Главная В избранное Контакты News О проекте Планы сайта Карта Гостевая
счетчик сайта
Размер шрифта:

>>Найти: на:

Кратко:

Рёю Утияма.

Японский физик-теоретик, окончил физический факультет Осакского университета, ректор университета Тэцукаяма, почётный профессор Осакского университета. Один из классиков современной калибровочной теории, статья которого "Инвариантная теоретическая интерпретация взаимодействий", опубликованная в 1956г. в журнале "Физикл ревю", высоко оценивается как предвестница современных теорий объединения взаимодействий. С 1963 по 1974г. постоянный член международной комиссии по общей теории относительности и гравитации. Автор книг "Общая теория относительности", "Введение в теорию относительности" и др.

 

Хидоки Юкава

Хидоки Юкава

Первую квантовую теорию ядерных сил предложил японский физик Хидоки Юкава (1907-1981). Он исходил из известной к тому времени идеи, что все фундаментальные силы в природе обусловлены обменом некими частицами — переносчиками взаимодействия. Юкава сумел оценить массы частиц, ответственных за ядерные взаимодействия, воспользовавшись    эксперименталь-
ными данными о размерах ядер.

Юкава рассуждал так: если электромагнитные силы переносятся фотонами, то сильная и слабая силы тоже должны иметь соответствующие частицы-переносчики. Однако в отличие от не ограниченного расстоянием электромагнитного взаимодействия, сильное взаимодействие очень короткодействующее — отсюда следует, что у частиц-переносчиц должна быть масса. Для определения этой массы Юкава применил принцип неопределённости и обнаружил, что она должна иметь значение в промежутке между массами электрона и протона и составлять примерно 200 масс электрона. Но в то время о такой частице ничего не было известно.

В 1936 году 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 в своих опытах след с неожиданной траекторией. Радиус кривизны соответствовал частице с массой, примерно в 200 раз большей массы электрона, и все вдруг заинтересовались идеей Юкавы.

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.

Прошло ещё десять лет. 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 (π+, π) и нейтральный (π0).

Вскоре стало ясно, что идея Юкавы вполне разумна и что сильное взаимодействие действительно есть результат обмена мезонами.

Интересно знать, что Хидоки Юкава был пятым ребёнком из семи, родившихся в семье профессора географии в университетском городе Киото — древней столице Японии. До женитьбы его имя было Хидоки Огава, но, вступив в брак, он, по японскому обычаю, взял фамилию жены — Юкава. С квантовой механикой 22-летний физик познакомился на лекции приезжего профессора из Европы за шесть лет до создания собственной теории мезонных сил. В 1949 г. за предсказание существования мезонов Юкава стал Нобелевским лауреатом.

 

Интересно знать:

 

• За последние 20 лет более 15 Нобелевских премий по физике были присуждены за работы, связанные с физикой элементарных частиц.

• Самым дорогим из когда-либо используемых  научным инструментом  является ускоритель элементарных частиц LHC стоимостью около 12 млрд. евро.

• Среди мировых бестселлеров в области научно-популярной литературы первые позиции занимают книги, частично или полностью посвященные физике элементарных частиц (Суперсила, Элегантная Вселенная, Ткань космоса...).

По этой причине сегодняшним студентам следует поспешить и приступить к изучению основ физики элементарных частиц, где в ближайшие несколько лет произойдет много интересных событий.

 

Физика ядра и элементарных частиц

Наша Вселенная представляет собой скопление вещества, под которым имеются ввиду всевозможные комбинации мельчайших корпускул, так называемых элементарных частиц. Частицы - материал, из которого построена Вселенная. Если его должным образом связать, получатся атомы, молекулы, разнообразные физические тела, химические соединения и биологические ткани; из него же в конечном счёте состоят гигантские звёзды и далёкие галактики. Но каким образом связываются друг с другом элементарные частицы? Какой путь пришлось пройти физике, прежде чем ей удалось достичь современного понимания природы этих таинственных сил? Эти вопросы мы и рассмотрим в данном разделе сайта.
Учитывая спорность и неоднозначность освещаемых в разделе вопросов, а также имея интересный материал, изложение которого лучше всего выполнено его авторами — известными учёными и исследователями, я считаю целесообразным в некоторых главах раздела использование первоисточников. В. Каланов. Знания-сила.

