Техника - молодёжи 1958-07, страница 15

«ОБЗОР АБСТРАКТНЫХ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИДЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ФИЗИКАМИ ДЛЯ ОБЪЯСНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕГО НАС МИРА. ЭТИ ИДЕИ ПОМОГАЮТ ОБНАРУЖИТЬ НЕКОТОРЫЙ ПОРЯДОК СРЕДИ МНОГОЧИСЛЕННЫХ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ».

ЧАСТИЦЫ

мосвязь является венцом атомной теории. Теория дает объяснение поведению электронов в электромагнитном поле, допуская, что каждый электрон непрерывно испускает и поглощает фотоны. Такие пульсации являются «процессом жизнедеятельности» электрона и служат тем способом, посоедст-вом которого поле и электроны оказывают силовое действие друг на друга.

Мы хотели бы подчеркнуть в этом месте, что все, что здесь было сказано, это, пожалуй, не более чем наименование теории. В квантовой механике теория представляет собой систему математических уравнений, которые при заданных взаимодействующих частицах и связях между ними позволяют предсказать со всеми подробностями поведение этих частиц, определяя вероятность любой возможной реакции между этими частицами. Иногда, в частности, когда связь между частицами очень велика, математический аппарат оказывается весьма сложным. В этом случае теория дает очень немного. Но, во всяком случае, в квантовой электродинамике математический аппарат вполне доступен, и эта чрезвычайно красивая теория успешно предсказала результаты всех фундаментальных атомных экспериментов, по крайней мере с такой же точностью, с какой эти эксперименты могли быть проведены.

Основная «реакция» квантовой электродинамики, реакция, в которой электрон испускает и поглощает фотон, служит примером того, что называют виртуальным (возможным) процессом, Это представление, которое используется по отношению ко всем элементарным частицам, характерно для квантовой теории. Оно подразумевает очевидное нарушение закона сохранения энергии. Чтобы понять это, нужно помнить, что фотон тоже обладает энергией; таким образом, когда электрон спонтанно (самопроизвольно) испускает фотон, то кажется, что полная энергия системы неожиданно возрастает. Квантовая теория дает разъяснение этому обстоятельству, которое сводится к тому, что фотон испускается и вновь поглощается столь быстро, что этот выигрыш в энергии не может быть

ffh

никак обнаружен, даже в принципе. Вот почему такие процессы носят название виртуальных. Если такой фотон не может быть обнаружен, то закон сохранения энергии фактически не нарушается, потому что согласно основным положениям квантовой механики ее законы приложимы только к наблюдаемым величинам. Если сообщить достаточную энергию извне, то фотоны могут быть превращены из частиц виртуальных в частицы настоящие.

Виртуальные фотоны участвуют во всех взаимодействиях между заряженными телами и электромагнитным полем. Считается,-что положительные протоны также испускают и поглощают виртуальные фотоны. В этом случае, однако, теория уже не столь успешна: ее предсказания для протонов не столь точны, как для электронов.

В некотором важном смысле только что описанная схема была законченной и удовлетворительной. Существование электрона и фотона было достаточно для объяснения всех внешних свойств атома; протон и нейтрон могли объяснить наблюдаемые заряды атомных ядер и, хотя и не очень точно, наблюдаемые массы.

IT/iMiMjaenuujёс

И _ все же оказалось, что частиц гораздо больше. Прежде

всего некоторые дополнительные частицы предсказывает теория электрона Дирака. Хорошо известно, что согласно квантовой теории всякая материальная частица обладает волновыми, а следовательно, и частотными свойствами. Когда было решено волновое уравнение Дирака для электрона, то из этого решения получились как положительные, так и отрицательные частоты. Поскольку частоты в квантовой механике пропорциональны энергии, то трудно было сразу сказать, что означает этот отрицательный ответ. Дирак смог доказать, что, эти частоты должны иметь физический смысл и что они соответствуют электрону с положительным зарядом. Далее, согласно теории, если положительный электрон сталкивается с отрицательным электроном, они взаимно уничтожают друг друга — как говорят, происходит аннигиляция частиц — и их масса превращается в фотоны, обладающие эквивалентным количеством энергии. Наоборот, если удастся сконцентрировать достаточное количество энергии в малом объеме, как это бывает, например, при столкновении двух частиц, обладающих большими скоростями, то возможно образование пары, состоящей из положительного и отрицательного электронов.

Эти замечательные предсказания фактически сделаны не были (хотя они содержались в теории) до тех пор, пока К. Андерсон из Калифорнийского технологического института не обнаружил позитрон. Позитрон обладал массой электрона, а его заряд был равен плюс единице; когда он сталки-пался с отрицательным электроном, оба они аннигилировали.

•ТГ

, - п

Q/J : L

Сложное событиг отражено в схеме, которая наложена на фотографию ряда пузырьков, образованных заряженными частицами в пузырьковой камере с жидким пропаном. Положительный пион распадается на мюон и нейтрино, которое не оставляет следа из пузырьков. Наконец мюон распадается на позитрон и два невидимых нейтрино. По предположению, вместе с К-частицей образуется нейтральная лямбда-частица, но если это так, то она покидает камеру, не успев распасться на заряженные частицы и поэтому не оставив никаких следов (левый рисунок).

Сигма- и К-частицы образуются совместно после удара пиона о протон в пузырьковой камере. Сигма-частица распадается на-пион и невидимый нейтрон. Далее пион ударяет в ядро углерода и образует «звезду» (правый рисунок).

вещество;I поле, ]

ПРОСТРАНСТВО,

время...