Мы часто употребляем слова, не задумываясь над их истинным смыслом. Вы не обращали на это внимания?.. Возьмите хотя бы слово «взаимодействие», что оно означает?
Вот вы сидите на уроке и разговариваете с товарищем. Разговор — взаимодействие. Вы обмениваетесь словами. Слова выражают мысли. Вы оба — отдельная от класса мыслящая система, находящаяся во взаимодействии.
Другой пример — на спортивной площадке ребята играют в волейбол. Игроки одной команды взаимодействуют друг с другом — не дают мячу упасть на землю. Команды взаимодействуют друг с другом, обмениваются мячом и стараются забить гол.
Не значит ли это, что взаимодействие — это совместное действие отдельных частей, объединенных в систему? Почему бы и нет?.. Кончилась игра на спортплощадке. Тренер унес мяч. Распались команды. Нет больше системы, остались отдельные элементы, просто ребята.
Учитель сделал вам замечание. Прекратилась болтовня. И тоже нет больше за партой отдельной от класса мыслящей системы. Вы вошли в состав другой, более общей системы учеников, взаимодействующих с учителем.
Наверное, всякое действие взаимно, потому что ему всегда соответствует равное и противоположно направленное противодействие.
Не бывает действия без ответа. При этом всякое действие предполагает обмен силами. А что является переносчиком этих сил?
В спортивной борьбе — мяч! В разговоре — слова! А какие еще взаимодействия можно заметить в окружающей нас природе? Только более фундаментальные, чем болтовня на уроке…
Пожалуй, самым первым, на которое человечество обратило внимание, было взаимодействие тяготеющих масс — гравитация, или, попросту говоря, притяжение. Ведь это оно вызывает такое привычное явление на Земле, как то, что разные предметы имеют разный вес. Оно же определяет движение спутников, планет, звезд и галактик относительно друг друга. Вы все это хорошо знаете.
Следующим по старшинству видом взаимодействия, с которым познакомились люди, было электромагнитное взаимодействие. Изучать его стали не так давно, но преуспели немало. Это и неудивительно. Мы ведь даже не задумываемся над тем, что все, буквально все: и то, как мы видим, и то, как слышим, как осязаем, обоняем, пробуем на вкус, — все есть результат электромагнитных взаимодействий нашего организма с природой. Да что говорить, когда «сама жизнь в основе своей — не что иное, как электромагнитное явление».
Электромагнитные силы по своему действию похожи на гравитационные. Они также проявляются на большие расстояния и ослабевают постепенно, обратно пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими объектами. Изучая их проявление, ученые создали стройную теорию электромагнитного поля, во многом похожую на классическую механику. И точно так же вопрос о том, что является переносчиком этих сил, их не особенно беспокоил. Только возникновение квантовой теории Планка и теории фотоэффекта, разработанной Эйнштейном, заставило физиков посмотреть на явления под другим углом зрения. Оказалось, что для электрических и магнитных сил переносчиками являются кванты света.
Если теперь перейти к атомному ядру, то составляющие его протоны и нейтроны тоже должны взаимодействовать, обмениваясь какими-то силами, чтобы сохранить свой коллектив, свою систему. Ни один из известных способов взаимодействия для частиц ядра не годился. Гравитационные силы были слабы, электромагнитные же расталкивали одноименно заряженные частицы, а не притягивали. Да и были они недостаточны, чтобы стянуть, как железными обручами, ядерные частицы воедино. Пришлось предположить, что в ядрах действуют новые силы, дотоле неизвестные исследователям.
Изучение нового вида взаимодействия принесло немало удивительных и обескураживающих открытий. Характер новых сил оказался совершенно необычным. Они оказались во много раз мощнее всех других. Энергия внутри ядра в миллион раз превосходила энергию электромагнитных сил, которые помогали расщеплять вещества при химических реакциях.
И. Е. Тамм — выдающийся физик-теоретик, создатель замечательной школы советской теоретической физики
Понятно, что никакое кипячение, прокаливание и перемешивание, которыми занимались алхимики, не могло разрушить ядра атомов одних элементов и превратить их в другие.
Характер ядерных взаимодействий оказался еще более удивительным. Проявлялся он только на чрезвычайно малых расстояниях. Можно было вплотную приблизиться к ядру атома и все еще не почувствовать влияния. Лишь внутри ядра, там, где протоны и нейтроны упакованы так плотно, что промежутки между ними сводятся к ничтожным расстояниям порядка 10-13 см, ядерные силы вдруг вырастали до огромных значений.
Сила, которая приводит к рождению электронов и нейтрино в бета-распаде, чрезвычайно слабая, но без нее не обойтись. А коли есть сила, то должно быть и взаимодействие, вернее, еще один вид взаимодействия плюс к гравитационному, электромагнитному и сильному. Как его назвать? Особой фантазии тут не понадобилось. Взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад ядер с испусканием электрона и антинейтрино (или позитрона и нейтрино), физики назвали слабым.
