книги из ГПНТБ / Афонин А.А. Частицы, поля, кванты

Всем известно, что зеркальное изображение отлича­ ется от оригинала заменой правого на левое и наоборот. Из повседневной практики мы знаем, что всегда возмож­ но построить предмет, который был бы зеркальным ото­ бражением данного предмета. Причем, если в качестве последнего взять любую механическую машину (часы, станок, автомобиль и др.), то ее зеркальный вариант бу­ дет работать ничем не хуже и по тем же законам. Любая физическая теория всегда включала, как само собой ра­ зумеющееся, зеркальные процессы и явления в число принципиально возможных, ничем не выделяя их по сравнению с оригинальными.

И вот Ли и Янг, изучая распады элементарных час­ тиц, предположили, что в слабых взаимодействиях это­ го нет.

Не существует в природе строгой симметрии между правым и левым. Последняя так же, как и симметрия от­ носительно зарядового сопряжения, сохраняется только в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Экспе­ римент подтвердил предсказание Ли и Янга.

Советский физик-теоретик Л. Д. Ландау, рассмотрев более детально известные тогда случаи нарушения обеих упомянутых симметрий, пришел к выводу, что в природе существует строгая симметрия лишь относительно обоих преобразований (зарядовое сопряжение и зеркальное от­ ражение) сразу. Следовательно, чтобы при переходе к античастицам получить реализуемые в природе процессы, необходимо еще совершить и зеркальное преобразование.

Эта гипотеза стимулировала постановку эксперимен­ тальных работ, посвященных изучению этой новой сим­ метрии. Многие процессы, вызываемые слабым взаимо­ действием, подтверждали ее.

Но вот буквально в течение последних лет было по­ лучено сначала указание, а затем и доказательство того,

103

что и эта симметрия может нарушаться, то есть не явля­ ется строгой.

Здесь весьма своевременно вспомнить о теореме Лю- дерса-Паули, которая, исходя из самых общих положе­ ний, утверждает следующее:

«Любая физическая теория не должна меняться, если одновременно совершить зеркальное отражение, зарядо­ вое сопряжение и обращение времени». С точки зрения этой теоремы, нарушение симметрии Л. Д. Ландау озна­ чает, что слабое взаимодействие максимально несимме­ трично, то есть для него существует лишь симметрия от­ носительно трех упомянутых преобразований сразу. Кро­ ме того, из теоремы Людерса-Паули следует также, что любые два преобразования из трех эквивалентны треть­ ему. Поэтому нарушение симметрии Л. Д. Ландау озна­ чает нарушение симметрии относительно отражения вре­ мени. Пока не существует удовлетворительного и одно­ значного объяснения всех этих новых фактов, и можно быть довольным лишь тем, что они не противоречат тео­ реме Людерса-Паули. Если бы такое противоречие было обнаружено, то это свидетельствовало бы, что терпят крах основы современного физического знания, такие, как, например, специальная теория относительности.

О теории сильных взаимодействий

Успехи квантово-полевого подхода в электродинами­ ке и в теории слабых взаимодействий привели к естест­ венному распространению его на другие частицы и вза­ имодействия. Этот подход оказывает сейчас очень серь­ езное влияние на все размышления физиков над проблемами элементарных частиц. Основные положения его, что все элементарные частицы суть кванты соответ-

104

ствующих полей, а взаимодействие частиц есть не что иное, как проявление взаимодействия полей, принимают­ ся даже в разного рода обобщениях существующей теории.

Основные уравнения квантовой теории поля могут быть написаны и для сильных взаимодействий. Но если в электродинамике можно было извлечь из них необхо­ димые нам сведения, то здесь дело дальше установления этих уравнений не пошло. В квантовой электродинамике успех был связан с применением теории возмущений, что оказалось возможным благодаря малости константы

связи: ё2 = Но в сильных взаимодействиях константа

связи на три порядка больше (д2=15), и уже бессмыслен­ но трактовать это взаимодействие как малое возмущение. Здесь теория возмущений неприменима. Другого же спо­ соба проанализировать основные уравнения в настоящее время не существует.

