Устойчивость ядра можно объяснить, лишь предположив, что между нуклонами существует действующая только на крайне небольшом расстоянии сила взаимного притяжения, гораздо сильнее силы отталкивания.
В начале 1930-х годов в результате развития квантомеханического анализа было сделано предположение, что сила, действующая на таком расстоянии, на каком действует электромагнитная сила, возникает за счет испускания и поглощения фотонов. Обменивающиеся фотонами заряженные частицы испытывают обменные силы.
[142] Термин был предложен Гейзенбергом в 1932 году. По аналогии было сделано предположение, что сила гравитации действует за счет испускания и поглощения гравитонов (см. гл. 13).
И электромагнитные силы, и сила гравитации, разница между которыми заключается лишь в площади испускающей их поверхности, действуют на расстоянии космического масштаба.
Однако предполагаемая ядерная сила должна действовать лишь на крайне небольшом расстоянии: большом внутри ядра и незначительном — за его пределами. В большом атомном ядре ядерная сила должна действовать лишь в пределах его диаметра. Возможно, именно поэтому ядра более тяжелых элементов с такой легкостью вступают в реакцию деления ядра.
Японский физик Хидоки Юкава (1907–1981) задался целью выяснить механизм столь необычайно большой силы со столь коротким радиусом действия. Я расскажу вам о его умозаключениях в упрощенном виде, не вдаваясь в квантомеханические подробности. Согласно принципу неопределенности невозможно точно определить одновременно и местоположение, и импульс. Погрешность определения одного из них, умноженная на погрешность определения другого, приблизительно равна постоянной Планка. Местоположение и импульс можно заменить на энергию и время. Получается, что невозможно определить точное количество энергии системы в определенный момент времени. Всегда существует небольшой период, во время которого количество энергии невозможно определить точно. Погрешность измерения количества энергии, умноженная на погрешность определения времени, опять-таки приблизительно равна постоянной Планка.
В течение периода, во время которого невозможно точно определить количество энергии, протон, например, может испустить микрочастицу. Вообще-то у него для этого нет энергии, но за тот период, что мы не можем точно определить его энергию, протон легко может нарушить закон сохранения энергии, так сказать, совершенно безнаказанно, поскольку никто не может проконтролировать соблюдение этого закона.
К концу этого периода частица, которую испустил протон, должна вернуться на свое место, и протон снова уже будет подчиняться закону сохранения энергии. Частица, испускание и поглощение которой прошло так быстро, что ее невозможно обнаружить, называется виртуальной частицей. Теоретически она должна существовать, но нет способа обнаружить ее на практике.
За время своей жизни виртуальная частица может удалиться от породившего ее протона, но на ограниченное расстояние, так как она должна успеть вернуться до окончания периода своего существования. Чем тяжелее частица (и больше ее энергия), тем выше погрешность измерения этой энергии и меньше период существования виртуальной частицы, так как их произведение является константой при любых обстоятельствах. Значит, в случае увеличения погрешности измерения одной единицы пропорционально уменьшается погрешность измерения другой.
Даже если виртуальная частица двигается со скоростью света, она не может далеко улететь от протона, так как значение постоянной Планка очень мало, соответственно время существования частицы крайне мало. Как правило, расстояние, на которое виртуальная частица уходит от протона, недостаточно для столкновения этой частицы с другой частицей, за исключением ситуации, когда нейтроны и протоны находятся в непосредственной близости друг от друга, как, например, внутри атомного ядра. В этом случае одна из испускаемых протоном частиц может быть поглощена нейтроном до ее возвращения к протону. Именно такое испускание и поглощение виртуальных частиц и приводит к возникновению ядерной силы.
В 1935 году Юкава сделал предположение, что виртуальная частица является частицей обмена ядерной силы. В отличие от частиц обмена электромагнитной силы и силы гравитации частица обмена ядерной силы должна обладать массой, чтобы допустимое время ее существования было достаточно малым для ограничения радиуса ее действия до нужного значения. Юкава подсчитал, что масса такой виртуальной частицы должна быть примерно в 270 раз больше массы электрона. В этом случае допустимое время ее существования будет достаточно коротким, чтобы радиус ее действия был таким, каким, согласно наблюдениям, и должен быть радиус действия ядерной силы.
Так как масса виртуальной частицы — нечто среднее между массой легких электронов и тяжелых частиц, частица получила название «мезотрон» (от греч., означающего «средний»), которое быстро сократили до мезон.
Согласно теории Юкавы, в процессе обмена протон становится нейтроном, а нейтрон — протоном. Другими словами, мезон, переходя от одной частицы к другой, должен нести с собой электрический заряд. Получается, что такой мезон является положительным. В случае с антипротоном и антинейтроном ядро антивещества удерживает еще одна античастица — отрицательный мезон.
Вскоре выяснилось, что обменные силы действуют и между двумя протонами, и между двумя нейтронами, то есть должен существовать еще и нейтральный мезон. Такой нейтральный мезон является античастицей самого себя и связывает антипротон с антипротоном или антинейтрон с антинейтроном.
Протонно-нейтронные обменные силы больше протонно-протонных, а это значит, что коэффициент дефекта массы у ядра с комбинацией p-n меньше, чем у ядра с комбинацией p-p. Поэтому для преобразования комбинации p-n в p-p внутри ядра необходима энергия.
При переходе n в p небольшое количество энергии высвобождается (самопроизвольный распад нейтрона), но этой энергии не всегда достаточно для преобразования комбинации p-n в p-p. Поэтому в ядрах некоторых элементов нейтрон не превращается в протон, а остается неизменным; в этом случае ядро является стабильным.
Для доказательства мезонной теории Юкавы необходимо было, собственно говоря, обнаружить мезон. Внутри ядра его обнаружить невозможно, так как там мезоны являются лишь виртуальными частицами. Однако, если к ядру подвести достаточное количество энергии, можно получить мезон и без нарушения закона сохранения энергии. В этом случае мезон становится реальной частицей и может покинуть ядро.
Карл Андерсон, ранее обнаруживший среди оставленных космическими лучами в камере Вильсона следов позитрон, в 1936 году обнаружил след еще одной частицы, траектория полета которой отклонялась меньше, чем у электрона, но больше, чем у протона. Очевидно, что эта частица обладала средней массой, и поначалу физики решили, что это и была предсказанная Юкавой частица.
