Владимир Келлер - Возвращение чародея

• Название: Возвращение чародея
• Автор: Владимир Келлер
• Издательство: Детская литература
• Жанр: Физика
• Год: 1970

Эта книга — увлекательный рассказ о научном познании окружающего мира. Она знакомит школьников 8–10-х классов с широким кругом вопросов классической и современной физики. Много интересного узнают ребята о законах механического движения, об энергии и ее источниках, о различных состояниях вещества, о законах движения в микромире и не решенных еще научных проблемах.

---

Лептонами называются самые легкие элементарные частицы — нейтрино, электроны и их античастицы.

Последние исследования показали, что, кроме точных законов сохранения, существуют еще и приближенные, неточные законы сохранения. Бывает так, что некоторая физическая величина приблизительно сохраняется, если процессы идут очень быстро и заканчиваются в короткое время. Но в процессах медленных эта величина не сохраняется.

Типичным примером является такая квантовомеханическая, встречающаяся только в микромире и широкой публике неизвестная величина, как странность. Установлено совершенно строго, что если процесс протекает приблизительно за 10-23 секунды, то странность сохраняется. А в иных, более медленных процессах, протекающих за время приблизительно 10-10 секунды (в десять триллионов раз медленнее первых), странность не сохраняется.

Такая же картина наблюдается и для другой квантово-механической величины, так называемой четности. И эта величина сохраняется (во всяком случае, приблизительно) в быстрых процессах и не сохраняется в процессах медленных.

У вдумчивого читателя может возникнуть вопрос: «А от чего, собственно, зависит скорость процессов в микромире?»

Скорость процессов в микромире зависит в основном от рода сил, вызывающих этот процесс.

Мы говорили, что и во времена Ньютона и вплоть до самого начала нашего века ученым было известно только два рода фундаментальных сил природы: электромагнитные и тяготения. Все остальные, с которыми люди сталкивались в своей практике, были лишь следствием этих основных сил.

Микромир открыл перед человеческим взором еще два рода сил.

Одни возникают, когда два постепенно сближающиеся нуклона (протон — протон, нейтрон — нейтрон или протон — нейтрон, неважно, в каком парном сочетании) дойдут до расстояния 2,5·10-13 сантиметра, они внезапно «почувствуют» такое сильное взаимное притяжение, что перед ним померкнет всякая другая сила. Этим силам дали название «сильных взаимодействий», и именно им обязаны быстрые процессы своим происхождением.

Другой род сил возникает при самопроизвольном распаде некоторых ядер с выделением электронов (или бета-распаде). Силы, выталкивающие электроны из ядер, много слабее сильных взаимодействий, и их назвали слабыми взаимодействиями.

Таким образом, в микромире действуют (если не считать исчезающе малых гравитационных сил) три рода сил: сильные взаимодействия, электромагнитные силы и слабые взаимодействия.

Силы действуют, притягивают или отталкивают частицы и обусловливают, как мы видели на примерах, действие или бездействие некоторых приближенных законов сохранения.

Соберем все наиболее важные законы сохранения вместе и назовем, дав самую краткую характеристику там, где это требуется:

Суммарный закон сохранения массы и энергии.

Закон сохранения импульса, или количества движения.

Закон сохранения момента импульса.

Закон сохранения электрического заряда.

Закон сохранения тяжелых частиц (барионов).

Закон сохранения легких частиц (лептонов).

Закон сохранения изотопического спина.

«Спином» (от английского слова «spin» — «кружение», «верчение») в физике называется величина, характеризующая, говоря нагляднее, ее собственный механический вращательный момент. Закон сохранения изотопического спина — квантовомеханический закон, справедливый лишь для сильных взаимодействий. Он говорит, что силы, действующие между двумя протонами, совершенно одинаковы с силами, действующими между протоном и нейтроном. Он подчеркивает, что для этих частиц электрический заряд не играет никакой роли (вспомните, что протон заряжен положительно, а нейтрон, как показывает его название, не имеет заряда). Поэтому указанный закон сохранения называют также законом зарядовой независимости. Из-за некоторого влияния электромагнитных сил закон сохранения изотопического спина может нарушаться в пределах до одного процента. То есть он относится к приближенным законам.

