Рис. 12. У большинства элементарных частиц есть спин.

рона объяснимы только тем, что он вращается вокруг своей оси.

Но электрон нельзя считать телом с опреде­ленными размерами и определенной формой. Вращение электрона во­круг своей оси совсем не то же самое, что вращение тела с опре­деленными размерами и формой.

Для этого свойства электрона придумали специальное название — «спин». Спином обладают также протоны, ней­троны и многие другие из элементарных ча­стиц. Такую частицу следует представлять себе как волчок, который может вращаться вокруг своей оси по часовой стрелке или против ее на­правления (рис. 12). Но есть частицы и не обла­дающие спином. Таковы, например, пи-мезоны.

ЧАСТИЦЫ И АНТИЧАСТИЦЫ

Мы уже говорили о позитроне. Эта частица очень похожа на электрон, но только «вывер­нутый наизнанку». Если то или иное свойство частицы можно выразить числом, то величины этих чисел у электрона и позитрона всегда точно одинаковы. Но если у числа может быть

знак (положительный или отрицательный), то у электрона и позитрона эти знаки обязательно противоположны. Масса электрона ничем не отличается от массы позитрона — масса ведь не может быть отрицательной. Электрический заряд у электрона отрицательный, у позитро­на — положительный, но величины зарядов равны. Позитрон во всем, в чем только возмож­но, противоположен электрону. Его можно бы было назвать «противоэлектроном» или, по-гре­чески, «антиэлектроном».

Теоретическая физика предсказала и суще­ствование позитрона, и то, что у других частиц тоже должны быть античастицы, у которых те же свойства, только с обратным знаком. Это предсказание блестяще подтвердилось, когда были открыты антинуклоны, т. е. антипрото­ны и антинейтроны.

Частица и античастица похожи и в то же время не похожи друг на друга, как перчатки с правой и левой руки или как предмет и его зеркальное отображение. Но ведь бывают сим­метричные предметы: гладкий шар, например, невозможно отличить от его зеркального отоб­ражения. Нечто подобное существует и в мире элементарных частиц. Известны две симметрич­ные частицы: фотон (световой квант) и нейт­ральный пи-мезон. У них нет античастиц, или, точнее, каждая из них совпадает со своей анти­частицей. У всех остальных известных ученым частиц есть «зеркальные отображения» — ан­тичастицы.

На переднем крае науки

В г. Дубне, под Москвой, где нахо­дится Объединенный институт ядер­ных исследований, летом 1964 г. со­стоялась международная конференция по физике высоких энергий. На ней обсуждались самые последние идеи в физике элементарных частиц, то, что еще окончательно не доказано, о чем сейчас еще спорят. Особое вни­мание участников конференции было привлечено к вопросу о том, как свой­ства частиц связаны со свойствами самого пространства и времени. Было рассказано о некоторых опытах, в ко­торых как будто «правое» отличалось от «левого» независимо от разницы между частицей и ее античастицей. Подтверждение этих опытов будет означать «нарушение временной чет­ности» и, быть может, приведет к из­менению наших взглядов на самые основные свойства пространства и времени.

Рассматривался вопрос о системе элементарных частиц. В последние годы физики открыли много частиц с очень коротким временем «жизни». Такие частицы, распадающиеся едва лишь они успели образоваться, назы­вают резонансными частицами или просто «резонансами» . Недавно счи­тали, что существует 30 разных видов частиц, теперь число их вместе с ре­зонансными оказалось уже больше 100. Чтобы навести порядок в этом множестве частиц, стараются уло­жить их в систему, которая бо­лее или менее напоминает периодиче­скую систему химических элементов Менделеева. И подобно тому как Менделеев с помощью системы эле­ментов предсказал свойства еще тогда неизвестных элементов, новая си­стема элементарных частиц позволила предсказать свойства частицы «оме­га минус» . Предположение потом

уже подтвердилось на опыте. В этой системе считается, что целый ряд элементарных частиц — это возбуж­денные состояния одной по существу частицы, которые можно уподобить возбужденным состояниям атома. Не­которые теоретики делают отсюда до­вольно неожиданный вывод, что нет глубокой разницы между такой заве­домо сложной частицей, как атом, и такими, казалось бы, «простыми», как элементарные частицы. Эти уче­ные предлагают вообще отказаться от названия «элементарные» и назы­вать эти частицы фундаментальными, т. е. основными. Но решение этих вопросов — дело будущего.