Врезультате мы не только не можем ничего сказать

осравнении теории с опытом, но не знаем даже, противо­ речива или нет сама теория. Это заставило при изучении свойств сильных взаимодействий идти по пути более или менее модельных представлений, использующих те или иные представления и понятия теории квантованных по­ лей. В дальнейшем для разбора некоторых из этйх мо­ делей нам понадобится знать качественную картину взаимодействия элементарных частиц, а также такие по­ нятия, как радиус взаимодействия, короткодействующие силы, обмен некоторой элементарной частицей.

Всвязи с этим нам необходимо еще раз вернуться к соотношению неопределенностей между временем и энер­

системы измерить дважды в моменты времени, отличаю­

105

щиеся на ДЕ то получим, вообще говоря, разные значения Е[ и Е2. При многократном повторении этого опыта мож­ но убедиться, что среднее значение абсолютной величины отклонения ДЕ (то есть без учета знака отклонения) и интервал времени Д1 всегда связаны между собой соот­ ношением неопределенностей ДЕ*Д1>1г.

С такой ситуацией мы сталкиваемся только в кванто­ вой теории. В классической (не квантовой) теории неопре­ деленности в измеряемых величинах получаются толь­ ко из-за несовершенства экспериментальных установок. Улучшая последние, мы будем добиваться сколь угодно большой точности. Для энергии, например, мы могли бы достичь очень малых значений ДЕ, независимо от вели­ чины ДЕ В квантовом же случае существует принципи­ альное ограничение на точность повторных измерений энергии. Как бы мы не улучшали измерительную установ­ ку, значения энергии, полученные в двух актах измере­ ния, отстоящих друг от друга по времени на ДЕ, будут

большей точности нельзя и причина этого не в несовер­ шенстве измерительной аппаратуры, а в квантомеханиче­ ской природе изучаемых объектов. Поэтому в квантовых теориях о законе сохранения энергии можно говорить лишь для достаточно больших интервалов времени. В процессах, протекающих в течение малых интервалов времени, этот закон теряет силу. Уже упоминалось, что примером таких процессов в квантовой теории поля яв­ ляются процессы рождения и уничтожения виртуальных частиц.

Если имеется по крайней мере два взаимодействую­ щих квантованных поля, то в дополнение к ранее сказан­ ному появляется возможность еще одного способа рож­ дения и уничтожения виртуальных частиц, который в

106

дальнейшем будет для нас особенно важен. Он целиком обусловлен взаимодействием полей и исчезает при вы­ ключении этого взаимодействия.

Рассмотрим сначала этот процесс на примере элек­ тронов и фотонов.

Как известно, покоящийся электрон окружен статиче­ ским электрическим полем. Что представляет собой, с точки зрения квантовой теории,это электрическое поле? Совокупность реальных фотонов? Нет, так как послед­ няя представляет собой свободное излучение, а статиче­ ское поле всегда связано с источником — электроном.

Как же быть?

Вспомним, что если заставлять электрон двигаться ускоренно, то есть непрерывно снабжать его энергией, то он будет излучать электромагнитные волны (совокуп­ ность реальных фотонов). Следовательно, можно думать, что только недостаток в энергии не позволяет статиче­ ское поле вокруг электрона считать состоящим из реаль­ ных фотонов. Но как раз в этом и состоит также единст­ венное отличие введенных ранее виртуальных фотонов от реальных.

Итак, статическое электрическое поле — совокупность виртуальных фотонов, которые постоянно порождаются и через короткое время поглощаются электроном.

Рассмотрим этот процесс с помощью соотношения неопределенностей между энергией и временем. Как мы только что выяснили, наименьшая средняя величина из­ менения полной энергии АЕ любой квантовой системы за время ДЕ которая определяется уже только лишь кванто­

вой природой этой системы, равна д^-.Положим теперь,

что электрон испустил один или несколько виртуальных фотонов с суммарной энергией АЕ. Тем самым мы знаем, насколько изменилась полная энергия, а соотношение

107

неопределенностей даст оценку вероятного времени су­

ществования этих виртуальных фотонов: Д1— . При

этом расстояние, на которое они успеют удалиться от

электрона, будет порядка (мы время существования

помножили на скорость фотона с).