Закон сохранения странности. Квантовомеханический закон, справедливый для сильных и электромагнитных взаимодействий, но нарушающийся при слабых взаимодействиях.

Закон симметрии античастиц. Как и предыдущий закон, он нарушается при слабых взаимодействиях.

Закон сохранения четности. Тоже нарушается при слабых взаимодействиях.

Закон общей симметрии частиц — античастиц. Согласно этому закону, если любой физический эксперимент отразить в зеркале и если, кроме того, заменить все частицы соответствующими античастицами, нельзя принципиально сказать: отраженный или реальный опыт виден в зеркале. Полагают, что этот закон сохранения справедлив для всех взаимодействий.

Законы сохранения и симметрия мира

Одним из очень интересных вопросов для физиков последних двух поколений был вопрос: существует ли какая-нибудь связь между другими общими свойствами Вселенной и законами сохранения? Оказывается, существует, и самая непосредственная — она основывается на симметриях мира во времени и пространстве.

Первая из симметрий называется «однородностью времени»; неважно, когда начинается какой-либо физический процесс (если не обращать внимания на удобства экспериментатора): природа не изменится часом или годом позже против первоначального момента. Вторая и третья симметрии относятся к пространству. «Однородность пространства» означает, что законы физики одинаковы во всех местах Вселенной — на Земле, на Сириусе, в районе созвездия Лебедь и т. д. «Изотропность пространства» означает, что в пространстве все направления равноценны (этим, между прочим, пространство отличается от времени, у которого есть одно привилегированное направление — вперед).

Выяснилось, что из каждого указанного свойства симметрии вытекает «свой» закон сохранения. Как показала еще в 1918 году немка математик Эмми Нетер, из однородности времени следует закон сохранения энергии, из однородности пространства — закон сохранения импульса, из изотропности пространства — закон сохранения момента импульса.

А что, если вдруг окажется, что свойства пространства — времени не таковы, как мы предполагаем? Нарушатся ли в этом случае наши законы сохранения?

Правильный ответ здесь, вероятно, таков: могут «разрушиться» лишь старые формулировки; потребуются новые формулировки. Принципы сохранения останутся, только выраженные точнее. Или они перейдут из категории точных принципов в категорию приблизительных. И все равно будут отражать постоянное в природе.

Хороший пример — недавняя сенсационная история с опровержением так называемого закона сохранения четности.

Этот закон был открыт для частиц микромира, основываясь на признании однородности и изотропности пространства, взятых вместе. Такое сочетание приводило к «зеркальной симметрии» — предположению, что законы природы не изменятся, если заменить все явления на их зеркальные отражения. Это значит, что, «правое» и «левое» равноценны. Ситуация напоминает ту, как если бы мы посмотрели на свое отражение в зеркале и вдруг узнали, что перед нами не зеркало, а окно. Мы увидим собственного двойника, только все, что у нас справа, — у него будет слева, и наоборот. Он будет повторять все наши действия «зеркально» и даже не почувствует разницы от того, что живет в «зазеркалье».

Так, во всяком случае, предполагалось, пока два американских физика Ли Дзун-дао и Янг Чжэнь-нин не открыли в 1956 году, что природа в некоторых случаях прекрасно разбирается, где правая, а где левая сторона: зеркальный распад некоторых частиц вовсе не совпадал с распадом «по сю сторону зеркальной плоскости». В природе обнаружилась несимметрия.

Это было убийством старого закона сохранения четности. Собственно говоря, кризис до конца не преодолен и поныне. Все же напряжение значительно разрядилось. Этим физика обязана советскому ученому академику Льву Давидовичу Ландау.

Ландау высказал идею, согласно которой нарушение симметрии наблюдается лишь потому, что вещество рассматривается отдельно от антивещества, то есть вещества, состоящего из частиц, противоположных тем, из которых состоит вещество нашей части мира. Инвариантность (неизменность) законов физических явлений восстановится, если зеркальное отражение сочетается с заменой частиц на античастицы, то есть если будет произведена, как говорят физики, «комбинированная инверсия». Если идея Ландау верна, то наш «зазеркальный человек» должен состоять не из протонов, нейтронов и электронов, как мы и все тела нашего мира, а из антипротонов, антинейтронов и позитронов.