Взаимопревращаемость элементарных частиц

Элементарные частицы — простейшие (из известных на сегодня) структурные элементы вещества. Атомы, из которых складываются окружающие нас предметы, состоят из атомных ядер и электронов. Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Таким образом, атомы состоят из трех родов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Свет и вообще электромагнитное поле, представляющие особую форму материи, качественно отличную от твердого, жидкого и газообразного вещества, в процессах взаимодействия с атомами и элементарными частицами также проявляют себя как совокупности частиц — фотонов. Известно также около двух десятков элементарных частиц, порождающихся в процессах столкновений протонов, нейтронов, электронов и других частиц, обладающих большими энергиями. Физикам неизвестны какие-либо простейшие формы материи, которые не проявляются в виде частиц.

Таким образом, вновь, на более глубоком уровне познания микромира, утверждается атомистическая картина строения материи, угадывавшаяся еще древними философами. Однако новая атомистика элементарных частиц качественно отличается от химической атомистики прошлого века и от атомистических представлений древних. Элементарные частицы не являются неизменными простейшими элементами: они могут превращаться друг в друга в процессах взаимодействия, порождаться или поглощаться различными комплексами взаимодействующих частиц.

Открытием антипротона в конце 1955 г. экспериментально установлено, что не существует каких-либо групп элементарных частиц, которые не могли бы превращаться в другие элементарные частицы. Таким образом, взаимопревращаемость элементарных частиц можно считать экспериментально установленным всеобщим, фундаментальным законом простейших форм материи^[1]. Следовательно, не существует каких-либо простейших, неизменных элементов — частиц, которые не могли бы превращаться в другие известные частицы. Частицы любого вида в соответствующим образом выбранных элементарных реакциях могут превращаться в частицы другого вида. В этом состоит коренное отличие современной атомистики элементарных частиц от атомистики древних философов, допускавших неизменные первичные элементы — атомы. Во всеобщей взаимопревращаемости элементарных частиц выражается одно из наиболее фундаментальных свойств материи вообще—ее способность превращаться из одной формы в другую, качественно отличную.

* * *

Представление о взаимопревращаемости элементарных частиц распространилось в современной физике в 1932—1933 гг. после открытия позитрона^[2] (Андерсон) и последовавшего затем открытия так называемого явления «аннигиляции» электронно-позитронных пар, то есть их превращения в гамма-фотоны (Блеккет, Оккиалини и др.). Позитрон же фактически содержался в релятивистской теории электрона, построенной Дираком в 1928 г. Таким образом, возможность взаимопревращаемости элементарных частиц глубоко связана с релятивистскими законами движения материи и теоретически обнаружилась сразу после открытия взаимосвязи пространства и времени, выражаемой преобразованиями Лоренца.

Экспериментально взаимопревращаемость элементарных частиц подтверждалась на протяжении более чем двух десятилетий каждый раз после открытия новых элементарных частиц. Открытие нейтрона в 1932 г. (Чадвик) и последовавшее затем открытие искусственной радиоактивности в 1933 г. (Кюри и Жолио) показали, что элементарная частица — нейтрон может превращаться в протон, испуская электрон и нейтрино — частицу, которая долгое время теоретически допускалась почти всеми физиками, но была экспериментально обнаружена лишь в 1953 г. (Рейнес, Коуэн)^[3]. Эти же открытия позволили построить современную, протоно-нейтронную модель атомного ядра (Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг), из которой следовало, что внутри ядра протон может превращаться в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино. Таким образом, была установлена взаимопревращаемость нуклонов, т. е. протонов и нейтронов с испусканием или поглощением электронов, позитронов и нейтрино. В 1936 г. Андерсоном и Неддермейером в потоке космической радиации была открыта частица с массой, превышающей 200 электронных масс, которая была названа мезоном. В дальнейшем, в 1947 г., после исследований Латтеса, Оккиалини и Поуэлла^[4] эта частица была названа μ-мезоном, так как указанные авторы, детально изучив процесс образования и распада мезонов, обнаружили, что в процессах ядерных столкновений сперва образуется более тяжелая частица π-мезон, который распадается на μ-мезон и легкую нейтральную частицу (нейтрино), а μ-мезон в дальнейшем распадается на электрон (или позитрон) и легкие нейтральные частицы (нейтрино). Детально процессы порождения и распада π-мезонов и μ-мезонов были исследованы на мощных ускорительных установках. В результате ряда исследований были обнаружены не только положительно и отрицательно заряженные π- и μ-мезоны, но и нейтральные мезоны, распадающиеся на два γ-фотона (Бьоркланд, Грандалл, Моейр и Йорк, 1950 г.)^[5]. Начиная с работы Леприпс-Ринге и Лоритье в 1944 г. рядом исследователей была обнаружена группа тяжелых мезонов (К-мезоны), имеющих массу около 1000 электронных масс и распадающихся на π-мезоны, μ-мезоны, электроны и нейтрино (а также, возможно, фотоны). В 1947 г. Рочестером и Батлером^[6] были обнаружены гипероны — частицы, более тяжелые, чем нуклоны, и распадающиеся на нуклоны и π-мезоны. Таким образом, к осени 1955 г. были известны стабильные частицы — протоны, электроны, позитроны, нейтрино и фотоны^[7], а также нестабильные π-мезоны, μ-мезоны, тяжелые мезоны и гипероны, спонтанно распадающиеся и превращающиеся в конце концов в стабильные частицы.

