много чисел можно получить, комбинируя π, е и т. д. Вот и следуют сквозь всю историю современной физики одна статья за другой с выводом е с точностью до нескольких значащих цифр – и только для того, чтобы не сойтись с результатами экспериментов после новых, более тщательных измерений.

Хотя мы и вынуждены сегодня прибегать к дурацкому приему для вычисления j, возможно, когда-нибудь будет найдена законная математическая связь между j и е. Это будет означать, что таинственным числом является j , а из него вытекает е. В таком случае, без сомнения, возникнет новая серия статей о том, как вычислить j, так сказать, на пальцах – что j равно 1/ 4 π или что-нибудь в этом роде.

Вот и все проблемы, связанные с квантовой электродинамикой.

Когда я планировал эти лекции, я собирался сосредоточиться только на очень хорошо известном нам разделе физики, описать его со всей полнотой и больше ничего не говорить. Но я профессор (а это означает, что я не способен вовремя остановиться). Поэтому теперь, когда дело сделано, я не могу устоять против искушения рассказать вам немного об остальной физике.

Во-первых, я должен сразу же сказать, что вся остальная физика проверена далеко не так хорошо, как электродинамика. Часть из того, о чем я собираюсь рассказать, – хорошие догадки, часть – не до конца разработанные теории, часть – чистая спекуляция. Так что эта лекция будет выглядеть довольно путано по сравнению с предыдущими. Тем не менее оказывается, что структура КЭД служит отличной основой для описания других явлений в остальной физике.

Я начну с рассказа о протонах и нейтронах, из которых состоят атомные ядра. После открытия протонов и нейтронов считалось, что они простые частицы (простые в том смысле, что их амплитуда попадания из одной точки в другую описывается формулой Е ( А – В ) с другим значением п ). Но очень скоро стало ясно, что это отнюдь не так. Например, магнитный момент протона, если его рассчитывать так же, как магнитный момент электрона, был бы близок к 1. Но на самом деле экспериментально получается нечто нелепое – 2,79! Поэтому быстро осознали, что внутри протона происходит что-то, не объясняемое уравнениями квантовой электродинамики. Нейтрон, если он действительно нейтрален, не должен бы вообще взаимодействовать с магнитным полем. Но у него оказался магнитный момент – примерно 1,93! Так что уже давно было известно, что и в нейтроне происходит нечто сомнительное.

Существовала и еще одна проблема: что связывает протоны и нейтроны внутри ядра? Сразу стало ясно, что это не может быть обмен фотонами, так как силы, стягивающие ядро, слишком велики. (Энергия, необходимая для разрушения ядра, во столько же раз превосходит необходимую для выбивания электрона из атома, во сколько атомная бомба разрушительнее динамита: при взрыве динамита перераспределяются электроны, тогда как при взрыве атомной бомбы перераспределяются протоны и нейтроны.)

Для того чтобы узнать, какая сила удерживает ядро, было поставлено много экспериментов, в которых протоны со все более возрастающими энергиями сталкивались с ядрами. Ожидалось, что вылетать будут только протоны и нейтроны. Но когда энергии стали достаточно большими, начали вылетать новые частицы. Сначала появились пионы, потом лямбда, сигма, ро-частицы, и не хватило алфавита. Тогда появились частицы с числами (их массами): например, сигма-1190 и сигма-1386. Скоро стало ясно, что число частиц в мире не ограничено и зависит от энергии, потраченной на разрушение ядра. В настоящее время открыто более четырехсот таких частиц. Мы не можем смириться с тем, что существуют четыре сотни элементарных частиц – это слишком сложно! [27]

Великие изобретатели вроде Мёрри Гелл-Манна чуть с ума не посходили, пытаясь вывести правила, которым подчиняются эти частицы, и в начале 70-х годов они создали теорию сильных взаимодействий (или «квантовую хромодинамику»), в которой основными действующими лицами являются частицы, получившие название «кварков». Все частицы, состоящие из кварков, разделяются на два класса: одни – типа протона и нейтрона – состоят из трех кварков (они получили ужасное название «барионы»), другие – например пион – состоят из кварка и антикварка (они называются «мезонами»).

Рис. 79 . Наша таблица частиц мира начинается с частиц «со спином 1/2». Это электрон (с массой 0,511 МэВ), и кварки двух «ароматов» u и d (с массой у каждого порядка 10 МэВ). Электрон и кварки имеют «заряд» (т. е. взаимодействуют с фотонами), равный (в единицах константы взаимодействия j) – 1/3, и +2/3.