Квантовая механика показала, что и в микромире справедливы все
законы сохранения, открытые для мира больших тел (хотя голоса сомнений в
этом звучали далее в кабинетах корифеев). Вместе с тем в микромире
выявились новые законы сохранения, такие, например, как сохранение
«барионного заряда» и «лептонного заряда».
Барионами называются самые тяжелые элементарные частицы —
протоны, нейтроны, гипероны и их античастицы; все они, за исключением
протона и антипротона, распадаются сами собой и превращаются в конце
концов в протоны, то есть снова в барионы; это одно из проявлений закона
сохранения числа барионов или барионного заряда. главке «Почерк
природы» мы говорили, что благодаря этому закону частицы, из которых
состоят все тела, никогда не смогут полностью превратиться в электроны и
нейтрино.
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. |