Однако до октября 1955 г. еще нельзя было рассматривать представление о взаимопревращаемости элементарных частиц как экспериментально доказанный всеобщий закон, так как на опыте не было еще обнаружено превращение группы тяжелых частиц — барионов (нуклоны и гипероны) в мезоны (π-мезоны и К-мезоны) или легкие частицы — лептоны (μ-мезоны, электроны и позитроны, а также нейтрино) без остаточного протона в конце реакции. Не был еще обнаружен давно предсказанный теоретиками антипротон — частица, находящаяся в таком же отношении к протону, как позитрон относится к электрону, и могущая в паре с протоном превращаться без остатка в π-мезоны или фотоны. До открытия антипротона не исключена была гипотеза, согласно которой тяжелые частицы не имеют античастиц, и, следовательно, материя, существующая в форме тяжелых частиц, никогда не может быть полностью превращена в материю, существующую в форме легких частиц, или мезонов, т. е. что взаимопревращаемость не имеет всеобщего характера.

Только в октябре 1955 г. Чемберлену, Сегре, Виганду и Ипсилантису^[8], работающим в Беркли (США) на беватроне (мощном ускорителе, дающем пучок протонов с энергиями, превышающими 6 миллиардов электрон-вольт), удалось впервые экспериментально обнаружить антипротон. В этих экспериментах рождаются пары протонов и антипротонов в процессе столкновения ускоренных протонов с нуклонами мишени.

Вскоре после открытия антипротона была обнаружена и исследована реакция «аннигиляции» протона и антипротона, т. е. превращения этой пары в несколько л-мезонов. Таким образом, было открыто полное превращение пар тяжелых частиц и античастиц в π-мезоны, а следовательно, и в легкие частицы. Этим окончательно установлен всеобщий характер закона взаимопревращаемости элементарных частиц, который теперь может рассматриваться как всеобщий закон простейших форм материи.

Вслед за антипротоном группой, руководимой Лофгреном, работающей на том же беватроне в Беркли, был открыт и антинейтрон^[9]. С открытием этой частицы подтверждается не вызывающее каких-либо возражений допущение, что все тяжелые частицы — барионы, имеют соответствующие античастицы — антибарионы. Можно надеяться, что в ближайшее время, с пуском синхрофазотрона на 10 миллиардов электрон-вольт, будут открыты и антигипероны (энергии протонов, даваемых берклиевским беватроном, недостаточно для порождения пар, содержащих тяжелые антигипероны)^[10].

Закон взаимопревращаемости элементарных частиц является наилучшей основой для установления их естественной систематики. Этот закон наглядно иллюстрируется приведенной ниже таблицей элементарных частиц. В этой таблице сгруппированы в порядке возрастающей массы все открытые элементарные частицы, а также некоторые еще не обнаруженные экспериментально, но ожидаемые, исходя из надежных теоретических соображений. Такими предсказываемыми в данной таблице частицами являются: антигипероны ̃Λ⁰, ̃Σ ^—, ̃Σ⁰, ̃Σ ⁺, Ξ⁺, нейтральные каскадные гиперон и антигиперон Ξ⁰ и ̃Ξ⁰ и, наконец, нейтрино^[11]. Не исключено также существование других частиц, например, двух сортов нейтральных π-мезонов, как это следует из гипотезы Ферми-Янга, или векторных нейтральных тяжелых мезонов, как это следует из гипотезы нейтронного заряда, а также других гипотетических частиц. Последние предполагаемые частицы мы, однако, не будем включать в нашу таблицу, так как теоретические основания для допущения их существования менее надежны, чем в случае перечисленных выше частиц, которые мы включили в таблицу.

