Квантовая физика - Вихман Э.
Скачать (прямая ссылка):
377
же идеям, которые в 1925 г. привели его к созданию матричной механики. Можно сказать, что теория S-матрицы имеет дело лишь с результатом процессов столкновения, а не с детальной последовательностью явлений, происходящих в течение самого процесса. До сих пор, однако, не удалось создать удовлетворительной теории. В настоящее время не существует фундаментальной теории сильных взаимодействий. Было сделано много попыток создания такой теории, но результаты не кажутся очень убедительными. Возможно, будущей теорией будет полевая теория или теория, подобная теории S-матрицы, а может быть, и совершенно новая теория, которую, возможно, удастся создать кому-нибудь из читателей этой книги.
Пионы и ядерные силы
47. Совершенно очевидно, что в этой книге мы не в состоянии обсуждать детали квантовой теории поля. Для этого нужно владеть весьма сложным математическим аппаратом. С другой стороны, мы уже убедились, что основные идеи такой теории просты. Прежде чем оставить эти проблемы, рассмотрим задачу, которую первым успешно решил Хидеки Юкава в 1934 г.
Вопрос заключается в том, существуют ли частицы, связанные с ядерными силами. Иными словами, это вопрос о существовании квантов поля ядерных сил. Если такие кванты существуют, то каковы их свойства? Можно ли их наблюдать экспериментально?
Известно, что с электромагнитными силами, действующими между заряженными частицами, связана частица, а именно фотон. Известно также, что силы, связывающие нуклоны в ядро, не электромагнитного происхождения. Они гораздо сильнее электромагнитных сил и, кроме того, отличаются от них очень малым радиусом действия. На расстояниях, превышающих 10-12см, ядерные силы очень быстро спадают до нуля и при расстояниях, больших 10-11 см, не имеют уже никакого практического значения. Приняв идеи квантовой теории поля, следует ожидать, что поле ядерных сил может проявить себя тоже в виде свободно распространяющихся волн, и нас интересует вопрос о соответствующих частицах. Подобно тому, как при столкновениях заряженных частиц испускаются фотоны, можно ожидать, что и при достаточно сильном столкновении двух нуклонов будут испущены кванты ядерного поля сил.
48. Читатель, вероятно, слышал, что такие частицы существуют и что они называются пионами. В 1934 г. о существовании мезонов никто не подозревал и предположение Юкавы было поистине пророческим. Ему были известны лишь два замечательных свойства ядерных сил — их большая величина и малый радиус действия, и он поставил перед собой приведенные выше вопросы. Зная свойства ядерных сил, он не только смог предсказать существование соответствующих квантов, но и указал, что их масса должна быть приблизительно в 200 раз больше массы электрона. В этой работе он, несомненно, руководствовался аналогией с электромагнитным взаимодействием.
378
Экспериментальное подтверждение существования мезонов Юка-вы имеет сложную и драматическую историю. Примерно к 1937 г. в космическом излучении были открыты частицы с массой, близкой к 200 массам электрона. Естественно, их сочли тождественными с мезонами Юкавы. Дальнейшие исследования показали, однако, что эти частицы (теперь они известны под названием мюонов, пли мю-мезонов) очень слабо взаимодействуют с веществом (т. е. с ядрами) и поэтому не могут быть частицами, ответственными за большие ядерные силы. Загадка была решена лишь в 1947 г., главным образом благодаря работам Поуэлла и его сотрудников, которые обнаружили в составе космического излучения такие частицы *). Это были пионы. Их масса близка к 270 электронным массам, они сильно взаимодействуют с ядрами и, без сомнения, должны быть отождествлены с квантами Юкавы.
К 1948 г. развитие методов ускорения частиц открыло возможности получения пионов в больших количествах при нуклон-ну-клонных столкновениях высоких энергий. С этого времени началось интенсивное исследование их свойств. В настоящее время мы знаем, что пионы играют существенную роль во всех явлениях, связанных с сильными взаимодействиями.
49. Попытаемся теперь «повторить» открытие Юкавы **). Будем рассматривать силы, действующие между двумя нуклонами, по аналогии с электростатическими силами между двумя стационарными заряженными частицами и постараемся решить нашу задачу на основе предполагаемой аналогии. Следует понимать, что эта аналогия далеко не совершенна. Тем не менее она приводит к правильному фундаментальному соотношению между массой пиона и свойствами сил, действующих между двумя нуклонами.
Будем рассуждать следующим образом. Уравнения Максвелла дают описание свободно распространяющихся электромагнитных волн в отсутствие источников. Те же самые уравнения описывают и электростатическое поле стационарного точечного заряда, а тем самым и потенциальную энергию взаимодействия двух таких зарядов. Действительно, электростатический потенциал, созданный одним из таких зарядов, удовлетворяет волновому уравнению всюду вне заряда, и это решение волнового уравнения обладает свойством сферической симметрии и не зависит от времени. Предположим, что мы имеем волновое уравнение для свободно распространяющихся мезонов и хотим найти для него сферически симметричное и не зависящее от времени решение. Будем надеяться, что это решение даст нам потенциал поля ядерных сил, созданный одиночным нуклоном. Обозначим его через V (г). Энергия взаимодействия двух нуклонов, находящихся на расстоянии г, должна быть пропорциональна
