книги / Фейнмановские лекции по физике. Вып. 6 Электродинамика

Однако и этой теории и всем другим описанным нами тео­ риям можно предъявить тяжкое обвинение. Все известные нам частицы подчиняются законам квантовой механики, по­ этому необходима квантовомеханическая форма электроди­ намики. Свет ведет себя подобно фотонам. Это уже не 100процентная теория Максвелла. Следовательно, электродина­ мика должна быть изменена. Мы уже говорили, что упорное старание исправить классическую теорию может оказаться напрасной тратой времени, ибо в квантовой электродинамике трудности могут исчезнуть или будут разрешены другим об­ разом. Однако и в квантовой электродинамике трудности не исчезают. В этом кроется одна из причин, почему люди по­ тратили столько времени, пытаясь преодолеть классические трудности и надеясь, что если они смогут преодолеть их, то после квантового обобщения уравнений Максвелла все будет в порядке. Однако и после такого обобщения трудности не исчезают.

Квантовые эффекты, правда, приводят к некоторым изме­ нениям. Изменяется формула для масс, появляется постоян­ ная Планка Ь, но ответ по-прежнему выходит бесконечным, если вы не обрезаете как-то интегрирование, подобно тому как мы обрезали интеграл при г = а в классической теории. Ответ при этом зависит от характера обрезания. К сожале­ нию, я не могу вам показать, что трудности в основном те же самые, ибо вы еще слишком мало знаете о квантовой меха­ нике, а о квантовой электродинамике — и того меньше. По­ этому вам придется поверить мне на слово, что и квантовая электродинамика Максвелла приводит к бесконечной массе точечного электрона.

Оказывается, однако, что до сих пор никому не удалось даже приблизиться к самосогласованному квантовому обоб­ щению на основе любой из модифицированных теорий. Идее Борна и Инфельда никогда не суждено было стать квантовой теорией. Не привели к удовлетворительной квантовой теории опережающие и запаздывающие волны Дирака и Уилера — Фейнмана. Не привела к удовлетворительной квантовой тео­ рии и идея Боппа. Так что и до сего дня нам не известно решение этой проблемы. Мы не знаем, как с учетом кванто­ вой механики построить самосогласованную теорию, которая не давала бы бесконечной собственной энергии электрона или какого-то другого точечного заряда. И в то же время нет удовлетворительной теории, которая описывала бы неточеч­ ный заряд. Так эта проблема и осталась нерешенной.

Если вы вздумаете попытать счастья и построить теорию, полностью удалив действие электрона на себя, так чтобы электромагнитная масса не имела смысла, а затем будете делать из нее квантовую теорию, то могу вас заверить —

321

трудностей вы не избежите. Экспериментально доказано су­ ществование электромагнитной инерции и тот факт, что часть массы заряженных частиц— электромагнитная по своему про­ исхождению.

В старых книгах часто утверждалось, что поскольку при­ рода не подарила нам двух одинаковых частиц, из которых одна нейтральная, а другая заряженная, то мы никогда не сможем сказать, какая доля массы является электромагнит­ ной, а какая механической. Однако оказалось, что природа все же была достаточно щедра и подарила нам именно два таких объекта, так что, сравнивая наблюдаемую массу заря­ женной четицы с массой нейтральной, мы можем сказать, су­ ществует ли электромагнитная масса. Возьмем, например, нейтрон и протон. Они взаимодействуют с огромной силой — ядерной силой, детали происхождения которой нам неиз­ вестны. Однако, как мы уже говорили, ядерные силы обла­ дают одним замечательным свойством. По отношению к этим силам нейтрон и протон в точности одинаковы. Насколько мы сейчас можем судить, ядерные силы между двумя нейтро­ нами, нейтроном и протоном и двумя протонами совершенно одинаковы. Отличаются эти частицы только сравнительно слабыми электромагнитными силами; по отношению к ним протон и нейтрон отличаются, как день и ночь. Вот это нам как раз и нужно. Итак, мы имеем две частицы, одинаковые с точки зрения сильных взаимодействий и различные с точки зрения электрических. И они имеют небольшую разницу в массах. Разница масс между протоном и нейтроном, выражен­ ная в единицах энергии покоя тс2, составляет 1,3 Мэе, что соответствует 2,6 электронным массам. Классическая теория предсказывает для радиуса протона величину между 7 з и '/г радиуса электрона, или около 10 -1 3 см. Конечно, на самом деле следует пользоваться квантовой теорией, но по какой-то странной случайности все константы, 2л, Ь и т. д., комби­ нируются так, что приблизительно дают тот же самый резуль­ тат, что и классическая теория. Одна беда: знак оказывается неверным! Нейтрон на самом деле тяжелее протона.

Природа дала нам еще несколько других пар и троек ча­ стиц, которые, за исключением электрического заряда, во всех остальных отношениях оказываются в точности одинако­ выми. Они взаимодействуют с протонами и нейтронами по­ средством так называемого «сильного» взаимодействия. В та­ ких взаимодействиях все частицы данного сорта, скажем я-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 л-мезоны имеют массу 139,6 Мэе, а нейтральный я°-мезон на 4,6 Мэе легче. Эту разность масс

322

мы считаем электромагнитной. Она соответствовала бы ча­ стице с радиусом от 3 до 4- 10~м см. Вы видите из таблицы, что разницы масс других частиц того же масштаба.

