Законы сохранения

В физике элементарных частиц сейчас не существует последовательной теории, но хорошо соблюдаются законы сохранения. Это первая причина того, что для элементарных частиц законы сохранения играют большую роль, чем в любом другом разделе физики. При переходе к микромиру законы сохранения начинают действовать более эффективно. Именно, если в макромире - законы сохранения только запрещают, то в микромире они еще и разрешают все процессы, не попавшие под запрет. Иначе говоря, в микромире все, что не запрещено полной совокупностью законов сохранения, должно обязательно совершаться. Сейчас можно считать установлен­ным, что каждый закон сохранения связан с какой-либо симметрией в окружающем нас мире. Например, из однородности пространства следует закон сохранения импульса. Но не надо забывать и о том, что говорить об изменениях можно - лишь на фоне чего - то неменяющегося. Основу для такого неизмен­ного фона в ядерной физике и дают законы сохранения.

Классификация законов сохранения основана на их физиче­ской природе. Все законы сохранения можно разделить на три:

В первую группу входят законы сохранения, связанные с геометрией четырехмерного пространства - времени. Однородность вре­мени приводит к закону сохранения энергии. С однородностью пространства связан закон сохранения импульса Р. Из –за изотропности пространства вытекает закон сохранения полного момента количества движения.Равноправие всех инерциальных систем приводит к закону сохранения центра инерции X. К этим четырем законам сохранения в квантовой теории добавляются еще - два, связанных с симметрией пространства относительно различных отражений координатных осей: два независимых закона сохра­нения, соответствующих отражениям в пространстве и во времени.

Ко второй группе мы отнесем точные законы сохранения заря­дов. Таких зарядов сейчас известно четыре: электрический заряд У, барионный заряд В, лептонный заряд Lи недавно открытый второй лептонный заряд α'. Физический смысл симметрии, связанной с каждым из этих зарядов, пока не выяснен.

К третьей группе, несколько разнородной, мы отнесем законы сохранения, выполняющиеся не для всех, а лишь для некоторых видов фундаментальных взаимодействий. Все эти законы сохранения уже не точные, а приближенные. Исследование таких приближенных законов сохранения показывает, что разные взаимодействия обладают разной степенью симметрии: чем сильнее взаимодействие, тем более оно симметрично, т. е. тем большее количество законов сохранения для него выполняется.

a) Наиболее точным из приближенных законов является закон сохранения странности , справедливый как для сильных, так и для электромагнитных взаимодействий, но нарушаемый слабыми взаимодействиями. Часто вместо странности вводят несколько другую эквивалентную ей величину, называемую гиперзарядом.

b) Закон сохранения изотопического спина, которыйсправедлив для сильных и электромагнитных взаимодействий всех частиц.

c) Зарядовая четность, соответствующая симметрии законов природы относительно операции С зарядового сопряжения, при котором изменяются знаки всех зарядов. Зарядовое сопряжение сохраняется в сильных, но нарушается в слабых взаимодействиях.

d) Р – четность (пространственная четность).

В понятие электрического заряда заложены два свойства, вообще говоря, не связанных одно с другим.

а) Во-первых, электрический заряд является аддитивной сохраняющейся величиной.

б) Во-вторых, он представляет собой константу, характеризующую интенсивность взаимодействия заряженной частицы с электромагнитным полем. В физике элементарных частиц заряд всегда понимается в его первом значении (а) и известны четыре строго сохраняющихся заряда: электрический, барионный В, лептонный α, и второй лептонный α'. Каждый из зарядов может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Роль законов сохранения зарядов сводится к запрещению про­цессов с изменением величины хотя бы одного из суммарных зарядов. Например, распад дейтрона на положительный пион и -квант не запрещен законом сохранения электрического заряда, но запре­щен законом сохранения барионного заряда, так как дейтрон обладает барионным зарядом В=2, а положительный пион имеет нулевой барионный заряд Истинно нейтральными частицами, называются частицы, у которых равны нулю все без исключения сохраняющиеся заряды. Рождение и поглощение истинно нейтральных частиц не за­прещено никакими законами сохранения зарядов.

Очень похожа на заряд странность, величина, появившаяся в физике элементарных частиц в середине пятидесятых годов. Подобно заряду, странность S является величиной аддитивной и целочисленной. Но странность сохраняется не во всех, а лишь в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Частицы, обладающие ненулевой странностью, называются странными. К странным частицам относятся гипероны и каоны. Сохранение странности в сильных и электромагнитных взаимодействиях, равно как и ее изменение по правилу отбора, прекрасно согласуется с опытными фактами и позволило сделать ряд оправдавшихся предсказаний. Но физический смысл приближенного закона сохранения странности до сих пор не понят.

В последнее время вместо странности часто используется гипер­заряд У, определяемый соотношением У=В + S.

В физике элементарных частиц понятие изотопического спина обобщается на все сильно взаимодействующие частицы. Оказывается, что закон сохранения изотопического спина справедлив для любых сильных взаимодействий, но нарушается электромагнитными и другими взаимодействиями. Массы частиц с одинаковым полным изотопиче­ским спином должны мало различаться между собой (при отсут­ствии электромагнитных и слабых взаимодействий массы должны были бы совпадать).

Обычно выделяют законы сохранения, связанные с различного рода отражениями, т.е. такими процессами, которые связаны с ис­ходными состояниями. Пример операции отражения - зеркальное отражение. В квантовой механике существует СРТ - теорема Паули, согласно которой в любых взаимодействиях . Поэтому из симметрии относительно СР следует симметрия относительно Т, а из несохранения С в слабых взаимодействиях следует ассиметрия относительно СР. До 1964 г. считалось, что в слабых взаимодействиях Р – четность нарушалась, но сохранялась СР инвариантность, однако, распад нейтральных К – мезонов привел к тому, что нарушается и СР инвариантность. Делаем вывод, что само пространство не обладает правой и левой симметрией.