Законы сохранения. Правила отбора физики микромира

Сегодня физика представляет собой комплекс дисциплин, объединенных идеей сохранения фундаментальных физических величин.

Идея сохранения первоначально возникла в античности как чисто философская догадка о существовании постоянного, неизменного начала при наличии внешне разнообразных изменений, происходящих в мире. Она сформировалась в понятиях неуничтожимой и несотворимой материи и вечного движения.

Законы сохранения - это физические законы, утверждающие постоянство во времени физических величин, относящихся к изолированной системе, т.е. к системе, взаимодействием которой с другими системами можно пренебречь.

Важнейшие законы сохранения универсальны, т.е. справедливы для любых изолированных систем. Это законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического, барионного и лептонного зарядов.

Рассмотрим кратко некоторые из них.

Идея неуничтожимости и несотворимости материи и вечного движения в ХIХ веке была сформулирована в виде закона сохранения массы и энергии. Дальнейшая эволюция этих законов сохранения связана с открытием теории относительности.

Согласно этой теории, инертная масса тела зависит от ее скорости. Она характеризует не только количество материи, но и ее движения. Соответственно сохраняется так называемая полная энергия Е. Полная энергия Е обобщает понятия кинетической энергии классической механики. Полная энергия Е связана с массой соотношением Эйнштейна: Е=Мс2.

Таким образом, закон сохранения энергии в теории относительности объединяет законы сохранения массы и энергии классической механики.

Утверждение о сохранении энергии не зависит ни от формы, в которой она проявляется (механическая, тепловая, электромагнитная, ядерная и т.д.), ни от конкретной системы, к которой она относится (элементарные частицы, макроскопические тела, звезды, галактики и т.д.). Такая универсальность делает законы сохранения важной составной частью любой физической теории и полезным инструментом при исследовании новых явлений.

Столкнувшись с кажущимся нарушением какого-либо закона сохранения, современная физика тщательно анализирует возможные альтернативные объяснения этого явления, прежде чем отказаться от закона сохранения. Например, именно на таком пути в 1931 г. было предсказано существование нейтрино как альтернатива несохранению энергии при b-распаде.

Дж. Чедвик в 1914 г. обнаружил, что электроны, испускаемые при b-распаде атомных ядер, имеют непрерывный энергетический спектр. Это явление находилось в явном противоречии с теорией квантов, требовавшей, чтобы при квантовых переходах между стационарными состояниями ядер выделялась дискретная порция энергии (постулат Н. Бора). Поскольку при испускании a-частиц и g-квантов это требование выполнялось, возникло предположение, что при b-распаде нарушается закон сохранения энергии.

В 1930 году Паули высказал гипотезу о существовании электрически нейтральной, сильно проникающей частицы, которая испускается при b-распаде вместе с электроном. Она получила название нейтрино.

Все законы сохранения почерпнуты из опыта. Все они являются обобщением и количественной формулировкой эмпирически найденных закономерностей. Квантовая физика, в частности физика атома и элементарных частиц, дала новый класс таких закономерностей – правил отбора. Они есть строгие и приближенные. Их специфика состоит в том, что на опыте совсем не наблюдаются или наблюдаются с малой вероятностью некоторые реакции и переходы, не запрещаемые никакими уже известными физическими принципами или законами сохранения. В связи с этим и выдвигается новый закон сохранения (точный или справедливый лишь для некоторых типов взаимодействий), запрещающий такие реакции. Таково происхождение, в частности, законов сохранения барионного и лептонного зарядов, странности, изотопического спина, “очарования” и др.

Рассмотрим для примера суть законов сохранения барионного заряда, лептонного заряда и изотопического спина.

Барионный заряд, или говорят барионное число, обозначается символом В. Это одна из внутренних характеристик элементарных частиц, отличная от нуля для барионов и равная нулю для всех остальных частиц.

Барионы – это группа “тяжелых” элементарных частиц с массой, не меньше массы протона. К барионам относятся нуклоны (протон и нейтрон), гипероны и барионные резонансы – это короткоживущие возбужденные состояния барионов. Единственный стабильный барион – это протон. Все остальные барионы нестабильны, и путем последовательных распадов превращаются в протон и легкие частицы, т.е. частицы, масса которых значительно меньше массы протона.

Барионный заряд барионов полагают равным единице. Барионный заряд антибарионов равен минус единице. Барионный заряд системы частиц равен разности между числами барионов и антибарионов в системе. В любом процессе, т.е. при всех видах взаимодействия элементарных частиц (сильном, электромагнитном и слабом), выполняется закон сохранения барионного заряда. Этот закон гласит: разность между числом барионов и антибарионов в любых реакциях остается неизменной.

