Слабые взаимодействия. Энрико Ферми

«Современные ученые мыслят глубоко, вместо того чтобы мыслить ясно. Чтобы мыслить ясно, нужно обладать здравым рассудком, а мыслить глубоко можно и будучи совершенно сумасшедшим.»
Никола Тесла

В природе существует четыре вида фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, хорошо знакомые из курса физики, а также сильное, характерное для ядерных процессов, и слабое, о котором и пойдет речь ниже.

К осознанию самого факта существования слабого взаимодействия физики продвигались довольно медленно. Слабое взаимодействие несет ответственность за распады частиц; поэтому с его проявлением столкнулись только с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада.

Истина где-то там

В 1896 году французский ученый Антуан Анри Беккерель обнаружил радиоактивность урана. И это был первый экспериментальный сигнал о неизвестных до того силах природы — слабом взаимодействии. Сегодня мы знаем, что слабое взаимодействие обуславливает многие привычные для нас явления, например, оно принимает участие в некоторых термоядерных реакциях, поддерживающих излучение Солнца и других звезд.

У бета-распада обнаружилась интересная и странная особенность. Результаты исследований приводили к выводу, что в этом распаде нарушается закон сохранения энергии. Словно бы часть энергии куда-то исчезала. Для разрешения этого противоречия Вольфганг Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает еще одна частица, она-то и уносит с собой недостающую энергию. Эта частица электро-нейтральна и вместе с тем обладает очень высокой проникающей способностью, поэтому ее и не удавалось наблюдать. Итальянский физик Энрико Ферми предложил назвать эту частицу-невидимку нейтрино.

Но предсказание нейтрино—это только постановка проблемы. Следовало еще понять его природу. Все дело в том, что электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было абсолютно точно доказано, что внутри ядер таких частиц нет. Откуда же они взялись? Как возникали? Ученые предположили, что электроны и нейтрино, так сказать, в готовом виде в ядре не существуют, а образуются из энергии радиоактивного ядра. Напрашивался вывод, что известные на тот момент силы не могут вызвать такой распад. Следовательно, он порождался какой-то иной, неизвестной силой. А силе всегда соответствует некоторое взаимодействие.

Разрушающее созидание

На самом деле название «слабое» досталось этому взаимодействию по недоразумению, оно гораздо сильнее гравитационного. Но взаимодействие это скорее разрушительное, это единственная сила природы, которая не скрепляет вещество, а только разрушает его.

С дугой стороны, слабое взаимодействие значительно меньше электромагнитного и сильного взаимодействий. Поэтому оно долго оставалось как бы в тени. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень маленьких расстояниях—до 10^-16 см от источника и потому оно никак не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается микромиром, субатомными частицами. Лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц дало повод утверждать, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии.

Именно слабым взаимодействием обусловлено протекание термоядерной реакции, являющейся основным источником энергии большинства звезд, включая Солнце

Основные свойства слабого взаимодействия стали известны еще в 1930-х годах благодаря работам Ферми. Повторимся, в отличие от гравитационных и электрических, слабые силы имеют очень малый радиус действия. Казалось, что радиуса действия вообще нет и взаимодействие происходит мгновенно и в одной точке пространства. Это взаимодействие можно назвать виртуальным, оно на короткое время превращает каждый протон ядра в нейтрон, позитрон — в позитрон и нейтрино, а каждый нейтрон—в протон, электрон и антинейтрино. В стабильных ядрах эти превращения так и остаются виртуальными, подобно виртуальным рождениям электрон-позитронных пар или протон-антипротонных пар в вакууме.

Впоследствии выяснилось, что слабое взаимодействие не локально, то есть оно происходит не мгновенно и не в одной точке. По современной теории, слабое взаимодействие передается не мгновенно, а виртуальная пара «электрон—антинейтрино» рождается через очень малый промежуток времени и на очень малых расстояниях. Естественно, ни один прибор не в состоянии измерить такое малое расстояние, так же как ни один секундомер не может измерить такой малый интервал времени. И как это почти всегда бывает в современной физике, мы должны довольствоваться косвенными данными. Физики строят различные гипотезы о механизме процесса и проверяют всевозможные следствия этих гипотез. Гипотезы, которые противоречат хотя бы одному достоверному опыту, отметаются, а для проверки оставшихся ставятся новые эксперименты. В случае слабого взаимодействия этот процесс продолжается уже около 50 лет и еще далек от завершения.

Теория слабого взаимодействия была создана в конце 1960-х годов и с момента построения Максвеллом теории электромагнитного поля является самым крупным шагом на пути к единству физики.