Комментарий автора сайта: 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.

Владимир Каланов.

Рассказывает японский
физик Рёю Утияма.

Особенности ядерных сил

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.

Внутренняя структура атома

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.

Электростатическое взаимодействие

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.