Как мы уже говорили, всякое число, у кото­рого может быть положительный или отрица­тельный знак, должно иметь противоположные знаки для частиц и античастиц. Теория приво­дит к еще более поразительному выводу. Ока­зывается, сами частицы и античастицы ведут себя подобно положительным и отрицательным числам в алгебре: прибавить античастицу — это то же самое, что отнять частицу. В алгебре сложение положительного и отрицательного чисел равной величины дает в результате нуль. Подобно этому частица с античастицей при столкновении как бы уничтожаются, или, как говорят, аннигилируют.

Слово «уничтожаются» надо понимать в том смысле, что после столкновения не остается частиц того же вида. Но ни масса, ни энергия частицы и античастицы не исчезают. В резуль­тате аннигиляции образуются более легкие частицы, уносящие с собой всю энергию, кото­рая была скрыта в первоначальных частицах. Энергия, выделяющаяся при аннигиляции, гро­мадна. Это самый мощный источник энергии, известный науке. Если бы удалось поставить его на службу человеку, то он был бы в тысячи раз мощнее атомной или водородной бомбы при том же весе вещества, дающего энергию.

Очень интересно фантазировать о том, суще­ствует ли где-нибудь во Вселенной антивеще­ство. Быть может, есть целые «антимиры», по­строенные целиком из антивещества. Если даже мы их и видим, все равно не можем отличить «мир» от «антимира»: ведь свет состоит из фото­нов, а фотон ничем не отличается от «анти­фотона».

«Антимир» должен быть зеркальным отра­жением нашего мира, и если то, что у нас серд­це слева, не простая случайность, у «антилю­дей» сердце должно быть справа. Вместо элект­ронов в «антимире» — позитроны, вместо нук­лонов — антинуклоны, но жители «антимира» не могут этого заметить. Они могли бы понять, что они «антилюди», если их «антимир» столк­нулся бы с нашим миром, а тогда произошел бы взрыв колоссальной силы. Все это пока лишь фантазия: антивещество, несомненно, сущест­вует, но, насколько оно распространено в при­роде, наука еще не знает.

Отдельные античастицы образуются при столкновении частиц, обладающих очень высо­кой энергией. Чем тяжелее античастица, тем более высокая энергия нужна, чтобы ее полу­чить. Прежде всего ученые обнаружили лег­кую античастицу — позитрон. Ее удалось наб­людать в космических лучах. Теперь физики

научились получать различные античастицы, вплоть до самых тяжелых — антигиперонов. Для этого ударяют из мощного ускорителя потоком частиц по какой-либо мишени. При этом античастицы рождаются всегда попарно с частицами. Образующиеся античастицы очень быстро аннигилируют с окружающим вещест­вом, но физики успевают заметить их по сле­дам, которые те оставляют на фотографической пластинке.

К сожалению, современная техника еще бесконечно далека от возможности получить практически измеримое количество антивеще­ства. Тем более неясно, как можно было бы отделить античастицы от рождающихся вместе с ними частиц. Если бы у нас в руках было антивещество, возникла бы интересная и не­легкая задача: сохранить его от аннигиляции с обычным веществом. Для решения этой зада­чи можно уже теперь указать разумные пути.

«ОТШЕЛЬНИКИ» И «ОБЩЕСТВЕННИКИ»

Мы ознакомились с некоторыми подразде­лениями в мире элементарных частиц: частицы и античастицы, барионы, мезоны и лептоны. Физики разделяют частицы еще на две важные группы.

Частицы первой группы называются ферми-частицами или фермионами (по имени ученого Энрико Ферми, который объяснил их свойства). Это «частицы-отшельники»: в группе таких частиц в определенном состоянии может находиться толь­ко одна частица. К ферми-частицам относятся все внутриатомные частицы: электроны и нуклоны (протоны и нейтроны). Все это «частицы-волч­ки», т. е., выражаясь по-ученому, они обладают спином. Два электрона не могут вращаться в атоме по одной и той же орбите и с одинако­вым направлением спина (этот закон называ­ется принципом Паули). Это и значит, что электроны относятся к ферми-частицам¹.

Иногда приходится иметь дело с большим количеством ферми-частиц, свободно движущих­ся в пространстве. Они образуют своего рода газ, который называется ферми-газом. Частицы в таком газе не могут двигаться с одинаковой скоростью, т. е. иметь одинаковую энергию. Тогда бы они находились в одинаковом состоя­нии, что для ферми-частиц «запрещено».

¹ Иногда то же самое выражают определением: «Электроны подчиняются статистике Ферми—Дирака».

270