Часть 6 ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Раздел 18 ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

18.7. Взаимопревращения элементарных частиц - основа современной атомистики

На современном уровне познания микромира подтверждается атомистическая картина строения материи, которую предсказывали древние философы. Однако новая атомистика элементарных частиц качественно отличается от атомістичних представлений прошлого. Элементарные частицы не являются неизменными, простейшими элементами: они могут превращаться друг в друга в процессе взаимодействия, рождаться или поглинатись различными компонентами частиц, что взаимодействуют.

Открытием антипротона в конце 1955 г. установлено, что не существует каких-либо групп элементарных частиц, которые не могли бы превратиться в другие элементарные частицы. Теперь взаємоперетворюваність элементарных частиц можно считать экспериментально установленным фактом для простейших форм материи. В общей взаємоперетворюваності элементарных частиц выражена одна из самых основных свойств материи - ее способность превращаться из одной формы в другую, качественно отличную.

Все тяжелые мезоны превращаются или в π-мезоны, или в π-мезоны и пары лептонов (μ-мезоны, электроны, нейтрино), или в пары лептонов. В свою очередь, заряженные π-мезоны превращаются в μ-мезоны и нейтрино, а μ-мезоны далее превращаются в стабильные электроны и нейтрино; нейтральные π-мезоны превращаются в пары γ-фотонов. Следовательно, все без исключения мезоны превращаются в стабильные легкие частицы - позитроны, электроны, нейтрино и γ-фотоны.

Несколько иначе превращаются тяжелые частички. Окончательно все тяжелые частицы (тяжелее протона) превращаются в стабильные протоны, позитроны, электроны, нейтрино и фотоны. Электрон, имея наименьшую массу в спектре масс элементарных частиц, занимает самый низкий уровень в нем, если этот спектр считать подобным энергетическим уровням некоторой квантово-механической системы. Этот уровень стабилен, поскольку переходы могут происходить только с более высоких уровней на самый низкий в спектре уровень. Распад с этого уровня в фотоны, электрический заряд которых равен нулю, запрещено законом сохранения электрического заряда. Это сразу приводит к стабильности электрона. Конечно, пара электрон - позитрон превращается в фотоны по закону сохранения электрического заряда и экспериментально наблюдается. Протон в паре с антипротоном также превращается в фотоны.

Итак, в результате процессов распада и процессов рождения все элементарные частицы могут превращаться в самые легкие частицы - нейтрино и фотоны. Теоретически также очевидно, что нейтрино и антинейтрино также могут превращаться в фотоны. При этом допускается, исходя из обобщений опытных данных, что все известные элементарные частицы имеют соответствующие античастинки и могут спонтанно превращаться в фотоны или частицы, которые распадаются на фотоны.

Закон взаимопревращения элементарных частиц можно сформулировать так: любые элементарные частицы можно полностью превратить в фотоны или непосредственно, или в совокупности с соответствующими античастинками. Здесь наблюдается также взаимопревращения частиц и фотонов. При всех взаємоперетвореннях частиц выполняются все универсальные законы сохранения: энергии (массы), импульса, спина и зарядов (электрического, баріонного и лептонного). К неабсолютних законов сохранения относятся законы сохранения странности

и четности. Они хранятся для сильных и электромагнитных взаимодействий и нарушаются в случае слабых взаимодействий. Закон сохранения изотопического спина сбывается только для сильных взаимодействий и нарушается для электромагнитных и слабых.

Опыт показывает, что взаимопревращения элементарных частиц обусловлено законами сохранения, которые не допускают произвольных реакций. Однако всегда можно подобрать цепь реакций, за помощью которых можно превратить один вид частиц и античастиц в другие. Материя в своих простейших формах может превращаться из одной формы в любую другую, качественно отличную, но возможность преобразования отдельных простейших форм ограничивается законами сохранения. Они выражают неуничтожаемость различных атрибутов материи.

Законы сохранения, которые имеют место в процессах взаимопревращения простейших форм материи, качественно различаются между собой. Некоторые законы выражают количественное сохранение различных форм движения (сохранение импульса, энергии и момента количества движения). Вторая группа законов выражает сохранение основных качественных отличий разных простейших форм материи (сохранения электрического, баріонного и лептонного зарядов). Наконец, важное значение при взаємоперетвореннях элементарных частиц имеет закон сохранения общей массы системы.