Поскольку энергия фотона (или фотонов) может быть как угодно мала, то виртуальные фотоны достаточно ма­ лой энергии можно встретить как угодно далеко от электрона. На языке не квантовой (классической) физи­ ки это означает, что и статическое поле электрона про­ стирается далеко. Но тогда два электрона будут взаимо­ действовать (слабо, конечно), если даже расстояние меж­ ду ними очень большое. Поэтому об электромагнитных силах говорят, что их радиус взаимодействия бесконечно велик. Из предыдущих рассуждений ясно также, что это свойство электромагнитных взаимодействий объясняется равенством нулю массы покоя фотона — переносчика этих взаимодействий.

Но масса покоя частицы — переносчика других взаи­ модействий не всегда равна нулю. Пусть она равна ш0. Согласно принципу эквивалентности А. Эйнштейна, на­ именьшая энергия этой частицы (энергия покоя) есть Шос2. Этой же величине будет равно и наименьшее значе­ ние АЕ. Тогда максимальное расстояние, на которое уй­

дет виртуальная частица, будет конечно и равно

Эта величина называется радиусом взаимодействия, ко­ торое переносится частицей с массой т 0. Если масса велика, то радиус взаимодействия будет мал (коротко­ действующие силы). Примером таких взаимодействий могут служить ядерные силы.

Исходя из рассуждений, аналогичных только что при-

108

веденным, японский физик X. Юкава предсказал суще­ ствование и массу я-мезона — переносчика ядерных взаимодействий между нуклонами. Радиус этих взаимо­ действий в сантиметрах оказался равным восьмерке по­ деленной на сто тысяч миллиардов, что почти в сто тысяч раз меньше атома водорода.

Практически нуклоны взаимодействуют только тогда, когда расстояние между ними порядка двух радиусов или меньше. При больших расстояниях (по сравнению с радиусом взаимодействия) этим взаимодействием уже можно пренебречь.

Таким образом, вокруг электрона и нуклона существу­ ют облака виртуальных частиц, напоминающие атмосфе­ ру земли. Только в случае электрона из-за малости кон­ станты связи «атмосфера» виртуальных фотонов очень разреженная и благодаря равенству нулю массы покоя фотона не имеет ясно выраженной границы. Для нуклона (а также для любого другого адрона) картина обратная. Он окружен настолько плотным и резко очерченным из­ вне облаком виртуальных я-мезонов, что нуклон и облако вместе называют физическим нуклоном, опуская часто слово «физический». То же, что мы до сих пор называли нуклоном, именуется «керн» (от немецкого слова

Kern — ядро).

Но сильные взаимодействия между адронами могут переносить не только я-мезоны, но и все другие адроны. При этом необходимо лишь, чтобы выполнялись введен­ ные ранее законы сохранения барионного числа, стран­ ности, изоспина в каждом акте испускания и поглощения виртуальных адронов. Например, нуклон, не имеющий странности, может испускать и поглощать К-мезон, имеющий странность— 1, только в паре с К-мезоном, имеющим странность +1, так что суммарная странность все время равна нулю.

109

Все это приведет к тому, что керн каждого адрона бу­ дет иметь не одно только я^мезонное облако, а множест­ во других меньшего размера, поскольку массы всех ос­ тальных адронов значительно больше массы я-мезона. Это очень напоминает строение нашей планеты. Дальше всего простирается атмосфера, под ней находится сна­ чала гидросфера, затем литосфера и, наконец, централь­ ное, наиболее плотное ядро земли.

Теперь мы готовы к тому, чтобы понять качественно взаимодействие любых двух элементарных частиц. Если последние находятся друг от друга достаточно близко, то виртуальные частицы, испущенные одной частицей, могут быть поглощены другой, и наоборот. В результате такого обмена виртуальными частицами между реальны­ ми частицами возникнет взаимодействие. Обмен может происходить только самыми легкими виртуальными час­ тицами, если реальные не очень близки друг к другу. При уменьшении расстояния в обмене начинают участвовать все более и более тяжелые виртуальные частицы.

