была квантовая электродинамика - квантовая теория взаимодействия
элементарных электрических зарядов с электромагнитным полем. Эта теория
приобрела несколько выделенное положение отчасти по наследству благодаря
хорошему развитию классической электродинамики.
Сильные и слабые взаимодействия элементарных частиц были открыты и
подверглись глубокому исследованию значительно позже, чем электромагнитные.
Поэтому естественно, что именно электродинамика стала первым своеобразным
эталоном для построения любой другой теории.
Взаимодействие согласно квантовой электродинамике осуществляется при
испускании или поглощении квантов электромагнитного поля - фотонов -
электронами или другими электрически заряженными частицами. Таким образом, в
простейшем случае взаимодействие между двумя заряженными частицами
происходит за счет обмена фотоном. В принципе возможен обмен и не одним, а
двумя, тремя и большим количеством фотонов, но такие процессы будут менее
вероятны. Вероятность испускания каждого фотона приближенно характеризуется
безразмерной величиной, которая равна отношению квадрата элементарного
электрического заряда (е) к произведению постоянной Планка (h) на скорость
света (с):
a = e2/ hc ~ 1/137
Эта чрезвычайно важная физическая величина часто называется константой
связи электромагнитных взаимодействий.
Тот факт, что она мала по сравнению с единицей, значительно облегчает
все расчеты в квантовой электродинамике и упрощает конкретные модели тех или
иных процессов. Благодаря малости константы связи теоретикам удалось
построить хорошие методы расчета различных наблюдаемых характеристик
электромагнитных взаимодействий, и их результаты на сегодняшний день
превосходно согласуются с экспериментальными данными.
Казалось бы, если есть такое согласование, то все хорошо. Но теоретики
на этом не остановились - они решили проверить, сохранится ли столь приятная
картина и в дальнейшем, то есть при переходе к сколь угодно малым
расстояниям, на которых происходит взаимодействие. Исследуя эту проблему,
советские физики Л. Ландау, И. Померанчук и другие пришли к неутешительному
выводу, что квантовая электродинамика в ее современной форме вообще
неприменима к описанию процессов, происходящих с участием бесструктурных
точечных электронов на очень малых расстояниях. Конкретно их результаты
сводились к весьма парадоксальному положению: при попытке описать поведение
зарядов и квантов электромагнитного поля в очень малых областях пространства
оказывалось, что взаимодействие на больших расстояниях... исчезает!
Конечно же, этот факт противоречит известным результатам наблюдений и
должен рассматриваться как своеобразный способ доказательства "от
противного", доказательства того, что электродинамика не является полностью
удовлетворительной теорией и должна быть существенно изменена для описания
процессов при очень высоких энергиях и на очень малых расстояниях. В чем же
суть полученных противоречий?
А в том, что представления электродинамики требуют рассмотрения особого
типа объектов - виртуальных частиц.
Виртуальные частицы обычно имеют те же названия, что и реальные,
скажем, фотоны или электроны, но обладают одним важным свойством, отличающим
их от реальных частиц, - они испускаются и поглощаются непосредственно в
микроскопически малой области взаимодействия и никогда не вылетают наружу и
не регистрируются макроскопическими приборами. Скажем, электрон в процессе
движения может как бы взаимодействовать сам с собой, испуская и тут же
поглощая фотоны. В свою очередь, фотон может превратиться в пару, состоящую
из электрона и позитрона, которые сразу же, вслед за образованием, снова
аннигилируют, превращаясь в фотон.
Благодаря этим процессам реальный электрон должен непрерывно излучать и
поглощать фотоны - он словно одевается в своеобразную "шубу" из виртуальных
фотонов и электрон-позитронных пар. Чем глубже мы пытаемся проникнуть к
центру электрона, тем более плотной становится его "шуба". На достаточно
больших расстояниях электрон выглядит как точечный объект, несущий
определенный электрический заряд. Но когда мы попытаемся узнать заряд
"голого" электрона, без всякой "шубы" из виртуальных частиц, то есть
настоящего точечного электрона, то окажется, что этот заряд бесконечно
большой.
