За старих часів багато розповідали про перевертнів, та й не тільки розповідали, а й вірили в них. У наші дні кожен знає, що такі перетворення надприродні. Людина росте, змінюється її зовнішність, але вовком вона не стає. З шматком заліза можна виконувати будь-які хімічні реакції, але воно все одно не перетвориться на золото. На підставі повсякденного досвіду ми схиляємося до висновку, що в природі не буває предметів-перевертнів. Але чи так це?
Були електрон і позитрон, а ось при анігіляції їх більше немає: є тільки частинки світла — фотони. Були протон і антипротон, раптом вони перетворилися на мезони й фотони. Чи не нагадують такі перетворення витівки перевертнів? Елементарні частинки й справді справжні «перевертні» в природі. Спираючись на теорію відносності, фізикам удалося побудувати теорію, яка описує перетворення «частинок-перевертнів». У цій теорії знайшли відповідь багато цікавих питань.
Розглянемо, наприклад, взаємодію двох електричних зарядів. Чому різнойменні заряди притягуються? У шкільних курсах фізики говориться лише, що таке притягання існує, але чому це відбувається, не пояснюється.
Теорія частинок-перевертнів дає таку картину. Електричний заряд випромінює кванти електромагнітного поля — фотони, які поширюються зі швидкістю світла і, дійшовши до іншого заряду, поглинаються ним. Відбувається ніби гра в «м'яч» між електричними зарядами, причому «м'ячами», які перекидають, слугують фотони. Ті фотони, які вільно рухаються в просторі, утворюють електромагнітне поле, що оточує заряди. Шляхом такої «гри в м'яч» заряди діють один на одного: якщо фотонами обмінюються однойменні заряди, між ними виникають сили відштовхування, якщо ж різнойменні заряди,— сили притягання.
Цікаво, що електричні заряди не містять фотонів. Фотон виникає лише в момент випромінювання і, поглинаючись в іншому заряді, знову повністю зникає. У цьому виявляється характер «фотона-перевертня».
Були електрон і позитрон, а ось при анігіляції їх більше немає: є тільки частинки світла — фотони. Були протон і антипротон, раптом вони перетворилися на мезони й фотони. Чи не нагадують такі перетворення витівки перевертнів? Елементарні частинки й справді справжні «перевертні» в природі. Спираючись на теорію відносності, фізикам удалося побудувати теорію, яка описує перетворення «частинок-перевертнів». У цій теорії знайшли відповідь багато цікавих питань.
Розглянемо, наприклад, взаємодію двох електричних зарядів. Чому різнойменні заряди притягуються? У шкільних курсах фізики говориться лише, що таке притягання існує, але чому це відбувається, не пояснюється.
Теорія частинок-перевертнів дає таку картину. Електричний заряд випромінює кванти електромагнітного поля — фотони, які поширюються зі швидкістю світла і, дійшовши до іншого заряду, поглинаються ним. Відбувається ніби гра в «м'яч» між електричними зарядами, причому «м'ячами», які перекидають, слугують фотони. Ті фотони, які вільно рухаються в просторі, утворюють електромагнітне поле, що оточує заряди. Шляхом такої «гри в м'яч» заряди діють один на одного: якщо фотонами обмінюються однойменні заряди, між ними виникають сили відштовхування, якщо ж різнойменні заряди,— сили притягання.
Цікаво, що електричні заряди не містять фотонів. Фотон виникає лише в момент випромінювання і, поглинаючись в іншому заряді, знову повністю зникає. У цьому виявляється характер «фотона-перевертня».
Зображення
Проблема ядерних сил виявилася однією з найважчих задач для фізиків: Колосальною має бути сила, що об'єднує протони й нейтрони в щільне ядро, настільки щільне, що «жменька» атомних ядер, якби їх вдалося зібрати, важила б більше, ніж увесь флот земної кулі. Вплив ядерних сил непомітний за межами ядра. Як це пояснити? Протони й нейтрони, що перебувають у ядрі, також «грають у м'яч», тільки їхні «м'ячі» — не фотони, а мезони. Обчислення показує, що сили, які виникають таким шляхом, куди більші за електричні сили, але їхній вплив не поширюється далеко. У табл. 9 порівнюються сили електричного відштовхування між двома протонами та сили притягання, що виникають між двома протонами внаслідок обміну мезонами. При цьому припускається, що електромагнітна взаємодія здійснюється за допомогою фотонів, а неелектромагнітна — через π-мезони з масою спокою, що дорівнює 273 масам електрона.
