Э. Парселл - Электричество и магнетизм, страница 5

Если два небольших заряженных тела Л и В, расположенных на некотором расстоянии друг от друга, отталкиваются и если А притягивает некоторое третье наэлектризованное тело С, то мы всегда обнаружим, что В тоже будет притягивать С. Причина существования этого универсального свойства в точности неизвестна. Но современные физики склонны рассматривать положительный и отрицательный заряды в основном как противоположные проявления одного качества, так же как понятия <правое» и «левое» являются противоположными проявленяями свойства симметрии. Действительно, вопрос симметрии, включающий понятия правого и левого, представляется тесно связанным с этой двойственностью электрического заряда, а также с другой фундаментальной симметрией, а именно с двумя направлениями времени. Физика элементарных частиц проливает некоторый свет на эти вопросы.

>в Тот заряд, который мы называем отрицательным, можно было бы с тем же успехом назвать положительным и наоборот. Выбор названия был исторической случайностью. Наша Вселенная представляет собой хорошо уравновешенную смесь положительных и отрицательных электрических зарядов, что не удивительно, поскольку одинаковые заряды отталкиваются. Для понимания электрического строения вещества существенны два известные свойства э.чектрического заряда: заряд сохраняется и заряд квантуется. Эти свойства относятся к количеству заряда и, следовательно, означают возможность его измерения.

В этой главе мы точно определим, как можно измерить заряд, пользуясь понятием силы, действующей между зарядами, помещенными на определенном расстоянии друг от друга и т. д. Но пока будем считать это известным н рассмотрим вышеупомянутые фундаментальные факты. 1.2. Сохранение заряда Полный заряд изолированной системы представляет собой величину, которая никогда не изменяется.

Под изолированной мы понимаем такую систему, через границы которой не может проникнуть никакое другое вещество. Свет может входить и выходить из системы, не нарушая этого принципа, так как фотоны не несут зарядов. Например, в тонкостенном ящике, помещен- ном в вакууме и подвергающемся деист-,>„"Фч, вию гамма-лучей, можно наблюдать создание пары — отрицательного и положительного электронов, прн котором фотон с высокой энергией прекращает свое суще- ствование 1рнс. 1.1). Произошло создание двух новых электрически заряженных частиц, но изменение полного заряда вну- тои и снаружи ящика равно нулю. Закон сохранения заряда был бы нарушен в случае создания положительно заряженной частицы без одновременного создания отрицательно заряженной. Такое явление е- '«е" 19 >7»с«г никогда не наблюдалось.

Конечно, если бы электрические заряды ци 'го~«»аются парами с равэлектрона и позитрона не были в точности равны по величине,то создание нары нарушило бы строгий закон сохранения заряда. Но опыт показывает, что их заряды равны. Интересную экспериментальную проверку этого равенства дает атомная система, называемая позитроннем. Она состоит из электрона и позитрона. Этот любопытный «атом» может существовать достаточно долго, чтобы его можно было подробно изучить— примерно около одной десятой доли микросекунды. Он ведет себя так, как будто он электрически совершенно нейтрален. Большинство физиков были бы очень удивлены плн отнес;шсь бы весьма скептически к наблюдсншо какой-нибудь разницы г, величине зарядов электрона и позитрона. Действительно, соотношение между электроном и позитроном аналогично соотношеншо между частицей и аптичастицей.

В этом абсолютном равенстве зарядов, а также в равенстве масс проявляется какая-то универсальная симметрия природы, свойственная частице и античастице. Можно думать, что сохранение заряда являегся тогда только следствием несколько более общего закона сохранения, управляющего созданием и ушщтожеппем частиц. По может быть и так, что сохранение заряда представляет собой первичное требование, которому должны подчиняться все остальные законы.

Имеюг ли смысл эти вопросы? Пока что мы не знаем этого. В процессе изучения электромагнетпзма становизся ясным, что несохранение заряда бьшо бы совершенно несовместимым со строением нашей современной электромагнитной теории. С1едовзтельпо, закон сохранения заряда мы можем сформулировать либо как постулат теории, либо как эмпирический закон, подкоепленный всеми без исключения наблюдениями, проводившимися до сих пор: В изолированной системе полный электричсскнй заряд, т, е. алгебраическая сумма положительного и отрицательного зарядов, остается постоянным. Рано или поздно мы должны будем спросить: удовлетворяет ли этот закон условию релятивистской инвариантности? Гл.

5 посвящена обсуждению этого важного вопроса. Ответ будет положительным и не только в том смысле, что вышеприведенная формулировка справедлива в любой заданной ннерциальной системе координат, но и в более строгом смысле; расположенные в различных системах координат наблюдатели, измеряя заряд, получают одно и то же число. Другими словами, полный электрический заряд изолированной системы является релятивистски инвариантным числом. 1.3. Квантование заряда Опыт Милликэна с каплей масла и ряд других экспериментов показали, что в природе электрические заряды состоят из дискретных зарядов постоянной величины.

