7. Прочие законы сохранения в классической и современной физике.

Существуют еще три закона сохранения. Они точные, насколько ныне нам известно, и понять их намного легче, чем предыдущие три, так как по своей природе они близки к подсчету конкретных физических величин.

Первый из них: Закон сохранения электрического заряда;

Алгебраическая система электрических зарядов тел или частиц, образую­щих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.

Этот закон просто означает что если подсчитать сколько есть поло­жительных зарядов и из этого вычесть количество отрицательных за­рядов то число это никогда не изменится

Т е мы можем избавиться от положительных зарядов вместе с отрица­тельными но никогда не создадим (в изолированной системе) чистого избытка одних зарядов над другими

Второй - закон сохранения числа барионов

барионы - ( от греческого барис - тяжёлый ) стабильные адроны об­ладающие полуцелыми спинами т е фермионы (подчиняются статистике Ферми-Дирика) (Если же у адрона спин целый т е если он бозон (подчиняется статистике Бозе - Эйнштейна) то его называют мезоном)

К барионам относятся нуклоны ( нейтрон и протон ) и гиперон

Адронами называются элементарные частицы которые могут участво­вать и реально участвуют в сильном взаимодействии Все они также действуют в электромагнитном слабом и гравитационном взаимодейс­твиях

Давайте разберёмся теперь что мы понимаем под выражением элементарные частицы

В микромире выделяются три уровня различающихся характерными масштабами R и энергиями Е

1. Молекулярно - атомный уровень R10^-8...10^-10 м Е1...10 эВ

2. Ядерный уровень R10^-14...10^-15 м Е10⁶...10⁸ эВ

3. На третьем уровне располагаются мельчайшие микрочастицы не яв­лябщиеся малекулами атомными ядрами ( за исключением ядра атома водорода который является протоном)

По традиции эти микрочастицы именуются элементарными частицами хотя и не обязаны быть бесструктурными образованиями

В настоящее время уровень элементарных частиц расщеплён на два подуровня : подуровень адронов и подуровень фундаментальных час­тиц(лептонов)

Содержательная систематика элементарных частиц основывается на их отношении к фундаментальным взаимодействиям

Все процессы в которых учавствуют элементарные частицы обусловлены взаимодействиями между ними

В настоящее время различают четыре типа фундаментальных взаимодействий

Сильное электромагнитное слабое и гравитационное

1 Сильное взаимодействие свойственно тяжёлым частицам начинающимся с пионов (мезоны - подкласс адронов)

Наиболее известное его проявление - ядерные силы обусловливающие существование атомных ядер

Примером процессов обусловленных сильным взаимодействием является реакция рождения антипротона

2 В электромагнитном взаимодействии непосредственно участвуют только электрически заряженные частицы и фотоны наиболее известное его проявление - кулоновские силы обуславливающие существование атомов

Именно электромагнитное взаимодействие ответственно за подавляющее большинство макроскопических свойств веществ

Оно же управляет процессами рождения и аннигиляции электрон-позитронной пары

процессами упругого рассеяния электронов на атомных ядрах на протонах и друг на друге

3 Слабое взаимодействие характерно для всех частиц кроме фотонов Это взаимодействие характеризует процессы связанные с самими час­тицами

Наиболее известное его проявление - бета-превращения атомных ядер.

(антинейтрино)

(электронное нейтрино)

Это же взаимодействие обуславливает нестабильность многих элемен­тарных частиц например мюонов, мезонов и геперонов

Оказалось что слабое взаимодействие носит универсальный характер в нём участвуют все частицы

Время жизни большинства таких частиц лежит в диапазоне 10^-8 - 10^-10 с тогда как типичное время сильных взаимодействий составляет 10^-23...10^-24 с

Иллюстрацией такого взаимодействия может служить тот факт что нейтрино способные только к слабому взаимодействию могут безпре­пятственно проходить в веществе расстояние 10 в 24 км

4 Гравитационное взаимодействие - присуще всем телам Вселенной проявляясь в виде сил всемирного тяготения

Эти ислы обуславливают существование звёзд планетных систем и т п Гравитационное взаимодействие является предельно слабым и в слу­чае элементарных частиц даёт чрезвычайно незначительные эффекты из - за малой величины их масс

Однако эти эффекты значительно возрастают в микромире при энергиях порядка 10²⁵ эВ которые соответствуют расстояниям 10^-35 м Гравитационные взаимодействия играют доминирующую роль в мегамире Сопоставление указанных четырёх взаимодействий по безразмерным параметрам связанным с квадратами соответствующих констант взаи­модействий даёт для сильного электромагнитного слабого и гравита­ционного взаимодействий следующие отношения 1 : 1/137 : 10^-10 : 10^-38

Вообще говоря интенсивность различных процессов по разному зависит от энергии поэтому с ростом энергии взаимодействующих частиц меняется относительная роль различных взаимодействий

Вернёмся теперь к рассмотрению закона сохранения барионного числа Адронам приписывают барионное число (барионный заряд) В

Адроны с В=0 образуют подгруппу мезонов (пионы каоны эта-мезоны) Адроны с В=+1 образуют подгруппу барионов

Для лептонов и фотона В=0

Если принять для барионов В=+1 а для антибарионов (антинуклоны антигипероны) В=-1 то можно сформулировать закон сохранения бари­онного числа

В замкнутой системе при всех процессах взаимопревращаемости эле­ментарных частиц барионное число сохраняется

Из закона сохранения барионного числа следует что при распаде ба­риона наряду с другими частицами обязательно образуется барион

