Баллистическая теория Ритца и картина мироздания

Семиков Сергей Александрович

§ 3.11 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 две 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 -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 ⁺и ^– .

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. Зато у -мезона, как легко видеть (Рис. 120), распределение зарядов симметрично, потому и нет у этой частицы заряда, магнитного момента и античастицы.

О сложной пространственной структуре частиц говорит и асимметрия иных распадов: у многих частиц в магнитном поле б'oльшая 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 -распадах преимущественно вниз (в 60 % случаев) [85, 86]. Та же асимметрия обнаружилась и в распадах элементарных частиц, таких как - и -мезоны, ⁰– 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, причём, — как раз потому, что принимал квантовую бесструктурную модель частиц и ядер. По той же причине он ошибочно отвергал идею спина, вращения частиц, имеющего прямое отношение к асимметрии их распадов (§ 3.19, § 5.7).

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 многие другие частицы, состоят из крупных блоков в виде мюонов и пионов, — обычных продуктов распада (§ 3.8). Выходит, раз в случае антипротонов нет аннигиляции, то их не следует считать антиматерией.

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, поэтому рассмотрим его подробней

ближе к концу книги (§ 5.6).

Пока же отметим, что, возможно, эта временн'aя асимметрия и порождает асимметрию свойств электронов и позитронов, от которой 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 Nреонов, то у позитрона радиус чуть больше R=r+, и испускает он ежесекундно nареонов. Поскольку сила F= knr ²воздействия 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 F ₁= kNr ²= knr ²(1+2 /r+ ² /r ²);

2) сила отталкивания позитрона другим позитроном F ₂= knR ²= knr ²(1+2 /r+ ² /r ²);

3) сила притяжения электрона позитроном F ₃= knr ²;

4) сила притяжения позитрона электроном F ₄= kNR ²= knr ²(1+4 /r+6 ² /r ²).

Причём, асимметрия, разница размеров, как нашли выше, составляет ничтожную величину / r=10 ^–21(§ 1.17). И, всё же, именно эта ничтожная разница, асимметрия размеров и сил, судя по всему, и приводит к асимметрии структуры нашего мира, порождая атомы с положительно заряженными ядрами — в окружении отрицательно заряженных электронов, которых много больше, чем свободных позитронов. Действительно, при указанном соотношении сил, позитрон всегда будет притягиваться нейтральной системой зарядов с удельной (приходящейся на единицу массы нейтральной частицы) силой W= F ₄— F ₂ =2 knr=2 F/ r, а электрон будет отталкивается с удельной силой W= F ₁— F ₃=2 knr (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.

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 нейтронов.

Электронов и позитронов во Вселенной, как говорилось, поровну (§ 1.6), 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 системы элементарных частиц в состояние с наименьшей энергией, наблюдаемое ныне. Похожая ситуация имеет место и в мире атомов химических элементов: часть их пребывает в свободном, а часть — в связанном состоянии, за счёт разницы стягивающих атомы химических сил. Так, на Земле много свободного кислорода в виде молекул, атомов и отрицательных ионов, тогда как атомы водорода и его положительные ионы встречаются лишь в связанном виде (в составе воды и её кристаллов).