Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки

Стабильность большинства ядер, состоящих из протонов и нейтронов, приводит к заключению о том, что сами протоны и нейтроны столь же устойчивы. Однако наблюдения над свободными нейтронами показали, что это не так. В среднем через пятнадцать минут свободный нейтрон распадается, порождая протон, электрон и нейтрино. В некоторых неустойчивых ядрах аналогичные распады наблюдаются и внутри ядра. Этот процесс, называемый бета-распадом, состоит в том, что из ядра вылетает электрон, а положительный заряд ядра увеличивается на единицу. При этом баланс энергии и импульса, измеренный со всей тщательностью, не сходится. Энергия и импульс первоначального ядра оказываются больше, чем сумма энергии и импульса дочернего ядра и электрона. Убеждение в необходимости соблюдения законов сохранения энергии и импульса привело в этом случае к предсказанию существования нейтрино, неизвестных ранее незаряженных частиц, уносящих недостающую энергию и импульс. Впоследствии нейтрино были обнаружены.

Устойчивость ядер и устойчивость нейтронов внутри большинства ядер обеспечивается сильными ядерными взаимодействиями. Распад нейтрона вызывается слабыми взаимодействиями. Они проявляются в полной мере лишь внутри ядерных частиц, вне — чрезвычайно слабы. Даже внутри нейтрона они в 1000 раз слабее электромагнитных взаимодействий. Однако недавно удалось обнаружить, что эти силы действуют и в масштабах атома. Все это, вместе взятое, позволило ученым рассматривать протоны и нейтроны как два варианта одной и той же ядерной частицы— нуклона.

Это могло бы показаться чистой мистикой, не будь столь парадоксальное утверждение основано на реальном фундаменте многочисленных экспериментов. Нуклон, эта двуединая частица, выступает под единой личиной только внутри ядер атомов более тяжелых, чем водород. Внутри ядер электрический заряд не принадлежит отдельным протонам. Он полностью коллективизирован. Можно представить себе, что ядро является каплей нуклонной жидкости, удерживаемой вместе действием ядерных сил, проявляющихся в том, что отдельные нуклоны постоянно обмениваются между собой пи-мезонами. При этом электрические заряды покидают отдельные протоны и оттесняются к поверхности капли.

При ядерных реакциях некоторые частицы покидают ядро. Самые легкие из свободных частиц, имеющих положительный заряд — позитроны — являются античастицами электронов и в земных условиях очень быстро гибнут, встречаясь и аннигилируя с электронами. Самые простые из ядерных частиц, имеющие единичный положительный заряд, оказываются протонами. Их ядерные близнецы, не имеющие заряда, называются нейтронами. Разница между ними может быть обнаружена только при помощи электромагнитных взаимодействий. Нейтроны не реагируют ни на электрическое, ни на магнитное поля, ни на электромагнитные волны. Протоны притягиваются или отталкиваются электрическими зарядами, в соответствии с их знаком, их путь искривляется в магнитном поле, на них можно воздействовать электромагнитными волнами. Правда, эти различия можно обнаружить, лишь когда протон и нейтрон свободны, то есть находятся вне ядер, вне действия ядерных сил, в сто раз превосходящих по величине электромагнитные силы.

Так была установлена еще одна симметрия природы, названная изотопической симметрией. Она объединяет между собой протон и нейтрон, позволяя рассматривать их как единую частицу — нуклон. Нуклон обладает изотопической симметрией, электромагнитное поле нарушает изотопическую симметрию. Электромагнитное поле обнаруживает, является ли данный нуклон протоном или нейтроном. Если электромагнитного поля нет, то разница меж-междуними исчезает. Можно сказать лишь, что это нуклон. Итак, гипотеза о существовании в природе нового типа взаимодействия — слабого взаимодействия — подтверждена опытом. Не следует, однако, думать, что слабое взаимодействие разрушает нейтрон, что нейтрон состоит из протона, электрона и нейтрино. Нет, нейтрон так же элементарен, как протон, но слабые взаимодействия приводят к перерождению нейтрона в три отдельных частицы, причем 0,13 % массы нейтрона превращается при этом в массу покоя электрона и в энергию движения новорожденных частиц.

Что значит быть родственниками?

Развивая идею Юкавы о поле ядерных сил и о частицах, реализующих действие этого поля, можно сказать, что слабые взаимодействия тоже связаны с существованием особого поля. Можно и оценить массу частиц, реализующих это поле. Что нужно учесть при этой оценке? Слабые взаимодействия в 1000 раз слабее электромагнитных. Они и убывают быстрее по мере увеличения расстояния. Нужно принять во внимание также, что масса частиц, представляющих поля, пропорциональна квадратному корню из отношения сил этих полей. Так ученые получили, что масса частиц поля слабого взаимодействия примерно в 30 раз больше массы протона или нейтрона. При этом спин такой частицы должен быть целым числом, то есть она должна подчиняться той же статистике Бозе — Эйнштейна, которой подчиняются фотоны — частицы, реализующие электромагнитные взаимодействия.