Таблица 28.1 • МАССА ЧАСТИЦ

Дт = Масса заряженной частицы — Масса нейтральной частицы (♦Данные 1965 г. —'Прим, ред.)

Однако размеры этих частиц можно определить и другими методами, например по кажущемуся диаметру при высоко­ энергетических соударениях. Таким образом, электромагнит­ ная масса, по-видимому, находится в согласии с электромаг­ нитной 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 долж­ на быть тяжелее нейтральной. Но что можно сказать о таких парах, как нейтрон и протон, где наблюдаемая разность масс оказывается совсем другой? Эти частицы оказываются до­ вольно 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 я-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 особен* иости:

323

Фиг. 28.5. В некоторые моменты нейтрон может представлять со­ бой протон, окруженный облаком отрицательного л-мезона.

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

2.Существует экспериментальное подтверждение электро­

магнитной массы.

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

имасса электрона.

Итак, мы снова возвращаемся к первоначальной идее Ло­ ренца, что масса электрона вполне может быть целиком элек­ тромагнитной, т. е. все его 0,511 Мэе обусловлены электроди­ намикой. 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 обстоя­ тельстве. В природе существует еще одна частица, называе­ мая ц-меэоном, 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 дейст­ вуют 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 боль­ шей массы. Поэтому, если в конце концов кому-то и удается объяснить массу электрона, для него остается загадкой, от­ куда же берет свою массу р-мезон. Почему? Да потому, что все, что делает электрон, может делать и р-мезон, так что массы их должны получиться одинаковыми. Есть люди, кото­ рые непоколебимо верят, что р-мезон и электрон — это одна и та же частица, что в окончательной будущей теории масс формула, из которой они должны определяться, будет пред­ ставлять собой квадратное уравнение с двумя корнями, один из которых даст массу р-мезона, а другой — электрона. Есть и такие, которые полагают, что это будет трансцендентное уравнение с бесконечным числом корней; они занимаются га* данием, какими должны быть массы других частиц этого ряда и почему они не открыты до сих пор.

824

§ 6. Поле ядерных сил

Мне бы хотелось сделать еше несколько замечаний о неэлектромагнигной части массы ядерных частиц. Откуда бе­ рется большая доля их массы? Кроме электродинамических сил, существуют еще силы другого рода —ядерные силы, у которых есть своя собственная теория поля, хотя ннкому не­ известно, правильна она или нет. Эта теория также предска­ зывает энергию поля, которая для ядерных частиц дает мас­ су, аналогичную электромагнитной. Ее можно называть «я- мезополевой массой». Она, по-видимому, очень велика, так как ядерные силы чрезвычайно мощны, и возможно, что имен­ но они являются причиной массы тяжелых частиц. Однако теории мезонных полей находятся в весьма зачаточном со­ стоянии. Даже в сравнительно хорошо развитой теории элек­ тромагнетизма мы видели, что кроме первоначальных наме­ ков, невозможно получить объяснение массы электрона. В ме­ зонных же теориях мы в этом месте тоже терпим неудачу.

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

□ 2у4ц= Источники.

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

□Мц= 0.

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

□ 2Ф = 0,

где <р может быть каким-то другим четырехвектором или, воз­ можно, скаляром. Далее выяснилось, что у я-мезона никакой поляризации нет, поэтому ф должно быть скаляром. Согласно этому простому уравнению, мезонное поле должно изменяться

.с расстоянием от источника как 1/г2, т. е. в точности как элек­ трическое. Однако мы знаем, что радиус действия ядерных сил гораздо меньше, чего не Может обеспечить нам это про*

325

виях. Наиболее интересные явления возникают тогда, когда зарядов движется много и все они §4.Магнитная

через кусок вещества или плазму; тогда ле­ §5.Электроннын

частицы в однородном электрическом поле.

Движение при небольших скоростях не пред­ §8.Движение в

под прямым углом к направлению движения, так что производная dpjdt перпендикулярна р

828

V'х,

н равна по величине vp/R, где Л — радиус окружности, т. е.

Таким образом, радиус круговой орбиты равен

(29.1)

Это одно из возможных движений. Если движущаяся ча­ стица имеет только одну составляющую в направлении поля, то она не изменяется, ибо у магнитной силы отсутствует ком­ понента в направлении поля. Общее же движение частицы в однородном магнитном поле —это движение с постоянной скоростью в направлении В и круговое движение под прямым углом к В, т. е. движение по цилиндрической спирали (фиг. 29.1). Радиус спирали определяется равенством (29.1)

сзаменой р на р х —компоненту импульса, перпендикулярную

кнаправлению поля.

S 2. Анализатор импульсов

Однородное магнитное поле часто применяется в «ана­ лизаторе», или «спектрометре импульсов» высокоэнергетйческих частиц. Предположим, что в точке А (фиг. 29.2, а) в однородное магнитное поле влетают заряженные частицы, причем магнитное поле перпендикулярно плоскости рисунка. При этом каждая частица будет лететь по круговой орбите, радиус которой пропорционален ее импульсу. Если все ча­ стицы влетают в поле перпендикулярно его краю, то они покидают его на расстоянии х от точки А, пропорциональном их импульсу р. Помещенный в некоторой точке С счетчик бу-

329