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 % ?-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 ?-мезоном, а частица Андерсона — первый открытый мезон — впоследствии была названа ?-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.

Открытие ядерного поля не разрешило сразу все нерешенные проблемы. Возникло недоумение по поводу времени взаимодействия мезона. Пролетая мимо ядра практически со скоростью света, ?-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 ?-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 ?-мезоны и ?-мезоны в свободном состоянии распадутся за время не более 10^-23 сек. Однако изолированный ?-мезон распадается на более легкие частицы в течение приблизительно 2,55·10^-8 сек. А изолированный ?-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 ?-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 ?-мезона с ядром, а другое является причиной слабых взаимодействий в ряде распадов ?-мезонов и ?-мезонов. Распад нейтрона разумно отнести к слабым взаимодействиям.

Если ?-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 ?-мезона. Поэтому ее не так-то легко зарегистрировать.

В настоящее время физики различают четыре типа полей, ответственных за все протекающие во Вселенной процессы. Это два ядерных поля: электромагнитное и гравитационное. Ядерное поле сильных взаимодействий — наиболее мощное из всех полей, оно в сотни раз сильнее электромагнитного. Поле слабых взаимодействий в сто миллиардов раз слабее электромагнитного но во много триллионов раз сильнее гравитационного поля. Насколько известно, гравитация остается пока наиболее слабой силой в природе [19].

В 50-х годах ?-мезон становился все более и более загадочной частицей. В отличие от ?-мезона, нужного для устойчивости ядер, он не играет никакой существенной роли, которую физики могли бы понять до конца. Более того, он постепенно теряет свою индивидуальность и становится все более и более похожим на разновидность электрона.

Это может показаться странным, так как наиболее отличительные свойства ?-мезона и электрона совершенно различны. Во-первых, ?-мезон в 207 раз тяжелее электрона, во-вторых, в то время как электрон — стабильная частица, ?-мезон нестабилен, он распадается за 2,212 ·10^-6 сек.

И все же ряд свойств электрона и ?-мезона совпадают:

1) заряд электрона равен -1, а его античастицы, позитрона, + 1. В этом отношении ?-мезон похож на электрон. У него есть две разновидности: отрицательный ?-мезон, который, подобно электрону, имеет заряд -1 и является частицей, и положительный ?-мезон, который, подобно позитрону, имеет заряд +1 и является античастицей. Отрицательный ?-мезон изображается символом ?^-, а положительный ?-мезон, являющийся античастицей, символом '?⁺;

2) в природе не существует «нейтрального электрона», т. е. нет незаряженной частицы с массой электрона. Точно так же нет и «нейтрального ?-мезона»;

3) спины электрона и позитрона равны +1/2 или -1/2. Такие же значения имеют спины отрицательного и положительного ?-мезонов.

4) электрон и позитрон никогда не участвуют в сильных взаимодействиях, зато принимают участие в слабых, как и положительный и отрицательный ?-мезоны;

5) наконец, магнитные свойства электрона и позитрона фактически совпадают с магнитными свойствами отрицательного и положительного ?-мезонов.

Важно ли различие в массе и стабильности ?-мезона и электрона, если они во многом так похожи?

Что касается различия в стабильности, им можно вообще пренебречь. Я уже говорил, что в субатомных масштабах время жизни 0,000002212 сек чрезвычайно велико. Это время находится в таком же отношении ко времени, характерному для сильных взаимодействий, как десять миллиардов лет к одной секунде. Событие, продолжающееся десять миллиардов лет, практически «вечно» по сравнению с событиями, длящимися одну секунду. Аналогично в субатомных масштабах времени ?-мезон существует практически «вечно», и разница между его временем жизни и действительно бесконечным временем жизни электрона и позитрона незначительна.

А вот различие масс ?-мезона и электрона остается загадочным. Тяжелые частицы участвуют как в слабых, так и в сильных взаимодействиях, в то время как легкие частицы, очевидно, участвуют только в слабых взаимодействиях. Граница проходит через ?-мезон; ?-мезон— самая легкая из известных тяжелых частиц, участвующая в сильных взаимодействиях.