В первой колонке таблицы даны названия частиц и групп частиц. Во второй колонке даны обычно употребляемые символы частиц и античастиц. В третьей приведены приблизительные значения масс частиц^[12], выраженные в единицах электронной массы (т. е. масса электрона принята за единицу). В четвертой даются значения спина частиц в единицах h/2π. В пятой колонке для каждой нестабильной частицы указано время жизни, то есть среднее значение времени существования частицы до ее распада на другие частицы. В шестой даны основные реакции распада нестабильных частиц, а для стабильных частиц указаны реакции их парного превращения в частицы другой группы. Наконец, в седьмой колонке дается более рациональная символика элементарных частиц^[13], в которой отражены все «заряды» или «элементарные» числа, характеризующие основные свойства частиц. Справа вверху отмечается электрический заряд, справа внизу — «нейтронный заряд»^[14], слева внизу — лептонное число (или минус «нейтринный заряд»)^[15].

Приведенные в таблице цифровые данные для масс и времени жизни частиц взяты в основном из обзорной статьи Шапиро^[16], а также из ряда более поздних статей^[17]. Поскольку для целей, преследуемых нашей статьей, точные значения указанных величин несущественны, многие цифры нами округлены.

Из таблицы видно, что все частицы разбиваются на четыре основные группы: нулевую группу, в которую входит только фотон; группу легких частиц, или лептонов, группу мезонов и, наконец, группу тяжелых частиц, или барионов^[18]. Фотонная группа и группа мезонов качественно отличаются от группы лептонов и группы барионов целочисленным значением спина. Легкие же и тяжелые частицы имеют полуцелый спин. Все тяжелые мезоны мы обозначаем одной буквой — К, считая, что все одинаково заряженные К-мезоны являются одной и той же частицей, способной распадаться различными путями. Эта гипотеза обосновывается соображениями Ли Цундао и Янга Чжан-пина^[19] относительно несохранения четности при слабых взаимодействиях, обусловливающих распад тяжелых мезонов.

Согласно шестому столбцу таблицы, все тяжелые мезоны превращаются либо в π-мезоны, либо в π-мезоны

и пары лептонов (μ-мезоны, электроны и нейтрино), либо в пары лептонов. В свою очередь, заряженные π-мезоны превращаются в μ-мезоны и нейтрино, а μ-мезоны далее превращаются в стабильные электроны и нейтрино; нейтральные же π-мезоны превращаются в пары γ-фотонов. Следовательно, все без исключения мезоны в конце концов превращаются в стабильные легкие частицы положительные и отрицательные электроны и нейтрино, а также в γ-фотоны.

Несколько иначе превращаются тяжелые частицы. Все гипероны превращаются в протоны, нейтроны и π- мезоны. В свою очередь, нейтроны распадаются на протоны, электроны и нейтрино, а π-мезоны распадаются как было указано выше.

Таким образом, в конце концов все тяжелые частицы тяжелее протона превращаются в стабильные протоны, электроны (±), нейтрино и фотоны. Что же касается протона, то он может целиком превратиться в легкие частицы только в паре с антипротоном, так же как электрон может превратиться в фотоны только в паре с антиэлектроном, т. е. с позитроном. Ограниченность места не позволила привести в таблице все возможные, в том числе и мало вероятные, реакции распада, или превращения. Однако все эти, не указанные нами реакции не противоречат сделанным выше выводам.

Итак, в результате процессов распада и процессов «аннигиляции» все элементарные частицы могут превращаться в самые легкие частицы — нейтрино и фотоны. Теоретически очевидно, что нейтрино и антинейтрино, если они имеют отличную от нуля массу покоя, так же как электроны и позитроны, могут «аннигилировать», т. е. превращаться в фотоны.

* * *

Порождение любых элементарных частиц и превращение легких в более тяжелые может происходить при столкновениях быстрых частиц друг с другом. Все известные, более тяжелые, чем фотоны и нейтрино, частицы могут быть порождены, например, в следующих реакциях^[20].

