Техника - молодёжи 1998-04, страница 9

почему-то меняется, достигая максимума, опять же по неизвестной причине, на ядре железа (рис.2).

Согласно теории относительности, инертная масса часгицы зависит только of скорости, а ее масса пока я — величина неизменная. И дефект масс этою факта изменять ироде бы не должен. Но тогда почему же наблюдается такой разброс отношений масс ядер к числу нуклонов, если массы самих нуклонов практически одинаковы? Четкиго ответа нет.

К тому же в случае действия ядерных сил возникает и чисто теоретическая претензия к эйнштейновской формуле для массы частицы Обратимся к основному принципу современной физики — закону сохранения энергии и импульсэ и попытаемся применить его к ядру. Итак, суммы энергий и импульсов частиц и полей в нем должны оставайся неизменными. Формула этих величин для частиц отлично известна из теории относительности, для электрических и магнитных полей тоже все хорошо изучено. Но остаются энергия и импульс ядерного поля — как быть с ними?

Для их описания через потенциал этого поля привлечем уравнение Юкавы. Хотя в целом оно неверно отражает картину сильных взаимодействий, но поле свободных пи-мезонов описывает хорошо, поскольку дает правильные значения их массы и спина. Так что не будем поспешно отбрасывать эту красивую теорию — просто укажем пределы ее применимости. приняв следующий принцип.

Принцип 1. Уравнение Юкавы правильно описывает СВОБОДНОЕ ядерное поле, то есть поле в пустоте, вне создающих его частиц.

Это условие как раз и позволяет получить выражения для энергии и импульса ядерного поля через его потенциал И теперь мы можем составить полный баланс анергий и импульсов как частиц, так и полей ядра и применить закон их сохранения.

Правда, гут нас подстерегает новая неприятность. Дело в том, что получаемые в итоге четыре уравнения в данном случае оказываются противоречивыми: первое «на стыкуется" с тремя остальными. Причем виновата в этом именно теория Юкавы, а уравнения для электромагнитного поля, как и следовало ожидать, противоречий не дают.

И все же, оказывается, можно снова спасти ■'Многострадальную» теорию — теперь уже за счет теории относительности, если принять еще один, ключевой для нас принцип.

Принцип 2. Масса покоя частицы гп не является постоянной величиной, как предполагает теория относительности, но зависит от потенциала ядерных сил (его физический смысл — тот же, что и для потенциала электрических сил: это потенциальная энергия пробной частицы).

Опуская подробности, скажем, что это необычное допущение снимает противоречие, позволяя получить новое уравнение поля ядерных сил — совпадающее с уравнением Юкавы для свободного поля (см. Принцип 1).

но существенно отличное от него внутри частицы, в том числе и внутри ядра. Кроме того, удается вывести и уравнения движения частиц в поле сил, и саму зависимость массы покоя m от потенциала поля:

m = m(0) expjif/c¹),

где с — скорость света, а <р — потенциал, имеющий размерность квадрата скорости.

Найденная формула — центральное звено теории. Она как раз и позволяет достичь количественного согласия теории с экспериментом.

РАЗГАДКИ ЗАГАДОК

Остается проверить нашу теорию на практике: привлечь ее к объяснению свойств и характеристик ядер атомов, которые хорошо изучены экспериментально.

Итак, «в сердце атома» действуют два вида сил — ядерные силы притяжения нуклонов и электрические силы отталкивании прогонов. Их баланс и должен бы дать характеристики ядер (скажем, размеры), если бы не одно «но». Как уже говорилось, сильные взаимодействия намного превосходят электрические, а значит, по идее становится неизбежным катастрофическое сжатие любого ядра до математической точки. Правда, как опять же упоминалось, на малых расстояниях ядерные силы превращаются из притягивающих в отталкивающие. Но в том-то и дело, что причина этого удивительного превращения оставалась необъясненной. Так почему же ядра су-

Схематическая зависимость потенциала ядерных сил <р в случае взаимодействия двух нуклонов с массой m от расстояния г между ними. Красным цветом обозначена область притяжения нуклонов, синим — область их отталкивания (отталкивательная сердцевина).

