Дао физики

Обменные процессы такого рода происходят, несмотря на недостаточное количество энергии для возникновения мезона. Причина этого заключается в «квантовом эффекте», связанном с принципом неопределенности. Как уже говорилось в гл. II, субатомные явления, происходящие в течение небольшого промежутка времени, характеризуются значительной неопределенностью в энергетическом отношении. Мезонные обмены, то есть возникновение и последующее уничтожение мезонов тоже относится к таким процессам. Их течение столь кратковременно, что неопределенность энергии достаточно велика для возникновения мезонов. Такие мезоны называются «виртуальными» частицами. Они отличаются от «настоящих» частиц тем, что могут существовать только на протяжении небольшого отрезка времени, обусловленного принципом неопределенности. Чем тяжелее мезоны (то есть чем больше энергии необходимо для их возникновения), тем быстротечнее процесс обмена. Поэтому нуклоны могут обмениваться тяжелыми мезонами лишь в том случае, когда их разделяет небольшое расстояние. С другой стороны, обмен виртуальными частицами может иметь место и на очень большом удалении, так как фотоны, по причине своей невесомости (нулевой массы покоя), не нуждаются в больших количествах энергии для своего возникновения. Проведя аналогичный анализ ядерных и электромагнитных сил, Хидэки Юкава в 1935 году не только предсказал существование пиона за двенадцать лет до его экспериментального обнаружения, но и приблизительно оценил его массу, исходя из величины ядерной силы.

Теория квантового поля изображает все взаимодействия как процессы обмена виртуальными частицами. Чем сильнее взаимодействие, то есть чем мощнее «сила» взаимодействия между частицами, тем выше вероятность соответствующего процесса и тем чаще происходит обмен виртуальными частицами. Однако роль виртуальных частиц не ограничивается участием в подобных взаимодействиях. Виртуальную частицу может испускать любой отдельно взятый нуклон, который потом ее поглотит. Это вполне обычный процесс, и единственная оговорка заключается в том, что время существования образовавшегося мезона ограничено принципом неопределенности. На рис. 32 помещен график Фейнмана, на котором изображен процесс испускания и уничтожения пиона.

Вероятность таких процессов, получивших название процессов «взаимодействия», для нуклонов очень велика, так как они часто вступают во взаимодействия. Это означает, что в действительности нуклоны постоянно испускают и поглощают виртуальные частицы. Теория поля рассматривает нуклоны в качестве центров постоянной активности, окруженных «облаками» виртуальных частиц. Виртуальные мезоны вскоре после своего испускания исчезают, что означает, что они не могут удалиться на большое расстояние от нуклона. Поэтому мезонное облако имеет очень небольшие размеры. Внешние области облака заполнены легкими мезонами (главным образом, пионами), а более тяжелые мезоны поглощаются нуклоном быстрее, и могут поэтому находиться вблизи от центра атома.

Каждый нуклон окружен такими облаками мезонов, которые существуют очень недолго. Тем не менее, при некоторых обстоятельствах виртуальные мезоны могут превратиться в нуклоны. Если нуклон сталкивается с какой-либо другой частицей, движущейся с большой скоростью, кинетическая энергия этой частицы может перейти к виртуальному мезону и оторвать его от облака.

Таков механизм образования настоящих мезонов при столкновении частиц с участием высоких энергий. С другой стороны, два нуклона могут сблизиться друг с другом, так что их мезонные облака частично належатся друг на друга, и тогда некоторые виртуальные частицы могут не возвращаться к тому нуклону, который их испустил, а «перепрыгнуть» в соседнее облако и быть поглощенными другим нуклоном. Это механизм процессов обмена частицами во время сильных взаимодействий.

Становится ясно, что взаимодействия частей, а следовательно, и силы, действующие между ними, зависят от состава виртуальных облаков этих частиц. Радиус взаимодействия, то есть расстояние между частицами, при котором происходят взаимодействия, определяется свойствами частиц, составляющих облака. По этой причине электромагнитные силы зависят от наличия виртуальных фотонов «внутри» заряженных частиц, в то время как сильные взаимодействия между нуклонами происходят в результате присутствия фотонов «внутри» нуклонов виртуальных пионов и других мезонов. Теория поля воспринимает силы, действующие между частицами, как свойства (которые так четко разграничивались в греческом и ньютоновском атомизме), имеющие одну и ту же физическую природу — природу динамических паттернов, которые мы называем частицами.