Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 99
Текст из файла (страница 99)
Ч!!1 пропорционально массам обоих тел. Этого не происходит в случае электрического взаимодействия макроскопических тел, так как положигельные и отрицательные заряды сосгавляющих их частиц в высокой степени нейтрализуют друг друга. Вот почему электрические силы не оказывают существенного влияния на движение больших масс, хотя в случае взаимодействия тел, состоящих только из положительных или только отрицательных частиц, они значительно больше гравитационных и также являются дальнодействующими. 10. Классическая физика принимала, что взаимодействие между телами передается с конечной скоростью посредством силовых полей.
'Гак, электрический заряд создаег вокруг себя электрическое поле, которое в месте нахождения другого электрического заряда воздействует на него с некоторой силой (см.т. !!1, ~ 1). Так же, но уже посредством других силовых полей, осуществляются все взаимодействия в природе, например гравитационное. Квантовая физика не изменила такое представление, но учла квантовые свойства с .мого полю Из-за корпускулярно-волнового дуализма всякому полю должна соответствовать определенная частица (квант поля), которая и является переносчиком взаимодействия.
Одна из взаимодействующих частиц испускает квант поля, другая его поглощает. В этом и состоит механизм взаимодействия частиц. В случае электромагнитных взаимодействий квантами поля — переносчиками взаимодействия — являются фотоны.
Сильные взаимодействия переносятся гяюонами, слабые ИгЯ- и г' о-промежуточными векторными бозонами, предсказанными в теории электрослабого взаимодействия и открытыми экспериментально в !983 г., гравитационное гипотетическими гравитонами. В настоящее время электромагнитное и слабое взаимодействия рассматриваются как различные проявления единого электрослабого взаимодействия, подобно тому как электрическое и магнитное поля объединены в единое электромагнитное поле. Слабые силы на малых расстояниях (порядка радиуса их действия) одного порядка с электромагнитными. Но они экспоненциально убывают с расстоянием, так что на больших расстояниях слабые силы исчезающе малы по сравнению с электромагнитными.
Против предсзавления взаимодействия посредсгвом обмена квантами поля можно выдвинуть следующее возражение. Пока частица свободна, она нс может испустить или поглотить квант поля. Для испускания и поглощения фотона это утверждение уже было доказано в ~ 1. Повторим его еще раз в измененной форме, не предполагая, что масса покоя кванта поля равна нулю. Рассмотрим сначала процесс испускания кванта и применим доказательство от противного. Пусть масса покоя частицы до испускания кванта равна т. После испускания кванта масса покоя может измениться, обозначим ее через т'.
11ри испускании частица может получить импульс отдачи р. В системе, в которой частица покоилась до испускания кванта поля, закон сохранения энергии записывается й бз) Введение 397 в виде где У„, энергия испущенного кванта. Если импульс кванта П, то, очевидно, р+П = О. Из написанного уравнения видно, что т'сг < те~. Если частица стабильна, а это надо предполагать, то ее энергия минимальна и не может дальше уменьшаться. Поэтому должно быть т = = п~', р = П = О, й„= О. Итак, испущенный квант поля не обладает ни энергией, ни импульсом. А это значит, что такого кванта вообще нет.
Доказательство., по существу, предполагает, что при испускании кванта поля внутреннее квантовое состояние частицы не изменяется. Если то же самое имеет место и при поглощении, то не составит труда распространить доказательство и на поглощение. Это предлагается сделать читателю. Квантовая теория снимает выдвинутое возражение, используя принцип неопределенности Гейзенберга. Если квант поля существует в течение короткого промежутка времени Ы, необходимого для переноса взаимодействия, то его энергия е: не может быть точно определенной.
Ее неопределенность Ье удовлетворяет соотношению Гейзенберга Ьй Ы вЂ” й. Формально зто означает, что для таких промежутков времени закон сохранения энергии нарушается. Иначе можно сказать, что для частиц, переносящих взаимодействие, нарушается обычная связь меэесду энергией и импульсом. Поэтому их называют не просто частицами, а виртувльп ми частицами или вирту льпыми квантами поля. Из таких виртуальных квантов, испускаемых и поглощаемых действительными частицами, и состоит силовое поле, их окружающее.
В частности, электромагнитное поле, окружающее электрический заряд, состоит из испускаемых и поглощаемых виртуальных фотонов. Процессы испускания и поглощения виртуальных частиц называют также вирту льными. 11. Определенная трудность возникает, если механизм взаимодействия частиц микромира пытаться представить наглядно.
Вообразим, например, двух людей А и В, которые стоят в разных местах и перекидываются мячом. Бросив мяч в направлении к В, А испытывает толчок в обратном направлении. Дополнигельный толчок в том же направлении он получает, когда ловит мяч, брошенный В. В результате между А и В возникает сила отталкивания. Можно ли придумать классический пример, когда в результате перекидывания каким-либо предметом между А и В возникает притяжение? Можно.