Такое положение крайне неудовлетворительно. Ведь физика всегда имела
дело с зарядами, обладающими конечными - пусть очень большими, но
конечными - значениями. А тут получается совершенно неприемлемое бесконечное
значение. Можно ли избежать этой неприятности?
Оказывается, можно, но весьма дорогой ценой. Можно просто считать, что
электрический заряд "голого" электрона, для которого как бы не существует
взаимодействия с фотонами, имеет конечное значение. Но тогда неизбежно
получается, что заряд реального электрона вообще должен быть равен нулю и
тогда он не сумеет взаимодействовать с фотонами и другими зарядами. Такая
картина формально допустима, но она противоречит известному факту - реальные
электроны все-таки имеют заряды.
Итак, в любом случае - конечен заряд "голого" точечного электрона или
бесконечен - мы приходим к неприемлемой картине.
Несмотря на довольно сложный характер теории, причина всех трудностей
довольно проста и наглядна.
Обсудим следующий пример. Пусть в вещество, где существует равное
количество положительных и отрицательных зарядов, вводится новый, скажем для
определенности, отрицательный заряд. При этом равновесие между различными
зарядами вещества, конечно, нарушится. Новый заряд начнет притягивать к себе
заряды противоположного знака, то есть положительные. Постепенно вблизи него
будут накапливаться положительные заряды, в конце концов, он окажется как бы
заэкранированным и его действие на остальные заряды вещества практически
прекратится.
Нечто подобное происходит и с "голым" электроном. Веществом, которое
его экранирует, являются как раз виртуальные частицы, которые неизбежно
появляются при учете взаимодействия. Квантовая электродинамика позволяет
оценить эффективность этой экранировки, и оказывается, что заряд
экранируется бесконечно сильно! Поэтому неудивительно, что, приписав
"голому" электрону конечный электрический заряд, мы приходим к выводу, что
этот заряд полностью экранируется "шубой" реального электрона, который и
должен наблюдаться на опыте. И получается неприятный результат - этот
реальный электрон должен выглядеть как частица с нулевым электрическим
зарядом!
Чтобы прорвать бесконечно сильную экранировку, разумеется, необходимо
приписывать "голому" электрону бесконечно большой заряд, что, как мы уже
видели, тоже неудовлетворительно.
Вот с такими трудностями пришлось столкнуться теоретикам при попытке
проверить применимость квантовой электродинамики к описанию процессов в
сколь угодно малых областях пространства. Эти трудности и заставили их
искать новый подход к описанию взаимодействий на малых расстояниях.
Но, прежде чем было достигнуто такое понимание проблемы, теоретики
успели проделать довольно большую работу по построению моделей слабых и
сильных взаимодействий по образцу квантовой электродинамики.
Как вы помните, первой моделью слабых взаимодействий оказалась теория
бета-распада, предложенная Э. Ферми. Согласно этой теории нейтрон
трансформировался в протон, излучая пару: электрон и антинейтрино. Э. Ферми
в значительной степени исходил из аналогии с квантовой электродинамикой, но
в его теории место фотона как бы занимала пара, состоящая из лептона и
антилептона. Впоследствии его идея была расширена и позволила описать все
распады сравнительно долгоживущих частиц как проявление некоторого
универсального слабого взаимодействия.
Характерной особенностью этой теории является следующее представление:
четыре частицы - барионы или лептоны - непременно взаимодействуют в одной
точке, то есть в непосредственном контакте друг с другом. С помощью такого
представления можно описать и распады частиц, и их рассеяние. Скажем,
отрицательно заряженный мюон способен распадаться на электрон и пару,
состоящую из электронного антинейтрино и мюонного нейтрино. В данном случае
взаимодействие выглядит как контакт четырех лептонов. Это же представление
позволяет описать и другой процесс, например, столкновение мюона с
электронным нейтрино. В результате этого столкновения должны образоваться
электрон и мюонное нейтрино.
В случае бета-распада взаимодействие выглядит как контакт двух барионов
и двух лептонов. И опять на основе этого же представления можно было описать
другие типы процессов, например, рассеяние электронного нейтрино на
нейтроне, в результате которого возникал протон и электрон.