© Владимир Каланов
"Знания-сила".


Как начинались исследования ядерных сил.

Рассказывает японский
физик Рёю Утияма.

Структура атома.Атомные ядра построены из нуклонов, то есть протонов и нейтронов. Поскольку протоны имеют положительный электрический заряд, они отталкиваются друг от друга. Отталкивание это должно быть очень сильным, так как сила отталкивания обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами, а размеры ядер очень малы: от 10-13 до 10-12 сантиметра.

Электрический заряд нейтронов равен нулю. Поэтому между нейтронами, а также между нейтронами и протонами электрические силы не действуют. Среди известных ранее сил единственным претендентом на роль силы, связывающей нуклоны в ядре, могла быть сила всемирного тяготения. Но расчёт показывает, что гравитационное притяжение нуклонов друг к другу ничтожно слабо, оно не в состоянии сдержать отталкивание протонов. Получается, что нуклоны согласно первоначальным знаниям не могли быть сильно связаны в ядре. Более того, они должны были бы со страшной силой разлететься во все стороны. Тем не менее, в действительности они очень крепко связаны друг с другом, образуя устойчивые атомные ядра. Отсюда следует, что в природе существуют какие-то новые, неизвестные ранее силы (их стали называть ядерными). Поскольку удовлетворительное теоретическое объяснение механизма действия этих сил впервые дал японский физик  Юкава, эти силы называли также силами Юкавы.

Перенесемся мысленно в середину 1930-х годов и познакомимся с уже известными тогда из эксперимента отличительными особенностями ядерных сил.

Их величину можно представить себе, сравнив силу электрического отталкивания двух протонов в ядре с силой их ядерного притяжения. Оказывается, что при расстоянии между двумя протонами, равном примерно 10-13 сантиметра (среднее расстояние между нуклонами), ядерная сила притяжения приблизительно в 40 раз больше силы электростатического отталкивания протонов. На этом основании ядерные силы называют сильными и говорят о сильном взаимодействии между нуклонами. Это первая особенность ядерных сил.

Когда расстояние между нуклонами становится больше 10-13 сантиметра, ядерные силы очень быстро, практически сразу, обращаются в нуль. Иначе говоря, радиус действия этих сил приблизительно равен 10-13 сантиметров. А электрические и гравитационные силы, обратно пропорциональные квадрату расстояния, хотя и ослабевают с увеличением расстояния, но, формально говоря, обращаются в нуль только при бесконечно большом удалении от источника силы, то есть имеют бесконечно большой радиус действия. Конечность радиуса действия — вторая особенность ядерных сил.

Переходя к истории становления теории ядерных сил, имеющих две указанные выше особенности, начнём с рассмотрения того, как объясняли в классической физике механизм электростатического взаимодействия тел. До введения в физику понятия фотона рассуждали следующим образом. Один из протонов, например протон А, совершая в некотором ритме едва заметные колебания, излучает электромагнитную волну, которая, распространяясь во все стороны от А, достигает другого протона — В. Под её воздействием протон В начинает колебаться и, в свою очередь, излучает в пространство электромагнитную волну. Волна от протона В, достигая протона А, изменяет характер его движения. И так далее, до бесконечности. В результате подобного бесконечно повторяющегося обмена между частицами А и В возникает сила электростатического отталкивания.

Учёт существования фотонов видоизменяет описанную картину взаимодействия: вместо обмена электромагнитными волнами частицы теперь обмениваются фотонами. Наглядно можно представлять себе, что они как бы перебрасываются специально приготовленными мячами (фотонами), в результате такого обмена между партнерами А и В возникает электростатическое взаимодействие. Понятно, что чем чаще обмен мячами, тем интенсивнее взаимное влияние А на В. Иначе говоря, тем больше действующая между ними электростатическая сила.

