4. Элементарные частицы

Внимание физиков и философов ныне приковано к -вопросу об элементарных частицах. Что же такое элементарные частицы? Советский физик В. С. Барашенков на свой вопрос, какой объект называется "элементарным", отвечает: "Это частица, которую нельзя построить из других частиц так, чтобы дефект масс при этом был бы по сравнению с массой этой частицы или массами частиц-компонент настолько мал, что им можно было бы пренебречь" (31.1965.9.87). Несколько позже вместе с Д. И. Блохинцевым они писали: "В настоящее время к группе элементарных относят все частицы, любые возможные распады которых, как реальные, так и виртуальные, происходят с дефектом масс, сравнимым по величине с массой исходной частицы или с массами распадных частиц" (74, 181).

На наш взгляд, элементарные частицы - это такие качественно своеобразные виды материи, которые взаимодействуют дискретно как единое целое во всех известных процессах. Следует сказать, что название "элементарные" явно неудачно. "Термин "элементарная" скорее относится к уровню наших знаний,- писал известный итальянский физик Э. Ферми.- Вообще можно сказать, что на каждом этапе развития науки мы называем элементарными те частицы, строения которых не знаем и которые рассматриваем как точечные" (151, 9). Но в действительности исходя из самых общих соображений и опытных данных можно показать, что любая элементарная частица должна обладать структурой. Это утверждение вытекает из анализа различных процессов, в которых участвуют элементарные частицы. В настоящее время известно уже большое количество реакций рассеивания, порождения, превращений, образований одних элементарных частиц из других. Эти опытные данные дают основание для утверждения о наличии у элементарных частиц внутренней структуры. Структура элементарных частиц является одним из отражений бесконечных внутренних и внешних связей в природе, отражением движения материи. Всякий из микрообъектов не только обусловливает те или иные явления природы, но и сам обусловлен и, следовательно, имеет строение, структуру. На наличие структуры у элементарных частиц указывает уже тот факт, что элементарных частиц не одна и не две, а много.

Следует заметить, что почти все элементарные частицы имеют соответствующие им античастицы. Перечислим некоторые из них: электрон - устойчивая частица с массой, равной 9,108*10^-28 г и отрицательным элементарным электрическим зарядом. Электроны играют важнейшую роль в строении вещества, будучи составной частью всех атомов.

Фотон, или квант электромагнитного излучения произвольной частоты (понятие, введенное А. Эйнштейном в его теории фотоэффекта). Отличительной особенностью фотона по сравнению с другими элементарными частицами является то, что он всегда движется с постоянной скоростью - С = 3*10¹⁰ см/с (в вакууме). Он не имеет массы покоя, а его остановка есть не что иное, как поглощение, т. е. конец его существования как фотона.

Следует также сказать о протоне - положительно заряженном ядре водорода, элементарной частице, масса которой в 1836 раз больше массы электрона. Он является составной частью ядер всех элементов.

В 1932 г. был открыт нейтрон - частица, лишенная электрического заряда с массой в 1838 электронных масс. Нейтроны вместе с протонами входят в состав атомных ядер.

В этом же году был открыт и позитрон, являющийся античастицей электрона. Масса позитрона равна массе электрона, его электрический заряд положителен и равен элементарному заряду (заряду электрона).

Чрезвычайно интересной элементарной частицей, лишенной электрического заряда, является нейтрино. Что касается его массы покоя, то этот вопрос пока остается открытым: она или равна нулю, или очень мала. Тонкие и детальные измерения спектра распада трития, проведенные в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) АН СССР группой в составе В. А. Любимова, Е. Г. Новикова, В. 3. Нозика, Е. Ф. Третьякова и В. С. Козика (283, 301), указывают на то, что у нейтрино есть масса покоя. Известно, что работы по обнаружению массы покоя нейтрино ведутся уже давно. Еще в 1949 г. была опубликована работа Г. Хана и Б. Понтекорво, в которой рассматривался вопрос о пределе массы нейтрино. К 1972 г. К. Берквист (207, 317) уточнил искомый предел, который был близок к 55 эВ. С 1973 г. эти работы начала вышеуказанная группа советских физиков. Измеренная ими масса покоя нейтрино оказалась очень малой - между 14 и 16 эВ. Однако в условиях Вселенной наличие у нейтрино даже такой малой массы покоя ведет к очень большим последствиям, к изменению наших представлений о структуре и эволюции Вселенной.

