Техника - молодёжи 1998-04, страница 8

ПРОБЛЕМЫ И ПО

ИСКИ

^# А.

. - «Si '

Александр РАБИНОВИЧ, кандидат физико-математических наук

БЕСПОКОЙНАЯ МАССА ПОКОЯ, или ТАЙНАЯ ЖИЗНЬ ЯДРА

Как известно, среди четырех фундаментальных физических взаимодействий имеется так называемое сильное. Возникает оно между элементарными частицами, входящими в класс адронов. Это прежде всего протоны и нейтроны, которые именно благодаря данному взаимодействию (или, как еще говорят, посредством ядерных сил) удерживаются вместе в атомном ядре; к йдронам относятся также пи-мезоны, гипероны и рад друтих частиц.

Свойства сильного взаимодействия весьма причудливы и до конца еще не ясны. Простые теории описывали лишь небольшую их часть, а сложные ла .астую не удавалось даже довести до сравнения с экспериментальными данными. Однако осталась не исследованной одна возможность, о которой я и хочу рассказать. Речь пойдет о результатах моих работ по ядерным сипам, которые были опубликованы в двух номерах американского журнала International Journal of Theoretical Physics (NslQ 1994 и Ns2. 1997), Несмотря на простоту предложенного в них подхода, он оказался ключом к описанию известных свойств атомных ядер.

ВЗЛЕТ И ПАДЕНИЕ ТЕОРИИ ЮКАВЫ

Первую теорию ядерных сил выдвинул в 1934 г. знаменитый японский физик Хидэки Юкава (1907 — 1931). Годы его учебы в университете Киото совпали со временем создания квантовой механики, Серьезных специалистов н этой области а Японии тогда не было, и Юкава овладевал ею самостоятельно. Несмотря на далеко не тепличные условия научного созревания. ему удалось в возрасте 27 лет построить концепцию, в которой он превзошел европейских лидеров георе1ической физики, за что в 1949 г. первым среди японских ученых — был удостоен Нобелевской премии.

Модель Юкавы выглядела очень привлекательной и вселяла большие надежды. Она родилась как обобщение теории потенциала электрических сил на случай массивных переносчиков взаимодействий. Если электрический и магнитные взаимодействия «обслужи-ваютсят фотонами, не имеющими массы покоя. го Юкава попытался построить аналогичной уравнение для переносчиков, подобных фотонам, но с ненулевой массой — конечно, отвечающее принципам квантовой теории и теории относительности. Такое уравнение и было им получено.

Триумфом его теории стало верное предсказание массы элементарной частицы — переносчика сильного взаимодействия, экспериментально обнаруженной в 1947 г. Она оказалась примерно в 7 раз легче протона и в 270 рвя тяжелее электрона. Поэтому ее назвали мезоном (па гречески — «средний»), как промежуточную между протоном и электроном Позже были открыты и другие частицы с промежуточными массами; их также зачислили в разряд мезонов, а для различия добавили к названиям греческие буквы, С тех пор «частицу Юкавы» зовут пи-мезоном.

Большим достоинством теории было также

обьяснение ряда особенностей сильных взаимодействий.

Во-первых, последние проявляются лишь на малых расстояниях порядка размера протона. Здесь они значительно превышают электрические силы (за что и названы сильными). Но если адроны начинают удаляться друг от друга, их взаимодействие очень быстро становится пренебрежимо слабым. На расстояниях порядка размера атома водорода оно уже в огромное число раз меньше электрического.

Во-вторых, сильные взаимодействия отличаются зарядовой независимостью: у нейтронов с их нулевым зарядом они имеют точно те же величины, что и у заряженных протонов.

В-третьих, переносчики данных взаимодействий обладают нулевым спином (это характеристика собственного момента импульса частиц).

Концепция японского ученого как раз и позволила объяснить указанные особенности. В частности, пи-мезоны описаны у него одной функцией потенциалом сил, а это в квантовой механике соотве тствует именно нулевому спину.

Но постепенно стали выявляться и негативные стороны теории Юкавы. Оказалось, что силы между нуклонами (так называют и протоны и нейтроны) описываются далеко не столь просто, как в его уравнении во многих случаях оно резко противоречит экспериментальным данным. Что имеется в виду?

Как известно, интенсивность взаимодействия в поле сил описывается определенной безразмерной величиной. Так, для электрических зарядов она равна примерно 1/137. А вот у нуклонов этот параметр сильно зависит от их энергии и может изменяться от 0,08 при низких энер1 иях (например, у протонов и нейтронов в составе ядер атомов) до 15 (при столкновениях наиболее «энергичных» нуклонов).

Кроме тою, нуклоны в ядрах атомов отнюдь не всегда притягиваются. При высоких интен-сивностях взаимодействия, а также на малых расстояниях наблюдается так называемое насыщение ядерных сил, когда притяжение сменяется отталкиванием (рис.1).

Ни той, ии другой из этих важнейших особенностей теория Юкавы -незамечала», что, в конце концов, привело к почти полному отказу от нее. Стали появляться другие концепции.

Том Фридман, «Горячие шары->, 1992.

...Не тан ли можно представить себе и ядра

атомов?

Самой перспективной сегодня считается квантовая хромодинамика, в которой место пи-мезонов заняли гипотетические глюоны. Однако и эта модель оставляет неясным ряд принципиальных вопросов, так чт построить количественную теорию ядерных сил не позволяет.

Но почему бы тогда не попытаться спасти теорию Юкавы, имеющую немало достоинств прежде всего простоту и верное описание пи-мезонов, участвующих в сильном взаимодействии?

Оказалось, спасительный маневр возможен, если пойти на небольшую ревизию., эйнштейновской теории относительности (оговоримся сразу — не затрагивающую ее главные и экспериментально подтвержденные выводы). Правда, пока не очень ясно,

ПРИ ЧЕМ ЗДЕСЬ

ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ?

Начнем с того, что на сегодня означенную теорию можно считать одной из самых «благополучных ■■ в физике. Она хорошо подтверждена экспериментально (особенно это касается специальной теории относительности для инерциальных систем отсчета), а какие-либо противоречащие ей надежно установленные факты отсутствуют. Но не слишком ли рано она остановилась в своем развитии? Ведь опираясь на нее, ядерная физика до сих пор зачас1ую nacyei при попытках описать экспериментальные данные. Возникает вопрос, не должна ли и современная теория относительности взять на себя часть ответственности за эти трудности, в чем-то, может быть, и перестроившись?

Попробуем разобраться. Один из важных вопросов, «входящих в компетенцию» данной теории, проблема дефекта масс Имеется в виду тот хорошо известный фак1, что массы атомных ядер немного меньше суммы масс входящих в них протонов и нейтронов В теории относительности эта разница находит качественное объяснение, но вот в количественном отношении тут многое непонятно. Ведь эта величина ведет себя довольно странно: у разных ядер, в пересчете на один нуклон, она

ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ

6

4 9 0