Основное различие между бозонами и фермионами состоит в том, как они ведут себя «в коллективе». Бозонов в данной области пространства может существовать сколько угодно (более того, они стремятся заполнить одно и то же состояние), тогда как два фермиона, находящиеся в совершенно одинаковом энергетическом состоянии, не могут существовать одновременно в одной и той же области пространства[3]. Поэтому если в состав какой-то частицы входят два или более фермионов, они должны находиться в различных энергетических состояниях.
Это свойство фермионов выражает принцип Паули — один из фундаментальных законов физики. В мире элементарных частиц мы встречаемся с ним буквально на каждом шагу, ибо здесь он заменяет известный макроскопический закон о взаимной непроницаемости тел. Примечательно, однако, что действие принципа Паули распространяется не на все элементарные частицы, а только на фермионы.
Различие «коллективного» поведения фермионов и бозонов находит свое отражение и в различии функций, которые эти частицы выполняют в природе. Если фермионы являются составными частями вещества, то при посредстве бозонов осуществляется взаимодействие между фермионами, хотя бозоны могут существовать и как самостоятельные частицы.
Непрерывное возрастание числа частиц, которые сегодня принято называть элементарными, напоминает процесс, который в свое время наблюдался в химии (количество вновь открытых химических элементов стремительно росло) и предшествовал открытию сложной структуры атома. Однако такая аналогия не абсолютна по меньшей мере по двум существенным причинам. Во-первых, с ростом количества элементарных частиц не увеличивается число основных «кирпичиков», из которых состоят атомы, так как вновь открытые частицы нестабильны. Во-вторых, даже при столкновениях с энергией, в сотни раз превышающей массу покоя этих частиц, их не удается разделить на «еще более элементарные» составляющие.
Время жизни порядка ×10-10 — ×10-11 с. еще достаточно для того, чтобы отдельные частицы можно было наблюдать по их следам в пузырьковой камере или ином детекторе. Однако при использовании подобных прямых методов от нашего внимания легко могут ускользнуть частицы, у которых время жизни на несколько порядков меньше. Поскольку нет физических оснований к тому, чтобы нестабильные частицы, начиная с какой-то определенной величины времени жизни, исключить из списка элементарных частиц, потребовалось изыскивать косвенные методы, которые позволили бы выявить существование частиц с предельно коротким временем жизни.
Такой косвенный метод был действительно найден: измерение эффективности столкновений пионов с нуклонами. Эффективность рассеяния пионов (как и вообще элементарных частиц) на протонах выражается так называемым эффективным сечением. По сути дела, это величина площади поверхности, которую для падающей частицы представляет частица-мишень[4].
Взаимодействие между электрически заряженным пионом p+ и протоном складывается, с одной стороны, из электростатического взаимодействия (отталкивания), а с другой стороны—из сильного ядерного взаимодействия, имеющего очень малый радиус. С сильными взаимодействиями мы уже встречались, рассматривая рассеяние альфа-частиц высокой энергии на легких ядрах. Именно этими взаимодействиями обусловлено отклонение экспериментальных результатов от теоретических для альфа-частиц, проходящих близко к ядру. Аналогично пион высокой энергии, проходящий на достаточно малом расстоянии от ядра, преодолевает электростатическое отталкивание и попадает в сферу действия ядерных сил, т. е. испытывает сильное взаимодействие. Измеренное эффективное сечение таких столкновений и характеризует влияние сильных взаимодействий на пион. Речь здесь идет о силах (ядерных) очень малого радиуса действия, которые по своей природе в корне отличны от электромагнитных сил.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.