Тайны ядерной массы

 В этих заметках хочется рассказать об удивительных свойствах ядер и их массы, о связывающих их ядерных силах, которые за более чем столетнюю историю своего изучения так и остались непонятыми современными физиками.

1. Взлет и падение теории Хидеки Юкавы

Изучение ядер атомов берет свое начало с 1911 г., когда великий Эрнест Резерфорд пришел к планетарной модели атомов. В результате остроумных экспериментов он открыл, что атомы состоят из очень маленького ядра, которое окружено облаком вращающихся вокруг него электронов.

В 1919 г. Резерфорд установил, что ядро самого легкого атома – атома водорода представляет собой элементарную частицу, получившую название протона. Но из чего состоят более тяжелые ядра, - оставалось загадкой.

Было выдвинуто несколько гипотез, но верной оказалась та, которую в 1932 г. высказали независимо друг от друга Дмитрий Иваненко и Вернер Гейзенберг: ядра состоят из протонов и нейтронов. Этой идее предшествовало открытие элементарной частицы – нейтрона, сделанное в том же году Джеймсом Чедвиком.

Следующий важный шаг в изучении ядер был осуществлен в 1935 г. знаменитым японским физиком Хидеки Юкавой. Он предложил простую теорию ядерных взаимодействий – сил, связывающих протоны и нейтроны в атомных ядрах.

Изучая теоретическую физику самостоятельно, он сделал то, чего не удавалось достичь маститым физикам того времени. Про ядерные силы было тогда известно не много. Было ясно, что они короткодействующие: радиус их действия – порядка размера ядер атомов, а на существенно бόльших расстояниях они быстро затухают. Чтобы описать эти свойства ядерных сил, Юкава предположил существование неизвестной массивной частицы – переносчика ядерных взаимодействий, названной впоследствии пи-мезоном. Используя принципы квантовой теории, он написал уравнение для потенциала ядерных сил и оценил массу пи-мезона.

Такая частица впоследствии была обнаружена, причем ее масса как раз соответствовала предсказанию Юкавы. Это было триумфом. В результате Юкава стал первым японским ученым, получившим Нобелевскую премию по физике (1949 г.).

 Однако вскоре восторги стали сменяться разочарованием. Сравнение теории Юкавы с экспериментальными данными показало ее правильность только при сравнительно небольших ядерных потенциалах. Причина состояла в линейности уравнения Юкавы, а ядерные силы оказались существенно нелинейными. Поэтому стали предприниматься попытки нелинейного обобщения теории Юкавы, но они не принесли желаемого успеха. Не хватало какой-то руководящей идеи, без которой поиски велись вслепую.

В конце концов это привело к почти полному отказу от теории Юкавы. Ее место стала занимать другая теория, получившая название квантовой хромодинамики.

2. Квантовая хромодинамика Мюррея Гелл-Манна

Занимаясь классификацией элементарных частиц-адронов, участвующих в ядерных взаимодействиях, Мюррей Гелл-Манн пришел вместе с Джорджем Цвейгом к идее кварков. По их мысли, частицы-адроны, к которым относятся протоны и нейтроны, должны состоять из более мелких образований-кварков. Эта гипотеза была встречена физиками с большим энтузиазмом, так как она позволила осуществить удачную классификацию различных адронов. За свои фундаментальные исследования Гелл-Манн в 1969 г. стал Нобелевским лауреатом по физике.

Myurrey_Gell-Mann_1929.jpg

Чтобы понять важность идеи кварков, обратимся к нейтронам. Хотя нейтроны электрически нейтральные частицы, они взаимодействуют с магнитным полем. Это означает существование у них внутренней структуры, что как раз и описывается моделью кварков. В ней протоны и нейтроны состоят из двух типов кварков, названных u-кварком и d-кварком (верхним и нижним – up и down) и имеющих дробные заряды. Заряд протона равен 1 (одному элементарному заряду), нейтрона – 0, а зарядам u-кварка и d-кварка были приписаны соответственно заряды +2/3 и -1/3. В модели кварков протоны имеют два u-кварка и один d-кварк, а нейтроны – один u-кварк и два d-кварка. Тогда заряд протона 1=2/3+2/3-1/3, а заряд нейтрона 0=2/3-1/3-1/3.

 Существуют очень серьезные подтверждения такой внутренней структуры протонов и нейтронов, но сразу же возникает вопрос, что связывает между собой их составные части? В поисках ответа на этот вопрос Гелл-Манн пришел к новой теории – квантовой хромодинамике. Она строится на солидном математическом фундаменте. Согласно ему кварки должны быть связаны сильным взаимодействием, переносчиками которого являются 8 особых частиц, названных глюонами. Теория получилась красивой и ее поспешили объявить единственно правильной, чему в немалой степени способствовали авторитет ее создателя и отсутствие конкурирующих теорий. Однако в ней сразу же возникли огромные трудности, из которых не удалось выпутаться и по сей день. Они заключаются в следующем: 

Во-первых, свободные кварки и глюоны экспериментально не обнаружены, несмотря на огромное число попыток.

