Ричард Фейнман - 6a. Электродинамика

Природа дала нам еще несколько других пар и троек частиц, которые, за исключением электрического заряда, во всех осталь­ных отношениях оказываются в точности одинаковыми. Они взаимодействуют с протонами и нейтронами посредством так называемого «сильного» взаимодействия. В таких взаимодей­ствиях все частицы данного сорта, скажем p-мезон, ведут себя во всех отношениях как одна и та же частица, за исключением их электрического заряда.

В табл. 28.1 мы приводим список таких частиц вместе с их массами. Заряженные p-мезоны имеют массу 139,6 Мзв, а ней­тральный p 0-мезон на 4,6 Мэв легче. Эту разность масс мы счи­таем электромагнитной. Она соответствовала бы частице с ра­диусом от 3 до 4·10 -1 4 см. Вы видите из таблицы, что разницы масс других частиц того же масштаба.

Ф иг. 28.5. В некоторые моменты нейтрон может представлять со­бой протон, окруженный облаком отрицательного p-мезона.

Однако размеры этих частиц можно определить и другими методами, например по кажущемуся диаметру при высокоэнер­гетических соударениях. Таким образом, электромагнитная масса, по-видимому, находится в согласии с электромагнитной теорией, если мы обрезаем интеграл от энергии поля на радиусе, полученном этими другими методами. Вот почему мы верим, что разница все же обусловлена электромагнитной массой.

Вас, конечно, беспокоят разные знаки разности масс в таблице. Нетрудно понять, почему заряженная частица должна быть тяжелее нейтральной. Но что можно сказать о таких па­рах, как нейтрон и протон, где наблюдаемая разность масс оказывается совсем другой? Эти частицы оказываются довольно сложными, и вычисление их электромагнитной массы более хи­тро. Например, хотя нейтрон в целом нейтрален, у него все же есть внутреннее распределение заряда и равен нулю только суммарный заряд. Мы думаем, что нейтрон, по крайней мере в некоторые моменты времени, выглядит как протон, окруженный «облаком» отрицательного p-мезона (фиг. 28.5). И несмотря на то, что нейтрон «нейтрален», т. е. полный его заряд равен нулю, у него все же есть какая-то электромагнитная энергия (например, у него есть магнитный момент), так что без деталь­ной теории внутренней структуры судить о знаке электромаг­нитной разности масс нелегко.

Мне хотелось бы подчеркнуть лишь следующие особенности:

1. Электромагнитная теория предсказывает существование электромагнитной массы, но она тут же терпит фиаско, ибо оказывается несамосогласованной. Это в равной мере относится и к квантовым модификациям.

2. Существует экспериментальное подтверждение электро­магнитной массы.

3. Все разности масс по порядку величины такие же, как и масса электрона.

Итак, мы снова возвращаемся к первоначальной идее Ло­ренца, что масса электрона вполне может быть целиком электро­магнитной, т. е. все его 0,511 Мэв обусловлены электродинами­кой. Так это или нет? У нас нет теории и по сей день, поэтому мы ничего не можем сказать с уверенностью.

Мне хочется упомянуть еще об одном досадном обстоятель­стве. В природе существует еще одна частица, называемая m-мезоном, или мюоном, которая, насколько нам известно се­годня, решительно ничем не отличается от электрона, за исклю­чением своей массы (равной 206,77 электронных масс). Она во всем ведет себя так же, как электрон: взаимодействует с нейт­рино и электромагнитным полем, но на нее не действуют ядер­ные силы. С ней не происходит ничего такого, чего не происхо­дит с электронами, по крайней мере ничего такого, чего нельзя было бы объяснить, как простое следствие большей массы. Поэтому, если в конце концов кому-то и удается объяснить массу электрона, для него остается загадкой, откуда же берет свою массу m -мезон. Почему? Да потому, что все, что делает электрон, может делать и m -мезон, так что массы их должны получиться одинаковыми. Есть люди, которые непоколебимо верят, что m -мезон и электрон — это одна и та же частица, что в окончательной будущей теории масс формула, из которой они должны определяться, будет представлять собой квадратное уравнение с двумя корнями, один из которых даст массу m -мезона, а другой — электрона. Есть и такие, которые полагают, что это будет трансцендентное уравнение с бесконечным числом корней; они занимаются гаданием, какими должны быть массы других частиц этого ряда и почему они не открыты до сих пор.

§ 6. Поле ядерных сил

Мне бы хотелось сделать еще несколько замечаний о неэлек­тромагнитной части массы ядерных частиц. Откуда берется большая доля их массы? Кроме электродинамических сил, су­ществуют еще силы другого рода — ядерные силы, у которых есть своя собственная теория поля, хотя никому неизвестно, правильна она или нет. Эта теория также предсказывает энер­гию поля, которая для ядерных частиц дает массу, аналогич­ную электромагнитной. Ее можно называть «p-мезополевой массой». Она, по-видимому, очень велика, так как ядерные силы чрезвычайно мощны, и возможно, что именно они являются при­чиной массы тяжелых частиц. Однако теории мезонных полей находятся в весьма зачаточном состоянии. Даже в сравнительно хорошо развитой теории электромагнетизма мы видели, что, кроме первоначальных намеков, невозможно получить объяс­нение массы электрона. В мезонных же теориях мы в этом месте тоже терпим неудачу.

Однако мезонная теория очень интересно связана с электро­динамикой, и поэтому стоит все же уделить некоторое время из­ложению ее основ. Поле в электродинамике можно описать четырехвектором потенциала, удовлетворяющим уравнению

Мы видели, что поле может быть излучено, после чего оно су­ществует независимо от источника. Это фотоны, и они описы­ваются дифференциальным уравнением без источника:

Некоторые физики утверждают, что поле ядерных сил тоже должно иметь свои собственные «фотоны», роль которых, по-видимому, играют p-мезоны, и что они должны описываться аналогичным дифференциальным уравнением. (До чего же бес­силен человеческий разум! Мы не можем придумать чего-то действительно нового и беремся рассуждать только по аналогии с тем, что знаем.) Таким образом, возможным уравнением для мезонов будет