КЭД Странная теория света и вещества - Феинман Р.
ISBN 5-02-013883-5
Скачать (прямая ссылка):
Я начну с рассказа о протонах и нейтронах, из которых состоят атомные ядра. После открытия протонов и нейтронов считалось, что они простые частицы (простые в том смысле, что их амплитуда попадания из одной точки в другую опи-
5* 115
сывается формулой E[A-B) с другим значением п). Но очень скоро стало ясно, что это отнюдь не так. Например, магнитный момент протона, если его рассчитывать так же, как магнитный момент электрона, был бы близок к 1. Но на самом деле, экспериментально получается нечто нелепое — 2,79! Поэтому быстро осознали, что внутри протона происходит что-то, не объясняемое уравнениями квантовой электродинамики. Нейтрон, если он действительно нейтрален, не должен бы вообще взаимодействовать с магнитным полем. Но у него оказался магнитный момент — примерно •—1,93! Так что уже давно было известно, что и в нейтроне происходит нечто сомнительное.
Существовала и еще одна проблема: что связывает протоны и нейтроны внутри ядра? Сразу стало ясно, что это не может быть обмен фотонами, так как силы, стягивающие ядро, слишком велики. (Энергия, необходимая для разрушения ядра, во столько же раз превосходит необходимую для выбивания электрона из атома, во сколько атомная бомба разрушительнее динамита: при взрыве динамита перераспределяются электроны, тогда как при взрыве атомной бомбы перераспределяются протоны и нейтроны.)
Для того чтобы узнать, какая сила удерживает ядро, было поставлено много экспериментов, в которых протоны со все более возрастающими энергиями сталкивались с ядрами. Ожидалось, что вылетать будут только протоны и нейтроны. Но когда энергии стали достаточно большими, начали вылетать новые частицы. Сначала появились пионы, потом лямбда, сигма, ро-частицы, и не хватило алфавита. Тогда появились частицы с числами (их массами): например, сигма-1190 и сигма-1386. Скоро стало ясно, что число частиц в мире не ограничено и зависит от энергии, потраченной на разрушение ядра. В настоящее время открыто более четырехсот таких частиц. Мы не можем смириться с тем, что существуют четыре сотни элементарных частиц — это слишком сложно! *).
Великие изобретатели вроде Мёрри Гелл-Манна чуть с ума не посходили, пытаясь вывести правила, которым подчиняются эти частицы, и в начале 70-х годов они создали теорию сильных взаимодействий (или «квантовую хромодинамику»), в которой основными действующими
*) Так много типов частиц вылетает из ядра в экспериментах при высоких энергиях. В то же время при низких энергиях — в более обычных условиях — эксперименты показывают, что ядро содержит только протоны и нейтроны.
116
лицами являются частицы, получившие название «кварков». Все частицы, состоящие из кварков, разделяются на два класса: одни — типа протона и нейтрона — состоят из трех кварков (они получили ужасное название «барионы»), другие — например пион — состоят из кварка и антикварка (они называются «мезонами»).
Позвольте показать вам принятую сейчас таблицу фундаментальных частиц (см. рис. 79). Я начну с частиц, распространяющихся от точки к точке в соответствии с формулой E(A—В), которая видоизменена, как и в случае электрона, чтобы учесть поляризацию. Они называются частицами «со спином 1I2»- Первая из этих частиц — электрон,
Рис. 79. Наша таблица частиц мира начинается с частиц «со спином 1Z^». Это электрон (с массой 0,511 МэВ), и кварки двух «ароматов» и и d (с массой у каждого порядка IO МэВ). Электрон и кварки имеют «заряд» (т. е. взаимодействуют с фотонами), равный (в единицах константы взаимодействия /) —I, —1Z3, и +7,
Наряд
и его массовое число 0,511 (в единицах, которые мы вес? время используем — МэВ) *).
Под электроном я оставлю свободное место (оно будет анято позднее), а еще ниже впишу кварки двух типов — и и. Мгсса этих кварков точно не известна; предпола-іется, что у каждого она порядка 10 МэВ. (Нейтрон некого тяжелее протона, что вроде бы подразумевает — и і это скоро увидите — что d-кварк несколько тяжелее, м «-кварк.)
Вслед за каждой частицей я выписываю ее заряд или "снетанту взаимодействия в единицах —/. Это число, взя-.ое с обратным знаком, характеризует взаимодействие с фотоном. Таким образом, получается, что заряд электрона равен —1, что соответствует традиционному значению,
*) Масса в 1 МэВ очень мала — примерно 1,78¦1O-?7 г, но эта единица ка:сы удобна для таких частиц.
Частицы со спиноп %
Название^
Обозначение -
Электрон — є 0,511
Пасса (MaB)-
Злектрон є
0,071
Кварк й ~10
Кварк и
~10
Фотон О
-1
117
введенному еще Бенджамином Франклином. Для d-кварка амплитуда взаимодействия с фотоном равна —V3, для «-кварка — +2/3. (Если бы Бенджамин Франклин знал о кварках, он мог бы по крайней мере сделать заряд электрона равным —3!)
Заряд протона равен +1, нейтрона — нулю. После некоторого подбора чисел вы можете видеть, что протон, состоящий из трех кварков, должен содержать два «-кварка и один d-кварк. А нейтрон, также состоящий из трех кварков, должен содержать два d-кварка и один «-кварк (см. рис. 80).
