ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ. По законам физики электрические силы, притягивающие отрицательно заряженные электроны к положительно заряженному ядру атома, должны были бы заставлять собранные в ядре положительно заряженные частицы — протоны — разлетаться в стороны друг от друга.
Однако вопреки этим законам протоны, находясь в пределах ядра атома, вместо того чтобы разлетаться, почему-то удерживаются все вместе и зачастую столь сильно, что нужно приложить огромную энергию, для того чтобы их разъединить или выбить из ядра хотя бы один протон.
Что же это за таинственные, никому до сих пор неведомые силы?
Эти силы не могут быть электрическими, так как даже если бы у половины протонов в ядре атома положительные заряды вдруг поменялись на отрицательные, то и в этом случае они стали бы притягиваться друг к другу с силами, лишь раз в сорок слабее тех сил, которые фактически удерживают одинаково заряженные протоны в ядре атома. Следовательно, силы эти не электрические. Может быть, силы тяготения? Но они оказываются еще менее приемлемыми, так как силы тяготения, существующие между двумя частицами в ядре атома, вследствие их малости в 1037 раз слабее сил, удерживающих частицы на самом деле.
Современная физическая теория считает, что взаимодействие между электрически заряженными телами и частицами осуществляется испускаемыми и поглощаемыми ими фотонами, что и создает силы электрического притяжения или отталкивания.
Значительно труднее представить себе явно необычные силы, действующие на элементарные частицы, из которых сложено ядро атома. Взаимодействие двух ядерных частиц, как показали многочисленные опыты, зависит не только от расстояния между ними, но и от скорости движения этих частиц относительно друг друга, равно как и от направления вращения каждой из этих частиц. Больше того, имеются силы, действующие между тремя, четырьмя и большим количеством частиц одновременно.
Слецует особо подчеркнуть, что эти силы совершенно не зависят от электрических зарядов частиц. Протон и протон, пейтроп и нейтрон, протон и нейтрон — все они удерживаются друг возле друга примерно с одинаковой силой. Самое же замечательное то, что эти силы действуют в очень ограниченных пределах. На расстоянии, равном, например, 10"13 см (одна стотысячная радиуса всего атома), два протона под действием ядерных сил в сорок раз сильнее притягиваются, чем отталкиваются под действием электрических сил. Если же это расстояние увеличится всего лишь в четыре раза, ядерные силы притяжения становятся уже равными электрическим силам отталкивания. Увеличение этого расстояния в 25 раз приведет к тому, что электрические силы отталкивания превысят ядерные силы притяжения уже в ... миллион раз!
С другой стороны, на расстояниях значительно меньше 0,5-10~13 см притягивающее действие ядерных сил резко обрывается, и начинают действовать более мощные отталкивающие силы.
Так же как и в случае с электрическими силами, взаимодействие между ядерными частицами носит характер некоего обмена какими-то другими частицами, чем-то похожими на фотоны. Такую мысль впервые высказал советский физик академик И.  Е.  Тамм.
В 1935 г. японский физик X. Юкава на основе накопившегося теоретического и опытного материала высказал идею, что роль кванта, связывающего вместе ядерные частицы, выполняет новая материальная частица, названная им мезоном. Он предсказал и свойства этих частиц, которыми должны обмениваться протон и нейтрон, чтобы привести к появлению огромных сил, действующих на чрезвычайно коротких расстояниях и только в пределах ядра •атома. Эти обменные частицы, чтобы выполнить свое назначение, должны сами сильно взаимодействовать с протонами и нейтронами независимо от их зарядов.
Согласно общим принципам квантовой механики, силы, действующие на далеких расстояниях, подобные электромагнитным, могут передаваться только частицами, не имеющими массы покоя, т. е. которые могут существовать, только двигаясь со скоростью света. Такими частицами, как сказано выше, являются фотоны.
