Баллистическая


Частицы и античастицы, симметрия и асимметрия



жүктеу 8.2 Mb.
бет53/99
Дата04.03.2018
өлшемі8.2 Mb.
1   ...   49   50   51   52   53   54   55   56   ...   99

Частицы и античастицы, симметрия и асимметрия

Много и после того, как мир народился, и после

Дня появленья земли и морей и восшествия солнца

Тел накопилось извне, и кругом семена накопились,

В быстром полёте несясь из глубин необъятной вселенной…

Вплоть до тех пор, пока всё до предельного роста природа

Не доведёт и конца не положит вещей совершенству;

Что происходит, когда собирается в жизненных жилах

Столько же, сколько из них, вытекая наружу, исходит…

Ибо, чем больше предмет оказался в конце разрастанья

И чем обширнее он, тем и больше всегда выделяет

Тел из себя, разнося их повсюду во всех направленьях.



Тит Лукреций Кар, "О природе вещей", I в. до н.э. [77]
Проводя картографирование нижних уровней мироздания, следует учесть, что этаж элементарных частиц надо разделить на две противоположных, зеркально симметричных части - сектор частиц и сектор античастиц. Строение частиц прояснилось на основе геометрической модели их строения. Попробуем рассмотреть в геометрическом ключе и проблему античастиц. Если все частицы составлены, в конечном счёте, из электронов и позитронов (§ 3.9.), то, строго говоря, античастица есть лишь у электрона – это позитрон. Именно эти частицы будут ярко выраженными образцами материи и антиматерии. Ведь античастица это не совсем антиматерия, а скорее частица, у которой всё наоборот: все заряды, образующие частицу, заменены противоположными. Электроны замещены позитронами, а позитроны - электронами. Однако если у гаммона или октона заменить все частицы античастицами (вместо электронов поставить позитроны и наоборот), ничего не изменится (Рис. 119). Вот почему некоторые нейтральные частицы не имеют античастиц: частица и античастица совпадают. Таковы нейтральный пион и η-мезон. В них, как легко убедиться, инверсия знака зарядов (зеркальное отображение мира в антимир) даёт то же самое (Рис. 120). Выходит, лишь электроны и позитроны, придающие частицам заряд и магнитный момент, отличают частицы от античастиц. Так, если у мюона или протона заменить все электроны позитронами и наоборот, частица и античастица уже не совпадут, будучи отличны по числу электронов и позитронов, а значит и по знаку заряда. В протоне позитронов на один больше, чем электронов, а в антипротоне, имеющем отрицательный заряд, - на один меньше. То же и в мюонах μ+ и μ-.

Рассмотрим теперь нейтрон. В нём число электронов равно числу позитронов. Поменяв их местами, казалось бы, ничего не изменим. Но на деле нейтрон и антинейтрон отличаются. Похоже, что электроны и позитроны располагаются в нейтроне не симметрично. Об этом говорит уже тот факт, что нейтрон обладает магнитным моментом, который исчезал бы при симметричном размещении частиц. Наличие структуры и асимметричное расположение зарядов разного знака у нейтрона доказано и его зондированием. Оно выявило в нейтронах точечные заряды – партоны, причём в центре нейтрона больше положительных зарядов, чуть дальше от центра преобладают отрицательные, а на поверхности – снова положительные [165]. У антинейтрона структура обратная. У η-мезона, как легко видеть (Рис. 120), распределение зарядов симметрично, вот и нет у него заряда, магнитного момента и античастицы.

Итак, античастицы – это ещё не антиматерия. В них почти поровну материи (электронов) и антиматерии (позитронов). Это следует из отсутствия пар у истинно нейтральных частиц и того, что лишь у электрона контакт с античастицей ведёт к аннигиляции. Так, при контакте нейтрона с антинейтроном они не исчезают, а образуют протон и антипротон (аннигилируют лишь входящие в них электрон и позитрон). Протон и антипротон при контакте тоже не исчезают, а образуют каскад пионов. Это естественно, если протоны, как и все частицы, разбиваются на мюоны и пионы – обычные продукты распада (§ 3.8.). О сложной пространственной структуре частиц говорит и асимметрия иных распадов: у многих частиц в магнитном поле большая часть продуктов распада летит в неком избранном направлении. Эта асимметрия – следствие асимметричного строения частицы, ориентированной магнитным полем. Так, опыт показал, что ядра 60Co, ориентированные магнитным полем (направленным вверх), испускали электроны в β-распадах преимущественно (в 60 % случаев) вниз [85, 86]. Та же асимметрия обнаружилась и в распадах элементарных частиц, таких как π- и μ-мезоны, Λ0-гиперон. Видно, процент распадов в данном направлении определяется формой, прочностью частицы в разных её участках или процентом частиц данной формы, испускающих продукты распада в данном направлении. Отметим, что В. Паули считал такую асимметрию невозможной как раз потому, что принимал квантовую бесструктурную модель частиц и ядер.

И всё же античастицы из истинной антиматерии существуют – это позитроны и образующие их ареоны (§ 3.20.). Какова же природа этой самой антиматерии - материи и массы со знаком минус? По одной из гипотез античастицы представляют собой те же частицы, только движущиеся назад во времени. Вот почему античастицы (позитроны) движутся под действием ударов потока реонов в сторону обратную движению частиц (электронов). Впрочем, этот вопрос выходит далеко за рамки современной физики, и в нём нет никакой уверенности. Поэтому рассмотрим этот вопрос подробней ближе к концу книги (§ 5.6.).

Пока же отметим, что, возможно, эта временная асимметрия и ведёт к асимметрии свойств электронов и позитронов, ибо электроны часто встречаются в свободном состоянии и образуют оболочки атомов, тогда как позитроны в свободном состоянии отсутствуют, зато преобладают в связанном виде внутри ядер, протонов, придавая им положительный заряд. Объяснить эту асимметрию мира можно, вспомнив о возможной асимметрии параметров частиц (§ 1.17.): если радиус электрона r, и он испускает в единицу времени N реонов, то у позитрона радиус чуть больше R=r+Δ, и испускает он ежесекундно n ареонов. Поскольку сила F воздействия одного заряда на другой пропорциональна числу испускаемых первым частиц на сечение (квадрат радиуса) второго (Рис. 45), то всего существует четыре разных силы:

1) сила отталкивания электрона другим электроном F1=kNr2=knr2(1+2Δ/r+Δ2/r2);

2) сила отталкивания позитрона другим позитроном F2=knR2=knr2(1+2Δ/r+Δ2/r2);

3) сила притяжения электрона позитроном F3=knr2;

4) сила притяжения позитрона электроном F4=kNR2=knr2(1+4Δ/r+2/r2).

Причём асимметрия, разница размеров составляет ничтожную величину Δ/r=10–21 (§ 1.17.). И всё же именно это ничтожная разница, асимметрия размеров и сил, судя по всему, и приводит к асимметрии структуры нашего мира, к тому что ядра атомов заряжены положительно и окружены отрицательно заряженными электронами, которых в мире много больше, чем позитронов. Ведь если позитрон всегда притягивается нейтральной системой зарядов с удельной (приходящейся на единицу массы частицы) силой W=F4F2=2knrΔ=2FΔ/r, то электрон отталкивается с удельной силой W=F1F3=2knrΔ (Рис. 123). Вот почему в нашем мире много электронов, образующих электронные оболочки атомов, а позитронов в свободном состоянии практически нет. По той же причине ядра атомов заряжены положительно: в мире много протонов и крайне мало антипротонов. Электронов и позитронов во Вселенной поровну, но нейтральные частицы притягивают позитроны, образуя тяжёлые положительно заряженные частицы (протоны, ядра), и потому позитронов нет в свободном состоянии. А электроны, напротив, отталкиваются нейтральными частицами, и потому в нашем мире полно свободных электронов, образующих оболочки атомов, и нет свободных позитронов: все они связаны в протонах ядер. Эти силы W, нарушающие симметрию, крайне малы, но за необозримое время существования Вселенной они вполне могли привести к достижению системами элементарных частиц состояния с наименьшей энергией, наблюдаемого ныне.



Рис. 123. Притяжение позитронов с удельной силой W к нейтральной системе, сложенной из сотен электронов и позитронов, ведёт к образованию протонов, а отталкивание электронов с силой W вызывает распад нейтрона.

Асимметрия свойств позитронов и электронов (Рис. 124) вызвана тем, что для них все процессы идут противоположно, причём у обоих есть стандартный критический радиус r0 (§ 1.5.). Электрон постоянно сыплет реонами. Зато поглощать реоны, приходящие извне, он начинает лишь став меньше критического радиуса r0 (так и ядра хорошо поглощают протоны и нейтроны, лишь сократившись до критического радиуса, при котором синтез энергетически эффективен). Электрон теряет массу, покуда не съёжится до критического размера, а по его достижении приток реонов компенсирует их утечку и радиус r0 становится равновесным.

Рис. 124. Асимметрия элементарных зарядов. Электрон и позитрон стремятся к равновесному радиусу r0, всегда имея, один дефицит радиуса, а другой - его избыток.

Так же поддерживается стандартный радиус r0 позитрона. Но поскольку позитроны – полная противоположность электронов, то для них испускание реонов соответствует поглощению ареонов, а поглощение реонов – испусканию ареонов. И потому позитроны непрерывно поглощают ареоны, а по превышении критического радиуса r0 начинают распадаться, испуская ареоны и теряя вместе с ними массу, пока вновь не съёжатся до равновесного радиуса r0 (так же и ядра имеют критический радиус, превысив который, они эффективно распадаются). В силу инерционности процесса реальный радиус R позитрона всегда чуть больше r0, поскольку у возбуждённого состояния частиц есть конечное время жизни, запаздывания, по прошествии которого позитрон и начинает распад. Поэтому, прежде чем позитрон начнёт испускать ареоны, он успеет ещё немного поглотить их из внешнего потока. Распад позитрона всегда отстаёт от синтеза, отчего его радиус R чуть выше критического: R=r0+Δ/2.

Электрон, напротив, постоянно испускает реоны, а поглощает их, лишь уменьшив радиус до r0, тем самым поддерживая размер возле этого равновесного значения. Но и здесь полное равновесие недостижимо: реальный радиус r=r0–Δ/2 электрона чуть меньше критического, поскольку в силу инерции синтез отстаёт от распада. Электрон и позитрон стремятся к равновесному радиусу r0 с разных сторон, и никогда его не достигают. Отсюда ясно, почему позитроны испускают меньше частиц, чем электроны N=n(R/r)2. Электроны источают частицы непрерывно, а позитроны – очередями, по превышении радиуса r0. Выше нашли для электронов Nr2=e2/πε0mc, а раз эта величина константа, то и для позитронов nR2=e2/πε0mc=Nr2.

Самое удивительное, что адекватное представление о таком динамическом поддержании равновесного размера тел возникло ещё в глубокой древности у Демокрита и Лукреция (см. эпиграф § 3.11.), которые тоже связывали это с проблемой направленного течения времени. По сути, они изложили модель постоянно испускающего частицы электрона, попутно поглощающего сходящиеся к нему из вселенной потоки тех же частиц, что компенсируют утечку и поддерживают равновесный размер электрона (§ 1.5.). Тем самым электрон можно уподобить бочке Данаид, также расположенной по греческой мифологии на нижнем этаже мироздания. Это была дырявая бочка, в которую, сколько ни наливай воды, не заполнишь доверху. В такой бочке с приближением к верхнему критическому уровню интенсивность потока уходящей воды растёт под напором давления. Позитрон же, напротив, можно сравнить с другим типом бочки, в которую постоянно льётся дождь, и, несмотря на беспрерывное вычёрпывание воды из неё, уровень не может упасть ниже критической отметки. Ещё лучше сравнить позитрон с плавающей лодкой (бочкой), имеющей широкую пробоину, сквозь которую постоянно втекает вода, и тем интенсивней, чем ниже уровень воды в лодке. Поэтому, сколько ни вычёрпывай воду, она не опустится ниже некого предельного уровня.

Таким образом, несмотря на то, что антимир (сектор античастиц) - это зеркальная копия мира (сектора частиц) - зеркальное изображение объекта не является его точной копией. Кроме того, что в антимире правое и левое меняются местами, а прямое движение становится попятным, несколько отличаются и размеры частиц, словно зеркало неплоское, а немного вогнутое, отчего электрон отображается в виде увеличенного изображения (позитрона). При этом за счёт малости искажений соблюдается точное сохранение пропорций и равенства числа объектов и их изображений. Число электронов в точности равно числу позитронов. К вопросу о природе античастиц и антимира, о причинах асимметрии их свойств относительно свойств мира частиц ещё вернёмся в дальнейшем (§ 3.15., § 5.6.).





    1. Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   49   50   51   52   53   54   55   56   ...   99


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет