Текст книги "Падение Рыжего Орка (СИ)"
Автор книги: Дарья Волкова
сообщить о нарушении
Текущая страница: 19 (всего у книги 22 страниц)
Еще одно открытие позволило исследователям проникнуть в смысл поведения электронов. Более точные исследования спектров многих элементов показали, что, вопреки предсказаниям теории, ряд спектральных линий представляет собой не одиночную линию, а пару близких линий. Причину этого удвоения оказалось невозможным объяснить иначе, чем наличием у электрона собственного вращательного момента. Электрон нельзя рассматривать просто как заряженную точку или заряженный шарик. Он одновременно ведет себя как маленький вращающийся волчок. Свойство электрона вести себя как волчок получило название «спин» — от английского «вращаться». Позднее выяснилось, что все элементарные частицы, помимо ряда других свойств, характеризуются спином. Их спин может принимать только простые численные значения: 0, ± 1/2, ±1, ± 3/2…
Но не будем забегать вперед. Возвратимся к электронам, входящим в состав атомов. Эти электроны, как, впрочем, и все другие, например, свободные электроны, работающие в радиолампах, имеют спин, равный ±1/2. Сдвоенные линии в атомных спектрах возникают потому, что в каждом разрешенном состоянии (в то время «разрешенными состояниями» считались устойчивые орбиты электронов в атомах, существование которых постулировал Бор) может находиться только один электрон. При этом энергия электрона, имеющего спин +1/2, отличается от энергии электрона, находящегося в том же состоянии, но обладающего спином, равным –1/2. Разница в знаке указывает на различное направление вращения.
С точки зрения квантовой механики — различные энергии означают различные состояния. Значит, электроны, летающие по одной и той же боровской орбите, но имеющие спины, различающиеся знаком, находятся в различных состояниях и имеют слегка различные энергии. А переходы электронов между различными состояниями приводят к образованию различных спектральных линий. Так гипотеза спина объяснила существование непонятных ранее сдвоенных спектральных линий — дублетов.
Возведя гипотезу о том, что два электрона с одинаковым знаком спина не могут занимать общую орбиту в атоме, в ранг общего правила, удалось объяснить сущность Периодического закона Менделеева. Вот как работают гипотеза спина и правило запрета в этом случае далеко за пределами области, в которой они были выдвинуты. В соответствии с гипотезой Резерфорда атомы состоят из ядра и внешних электронов. Для наглядности, по предложению Бора, можно представить себе, что электроны занимают определенные орбиты. В атоме водорода имеется один электрон, у гелия их два, у лития три и т. д. Последовательное заполнение орбит обусловлено правилом запрета: одна и та же орбита не может быть занята двумя электронами, находящимися в одинаковом состоянии. Значит, в атоме гелия, ядро которого имеет заряд, равный двум, и способно удержать два электрона, эти два электрона, находясь на нижней орбите, не могут находиться в одинаковом состоянии. Поэтому их спины должны иметь противоположные знаки и, благодаря этому, должны быть взаимно скомпенсированы. Это очень устойчивая структура, определяющая химическую инертность атома гелия. Именно стремление к «компенсации» спина заставляет два атома водорода соединиться в молекулу. В этой молекуле, содержащей два ядра водорода, имеются два электрона, спины которых противоположны по знаку и взаимно скомпенсированы. Вследствие этого молекула водорода гораздо более инертна, чем одиночный атом водорода, в котором спин единственного электрона не скомпенсирован и «ищет» партнера, способного его скомпенсировать.
Вслед за гелием в Периодической таблице Менделеева располагается литий. Заряд его ядра равен трем, поэтому оно окружено тремя электронами. Третий электрон начинает заполнение следующей электронной оболочки, окружающей устойчивую электронную оболочку гелия. Спин этого электрона нескомпенсирован — электрон как бы в ожидании партнера. Как следствие, литий обладает большой химической активностью. Вторая электронная оболочка оказывается заполненной, когда на ней находятся 8 электронов. Соответствующее ядро имеет заряд, равный 10. Это атом инертного газа неона.
Здесь нет места для более подробного описания связи структуры электронных оболочек атомов с их положением в таблице Менделеева, но каждый желающий может продлить этот анализ в пределах всей таблицы химических элементов.
Серьезность «Шуточной физики для пешеходов»
Открытие спина электрона и его роли, как характеристики квантового состояния электрона в микросистемах, имело далеко идущие последствия. Выяснилось, что наличие спина вносит существенные особенности в поведение объектов микромира. Целый ряд трудностей и парадоксов, с которыми встречалась классическая статистика при попытках применить ее для описания свойств микромира, связан с тем, что она попросту неприменима к этому кругу явлений. Все эти трудности и парадоксы исчезли как по мановению волшебной палочки после того, как Ферми и Дирак разработали особую статистику. Она учитывала принцип запрета, заставляющий из набора возможных состояний системы принимать во внимание только те, где каждое квантовое состояние занято лишь одной частицей. Вскоре, однако, оказалось, что и новая квантовая статистика не способна объяснить часть закономерностей микромира. Прежде всего это было установлено в процессах с участием фотонов.
Выход из тупика обнаружил индийский физик Бозе. Он послал свою работу «отцу фотонов» — Эйнштейну, который сразу же оценил ее выдающееся значение и немедленно рекомендовал к опубликованию. Идея Бозе опиралась на то, что частицы, обладающие целочисленным значением спина, а фотоны принадлежат к их числу, не подчиняются правилу запрета. Значит, они не должны подчиняться статистике Ферми-Дирака. Поэтому в каждом квантовом состоянии может находиться любое число таких частиц. Физики вздохнули с облегчением. Работы Эйнштейна в области квантовых свойств света послужили ему отличной основой не только для понимания идеи Бозе, но и для ее воплощения в строгую математическую форму. Так возникла новая квантовая статистика-статистика Бозе-Эйнштейна, а частицы микромира оказались сгруппированными в два существенно различных класса. Частицы, принадлежащие к одному из них, получили название бозонов. Они характеризуются целочисленным значением спина (0, ± 1, ±2, ± 3…) и подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Частицы второго класса характеризуются полуцелыми значениями спина (± 1/2, ± 3/2, ± 5/2…) и подчиняются статистике Ферми — Дирака.
Причина и значение такого разделения оставалась в течение долгого времени таинственным и непонятным фактом. Лишь совсем недавно появились надежды на то, что и эта загадка будет разрешена. В основе этого различия, вероятно, лежит еще один тип симметрии, присущий микромиру. Как это ни курьезно — первый подход к решению загадки различия между фермионами и бозонами был опубликован в юмористическом журнале, издание и чтение которого позволяет физикам отдохнуть от утомительного занятия наукой. В одном из номеров журнала «Шуточная физика для пешеходов» в 1962 году появилась статья Липкина, содержавшая бездоказательное, а потому несерьезное, просто фантастическое предположение о том, что фермионы и бозоны являются близкими родственниками и даже образуют одно общее семейство. В соответствии с этим Липкин предложил особую барбарионскую, или иначе «варварскую», классификацию частиц. (По-английски здесь игра слов: «barbaruon» и «barbarian», то есть «варварский».) Но через два года Липкин еще раз возвратился к возможности барбарионской классификации элементарных частиц, теперь уже в серьезном журнале, специально предназначенном для публикации коротких, но важных сообщений. Барбарионская классификация вскрывает незамеченную ранее симметрию свойств частиц. Позволяет усмотреть их глубокое родство, объединяющее в общее семейство частицы, имеющие различный спин и различное барионное число (один из параметров, характеризующий свойства тяжелых частиц).