Эта величина обозначается через е и является зарядом электрона. Мы уже отмечали, что позитрон обладает в точности таким же количеством электричества. Еще более замечательным фактом является точное равенство зарядов всех других заряженных частиц — равенство по величине, например, положительного заряда протона и отрицательного заряда электрона. Последнее равенство — а именно равенство зарядов протона и электрона — было проверено в очень тонком эксперименте, который 20 заключается в исследования электрической нейтральности атол!а или молекулы водорода.

Р)ными словами, нужно было попытаться отклонить пучок атомов или молекул электрическим полем. В опьпе, поставленном для этой цели а), использовался хорошо коллимированный пучок атомов цезия в высоком вакууме, проходящий через сильное электрическое поле. По отсутствию какого-либо наблюдаемого отклонения можно сделать вывод, что полный заряд атома цезия должен быль меньше 10г ы е.

Еще более тонкий эксперимент был недавно проведен другим способом аа). Большой объем водорода подвергался сжатию в резервуаре, полностью изолированном! в электрическом отношеньи! от окружщощей среды. Затем газ выпускали из резервуара таким образом, чтобы с ним не могли выйти обычные ионы. Если бы заряд протона отличался от заряда электрона, скажем, на одну часть от биллиона, тогда каждая молекула водорода, состоящая пз двух протонов н двух электронов, имела бы заряд, равный 9.10-а с, и удаление всей массы водорода заметно изменило бы электрический заряд и потенциал резервуара. Действительно, этот эксперимент мог бы обнаружить такой остаточный заряд, как 10- -' е на атом, по наблюдения никаких зарядов не псисазалн! Отсюда мы делаем вывод, что электрон и протон имеют одинаковые заряды с точностью до одной части на !Оз". Согласно современным взглядам. ме;кду электроном и протоном существует наибольшее, возможное для элементарных частиц, различие.

Йикто еще нс поник!ает. почему прп этом их заряды равны с такой фантастической степенью точности. Очевидно, что квантование заряда является таинственным и универсальным законом природы. Опыт показывает, что заряды всех элементарных частиц в точности одинаковы. й!ы можем надеяться, что в будущем какое- нибудь новое отк)гытпе или проницательность теоретиков объяснят пам, почему частицы с зарядом 0,500е пли 0,999г нс могут существовать ааа).

Факт квантования заряда выходит, конечно, за пределы классического электромагиетизма. Обычно мы его игнорируем н поступаем так, как будто наши точечные заряды г) могут иметь любую величину. Это не приводит к трудностям. Однако полезно вспомнить, что классическая теория не в состоянии объяснвть структуры элементарных частиц. (Нельзя, впрочем, утверждать, что современная квантовая *) ). С. 2 о г п, 6. В. С Ь а гп Ь е г 1 а ! п, у. %. Н и В Ь е з, РЬуз. )(еу. 129, 25бб (19бЗ).

*ч) д. С. К !и 2, Р!гуз. Г(ег. 1емегз 5, 5б2 (19бо). Ссылки на предыдущие опыты по определению равенства зарядов можно найти в атой статье и в гл. 13 книги 7, Цг. Н и д !т е з, Сгганцапоп апб Ре(ацу1(у (ЪЧ. А. Веп)аппп, 1пс., Меж Уогй, 1954). ***) На основании некоторых последних теоретических исследований элементарных частиц предпочагается возможность существования частиц заряда, равного ',~ае и ",,е. Но последующие поиски таких частиц в ус.юанях, казавшихся благоприятными для их сом!анин и обнаружения, ви к чему не привели. (С. В, Ь е ! р и и е г, (Ч. Т.

С Ь и, Р, С. 1. а г з е п, )4. К. А 4 а 1 г, РЬуз. Кет. 1.с(гсгз 12, 423 (1954).) В настоящее время поиски таких частиц продолжаются. теория может это сделать!) Чтб удеоживает электрон от распада— так же таинственно, как и то, что определяет точную величину его заряда. Здесь должны существовать какие-то силы, отличные от электрических сил, так как электростатические силы, действующие между различньыш частями электрона, приводят к отталкиванию. Изучая электричество п магнетизх|, мы можем рассматривать заряженные частины как носители заряда со столь малымн размерамн, что вопрос об нх протяженности и структуре в большинстве случаеВ не пашет внешняя. Иапрнмео, нз экс!н рт!ментОВ по рассея нию при высокой энергии нам известно, что электрический заряд протона пе выходит заметно за пределы сферы радиуса 10 " саь 11апомним, что опыты Г'езерфорда по рассеянию альфа-частиц показали, что даже у тяжелых ядер электрический заряд распределен по области, размеры которол не больше 10-ы гж.,г(ля физика девятнадцатого столетия «точечный заряда оставался абстрактным понятием, довольно слабым аналогом которого служил заряженный шао.