Главная >> В мире больших скоростей >> Специальная теория относительности 22. В поисках новых частиц
После великого открытия Эйнштейна прошло 60 лет, и практика убедительно показала, что предсказания теории относительности действительно оправдались. Современную науку и технику уже невозможно представить без теории относительности. Атомный век одновременно является и веком теории относительности. Без нее не удалось бы высвободить энергию ядра. О применениях теории относительности в технике мы упоминали. Рассмотрим теперь вкратце вопрос об использовании теории относительности в теоретической физике, в частности, в теории элементарных частиц.
Теория относительности является единой теорией пространства и времени. Это значит, что при описании всех процессов, протекающих в пространстве и времени, нужно иметь в виду основные требования этой теории, особенно требование равноправности всех инерциальных систем. Применение этого требования оказалось одним из самых плодотворных приемов в истории теоретической физики. Ярким примером этого может служить история открытия позитрона и антипротона.
В 1928 г. английский физик П. Дирак создал теорию электрона, учитывая все требования специальной теории относительности. Все предсказания теории удивительно точно совпадали с результатами экспериментов, за исключением одного. Найденные уравнения не ограничивались описанием только электронов, а говорили еще о каких-то частицах с массой электрона, но несущих положительный заряд. Дирак был поражен. Единственными известными в то время частицами с положительным зарядом были протоны, но их масса превышает массу электрона в 1837 раз. Уравнения явно говорили о каких-то других частицах. Дирак назвал их антиэлектронами.
Гипотетический антиэлектрон, о существовании которого говорила теория Дирака, считали серьезным недостатком теории Дирака. Самым удивительным, однако, было следующее предсказание его теории: при встрече электрона и антиэлектрона оба они должны исчезнуть, порождая γ-квант, или же, наоборот, если энергия γ-кванта больше 1,02 Мэв, то они могут превратиться в пару, состоящую из электрона и антиэлектрона. Совершенно непонятные предсказания! Выдающийся физик-теоретик В. Паули писал об этом в 1932 г.: «Оказывается, что трудности в теории действительно глубоки и их невозможно ни отбросить, ни как-либо преодолеть».
И вдруг выяснилось, что на самом деле никаких трудностей нет. В 1932 г. открыли новую элементарную частицу с массой, равной массе электрона, и она несла положительный электрический заряд. Эту частицу стали называть позитроном. Оказалось, что свойства позитрона в точности совпадают со свойствами таинственного антиэлектрона, предсказанного теорией Дирака. Как только позитрон встречается с электроном, оба они исчезают, порождая один или несколько γ-квантов с общей энергией (те + + тр)с2 (те — масса электрона; тр —масса позитрона). Это именно тот процесс, о котором говорит основанная на теории относительности теория электрона: масса электрона и позитрона исчезает, освобождается энергия, эквивалентная этим массам. Конечно, возможен и обратный переход, где за счет энергии у-кванта возникает пара: электрон — позитрон (в этом случае энергия превращается в массу покоя). И такое превращение было обнаружено экспериментально.
Предсказания теории Дирака были настолько смелыми, что сначала в них никто не верил, в том числе и сам автор теории. И все-таки они сбылись. Такую изумительную способность ясновидения теория приобрела благодаря учету всех основных требований теории относительности. Открытие позитрона было триумфом этой теории.
В дальнейшем физики стали смелее. На повестку дня стал протон. Эта частица несет положительный заряд, но по ряду других свойств она очень сходна с электроном. Теория протона, учитывающая требования теории относительности, предсказывает и существование соответствующей протону античастицы.
Теория предсказывала, что в природе должна существовать частица с такой же массой, как протон, но имеющая отрицательный электрический заряд. Эту частицу стали называть антипротоном. Из теории следовало также, что, встречаясь, протон и антипротон должны аннигилировать и что при этом будет освобождаться энергия, равная (Мр + Ма)с2 (Мр — масса протона; Ма — масса антипротона).
Согласно теории возможен также обратный процесс, когда возникает пара: протон — антипротон. Верны ли эти предсказания? Ученые приступили к поискам антипротона. Как велика эта энергия, за счет которой может образоваться пара частиц протон — антипротон? Вычисление показывает, что масса покоя протона эквивалентна 938 Мэв, то же самое можно сказать и об антипротоне. Чтобы возникли протон и антипротон, нужно затратить не меньше 1876 Мэв энергии. Помимо этого, удовлетворение закона сохранения импульса требует еще дополнительной энергии. Вычисления показывают, что возникновения пары протон — антипротон можно ожидать в том случае, если в мишень из какого-нибудь вещества направить пучок протонов, имеющих кинетическую энергию по меньшей мере 5600 Мэв каждый. Масса таких протонов превышает их массу покоя почти в семь раз, а скорость больше 297 000 км/сек.
В 1955 г. в Соединенных Штатах Америки пустили ускоритель, в котором протоны получили энергию, необходимую для рождения пары протон — антипротон. Научный мир обошло известие об открытии антипротона. Вера ученых в теорию относительности оправдалась. Свойства антипротона оказались именно такими, как предсказывала теория: при встрече антипротона с протоном они аннигилируют, причем освобождается количество энергии, эквивалентное их массам. Носителями этой энергии становятся мезоны и γ-кванты.
СМОТРИТЕ ТАКЖЕ:
Социальные комментарии Cackle
|