Для наглядности представим себе группу спортсменов, построенных «в затылок» в колонну по одному, начиная с легковесов и кончая тяжеловесами. При этом группа подобрана так, что каждый вес представлен двумя спортсменами (как для соревнований по боксу или борьбе). Затем следует команда: «на первый-второй рассчитайся», и команда: «первые — шаг влево, вторые — шаг вправо». Теперь они стоят зигзагом в две колонны, слева «нечетные», справа «четные». Так единая группа оказывается ранжированной по двум признакам: по весу и по четности. Возвращаясь к частицам, заметим, что весу спортсменов соответствует барионное число, а четности — значение спина. Частицы, имеющие одинаковое барионное число, могут иметь различные значения спина. Спин, как мы знаем, определяет принадлежность частицы к той или иной классификации. Полуцелый спин относит частицу к подсемейству фермионов и заставляет ее подчиняться статистике Ферми-Дирака. Целочисленный спин означает, что частица относится к подсемейству бозонов и подчиняется статистике Бозе-Эйнштейна. Внутри этих подсемейств обнаруживаются дальнейшие различия, ибо, как уже упоминалось, фермионы могут иметь различные «полуцелые» значения спинов (±1/2, ±3/2, ±5/2…), а бозоны различные целые значения (0, ±1, ±2, ±3…). Это приводит к реальным физическим различиям внутри двух основных подсемейств бозонов и фермионов.
Однако в микромире имеются и другие различия между частицами. Например, протон и нейтрон почти не различаются по массе, они входят в одну общую «весовую категорию». Не различаются они и спином. Нейтрон невозможно отличить от протона, не будь в нашем распоряжении электромагнитных полей. Электромагнитное поле или даже электрическое и магнитное поля, взятые по отдельности, позволяют легко отличить протон от нейтрона. Первый обладает положительным электрическим зарядом, второй электрически нейтрален. Это тоже можно пояснить моделью. Протон и нейтрон почти идентичные близнецы, но на спортсмена, изображающего протон, одет парик с длинными волосами, а тот, кто играет роль нейтрона, носит парик-лысину. В электрическом поле волосы на парике «протона» поднимаются дыбом. Лысый «нейтрон» на поле не реагирует…
Итак, барбарионскую классификацию, родившуюся как шутка, теперь рассматривают всерьез. Таким, можно сказать, было начало. Новое слово сказано в 1976 году. В физику вошло понятие суперсимметрии и новый тип алгебры, алгебры суперсимметрии, вскоре превратившейся в математический аппарат, пригодный для конкретных расчетов. Прежде чем идти по этому удивительному пути, нужно возвратиться на стартовую позицию.
Античастицы
Вся наука покоится на нескольких фундаментальных законах. Важнейшими из них являются законы сохранения. Ученые сформулировали эти законы, сопоставляя многочисленные и разнообразные наблюдения и опыты. Вопрос о том, почему эти закономерности свойственны природе, возникал многократно — человеку свойственно стремление дойти до самых глубинных основ, до понимания причины всех причин. Свойства симметрии открыли такую возможность. Оказалось, например, что главные законы, законы сохранения энергии и импульса, сохранения момента (то есть сохранения импульса вращательного движения) и некоторые другие тесно связаны со свойствами пространства, его симметрией. Если тело движется в пространстве по инерции, не испытывая действия внешних сил, его энергия не изменяется. Эта простейшая форма закона сохранения энергии вытекает из свойства однородности пространства, из его так называемой трансляционной симметрии. Не меняются свойства тела и при повороте в пространстве, ибо пространство изотропно, то есть его свойства не зависят от направлений. Значит, поворот тела в пустом пространстве, вдали от других масс, не меняет его энергии.
Симметрия пространства и времени лежит в основе теории относительности. Симметрии такого рода называются глобальными симметриями. Они одинаково охватывают все пространство, весь мир.
Но существуют. и симметрии иного рода, локальные симметрии, характеризующие ограниченные области пространства. Наглядным примером является упругий резиновый шар. Поворачивая его вокруг любой оси, проходящей через центр, мы не вызываем никаких изменений. В данном случае поворот — есть преобразование, допускаемое глобальной симметрией шара. Возможны, однако, другие операции, не нарушающие сферической формы шара, но вносящие изменения, скажем, в его поверхность. Можно сместить любую точку поверхности шара, не изменяя ее расстояние от центра. При этом сферическая форма шара не нарушится, но сетка меридианов и параллелей, нанесенная на его поверхность, исказится. Это легко себе представить и, при известной осторожности и тренировке, даже выполнить, проделав опыт с надувным резиновым шариком, предварительно нарисовав на нем сетку меридианов и параллелей. Смажем кончик пальца клеем, коснемся шарика и, подождав, пока клей подсохнет, сдвинем палец вдоль поверхности шара. Не нужно давить на нее или поднимать ее — пусть она остается сферической. Однако сетка меридианов и параллелей окажется искаженной. Палец почувствует, как резина сопротивляется этому локальному нарушению симметрии. Такое местное смещение вызывает появление упругих сил, стремящихся вернуть смещенную точку в исходное состояние. Здесь мы встретились с примером неведомого ранее рождения сил. В данном случае локальная симметрия образуется без нарушения глобальной симметрии: сферическая поверхность остается сферической. Но в месте локального нарушения симметрии появляется сила, отсутствовавшая до возникновения этого нарушения и захватывающая часть пространства.
