Ядерные силы. Унификация слабых и электромагнитных сил. унификация гравитации и электроядерной силы

Наш век отмечен гением Эйнштейна (родившегося в 1879 г.— в год смерти Максвелла), который объединил понятия пространства и времени. Но еще более важно то, что Эйнштейн, считая пространство-время динамической системой, пришел к выводу, что кривизну пространства-времени можно связать с гравитационной силой, постулированной Ньютоном. Это привело к пониманию космологии как отражения динамики пространства-времени, к идее Большого взрыва как начала расширения Вселенной и к открытию фонового излучения с температурой 3° К — реликта Большого взрыва.

К середине 20-х годов нашего столетия эти две силы — тяготение и электромагнетизм — позволяли объяснить почти все, что мы знали о природе. И примерно в то же время у Эйнштейна возникла мысль, что эти две силы, способные охватить все явления природы, можно унифицировать как проявления единой силы. Последние 35 лет своей жизни Эйнштейн посвятил решению этой поистине эпической задачи. Показав, что тяготение можно рассматривать как геометрическое свойство пространства-времени, связанное с его кривизной, он пытался найти его другую геометрическую характеристику, которая могла бы соответствовать электрическому заряду. Таким образом, в своих поисках путей унификации этих двух сил природы Эйнштейн основывался на геометрии пространства-времени. Позже мы вернемся к этой его мечте.

Ядерные силы

Однако при построении своей теории Эйнштейн абсолютно не учитывал ядерные силы, возможно потому, что в годы его молодости четкое и ясное понимание их отсутствовало. Обратимся к элементарным составляющим вещества — этим, по выражению Фейнмана, «wheels within wheels within wheels»[1]. В 1935 г. считалось, что самая внутренняя из «матрешек» — это две пары частиц: протон и нейтрон, нейтрино и электрон. В настоящее время электрон и нейтрино (члены семейства легких частиц — лептонов) по-прежнему признаются элементарными, тогда как есть все основания считать, что протон и нейтрон состоят из еще более элементарных составляющих — кварков. Однако на время мы пренебрежем этой субструктурой.

Между названными частицами существуют два типа ядерных взаимодействий: так называемое слабое ядерное взаимодействие — основная тема нашего повествования — и сильное ядерное взаимодействие. Слабое взаимодействие ответственно за бета-радиоактивность — явление распада нейтрона на протон, электрон и антинейтрино: n® р + е^- + n_e^-.

Сильное ядерное взаимодействие связывает нейтроны и протоны в атомные ядра; благодаря ему высвобождается энергия в процессах расщепления ядер и ядерного синтеза. Обе эти силы действуют на значительно более коротких расстояниях, чем электромагнитная и гравитационная силы. Они проявляются, лишь когда частицы приближаются друг к другу на расстояние около 10^-13 см в случае сильного взаимодействия и менее чем 10^-15 см при слабом взаимодействии.

Согласно современным представлениям, эти силы действуют посредством обмена определенными квантами энергии. При электромагнитном взаимодействии такими квантами служат фотоны, кванты света. Обмен квантами можно проиллюстрировать с помощью диаграмм Фейнмана, получивших свое название по имени их автора.

Как предполагается на основе косвенных данных, слабое взаимодействие обусловлено обменом квантами, называемыми W⁺ и W^- (рис. 5.1). Эти слабые кванты должны нести электрический заряд (+1 или —1 в единицах заряда электрона) в отличие от фотона, который электрически нейтрален. Кроме того, явное короткодействие слабых сил указывает на то, что эти кванты должны быть массивными, тогда как фотон не имеет массы.

Далее я часто буду использовать термин калибровочная сила. Математическое определение калибровочных сил носит слишком специальный характер, чтобы вдаваться здесь в его детали; для наших целей достаточно знать, что эти силы связаны с калибровочной симметрией, а их интенсивность пропорциональна заряду. Например, электромагнитная сила также калибровочная, а ее величина пропорциональна произведению электрических зарядов взаимодействующих частиц, скажем электрона и протона а атоме водорода. Точно так же величина гравитационной силы пропорциональна произведению двух взаимодействующих масс: масса — это заряд для тяготения.

Унификация слабых и электромагнитных сил

История, о которой я намерен рассказать, началась для меня в 1956 г. Перед физикой элементарных частиц стояла тогда проблема природы слабых сил, в частности вопрос о спине промежуточных квантов, частиц W⁺ и W ^-. Довольно сложным путем мы пришли к заключению, что частицы W^± (их часто называют промежуточными векторными бозонами) обладают собственным моментом импульса (спином), по величине совпадающим со спином фотона, который равен 1 (в единицах постоянной Планка). Это было первым важным указанием на существование какой-то связи между электромагнитными и слабыми силами.