 Во-вторых, возникает большая неясность, каким образом глюоны превращаются в пи-мезоны? Ведь именно пи-мезоны – переносчики взаимодействия в атомных ядрах.

 В-третьих, квантовая хромодинамика не смогла описать свойства атомных ядер.

 В-четвертых, массы кварков, определенные в рамках квантовой хромодинамики, оказались на удивление малыми. Получилось, что сумма масс трех кварков, из которых состоит протон, примерно в 100 раз меньше массы самого протона!!! Объясняется такой чудовищный дисбаланс энергией связи в протоне, но явных экспериментальных свидетельств этому нет.

 Так не является ли квантовая хромодинамика лишь иллюзией правильной теории и может быть зря поставили крест на теории Юкавы? Ниже попробуем ответить на этот вопрос, для чего обратимся к проблеме массы ядерного вещества. 

3. Ядерные массы и теория относительности

Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, масса тела не является неизменной: она увеличивается с ростом скорости. Но не только скорость изменяет массу. Из общей теории относительности Эйнштейна следует, что на массу влияют и потенциалы гравитационного поля. Что же касается потенциалов других физических полей, то принято считать, что они никакого воздействия на массу не оказывают. Но так ли это на самом деле?

 Как хорошо известно, массы ядер немного меньше суммы масс протонов и нейтронов, из которых они состоят. Это отличие называется дефектом масс ядер. Качественное объяснение данному явлению дается с помощью важнейшего результата теории относительности о пропорциональности энергии и массы. Однако количественного объяснения официально признанные теории не дают. В чем же тут дело?

 Чтобы понять причину неудачи современной ядерной физики в описании дефекта масс ядер, вернемся к вопросу, что же может влиять на массу? Как уже говорилось, силы гравитации влияют на массу. Так почему же другие силы и, в частности, ядерные силы не способны на подобное действие?

 Основная мысль, которая владела автором этих заметок, состояла в необходимости учета влияния потенциала ядерных сил на массу ядерного вещества. Но как можно теоретически описать это влияние, на что можно тут опереться?

 Неожиданно оказалось, что проведенный мной анализ динамики ядерного вещества в рамках теории относительности приводит к нахождению искомой зависимости массы частиц ядерного вещества от потенциала ядерных сил [1, 2]. Как выяснилось в дальнейшем, учет этой зависимости в теории Юкавы позволяет вернуть утраченные ею позиции и придать ей новую жизнь.

4. Новая жизнь теории Юкавы

Отказ от теории Юкавы был вызван ее серьезным расхождением с данными экспериментов при сравнительно больших значениях ядерного потенциала. Как показали результаты моих исследований, причиной оказалось то, что в ней не учитывалась зависимость ядерной массы от ядерного потенциала. Учет этой зависимости в уравнении Юкавы привел к новой нелинейной теории ядерных сил, давшей следующие важные результаты [1, 2]: 

Alhimiki.jpg

Во-первых, в ее рамках была исследована модель средних и тяжелых атомных ядер. Проведенные на основе данной модели расчеты позволили определить такие характеристики ядер как дефект массы и радиус. При этом вычисленные значения этих характеристик для большого числа средних и тяжелых ядер оказались во вполне удовлетворительном согласии с имеющимися экспериментальными данными.

 Во-вторых, было теоретически определено максимальное значение константы ядерного взаимодействия, практически совпавшее с ее экспериментальной величиной.

 Эти результаты говорят о больших возможностях предложенного нелинейного обобщения теории Юкавы.

 На основе данной нелинейной теории ядерных сил, мною была рассмотрена задача о движении вблизи атомных ядер нейтронов, протонов и антипротонов – известных античастиц по отношению к протонам, отличающихся от них знаком заряда. Оказалось, что, в отличие от нейтронов и протонов, имеется довольно широкий класс условий, при которых антипротоны могут обращаться вокруг ядер по замкнутым орбитам [2]. Это открывает новый способ получения искусственных химических элементов и тем самым позволяет осуществить давнюю мечту алхимиков.* Так, если создать недалеко от ядра свинца три обращающихся вокруг него антипротона, то получится ядро золота. Причем атом с таким искусственно созданным ядром по своим химическим свойствам ничем не будет отличаться от настоящего золота.

 Рассмотренное нелинейное обобщение теории ядерных сил Юкавы могут ждать и иные любопытные практические применения.

[1] A.S. Rabinowitch, Nonlinear Physical Fields and Anomalous Phenomena. – New York, Nova Science Publishers, 2009, 245 p.

[2] А.С. Рабинович, Математические основы малоизученных аномальных физических явлений: Нелинейная электродинамика. Ядерная физика. Общая теория относительности. Космология. – Москва, УРСС, Книжный дом «Либроком», 2015, 328 с.

 -------

 * Александр Рабинович – физик-теоретик. Для проверки его гипотезы, в частности возможности искусственного получения золота, необходимо вмешательство  практиков, вооруженных современными ускорителями (ред. ЧАЙКИ).