Если исходить из современной модели горячей Вселенной, то в ней сейчас в одном кубическом сантиметре имеется ~500 реликтовых нейтрино. Расчет с учетом их массы показывает, что 90-99% всей массы Вселенной составляет масса нейтрино. Как писал академик Я. Б. Зельдович, это значит, что мы живем в нейтринной Вселенной. Масса нейтрино влияет на возраст Вселенной (он сокращается), тяжелые нейтрино остановят ее расширение, а ~ через 20- 30*10⁹ лет в результате сжатия произойдет грандиозный коллапс Вселенной. Наличие массы покоя у нейтрино дает возможность открыть новые свойства уже известных элементарных частиц. Очень легкое нейтрино, например, может служить указанием на существование мира сверхтяжелых частиц¹. Предсказываемое теорией время жизни нейтрино (10²⁹ лет) примерно на 19 порядков превышает возраст Вселенной (10¹⁰ лет). Обнаружение конечной массы у нейтрино (если вышеприведенные данные подтвердятся) будет одним из важнейших открытий в современной физике.

¹ (Это физическое предвидение лежит в русле диалектико-материалистического принципа единства противоположностей.)

Не имея электрического заряда, массы покоя, магнитного момента, нейтрино крайне слабо взаимодействуют с другими частицами и являются весьма проникающими. Нейтрино отличается от антинейтрино своей "спиральностью", образно говоря, направлением спина по отношению к направлению движения.

Следует отметить, что часть солнечной энергии уносится в пространство в виде антинейтрино, излучаемой при ядерных реакциях в недрах Солнца.

Разрабатывая теорию элементарных частиц, советские физики, и прежде всего М. А. Марков и Б. М. Понтекорво, предсказали существование в природе двух видов нейтрино. В настоящее время известны уже три вида нейтрино: v_e, v_μ, v_τ и соответствующих им антинейтрино.

Исследования космических лучей (первичные космические лучи состоят в основном из протонов и α-частиц), а также эксперименты на мощных ускорителях привели к открытию ряда новых частиц; среди них частиц с промежуточной массой между массой электрона и массой протона - мезонов. В 1937 г. были открыты (μ±-мезоны с массой 206,7 электронных масс, с продолжительностью жизни 2,22*10^-6с. Кроме того, сейчас известны π+, π-, π⁰ -мезоны и К-мезоны, большая группа элементарных частиц, называемых гиперонами, масса которых превышает массу протона. Так, например, Ξ^- минус гиперон (каскадный гиперон) имеет массу ~2586 масс электрона. В последние годы открыт целый ряд короткоживущих частиц, объединенных общим названием резаноны¹.

¹ (В следующем параграфе этой главы, где речь будет идти о классификации частиц, мы продолжим их перечень.)

Зная, что атомы всех химических элементов, встречающихся в природе, "состоят" из электронов, протонов, нейтронов и виртуальных л-мезонов, можно было бы прийти к мысли, что другие частицы не играют роли в строении атомов или их ядер, а возникают лишь при различных реакциях в космических лучах или лабораторных условиях. Однако это далеко не так. Наряду с указанными видами частиц существуют и многие другие реально присутствующие в атомах частицы, а также имеются поля, обеспечивающие взаимодействие частиц.

В самом деле, электрон притягивается к ядрам в основном благодаря электростатическим силам (незначительную роль играют магнитные и электромагнитные силы). Кванты этого поля излучаются атомами в виде фотонов при переходе электронов с более высокого энергетического уровня на более низкий или при столкновениях атома с другими атомами.

Электромагнитное поле присутствует также в неявном, неизлученном состоянии в ядрах, обусловливая электростатическое отталкивание протонов и магнитное взаимодействие протонов и нейтронов (поскольку оба типа нуклонов обладают магнитными моментами), а также другие добавочные незначительные силы. Это было известно давно, и только различные квантовые, частью очень тонкие и трудно вычисляемые и трудно наблюдаемые поправки устанавливались вплоть до недавнего времени.

Кроме электромагнитного поля, в ядрах атомов имеются также особые поля, связанные с ядерными силами, сдерживающими протоны и нейтроны в ядрах и не являющимися ни гравитационными, ни магнитными.

Поле ядерных сил, обладающих огромной интенсивностью, носит специфический характер. Оно обусловлено частицами, обладающими массой. Это было выяснено прежде всего в теоретических работах В. Гейзенберга, И. Тамма, Д. Иваненко и японского физика Г. Юкавы. Заставить атом излучать, т. е. оторвать ядерное поле от нуклонов, оказалось весьма трудным; недаром эта связь и является "сильной", наибольшей из всех известных между частицами. Кванты ядерного поля, излучаемые ядрами атомов, при столкновениях протонов или нейтронов оказались частицами, средними по массе между электронами и нуклонами. В близком согласии с теоретическими предсказаниями они обладают целым, точнее, исчезающим спином S = 0. Эти частицы были названы π-мезонами, или "пионами". Их существование было предсказано теоретически.