Рис. 46. Залежність сил, що діють між двома протонами, від відстані між ними.
Суцільна лінія зображує електростатичну силу відштовхування, що виникає при обміні фотонами; пунктирна лінія—силу притягання, що виникає при обміні мезонами
Не лише протони, а й нейтрони обмінюються π-мезонами. Так у ядрі виникають ядерні сили мезонного походження, що зв'язують однаково сильно всі нуклони ядра.
Відмінність мезонних сил від електромагнітних особливо наочно показано на рис. 46. Тут на горизонтальній осі відкладено відстань між двома протонами, на вертикальній — величину сил взаємодії між протонами в кілограмах. На малих відстанях сили мезонного притягання набагато більші за сили електричного відштовхування, при великих же відстанях мезонні сили стають практично рівними нулю. Рис. 46 дає змогу оцінити розміри атомного ядра. Оскільки мезонні сили перевищують електричні до відстані приблизно 7 фермі, то атомні ядра, які вони утримують у стійкому стані, не можуть бути набагато більшими. Досліди показують, що ця величина справді дуже близька до істинних розмірів ядра.
Мезони бувають додатні, від'ємні й нейтральні. Це зумовлює різні додаткові явища в атомних ядрах. Наприклад, протон, випромінюючи додатно заряджений мезон, віддає мезону свій заряд і сам перетворюється на нейтрон. А той нейтрон, який поглине додатний мезон, перетворюється на протон. Може статися й інакше. Нейтрон може випромінити від'ємно заряджений мезон і при цьому набути додатного заряду (перетворюється на протон). Якщо якийсь протон у свою чергу захопить цей від'ємний мезон, то він втратить свій заряд і перетвориться на нейтрон. У ядрі весь час відбуваються перетворення протонів на нейтрони й навпаки, але сумарне число нуклонів (протонів і нейтронів) у ядрі залишається незмінним. Ці висновки випливають з теорії взаємних перетворень ядерних частинок, що ґрунтується на теорії відносності.
Тепер ми в своїй розповіді дійшли до меж, що відокремлюють відоме від невідомого. У теорії походження ядерних сил ще багато нез'ясованих питань. Перед ученим і тут відкривається безмежна галузь досліджень. Щоб розгадати секрети частинок-перевертнів, потрібно ще багато роботи, і можна сподіватися, що дехто з молодих читачів докладе тут свої сили.
Згідно із сучасними поглядами, частинки-перевертні виникають не лише з інших частинок, вони можуть з'явитися на надзвичайно короткий час і в цілком «порожньому» просторі. У просторі, який ми вважаємо цілком порожнім, тобто у вакуумі, фотони виникають і відразу ж зникають. Тут утворюються також миттєві електронно-позитронні пари. Може статися навіть так, що така миттєва електронно-позитронна пара анігілює і з'явиться фотон, який відразу ж зникне. Може статися й так, що миттєвий фотон породжуватиме миттєву електронно-позитронну пару. У мікрообластях порожнього простору відбуваються дивовижні процеси дуже складного характеру. Ці процеси можливі тому, що навіть «порожній» простір не є «ніщо», а має певні фізичні властивості.
На великі тіла такі миттєві частинки помітного впливу не справляють. Інша річ, наприклад, електрон. Якщо поряд з ним утворюється пара, що складається з електрона й позитрона, то вони діятимуть на електрон. Може статися, що миттєвий позитрон анігілюватиме з первісним електроном, причому залишиться електрон, що утворився з вакууму. Але оскільки один електрон нічим не відрізняється від іншого, то безпосередньо такої підміни ми не помітимо, проте опосередковано це можна виявити.
Усі процеси, що відбуваються у вакуумі, справляють на електрон вплив, який можна виміряти. І що найцікавіше — теоретично передбачений вплив збігається з результатами вимірювання. Експеримент і теорія перебувають у доброму узгодженні, але все ж теоретики не цілком задоволені. Річ у тім, що теорія, яка пояснює дію «вакуумних процесів» на електрон, не перебуває в достатньо доброму узгодженні з теорією відносності. І тут виявляється непохитна віра фізиків у теорію відносності: виправити намагаються не теорію відносності, а теорію, що пояснює вплив вакууму на електрон. Значною мірою це вже вдалося зробити.