Обратите внимание на то, что в обоих случаях описание рассеяния
возникает четкая закономерность превращения заряженных частиц в незаряженные
и наоборот. Заряженный мюон трансформируется в мюонное нейтрино, а
электронное нейтрино - в электрон. Или нейтрон трансформируется в протон, а
электронное нейтрино - опять-таки в электрон.
Такая же закономерность наблюдается и во всех остальных известных
процессах слабого взаимодействия. Отсюда и родилась интересная гипотеза: а
не осуществляется ли слабое взаимодействие за счет обмена особым квантом,
который как бы переносит заряд при взаимной трансформации заряженных и
нейтральных частиц.
Гипотетическая частица, которую называют дубль-вэ-мезоном, или
дубль-вэ-бозоном, должна быть очень тяжелой - в несколько раз тяжелее
протона - и нести положительный или отрицательный электрический заряд.
А как быть в том случае, когда слабое взаимодействие осуществляется без
переноса какого-либо заряда, например, когда нейтрино упруго рассеивается па
электроне? Такого типа события долгое время вообще не наблюдались, но
недавно было установлено, что они все-таки происходят.
Механизм такого взаимодействия может быть обусловлен еще одной
гипотетической частицей зэт-мезоном (или зэт-бозоном), не несущей
электрического заряда.
Если гипотетические частицы дубль-вэ- и зэт-мезоны будут открыты, то
картина слабых взаимодействий станет очень похожа на электродинамическую
картину. Существенная разница между ними будет обусловлена лишь различными
свойствами этих мезонов и фотон. Действительно, масса фотона равна нулю,
из-за этого электромагнитные взаимодействия обладают бесконечным радиусом
действия. Гипотетические же переносчики слабых взаимодействий должны иметь
очень большие массы, и поэтому радиус действия слабых сил должен быть очень
мал, по-видимому, не более 10-15 сантиметра. Кроме того, фотон нейтрален, а
дубль-вэ-мезоны способны нести заряд.
То, что эти частицы еще не открыты, связывается обычно с большой
величиной их массы. Пока слабые взаимодействия, которые в чистом виде можно
исследовать только с помощью нейтринных пучков, изучались в недостаточно
широком интервале энергий, и в будущем мы можем надеяться на открытие
дубль-вэ- и зэт-частиц.
К сожалению, модели слабого взаимодействия с гипотетическими мезонами
или без них оказались еще хуже того образца, по которому они строились. В
этих моделях вообще нельзя было последовательно описать процессы с участием
виртуальных частиц. И такое положение в теории слабых взаимодействий
сохранялось до недавних пор.
По аналогии с квантовой электродинамикой пытались строить и теорию
сильных взаимодействий. Как вы помните, первоначальная идея X. Юкавы
состояла в том, что сильные взаимодействия осуществляются при испускании и
поглощении пи-мезона. Пи-мезон должен был играть такую же роль, что и фотон
в электродинамике. Впоследствии, после открытия ка-мезонов и резонансов, эта
идея несколько расширилась, но оказалась все равно не слишком
последовательной.
Беда в том, что интенсивность сильных взаимодействий примерно в 1000
раз больше, чем электромагнитных, то есть константа связи типа "альфа" в
данном случае больше единицы. Из-за этого получалось так, что все
неприятности, которые в электродинамике были спрятаны на фантастически малых
расстояниях, теперь уже должны были проявиться на расстояниях, вполне
доступных эксперименту.
Расчеты по "квантовой мезодинамике" - так называлась квантовая теория
взаимодействия мезонов и нуклонов - не объясняли наблюдаемых
закономерностей. С другой стороны, экспериментальные работы по физике
сильных взаимодействий развивались в послевоенный период чрезвычайно быстро.
Ведь именно сильные процессы наиболее удобны для наблюдений - у них очень
высокая интенсивность, и подавляющее большинство событий, возникающих при
падении пучка ускоренных протонов на мишень, как раз и происходит за счет
сильных взаимодействий. Неуспех электродинамики в качестве эталона теорий
породил стремление к созданию новых идей, неизвестных физике прошлого.
В начале 60-х годов некоторые физики выступили с весьма красивой и
необычной программой "ядерной демократии". Пожалуй, наиболее активным
сторонником этой программы оказался американский теоретик Дж. Чью, ученик Э.
