Неизменная изменчивость. Испускание. Принцип неопределенности.

Вернемся к известному: в свободном состоянии нейтрон распадается довольно быстро - период его полураспада равен 17 минутам. Реакции распада нейтрона называется «бета-распад» или «β-распад», и проходит по такой формуле:

n → p + e + ύ

То есть нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Это мы знаем. А теперь – интересный вопрос. Если мы возьмем свободный нейтрон и пойдем попить чай, то вернувшись через 17 минут мы больше его не увидим – нейтрона нет. Жаль? Да, он был такой пупс, такой интересный, хотелось бы посмотреть на него подольше. А что делать? Природа такая – распадается он и все тут… А ведь в ядрах атомов нейтрон не распадается! Интересно. А что, если мы возьмем этот самый ускользающий нейтрон, да и притиснем к нему поближе один протон. Они схватятся сильным взаимодействием и превратятся в дейтрон – ядро атома дейтерия – изотопа водорода «²H». А вот теперь можно и чай попить, и футбол посмотреть, и хоть всю жизнь прожить – дейтрон стабилен!

Более того, дейтрон сам в состоянии продлить твою жизнь, ведь вода, обогащенная атомами дейтрона (такую воду называют тяжелой), продлевает жизнь червей на 10%, а мухи-дрозофилы – на 30%! Насколько продлевается жизнь более долгоживущих существ, неизвестно. Связан этот эффект, по-видимому, с тем, что дейтерий укрепляет связь между клетками организма, но детально этот эффект не изучен. Самый простой способ получить воду, обогащенную дейтерием, это… (наверняка у тебя сейчас в воображении появились ускорители, центрифуги и прочее оборудование размером с дом и стоимостью в миллион долларов) кипячение! Да, обычное кипячение в чайнике или кастрюле. Ведь если вода кипит, то первыми будут отрываться и воспарять в эмпиреи наиболее легкие молекулы, а более тяжелые останутся. Так что длительное и многократное добавление воды в чайник и кипячение ее там приведет в тому, что вода станет более тяжелой, то есть концентрация дейтерия вырастет. Но не бросайся кипятить воду:) Во время такого кипячения произойдут и другие процессы, которые могут оказать негативное влияние. Например, увеличится концентрация растворенных в воде солей, а они могут быть вредны для здоровья или даже ядовиты, если, например, это соли тяжелых металлов. Но можно взять дистиллированную воду. Можно. Но тогда еще нужно заменить и чайник, ведь во время кипячения молекулы материала, из которого он сделан, могут переходить в воду. Кипятить нужно в чем-то таком, что не будет насыщать воду вредными элементами – например в специальных лабораторных колбах.

Так что же получается? Отдельный нейтрон распадется в среднем за 17 минут, а вместе с протоном он совершенно стабилен. Почему?

А что такое – стабильность? Вот например если я сейчас смотрю вниз со своей горы, я вижу под собой озеро. Я вижу его сейчас, и его видели 1000 лет назад. Озеро стабильно. Но ведь никому не придет в голову мысль, что стабильность эта обеспечивается благодаря тому, что каждая молекула составляющей его воды остается на своем месте. Да они уже миллион раз испарились и вытекли и заменились другими. Стабильным является то, что постоянно возобновляется. Установившийся в природе процесс обмена молекулами воды делает мое озеро стабильным, и если я плюхнусь в него, что приведет к тому, что пара ведер воды выплеснется из озера, то уровень озера немного понизится, и почвенные воды начнут активнее в него проникать с обнажившихся участков берега – стабильное состояние быстро восстановится. Значит, когда мы составили ядро дейтерия, нейтрон стал участвовать в таких процессах, которые и обеспечили его стабильность. Что это за процессы? Не могут ли это быть процессы обмена, как и в остальной, известной нам природе? Туман над озером, ручейки вытекающие из него, ручейки втекающие из него, снегопад, дождь – все это процессы обмена молекулами воды, которые делают стабильным такую непохожую на молекулу воды живую морду, как горное озеро. А что, если и нуклоны обмениваются между собой какими-то частицами? И кстати – если это происходит, то этим же самым можно воспользоваться, чтобы создать модель сильного взаимодействия! Модель, то есть понятную нам картинку из макромира.