Рис. 46. Залежність сил, що діють між двома протонами, від відстані між ними.Суцільна лінія зображує електростатичну силу відштовхування, що виникає при обміні фотонами; пунктирна лінія—силу притягання, що виникає при обміні мезонами
Не лише протони, а й нейтрони обмінюються π-мезонами. Так у ядрі виникають ядерні сили мезонного походження, що зв'язують однаково сильно всі нуклони ядра.
Відмінність мезонних сил від електромагнітних особливо наочно показано на рис. 46. Тут на горизонтальній осі відкладено відстань між двома протонами, на вертикальній — величину сил взаємодії між протонами в кілограмах. На малих відстанях сили мезонного притягання набагато більші за сили електричного відштовхування, при великих же відстанях мезонні сили стають практично рівними нулю. Рис. 46 дає змогу оцінити розміри атомного ядра. Оскільки мезонні сили перевищують електричні до відстані приблизно 7 фермі, то атомні ядра, які вони утримують у стійкому стані, не можуть бути набагато більшими. Досліди показують, що ця величина справді дуже близька до істинних розмірів ядра.
Мезони бувають додатні, від'ємні й нейтральні. Це зумовлює різні додаткові явища в атомних ядрах. Наприклад, протон, випромінюючи додатно заряджений мезон, віддає мезону свій заряд і сам перетворюється на нейтрон. А той нейтрон, який поглине додатний мезон, перетворюється на протон. Може статися й інакше. Нейтрон може випромінити від'ємно заряджений мезон і при цьому набути додатного заряду (перетворюється на протон). Якщо якийсь протон у свою чергу захопить цей від'ємний мезон, то він втратить свій заряд і перетвориться на нейтрон. У ядрі весь час відбуваються перетворення протонів на нейтрони й навпаки, але сумарне число нуклонів (протонів і нейтронів) у ядрі залишається незмінним. Ці висновки випливають з теорії взаємних перетворень ядерних частинок, що ґрунтується на теорії відносності.
Тепер ми в своїй розповіді дійшли до меж, що відокремлюють відоме від невідомого. У теорії походження ядерних сил ще багато нез'ясованих питань. Перед ученим і тут відкривається безмежна галузь досліджень. Щоб розгадати секрети частинок-перевертнів, потрібно ще багато роботи, і можна сподіватися, що дехто з молодих читачів докладе тут свої сили.
Згідно із сучасними поглядами, частинки-перевертні виникають не лише з інших частинок, вони можуть з'явитися на надзвичайно короткий час і в цілком «порожньому» просторі. У просторі, який ми вважаємо цілком порожнім, тобто у вакуумі, фотони виникають і відразу ж зникають. Тут утворюються також миттєві електронно-позитронні пари. Може статися навіть так, що така миттєва електронно-позитронна пара анігілює і з'явиться фотон, який відразу ж зникне. Може статися й так, що миттєвий фотон породжуватиме миттєву електронно-позитронну пару. У мікрообластях порожнього простору відбуваються дивовижні процеси дуже складного характеру. Ці процеси можливі тому, що навіть «порожній» простір не є «ніщо», а має певні фізичні властивості.
На великі тіла такі миттєві частинки помітного впливу не справляють. Інша річ, наприклад, електрон. Якщо поряд з ним утворюється пара, що складається з електрона й позитрона, то вони діятимуть на електрон. Може статися, що миттєвий позитрон анігілюватиме з первісним електроном, причому залишиться електрон, що утворився з вакууму. Але оскільки один електрон нічим не відрізняється від іншого, то безпосередньо такої підміни ми не помітимо, проте опосередковано це можна виявити.
Усі процеси, що відбуваються у вакуумі, справляють на електрон вплив, який можна виміряти. І що найцікавіше — теоретично передбачений вплив збігається з результатами вимірювання. Експеримент і теорія перебувають у доброму узгодженні, але все ж теоретики не цілком задоволені. Річ у тім, що теорія, яка пояснює дію «вакуумних процесів» на електрон, не перебуває в достатньо доброму узгодженні з теорією відносності. І тут виявляється непохитна віра фізиків у теорію відносності: виправити намагаються не теорію відносності, а теорію, що пояснює вплив вакууму на електрон. Значною мірою це вже вдалося зробити.