Поле пионов внутри ядер обеспечивает ядерные силы, подобно тому, как электрическое поле между протонами и электронами обеспечивается их зарядами. Ядерные силы между нуклонами возникают благодаря тому, что один нуклон испускает виртуальный пион, а другой его поглощает. Теория взаимодействия нуклонов и пионов и соответствующие эксперименты далеко продвинулись вперед, и мы понимаем теперь многие стороны рассеяния пионов и их порождения. Теория ядерных, в основном п-мезонных, сил также смогла объяснить многие существенные стороны взаимодействия между нуклонами, в частности их короткодействующий, зарядово-независимый, нецентральный характер и вид спиновой зависимости.

Итак, мы установили состав атомов вместе с ядром: электроны, протоны, нейтроны плюс электромагнитное и мезонное поле (π-мезон). Казалось бы, теперь можно считать законченным исследование состава вещества. Однако за последние десятилетия был открыт ряд новых элементарных частиц. Во-первых, выяснилось, что нейтроны и пионы являются нестабильными частицами: они самопроизвольно распадаются, порождая новые частицы, непосредственно не играющие роли в строении веществ. Заряженные л-мезоны с необходимостью в среднем через 2*10^-8с распадаются на нейтрино или соответственно антинейтрино плюс новая частица мезонного типа, так называемый (μ-мезон, или "мюон":

нейтральные мюоны неизвестны. Нейтральный пион чрезвычайно быстро, через время, равное примерно 10^-16с, распадается на два γ-фотона:

Свободный нейтрон с необходимостью распадается, прожив в среднем около 12 мин, на протон, электрон и нейтрино (точнее, антинейтрино):

Распад ядерных нейтронов зависит от устойчивости всего ядра: электроны, порождаемые при этом, носят название бета-частиц (β).

Во-вторых, при столкновении уже известных частиц (π, ρ, n, μ и т. д.) высокой энергии порождаются разнообразные новые частицы, в частности сверхтяжелые гипероны, превосходящие по массе нуклоны (протоны и нейтроны), и новые К-мезоны, более тяжелые, чем пионы. При этом порождаются также разнообразные "античастицы", или зарядово-сопряженные частицы, представляющие собой "зеркальные" отображения обычных частиц. Например, при прохождениях фотонов с энергией свыше 1 млн. электронвольт вблизи ядра имеется возможность возникновения пары: электрон + позитрон.

Всякая элементарная частица обладает разнообразными свойствами, и это подтверждает марксистско-ленинское положение о неисчерпаемости материи. Любой вид материи, открываемый наукой в процессе бесконечного познания природы, обладает большим многообразием свойств, которые находятся в зависимости от структуры самих материальных объектов и от бесконечного числа связей между ними.

Марксистско-ленинская философия обращает внимание на то, что всякое явление, всякое тело имеют свою сущность, которая и проявляется в этих явлениях и предметах. Элементарная частица, или, более точно, микрообъект, имеет свою сущность. Но эта сущность в значительной степени еще не раскрыта, не познана, является "вещью в себе". Наличие сущности у микрообъекта свидетельствует о структуре, о существовании сложных внутренних связей, т. е. связей и взаимодействий между составляющими данный микрообъект элементами материи, которые проявляются в его разнообразных свойствах.

Диалектический материализм показывает, что все предметы и явления в природе находятся во взаимной связи и обусловленности. Любое явление можно понять правильно только в связи с окружающим миром. Поэтому в изучении свойств микрообъектов важнейшую роль играет изучение внешних связей, взаимодействий данного микрообъекта с другими телами и полями.

Таким образом, если внутренние связи определяют структуру микрообъекта, то во внешних связях его структура проявляется.

Разделение связей на внешние и внутренние носит относительный характер. Но, с другой стороны, разделение связей на внутренние и внешние является очень важным, так как позволяет выделить качественные характеристики предмета, определяющие именно данный предмет.

Что же позволяет нам разделять связи на внутренние и внешние? Где критерий этого разделения? С. Т. Мелюхин считает, что "деление на внутренние и внешние весьма относительно и определяется в основном пространственной конфигурацией тел" (94, 202).

Из этого он делает следующий вывод: "Для макроскопических предметов, имеющих сравнительно резкие пространственные границы, разделение связей на внутренние и внешние в большинстве случаев не представляет особенных трудностей. Однако это деление подчас бывает весьма затруднительно провести для микрообъектов. Дело в том, что элементарным частицам нельзя приписывать резких геометрических границ, ибо они не являются какими-то микроскопическими шариками, но обладают также волновыми свойствами" (94, 202). Мы думаем, что такое разделение возможно в результате наличия у предмета качественной определенности. Во всяком взаимодействии с внешними телами проявляются как внутренние, так и внешние связи. Но в одних случаях определяющую роль играют внутренние связи, в других - внешние. Безусловно, пространственная конфигурация играет в этом определенную роль. Но нет оснований считать, что она носит такой категорический характер. Например, в случае атома мы довольно точно можем произвести такое относительное подразделение связей на внутренние и на внешние. В случае же элементарных частиц это в настоящее время сделать действительно затруднительно, так как они еще очень слабо изучены. Но есть вероятность, что после создания теории элементарных частиц такое подразделение можно будет сделать.

Таким образом, термин "элементарные частицы", с одной стороны, отражает определенный уровень наших знаний, но, с другой стороны, имеет и определенное объективное содержание. В. И. Ленин писал: "Логические понятия субъективны, пока остаются "абстрактными", в своей абстрактной форме, но в то же время выражают и вещи в себе. Природа и конкретна и абстрактна, и явление и суть, и мгновение и отношение. Человеческие понятия субъективны в своей абстрактности, оторванности, но объективны в целом, в процессе, в итоге, в тенденции, в источнике" (2, 29, 190). Как отражается в понятии "элементарная частица" объективное содержание? Оно заключается в том, что понятие "элементарная частица" отражает качественную неделимость соответствующих видов материи, многие свойства которых будут раскрыты наукой в будущем.

Рассмотрим некоторые свойства, которыми обладают микрочастицы (элементарные частицы).

Одним из наиболее важных свойств микрообъектов является наличие у них массы.

Обратим внимание на тот факт, что микрообъекты, обладающие массой покоя, могут двигаться с любой скоростью (от нуля и почти до скорости света в вакууме), а частицы, не имеющие массы покоя, всегда движутся со скоростью света. По-видимому, дальнейшее изучение микромира позволит объяснить, в результате каких взаимодействий и между какими видами материи проявляются такие своеобразные свойства микрообъектов.

Можно утверждать, что масса определяется в основном внутренними связями и является одной из характеристик качественной определенности предмета.

Другим важным свойством микрочастиц является электрический заряд, который характеризует связь частиц с электромагнитным полем. Пока неясно, чем обусловлено наличие одинакового по абсолютной величине заряда у разных частиц и отсутствие электрического заряда у некоторых частиц. Но вполне очевидно, что это есть проявление какой-то глубокой внутренней, еще не открытой закономерности, проявление некоторой общности в структуре частиц.

Еще одним важным свойством микрочастиц является спин.

Спин частицы - это особое фундаментальное свойство элементарных частиц, присущее только им. Мы можем говорить о спине как о собственном "вращении" частицы только по аналогии с вращением в макромире. Спин элементарной частицы нельзя ни увеличить, ни уменьшить. Спин измеряется в единицах h. Протон, нейтрон и электрон имеют спин S = ¹/₂, а спин фотона равен 1. О том, что спин - очень важная характеристика, связанная с самой сущностью элементарной частицы и свидетельствующая о наличии единства между рядом частиц, говорит существование двух типов статистик (Бозе - Эйнштейна и Ферми - Дирака), т. е. закономерностей, отражающих и общее и особенное для всех известных элементарных частиц. Частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми - Дирака и называются фермионами, а частицы с целочисленным спином подчиняются статистике Бозе - Эйнштейна и называются бозонами. Известно, что в одном и том же состоянии не может находиться больше одного фермиона, т. е. фермионы ведут себя как "индивидуалисты"; на бозоны это правило не распространяется, и они ведут себя как "коллективисты". Внутренняя природа этих особенностей в поведении элементарных частиц еще далеко не установлена, хотя уже установлена связь этих свойств со свойствами симметрии и асимметрии.

Спин рассматривается как проявление внутренней степени свободы в движении электрона или другой элементарной частицы, которая, таким образом, характеризуется четырьмя степенями свободы: тремя внешними, выражающими пространственное перемещение, и четвертой внутренней, спиновой. Наличие спина также указывает на существование у микрочастиц сложной структуры и определенного типа внутренних связей.

Еще одно важное свойство элементарных частиц - магнитный момент. Им обладают как заряженные, так и нейтральные частицы. Предполагается, что некоторая часть магнитного момента заряженных частиц обусловлена их пространственным перемещением. Так, считается, что токи мезонных облаков вокруг протонов и нейтронов определяют их магнитные моменты.