γ + Р → Р + e⁺ + е^—

γ + Р → Р + μ⁺ + μ^—

P + P → P + n + π⁺

P + n → P + P + π^—

P + P → P + P + P + ̃P

P + P → P + P + n + ̃n

P + P → P + Λ⁰ + k⁺

P + P → P + P + k⁺ + k^—

P + P → P + Σ⁺ + k⁰

P + P → P + P + k⁰ + ̃k⁰

P + n → Σ^— + k^—

P + P → P + Ξ^— + k⁺ + k⁺

Однако для осуществления всех этих процессов необходимо, чтобы сталкивающиеся частицы имели достаточно большие энергии, так чтобы общая масса покоя системы сталкивающихся частиц

(1)

превышала сумму масс покоя образующейся системы частиц здесь E_k и ^→p_k — энергии и импульсы отдельных частиц, а суммирование ведется по всем частицам, с — скорость света). Иначе говоря, необходимо, чтобы дефект массы ΔМ был положителен:

(2)

где массы покоя частиц, образующихся после столкновения. Учитывая, что общая масса покоя системы может быть представлена как

(3)

где Т — кинетическая энергия относительного движения частиц (т. е. кинетическая энергия, вычисленная в системе отсчета, связанной с центром тяжести совокупности частиц), соотношение (2) можно записать также в виде:

(4)

где Δm₀ — разность суммы масс покоя образовавшихся частиц и суммы масс покоя исходной системы частиц, ΔT — кинетическая энергия, исчезающая при рождении избыточней массы покоя Δm₀.

Соотношения (2) — (4) не накладывают существенных ограничений только на процессы образования и поглощения фотонов и вообще электромагнитного поля, поскольку эта форма материи может обладать неограниченно малой массой покоя^[21], и, следовательно, вообще электромагнитное поле играет особую роль некоторой универсальной формы материи в процессах взаимопревращения элементарных частиц.

Условие (2) — (4) не является единственным необходимым условием возможности порождения какой-либо совокупности частиц. Как процессы порождения частиц, так и процессы их распада могут иметь место лишь в случае выполнения ряда абсолютных законов сохранения. Кроме известных из макроскопической физики законов сохранения энергии, импульса и момента количества движения, а также закона сохранения электрического заряда, при взаимодействиях элементарных частиц всегда удовлетворяется закон сохранения барионного числа n, т. е. разности числа тяжелых частиц и тяжелых античастиц. По-видимому, абсолютным, т. е. выполняющимся во всех без исключения реакциях, законом сохранения является также закон сохранения лептонного числа λ, т. е. разности числа легких частиц и легких античастиц^[22].

В последнее время был установлен еще один закон сохранения, удовлетворяющийся в реакциях рождения новых частиц, — это закон сохранения нейтронного заряда^[23], или, иначе, сохранение «странности»^[24]. Нейтронный заряд — Σ и «странность» S связаны следующим соотношением:

S = Е + Σ — n,

где E = Q/e, Q — электрический заряд, е — абсолютное значение заряда электрона. Мезонам и барионам приписываются значения нейтронного заряда Σ согласно последнему столбцу таблицы элементарных частиц. Легко видеть, что во всех рассмотренных выше реакциях порождения частиц величина Σ (а также S) не изменяется.

К. Нишиджима^[25], Р. Саксом^[26] и М. Гелл-Манном^[27] было замечено, что S не изменяется (то есть ΔΣ = 0) во всех так называемых «быстрых» процессах, обусловленных электромагнитными взаимодействиями. Однако, как показали эти же авторы, в «медленных» процессах распада гиперонов и мезонов величина S (или Σ) изменяется на единицу, (Δε) = 1. Действительно, как это легко проверить исходя из последнего столбца таблицы, для нижеследующих реакций распада (ΔΣ) = 1,

Ξ^— → Λ⁰ + Π^—

Σ⁺ → P + Π⁰

Σ^— → n + π^—

Σ⁺ → n + π⁺

Λ⁰ → P + π^—

Λ⁰ → n + π⁰

k⁺ → π⁺ + Π⁰

k⁰ → π⁺ + π^—

Таким образом, закон сохранения нейтронного заряда, или «странности», не является абсолютным законом сохранения в отличие от закона сохранения электрического заряда, который сохраняется во всех без исключения реакциях.

Существует также ряд других не абсолютных законов сохранения, которые обусловливают малую вероятность некоторых превращений. Одним из таких законов является закон сохранения четности. Долгое время считалось, что закон сохранения четности, т. е. свойство полевых функций, описывающих частицы, сохранять или изменять знак при преобразовании пространственных отражений является абсолютным законом сохранения.

Было установлено, что для реакций, обусловленных сильными взаимодействиями, четность действительно сохранятся. Однако для реакций, обусловленных слабыми взаимодействиями, как это впервые обнаружили Ли Цзун-дао и Янг Чжан-пин^[28] при анализе процессов распада К-мезонов, а затем подтвердили другие физики на процессах β-распада и вообще распадов с участием лептонов, оказалось, что четность не сохраняется. Открытие несохранения четности при слабых взаимодействиях может рассматриваться как свидетельство наличия внутренней структуры элементарных частиц, которая пока не раскрыта еще полностью. Для нас здесь существенно, что закон сохранения четности является еще одним примером не абсолютного закона сохранения, аналогичного закону сохранения нейтронного заряда.

Учитывая все вышесказанное, закон взаимопревращаемости элементарных частиц можно сформулировать следующим образом: любые элементарные частицы могут быть полностью превращены в фотоны либо непосредственно, либо в совокупности с соответствующими античастицами.

Принимая эту формулировку, мы, очевидно, предполагаем, что все возможные элементарные частицы либо имеют соответствующие античастицы, либо могут спонтанно превращаться в фотоны или частицы, распадающиеся на фотоны. Здесь также предполагается, что превращение частиц в фотоны обратимо. Оба эти положения можно рассматривать, как результат обобщения опытных фактов.

* * *

Итак, в принципе возможны превращения любых элементарных частиц в любые другие частицы, однако эти взаимопревращения ограничены рядом законов сохранения, не допускающих любые, произвольно придуманные реакции. Но всегда возможно подобрать цепочку реакций, при помощи которых возможно превратить совокупность любого вида частиц и античастиц в совокупность другого вида.

Материя в своих простейших формах может превращаться из одной формы в любую другую, качественно отличную, однако возможность превращений отдельных простейших форм ограничивается рядом законов сохранения. Законы же сохранения выражают неуничтожимость различных атрибутов материи.

Законы сохранения, удовлетворяющиеся в процессах взаимопревращения простейших форм материи, качественно отличаются друг от друга. Ряд законов выражает сохранение качественно различных форм движения (сохранение импульса, энергии и момента количества движения). Другая группа законов выражает сохранение основных качественных отличий различных простейших форм материи (сохранение электрического и нейтронного заряда, барионного и лептонного числа).

Наконец, закон сохранения общей массы покоя системы может рассматриваться как закон, в наиболее общей форме выражающий сохранение материи в ее простейших формах.

Остановимся более подробно на содержании всех этих законов сохранения.

Начнем со второй группы законов — законов сохранения различных зарядов и элементарных чисел. Наличие у частицы отличного от нуля барионного числа п свидетельствует о принадлежности частицы к группе тяжелых частиц. Барионное число любой замкнутой совокупности не может уменьшиться. Могут лишь образоваться пары частиц и античастиц, но это не изменяет барионное число и, следовательно, не уменьшает число тяжелых частиц. Сохранение барионного числа обеспечивает стабильность вещества, т. е. невозможность превращения нуклонов, входящих в состав ядер, в легкие частицы и в фотоны. Таким образом, сохранение барионного числа выражает сохранение глубоко качественного отличия группы тяжелых частиц от всех остальных. Если у какой-либо системы частиц барионное число равно нулю, то частицы, имеющие отличное от нуля барионное число и, следовательно, свойства тяжелых частиц, могут появиться только парами полярно противоположных частиц с положительным и отрицательным барионными числами.

Аналогично тяжелым частицам, легкие частицы также обладают качественными особенностями, сохранение которых обеспечивается законом сохранения лептонного числа. В любой изолированной системе не могут быть порождены электроны без позитронов или без образования в конце всех реакций распада равного числа антинейтрино (или соответственно без поглощения такого же числа нейтрино).