Точность сохранения барионного заряда характеризуется стабильностью протона. Экспериментальное время жизни его превышает 1030лет.

Лептонный заряд или лептонное число – это особое квантовое число, характеризующее лептоны. Обозначается буквой L. Лептоны – это класс элементарных частиц, не обладающих сильным взаимодействием. Это означает, что лептоны участвуют лишь в электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях. К лептонам относятся электрон, мюон, тяжелый лептон /t/, нейтрино и соответствующие им античастицы.

Введение лептонного заряда позволяет простейшим образом интерпретировать установленный на опыте закон сохранения числа лептонов. Согласно этому закону, разность числа лептонов и числа антилептонов в замкнутой системе остается постоянной при любых происходящих в системе процессах.

Ни одного случая нарушения закона сохранения лептонного заряда не обнаружено. Однако точность, с которой проверен этот закон, невелика. Поэтому не исключено, что закон сохранения лептонного заряда является приближенным и в определенных условиях нарушается.

Если бы этот закон оказался нестрогим, то могли бы существовать переходы между нейтрино и антинейтрино в вакууме.

Лептонный заряд, в отличие от электрического заряда, с точки зрения современных данных не является источником какого-либо дальнодействующего поля.

Роль лептонного заряда в физике элементарных частиц полностью еще не раскрыта.

Рассмотрим теперь суть закона сохранения изотопического спина.

Существующие в природе частицы, обладающие сильным взаимодействием, называются адронами. Их можно разбить на группы “похожих” частиц. В каждую такую группу входят частицы с примерно равными массами и одинаковыми внутренними характеристиками. Исключением является электрический заряд, а, следовательно, и магнитный момент.

Такие группы адронов называются изотопическими мультиплетами. Оказывается, что сильное взаимодействие для всех частиц, входящих в один и тот же изотопический мультиплет, одинаково, т.е. не зависит от электрического заряда. В этом и состоит симметрия сильного взаимодействия, которая называется изотопической инвариантностью.

Простейшим примером частиц, которые могут быть объединены в один изотопический мультиплет, являются протон и нейтрон. Опыт показывает, что сильное взаимодействие протона с протоном, нейтрона с нейтроном и протона с нейтроном одинаково, если они находятся в одинаковых состояниях.

Протон и нейтрон рассматриваются как два разных зарядовых состояния одной частицы – нуклона. Они образуют изотопический дублет. П-мезоны (П+, П-, По) образуют изотопический триплет и т.д. Величина J, определяющая число частиц в изотопическом мультиплете, называется изотопическим спином. Число же частиц в изотопическом мультиплете определяется формулой: n = 2J + 1.

Переход от одной частицы к другой из того же изотопического мультиплета не меняет величины изотопического спина.

Изотопический спин сохраняется в сильном взаимодействии.

Открытие приближенных, не универсальных законов сохранения привело к исследованию точности, с которой установлены на опыте законы сохранения. Например, проверка закона сохранения электрического заряда состояла в поисках запрещенного только этим законом распада электрона на нейтрино и g-квант.

За несколько месяцев наблюдений за электронами атомов йода в кристалле NaJ не произошло ни одного распада. Это соответствует тому, что электрон не теряет своего заряда по крайней мере за 3,5х10²³ лет.

Аналогично, закон сохранения барионного заряда проверялся в поисках запрещенного только им распада протона на П+-мезон и g-квант. Здесь точность еще выше: протон не теряет барионного заряда минимум 10³⁰ лет. На опыте не наблюдалось ни одного перехода, нарушающего закон сохранения лептонного заряда.

Физическая теория связывает каждый закон сохранения с фундаментальным принципом симметрии. Так, закон сохранения энергии связан с однородностью времени, а импульса – с однородностью пространства, т.е. с тем свойством пространства, что начало отсчета в нем можно выбирать произвольно. Это означает, что никакие физические эффекты не зависят от такого выбора. Аналогично с произвольностью выбора пространственных осей, т.е. отсутствием выделенных направлений в пространстве, связан закон сохранения момента импульса. Экспериментальная проверка этих законов сохранения есть проверка соответствующих фундаментальных свойств симметрии пространства-времени.

Другие универсальные законы сохранения – электрического, барионного и лептонного зарядов – связаны не со свойствами симметрии пространства-времени, в котором находятся частицы, а с внутренними симметриями самих частиц.