Дао физики - Фритьоф Капра

Нуклоны — не единственные частицы, которые принимают участие в сильных взаимодействиях. Как ни странно, к сильновзаимодействующим частицам относится подавляющее большинство всех известных частиц. Из всех частиц только пять не могут принять участия в сильных взаимодействиях, как, впрочем, и их античастицы. Это фотон и четыре лептона, перечисленные в верхней части таблицы. Недавно был обнаружен пятый лептон, получивший обозначение «тау» (греческая буква т). Также, как электрон и мюон, он может существовать в двух зарядовых состояниях, соответственно т — и т+, а поскольку его масса превосходит массу электрона почти в 3500 раз, он получил название тяжелого лептона. Существование нейтрино, который принимал бы участие только во взаимодействиях с тау, было только постулировано и остается до сих пор недоказанным экспериментально.

Таким образом, мы можем разделить все частицы не две большие группы — лептоны и адроны, или сильновзаимодействующие частицы. Адроны, в свою очередь, делятся на мезоны и барионы, между которыми существует довольно много различий. Важнейшее из них заключается в том, что все барионы имеют античастицы, в то время как мезоны могут сами выступать в роли своих античастиц.

Лептоны принимают участие во взаимодействиях четвертого типа — в слабых взаимодействиях. Последние настолько слабы и действуют на таком коротком расстоянии, что не могут удерживать частицы друг подле друга, в то время как три остальные разновидности взаимодействий порождают силы притяжения: сильные взаимодействия — внутри атомных ядер, электромагнитные взаимодействия — внутри атомов и молекул, а гравитационные взаимодействия — между планетами, звездами и даже целыми галактиками. Слабые взаимодействия проявляются в единственной форме — в форме некоторых столкновений частиц, а также их распада. К числу последних относится и бета-распад, упоминавшийся выше.

Все взаимодействия между адронами проявляются в обмене другими адронами. Сильные взамодействия действуют только на очень небольших расстояниях из-за того, что в соответствующих им обменных процессах участвуют тяжелые адроны. Сильные взаимодействия могут происходить только при том условии, что расстояние между частицами не превышает нескольких диаметров частицы. Поэтому они не могут создать силу, воздействие которой сказалось бы на нашем макроскопическом окружении. В противоположность сильным, электромагнитные взаимодействия, воплощающиеся в обменах неимеющими массы фотонами, могут происходить между сколь угодно далекими частицами, вследствие чего электрические и магнитные силы хорошо известны в мире больших измерений. Считается, что гравитационные взаимодействия тоже осуществляются при помощи обмена особыми частицами — «гравитонами», однако слабость этих взаимодействий настолько велика, что гравитоны до сих пор не были обнаружены учеными, хотя никаких серьезных поводов сомневаться в их существовании нег.

Наконец, поскольку слабые взаимодействия становятся возможными только при том условии, что расстояние между частицами предельно невелико — гораздо меньше, чем при сильных взаимодействиях, физики считают, что эти взаимодействия осуществляются при помощи обмена очень тяжелыми частицами. По всей видимости, эти частицы выполняют роль, аналогичную роли фотона при электромагнитных взаимодействиях, и единственное их отличие от последнего заключается в том, что они гораздо тяжелее. По сути дела, именно аналогия с фотоном легла в основу последних модификаций теории квантового поля, получивших название «теории приборов» и позволивших построить единую теорию поля для электромагнитных и слабых взаимодействий.

Во многих процессах столкновений, находящих применение в физике высоких энергий, часто имеют место и сильные электромагнитные, и слабые взаимодействия, в результате чего возникают длинные цепочки последовательных превращений частиц. Частицы, первоначально принимавшие участие в столкновении, аннигилируют, образуя несколько новых частиц, которые тоже проходят несколько стадий распада, прежде чем превратиться в устойчивые частицы.

На рис. 35 представлена сложная последовательность столкновений и распадов частиц: отрицательно заряженный пион (п-) проникает в пузырьковую камеру слева, сталкивается с протоном, то есть с ядром атома водорода, который уже находился внутри камеры; обе частицы аннигилируют, в результате чего образуется нейтрон (n) или два каона (К— и К+); нейтрон улетает, не оставляя следа; каон сталкивается с другим, находящимся в камере протоном, обе частицы аннигилируют, образуя ламбду (Л) и фотон (гамма). Ни одна из вновь образовавшихся частиц не оставляет видимых следов в камере, однако ламбда через некоторе время распадается на протон (р) и (п-), каждый из которых оставляет видимый след. На рисунке хорошо видно небольшое расстояние между возникновением ламбды и ее распадом. Наконец, К-, возникший еще при самом первом столкновении, некоторое время продолжает двигаться, а потом распадается на три пиона.

