Этот странный квантовый мир - Трейман С.
ISBN 5-93972-117-6
Скачать (прямая ссылка):
системы в нем проявляются внутренние концептуальные ограничения. Более
того, при таком рассмотрении до сих пор не возникало возможности для
рождения и уничтожения частиц, независимо от того, являются они
релятивистскими или нет.
Потенциальная возможность преодолеть эти трудности появилась после
рождения "новой" квантовой механики. Это произошло после применения
квантовых принципов к полям, первым из которых было электромагнитное
поле. Классически, частицы и поля являются динамическими системами на
равном основании. Но когда с 1920 г. электромагнитное поле стало
рассматриваться как квантовое, произошло нечто замечательное.
Квантованное электромагнитное поле привело к безмас-совым квантам,
фотонам, которые Эйнштейн предугадал в 1905 г. Фотоны не были заданы
извне как частицы, они появились изнутри. Открытие того, что частицы
могут появляться из полей, привело со временем к широким обобщениям:
электроны и протоны, а позже и другие частицы, которые мы будем
обсуждать, могут рассматриваться как кванты соответствующих полей. Все
они, кроме фотонов, были неизвестны нам в каком-либо классическом виде.
Они появляются как некоторые новые поля, допускающие желаемые нами
частицеподобные кванты. С точки зрения квантовой теории, именно эти поля,
а не их кванты действительно являются фундаментальными теоретическими
величинами. Вопросы о том, какие частицы являются фундаментальными и
какие силы
162
Глава 8
действуют между ними, заменяются на вопросы о том, какие из полей
являются фундаментальными и как они взаимодействуют между собой. К
понятию взаимодействия полей, которое приводит к взаимодействию между
частицами, мы вернемся чуть позже. Но сначала мы рассмотрим строительные
элементы самих частиц, заметив, что фундаментальные частицы одной эпохи
можно воспринимать как составные частицы в другую эпоху.
В начале 30-х годов XX века был момент, когда казалось, что мы держим в
руках все основные строительные элементы мира. Электрон, открытый в
последние годы XIX века; протон, отождествленный с ядром атома водорода,
когда чуть больше десятилетия спустя Резерфорд пришел к своей модели
атома; нейтрон, открытый в 1932 г., хотя и мало интересовавший
исследователей, считавших его связанным состоянием электрона и протона.
Рождение фотона произошло с его предсказания Эйнштейном в 1905 г., а
затем последовало его полнокровное возрождение как кванта
электромагнитного поля. Таким образом, получалось следующее: материальные
тела состоят из атомов, которые включают в себя электроны и ядра; ядра
состоят из протонов и нейтронов; кроме того, существует свет, состоящий
из фотонов. Весь мир свелся к электронам, протонам, нейтронам и фотонам!
Неплохо! Но этот триумф редукционизма длился недолго. Почти в то же
время, как был открыт нейтрон, а фактически даже чуть раньше, появился
позитрон. Эта античастица электрона появилась сначала теоретически как
следствие релятивистских уравнений Дирака для электрона. Поскольку
позитрон является материальной частицей, кажется вполне вероятным, что
протон и нейтрон тоже должны иметь собственные античастицы. И это
действительно так. Антипротон и антинейтрон были открыты в 50-е года XX
века. Более того, еще чуть раньше, в начале 30-х годов было постулировано
существование нейтрино. Оно было необходимо, чтобы в соответствии с
предположением Паули при ядерном /3-распаде выполнялся закон сохранения
энергии. В такой реакции исходное ядро распадается на дочернее ядро и
электрон. Но электрон в этом случае уносит только часть возможной
доступной энергии. Паули предположил, что оставшаяся часть энергии уходит
вместе с другой частицей, которая не наблюдается. Кинематические данные
по /3-распаду показали, что эта частица должна иметь очень малую массу,
если у нее она вообще будет. Используя общие идеи квантовой теории поля,
которые оказались очень полезными в квантовой теории электромагнетизма, в
1933 году Ферми построил полевую теорию /3-распада, в которой главную
роль играло нейтрино. Это был очень важный шаг для того времени. Ему не
пришлось постулировать новые квантовые частицы или вводить новые
квантовые поля. Теория правильно предсказывала, что нейтрино
взаимодействуют с веществом очень слабо. Прямое наблюдение было
зафиксировано в результате героического эксперимента, проводимого на
сильном нейтринном источнике,
Строительные элементы
163
в качестве которого использовался мощный ядерный реактор в Джорджии.
По мере этих открытий в середине 30-х годов XX века постепенно повышался
интерес к природе сил, удерживающих в ядре протоны и нейтроны.
Кулоновские силы не могли этого сделать. Они не действуют на нейтроны,
поскольку у нейтронов нет электрического заряда. Кроме того, они приводят
к отталкиванию пары протонов. Более того, ядерные силы должны быть
значительно сильнее, чем кулоновские, хотя бы на очень коротких
расстояниях: ядерное ядро оказывается обычно более компактным, чем
