Головна ⇒ 📌Довідник с фізики ⇒ Взаємоперетворення елементарних частинок – основа сучасної атомістики

Взаємоперетворення елементарних частинок – основа сучасної атомістики

ФІЗИКА

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

Розділ 18 ФІЗИКА ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

18.7. Взаємоперетворення елементарних частинок – основа сучасної атомістики

На сучасному рівні пізнання мікросвіту підтверджується атомістична картина будови матерії, яку передбачали стародавні філософи. Однак нова атомістика елементарних частинок якісно відрізняється від атомістичних уявлень минулого. Елементарні частинки не є незмінними, найпростішими елементами: вони можуть перетворюватися одна в одну в процесі взаємодії,

народжуватись або поглинатись різними компонентами частинок, що взаємодіють.

Відкриттям антипротона наприкінці 1955 р. встановлено, що не існує будь-яких груп елементарних частинок, які не могли б перетворитись у інші елементарні частинки. Тепер взаємоперетворюваність елементарних частинок можна вважати експериментально встановленим фактом для найпростіших форм матерії. В загальній взаємоперетворюваності елементарних частинок виражена одна з найосновніших властивостей матерії – її здатність перетворюватись із однієї форми в іншу, якісно відмінну.

Усі важкі мезони перетворюються або в π-мезони,

або в π-мезони і пари лептонів (μ-мезони, електрони, нейтрино), або в пари лептонів. У свою чергу, заряджені π-мезони перетворюються в μ-мезони і нейтрино, а μ-мезони далі перетворюються у стабільні електрони і нейтрино; нейтральні π-мезони перетворюються в пари γ-фотонів. Отже, всі без винятку мезони перетворюються в стабільні легкі частинки – позитрони, електрони, нейтрино і γ-фотони.

Дещо інакше перетворюються важкі частинки. Остаточно всі важкі частинки (важчі від протона) перетворюються в стабільні протони, позитрони, електрони, нейтрино і фотони. Електрон, маючи найменшу масу в спектрі мас елементарних частинок, займає найнижчий рівень у ньому, якщо цей спектр вважати подібним енергетичним рівням деякої квантово-механічної системи. Цей рівень стабільний, оскільки переходи можуть відбуватися лише з більш високих рівнів на найнижчий у спектрі рівень. Розпад з цього рівня у фотони, електричний заряд яких дорівнює нулю, заборонено законом збереження електричного заряду. Це відразу приводить до стабільності електрона. Звичайно, пара електрон – позитрон перетворюється у фотони за законом збереження електричного заряду і експериментально спостерігається. Протон у парі з антипротоном також перетворюється у фотони.

Отже, в результаті процесів розпаду і процесів народження всі елементарні частинки можуть перетворюватись у найлегші частинки – нейтрино і фотони. Теоретично також очевидно, що нейтрино і антинейтрино також можуть перетворюватись у фотони. При цьому допускається, виходячи з узагальнень дослідних даних, що всі відомі елементарні частинки мають відповідні античастинки і можуть спонтанно перетворюватись у фотони або частинки, що розпадаються на фотони.

Закон взаємоперетворення елементарних частинок можна сформулювати так: будь-які елементарні частинки можна повністю перетворити у фотони або безпосередньо, або в сукупності з відповідними античастинками. Тут спостерігається також взаємоперетворення частинок і фотонів. При всіх взаємоперетвореннях частинок виконуються всі універсальні закони збереження: енергії (маси), імпульсу, спіну та зарядів (електричного, баріонного і лептонного). До неабсолютних законів збереження належать закони збереження дивності

Та парності. Вони зберігаються для сильних і електромагнітних взаємодій і порушуються у випадку слабких взаємодій. Закон збереження ізотопічного спіну справджується тільки для сильних взаємодій і порушується для електромагнітних і слабких.

Досвід засвідчує, що взаємоперетворення елементарних частинок зумовлене законами збереження, які не допускають довільних реакцій. Проте завжди можна підібрати ланцюг реакцій, за допомогою яких можна перетворити один вид частинок і античастинок в інші. Матерія у своїх найпростіших формах може перетворюватись із однієї форми в будь-яку іншу, якісно відмінну, але можливість перетворення окремих найпростіших форм обмежується законами збереження. Вони виражають незнищуваність різних атрибутів матерії.

Закони збереження, що мають місце в процесах взаємоперетворення найпростіших форм матерії, якісно різняться між собою. Деякі закони виражають кількісне збереження різних форм руху (збереження імпульсу, енергії і моменту кількості руху). Друга група законів виражає збереження основних якісних відмінностей різних найпростіших форм матерії (збереження електричного, баріонного і лептонного зарядів). Нарешті, важливе значення при взаємоперетвореннях елементарних частинок має закон збереження загальної маси системи.

