книги из ГПНТБ / Богуш А.А. Элементарные частицы

разом, энергия налетающего протона оказы­ вается равной

Е1= |/УЙ^Г+ р ! ^ = ]Л л15>.+ 48М^4=7М 0с2.

Минимальная энергия протона, способного ро­

скорости света. Как только был построен уско­ ритель, разгоняющий протоны до таких скоро­ стей, открытие антипротона не заставило себя долго ждать.

Законы сохранения энергии и импульса, так же как и закон сохранения момента вра­

щения, относятся к числу универсальных зако­ нов природы. Их универсальность заставляет нас думать, что должны быть какие-то общие закономерности окружающего нас мира, кото­ рые проявляются как в масштабах больших тел, так и в масштабах малых, микроскопиче­ ских объектов. Есть что-то объединяющее все явления, происходящие как в микромире, так и в макромире. Естественно допустить, что это — свойства пространства и времени, в ко­ торых протекают все процессы. Существует очень интересная связь между законами со­ хранения и свойствами окружающего нас про­ странства и времени. А именно, если наделить пространство и время определенными свойст­ вами, то законы сохранения энергии, импульса, момента вращения будут выполняться автома­ тически. Эти свойства следующие: о д н о р о д ­ н о с т ь в р е м е н и , о д н о р о д н о с т ь и и з о т р о п н о с т ь п р о с т р а н с т в а ,

92

Под однородностью времени понимают рав­ ноценность различных моментов, т. е. абсолют­ ную безразличность в выборе начала отсчета времени. Другими словами, это означает, что закон природы не должен зависеть от того, ка­ кой момент времени мы выберем за начало от­ счета. В мире элементарных частиц это озна­ чает, что частицы не должны стареть, т. е. их массы покоя не должны меняться со временем, силы взаимодействия между двумя определен­ ными частицами должны оставаться неизмеными, т. е. должна оставаться неизменной их мощность, их зависимость от расстояния и т. д. На физическом языке это означает, что не должны меняться со временем мировые посто­ янные, такие, как постоянная Планка, величи­ на электрического заряда, скорость света, по­ стоянная взаимодействия между заряженными частицами, постоянная всемирного тяготе­ ния и т. д.

Под однородностью пространства понима­ ют абсолютную равнозначность различных то­ чек пространства, независимость законов при­ роды от выбора той или иной точки простран­ ства за начало координат. Иначе говоря, на ход того или иного процесса совершенно не оказывает влияния то обстоятельство, в каком месте пространства будет происходить этот процесс. Проявлением этой однородности про­ странства может служить, например, извест­ ный из школьного курса физики закон инерции при поступательном движении тел. В свобод­ ном пространстве само по себе не может измениться ни направление, ни скорость дви­ жения. Для того чтобы в какой-то точке про­

93

странства произошло изменение движения, нужно, чтобы эта точка чем-то отличалась от других, с ней должна быть связана какая-то причина, какое-то воздействие, приводящее к изменению величины скорости или направле­ ния движения. В свободном пространстве та­ ких точек нет, и поэтому все точки совершенно равноправны.

Совершенно аналогичным рассуждением мы можем прийти к выводу о том, что инерция вращательного движения, связанная с посто­ янством угловой скорости и неизменностью ориентации орбиты в свободном пространстве, свидетельствует о равноправии всех направ­ лений в пространстве, об его изотропности.

Из этих рассуждений напрашивается важ­ нейший для нас вывод. Однородность време­ ни, однородность и изотропность пространст­ ва, т. е. присущие окружающему нас миру свой­ ства симметрии, как раз и являются теми свойствами пространства и времени, с которы­ ми связаны фундаментальные законы приро­ ды — законы сохранения.

В самом деле, известный закон инерции по­

правление и величину скорости, означает со­ хранение величины ти — вектора количества движения. В свою очередь инерция вращатель­ ного движения, связанная с и з о т р о п н о -

94

ни я (момента количества движения). Основные положения физики, как извест­

но, выражаются на весьма точном языке ма­ тематики. Поэтому, говоря о связи свойств сим­ метрии с законами сохранения, нужно хотя бы упомянуть о том, какой математический аппа­ рат используется для выражения этой связи.