Мы не подчеркивали раньше, сколь большую роль играли такие локальные свойства симметрии в посленьютоновском развитии физики. Для простоты мы пользовались более привычным языком. Но для дальнейшего необходимо перейти на язык симметрии и описать на нем несколько известных явлений. Локальные изменения симметрии пространства, вызванные присутствием больших масс, приводят к появлению гравитационных сил. Вот как это происходит. Пространство вдали от больших масс однородно и изотропно. Но вблизи больших масс оно теряет свою однородность и изотропность. Вместо них возникает локальная сферическая симметрия. По мере удаления от искажающей массы локальная сферическая симметрия становится все менее заметной, она ослабевает, плавно переходя в глобальную симметрию, в однородное и изотропное пространство. Именно появление локальной сферической симметрии вызывает возникновение гравитационных сил.
Иными словами, локальная сферическая симметрия пространства, вызванная присутствием некоторого материального тела, эквивалентна гравитационному полю, полю тяготения этого тела. Величина локального искажения симметрии, а значит, и сила поля тяготения пропорциональна массе этого тела. Эта величина и эта сила убывают по закону Ньютона пропорционально квадрату расстояния. Поэтому сила тяготения и локальные искажения симметрии быстро становятся очень малыми.
Так, с точки зрения симметрии, можно объяснить суть общей теории относительности.
Подобным образом можно пояснить и возникновение сил в теории Максвелла. Электрический заряд вызывает локальную симметрию — сферическую симметрию пространства, примыкающего к нему. Следствием является возникновение электростатического поля и соответствующей кулоновской силы, действующей на другие заряды. По мере удаления от рассматриваемого заряда вызванная им локальная симметрия и окружающее его поле ослабевают.
Теперь мы можем высказать гипотезу: при возникновении локальной симметрии, искажающей глобальную симметрию природы, всегда возникают соответствующие поля и связанные с ними силы. К этой гипотезе мы еще вернемся, но прежде обратим внимание на то, что понятие симметрии, позволившее по-новому осознать структуру теории Максвелла и теории относительности, не дает возможности продвинуться в понимании природы элементарных частиц. Для этого нужно идти дальше.
Эйнштейн отлично понимал, что радикальное изменение теории неизбежно. Но главное направление развития физики пошло не по пути развития теории поля, избранному Эйнштейном, а в направлении дальнейшего совершенствования квантовой механики, вероятностный характер которой казался ему сомнительным. Продвигаясь по этому направлению, физики, главным образом это были молодые ученые, добивались одного успеха за другим. Дирак первым объединил принципы квантовой механики с требованиями специальной теории относительности. Наградой ему было предсказание существования новой частицы, имевшей массу электрона и обладавшей зарядом, равным по величине заряду электрона. Это была удивительная частица: знак ее заряда был противоположен знаку заряда электрона. Это был положительный электрон, призрак которого беспокоил еще Эйнштейна. Но этим не ограничивались поразительные свойства новой частицы. Она должна была двигаться навстречу действующей на нее силе. Лишь со временем Дирак понял, что такое свойство может быть присуще только частице с отрицательной массой.
Так в науку вошла первая античастица. Впоследствии выяснилось, что в природе существует еще один тип симметрии: симметрия частиц и античастиц. Каждой частице, имеющей спин, отличный от нуля, соответствует античастица. Античастицы обладают отрицательной массой, равной по величине положительной массе соответствующей частицы. Если частица обладает электрическим зарядом, то ее античастица имеет заряд той же величины, но противоположного знака.