Силы же, действующие на чрезвычайно коротких расстояниях, согласно тем же законам квантовой механики, должны передаваться частицами, имеющими массу даже в состоянии покоя. Эта масса должна быть тем больше, чем короче радиус действия данных сил.
Для сил с радиусом действия около 10~13 см масса таких частиц должна быть примерно в двести раз больше массы электрона.
Для того чтобы эти частицы могли осуществлять такие обменные функции между различными нуклонами ядра атома, они должны быть электрически заряженными. Когда взаимодействуют между собой протон и нейтрон, то протон излучает положительно заряженный мезон, который и поглощается нейтроном. В этом процессе протон теряет свой положительный заряд и становится нейтроном, в то время как нейтрон приобретает положительный заряд и превращается в протон. Такой же результат, естественно, получается, если нейтрон излучает отрицательный мезон, который поглощается протоном.
Предположение о существовании положительного и отрицательного мезонов было высказано Юкавой в соответствии с общими принципами современной физики, состоящими в том, что для любой элементарной заряженной частицы в природе должна существовать и противоположная ей по заряду другая частица.
Первые такие частицы, получившие название мю-мезонов, были обнаружены в космическом излучении. Их масса равна 207 массам электрона. Однако вскоре выяснилось, что эти частицы не то, что ожидали. Они слабо взаимодействовали с протонами и нейтронами, в силу чего не могли служить переносчиками внутренних сил. Кроме того, они оказались крайне неустойчивыми. Среднее время их жизни равняется всего 2,2-10~6 сек. При распаде такого мезона возникает электрон или позитрон в зависимости от заряда самого мезона. Подсчеты энергии, выделяющейся при таком распаде, и баланса масс показали, что при этом должны возникать по крайней мере еще две частицы, не имеющие заряда, с массой, равной нулю или близкой к нему, т. е. не имеющие массы покоя. Эти частицы оказались нейтрино. После нескольких лет основательной путаницы и недоразумений только в 1948 г. Пауэллом, Оккиалини и Латтесом (англичанин, итальянец и бразилец) были открыты мезоны, действительно ответственные за существование обменных сил между ядерными частицами. Их назвали пи-мезонами. Масса пи-мезонов оказалась в 273 раза больше массы электрона.
Условия образования, существования и последующие превращения пи-мезона имеют очень сложный характер. Обнаруженный впервые в космическом излучении пи-мезон в результате торможения в веществе распадается на две частицы — описанный выше мю-мезон и нейтрино.
Дальше мю-мезон замедляется, а затем тоже распадается, образуя электрон и два нейтрино. Сталкиваясь с ядром атома, быстрый пи-мезон способен его разрушить. В отличие от мю-мезонов тяжелые пи-мезоны сильно взаимодействуют с частицами, составляющими ядра атомов,— нуклонами. Именно они и оказались предсказанными еще в 1935 г. квантами электромагнитного поля. Однаког для того чтобы все сходилось точно, необходимо было существование еще и незаряженного, нейтрального пи-мезона, ответственного за взаимодействие между протоном и протоном, а также между нейтроном и нейтроном, т. е. в тех случаях, когда ни один из нуклонов не превращается в другой. Протон, естественно, не может приобрести второго положительного заряда. Следовательно, любой заряженный мезон не в состоянии осуществлять взаимодействие между протонами.
Вскоре в космическом излучении были обнаружены и эти недостающие нейтральные мезоны, масса которых превышает массу электрона в 264 раза, но которые не имеют никакого электрического заряда.
Существование нейтрального пи-мезона, в частности, объясняет независимость действия внутриядерных сил от зарядов частиц, входящих в ядро атома. Эти мезоны тоже живут очень недолго и распадаются на два фотона.
Следовательно, в образовании и существовании внутриядерных сил «повинны» три вида частиц, излучаемых и поглощаемых нуклонами ядра атома! положительные, отрицательные и нейтральные тяжелые пи-мезоны.