Удельные дефекты масс атомных ядер с различным числом нуклонов. \М — абсолютный дефект масс ядра, А — число нуклонов в нем.

ществую1 и имеют вполне определенные размеры?

Более того: эта старая загадка в разных своих вариан гах касается не только ядер, но и почти всех элементарных частиц. Почему, например. не распадается электрон, если в нем действуют лишь ничем не компенсируемые силы электрического отталкивания?

Предлагались разные решения данной проблемы. В частности, одна из идей связана с влиянием окружающей среды физического вакуума, постоянно рождающего виртуальные (то есть живущие очень короткое время) частицы. Окружая частицы обычного вещества, они и обеспечивают стабильность последних Иными словами, без физического вакуума наш мир просто не мог бы существовать. Что касается ядра, то ею катастрофическому сжатию препятствуют виртуальные пи-мезоны. Однако и эта концепция оставалась не-проработанной, не доходила до количественных обьяснений. Ч то же предлагает здесь новая теория?

Поскольку время жизни виртуальных пи-мезонов чрезвычайно мало, они сосредоточены вокруг ядра практически лишь в тончайшем слое, который можно охарактеризовать некоей константой — массой пи-мезонов, приходящейся на единицу площади поверхности ядра. Так вот. эту величину можно определить из сопоставления с экспериментальными данными, и затем получить основные характеристики атомных ядер просто путем вычислений.

Задача решалась для средних и тяжелых ядер (с числом нуклонов от 20 до 255), у которых, в отличие от более легких, слабо проявляются эффекты квантовой механики, усложняющие картину. Была составлена система уравнений — баланс электрических и ядерных сил, где последние описывались новой теорией. Решив ее и установив значения неизвестных физических постоянных(путем сравнения С экспериментальными данными), удалось вычислить основные характеристики всех средних и тяжелых ядер атомов.

И вот результаты: рассчитанные дефекты масс и радиусы ядер оказались очень близкими к эксперименту, равно как и найденные коне I ант ы сильного взаимодействия для низких и высоких энергий нуклонов — те самые 0,08 и 15 соответственно. Вычисление последней константы (15) особенно веско подтвердило экспоненциальную зависимость массы покоя частиц от потенциала ядерных сил: при иных зависимостях отклонения от этой константы могли бы быть весьма значи

тельными. В свою очередь, экспоненциальный характер этой функции позволил объяснить и переход ядерных сил от притяжения к отталкиванию.

Что ж, результаты, как будто, весьма обнадеживающие. Но не вступит ли новая теория в противоречия с известными физическими законами при переходе к макротелам? Ведь на всякое движение ядер влияют не только внешние силы, но и внутренние? Ну, по крайней мере, для ОБЫЧНЫХ макротел все остается по-старому: поскольку тут расстояния между ядрами гораздо больше их собственных размеров, то и внутренние силы в них практически те же, что и в изолированных, одиночных ядрах (для которых наша теория согласуется с классическими законами). Эти силы порождают наблюдаемые величины дефекта масс, но «дальше не идут», на этом их роль заканчивается.

Однако в определенных условиях тело может перейти и в необычное, экстремальное состояние — например, при температурах, близких к абсолютному нулю. Как известно, по мере охлаждения размеры тел уменьшаются, а при сверхнизких температурах расстояния между ядрами уже становятся сравнимыми с их собственными размерами. Вот тогда в самом деле могут возникнуть серьезные отклонения от выводов классической физики и, вполне возможно, выявятся новые, неожиданные эффекты. Но это, пожалуй, уже тема другой статьи... Ш

I_I I 1_I I_L

40 80 120 160 200 240

Т Е X НИ К А - И О Л О ДЕЖИ 496