По мере углубления знаний мы убеждаемся, что элементарные частицы обладают многими, ранее неизвестными нам характеристиками. И аналогичными свойствами обладают их античастицы. Все характеристические величины, определяющие свойства элементарных частиц и их античастиц, принято называть их квантовыми числами. Если частица не обладает данной характеристикой, то для нее соответствующее квантовое число равно нулю. Величины, характеризующие микрочастицы, меняются только скачками (квантами). Наименьшая величина такого скачка принята равной 1/2 и может быть как положительной, так и отрицательной. С этим мы уже знакомы.
При встрече частицы с ее античастицей обе они исчезают, аннигилируют, порождая при этом другие частицы. Например, при встрече электрона с его античастицей — позитроном вместо них возникают два фотона. Здесь мы встречаемся с предсказанным теорией относительности слиянием двух законов сохранения — закона сохранения энергии и закона сохранения вещества — в единый закон сохранения. Ведь при аннигиляции электрона и позитрона их масса покоя исчезает (фотоны не имеют массы покоя) и полностью переходят в энергию фотонов. Эта энергия эквивалентна сумме масс покоя аннигилирующих частиц и энергии их движения. Процесс аннигиляции заряженных частиц происходит в полном соответствии с законом сохранения электрического заряда. Например, при аннигиляции электрона и позитрона их заряды исчезают не по отдельности, а вместе. Сумма их зарядов (положительного и отрицательного) в точности равна нулю, равны нулю и заряды рождающихся фотонов. Суммарный заряд остается неизменным — как до аннигиляции заряженных частиц, так и после нее. Сейчас ученым известны не только элементарные античастицы, но и антиатомы, например, атомы антиводорода. Обнаружить эти реалии в природе не удалось — их синтезируют в лаборатории. Ядром атомов антиводорода служит отрицательно заряженный антипротон. Роль электрона в таком атоме играет позитрон.
Двуличность элементарных Частиц
Квантовая механика, созданная для познания свойств микромира, оказалась бессильной ответить на самые насущные вопросы: почему существуют именно такие микрочастицы, какие мы наблюдаем, почему они обладают именно такими, известными нам из опыта, значениями массы и заряда? Теория была вынуждена принять частицы и их характеристики как факт. Затем уже она могла «строить» из них атомы и молекулы, вычислять их свойства, например, закономерности спектров, силы, удерживающие электроны на орбитах и объединяющие атомы в молекулы, и многое другое. В этом смысле квантовой механике присущи черты феноменологической теории, в уравнения которой входят постоянные, определяемые непосредственно из опыта.
При попытке вычислить энергию электрона квантовая механика приводила к бесконечно большим величинам. Однако бесконечно большая энергия, как показывает теория относительности, соответствует бесконечно большой массе, что никак не совместимо с опытом, дающим вполне определенное значение массы электрона. Такие бесконечности возникали в квантовой механике во многих случаях. Чаще всего, как в задаче о собственной энергии электрона, они появлялись вследствие того, что частицы, в том числе и электроны, выступают в квантовых теориях как точечные образования, не имеющие размеров, а при расчетах одновременно применялись методы новой, квантовой физики и старой — классической.
Для того чтобы избежать противоречащих опыту бесконечных величин, требовалось радикальное изменение теории. Мобилизуя все возможные способы, используя все лазейки, которые можно было отыскать в старых теориях, и отваживаясь на попытки, не имеющие прецедентов в прежней практике, ученые ухитрялись проникать все глубже и глубже в твердь микромира, а точнее — в его «зыбкость». Первого успеха добилась квантовая электродинамика — теория, объединившая то, что казалось непримиримым: свойства электромагнитного поля с квантовой структурой вещества и энергии. Можно сказать, что это примирение основано на компромиссе. Одной из опор служит ощущение гармонии, симметрии между частицами и полями, осознание того, что изменение одного влечет за собой определенное изменение другого. Осознание их кровной связи, их единой природы. Симметрия частиц и поля и стала путеводной, нитью в поисках единой судьбы мира.