Например, баріонний заряд замкнутой системы частиц не может измениться, а общее количество тяжелых частиц в этой совокупности не может уменьшиться. Могут образоваться только пары частиц и античастиц, но это не меняет баріонного заряда и, следовательно, не приводит к уменьшению количества тяжелых частиц. Сохранение баріонного заряда обеспечивает стабильность вещества, то есть невозможность превращения нуклонов, входящих в состав ядра, в легкие частицы и фотоны. Следовательно, закон сохранения баріонного заряда выражает сохранение глубокого качественного различия группы тяжелых частиц от всех других. Если, например, баріонний заряд в системе равна нулю, то частицы с отличным от нуля баріонним зарядом, то есть тяжелые частицы, могут возникать только парами полярно противоположных частиц с положительным и отрицательным баріонними зарядами.

Существование лептонов предопределяет закон сохранение лептонних зарядов. Как и барионы, лептоны являются ферміонами, то есть имеют півцілий спин. Однако они не могут превращаться в барионы в связи с действием закона сохранения баріонного заряда.

Сохранения электрического заряда выражает сохранение особого свойства у частиц создавать электрическое поле. Это свойство могут иметь частицы всех групп, кроме нулевой (фотона). Следовательно, законы сохранения зарядов элементарных частиц выражают сохранение основных качественных различий элементарных частиц. Эти качественные различия могут возникать лишь во взаимных противоположностях, то есть в положительных и отрицательных зарядах, частицах и античастинках т.п., причем абсолютно противоположности тождественные по всем свойствам, кроме знака зарядов в этом случае. Исключением может быть лишь странность, которая в некоторых маловероятных процессах может исчезать или возникать не в паре с зарядом противоположного знака. Однако странность не является универсальной характеристикой, как электрический или баріонний заряды.

Рассмотрим законы сохранения форм движения. Наличие в совокупности частиц общего количества движения или импульса, всегда свидетельствует о поступательном движении этой совокупности как целого. Поэтому сохранение общего импульса системы выражает сохранение поступательной формы движения материи. Это справедливо не только для совокупности элементарных частиц, но и для любых полей. Сохранения импульса можно рассматривать также как следствие инвариантности (неизменность) законов природы относительно пространственных перемещений.

Наличие общего момента количества движения, в том числе и в электромагнитного поля, всегда свидетельствует (иногда в скрытом виде) о вращательное движение. Закон сохранения общего момента количества движения системы выражает сохранение вращательной формы движения материи. Этот закон можно рассматривать как следствие инвариантности законов природы относительно пространственных поворотов.

Наконец, закон сохранения общей энергии системы выражает неуничтожаемость движения во всех его формах, учитывая внешние, скрытые формы движения. Относительное движение частей изолированной системы в процессе взаимопревращений простейших форм материи может уменьшаться и вообще исчезать. Однако закон сохранения энергии не допускает безвозвратной потери движения, а потому важны обратные процессы, в которых потерян движение возобновится. Если движение какой простейшей формы материи исчез вместе с этой формой, в результате взаимопревращения, то по закону сохранения энергии он возникнет при обратном преобразовании. Обратные преобразования могут происходить вследствие оборачиваемости всех законов движения простейших форм материи. В сохранении энергии простейших форм выражается невозможность каких-либо преобразований одной формы материи в другую без изменения движения и невозможность возникновения новых форм движения без качественных преобразований материи из одной формы в другую. Действительно, образование новых элементарных частиц всегда связано с потерей кинетической энергии относительного движения частиц (энергия поступательного движения системы как целого при этом не изменится). И наоборот, в процессах исчезновения или рождения частиц кинетическая энергия относительного движения увеличится. При этом возникнут или исчезнут новые движущиеся частицы (поля), т.е. новые формы движения материи.

По закон сохранения общей массы системы, то его можно рассматривать как формальное следствие закона сохранения общего импульса

и общей энергии

системы. Следует отметить, что толкование законов сохранения материи и движения в микромире не противоречит конкретной форме этих законов, открытых Г. В. Ломоносовым, Г. Майером, Г. Гельмгольцем и другими природодослідниками результате обобщения основных законов дорелятивістської физики. Они не противоречат также общей философской интерпретации этих законов.

Следовательно, сделанные за последнюю четверть XX в. фундаментальные открытия в физике элементарных частиц экспериментально обосновывающих общий закон взаємоперетворюваності всех простейших форм материи. Этот закон является основой принципиально новой атомистики - атомистики элементарных частиц и утверждает одно из основных положений диалектического материализма о единстве материального мира. Закон взаємоперетворюваності простейших форм материи по-новому раскрывает взаимосвязь материи и движения, а также содержание законов сохранения простейших форм материи. Его можно рассматривать как общий закон сохранения и превращения материи, который можно сформулировать так: материя при любых преобразованиях не исчезает и не возникает, она лишь превращается из одной формы в другую. Любая простейшая форма материи в соответствующих условиях может быть преобразована в любую другую простейшую форму.