Fizyka klasyczna nie znała sił tego rodzaju. Pojawiły się one dopiero w równaniach mechaniki kwantowej, jako tzw. „siły wymiany“ albo „siły rezonansu kwantowego“. Za Heisenbergiem wyobrażamy sobie, że gdy neutron i proton są bardzo zbliżone do siebie, wówczas neutron może zamienić się w proton, a proton — w neutron. Aby to się stało, wystarczy przyjąć, że od neutronu odszczepia się elektron i przechodzi do protonu, zobojętniając go; innymi słowy — elektron „wymienia“ swoje miejsce pomiędzy neutronem i protonem. Wobec tego nie można orzec, czy i która z tych cząstek jest „naprawdę“ neutronem, a która protonem. Fizycy skłaniają się ku poglądowi, że neutron i proton — są to dwa „stany“ tej samej ciężkiej cząstki, którą nazywają nukleonem.
MEZONY WYSKAKUJĄ Z GŁOWY YUKAWY
Powyższą teorię zastosował Fermi do zjawiska promieniotwórczości (mianowicie do emisji beta), lecz nie uzyskał zgodności z doświadczeniem, a siły jądrowe okazały się zbyt słabe. W roku 1935 fizyk japoński Yukawa spostrzegł, że teoria potrafi wytłumaczyć właściwą wielkość sił jądrowych, jeśli tylko przyjąć, iż między nukleonami wymienia miejsce nie zwykły elektron, lecz jakaś (nieznana dotychczas) cząstka cięższa o ładunku elektronu. Dla uzyskania zgodności z doświadczeniem,
Yukawa musiał przyjąć, że masa owego „ciężkiego elektronu” jest równa 200 masom elektronowym (pisze się 200 m). Nazwano tę hipotetyczną cząstkę „cząstką o masie pośredniej“, albowiem była ona jeszcze około 9 razy lżejsza od cząstki ciężkiej, czyli od protonu lub neutronu. Yukawa przypuszczał, że istnieją cząstki o masie pośredniej zarówno z ładunkiem ujemnym, jak i dodatnim a nawet bez ładunku. Najciekawsze w tym wszystkim było to, co się stało w dwa lata później: cząstki o masie 200 m zostały rzeczywiście odkryte w promieniach kosmicznych. Nazwano je mezonami.
Przewidywania teoretyczne Yukawy okazało się tedy słuszne. Przypomina to historię z ubiegłego stulecia, kiedy Maxwell przewidział teoretycznie — ołówkiem na papierze — istnienie fal elektromagnetycznych, a dopiero później odkrył je w swoim laboratorium Hertz. Czy odkrycie a później produkcja mezonów będą tak brzemienne w skutki jak odkrycie fal elektromagnetycznych — nic na ten temat na razie nie można powiedzieć. Któż by przypuszczał (na przykład), że odkrycie neutronów w r. 1932 doprowadzi w 13 lat później do wyzwolenia energii atomowej!
DESZCZYK MEZONÓW
A więc odkryto mezony w promieniach kosmicznych. Nie wątpię, że czytelnicy wiedzą, że promienie kosmiczne przychodzą do nas z przestrzeni międzygwiezdnych i jak deszcz spadają na nasze głowy. Nie ma przed tym deszczem osłony! Nie skryjecie się przed nim nawet pod ziemią, w głębokiej kopalni, gdyż i tam promienie kosmiczne docierają.
Czym są promienie kosmiczne? Ciągle jeszcze jest trudna odpowiedź na to pytanie. Przede wszystkim — zależy od wysokości, o jakiej mówimy. Ponad granicami naszej atmosfery, na wysokości 60 km i wyżej, promienie kosmiczne są prawdopodobnie pędzącymi ku nam protonami. Protony te trafiając w jądra atomowe w górnych warstwach atmosfery, powodują powstanie wielu mezonów o bardzo wielkiej energii, a więc wielkiej szybkości. Są one bardzo przenikliwe: przenikają przez atmosferę i wchodzą w głąb ziemi. Przeszkody prawie dla nich nie istnieją; mezon przechodzi przez nie bez zmrużenia oka. Ale jeśli mu się zdarzy potknąć o przeszkodę, to nie ginie mamie, ale powoduje zazwyczaj istną lawinę elektronów;, fizycy nazywają je „kiściami“, „pękami“, albo „ulewami“.
Podobnie i w naszej atmosferze mezony wytwarzają elektrony. Elektrony nie lecą bezczynnie. Natknąwszy się po drodze na jądro atomowe wypromieniowują za każdym razem, w zgodzie z prawami elektrodynamiki, kwant energii promienistej w postaci przenikliwych promieni gamma. Kwanty zaś, trafiając na jądrową przeszkodę przekształcają się w parę elektronów (— i +), czyli w parę elektron – pozytron. Te znów… itd. itd. Teraz już Czytelnik widzi, że spada mu na głowę nie tylko deszczyk mezonów, ale i prawdziwa ulewa elektronów.
Jeśli powiedziałem „deszczyk“, to nie bez ukrytej racji. „Deszcz“ mezonowy pada tylko w górach. Im wyżej, tym obfitszy. „Jakto — zapytacie Czytelnicy — czyż mezony ulegają w atmosferze tak silnej absorbcji, że z deszczu na dużej wysokości może się zrobić deszczyk niżej? Nie, ale mezony mają pewną słabą stronę: krótko, bardzo krótko żyją. Przeciętny mezon żyje zaledwie 2 mikrosekundy. Zamierają więc mezony po drodze i Udko niewielka ich liczba dochodzi do poziomu morza.
Nasuwa się teraz pytanie, co robi mezon po „śmierci“? Tajemnicę jego „pozagrobowego“ życia odkryła nam komora Wilsona (słyszeliście o niej: rozprężenie — i para wodna kondensuje się w postaci kropelek mgły na jonach, które wytworzyła po drodze cząstka jonizująca — proton, mezon czy elektron). Rysunek 4 ukazuje nam, jak wygląda tor mezonu u końca swego zasięgu, czyli pod koniec żywota: po prostu kończy się gruby tor mezonu, a zaczyna się cienki tor elektronu. Zasada zachowania pędu (któż, ach któż ją pamięta?) żąda, aby w tym akcie wytworzyła się jeszcze jedna lekka cząstka. Ale, niestety, nie widać jej. Fizycy domyślają się, że ta cząstka jest, lecz nie zostawia śladu z powodu braku ładunku elektrycznego. Ta lekka cząstka — niewidka nazywa się neutrinem. Proces powyższy, w którym wytwarza się elektron, zapoczątkowuje powstawanie kwantów gamma, które znów wytwarzają dalsze elektrony.