Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Карл Андерсон, ранее обнаруживший среди оставленных космическими лучами в камере Вильсона следов позитрон, в 1936 году обнаружил след еще одной частицы, траектория полета которой отклонялась меньше, чем у электрона, но больше, чем у протона. Очевидно, что эта частица обладала средней массой, и поначалу физики решили, что это и была предсказанная Юкавой частица.

Но они ошиблись. Обнаруженная Андерсоном частица была лишь в 207 раз тяжелее электрона, то есть намного легче мезона. Кроме того, эта частица существовала лишь в двух вариантах — с положительным зарядом и с отрицательным, причем исходными частицами являются как раз последние; не было даже намека на существование незаряженной разновидности. Но хуже всего то, что частица не вступала во взаимодействие ни с протонами, ни с нейтронами, а юкавская частица должна вступать во взаимодействие с любым встретившимся на пути нуклоном. Мезон же Андерсона практически не вступал ни в какие взаимодействия.

Со временем стало ясно, что существует не один» а несколько различных мезонов и что мезон Андерсона не является частицей обмена, о которой говорил Юкава. Названиям различных типов мезонов присвоили различные приставки (обычно буквы греческого алфавита), и обнаруженный Андерсоном мезон получил название мю-мезон, вскоре сокращенное до мюона.

В ходе изучения свойств мюона выяснилось, что мюон очень похож на электрон. Обе частицы обладали одинаковым зарядом: и у электрона, и у мюона частицей является разновидность с отрицательным зарядом, а античастицей — с положительным. Спин и магнитные свойства мюона и электрона также совпадали. Отличались лишь масса и устойчивость.

Действительно, у любого взаимодействия с участием электрона есть аналог с участием мюона. До своего распада мюон может даже заменять электроны в атомах, образуя мезоатом. В этом случае должен сохраняться угловой момент. Если мы воспользуемся старомодным представлением об электроне как о вращающейся вокруг ядра частице и заменим электрон на мюон, то у вращающегося с той же скоростью, что и электрон, мюона орбита должна быть ближе к ядру. Тогда большая масса мюона компенсируется меньшим радиусом обращения и угловой момент сохраняется (см. ч. I).

Так как мюон в 207 раз тяжелее электрона, расстояние от ядра до мюона должно составлять 1/ 207расстояния от ядра до электрона. Это означает, что в тяжелых атомах орбита мюона первого энергетического уровня должна быть внутри ядра! Тот факт, что мюон свободно вращается внутри ядра, доказывает, насколько мала тенденция мюона вступать во взаимодействие с протонами и нейтронами.

Расстояние между мезонными энергетическими уровнями таких мезоатомов намного больше, чем между электронными энергетическими уровнями обычных атомов. Вместо испускаемых и поглощаемых обычными атомами фотонов видимого света мезоатомы испускают и поглощают фотоны рентгеновских лучей.

Мюон является нестабильной частицей, превращающейся в электрон спустя примерно 2,2 с. Однако по субатомным меркам 2,2 с — это довольно долго, поэтому в этом плане мюон не очень-то и отличается от абсолютно стабильного электрона.

В общем, мюон — это не что иное, как «тяжелый электрон». Но почему тяжелый электрон настолько тяжелее обычного, да и почему он вообще существует, до сих пор неясно.

Хотя мюон и не оказался частицей Юкавы, ее все равно нужно было продолжать искать. В 1947 году английский физик Сесил Пауэлл (1903–1969) поместил в Андах (Боливия) фотопластинки и с их помощью обнаружил среди космических лучей следы мезонов. Эти мезоны были намного тяжелей мезонов Андерсона: их масса была в 273 раза больше массы электрона. Почти как у юкавских частиц.

Оказалось, что они активно взаимодействуют с атомными ядрами, как и должны себя вести юкавские частицы. Частица нового мезона несла положительный заряд, а античастица — отрицательный, как и частицы Юкавы. В конце концов удалось обнаружить и нейтральную разновидность этого мезона, масса которой была чуть ниже массы заряженных частиц (масса незаряженного мезона в 264 раза больше массы электрона).

Новый мезон получил название пи-мезон, или пион. Пион — это и есть та самая частица обмена, о которой говорил Юкава. Нейтроны и протоны состоят из облаков пионов, что было доказано в 1950-х годах Робертом Хофстедтером. Для этого ученый провел бомбардировку нейтронов и протонов электронами, разогнанными в линейном ускорителе до 600 Мэв. Рассеиваясь, электроны проходили сквозь протон, пробивая внешнее облако пионов [143] Подобные открытия заставляют задуматься, какие же из субатомных частиц являются элементарными, то есть не состоящими из еще более мелких и простых частиц. Да и существуют ли такие частицы вообще? Справедлив ли термин «элементарные частицы»? В настоящий момент физики не могут дать ответа на эти вопросы. .

Спин пионов отличается от спина других частиц. Значение спина большинства частиц, о которых мы говорили выше, — нейтрино, электрона, мюона, протона и нейтрона, а также их античастиц — равно ½. Частицы с таким нецелочисленным спином ведут себя согласно статистике Ферми — Дирака (математическому анализу, проведенному Ферми и Дираком), почему и получили общее название ферм ионы. Главное отличительное свойство всех фермионов — подчинение правилу запрета (см. гл. 5).

Спин фотона равен 1, а гравитона — 2. Эти и другие частицы с целочисленным спином, включая атомные ядра ряда элементов, ведут себя согласно статистике Бозе — Эйнштейна, разработанной Эйнштейном и индийским физиком Бозе (1904–1974). Такие частицы называются бозонами. Бозоны не подчиняются принципу запрета.

Из всех открытых частиц первыми отдельными частицами, спин которых равнялся 0, и первыми бозонами, обладающими массой, стали пионы.

Легкость, с которой пион вступает в реакцию с ядерными частицами, — яркий пример сильного взаимодействия реакции, характеризующегося высокой скоростью ее протекания. Движущийся практически со скоростью света пион находится в непосредственной близости от протона или нейтрона всего 10 –23с, однако этого времени вполне достаточно для сильного взаимодействия. Именно сильное взаимодействие удерживает микрочастицы внутри ядра, вопреки силам электромагнитного отталкивания.

Впрочем, существует и другой тип взаимодействия субатомных частиц, для начала которого необходимо гораздо больше времени — не менее одной стомиллионной доли секунды. Радиус такого слабого взаимодействия, как и сильного, очень мал, однако его интенсивность в триллион раз ниже интенсивности сильного взаимодействия. Хотя интенсивность слабого взаимодействия и ниже электромагнитного в 10 млрд. раз, оно все равно гораздо сильнее гравитационной силы, которая считается самой слабой силой в природе.