Подобная идея привела японского физика Юкаву к созданию теории ядерных сил — поразительной основополагающей теории, роль которой можно уподобить роли одного из китов, на которых держится мир. Юкава предположил, что протоны и нейтроны внутри ядра удерживаются полем, порождающим чрезвычайно большие силы, если расстояния между частицами меньше диаметра ядра. Причем эти силы очень быстро убывают при увеличении расстояния за пределы ядра. Для того чтобы поле обладало этими свойствами, нужно, чтобы его кванты были очень отличны от квантов электромагнитного поля — фотонов. Фотоны движутся со скоростью света и не могут двигаться с другой скоростью. Их масса покоя равна нулю. Поэтому электромагнитное поле действует на очень больших расстояниях, конечно, с увеличением расстояния его действие постепенно ослабевает. Расчеты показали Юкаве, что именно обеспечивает известные свойства ядерных сил, обладающих большой величиной в пределах ядра и быстро убывающих за его пределами: квантами этого поля должны быть особые частицы с массой, примерно в 300 раз превышающей массу электрона. Когда Юкава предсказал эти частицы, ни один опыт не намекал на их реальное существование. Но эти частицы, названные мезонами (промежуточными, так как величина их массы расположена между массами электрона и протона), впоследствии были обнаружены на опыте. Обладая массой покоя, они, конечно, не могут двигаться со скоростью света. Это и обеспечивает чрезвычайную малость зоны действия ядерных сил. Позже эти частицы получили наименование пи-мезонов, ибо были открыты и другие частицы, входящие в семейство мезонов.
Сравнение свойств протона и нейтрона, сильно отличающихся зарядом (заряд протона +1, заряд нейтрона 0) и мало отличающихся по массе (нейтрон лишь на 0,13 % тяжелее протона), заставило ученых задуматься: не существует ли еще одна, дотоле неведомая симметрия, объединяющая микрочастицы в своеобразные группы?
Успех теории ядерных сил дал новый толчок развитию науки. Предстояло объяснить несколько фактов, обнаруженных экспериментаторами, но оставшихся непонятными. Было, например, установлено, что частицы, возникающие за очень короткое время в результате сильных ядерных взаимодействий, затем могут через очень длительное время самопроизвольно распасться без всяких видимых причин. Для объяснения этого и некоторых других фактов пришлось предположить существование еще одного типа сил, получивших наименование слабых, ибо они в 100 000 раз слабее тех, которые ответственны за взаимодействия ядерных частиц, и примерно в 1000 раз слабее сил электромагнитного взаимодействия.
Стабильность большинства ядер, состоящих из протонов и нейтронов, приводит к заключению о том, что сами протоны и нейтроны столь же устойчивы. Однако наблюдения над свободными нейтронами показали, что это не так. В среднем через пятнадцать минут свободный нейтрон распадается, порождая протон, электрон и нейтрино. В некоторых неустойчивых ядрах аналогичные распады наблюдаются и внутри ядра. Этот процесс, называемый бета-распадом, состоит в том, что из ядра вылетает электрон, а положительный заряд ядра увеличивается на единицу. При этом баланс энергии и импульса, измеренный со всей тщательностью, не сходится. Энергия и импульс первоначального ядра оказываются больше, чем сумма энергии и импульса дочернего ядра и электрона. Убеждение в необходимости соблюдения законов сохранения энергии и импульса привело в этом случае к предсказанию существования нейтрино, неизвестных ранее незаряженных частиц, уносящих недостающую энергию и импульс. Впоследствии нейтрино были обнаружены.
Устойчивость ядер и устойчивость нейтронов внутри большинства ядер обеспечивается сильными ядерными взаимодействиями. Распад нейтрона вызывается слабыми взаимодействиями. Они проявляются в полной мере лишь внутри ядерных частиц, вне — чрезвычайно слабы. Даже внутри нейтрона они в 1000 раз слабее электромагнитных взаимодействий. Однако недавно удалось обнаружить, что эти силы действуют и в масштабах атома. Все это, вместе взятое, позволило ученым рассматривать протоны и нейтроны как два варианта одной и той же ядерной частицы— нуклона.
