Овчинников Н.Ф. Принципы сохранения:
Законы сохранения, симметрия, структура. Изд. стереотип.

Оглавление

Введение

Принципы сохранения в физике с момента их открытия служат предметом особого интереса со стороны философии. Известно, что во времена Ф.Энгельса был открыт и получил свое применение в различных областях физики закон сохранения и превращения энергии. Ф.Энгельс назвал этот закон абсолютным законом природы. Он указал на него как на одно из великих открытий естествознания XIX в., подготовивших диалектико-материалистическое понимание природы. В.И.Ленин вслед за Энгельсом считал, что открытие закона сохранения и превращения энергии является установлением основных положений материализма.

Но еще задолго до открытия принципа сохранения и превращения энергии исследование законов природы было связано с поисками истинной меры движения. Эти поиски привели в конечном счете к открытию закона сохранения импульса, момента импульса и других законов сохранения, действующих в области механического движения. В современной механике величины, подчиняющиеся законам сохранения, носят название интегралов движения. С философской точки зрения заслуживает внимания тот факт, что постоянство этих величин оказывается в глубокой связи со свойствами симметрии пространства и времени. Все развитие физики убедительно демонстрирует методологическое значение этих принципов сохранения, равно как и законов сохранения других фундаментальных величин, действующих не только в области механического движения.

Но прежде чем приступить к рассмотрению методологических проблем, дадим краткое описание некоторых известных в физике законов сохранения. В дальнейшем нам предстоит более подробно войти в их содержание. Здесь же, во введении, предварительное и предельно краткое описание научных фактов, связанных с законами сохранения, послужит нам необходимым и в известном смысле эмпирическим основанием всего последующего философского анализа.

Закон сохранения энергии как всеобщий закон природы был открыт еще в середине XIX в. Этот закон, получив применение в различных областях классической физики, и в настоящее время остается одним из важнейших принципов современных физических теорий. Новая форма действия этого закона сохранения связана, в частности, с учетом взаимосвязи энергии и массы (Е = тс²). Закон сохранения массы в силу этой связи применяется не независимо, но совместно с законом сохранения энергии, и действие его часто выявляется через сохранение энергии.

В практике современного физического исследования закон сохранения массы и закон сохранения энергии порою не различаются, – в особенности в физике элементарных частиц, где значительно удобнее оперировать с величиной энергии частиц, нежели с величиной их массы. Зная величину энергии частицы, физик тем самым уже знает соответствующую величину ее массы. Такое отождествление энергии и массы, а значит и соответствующих законов сохранения, вполне оправдано на количественном уровне исследования. Если же мы остаемся на качественном уровне, мы можем заметить различие между массой как мерой инерции и энергией как мерой движения. И это различие находит отражение и в физике элементарных частиц, где приходится отличать энергию движения, или кинетическую энергию, от собственной энергии частицы, сопоставляемой с массой покоя. Если придать понятию массы более широкое значение, согласно которому масса в принципе сопоставима с любым типом энергии, тогда можно сказать, что наряду с законом сохранения энергии в современной физике имеет место тесно связанный с ним закон сохранения массы.

Среди различных свойств частиц можно выделить движение как особенное их свойство. Другие свойства частиц, в отличие от движения, можно было бы назвать их структурными свойствами или просто свойствами. Такое выделение движения позволяет разделить известные законы сохранения на два класса: законы сохранения движения и законы сохранения свойств. В соответствии с этим принятым в современной физике делением можно было бы закон сохранения массы отнести к классу законов сохранения свойств, в то время как закон сохранения энергии будет отнесен к классу законов сохранения движения.

Движение характеризуется не только энергией, но имеет и другие сохраняющиеся параметры. В силу этого к классу законов сохранения движения относятся, кроме закона сохранения энергии, закон сохранения импульса и закон сохранения момента импульса. Импульс, равный произведению массы частицы на скорость ее движения, характеризует, в частности, направление ее движения и связан с движущейся частицей, в отличие от энергии, которая может принимать форму собственной энергии покоящейся частицы. Если частица в момент превращения в другие частицы покоилась, то в результате превращения не может образоваться одна движущая частица. Такое превращение запрещается законом сохранения импульса. В случае превращения покоящейся частицы может образоваться несколько частиц, общий импульс которых равен нулю, как у исходной частицы. Так при распаде К+-мезона образующиеся частицы мю-плюс-мезон и мюонное нейтрино разлетаются в прямо противоположных направлениях так, что их общий импульс равен нулю, как у исходной частицы. Если учитывать принципы теории относительности, то импульс следует рассматривать в связи с энергией и с ее собственной массой. В этом случае импульс P, энергия Е и масса покоя М₀ будут связаны соотношением Е² – р²с² = М₀²с⁴, где с – скорость света.