Сохранение электрического заряда выражает сохранение особого свойства создавать расходящееся электрическое поле. Этим свойством могут обладать частицы всех групп, кроме нулевой группы (фотон). Электрический заряд неуничтожаем и может исчезать и порождаться только парами + и — зарядов. Возможно, что нейтронный заряд также создает некоторое поле, аналогичное электрическому полю^[29], однако кванты этого поля не могут иметь массу покоя, равную нулю, как это имеет место у квантов электромагнитного поля. Если бы кванты поля, создаваемого нейтронным зарядом, имели нулевую массу покоя, то существовали бы дальнодействующие силы между нейтронами, которые в действительности не наблюдаются. Это отличие квантов «нейтронного» поля может объяснить и неабсолютный характер закона сохранения нейтронного заряда, т. е. возможность его уничтожения в «медленных» процессах распада. Однако все эти рассуждения, касающиеся нейтронного заряда, носят пока гипотетический характер.

Резюмируя особенности группы законов сохранения зарядов и элементарных чисел, можно сказать, что они выражают сохранение основных качественных различий элементарных частиц. Эти качественные различия могут порождаться лишь во взаимных противоположностях, т. е. парами + и — зарядов или положительных и отрицательных элементарных чисел. Иначе говоря, качественно новое возникает путем разделения существующего на взаимные противоположности. Причем противоположности абсолютно тождественны по всем свойствам, за исключением знаков зарядов. Исключением является лишь нейтронный заряд, который в некоторых, маловероятных процессах может исчезать или появляться не в паре с зарядом противоположного знака. Однако нейтронный заряд, или «странность», не является столь существенной качественной характеристикой как электрический заряд, или барионное число.

Перейдем к группе законов сохранения различных форм движения. Наличие у совокупности частиц общего количества движения, или импульса (как это в последнее время стало принято говорить), всегда свидетельствует о наличии поступательного движения этой совокупности как целого. Таким образом, сохранение общего импульса системы выражает сохранение поступательной формы движения материи. Это справедливо не только для совокупностей элементарных частиц, но и для любых полей. Всегда наличие импульса свидетельствует о пространственном поступательном перемещении той или иной формы материи.

Наличие общего момента количества движения, в том числе и у электромагнитного поля, всегда свидетельствует о наличии (иногда в скрытом виде) вращательного движения. Следовательно, закон сохранения общего момента количества движения системы выражает сохранение вращательной формы движения материи.

Наконец, сохранение общей энергии системы выражает неуничтожимость движения во всех его формах, включая внешне скрытые формы движения. Относительное движение различных частей изолированной системы в процессе взаимопревращения простейших форм материи может уменьшаться и даже вообще исчезать. Однако закон сохранения энергии в применении к простейшим формам материи — к элементарным частицам, не допускает безвозвратной потери движения. Всегда в силу закона сохранения энергии возможны обратные процессы, в которых исчезнувшее движение возобновится. Если движение какой-либо простейшей формы материи исчезло вместе с этой формой в результате взаимопревращения, то, согласно закону сохранения энергии, оно вновь появится при обратном превращении. Обратные же превращения для простейших форм материи всегда могут быть осуществлены в силу полной обратимости всех законов движения простейших форм материи.

В сохранении энергии для простейших форм выражается также невозможность каких-либо превращений одной формы материи в другую без движения и невозможность возникновения новых форм движения без качественных превращений материи из одной формы в другую. Действительно, согласно формуле (4), являющейся следствием закона сохранения энергии, образование новых элементарных частиц всегда связано с потерей кинетической энергии относительного движения частиц (энергия поступательного движения системы как целого при этом не изменяется). И наоборот, в процессе поглощения или в процессах «аннигиляции» частиц кинетическая энергия относительного движения увеличивается. При этом появляются или исчезают новые движущиеся частицы (или поля), т. е. новые формы движения материи.

Что касается закона сохранения общей массы покоя системы — М₀, то его можно рассматривать в силу (1) как формальное следствие закона сохранения общего импульса и общей энергии . Однако сохранение М₀ имеет и непосредственный глубокий смысл. Сохранение общей массы покоя в наиболее общем виде выражает сохранение материи в ее простейших формах при их взаимных превращениях. Общая масса покоя системы может считаться основной количественной мерой материи в ее простейших формах, ибо согласно (2) или (3) максимальное количество несвязанных элементарных частиц какого-либо рода, которые могут образоваться в данной свободной системе, определяется общей массой покоя системы Мо. С точки зрения нерелятивистских представлений М₀ — несколько необычная мера материи, ибо , т. е. общая масса покоя системы не аддитивна. Однако физики давно уже привыкли к тому, что необычность не является аргументом против принятия того или иного закона или определения, если согласуются с фактами.