Описание тех или иных физических процес­ сов, явлений обычно связывается с определен­ ной системой отсчета, системой координат. При выборе той или иной системы отсчета допускается большой произвол, т. е. мы можем описывать данный процесс в самых различ­ ных системах. Однако этот произвол ограничен существенным требованием, чтобы физические следствия не зависели от того, с какой систе­ мой отсчета мы будем связывать описание дан­ ного процесса. Оказывается, что накладывае­ мые этим требованием ограничения как раз и определяются свойствами симметрии прост­ ранства, в котором протекает данный процесс. Например, из свойства однородности прост­ ранства вытекает произвол в выборе начала системы координат, допустимость переноса по­ следнего на любое расстояние без какого-либо влияния на физическое описание процесса дви­ жения.

Переход от одной системы координат к дру­ гой может быть выражен на языке математи­

95

л я ц и и. Если пространство однородно, то в соответствии со сказанным выше преобразо­ вания трансляции не должны сказываться на математических соотношениях, отражающих реальные закономерности физических процес­ сов.

Иначе говоря, вид этих соотношений не должен меняться при таких преобразованиях координат. В этом случае говорят, что эти со­ отношения должны быть и н в а р и а н т н ы - м и относительно преобразований данного ти­ па. Самое удивительное здесь в том, что как только мы определим допустимые с точки зре­ ния объективно существующей симметрии пре­ образования, то из условия инвариантности теории относительно всей совокупности этих преобразований мы естественным образом при­ ходим к математической формулировке соот­ ветствующего закона сохранения.

В частности, в нашем конкретном случае имеем: свойство симметрии пространства, опре­ деляющее его о д н о р о д н о с т ь , равнопра­ вие всех точек пространства влечет за собой инвариантность теории относительно преобра­

ность теории относительно преобразований, определяющих и з м е н е н и е н а ч а л а о т ­ с ч е т а в р е м е н и . Отсюда может быть выве­ ден з а к о н с о х р а н е н и я э н е р г и и .

96

Заметим, что в релятивистской теории, где пространственные и временные координаты входит равноправно, оба этих закона естест­ венным образом объединяются. Однородность четырехмерного пространства и времени ведет к сохранению четырехмерной величины энер­ гии — импульса.

(поворотов координатных осей), что в свою очередь приводит к з а к о н у с о х р а н е н и я в е к т о р а м о м е н т а к о л и ч е с т в а д в и ­ ж е н и я (вращательного момента).

Дальше мы увидим, что почти все извест­ ные законы сохранения можно связать со свойствами симметрии окружающего нас мира. При этом под понятием «симметрия» мы будем подразумевать не только свойства пространст­ ва и времени, но и свойства самих материаль­ ных объектов. Таким образом, можно сказать,

п р и р о д ы . Нарушение этой гармонии, нару­ шение симметрии, как мы увидим ниже, влечет за собой и нарушение соответствующего зако­ на сохранения.

только качественно, но и количественно. Нуж­ но только иметь в виду, что существуют заряды двух знаков, которые в равных количествах нейтрализуют друг друга. В силу этого как и отдельный атом, в котором положительный заряд ядра точно равен суммарному отрица­ тельному заряду движущихся вокруг ядра электронов, так и состоящее из этих атомов вещество в обычных условиях в целом элект­ рически нейтральны. Поэтому, например, при электризации двух тел одно» из них заряжает­ ся положительно, а другое отрицательно, при­ чем заряды обоих тел абсолютно одинаковы по величине. Заряженное тело, т. е. тело, обладаю­ щее избытком заряда одного знака, может пе­ редать часть его другому телу. Причем другое тело получает точно столько же заряда, сколь­ ко первое тело его теряет. В этом смысле мы можем сказать, что электрический заряд не исчезает и не появляется из ничего вновь, он может передаваться от одних тел к другим.

Все эти факты, которые обычно рассматри­ ваются как само собой разумеющееся, и со­ ставляют суть у н и в е р с а л ь н о г о з а к о- н а природы — з а к о н а с о х р а н е н и я э л е к т р и ч е с к о г о з а р я д а . Универсаль­ ность его состоит в том, что он сохраняет си­ лу во всех явлениях природы.

