А теперь следует задать такой вопрос: не может ли быть, что и силы, действующие между другими частицами, имеют сходное происхождение? Что, к примеру, можно сказать о ядерной силе, действующей между нейтроном и протоном или между двумя протонами? Пытаясь объяснить природу ядерных сил, Юкава предположил, что сила, действующая между двумя нуклонами, вызывается сходным обменным эффектом, только в этом случае из-за виртуального обмена не электроном, а какой-то новой частицей, которую он назвал «мезон». Сегодня мы бы отождествили мезон Юкавы с p-мезоном (или «пионом»), возникающим в высокоэнергетических столкновениях протонов или других частиц.
Посмотрим для примера, какого рода силы возникнут от того, что протон и нейтрон обменяются положительным пионом (p+), имеющим массу mp. Как атом водорода Н0 может, отказавшись от электрона е-, превратиться в протон р+
Н0® р+ + е-, (8.12)
точно так же протон р+ может перейти в нейтрон n0, отказавшись от p+-мезона:
р+®n0+p+ . (8.13)
Значит, если у нас есть протон (в точке а) и нейтрон (в точке b), разделенные расстоянием R, то протон может стать нейтроном, испуская p+-мезон, который затем поглощается нейтроном в точке b, обращая его в протон. И имеется энергия взаимодействия системы из двух нуклонов и одного пиона, зависящая от амплитуды А пионного обмена, как это было с электронным обменом в ионе Н+2.
В процессе (8.12) энергия атома Н0 (если вычислять ее нерелятивистски, опуская энергию поля электрона WH) меньше энергии протона на величину mc2, так что кинетическая энергия электрона отрицательна — или импульс мнимый [см. уравнение (8.9)]. В ядерном процессе (8.13) массы протона и нейтрона почти равны, так что полная энергия p+-мезона окажется равной нулю. Соотношение между полной энергией Е и импульсом р пиона с массой mp таково:
E2=р2с2+m2pc4.
раз Е равно нулю (или по крайней мере пренебрежимо мало
по сравнению с mp), то импульс опять выходит мнимый:
p=impc.
Повторяя знакомые нам уже рассуждения, с помощью которых мы вычисляли амплитуду того, что связанный электрон проникнет через барьер в пространстве между двумя протонами, мы получаем для ядерного случая амплитуду обмена А, которая — при больших R — будет вести себя как
Энергия взаимодействия пропорциональна А и, значит, меняется таким же образом. Мы получаем изменение энергии в форме так называемого потенциала Юкавы между двумя нуклонами. Кстати, ту же формулу мы получили раньше прямо из дифференциального уравнения для движения пиона в пустом пространстве [см. гл. 28 (вып. 6), уравнение (28.18)].
Следуя той же линии рассуждений, можно попытаться прикинуть взаимодействие двух протонов (или двух нейтронов), происходящее от обмена нейтральными пионами (p0). Основной процесс теперь таков:
р+®р++p0. (8.15)
Протон может испустить виртуальный p0, оставаясь после этого все еще протоном. Если протонов два, то протон № 1 может испустить виртуальный p0, который поглотится протоном № 2. В конце остается опять пара протонов. Это немного не то, что было в случае иона H+2. Тогда Н0 переходил после испускания электрона в другое состояние — в протон. Теперь же мы предполагаем, что протон может испускать p0, не меняя своего характера. Такие процессы и впрямь наблюдаются в высокоэнергетических столкновениях. Процесс аналогичен тому, как электрон, испуская фотон, остается все же электроном:
е®е+фотон. (8.16)
Мы не «видим» фотонов внутри электрона до того, как они испустятся, или после того, как они поглотятся, и их «испускание» не изменяет «природы» электрона.