Фейнман - 04. Кинетика. Теплота. Звук (1055665), страница 54

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 54)

Таким образом, вследствие закона сохранения четности, или, точнее, из симметрии квантовомеханическпх уравнении слабого распада относительно отражения, получалось, что одна и та же частица не может распасться обоими способами, таи что здесь мы встречаемся с каким-то удивительным совпадением в массах, временах жизни и т. д. Но чем болыве изучалось зто явление, тем более удивительным становились совпадения и постепенно росло подозрение в несправедливости фундаментального закона симметрии природы относительно отражения. Это кажущееся нарушение побудило физиков г1и и Янга предложить поставить другие эксперименты и проверить, будет ли закон сохранения четности выполняться в других родственных распадах. Первый такой экспериментвыполнила Ву в Колумбийском университете. Заключался он в следулоще»л.

Оказывается, что у кобальта, который является хорошим магнетиком, существует изотоп, распадающийся с испусканием электронов. Поместим его в очень сильное магнитное поле при очень низкой температуре, так чтобы тепловые колебания не слишком сильно сбивали атомные «магнитики», тогда все они «выстроятся» вдоль магнитного поля. Таким образом, все атомы кобальта «выстраиваются» в этом сильном поле одкнаковым образом.

Потом они распадаются, испускают электроны, и вот оказалось, что когда атомы «выстраиваются» в магнитном поле с направленным вверх воктором В, то болыпннство электронов летит вниз, Тому, кто не очень «на ты» с миром физики, это замечание мало что говорит, однако тот, кого волнуют тайны природы, увидит, что это наиболее удивительное открытие нашеговремени. Если поместить атомы кобальта в очень сильное магнитное поле, то вылетевшие электроны более охотно летят вниз, чем вверх. Поэтому если бы мы отразили этот опыт в зеркале так, чтобы атомы кобальта были «выстроены» наоборот, т.

е. вверх, то они бы испускали свои электроны вверх, а не вниз, и симметрия исчезла бы. Вот у магнита и выросла борода! Теперь мы знаем, что южный полюс магнита зто тот, от которого летятр-распадные электроны; таким образом, физически нозможно отличить северный полюс от южного. После этого было сделано множество других экспериментов: распад я-мезона на р и т, распад н-не»она на электрон и два нейтрино, распад Л-частицы на протоя и я-мезон, распад Е-частицы и много других распадов. И почти во всех тех случаях, где этого можно было ожидать, обнаружено отсутствие принципа зеркальной симл«етрии! Фундаментальный закон физики — закон симметрии при отражении — оказался на зтом уровне несправедливым.

Короче говоря, теперь мы уже могли бы объяснить нашему приятелю изкосмоса, гдеу насрасположено сердце. «Послушай,— сказали бы мы ему,— сделай себе магнит, намотай на него проволоку и пусти по ней ток. Затем возьми кусок кобальта, охлади его до низкой температуры. Расположи все устройство так, чтобы испущенные электроны летели от ног к голове, тогда направление тока в катушке скажет тебе, какую сторону мы называем правой, а какую — левой: ток входит с правой стороны и выходит с левой». Итак, с помощью эксперимента такого рода можно определить, где правая, а где левая сторона.

Было предсказано множество других свойств. Оказалось, например, что спин, т. е. угловой момент, нли момент количества движения ядра кобальта, до распада равен пяти единицам й, а после распада — четырем. Половину этого момента количества движения уносит электрон, а половину — нейтрино. Нетрудно теперь сообразить, что момент количества движения, уносимый электроном, должен быть направлен по линни его движения, как и момент количества движения нейтрино.

Казалось, что электрон вертится справа налево; это тоже было проверено. Сделано это было прямо здесь в КАЛТЕХ'е. Бем н Вапстра, поставившие эксперимент, обнаружили, что электрон действительно крутится налево. (Были и другие эксперименты, дававшие противоположный ответ, но онн оказались неверными!) Следующей задачей было нахождение правила нарушения закона сохранения четности. Есть ли какое-нибудь правило, говорящее нам, насколько велико должно быть это нарушение? Оно оказалось следующим: нарушение происходит только в очень медленных реакциях, названных слабыми распадами, н если уж оно произошло, то частицы, уносящие спин, такие, как электрон или нейтрино, вылетают, преимущественно вращаясь налево.

Это как бы «правило перекоса», оно связывает полярнып вектор скорости и аксиальный вектор момента количества движения и говорит, что моменту количества движения более присуще направление против вектора скорости, нен«ели по нему. Таково правило, но мы еще не очень понимаем всех его «почему» п «поэтому». Почему справедливо именно это правило, в чем его фундаментальная причина и как оно связано с другимн явлениями". Сейчас мы настолько потрясены самим фактом несимметрии мира, что до сих пор еще не можем оправиться и понять, как же оно отразится на всех остальных правилах. Тем не менее проблема эта интересная, животрепещущая и, увы, до сих пор не решенная.

Поэтому сейчас самое время обсудить некоторые вопросы, связанные с этим правилом. ф 8. Ант««зещеом»во Когда исчезает одна нз симметрий, то первым делом нужно неиедленно обратиться к списку известных или предположенных симметрий и посмотреть, не может ли еще нарушиться какая-то из них. Мы не упомянули одну операцию из нашего списка, а к ней наш вопрос относится в первую очередь — это отношение между веществом и антивеществом. Дирак предсказал, что в дополнение к электронам в мире должны существовать другие частицы, называемые позитронами (открытые Андерсоном в КАЛТЕХ'е), и они тесно связаны с электронами.

Все свойства этих двух частиц подчиняются определенным правилам соответствия: энергия их равны, массы равны, заряды противоположны, но самое важное, столкнувшись, они могут уничтожить друг друга (аннигилировать), превратив всю свою массу в энергию, например у-излучение. Позитрон называется античпстицей электрона, и этн свойства являются основными свойствами частицы и ое античастицы. Из рассуждений Дирака было ясно, что у всех остальных частиц тоже должны быть соответствующие античастицы. Например, наряду с протоном должен существовать и антипротон, который сейчас обозначается символом р. У него должен быть отрицательный электрический заряд, та же, что и у протона, масса и т. д. Однако наиболее важным свойством является то, что кроток и антипротон, столкнувшись, могут уничтожить друг друга.

Я особенно подчеркиваю зто потому, что люди обычно удивляются, когда говоришь, что наряду с нейтроном существует и антинейтрон; они говорят: «Как антинейтрон может иметь противоположный заряд, ведь он нейт- ральныйз» Приставка «анти» означает не просто противоположный заряд, частица характеризуется целым набором свойств, многие из которых становятся противоположными. Антпнейтроп можно отличить от нейтрона следующим способом: если поместить рядом два нейтрона, онитак и останутся двумя нейтронами, но если мы поместим рядом нейтрон и антинейтрон, то онп уничтожат друг друга, причем выделят болылое количество энергии в виде разных я-мезонов, у-кваитов и т.

п. Далее, если у нас есть антипротоны, антпнейтроны н позитроны*, то из нпх в принципе можно составить антиатомы. Это еще не сделано, но в принципе вполне возможно. В атомо водорода, например, в центре расположен протон, вокруг которого крутится электрон. Вообразите теперь, что мы сделали антипротон и запустили вокруг него позитрон. Будет лн он крутиться? Ну прежде всего антппротон заряжен отрицательно, а позптрон — положительно, так что они будут притягиваться друг к другу с соответствующей силой, а поскольку массы у них одинаковы с протоном и электроном, то одинаково будет и все остальное. В этом состоит один из принципов симметрии в физике: уравнения, по-видимому, говорят нам, что если сделать одни часы из вещества, а другие, точно такие же, из антявещества, то онн будут идти совершенно одинаково.

(Разумеется. если мы поместим эти часы рядом, то они уничтожат друг дру1а, но это уже совсем другое дело.) Тогда немедленно возникает вопрос. Мов;но сделать двое часов из вещества, причем одни «правосторонние», а дручве ° левосторонние». Можно, скажем, сделать не простые часы, а часы с кобальтом, магнитами и детекторами, регистриру~ощими ~-распадные электроны и считающими их.

Всякий раз, когда регистрируется электрон, секундная стрелка слегка подвигается. Но тогда зеркально отраженные часы, в которые приходит меныпе электронов, не будут идти с той же скоростьвь Итак, теперь нам ясно, что возможно построить такую пару часов, что правосторонние не будут согласовываться с левосторонними. Давайте сделаем часы из вещества н назовем их стандартными, илн правосторонними, и сделаем еще часы тоже из вещества и назовем их левосторонними.

Мы только что установили, что эти двое часов, вообще говоря, не будут идти одинаковым образом, а до этого выдающегося открытия в физике считалось, что будут. Далее мы, кроме того, полагали, что вещество и антивещество эквивалентны, т. е. если бы мы сделали часы из антивещества, такие же правосторонние, той же самой формы, то они шли бы точно так же, как и правосторонние часы из вещества, а если бы мы сделали такие же левосторонние часы, » Сейчас уже ваучвлвсь делать еще два автввзотова водорода: автвдейтров и автвтрвтвй.

— Прим. ред. то и они тоже ходили бы точно таким же образом. Другими словами, первоначально мы полагали, что все четверо таких часов должны работать совершенно одинаково. ??о теперь мы знаем, что правосторонние и левосторонние часы из вещества не одинаковы. А следовательно, право- илп левосторонние часы из антивещества тоже, по-видимому, не одинаковы. Теперь возникает очевидный вопрос: есть ли пара часов, которые идут одинаково? Иначе говоря, ведет ли себя правостороннее вещество так же, как правостороннее антивещество? Или же праностороннее вещество ведет себя так же, как лево- стороннее антивещество? Эксперименты с ~?-распадом, но не с электронным, а с позитронным р-распадом, указывают, что эта связь такова: «правое» вещество ведет себя точно так же, как «левое» антивещество. Итак, в конечном счете право-леван симметрия все же реабилитирована! Если мы изготовим левосторонние часы, но изготовим их из материала совершенно другого рода — из анти- вещества, а не нз вещества, то они будут идти точно таким же образом.

Характеристики

Список файлов книги