2.5 Поле ядерных сил

Гравитационное поле шарообразного тела или электрическое поле сферического заряда имеют чрезвычайно простой характер. Напряженности таких полей убывают с расстоянием по тому же геометрическому закону, что и интенсивность, например, света, излучаемого источником равномерно по всем направлениям в пространстве. Этот закон пропорциональности напряженности поля по величине говорит о том, что на каком бы конечном расстоянии от источника поля ни находилось пробное тело, оно везде будет испытывать действие силы. Эта сила обращается в нуль только на определенном расстоянии.

Ядерные силы имеют совершенно иной характер. Действие этих сил не простирается до бесконечности; напротив, оно ограничено чрезвычайно малой областью, окружающей источник. Какова природа ядерного поля? И вообще пригодно ли понятие поля для описания ядерных сил?

Представление о поле применимо к большим по величине ядерным силам, но характер проблемы в этом случае требует совершенно иных рассуждений. Основная идея природы ядерных сил была высказана в 1935 году японским физиком Хидеки Юкава (1907 г.). Он предположил, что два нуклона испытывают притяжение на малых расстояниях благодаря взаимному обмену гипотетической в то время элементарной частицей, названной мезоном. Эта частица имеет массу, промежуточную между массами электрона и протона. Поэтому она и была названа мезоном: «мезос» по-гречески значит средний. В настоящее время известно несколько разновидностей мезонов. Те мезоны, которые ответственны за ядерные силы, имеют массу, примерно в 273 раза превышающую массу электрона, т.е. составляют около 15% массы протона. Они называются-мезонами или пионами. Пионы – основные частицы, ответственные за ядерные силы, но теперь известны и другие более массивные мезоны, которые вносят свою долю в сильное ядерное взаимодействие.

Детальное исследование пионных обменных сил требует привлечения сложного математического аппарата, поэтому ограничимся качественным описанием этого типа обменных сил. Предположим двух игроков, перебрасывающих друг другу мяч. Мяч постоянно перебрасывается, не задерживаясь у какого-либо игрока. Оба игрока оказываются как бы привязанными друг к другу в результате такого постоянного обмена мячом. Можно сказать, что в этом случае действует «обменная баскетбольная сила».

А теперь представим, что сталкиваются два нуклона - протон и нейтрон. Процесс столкновения управляется ядерной силой (пионной обменной силой), действующей между обеими частицами. Где находится пион, который является посредником в этом взаимодействии? Он всегда «где-то здесь». Очень удобно представлять протон, как бы состоящим из нейтрона и положительно заряженного пиона:

. (2.25)

Иными словами, протон как бы состоит из нейтронного остова, окутанного мезонным облаком. Или, на языке поля, можно говорить, что вокруг нейтрона существует пионное облако и в целом такое образование является протоном. При столкновении протона и нейтрона происходит обмен -мезоном между двумя нейтронами, и этот мезон осуществляет ядерное взаимодействие между частицами. Процесс обмена пионом является чрезвычайно быстрым; он происходит за время порядка 10^-23с.

Но протон и нейтрон различаются по массе лишь на 0,1%. Можно ли в этом случае считать, что протон состоит из нейтрона и пиона, если масса пиона достигает 15% массы протона? Для ответа на этот вопрос необходимо обратиться к принципу неопределенности квантовой механики.

Этот принцип утверждает, что процесс , в котором масса не сохраняется, возможен, если в течении короткого промежутка времени происходит и обратный процесс, в результате чего все возвращается в исходное состояние. Обмен пионом между сталкивающимися нейроном и протоном разрешен, поскольку процесс обмена завершается за время порядка 10^-23с.

Представление о том, что в основе ядерных сил лежит пионное поле, позволило достигнуть больших успехов, хотя многое еще не ясно. Более скромными являются наши знания в области слабых ядерных взаимодействий. Скорее всего, существует элементарная частица, которая переносит взаимодействие между электронами и нейтрино, но о природе этой частицы еще нет четкого представления.