Маргарита Рютова-Кемоклидзе - Квантовый возраст

Все силы, действующие в природе, сводятся сегодня к четырем (в действительности к трем, и мы к этому вернемся) силам, считающимся фундаментальными. Это гравитационная сила, самая универсальная. Она действует между всеми составляющими материи. Электромагнитная сила, действующая между зарядами, одноименными и разноименными, неподвижными и движущимися. Сильная ядерная сила, действующая внутри ядра и обеспечивающая удержание заряженные протонов и незаряженных нейтронов. Слабая сила, ответственная за радиоактивные превращения, в частности за то, что наше Солнце светит.

Законы действия этих сил различны, и у каждой из них своя «сфера влияния». Гравитационная сила прекрасно описывается законом Ньютона. Она убывает с расстоянием медленно, по закону обратных квадратов, так что ее действие распространяется очень далеко, а по величине она прямо пропорциональна массам взаимодействующих тел. Константа взаимодействия (коэффициент пропорциональности) — очень маленькая величина, так что гравитационная сила существенна лишь для очень массивных тел. Гравитационное взаимодействие двух бильярдных шаров, например, ничтожно, тогда как их взаимодействие с землей мы видим воочию.

Есть еще такой пример. Если бы атом водорода удерживался только за счет гравитационного взаимодействия между электроном и протоном, его размер был бы сравним с размерами видимой Вселенной. Иначе говоря, электрическое взаимодействие, за счет которого удерживается электрон возле протона, в 10 36раз больше их гравитационного взаимодействия. Так что в мире элементарных частиц гравитационным взаимодействием можно пренебречь. Все так, пока мы имеем дело с привычными для нас вещами. Для полного описания теории гравитации понадобился гений Эйнштейна. И это еще не все. Именно гравитационная сила, столь ясно представленная Ньютоном, полностью описанная Эйнштейном в общей теории относительности, оказалась самой строптивой в свете современных представлений.

Электромагнитное взаимодействие не столь универсально, как гравитационное, но именно ему мы обязаны практически всем, что нас окружает: электрическая лампочка, радио, поверхностное натяжение в жидкостях, упругость твердых тел, химические реакции, обыкновенное трение, каждый атом, наконец. И для этих самых разных явлений существует один и тот же свод законов — электродинамика Максвелла.

Там, где начинают сказываться квантовые эффекты, вступает в силу квантовая электродинамика, основы которой заложил Дирак. Исходя из своего уравнения, того самого, которое «описывает почти всю физику», Дирак предсказал существование первой античастицы. Самым существенным в теории Дирака было то, что частицы и силы в ней были объединены в один объект — квантованное поле. Квантовая электродинамика — это теория квантованных сил. Действие этих полей осуществляется с помощью квантов поля — переносчиков электромагнитного взаимодействия — фотонов. Один заряд узнает о существовании другого заряда, получив от него «информацию» в виде фотона. Квантовая электродинамика — самая точная из всех теорий. И по ее подобию строятся теории двух других взаимодействий, сильного ядерного и слабого.

Квантами сильного ядерного поля — переносчиками сильного взаимодействия — являются глюоны. Так же как фотоны осуществляют взаимодействие между электрическими зарядами, глюоны осуществляют взаимодействие между цветовыми зарядами кварков. Глюоны, так же как и кварки, цветные. Glue по-английски клей. Специфика сильного квантового поля такова, что при увеличении расстояния между кварками интенсивность их взаимодействия сначала падает, а затем возрастает настолько, что при расстояниях порядка размеров ядра (10 –13 см) кварки невозможно «растащить» — глюоны склеивают их напрочь. До сих пор ни в одном эксперименте не удалось обнаружить кварки в свободном состоянии. Сильные взаимодействия описываются квантовой хромодинамикой, т. е. квантовой цветодинамикой. Пожалуй, мы дошли до того места, где вправе сказать: «Вначале была механика…» И как здесь не вспомнить слова великого Ньютона: «Не знаю, чем я могу казаться миру, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющим на морском берегу, развлекающимся тем, что от поры до времени отыскиваю камешек более цветистый, чем обыкновенно, или красную раковину, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным» [51, с. 196]. К этому «великому океану истины» и ведут все пути физиков.

Слабое взаимодействие, ответственное за радиоактивные превращения, осуществляется посредством обмена промежуточными векторными бозонами. В отличие от фотонов и глюонов, не обладающих массой покоя, кванты слабого поля — массивные частицы. Их масса в сто раз превышает массу протона, она, сравнима с массой ядра стронция. Радиус действия слабого взаимодействия самый короткий, 10 –16 см. Кванты слабого поля образуют триплет и имеют следующие обозначения: W +, W –, Z 0. Первые два несут электрические заряды, третий электрически нейтрален.

Немного истории. Как мы знаем, Беккерель открыл радиактивность солей урана еще в прошлом веке, в конце. Затем Резерфорд и супруги Кюри установили, что радиоактивное излучение состоит из трех видов: альфа-лучей (ядра атомов гелия), гамма-лучей (поток фотонов) и бета-лучей (поток электронов). Самыми непослушными оказались бета-лучи. При помещении радиоактивного источника в магнитное поле альфа- и гамма-лучи вели себя как полагается (альфа-лучи отклонялись всегда на один и тот же угол), фотоны магнитного поля не чувствовали, а бета-лучи при одном и том же магнитном поле отклонялись на самые разные углы, целый диапазон значений, т. е. каждый раз имели различные энергии, а не единственную, полагающуюся для непременного соблюдения закона сохранения энергии. Получалось, что с явлением бета-излучения нарушался самый главный закон природы.

Загадка бета-излучения оставалась нерешенной вплоть до начала 30-х годов. В 1931 г. Паули выдвинул совершенно необычную гипотезу, предположив, что бета-лучи, кроме электронов, состоят еще из неуловимых частиц, не имеющих заряда и почти не имеющих массу. Энергия этих загадочных частиц должна была подстраиваться к энергии электронов каждый раз так, чтобы их суммарная энергия всегда оставалась одной и той же, такой, чтобы не нарушался закон сохранения энергии.

Идея Паули о чудных частицах ни у кого не получила одобрения, да и сам Паули не очень на ней настаивал. Лишь после открытия нейтрона Паули вновь вернулся к своей идее и предположил, что за бета-радиоактивность ответствен распад нейтронов ядра на протоны, электроны и те самые частицы без заряда и без массы. С этой гипотезой он выступил на Сольвеевском конгрессе 1933 г. Вскоре Энрико Ферми построил феноменологическую теорию бета-распада. Он же, в чисто итальянском духе, назвал частицу Паули нейтрино. Нельзя судить великих, но мне всегда казалось, что Ферми поступил несправедливо, мог бы назвать эту частицу и «паулино». Казалось, загадка бета-излучения была решена. Но то, что эта загадка останется на многие годы, ни Ферми, ни кто другой не предполагал, и это нисколько не помешало созданию реакторов и атомных бомб, где бета-распад — непременное звено.