Это могло бы показаться чистой мистикой, не будь столь парадоксальное утверждение основано на реальном фундаменте многочисленных экспериментов. Нуклон, эта двуединая частица, выступает под единой личиной только внутри ядер атомов более тяжелых, чем водород. Внутри ядер электрический заряд не принадлежит отдельным протонам. Он полностью коллективизирован. Можно представить себе, что ядро является каплей нуклонной жидкости, удерживаемой вместе действием ядерных сил, проявляющихся в том, что отдельные нуклоны постоянно обмениваются между собой пи-мезонами. При этом электрические заряды покидают отдельные протоны и оттесняются к поверхности капли.
При ядерных реакциях некоторые частицы покидают ядро. Самые легкие из свободных частиц, имеющих положительный заряд — позитроны — являются античастицами электронов и в земных условиях очень быстро гибнут, встречаясь и аннигилируя с электронами. Самые простые из ядерных частиц, имеющие единичный положительный заряд, оказываются протонами. Их ядерные близнецы, не имеющие заряда, называются нейтронами. Разница между ними может быть обнаружена только при помощи электромагнитных взаимодействий. Нейтроны не реагируют ни на электрическое, ни на магнитное поля, ни на электромагнитные волны. Протоны притягиваются или отталкиваются электрическими зарядами, в соответствии с их знаком, их путь искривляется в магнитном поле, на них можно воздействовать электромагнитными волнами. Правда, эти различия можно обнаружить, лишь когда протон и нейтрон свободны, то есть находятся вне ядер, вне действия ядерных сил, в сто раз превосходящих по величине электромагнитные силы.
Так была установлена еще одна симметрия природы, названная изотопической симметрией. Она объединяет между собой протон и нейтрон, позволяя рассматривать их как единую частицу — нуклон. Нуклон обладает изотопической симметрией, электромагнитное поле нарушает изотопическую симметрию. Электромагнитное поле обнаруживает, является ли данный нуклон протоном или нейтроном. Если электромагнитного поля нет, то разница меж-междуними исчезает. Можно сказать лишь, что это нуклон. Итак, гипотеза о существовании в природе нового типа взаимодействия — слабого взаимодействия — подтверждена опытом. Не следует, однако, думать, что слабое взаимодействие разрушает нейтрон, что нейтрон состоит из протона, электрона и нейтрино. Нет, нейтрон так же элементарен, как протон, но слабые взаимодействия приводят к перерождению нейтрона в три отдельных частицы, причем 0,13 % массы нейтрона превращается при этом в массу покоя электрона и в энергию движения новорожденных частиц.
Что значит быть родственниками?
Развивая идею Юкавы о поле ядерных сил и о частицах, реализующих действие этого поля, можно сказать, что слабые взаимодействия тоже связаны с существованием особого поля. Можно и оценить массу частиц, реализующих это поле. Что нужно учесть при этой оценке? Слабые взаимодействия в 1000 раз слабее электромагнитных. Они и убывают быстрее по мере увеличения расстояния. Нужно принять во внимание также, что масса частиц, представляющих поля, пропорциональна квадратному корню из отношения сил этих полей. Так ученые получили, что масса частиц поля слабого взаимодействия примерно в 30 раз больше массы протона или нейтрона. При этом спин такой частицы должен быть целым числом, то есть она должна подчиняться той же статистике Бозе — Эйнштейна, которой подчиняются фотоны — частицы, реализующие электромагнитные взаимодействия.
Предсказанные свойства новых частиц обнаружили их глубокое родство с фотонами. Естественно, возник вопрос: не принадлежит ли новая частица к тому же семейству, что и фотон? Нет ли общности между электромагнитными и слабыми взаимодействиями? Прежде чем приняться за объяснение сходства, необходимо понять причину и значение различия между новой частицей и фотоном. Главные различия в их массе. Вся масса фотона обусловлена переносимой им энергией. Он летит со скоростью света и не может изменить своей скорости, его масса покоя равна нулю. Масса покоя новой частицы равна 30 массам нуклона, она очень велика. Могут ли столь различные частицы быть родственниками?
Все ранее известные теории элементарных частиц дали бы решительный отрицательный ответ. Но теория симметрии, на основе фактов, известных в других областях физики, позволила подойти к этому вопросу глубже. Она столкнула ученых с невиданным ранее эффектом, с одним из самых мистических сюрпризов микромира. Оказалось, что один из видов нарушения симметрии — спонтанное нарушение — может придать массу частице, не имеющей массы…