Ферми, сделавший очень много для ее развития и разъяснения основных ее
путей.
А идеи эти были таковы. Среди адронов нет выделенных частиц; все они
равноправны, неэлементарны и представляют собой просто различные состояния
адронной материи.
В этом пункте идеи "демократии" наблюдаемых адронов полностью
согласовывались с точкой зрения сторонников, скажем, кварковой модели,
которые тоже считали адроны неэлементарными и равноправными. Но в дальнейшем
пути расходились. Настоящая "ядерная демократия" отвергала всякие попытки
представить адроны как различные "кварковые атомы".
Общая философия Дж. Чью и многих других физиков, разделявших его
позиции, состояла в том, что эпоха безграничного атомизма кончилась, и
гипотезы атомоподобного устройства адронов следует сдать в архив. Основной
базой служил, разумеется, простой факт - раз никаких составляющих частей,
субэлементарных частиц или кварков ни в одном из многочисленных опытов
выделить не удалось, то имеет ли смысл в таком случае говорить об устройстве
адронов из каких-то особых привилегированных частиц? Не проще ли считать,
что адронная часть микромира основана на демократических принципах, то есть
реальные адроны как бы сами устанавливают законы своего бытия?
В положительном ответе на этот вопрос и заключалась главная идея нового
подхода к построению адронов. Они должны реализоваться в природе такими, как
мы их наблюдаем, за счет определенных сил, обусловливающих их существование.
Но так как эти силы, в свою очередь, проявляются в процессах рассеяния
адронов, то переносчиками этих сил опять-таки являются сами адроны. Если на
основе такого представления удалось бы правильно рассчитать все параметры
адронов - массы, времена жизни - и правильно описать их поведение в
различных реакциях, то, конечно, не потребовалось бы никаких дополнительных
идей и теорий о внутренней их структуре, в частности о кварках.
Самое интересное состоит в том, что на ряде частных примеров теоретикам
удалось показать, что существование отдельных частиц действительно
взаимообусловлено. Такая процедура получила название бутстрэп (по-русски -
просто зашнуровка). Адроны как бы шнуровали друг друга, заставляя появляться
нужные для собственного существования другие адроны именно с теми значениями
масс, которые и наблюдались на опыте.
Очень важно, что в этом подходе унитарные симметрии получали
естественное толкование. Отдельные группировки частиц (по 8 и по 10)
оказывались опять-таки взаимосогласованными. Таким образом, симметрия
возникала как определенное следствие характера сил, действующих между
адронами. И никаких кварков для ее объяснения вроде бы и не требовалось.
Идеи "ядерной демократии" и зашнуровки сыграли весьма положительную
роль, хотя и не привели к построению полной теории сильных взаимодействий.
Эти идеи столкнулись с трудностями и внешними и внутренними.
Внешние нарушали традицию, полностью отвергая методы квантовой теории
поля. Поэтому заведомо в схему нового подхода нельзя было вписать ни фотон,
ни лептоны.
Что же касается внутренних проблем этого подхода, то они как раз и
привели к его постепенному отступлению. Дело в том, что свойства адронов
нельзя вывести, только изучая закономерности реакций между ними при низких
энергиях. Если же учитывать и закономерности реакций при высоких энергиях,
то ситуация резко усложняется. Скажем, основную роль начинают играть
процессы множественного рождения адронов, и тут приходится искать совершенно
новые пути описания...
Но, конечно, решающей трудностью для программы всеобщей зашнуровки
адронов оказались эксперименты по зондированию глубоких областей адрона.
Партоны не были предусмотрены чисто "демократической" теорией. На ее основе
было бы понятно, если бы адроны продолжали оставаться рыхлой облакообразной
структурой вплоть до самых малых расстояний. В той картине устройства
протона, которую мы обсуждали в предыдущем разделе, это соответствовало бы
существованию одной-единственной внешней оболочки, которая заполнила бы
собой весь объем протона!
Что делать, природа хитрей наших самых хитроумных проектов...
Однако в некоторых отношениях идеи "ядерной демократии" оказались,
безусловно, полезны. Именно в борьбе с кварковой моделью сторонники нового
Новинки >> Русской фантастики (по файлам) | Форумов | Фэндома | Книг