Особо следует отметить, что новая трактовка законов сохранения материи и движения не противоречит конкретной форме этих законов, данной Ломоносовым, Р. Майером, Гельмгольцем и другими естествоиспытателями, а также Энгельсом в результате обобщения основных законов дорелятивистской физики. При переходе к нерелятивистской области малых энергий взаимосвязанные законы сохранения общей массы покоя системы, энергии и импульса распадаются на три самостоятельных закона сохранения. Вместо сохранения общей массы покоя в пределе получается закон сохранения суммы масс покоя, вместо релятивистского закона сохранения полной энергии — закон сохранения суммы всех кинетических и потенциальных форм энергии, вместо закона сохранения общего релятивистского импульса — механический закон сохранения суммы произведений масс на скорости.

В нерелятивистской области сохранение поступательной формы движения может рассматриваться как сохранение механического поступательного движения при механических взаимодействиях и превращениях. Таким образом, сумма произведений масс на скорости может рассматриваться как мера механического движения, измеряемого механическим же движением. Неуничтожимость движения во всех его формах, выражаемая законом сохранения суммы всех кинетических и потенциальных форм энергии. Так, например, при превращениях относительного движения макроскопических тел в молекулярное тепловое движение, согласно закону сохранения энергии, кинетическая энергия относительного макроскопического движения превращается в эквивалентное количество кинетической энергии хаотического движения молекул. Если при этих превращениях исчезает (или появляется) некоторое количество любого вида кинетической энергии относительного движения, то при этом появляется (или исчезает) соответствующее количество потенциальной энергии, что означает рождение (или уничтожение) пропорционального количества полевой формы материи. Наконец, закон сохранения суммы масс покоя, в который вырождается релятивистский закон сохранения общей массы покоя системы при переходе в нерелятивистскую область, выражает сохранение общего количества стабильных форм материи.

Таким образом, сделанные за последнюю четверть века фундаментальные открытия в области физики элементарных частиц, завершившиеся на данном этапе открытием антинуклонов, экспериментально обосновывают всеобщий закон взаимопревращаемости всех простейших форм материи. Этот закон составляет основу принципиально новой атомистики — атомистики элементарных частиц — и фундаментально подтверждает одно из основных положений диалектического материализма о единстве материального мира. Закон взаимопревращаемости простейших форм материи по-новому раскрывает взаимосвязь материи и движения, а также содержание законов сохранения простейших форм материи. Он может рассматриваться, таким образом, как выражение более общего закона сохранения и превращения материи, который можно сформулировать в виде следующего положения:

Материя при любых превращениях не исчезает и не возникает вновь, она лишь превращается из одной формы в другую. Любая простейшая форма материи в надлежащих условиях может быть превращена полностью в любую другую простейшую форму.

1. Я. П. Терлецкий. О взаимопревращаемости элементарных частиц. «Вопросы философии», 1956, № 2, стр. 164. ↑

2. Позитрон иногда называют положительным электроном. ↑

3. Сб. «Проблемы современной физики». ИЛ, 1956, № 11, стр. 167. ↑

4. С. Ф. Поуэлл. Мезоны. «Успехи физических наук», 1951, р. 45, вып. 1, стр. 15. ↑

5. С. Ф. Поуэлл. Мезоны. «Успехи физических наук», 1951, т. 45, вып. 1, стр. 15. ↑

6. С. С. Батлер. Нестабильные частицы в космическом излучении. «Успехи физических наук», 1952, т. 48, вып. 3, стр. 389. ↑

7. Стабильными частицами называются не распадающиеся спонтанно на другие частицы. Фотон также не распадается на другие частицы, но в отличие от других частиц может поглощаться различными системами частиц без порождения новых частиц. ↑

8. О. Чемберлен, Э. Сегре, К. Виганд, Т. Ипсилантис. Наблюдение антипротонов. «Успехи физических наук», 1956, т. 58, вып. 4, стр. 655. ↑

9. В. Cork, G. Lambertson, О. Piecioni, W. Wenzel. «The Physical Review», 1956, vol. 104, p. 1193. ↑

10. Когда статья была в наборе, появилось сообщение об открытии самого легкого антигиперона. См. D. Т. Prowse and М. Baldo-Ceolin, «Physical Review Letters», 1958, vol. I, p. 179. ↑

