Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки

Теперь мы можем высказать гипотезу: при возникновении локальной симметрии, искажающей глобальную симметрию природы, всегда возникают соответствующие поля и связанные с ними силы. К этой гипотезе мы еще вернемся, но прежде обратим внимание на то, что понятие симметрии, позволившее по-новому осознать структуру теории Максвелла и теории относительности, не дает возможности продвинуться в понимании природы элементарных частиц. Для этого нужно идти дальше.

Эйнштейн отлично понимал, что радикальное изменение теории неизбежно. Но главное направление развития физики пошло не по пути развития теории поля, избранному Эйнштейном, а в направлении дальнейшего совершенствования квантовой механики, вероятностный характер которой казался ему сомнительным. Продвигаясь по этому направлению, физики, главным образом это были молодые ученые, добивались одного успеха за другим. Дирак первым объединил принципы квантовой механики с требованиями специальной теории относительности. Наградой ему было предсказание существования новой частицы, имевшей массу электрона и обладавшей зарядом, равным по величине заряду электрона. Это была удивительная частица: знак ее заряда был противоположен знаку заряда электрона. Это был положительный электрон, призрак которого беспокоил еще Эйнштейна. Но этим не ограничивались поразительные свойства новой частицы. Она должна была двигаться навстречу действующей на нее силе. Лишь со временем Дирак понял, что такое свойство может быть присуще только частице с отрицательной массой.

Так в науку вошла первая античастица. Впоследствии выяснилось, что в природе существует еще один тип симметрии: симметрия частиц и античастиц. Каждой частице, имеющей спин, отличный от нуля, соответствует античастица. Античастицы обладают отрицательной массой, равной по величине положительной массе соответствующей частицы. Если частица обладает электрическим зарядом, то ее античастица имеет заряд той же величины, но противоположного знака.

По мере углубления знаний мы убеждаемся, что элементарные частицы обладают многими, ранее неизвестными нам характеристиками. И аналогичными свойствами обладают их античастицы. Все характеристические величины, определяющие свойства элементарных частиц и их античастиц, принято называть их квантовыми числами. Если частица не обладает данной характеристикой, то для нее соответствующее квантовое число равно нулю. Величины, характеризующие микрочастицы, меняются только скачками (квантами). Наименьшая величина такого скачка принята равной 1/2 и может быть как положительной, так и отрицательной. С этим мы уже знакомы.

При встрече частицы с ее античастицей обе они исчезают, аннигилируют, порождая при этом другие частицы. Например, при встрече электрона с его античастицей — позитроном вместо них возникают два фотона. Здесь мы встречаемся с предсказанным теорией относительности слиянием двух законов сохранения — закона сохранения энергии и закона сохранения вещества — в единый закон сохранения. Ведь при аннигиляции электрона и позитрона их масса покоя исчезает (фотоны не имеют массы покоя) и полностью переходят в энергию фотонов. Эта энергия эквивалентна сумме масс покоя аннигилирующих частиц и энергии их движения. Процесс аннигиляции заряженных частиц происходит в полном соответствии с законом сохранения электрического заряда. Например, при аннигиляции электрона и позитрона их заряды исчезают не по отдельности, а вместе. Сумма их зарядов (положительного и отрицательного) в точности равна нулю, равны нулю и заряды рождающихся фотонов. Суммарный заряд остается неизменным — как до аннигиляции заряженных частиц, так и после нее. Сейчас ученым известны не только элементарные античастицы, но и антиатомы, например, атомы антиводорода. Обнаружить эти реалии в природе не удалось — их синтезируют в лаборатории. Ядром атомов антиводорода служит отрицательно заряженный антипротон. Роль электрона в таком атоме играет позитрон.

Двуличность элементарных Частиц

Квантовая механика, созданная для познания свойств микромира, оказалась бессильной ответить на самые насущные вопросы: почему существуют именно такие микрочастицы, какие мы наблюдаем, почему они обладают именно такими, известными нам из опыта, значениями массы и заряда? Теория была вынуждена принять частицы и их характеристики как факт. Затем уже она могла «строить» из них атомы и молекулы, вычислять их свойства, например, закономерности спектров, силы, удерживающие электроны на орбитах и объединяющие атомы в молекулы, и многое другое. В этом смысле квантовой механике присущи черты феноменологической теории, в уравнения которой входят постоянные, определяемые непосредственно из опыта.