В мире элементарных частиц этот закон со­ хранения выглядит особенно просто. Каждая из элементарных частиц или вовсе не заряжена, или ее заряд по абсолютному значению в точ­ ности равен величине заряда электрона. По­ этому в единицах заряда электрона (е = 4,8Х Х10-10 С05Е) заряд любой частицы можно

98

выразить одним из трех чисел: 0, +1 или —1. Например, заряд отрицательно заряженного электрона равен —1, положительно заряжен­ ного протона +1 и незаряженного нейтрона 0. Закон сохранения электрического заряда мо­ жет быть теперь сформулирован следующим образом. Алгебраическая сумма чисел (сумма чисел с учетом их знаков), обозначающая пол­ ный электрический заряд всех частиц, участву­ ющих в какой-либо реакции, должна быть оди­ наковой в начале и в конце реакции. Напри­ мер, при аннигиляции электрона с позитроном образуются фотоны. Сумма электрических за­ рядов электрона (—1) и позитрона ( + 1) рав­ на нулю. Заряд фотонов также равен нулю.

Закон сохранения электрического заряда, так же как и законы сохранения энергии, им­ пульса и момента, можно рассматривать как следствие некоторой симметрии окружающего нас мира. Однако эта симметрия особого типа. Она не связана с пространством и временем. Тем не менее между симметрией, обусловли­ вающей сохранение заряда, и пространствен­ но-временными симметриями имеется сходство. Оно заключается в том, что преобразова­ ние, соответствующее новой симметрии, остав­ ляет неизменным формулировку законов при­ роды точно так же, как и преобразования, со­ ответствующие пространственно-временной симметрии. Для большинства элементарных

и з о т о п и ч е с к о г о п р о с т р а н с т в а , о котором подробно будет рассказано дальше.

99

Все приборы, фиксирующие элементарные частицы, так или иначе связаны с регист­

рацией электрического заряда. Электрический заряд оказался исторически первым признаком, по которому удалось убедиться в существова­ нии античастиц. Если какая-то частица обла­ дает электрическим зарядом, то она обязатель­ но имеет античастицу с противоположным электрическим зарядом. Однако и у некоторых электрически незаряженных частиц, таких, как нейтрон, Л°, К0 и др., имеются свои антича­ стицы. По какому признаку в таком случае можно отличить частицу от античастицы?

В мире элементарных частиц замечено весь­ ма любопытное свойство. Подавляющее боль­ шинство частиц не может рождаться в оди­ ночку. Они обязательно появляются в паре с какой-либо другой частицей. Под рождением частицы в данном случае имеется в виду по­ явление новой частицы за счет кинетической энергии или энергии покоя частиц, вступаю­ щих в реакцию. Типичным примером парного рождения является рождение пары электрон — позитрон фотоном в поле ядра, рождение про­ тон — антипротонной пары при столкновении двух протонов и вообще все случаи рождения пар типа частица — античастица. Свойство парного рождения присуще не только системе частица — античастица. Есть целая группа так называемых странных частиц, которые также рождаются парами.

Что же кроется за фактом совместного ро­ ждения или аннигиляции пары частица — ан­ тичастица?

100

Пара частица — античастица при анниги­ ляции превращается в новые частицы. Новые частицы отличаются от частиц пары отсутст­ вием некоторых свойств, присущих па отдель­ ности частице и античастице. Например, при

незаряженные частицы — фотоны и, наоборот, при рождении той же пары фотоном появля­ ются две заряженные частицы с противопо­ ложными электрическими зарядами. Таким ■образом, парное рождение электрона и пози­ трона и их аннигиляция характеризуются тем, что в этих процессах одновременно появляются или уничтожаются два противоположных каче­ ства. Появление или уничтожение этих качеств в случае электронно-позитронной пары просто объясняется на основе закона сохранения элек­ трического заряда. Однако этот закон не мо­ жет объяснить, почему позитрон обязательно рождается в паре с электроном, а не с анти­ протоном, также имеющим отрицательный электрический заряд. Очевидно, в природе су­ ществует еще какое-то качество, которым об­ ладает антипротон и которое отсутствует у электрона. Чтобы выяснить, что это за каче­ ство, обратимся к той паре частица — антича­ стица, членом которой является антипротон, т. е. к паре протон — антипротон.

При рождении этой пары должны появлять­ ся какие-то два новых противоположных каче­ ства, отличные от электрического заряда. При аннигиляции протон — антипротонной пары эти качества должны взаимно уничтожаться. Из опыта известно, что при аннигиляции про­

10!