И наконец третий закон сохранения - закон сохранения числа лепто­нов

Лептонами называются элементарные частицы не участвующие в силь­ном взаимодействии и имеющие спин равный 1/2

Спин - собственный момент импульса частицы измеряется в еденицах ? и принимает целые и полуцелые значения

Все лептоны являются фермионами т е подчиняются статистике Фер­ми-Дирака

К группе лептонов относятся электрон e^ , мюон ^ , таон ^ ,

соответствующие им нейтрино _e _ _ , а также их античастицы

Элементарным частицам относящимся к группе лептонов приписывают так называемое лептонное число (лептонный заряд) L

Обычно принимают что L=+1для лептонов и L=-1для антилептонов и L=0 для всех остальных элементарных частиц

Введение лептонного числа позволяет сформулировать закон сохранения лептонного числа

В замкнутой системе при всех без исключения процессах взаимопрев­ращаемости элементарных частиц лептонное число сохраняется

Т е подсчёт общего числа лептонов в реакции обнаруживает что на входе и на выходе реакции это число одинаково по крайней мере насколько сейчас известно

Теперь понятно почему при распаде нейтральная частица названа антинейтрино а при распаде нейтральная частица - нейтрино

Так как у электрона и нейтрино лептонное число L=+1 а у позитрона и антинейтрино L=-1 то закон сохранения лептонного числа выполня­ется лишь при условии что антинейтрино возникает вместе с элект­роном а нейтрино с позитроном

Таким образом мы рассмотрели шесть основных законов сохране­(помимо закона сохранения массы)

Три замысловатых связанных с пространством и временем (законы сохранения энергии импульса и момента импульса) и три простых связанных с обычным счётом (законы сохранения заряда числа барио­нов и числа лептонов)

В заключение я хотел бы отметить следующее

В конечном счете мы не понимаем законов сохранения достаточно глубоко Нам не понятно сохранение энергии Мы не в праве предста­вить себе энергию как некое количество неделимых порций

Вы вероятно слышали что фотоны вылетают порциями и что энергия их равна постоянной Планка умноженной на частоту E=h.Это правда но так как частота света может быть любой то нет ни какого закона по которому порция энергии обязана иметь некоторую определённую величину

Для нас энергия - это не то что можно пересчитать а всего лишь ма­тематическая величина абстракция- обстоятельство довольно странное В квантовой механике выявляется что сохраняемость энергии тесно связана с другим важным свойством мира - с независимостью от абсолютного времени. Мы можем поставить опыт в некоторый момент а потом ещё раз в другой момент он будет протекать одинаково

Абсолютно ли верно это утверждение или нет - мы не знаем. Но если мы примем что оно абсолютно верно и добавим принципы квантовой механики то из этого можно вывести принцип сохранения энергии. Это довольно тонкая и интересная вещь которую нелегко пояснить. Другие законы сохранения тоже связаны между собой сохранение им­пульса в квантовой механике - с утверждением что неважно где про­исходит опыт его итог от этого не изменится. И подобно тому как независимость от места связана с сохранением импульса а независимость от времени - с сохранением энергии точно также от поворота наших приборов тоже ничего не должно изменяться Независимость ориентации в пространстве имеет отношение к сохра­нению момента количества движения(момента импульса).

К сохраняемости энергии доступность и полезность энергии не имеет ни какого отношения

В атомах морской воды немало энергии движения т к температура мо­ря довольно высока но нет никакой возможности направить эту энер­гию в определённое русло не отобрав её откуда-нибудь ещё. Иначе говоря хотя нам известен тот факт что энергия сохраняется но не так-то просто сохранить энергию пригодную для человека Законы управляющие количеством пригодной для человека энергии на­зываются законами термодинамики и включают понятие называемое энтропией необратимых термодинамических процессов.

О термодинамике мы поговорим на следующей лекции

Наконец остановимся на том откуда мы сегодня можем получить необ­ходимый запас энергии. Энергией нас снабжают Солнце нефть уголь газ и уран. Впрочем уголь нефть и газ в конце концов были бы невозможны. Хотя энергия сохраняется природа по всей видимости этим ни чуть не интересуется. Она высвобождает из Солнца множество энергии но только одна двух­миллиардная её часть падает на Землю

Природа сохраняет энергию но в действительности о ней не заботит­ся растрачивая её направо и налево. Мы уже получаем энергию из урана. Мы можем получать её и из водорода но пока это получение связанно со взрывами (водородная бомба) т е с большой опасностью

Если бы мы смогли научиться управлять термоядерными реакциями то энергиякоторую можно получать тратя по 10 л в секунду равнялась бы всей энергии производимой в нашей стране за это время.

Именно физикам предстоит придумать как избавить человечество от энергетического голода

И это бесспорно достижимо

Л Е К Ц И Я 10

Основы термодинамики

1. Статистический и термодинамический методы исследования

2. Основные понятия термодинамики

3. Законы термодинамики. Энтропия.

Введение

Как следует из предыдущих лекций к сохраняемости энергии доступ­ность и полезность энергии не имеют ни какого отношения. В атомах морской воды немало энергии движения, т.к. температура моря довольно высока, но нет ни какой возможности направить эту энер­гию в определенное русло, не отобрав ее откуда-нибудь еще.

Иначе говоря, хотя нам известен тот факт, что энергия сохраняет­ся, но не так-то просто сохранить энергию, пригодную для человека. За­коны, управляющие количеством пригодной для человека энергии, называ­ется законом термодинамики и включает понятие, называемое энтропией необратимых термодинамических процессов.

Основы термодинамики.