Техника - молодёжи 1958-07, страница 14

М. ГЕЛЛ-МАНН и Е. РОЗЕНБАУМ

Рис Д. СМИРНОВА и Б. БОССАРТА

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ

„Не существует совершенной красоты, ноторая не содержала бы в себз не нот ору ю долю странности"

Ф. БЭКОН

Зтот афоризм справедлив и для науки. Но является ли столь обязательным для красоты изобилие странности? В течение многих лет странность омрачала одну из основных областей деятельности физиков — исследование природы вещества. Когда физик обращался к рассмотрению вещества в малых масштабах, то оно казалось беспорядочным набором элементарных частиц. Никаких простых и закономерных взаимоотношений между этими частицами не обнаруживалось. Лишь теперь картина стала чуть-чуть проясняться. Само слово «странность» успело войти в лексикон физиков, но «доля» странности уменьшилась настолько, что через странность уже начинает проступать красота порядка.

Новые закономерности лучше всего могут быть оценены, если начать с того хаотического положения, при котором они возникли. Для того чтобы начать наш рассказ, мы должны вернуться на тридцать лет назад, к одному из наиболее триумфальных периодов в истории науки. Теория атома в основном была завершена: почти все свойства нормального вещества могли быть получены математически, рассмотрением движения отрицательно заряженных электронов вокруг положительно заряженных ядер. Большинство проблем, которые физика и химия пытались разрешить в течение предыдущих веков, было, по крайней мере в принципе, разрешено. Физики приступили' к попыткам проникновения в недра атомных ядер.

Здесь-то и начались их неприятности. Весьма скоро обнаружилось, что ядра состоят из протонов и нейтронов, но объяснить ядерные свойства только через поведение этих составляющих частиц невозможно. Фактически мы до сих пор не знаем, что представляет собой их движение. Далее выяснилось, что при разрушении атомов возникают совершенно новые типы вещества — озадачивающее многообразие частиц с весьма малым временем жизни; эти частицы, очевидно, не содержатся в обычном материале, образующем атом. Некоторые из этих частиц могли иметь разумное объяснение уже в тот момент, когда они были обнаружены, но остальные только недавно включены в общую картину природы. Эти последние частицы получили название «странных» частиц..

ее

Однако мы снова забежали вперед. Нам следует начать примерно с 1932 года, когда в атомной драме действующих персонажей было только четверо: электрон, протон, нейтрон и фотон. Первые три частицы являются кирпичиками атомов — протоны и нейтроны в ядрах, электроны в пространстве около ядер. Фотон является квантовой единицей излучения, иными словами, строительным кирпичиком электромагнитного поля.

Фотон всегда движется со скоростью света (обозначаемой обычно буквой «с») и не может находиться в покое. Вследствие движения фотон обладает энергией и, следовательно, обладает также массой согласно знаменитому соотношению Эйнштейна между энергией и массой Е = тс². Но масса фотона существует только благодаря движению. Электрон, протон и нейтрон, напротив, могут находиться в покое. Каждая из этих частиц обладает массой покоя, а следовательно, и соответствующей энергией покоя (находясь в движении, они согласно тому же соотношению, естественно, вместе с дополнительной энергией приобретают и дополнительную массу).

Электрон обладает наименьшей массой покоя, то есть является самой легкой частицей; его масса является основной единицей массы в физике элементарных частиц. Величина от

рицательного заряда электрона точно так же является основной единицей электрического заряда. В этих единицах масса протона равна 1836,1, а заряд равен плюс единице. Нейтрон имеет массу около 1838,6 и заряд, равный нулю (то есть он не заряжен). Фотон, как мы уже указывали, массы покоя иметь не может; он не обладает также и зарядом, хотя и является носителем электромагнитной энергии.

Все эти частицы вращаются вокруг своих осей, и те из них, которые заряжены, в силу этого вращения становятся крошечными магнитиками. Согласно законам квантовой механики вращение имеет определенную величину, характеризующую частицу. В системе единиц, принятых в квантовой теории, характеристическое вращение (спин) электрона, протона и нейтрона равно половине некоей величины, принято говорить, что их спин равен V2. Спин фотона равен целой единице.

Однако есть и еще ограничения, касающиеся вращательного движения этих частиц. Если эти частицы являются магнитиками, то на них оказывают действие внешние магнитные поля. Согласно той же квантовой механике ось вращения каждой частицы может принимать только несколько определенных направлений относительно приложенного внешнего поля. Частица со спином Уг может принимать только два положения; ось вращения может быть направлена по полю или против поля. Частица со спином 1 может принимать только три положения: ось вращения может быть направлена по полю, перпендикулярно ему или против поля.

Вращающаяся ядерная частица может занимать только строго определенное положение по отношению к внешнему магнитному полю (тонкие стрелки снизу вверх). Частицы, спин которых равен I/» некой условной величины, в зависимости от направления вращения располагаются своими осями или по направлению поля, или против него (верхние рисунки). Частицы, спин которых равен 1 условной величины (нижние рисунки), могут вращаться вдоль, против и поперек поля.

Другим важным свойством частиц, связанным со спином, является их «статистика». Электроны, протоны и нейтроны (и все другие частицы, обладающие спином У2) подчиняются знаменитому принципу запрета, который говорит о том, что только одна частица данного сорта может занимать определенное квантовое «состояние». Так, например, может быть только один электрон, вращающийся в определенном направлении и в то же самое время совершающий свое обращение вокруг ядра по заданной орбите. О частицах, удовлетворяющих этому правилу запрета, говорят, что они подчиняются статистике Ферми — Дирака и соответственно называются фермиона-м и. Частицы, подобные фотону (и все другие частицы, обладающие целочисленным спином), не удовлетворяют принципу запрета. Они подчиняются статистике Бозе— Эйнштейна и называются бозонами.

До сих пор мы говорили главным образом об изолированных частицах. Но, как это оказывается с нарастающей очевидностью, все частицы «связаны» между собой: когда они сближаются достаточно тесно, то начинают взаимодействовать различными способами. Первая такая связь была установлена и изучена для случая электрона и фотона. Именно эта взаи-

ю