Для этого мяч надо заменить бумерангом и поставить А и В спиной друг к другу. А бросает бумеранг в направлении от В и при этом испытывает силу, направленную к В. Бумеранг, изменив направление полета, пролетает за В а затем возвращается к В. В ловит его и посылает в сторону, противоположную А. В результате возникает сила, направленная к А, и т.д. Таким образом, осуществляется притяжение между А и В.
Очевидно, в этом примере существенную роль играет среда (воздух), в которой летит бумеранг. Без такой среды бумеранг летел бы по инерции — прямолинейно. Все это является только наглядной иллюстрацией (Гл. г'!!1 Статические свойства атомного ядра 398 и не претендует на истинное объяснение механизма взаимодействия. Взаимодействие посредством обмена виртуальными часгицами не имеет наглядного объяснения. 12. Виртуальные частицы непосредственно не воспринимаются. Каждая частица является источником какого-то поля (например, электрон — источником электромагнитного поля). Согласно корнускулярно-волновому дуализму всякому полю соответствуют частицы, являющиеся квантами этого поля.
Масса этих частиц т может быть равна нулю (как у фотонов), но может быть и отличной от нуля. Свободная частица, ввиду законов сохранения энергии и импульса, не может испустить реальный квант поля, так как для этого необходима энергия, не меньшая те~. С точки зрения классической физики такой процесс невозможен без поступления энергии извне. Но квантовая физика с ее принципом неопределенности Ьб Ы, = 6 допускает нарушение закона сохранения энергии в течение малых промежутков времени Ы, необходимых для передачи взаимодействия.
Чтобы получить требуемую энергию Ь!г = гпсг, необходимо время Ь! — Ь/тсг. За это время виртуальная часгица не может уйти дальше чем на расстояние й = сЬ! = . б тс' (03.4) (1907-1981). т.е. на расстояние, равное комптоновской длине волны частицы массой т. Эта длина и может быть принята за радиус действия, переносимого виртуальной частицей.
Чем меньше масса т, тем больше радиус действия, переносимого вир гуальной частицей. Электромагнитные взаимодействия осуществляются обменом фотонами. Масса фотона т = О, поэтому радиус действия элекгромагнитных сил Л = оо, т.е. эти силы являются дальнодействующими. Дальнодействующими являются и гравитационные силы, перенос которых осуществляется гипотетическими гравитонами. Гравитоны из-за исключительной слабости гравитационного взаимодейсгвия не наблюдались на опыте и, по-видимому, еще очень долго не будут наблюдаться, но теоретики не сомневаются в их существовании. На основании дальнодействующего характера гравитационных сил следует заключить, что масса гравитона должна равняться нулю.
13. В 1934 г. Таммом (1895 — 1971) и Иваненко была развита теория ядерных сил, согласно которой переносчиками этих сил являются легкие частицы электрон и позитрон, нейтрино и антинейтрино (частицы промежуточной массы — мюоны и пионы — в то время еще не были известны). Протон, например, испустив позитрон и нейтрино, превращается в нейтрон. Нейтрон же, поглотив те же частицы, превращается в протон. В результате этих процессов и возникают силы притяжения между протоном и нейтроном. В количественном отношении теория Тамма и Иваненко оказалась несостоятельной, так как она приводила к ядерному взаимодействию, которое было примерно в 10 ~ — 10ьз раз слабее требуемого.
Но основные идеи этой теории сохранили свое значение и впервые были использованы в 1935 г. японским физиком Юкава й 63) Введение 399 Юкава в 1935 г. высказал предположение о существовании особого поля ядерных сил. Квантами этого поля являются частицы, которые, согласно гипотезе Юкавы, и осуществляют взаимодействие между нуклонами.
По экспериментальным данным радиус действия ядерных сил равен 1,2 10 'з см. Исходя из этого, можно оценить с помощью формулы (63.4) массу гипотетической частицы Юкавы. Она оказалась равной 270т, (около 140 МзВ). Вскоре в 1937 г. Неддермайер (р. 1907) и Андерсон (р. 1905) открыли в космических лучах положительные и отрицательные частицы (д~) массой 207т, (106 МэВ), называемые теперь мюонами (первоначальное название -- мевоны).
Естественно было предположить, что мюоны и являются частицами Юкавы. Однако это предположение сразу же пришлось отвергнуть, чак как мкюны очень слабо взаимодействуют с веществом и поэтому не могут быть переносчиками ядерного взаимодействия. (Время жизни мюона в системе отсчета, где он покоится, т„= 2.2 10 с, так что релятивистские — е мюоны, образукзщиеся в верхних слоях атмосферы, могут доходить и действительно доходят до поверхности Земли.) Лишь через 10 лет в 1947 г. Пауэлл (1903 — 1969), Оккиалини (р.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