Но что может являться переносчиками слабого взаимодействия? Сначала — на основании теоретических выводов — были предложены для этой цели две разноименно заряженные частицы, так называемые промежуточные векторные бозоны W+ и W—. Я повторяю, что сначала это были лишь теоретические предположения. И хотя теоретики рассчитали для предполагаемых частиц их характеристики в виде квантовых чисел, прикинули массы, а следовательно, и те энергии ускорителей, на которых можно было попытаться их получить… Все говорило о предстоящих трудностях. И действительно, история эта затянулась на долгие годы, и мы еще к ней вернемся.
Между тем дальнейшее изучение частиц приносило физикам все больше неожиданностей. Возьмите нейтрон: хорошая, спокойная, нужная в хозяйстве частица. Но вот что любопытно: в свободном — одиночном — состоянии среднее время жизни нейтрона не больше пятнадцати минут. После этого срока он распадается. А в ядре?..
В атомном ядре в паре с протоном нейтрон живет себе и живет. Почему так? Наверняка здесь не обходится без ядерных сил. Но давайте на минутку оторвемся от истории физики, чтобы вспомнить одну, на мой взгляд, очень наглядную аналогию, приведенную в популярной книжке, посвященной законам атомного мира.
Представьте себе, что вам с приятелем поручено перенести по льду озера тяжеленное ядро от старинной пушки. Ни носилок, ни других каких-либо средств, позволяющих вдвоем ухватиться за круглое скользкое ядро, у вас нет. Тащить можно только поодиночке. Но ядро такое тяжелое, что его в одиночку едва удержишь. И уронить на лед нельзя. Треснет. И остановиться отдохнуть тоже нельзя… Выход один — бежать, не останавливаясь, все время передавая ядро из рук в руки, как бы обмениваясь им. При этом чем тяжелее груз, тем ближе нужно держаться. Ядро не мячик…
Вы еще не поняли, к чему ведет эта аналогия? Ведь так же можно представить себе поведение нейтрона в паре с протоном в ядре. А стоит нейтрону оказаться одному, как он, словно не в силах удержать тяжелое ядро, бульк — и уходит под лед…
Но каким «грузом» могут обмениваться частицы? Наверное, тоже частицами? Частицами, которые являются представителями и выразителями ядерных сил, подобно тому, как кванты света — фотоны — являются представителями электромагнитных сил.
В 1934 году советский физик Игорь Евгеньевич Тамм сделал первую попытку создать количественную теорию ядерных сил нуклонов. Он предположил, что протоны и нейтроны в атомном ядре обмениваются (перебрасываются) квантами нейтринно-электронного поля… Однако выбранные частицы оказались слишком легкими. Нуклоны, обмениваясь ими, должны находиться на слишком большом расстоянии друг от друга. Силы взаимодействия оказывались слишком слабыми, чтобы удержать нуклоны в ядре от разбегания.
Возвращаясь к нашей аналогии с ядром от старинной пушки, которую вы с приятелем тащите по льду, попеременно передавая из рук в руки, можно сказать, что по теории Тамма вместо ядра в ваших руках оказался теннисный мячик…
Тамм Игорь Евгеньевич (1895—1971) — советский физик, академик. В 1918 году окончил Московский университет и стал преподавать в ряде высших учебных заведений. С 1934 года начал работу в Физическом институте АН СССР.
Основные труды посвящены квантовой механике, теории излучения, теории космических лучей и взаимодействия ядерных частиц.
И. Е. Тамм создал целый ряд чрезвычайно остроумных теорий во всех перечисленных областях физики и предложил немало плодотворных идей, которые были впоследствии развиты его учениками и физиками других стран.
Прекрасный преподаватель и обаятельный человек Игорь Евгеньевич Тамм создал школу, к которой принадлежат многие выдающиеся физики-теоретики.
За свою большую и плодотворную работу И. Е. Тамм был удостоен Государственных премий, а также является лауреатом Нобелевской премии.
Год спустя идею советского физика развил Хидэки Юкава, преподаватель университета в городе Осака. Он предложил считать, что взаимодействие между нуклонами осуществляется с помощью обмена частицами гораздо более тяжелыми, чем электроны. Раз в двести, в триста более тяжелыми… Только при таком условии они удовлетворительно описывали ядерные взаимодействия. Японский физик был совершенно уверен в том, что такие частицы должны существовать в природе, и настойчиво рекомендовал экспериментаторам искать их в космических лучах.
Экспериментаторы искали. Вооружились камерами Вильсона и до боли в глазах всматривались в треки частиц. И в 1937 году нашли! Андерсон и Ниддермейер обнаружили в космическом ливне частицы, весьма похожие на предсказанные Юкавой. Назвали их «мезонами» от греческого слова «мезос», что означает средний. Масса новооткрытых частиц была промежуточной между массой электрона и протона. Она, как и предсказал Юкава, равнялась двумстам семи массам электрона.
Это было чудесное открытие! Новый триумф теоретической физики и новое подтверждение того, что ученые стоят на правильной дороге. Но истина слишком любит играть в прятки, чтобы сдаться на первом же этапе. Никто тогда и не предполагал, что это открытие — лишь заявка на начали длинного путешествия в океан новых открытий, новых ошибок, заблуждений, счастливых озарений и находок. Нам же с вами важно отметить, что ядерные силы в конце концов получили права гражданства, были признаны, и исследователи принялись искать их переносчиков в различного рода ядерных реакциях…