Представим себе, что два человека стоят на расстоянии 10 метров друг от друга спиной друг к другу. И вот один из них бросает бумеранг. Бумеранг делает изящную петлю, залетает человеку за спину и летит… прямо в лицо второму! Ну тот, не будучи дураком, хватает этот бумеранг. И, чтобы вернуть его, делает совершенно то же самое – бросает бумеранг, который теперь уже залетает и ему за спину и летит в на излете прямо в первого. И тот тоже его хватает. А теперь посмотрим – что происходит с импульсами. Когда первый человек бросил бумеранг в сторону, противоположную той, в которой стоит второй человек, он придал бумерангу импульс – тот полетел в сторону от второго человека. Но это и значит, что в этот же момент метатель придал самому себе импульс, направленный в сторону второго человека. И когда второй человек поймал бумеранг, он тоже получил импульс, направленный в сторону первого человека – он даже немного пошатнулся и сделал маленький шаг. Теперь расстояние между ними уже не 10, а 9,99 метров. Отлично. Значит, используя свою мышечную силу, эти два человека сообщают друг другу импульсы, направленные так, что они начинают сближаться.

Однако они не заметили, что стоят не на ровной поверхности, а по краям очень низкого холмика. И когда они делают шаг напротив друг друга, то немножко поднимаются, то есть увеличивают свою потенциальную энергию в гравитационном поле Земли. Такое положение для них энергетически невыгодно, и они стараются снова сделать обратный шаг вниз. А что, если они шагнут вниз слишком широко? Тогда бумеранг подлетит к ним не на самом излете, а имея еще значительную скорость, то есть большой импульс. И этот увеличенный импульс заставит их сделать более широкий шаг друг к другу. Таким образом будет осуществляться равновесие – эти два человека, метая друг в друга непрерывно кучу бумерангов, так и останутся примерно на одном и том же расстоянии друг от друга.

Такая модель дает нам представление о том – почему протон и нейтрон, обмениваясь некоторыми частицами, могут в результате образовывать стабильное ядро. Во-первых, импульсы «бумерангов» удерживают их вместе – этим объясняется существование сильного взаимодействия. Причем если протон от нейтрона отодвинуть слишком далеко, то бумеранги уже не долетят друг до друга – сильное взаимодействие прекратится. Во-вторых, если нейтрон каким-то образом изменяется, выбросив свой бумеранг, то получив его обратно он снова восстанавливается в неизменном виде, и отсчет времени его жизни начинается заново, и так без конца!

Может быть, в ядре непрерывно происходит тот самый бета-распад? Нет, это невозможно. Откуда будет браться столько энергии, чтобы порождать кучу разлетающихся прочь электронов и антинейтрино? Да и нейтроны мгновенно кончатся, а нам известно что атомы стабильны. Поэтому остается предположить, что при сильном взаимодействии происходит именно «обмен» частицами. Люди, бросающие бумеранг, не утрачивают своей целостности, так же и нейтроны и протоны, обменивающиеся некими частицами, остаются такими, какие они есть, но при таком обмене часы жизни нейтрона запускаются каждый раз вновь.

Значит, речь идет не о распаде, а об обмене – об испускании и поглощении частиц, которыми обмениваются нуклоны. Не путай распад и испускание – это принципиально разные процессы.

Но тут мы сталкиваемся с другой проблемой. Закон сохранения массы, а также закон сохранения энергии попросту запрещают нам использовать такую модель. Что значит «нейтрон испустил частицу»? Ведь получается такая реакция:

нейтрон → нейтрон + «нечто».

Тут нарушается буквально все – и закон сохранения массы, и закон сохранения энергии. Это невозможно. Точнее, это было бы невозможно, если бы нейтрон был частицей. Но нейтрон – не частица. Он иногда проявляет себя как частица, но иногда – и как волна! А что если нам сейчас перейти к волновой модели? Тогда получается интересно, ведь у волны нет определенной координаты – волна словно «размазана» по всей своей длине – мы уже знаем что именно за счет этого существует туннельный эффект. То есть и координата, и импульс (импульс – это произведение массы на скорость) могут быть заданы лишь приблизительно для любой элементарной частицы. Количественно это выражается знаменитым «принципом неопределенности Гейзенберга». Мы сейчас не будем выводить его, а сразу воспользуемся формулой: