Внутренние симметрии и законы сохранения

 

Внутренние симметрии действуют в микромире и описывают разные аспекты взаимопревращений элементарных частиц друг в друга.

1. При всех превращениях элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной. В этом состоит закон сохранения электрического заряда. Он органически входит в структуру современных физических теорий, но глубинные причины выполнения закона сохранения электрического заряда остаются неизвестными.

2. На основе экспериментальных наблюдений выведен закон сохранения барионного заряда. В соответствии с ним разность между числом барионов и антибарионов, участвующих в сильном взаимодействии, не изменяется при любых процессах. Следствием этого закона является требование стабильности протона (самая легкая частица-барион), который не распадается на другие элементарные частицы. Тем не менее, современные теории слабого и сильного взаимодействий требуют признания возможности распада протона, так как без этого невозможно объяснить, почему во Вселенной вещества больше, чем антивещества. Правда, пока распад протона не обнаружен.

3. Аналогично обстоит дело и с легкими элементарными частицами – лептонами. Разность числа лептонов и антилептонов не изменяется при превращениях элементарных частиц. В этом состоит закон сохранения лептотого заряда.

Подобно закону сохранения барионного заряда, закон сохранения лептонного заряда выведен экспериментально и носит описательный характер. Глубинные причины проявления закономерностей такого рода науке пока неизвестны. И хотя случаев нарушения этих двух законов пока не зафиксировано, некоторые современные теории физического взаимодействия говорят о такой возможности.

4. Уже давно известна внутренняя симметрия, названная изотопической инвариантностью. Хорошо известны такие элементарные частицы, как протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра. Они очень похожи друг на друга. Их массы отличаются всего лишь на 0,1%, у них одинаковые значения спина (1/2) и на них одинаково действуют ядерные силы. Единственное, чем они отличаются, это наличие у протона электрического заряда и отсутствие такового у нейтрона. Но этот заряд имеет значение лишь в случае электромагнитного взаимодействия. Если же мы рассматриваем сильное ядерное взаимодействие, связывающее протоны и нейтроны в атомном ядре, электрический заряд не играет никакой роли. Поэтому в сильном взаимодействии протон и нейтрон ведут себя одинаково, как если бы это была одна и та же частица. В сильном взаимодействии протон вполне может заменить нейтрон, и наоборот. Поэтому Гейзенберг предложил рассматривать протоны и нейтроны как два различных состояния одной частицы – нуклона. В этом и заключается проявление симметрии.

Для описания данной ситуации была введена особая величина – изотопический спин. Слово «изотопический» здесь связано с тем, что ядра, отличающиеся только числом нейтронов, называются изотопами, а свойства симметрии, о которой идет речь, аналогичны свойствам собственного спина.

Таким образом, был сформулирован закон сохранения изотопического спина, который выполняется только при сильных взаимодействиях, но нарушается при слабых и электромагнитных взаимодействиях.

5. Последняя известная сегодня внутренняя симметрия позволила сформулировать закон сохранения странности. Странность – это квантовое число, характеристика адронов, частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. В сильных взаимодействиях сумма странностей частиц, участвующих в них, остается неизменной. При слабых взаимодействиях значение странности меняется.

Принципы дополнительности и соотношения неопределенностей

 

Принцип дополнительности

 

Принцип дополнительности возник из попыток осознать причину появления противоречивых наглядных образов, которые приходится связывать с объектами микромира. Он является основополагающим в современной физике.

В ряде экспериментов электрон и другие элементарные частицы обнаруживают корпускулярные свойства, то есть свойства частиц. Любое устройство для детектирования микрообъектов всегда регистрирует их как нечто целое, локализованное в очень малой области пространства.

С другой стороны, при движении все микрочастицы обнаруживают типичные волновые свойства. Наблюдается интерференция и дифракция частиц на кристаллических решетках или искусственно созданных препятствиях. Электроны и другие частицы ведут себя подобно волнац, огибающим препятствия, и одновременно проходят через несколько щелей дифракционной решетки.

Таким образом, всем микрообъектам присущ корпускулярно-волновой дуализм. Общий ответ на вопрос о том, каким образом эти противоречивые свойства совмещаются у одного объекта, был дан Н. Бором в 1927 г.

Прежде всего Бор обратил внимание на то, что все предметы и явления, которые мы видим вокруг себя и, конечно, измерительные приборы для регистрации элементарных частиц состоят из огромного множества микрочастиц. Иными словами, они являются макроскопическими системами, ничем иным они быть не могут. Сам человек – существо макроскопическое. Поэтому наши органы чувств не воспринимают микропроцессов. Понятия, которыми мы пользуемся для описания предметов и явлений окружающего мира, это макроскопические понятия. С их помощью можно легко описать любые физические процессы, проходящие в макромире. Но применить эти понятия для описания микрообъектов полностью нельзя, так как они не адекватны процессам микромира.

Но других понятий у нас нет и быть не может. Поэтому, чтобы компенсировать неадекватность нашего восприятия и представления об объектах микромира, нам приходится применять два дополняющих друг друга набора понятий. Эти понятия – частицы и волны. Только в совокупности они дают исчерпывающую информацию о квантовых явлениях.

Принцип дополнительности рассматривался Н. Бором не только в узком физическом смысле, но и с общефилософской точки зрения. Понятия, выработанные в науке, отражают лишь отдельные стороны реальных предметов, явлений и процессов. Таким образом, одно понятие способно отразить только часть истины. Но, собрав эти на первый взгляд противоречащие друг другу понятия, можно получить достаточно полную картину объекта.