Если виртуальная частица возникает внутри ядра и движется со скоростью света, она проходит расстояние от одного нуклона до другого и обратно приблизительно за 5·10-24 сек. Если этот промежуток времени рассматривать как неопределенность во времени Δt, из эйнштейновской версии принципа неопределенности можно подсчитать неопределенность энергии протона Δе, испускающего виртуальную частицу. Эта величина равна приблизительно 0,0002 эрг или 125 Мэв, что эквивалентно массе приблизительно равной 250 массам электрона.
Другими словами, если бы протон излучал частицу в 250 раз тяжелее электрона, ее нельзя было бы зарегистрировать за время, меньшее чем 5·10-24 сек. В течение этого промежутка времени протон может нарушить закон сохранения энергии в пределах 250 электронных масс, но в течение этого времени частица способна долететь до следующего нуклона и вернуться обратно. Если бы виртуальная частица была значительно легче, ее нельзя было бы зарегистрировать в течение значительно большего периода времени, и она вылетела бы за пределы ядра на значительное расстояние. Тогда ядерное поле проявилось бы вне ядра, чего на самом деле не наблюдается. С другой стороны, если бы виртуальная частица была более чем в 250 раз тяжелее электрона, у нее не хватило бы времени долететь до соседнего нуклона и нуклоны не могли бы удерживаться вместе в ядре.
Так, в 1935 году Юкава предсказал, что ядро устойчиво благодаря ядерному полю, которое существует за счет непрерывного испускания и поглощения частиц с массой, приблизительно в 250 раз большей массы электрона. А принцип неопределенности объяснил, почему ядерное поле имеет такой маленький радиус действия.
Пока обменные частицы не найдены и их существование не продемонстрировано каким-либо образом, они остаются не более чем теоретическим вымыслом. Мы знаем, что виртуальная частица остается виртуальной толь-ко потому, что системе, из которой она возникает, не хватает энергии, чтобы сделать ее реальной. Если же системе сообщить энергию, которая превратилась бы в массу частицы, последняя находилась бы тогда вне сферы действия принципа неопределенности, и ее можно было бы обнаружить. Однако для этого атомному ядру необходимо сообщить по крайней мере 125 Мэв, а в начале 30-х годов получать такие энергии еще не умели. В то время единственным источником больших энергий были космические лучи, бомбардирующие Землю из межпланетного пространства. Энергия некоторых космических частиц достигает сотен и миллиардов мегаэлектронвольт. (Максимальные энергии космических частиц остаются недостижимыми даже сейчас, когда построены огромные ускорители, способные создавать пучки субатомных частиц с энергиями 30 000 Мэв и выше.)
Теперь известно, что частицы космических лучей представляют собой голые атомные ядра, которые медленно ускоряются за время своего длинного путешествия через межзвездное пространство (по-видимому, за счет переменных магнитных полей звезд и галактик). (Поскольку вещество Вселенной состоит в основном из водорода и гелия, не удивительно, что космические лучи содержат приблизительно 78 % протонов (ядра водорода), 20 % α-частиц (ядра гелия) и 2 % более тяжелых ядер.
Положительно заряженные ядра представляют собой первичное излучение. Когда частицы первичного излучения попадают в атмосферу Земли, их огромные энергии приводят к ряду изменений в ядрах, с которыми они сталкиваются. Из ядер выбиваются быстрые частицы, образующие вторичное излучение. Было бы не удивительно, если бы вторичное излучение состояло из быстрых электронов и фотонов большой энергии, но некоторые свойства этого излучения свидетельствуют против.
Физики, исследовавшие космические лучи в начале 30-х годов, строили догадки (совершенно независимо от теории ядерного поля Юкавы) о существовании частиц тяжелее электрона, но легче протона. Такие частицы с промежуточной массой были нужны для объяснения данных, полученных в процессе исследования космических лучей. В 1935 году, вскоре после того, как была опубликована теория Юкавы, Андерсон (который тремя годами раньше открыл позитрон) занимался исследованием космических лучей на Пайк-Пике (штат Колорадо). В следующем году, изучая полученные фотографии, он обнаружил треки с кривизной, которую следовало бы ожидать от частиц с промежуточной массой. Частица оказалась приблизительно в 207 раз тяжелее электрона. Андерсон назвал ее мезотроном, от греческого слова mesos, что означает промежуточный, но название быстро сократили до слова мезон, которое и стало общепринятым.