11. Исходя из установленной недавно Авшаломом (М. Awschalom. «Bulletin of the American Physical Society», 1956, N 1) и другими авторами (C. L. Cowan, F. В. Harrison, L. M. Longer, F. Reines. «Nuovo Cimento», 1956, vol. IIII, N 3) невозможности двойного β-распада, необходимо допустить существование нейтрино и антинейтрино. Частицу, экспериментально обнаруженную в 1953 г. Рейнесом и Коуэном, удобнее называть «антинейтрино». ↑

12. Массы античастиц не приводятся, так как они совпадают с массами частиц. ↑

13. Я. П. Терлецкий. О рациональной символике элементарных частиц. «Журнал экспериментальной и теоретической физики», 1956, № 1, т. 31, вып. 4/10. ↑

14. Там же; его же. Систематика Салама и Полкинхорне и гипотеза нейтронного заряда. «Доклады Академии наук СССР», 1956, т. 108, № 2, стр. 236. ↑

15. После того, как была написана эта статья появился ряд работ, в которых по-иному вводятся различные «заряды» или элементарные числа. Поскольку все эти «заряды» и числа выражают одни и те же законы сохранения, мы оставляем в этой статье первоначальную систему элементарных чисел, которая нам представляется более рациональной. ↑

16. А. М. Шапиро. Таблица свойств элементарных частиц. «Успехи физических наук», 1956, т. 60, вып. 4, стр. 573. ↑

17. «Nuovo Cimento» (Supplimento), 1957, vol. VI, N 2. ↑

18. Разбивка элементарных частиц на указанные четыре группы содержалась уже в систематике, предложенной в 1946 г. Д. Д. Иваненко, а также Б. М. Кедровым (см. сб. «Философские вопросы современной физики», М., 1952). Наиболее четко эти группы были выделены в 1955 г. М. Гелл-Манном (Сб. «Проблемы современной физики», № 11, ИЛ, 1956, стр. 28). ↑

19. D. Lee, С. N. lang. «The Physikal Review», 1956, vol. 104, p. 254. ↑

20. Легко видеть, что во всех нижеперечисленных реакциях в согласии с седьмой колонкой таблицы сохраняются все виды зарядов или элементарных чисел. ↑

21. Обычно в теории рассматриваются идеальные фотоны, вообще не имеющие массы покоя. Однако практически любая совокупность фотонов (за исключением совокупности движущихся параллельно друг другу) имеет согласно (1) конечную массу покоя. Конечную массу покоя имеют вообще все образования, состоящие из электромагнитного поля, заключенные в пространственно ограниченный объем. (Я. П. Терлецкий. «Доклады Академии наук СССР», 1948, т. 63, № 5, стр. 519). ↑

22. Pauli. «Nuovo Cimento», 1957, vol. 6, p. 204. В статьях Я. Б. Зельдовича («Доклады Академии наук СССР», 1952, т. 96, стр. 505, 1953, т. 91, стр. 1317) и некоторых других, вместо терминов «барионное и лептонное число», употреблялись термины «ядерный и нейтринный заряды». Как было замечено мной — «Журнал экспериментальной и теоретической физики», 1956, т. 31, вып. 1 (10), стр. 703, — последние термины менее удачны, чем первые, и поэтому мы предпочитаем говорить о сохранении барионного и лептонного чисел. ↑

23. Я. П. Терлецкий. Систематика Салама и Полкинхорне и гипотеза нейтронного заряда. «Доклады Академии наук СССР», 1956, т. 108, № 2, стр. 236; его же. Изотопический спин и гипотеза нейтронного заряда. «Доклады Академии наук СССР», 1955, т. 101, № 6, стр. 1035. ↑

24. М. Гелл-Манн. Сб. «Проблемы современной физики», ИЛ, 1956, № 11, стр. 28. ↑

25. К. Nishijima. «Progress of Theoretical Physics», 1954, N 12. p. 107. ↑

26. P. Сакс. Классификация фундаментальных частиц. Сб. «Проблемы современной физики», № 11, ИЛ, 1956, стр. 15. ↑

27. М. Гелл-Манн. Интерпретация новых частиц как смещенных зарядовых мультиплетов. Сб. «Проблемы современной физики», № 11. стр. 28. ↑

28. Т. D. Lее, С. N. lang. «The Physical Review», 1956, vol. 104, p. 254. ↑

29. Я. П. Терлецкий. «Доклады Академии наук СССР», 1956. т. 108, стр. 236. ↑