Однако ?-мезон, масса которого составляет примерно 3/4 массы ?-мезона, не участвует в сильных взаимодействиях. Он участвует только в слабых взаимодействиях. Почему же, несмотря на свою массу, он не способен участвовать в сильных взаимодействиях? Увы, до сих пор на этот вопрос нет ответа. Почему отрицательный (?-мезон в сущности так похож на электрон, а положительный ?-мезон — на позитрон? И если ?-мезоны действительно просто «тяжелые электроны», то почему их масса именно в 207 раз больше массы электрона — не больше и не меньше? До сих пор физики не получили ответа ни на один из этих вопросов.

Поскольку нам приходится рассматривать ?-мезоны как более тяжелые электроны и позитроны, то они должны считаться лептонами и подчиняться закону сохранения лептонного числа. Отрицательному ?-мезону, подобно электрону, приписали лептонное число +1, а положительному ?-мезону, подобно позитрону, -1. Физики установили, что при таком выборе во всех субатомных процессах с участием ?-мезонов закон сохранения лептонного числа выполняется. А поскольку ?-мезон является лептоном, чтобы не впадать в заблуждение, его назвали мюоном. Конечно, существуют отрицательные и положительные мюоны.

Что касается ?-мезона, он оправдывает свое название. Прежде всего он и не лептон, и не барион. Если ему приписать нулевые лептонное и барионное числа, то во всех субатомных процессах с участием ?-мезона законы сохранения лептонного и барионного чисел будут выполняться. Тем не менее, по аналогии с мюоном ?-мезон стали все чаще и чаще называть пионом. Пион существует в двух зарядовых состояниях: положительный пион (?⁺), являющийся частицей, и отрицательный пион ('?^-), представляющий собой античастицу. В отличие от электрона и мюона пион может существовать и в виде незаряженной частицы — нейтрального пиона (?⁰), которая немного легче заряженного пиона — ее масса в 264 раза больше массы электрона, а живет она значительно меньшее время, распадаясь в течение 1,9·10^-16 сек. Особенно необычно то, что нейтральный пион, подобно фотону, является своей собственной античастицей.

Если мюон только более тяжелая разновидность электрона, он должен дублировать его функции в атоме, что наблюдается в действительности. Электрон, находящийся во внешних областях атома, можно представить как частицу, вращающуюся вокруг атомного ядра по определенным орбитам, или как волну, имеющую определенные энергетические состояния. При определенных условиях отрицательные мюоны на короткое время занимают место электронов в атомах. (А положительные мюоны, вероятно, могут занять место вращающихся позитронов в атомах антивещества.) Атом, в котором отрицательный мюон замещает электрон, называется мезоатомом.

Конечно, разница масс мюона и электрона приводит к некоторым изменениям. Момент количества движения частицы, вращающейся вокруг ядра, кроме всего прочего зависит от массы частицы и ее расстояния от ядра.

Так как мюон в 207 раз тяжелее электрона, расстояние его от ядра должно быть меньше, чтобы при замене электрона мюоном момент количества движения не менялся.

В очень тяжелых атомах, внутренние электроны которых расположены близко к ядру, отрицательный мезон может так близко вращаться вокруг ядра, что почти вся его орбита будет находиться внутри ядра. Это обстоятельство еще раз показывает, насколько слабо он взаимодействует с протонами и нейтронами. (И снова мюон напоминает электрон, который тоже слабо взаимодействует с нуклонами. В противном случае ядро поглотило бы электроны и вещество в обычном его виде не существовало бы.)

Если мюон в мезоатоме представить в виде волны, имеющей определенные энергетические состояния, из-за большой массы энергия этих уровней соответственно выше, чем у электрона, а расстояние между соседними уровнями соответственно больше. Фотоны, излучаемые при переходе мюона в мезоатоме с одного энергетического уровня на другой, тоже имеют соответственно большую энергию, так что излучение мезоатомов находится в области рентгеновских лучей, в то время как обычные электронные атомы излучают видимую и ультрафиолетовую части спектра.

Конечно, мезоатомы так же нестабильны, как и мюоны, ибо когда мюон распадается в течение примерно одной миллионной доли секунды, атомное ядро заменяет его обычным электроном.

Примечания:

[19] В 1964 году физики на основе вновь полученных данных пришли к выводу о возможности существования пятого поля, более слабого, чем гравитационное. Однако предварительные эксперименты в начале 1965 года показали, что пятого поля не существует.