Дао физики

Согласно теории квантового поля, все взаимодействия сводятся к обмену частицами. В случае электромагнитного взаимодействия в обмене участвуют фотоны; при более сильных взаимодействиях между нуклонами — в обмене участвуют частицы новой разновидности: "мезоны". Мезоны бывают разного типа. Чем ближе друг к другу расположены нуклоны, тем больше количество и вес мезонов, которыми они обмениваются. Взаимодействия нуклонов и свойства мезонов отчетливо связаны друг с другом. Поэтому фундаментальное понимание природы невозможно без понимания природы всего спектра субатомных частиц.

В теории квантового поля все взаимодействия частиц можно представить в виде пространственно-временных графиков, сопроводив каждый из последних математических формулой, помогающей вычислить вероятность соответствующего процесса. Точное, соответствие между графиками и математическими формулами было установлено в 1949 году Ричардом Фейнманом, после чего эти графики получили название графиков Фейнмана. Важнейшая составная часть теории квантового поля — это объяснение процессов возникновения и уничтожения частиц. Например, фотон (рис. 30) создается в процессе эмиссии в точке А, а уничтожается при его поглощении в точке В. В релятивистской теории при рассматривании такого процесса необходимо учитывать, что частицы представляют собой не неделимые тела, а динамические паттерны, сущность которых определяется наличием того или иного количества энергии, которая может перераспределяться при образовании новых паттернов.

Возникновение частицы, обладающей массой, возможно только при условии наличия такого количества энергии, которое эквивалентно массе этой частицы, как, например, в процессе столкновения. В случае сильных взаимодействий, которые могут происходить внутри атомного ядра, обмен тяжелыми мезонами представляется маловероятным, и все же процессы обмена имеют место. Так, два протона могут обменяться "пи-мезоном", или "пионом", масса которого составляет около одной седьмой массы протона (см. рис. 31 и 32).

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.