Сильные взаимодействия

В начале нашего века в опытах английского физика Э. Резерфорда были обнаружены атомные ядра. Так возникла ядерная физика — наука, имеющая большое влияние на цивилизацию. Огромная ядерная энергия может служить человечеству, а может и стереть его с лица Земли.

Пока удалось использовать лишь ничтожную долю потенциальной энергии ядерных сил. Этими силами удерживаются внутри ядра нуклоны — протоны и нейтроны.

Природа ядерных сил долго оставалась загадкой. Свыше полувека физики искали поле, «ответственное» за ядерные силы, подобно тому как электромагнитное поле «ответственно» за кулоновские силы между зарядами (см. Электростатика). Было найдено множество новых короткоживущих частиц — адронов, но ни одна из них не смогла сыграть той сольной роли, как фотон — квант электромагнитного поля.

До недавнего времени казалось, что такую роль может сыграть π-мезон (пи-мезон) — легчайший из адронов. Японский физик X. Юкава предложил теорию ядерных сил, основанную на мезонном поле. В этой теории нуклоны создают вокруг себя мезонное поле, аналогичное электромагнитному полю зарядов. Это поле по-разному действует на протон и нейтрон и, кроме того, взаимодействует с их спином.

Нуклоны могут поглощать и испускать кванты этого поля — π-мезоны, подобно тому как электрические заряды могут испускать и поглощать фотоны.

В отличие от электромагнитных сил ядерные силы действуют только на малых расстояниях — меньше 10^-13 см. В теории Юкавы ядерные силы экспоненциально (т. е. по закону у = е^x) убывают с ростом расстояния между нуклонамл, когда это расстояние превышает так называемый комптоновский радиус π-мезона ħ/mc, где т — масса π-мезона, ħ — постоянная Планка, с — скорость света.

Другое отличие ядерных сил от электромагнитных — это их величина. На расстояниях меньше или порядка 10^-13 см ядерные силы в сотни раз превышают электромагнитные. Этим и объясняется малый размер ядра по сравнению с размером атома — ядерные силы притягивают друг к другу нуклоны на расстоянии больше или порядка 10^-13 см, в то время как более слабые кулоновские силы притягивают к ядру электронные оболочки на расстоянии больше или порядка 10^-8 см.

Теория Юкавы объяснила основные ядерные явления, но не смогла объяснить структуру самих нуклонов. Из чего они состоят?

Эксперименты по глубоко неупругому (т. е. с большой передачей импульса) рассеянию электронов на протонах, проведенные в конце 1960-х гг., показали, что внутри протона имеются точечные электрические заряды. Теория Юкавы никак не могла объяснить эти опыты — она, напротив, предсказывала однородную структуру протона, без каких-либо крупинок. Вскоре стало ясно, что наблюдаемые сгустки — это фундаментальные частицы, из которых состоят мезоны и нуклоны и гипотезу о существовании которых предложили в 1964 г. независимо друг от друга американский физик М. Гелл-Ман и австрийский физик Г. Цвейг. М. Гелл-Ман назвал их кварками. Уникальным свойством сил между кварками является так называемая асимптотическая свобода. Эти силы ослабляются на малых расстояниях или (по соотношению неопределенностей) в процессах с большой передачей импульса. Поэтому в таких процессах кварки выступают как точечные объекты, не окруженные полем (см. Поля и частицы). Теоретически доказано, что для асимптотической свободы необходимы специальные переносчики сил — глюоны (от английского слова, означающего «клей»).

Имеются три типа кварков, которые условно различают тремя «цветами». Кварк одного «цвета» может переходить в кварк другого «цвета», испуская глюоны. Оказывается, возможны восемь различных глюонов.

Важное свойство глюонов, отличающее их от квантов света — фотонов, — способность излучать друг друга; это, можно сказать, «светящийся свет». Можно представить для наглядности два скрещенных прожектора, которые дают три, а не два луча после столкновения.

Теория кварков и глюонов была названа квантовой хромодинамикой (от греческого слова «хрома» — «цвет»). Она хорошо согласуется с опытом в области малых расстояний, где силы невелики. Предполагается, что в области «больших» расстояний (10^-13 см) эти силы возрастают и это приводит к удержанию кварков и глюонов внутри адронов. Количественная теория данного удивительного явления пока еще не построена, но довольно много его свойств стало понятно в последнее время. По-видимому, глюонное поле сжимается в пустоте в трубку, и это означает невозможность существования кварка в свободном виде, ведь трубка несет энергию, пропорциональную длине. Если такая трубка будет тянуться от кварка сколь угодно далеко, то ее энергия сделает одиночный кварк бесконечно тяжелым. Но этого, конечно, не произойдет. Кварк найдет себе с помощью этой трубки партнеров — либо еще два кварка, либо антикварк. Ёсли трубка соединяет партнеров, которые находятся близко друг от друга, то энергия будет невелика. Согласно этой модели, гак происходит внутри протона, мезона и других адронов. Так ли это на самом деле? На этот вопрос науке предстоит ответить в будущем.