Кроме того, для адронов становится возможным еще один способ взаимодействия, при котором оно осуществ­ ляется не между самыми реальными частицами, а между виртуальными частицами из облаков. В электромагнит­ ных взаимодействиях из-за малости константы связи та­ кие эффекты несущественны. Они были бы эквивалентны рассеянию фотонов друг на друге, что в настоящее время еще труднодоступно для наблюдения.

Таким образом, физические адроны существуют и взаимодействуют как сложные, протяженные в простран­ стве образования, имеющие внутреннюю структуру. Эта структура в настоящее время изучена только для нукло­ нов. К периферии она разряжена и уплотняется к центру.

Мы будем говорить о нуклонах и п-мезонах, хотя мно­ гое справедливо и в отношении других адронов. Такое

ПО

выделение вызвано не какими-либо теоретическими сооб­ ражениями, а просто значительно более бедными экс­ периментальными данными для других адронов.

Эксперименты по рассеянию нуклонов на нуклонах приводят к выводу, что каждый из них даже при боль­ ших энергиях чаще всего попадает на периферию друго­ го, где я-мезонная «атмосфера» довольно разряжена. Потому за время столкновения нуклоны успевают об­ меняться только одним виртуальным я-мезоном. Силь­ ные взаимодействия такого типа называются перифери­ ческими. Была создана теория периферических взаимо­ действий, формально-математически похожая на второй порядок теории возмущений в электродинамике. С ее помощью удалось объяснить некоторые закономерности нуклон-нуклонных взаимодействий.

При высоких кинетических энергиях сталкивающих­ ся нуклонов возможны случаи, хотя и редко, когда их керны подойдут друг к другу очень близко. В результате они успеют обменяться многими я-мезонами и другими более тяжелыми адронами. Такие столкновения называ­ ются лобовыми.

цы, то есть часть энергии движения нуклонов расходуется на образование новых частиц, в согласии с неоднократно упоминаемой формулой А. Эйнштейна: Е = гпс2. Именно таким образом были получены почти все известные ныне элементарные частицы.

При очень больших энергиях первичных нуклонов число вторичных частиц достигает нескольких десятков, и в этом случае принято говорить о ливнях элементарных частиц. Изучение процессов образования (генерации) адронов в высокоэнергичных столкновениях чрезвычайно важно для выяснения природы сильного взаимодействия.

111

Такие исследования проводятся во многих лаборато­ риях мира и в частности в Институте ядерной физики Академии наук КазССР. Здесь над проблемой взаимо­ действия элементарных частиц при высоких энергиях ра­ ботает большой коллектив ученых, инженеров, техников. Продукты столкновения частиц, зафиксированные в фо­ тоэмульсиях и искровых камерах, позволяют судить о том, какие частицы столкнулись и образовались, какие энергии и углы вылета имеют вторичные частицы, какая часть кинетической энергии первичных частиц расходует­ ся на образование вторичных частиц и так далее.

Высоко в горах Заилийского Алатау находится стан­ ция по изучению космических лучей Института ядерной физики Академии наук Казахской ССР и Московского физического института Академии наук СССР. С помо­ щью сложных экспериментальных установок изучается взаимодействие высокоэнергичных элементарных частиц, входящих в состав космических лучей с веществом.

У нас нет возможности рассказать в этой брошюре об экспериментальных методах физики элементарных ча­ стиц. Это чрезвычайно увеличило бы объем книги, а са­ мое главное, изменило ее характер.

На основе этих разобранных нами качественных пред­ ставлений о взаимодействии элементарных частиц стро­ ятся различные приближенные теоретические построения, предназначенные для описания той или иной узкой об­ ласти явлений. Ясно, что они не могут заменить собой отсутствующую ныне строгую теорию, но являются весь­ ма полезными для систематизации экспериментальных данных, для выявления разного рода характерных черт в сильных взаимодействиях элементарных частиц и даже позволяют иногда кое-что предсказывать.

Существует также ряд попыток построения теории сильных взаимодействий, представляющих собой более

112