Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Поначалу мало кто обратил внимание на идею Юкавы, но в 1936 году (через год после того, как он её выдвинул) было сделано открытие, которое заставило вспомнить о предсказании японского физика. Карл Андерсон, проводивший с помощью камеры Вильсона измерения космических лучей на горе Пайк в Колорадо, обнаружил след с неожиданной траекторией. Радиус кривизны соответствовал частице с массой, примерно в 200 раз большей массы электрона, и все вдруг заинтересовались идеей Юкавы. Неужели удалось обнаружить предсказанную им частицу? Однако при детальном изучении новой частицы оказалось, что, ко всеобщему разочарованию, она не взаимодействует с ядром. Частица Юкавы, переносящая взаимодействие между протонами и нейтронами, должна была бы сильно взаимодействовать с ядром. Обнаруженную частицу назвали мю-мезоном, или кратко, мюоном.

Физики оказались в затруднении: если мюон – это не та частица, которую предсказал Юкава, то что она такое? Зачем она нужна? И как быть с частицей Юкавы? Существует ли она? Прошло ещё десять лет, прежде чем учёные убедились в её реальности. В 1947 году бристольский физик Пауэлл обнаружил среди космических лучей другой мезон, который сильно взаимодействовал с ядром. Эту частицу назвали пи-мезоном, или кратко пионом. Теперь известны три пиона: заряженные (?⁺, ?^-) и нейтральный (?⁰).

Вскоре стало ясно, что идея Юкавы вполне разумна и что сильное взаимодействие действительно есть результат обмена мезонами. На фейнмановской диаграмме это выглядит так:

Точно так же, как электрон испускает фотоны и затем поглощает их, протон (и нейтрон) излучает и поглощает пионы. Иными словами, протон и нейтрон должны быть окружены облаком виртуальных пионов. Сильное взаимодействие между двумя протонами можно представить себе в виде обмена пионами. Однако при этом имеется существенное отличие от электромагнитных взаимодействий – пион «действует» лишь на расстоянии примерно 10^-13 см, т.е. облако очень плотно окутывает частицу. Для того чтобы два протона (или два нейтрона, или нейтрон и 188 протон) могли провзаимодействовать, они должны сблизиться на расстояние 10^-13 см.

Испускание и

последующее поглощение

мезона протоном

Окружающее протон облако устроено довольно сложно: оно состоит как из фотонов, так и из пионов. Можно считать, что два протона обмениваются фотонами, находясь на относительно большом расстоянии (когда действует электромагнитная сила), а когда подходят очень близко друг к другу, происходит обмен мезонами, ответственными за сильное взаимодействие.

Юкава, кроме того, предсказал, что слабое взаимодействие также является результатом некоего типа обмена. Первая заметная работа, развивающая эту тему, была написана в 1939 году О. Клейном. Он назвал новую обменную частицу W, и так её называют до сих пор. Через 20 лет его идеи далее развил Джулиус Швингер.

Однако упомянутые выше теории сталкиваются с определёнными трудностями – они не подвергаются перенормировке. Кроме того, константа связи для сильных взаимодействий равна примерно 1, а не 1/137, как в квантовой электродинамике. Это означает, что члены второго и третьего порядков имеют ту же величину, что и члены первого порядка, и перенормировка тут не помогла бы. Константа связи для слабых взаимодействий гораздо меньше, но в соответствующей теории есть другие трудности.

Калибровочная теория

Одно из основных достижений того времени, когда создавались эти теории, состояло в том, что учёные поняли, какую важную роль играет в природе симметрия. Симметрия существует, например, между электроном и позитроном – за исключением заряда, они совершенно одинаковы. Примерная симметрия есть также между нейтроном и протоном – они одинаковы, за исключением того, что протон имеет положительный заряд (немного различаются и их массы).

Учёные также обнаружили, что симметрия связана с понятием инвариантности. Легко понять, что это значит, если посмотреть на рисунок, приведённый ниже. Предположим, что мы поворачиваем квадрат на 90°, при этом он остаётся таким же (как говорят, инвариантен относительно поворота). По отношению к равностороннему треугольнику инвариантным преобразованием является поворот на 120°. Окружность, как легко видеть, остаётся неизменной при повороте на любой угол, т.е. она имеет непрерывную симметрию.

Симметрия квадрата, треугольника и окружности. Стрелки указывают направление вращения. Объект остаётся неизменным при повороте на угол, указанный на рисунке

Но понятие инвариантности не ограничивается геометрией. Рассмотрим изображённое ниже поле зарядов. Для простоты примем, что они имеют потенциалы +5, +3, -10 и -8 B:

• -10 • +5

• +3

• -8