Здесь изображена одна из таких цепочек возникновений и исчезновений частиц. Обратите внимание на тот факт, что следы в пузырьковой камере могут оставлять только заряженные частицы; под воздействием магнитного поля они отклоняются в различных направлениях, в зависимости от знака заряда: положительные — по часовой стрелке, а отрицательные — против часовой стрелки. Этот график представляет собой прекрасное доказательство того факта, что на уровне частиц материя характеризуется колоссальной слитностью и взаимопроницаемостью, а также достоверное и наглядное изображение энергетических каскадов, сопровождающих образование и уничтожение различных структур, или, говоря другими словами, различных частиц.

Особенно поразительными представляются такие случаи, когда лишенный массы, но наделенный большим количеством энергии фотон, который никак не обнаруживает своего присутствия в пузырьковой камере, внезапно взрывается, образуя пару заряженных частиц (позитрон и электрон), которые тут же начинают двигаться по расходящимся дугам. На рисунке 36 запечатлен процесс, в котором образование пары противоположно заряженных частиц из электрически нейтрального фотона происходит целых два раза.

На рис. 36 представлена последовательность событий, приводящих к образованию двух электронно-позитронных пар: антипротон (р-) снизу проникает в пузырьковую камеру, сталкивается с одним из протонов и образует я+ (след, уходящий влево) и я— (след, уходящий вправо), а также два фотона (гамма), каждый иэ которых, в свою очередь, распадается на электронно-позитронную пару: позитроны (е+), улетающие направо, и электроны (е-) — влево.

Чем значительнее объем энергии, изначально принимающей участие в процессе столкновения, тем больше частиц может образоваться. На рис. 37 изображено столкновение между антипротоном и протоном, в результате которого возникает восемь пионов.

Для того, чтобы разогнать частицы до достаточно большой скорости, то есть, иными словами, для того, чтобы сообщить им достаточно большое количество энергии, используются мощные ускорители частиц. В большинстве случаев природные явления, происходящие на Земле, имеют более низкие энергетические характеристики, вследствие чего тяжелые частицы редко образуются на Земле в естественных условиях. В открытом космосе нас ждет совершенно иное положение дел: в центре звезд сосредоточены крупные скопления субатомных частиц, между которыми постоянно происходят естественные столкновения, аналогичные столкновениям внутри ускорителей современной экспериментальной физики. В некоторых звездах эти процессы порождают чрезвычайно мощное электромагнитное излучение, которое может принимать форму радиоволн, световых волн и рентгеновских лучей. Для астрономов это излучение представляет собой основной источник знаний и информации о Вселенной. Таким образом, межзвездное, как впрочем, и межгалактическое, пространство оказывается насыщенным электромагнитными излучениями различных частот, то есть фотонными потоками, обладающими различными запасами энергии. Тем не менее, фотоны — не единственные частицы, которые постоянно бороздят просторы космоса. «Космическое излучение» состоит не только из фотонов, но также и из тяжелых частиц, механизм образования которых до сих пор не вполне ясен. Большинство этих частиц составляют протоны; некоторые из них обладают очень большими запасами энергии, намного превышающими те предельные показатели, которые позволяют достичь самые мощные ускорители частиц.

Попадая в атмосферу Земли, эти высокоэнергетические «космические лучи» сталкиваются с ядрами атомов, составляющих молекулы различных атмосферных веществ, образуя огромное множество вторичных частиц, которые либо подвергаются независимому распаду, либо вступают в дальнейшие взаимодействия — столкновения. Превращения частиц продолжаются до тех пор, пока очередные из них не достигнут Земли. Так, один-единственный протон, попавший в атмосферу Земли, может породить целый каскад явлений, в ходе которых его исходная кинетическая энергия превратится в целый ливень разнообразных частиц и будет постепенно поглощаться по мере продвижения претерпевающих непрестанные изменения частиц к поверхности Земли. То же самое явление, наблюдаемое в ходе экспериментов физики высоких энергий по столкновению частиц, происходит естественным путем в атмосфере нашей планеты, И причем в последнем случае его протекание характеризуется гораздо большей интенсивностью, чем во время экспериментов. Непрерывный поток энергии претерпевает на своем пути к Земле множество изменений, частицы непрерывно возникают и исчезают в ритмическом танце творения и разрушения.