Вначале думали, что частица Андерсона является обменной частицей Юкавы, хотя масса ее была меньше, чем предсказывал Юкава. К сожалению, данные противоречили этому. Сама природа ядерного поля предполагала что обменная частица Юкавы должна очень интенсивно и быстро взаимодействовать с любым нуклоном, встречающимся на ее пути. Поэтому она не сможет глубоко проникнуть в вещество, так как первое же встречное ядро поглотит ее. Однако оказалось, что частица Андерсона легко проникает в вещество, проходя, например, сквозь слой свинца значительной толщины. При этом она сталкивается со многими ядрами и не поглощается ими, значит, она не является ядерной обменной частицей.
Горечь разочарования исчезла в 1948 году благодаря работе группы английских физиков, возглавляемой Сеслом Фрэнком Пауэллом, которая изучала космические лучи на больших высотах в Боливийских Андах. Они зарегистрировали частицы, более тяжелые, чем мезоны Андерсона, частицы, имеющие массу приблизительно в 270 раз больше массы электрона.
Новая частица обладала массой, близкой к предсказанной Юкавой, и достаточно интенсивно взаимодействовала с веществом. Ядерной обменной частицей оказался мезон Пауэлла, а не Андерсона. Так была подтверждена теория Юкавы и доказано существование ядерного поля.
Пауэлл назвал свою частицу π-мезоном, а частица Андерсона — первый открытый мезон — впоследствии была названа μ-мезоном.
Со времен были открыты другие типы мезонов и стало очевидно, что все субатомные частицы можно разделить на три группы, а не на две. Кроме лептонов и барионов появились мезоны.
Сильные и слабые взаимодействия
Открытие ядерного поля не разрешило сразу все нерешенные проблемы. Возникло недоумение по поводу времени взаимодействия мезона. Пролетая мимо ядра практически со скоростью света, π-мезон находится все же достаточно близко от него и в течение не более 10-23 сек испытывает влияние очень короткодействующего ядерного поля. За этот ультракороткий промежуток времени π-мезон тем не менее имеет возможность взаимодействовать с ядром.
Разумно предположить, что все мезонные взаимодействия должны протекать одинаково быстро. В частности, следовало бы ожидать, что π-мезоны и μ-мезоны в свободном состоянии распадутся за время не более 10-23 сек. Однако изолированный π-мезон распадается на более легкие частицы в течение приблизительно 2,55·10-8 сек. А изолированный μ-мезон живет еще дольше, распадаясь на более легкие частицы за 2,212 ·10-6 сек.
Интервалы времени в десяти- и стомиллионные доли секунды кажутся нам предельно короткими, но в субатомных масштабах времени они чрезвычайно велики. Предположим, теория утверждает, что некая частица распадается за одну секунду, хотя обнаружено, что некоторые частицы живут сто миллионов, а другие десять миллиардов лет. Мы были бы удивлены этими огромными временами жизни, не так ли? А ведь время 10-23 сек, в течение которого, согласно теории, должен жить π-мезон, и 2,55·10-8 сек, которые он живет в действительности, находятся в таком же отношении друг к другу, как одна секунда и сто миллионов лет.
Необходимо было предположить, что не одно ядерное поле ответственно за все мезонные взаимодействия, а два, одно из которых сильнее другого. Одно поле приводит к сильным взаимодействиям, как, например, взаимодействие π-мезона с ядром, а другое является причиной слабых взаимодействий в ряде распадов π-мезонов и μ-мезонов. Распад нейтрона разумно отнести к слабым взаимодействиям.
Если π-мезон является обменной частицей для сильных взаимодействий, должна, вероятно, существовать обменная частица и для слабых взаимодействий. Ферми разработал теорию слабых взаимодействий, для которой, по-видимому, необходима такая обменная частица. Иногда ее называют w-частицей (от английского слова weak — слабый). Согласно теории, w-частица, по-видимому, имеет большую массу в свободном состоянии. Она намного тяжелее протона, но время жизни ее только 10-17 сек, что составляет приблизительно одну миллиардную времени жизни π-мезона. Поэтому ее не так-то легко зарегистрировать.