Наприклад, баріонний заряд замкненої системи частинок не може змінитися, а загальна кількість важких частинок у цій сукупності не може зменшитись. Можуть лише утворитися пари частинок і античастинок, але це не змінює баріонного заряду і, отже, не приводить до зменшення кількості важких частинок. Збереження баріонного заряду забезпечує стабільність речовини, тобто неможливість перетворення нуклонів, що входять до складу ядра, в легкі частинки і фотони. Отже, закон збереження баріонного заряду виражає збереження глибокої якісної відмінності групи важких частинок від усіх інших. Якщо, наприклад, баріонний заряд у системі дорівнює нулю, то частинки з відмінним від нуля баріонним зарядом, тобто важкі частинки, можуть виникати лише парами полярно протилежних частинок з позитивним і негативним баріонними зарядами.

Існування лептонів зумовлює закон збереження лептонних зарядів. Як і баріони, лептони є ферміонами, тобто мають півцілий спін. Проте вони не можуть перетворюватись у баріони у зв’язку з дією закону збереження баріонного заряду.

Збереження електричного заряду виражає збереження особливої властивості у частинок створювати електричне поле. Цю властивість можуть мати частинки всіх груп, крім нульової (фотона). Отже, закони збереження зарядів елементарних частинок виражають збереження основних якісних відмінностей елементарних частинок. Ці якісні відмінності можуть виникати лише у взаємних протилежностях, тобто у позитивних і негативних зарядах, частинках і античастинках тощо, причому протилежності абсолютно тотожні за всіма властивостями, крім знака зарядів у цьому випадку. Винятком може бути лише дивність, яка в деяких малоймовірних процесах може зникати або виникати не в парі із зарядом протилежного знака. Проте дивність не є універсальною характеристикою, як електричний чи баріонний заряди.

Розглянемо закони збереження форм руху. Наявність у сукупності частинок загальної кількості руху, або імпульсу, завжди свідчить про поступальний рух цієї сукупності як цілого. Тому збереження загального імпульсу системи виражає збереження поступальної форми руху матерії. Це справедливо не лише для сукупності елементарних частинок, а й для будь-яких полів. Збереження імпульсу можна розглядати також як наслідок інваріантності (незмінності) законів природи відносно просторових переміщень.

Наявність загального моменту кількості руху, в тому числі і в електромагнітного поля, завжди свідчить (інколи в прихованому вигляді) про обертальний рух. Закон збереження загального моменту кількості руху системи виражає збереження обертальної форми руху матерії. Цей закон можна розглядати як наслідок інваріантності законів природи відносно просторових поворотів.

Нарешті, закон збереження загальної енергії системи виражає незнищуваність руху в усіх його формах, ураховуючи зовнішні, приховані форми руху. Відносний рух частин ізольованої системи в процесі взаємоперетворень найпростіших форм матерії може зменшуватися і взагалі зникати. Однак закон збереження енергії не допускає безповоротної втрати руху, а тому важливі зворотні процеси, в яких втрачений рух відновиться. Якщо рух якоїсь найпростішої форми матерії зник разом із цією формою в результаті взаємоперетворення, то за законом збереження енергії він виникне при зворотному перетворенні. Зворотні перетворення завжди можуть відбуватися внаслідок оборотності всіх законів руху найпростіших форм матерії. У збереженні енергії найпростіших форм виражається неможливість будь-яких перетворень однієї форми матерії в іншу без зміни руху і неможливість виникнення нових форм руху без якісних перетворень матерії з однієї форми в іншу. Справді, утворення нових елементарних частинок завжди пов’язане з втратою кінетичної енергії відносного руху частинок (енергія поступального руху системи як цілого при цьому не зміниться). І навпаки, в процесах зникнення або народження частинок кінетична енергія відносного руху збільшиться. При цьому виникнуть або зникнуть нові рухомі частинки (поля), тобто нові форми руху матерії.

Щодо закону збереження загальної маси системи, то його можна розглядати як формальний наслідок закону збереження загального імпульсу

І загальної енергії

Системи. Слід зазначити, що тлумачення законів збереження матерії і руху в мікросвіті не суперечить конкретній формі цих законів, відкритих М. В. Ломоносовим, Р. Майєром, Г. Гельмгольцем та іншими природодослідниками внаслідок узагальнення основних законів дорелятивістської фізики. Вони не суперечать також загальній філософській інтерпретації цих законів.

Отже, зроблені за останню чверть XX ст. фундаментальні відкриття у фізиці елементарних частинок експериментально обгрунтовують загальний закон взаємоперетворюваності всіх найпростіших форм матерії. Цей закон є основою принципово нової атомістики – атомістики елементарних частинок і стверджує одне з основних положень діалектичного матеріалізму про єдність матеріального світу. Закон взаємоперетворюваності найпростіших форм матерії по-новому розкриває взаємозв’язок матерії і руху, а також зміст законів збереження найпростіших форм матерії. Його можна розглядати як загальний закон збереження і перетворення матерії, який можна сформулювати так: матерія при будь-яких перетвореннях не зникає і не виникає, вона лише перетворюється із однієї форми в іншу. Будь-яка найпростіша форма матерії у відповідних умовах може бути перетворена повністю в будь-яку іншу найпростішу форму.