Изложенные соображения с обменом фотонами основаны на квантовой теории поля Гейзенберга—Паули, из которой следует, что если бы мяч (фотон) имел массу, то радиус действия электростатических сил был бы не бесконечен, а имел бы конечное значение, обратно пропорциональное массе «тяжелого фотона». Радиус действия электростатических сил бесконечно велик только потому, что масса фотонов равна в действительности нулю; лишь при этом условии радиус действия сил равен бесконечности.

Впервые на это обстоятельство обратил внимание итальянский физик Ферми, им же предложен первый вариант теории ядерных сил с конечным радиусом действия. Единственной среди известных тогда элементарных частиц с ненулевой массой, которой можно было бы отвести роль мяча, перебрасываемого нуклонами, был электрон, поэтому Ферми и попытался объяснить ядерные силы как процесс переброса электронов между нуклонами.

 Теория Ферми.

Итальянский физик Энрико Ферми (1901-1954) занимался изучением механизма так называемой бета-радиоактивности; в ходе этой работы он и придумал свою теорию ядерных сил.

Сделаем небольшое отступление и скажем пару слов о бета-излучении. Бета-лучи — это испускаемые нестабильными ядрами высокоэнергичные электроны. Изучение энергетических соотношений при испускании ядрами быстрых электронов привело швейцарского физика Паули к гипотезе о существовании новой, неизвестной до того времени элементарной частицы, которая, как и фотон, лишена массы, электрически нейтральна и, кроме того, очень слабо взаимодействует с веществом (практически неуловима). В настоящее время предсказанную Паули частицу называют нейтрино. Благодаря исключительной слабости взаимодействия нейтрино долго не могли обнаружить, она существовала как теоретическая частица-призрак.

Ферми в своей теории бета-распада и ядерных сил использовал электрон и введенную Паули призрачную частицу — нейтрино. Проследим за мыслью Ферми. Хотя это немного незаконно, допустим на минуту, что электрон, нейтрино и протон, сгрудившись вместе, образовали электрически нейтральную частицу — нейтрон. На рисунке при помощи наглядных образов пояснено, как представлял себе Ферми механизм действия ядерных сил. Электрон и нейтрино, заключенные в показанном на верхней части рисунка нейтроне, внезапно покидают последний. Сразу после их вылета нейтрон превращается в протон, остающийся на месте; на рисунке показано, как беглецы несутся между двумя протонами. Находившийся справа протон после захвата беглецов тут же превращается в нейтрон.  Результат описанного обмена можно интерпретировать как перестановку показанных в верхней части рисунка протона и нейтрона. Далее происходит аналогичный процесс и восстанавливается позиция верхней части рисунка. Подобное перебрасывание пары мячей (электрона и нейтрино) приводит к взаимодействию протона и нейтрона (ядерным силам). Если же вылетевшие из нейтрона электрон и нейтрино не захватываются нарисованным справа протоном, а улетают в пространство, то они проявляются как испускаемые радиоактивным ядром бета-лучи. К этому и сводится теория, которая, по мысли Ферми, одновременно объясняет как бета-излучение, так и механизм действия ядерных сил.

Но, к сожалению, в теории Ферми был существенный недостаток: вычисляемый при её помощи радиус действия ядерных сил оказывался в 200 — 300 раз больше действительного. Если бы электрон, играющий в теории Ферми роль мяча, был в 200 — 300 раз тяжелее, то радиус действия сил, обратно пропорциональный массе мяча, уменьшившись в соответствующее число раз, стал бы именно таким, как нужно.

 Теория Юкавы.

