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.
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