Юкава допустил, что существует ещё пока не открытый «тяжелый фотон», масса которого в 200 — 300 раз больше массы электрона. Такую частицу можно назвать также «тяжелым квантом» или «тяжелым электроном». По теории Юкавы, ядерные силы возникают в результате обмена этими гипотетическими частицами между нуклонами. Массу своей частицы Юкава, конечно, вычислил, исходя из известного радиуса действия ядерных сил. Поскольку для массы получилось промежуточное значение, больше значения массы электрона и меньше значения массы нуклона, Юкава назвал свою частицу «мезон» (греческое слово «месон» означает «находящийся посредине, промежуточный»).

Выше мы излагали теорию ядерных сил с чисто корпускулярной точки зрения. Но мезон Юкавы — элементарная частица; значит, он должен иметь двойственную корпускулярно-волновую природу и возможна волновая интерпретация теории ядерных сил.

Произнося слово «фотон», мы тем самым обращаем внимание на корпускулярную сторону микрообъекта, оставляя без внимания тот факт, что он представляет собой ещё и электромагнитную волну (волнообразное движение электромагнитного поля). Точно так же частица мезон — корпускулярное «лицо» двойственной сущности, волновая природа которой проявляется в колебаниях поля нового вида — мезонного. Рассмотрим теорию Юкавы с этой точки зрения.

Каждый нуклон создает вокруг себя мезонное поле. Это поле заполняет всю «внутренность» атомного ядра. Если читатель видел когда-нибудь, как в деревянной бадье с водой моют молодую картошку, он может представить себе атомное ядро в виде такой бадьи, забитой картофелинами (нуклонами), купающимися в воде (мезонном поле). «Вода» не просачивается из «бадьи» наружу больше чем на радиус действия ядерных сил. Поверхность «воды» постоянно покрыта «рябью», так как источники мезонного поля («картофелины») испускают и поглощают волны этого поля. Волны распространяются от нуклона к нуклону. Посредством мезонных волн нуклоны в ядре прочно скреплены друг с другом. Так выглядит ситуация в атомном ядре с волновой точки зрения. Юкава ввёл в физику новое поле, коренным образом отличающееся от известных ранее гравитационного и электромагнитного полей. Предсказание Юкавы в действительности оказалось немного неточным: в его теории как бы перепутались частицы двух совершенно различных типов (впервые это обстоятельство осознал японский теоретик Танигава, почетный профессор университета в Кобе). Одна из этих частиц в 300 раз массивнее электрона и является переносчиком взаимодействия между нуклонами (теперь её называют пи-мезон, или пион), а вторая — в 200 раз тяжелее электрона и не имеет к ядерным силам никакого отношения. Последняя частица — как бы увеличенная копия электрона, поэтому разумно было бы назвать её «тяжелый электрон», но привилось название «мюон». Несмотря на указанную неточность, в настоящее время общепризнано, что работа Юкавы ознаменовала рождение новой области науки — физики элементарных частиц. В этом великое значение теории Юкавы. Нечего и говорить, что за свою работу Юкава совершенно заслуженно получил Нобелевскую премию.

Оглянемся на пройденный путь. Пытаясь объяснить многообразие окружающего нас вещества, учёные пришли вначале к атомной гипотезе, согласно которой вещество построено из комбинаций сравнительно немногочисленных составных частей — атомов. Оказалось, впрочем, что атомов не так уж и мало — около сотни. Физики двинулись дальше в глубь вещества и добились успеха, объяснив многообразие атомов различиями в их внутренней структуре. В ходе этих исследований учёные постепенно проникли в мир ещё более мелких частиц: от атомных ядер спустились до объектов, получивших название «элементарные частицы».

 

>>>Читайте дальше: Элементарные частицы.

Теории Ферми и ЮкавыЭлементарные частицы. Стандартная модельФермионы - Лептоны - КваркиАдроны - Барионы и МезоныПогубит ли адронный коллайдер Землю? [1 2 3 4 5 6]Монополь Дирака [1 2]Партоны

 
 
Главная В избранное Контакты Новости О проектеПланы сайта

 

 

 

 

   
Rambler's Top100 Рейтинг лучших сайтов категории Наука / Образование Рейтинг ASTROLAB


© KV