Различные типы движения неотделимы от соответствующих типов сохраняющихся величин. Если сохранение энергии соответствует процессам превращения, в которых сохраняется скалярная величина, то сохранение импульса соответствует движению, в котором сохраняется векторная величина. Однако наряду с прямолинейным движением объекта, в процессе которого имеет место сохранение импульса, существует вращательное движение, которому соответствует сохранение момента импульса. Как и импульс, момент импульса является векторной величиной. Вращательное движение в качестве особого типа движения в свою очередь может существовать как орбитальное и как собственное вращение. В соответствии с этими подтипами вращательного движения существует орбитальный момент импульса, связанный с движением объекта по орбите, и собственный момент импульса, связанный с вращением его вокруг собственной оси. Если, например, исследуется движение частиц, то орбитальный момент импульса в единицах постоянной Планка принимает значения, кратные h. Собственный момент импульса частицы, или, иначе, спин, кратен 1/2h.

Орбитальный момент, как мера интенсивности вращательного движения, был известен в сущности уже Кеплеру. В явном виде, однако, понятие момента импульса содержится в механике Ньютона. Открытие собственного момента импульса элементарной частицы, или спина, как фундаментального сохраняющегося ее свойства, связанного с особым характером внутреннего движения частицы, представляет собою достижение физики XX в. Закон сохранения орбитального момента и закон сохранения спина действуют совместно. Поэтому целесообразно в данном случае говорить об одном законе – законе сохранения момента импульса.

К числу свойств частиц, связанных с их внутренней структурой, относится электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда принадлежит к классу законов сохранения свойств. Идея сохранения электрического заряда была выдвинута еще в середине XVIII в. В.Франклином, который говорил об электрической материи, сохраняющейся при переходе от одного тела к другому., Однако только в электромагнитной теории Д.Максвелла в XIX в. этот закон получает форму сохранения двух противоположных зарядов. В этой именно форме закон действует в физике элементарных частиц. В процессах взаимных превращений частиц сохраняется алгебраическая сумма зарядов. Подобно сохранению энергии сохранение электрического заряда соответствует процессам превращения объектов, характеризуя нечто инвариантное в этих процессах. Однако в отличие от энергии, которая до сих пор рассматривается как существенно положительная величина, электрические заряды могут взаимно уничтожаться. В данном случае мы имеем дело с особым типом сохраняющихся величин. Каждая частица может иметь одно из трех значений электрического заряда: +1, -1 и 0. Правда, в последние годы открыты резонансные частицы, которые имеют удвоенное значение электрического заряда, а гипотетические кварки обладают дробным зарядом. Но так или иначе, существование известных частиц связано с дискретным характером заряда, который, будучи свойством частицы, имеет характер атрибута.

Закон сохранения электрического заряда, если рассматривать его действие в процессах превращения частиц, характеризует систему частиц, и в этом случае физик имеет дело с алгеброй природных процессов, в которой необходимо учитывать положительные и отрицательные знаки зарядов, с тем, чтобы выявить сохраняющиеся моменты исследуемых превращений. Существование нейтральных частиц может быть понято как результат взаимного отношения существенно различных структурных уровней материи. Взаимно уничтожающиеся на данном уровне положительные и отрицательные заряды сохраняются на другом, более глубоком уровне, существуя, так сказать, виртуально. Можно сказать, что закон сохранения заряда соответствует структурным изменениям материи, а сам электрический заряд является важнейшим инвариантом структурных изменений.

Сохраняющийся электрический заряд можно рассматривать как константу электромагнитного взаимодействия. Ядерное взаимодействие существенно отлично от электромагнитного, и процесс познания этого взаимодействия связан с открытием особого рода сохраняющихся величин. Взаимодействие протонов и нейтронов в ядре атома не зависит от наличия или отсутствия электрического заряда (зарядовая независимость). Опираясь на идею зарядовой независимости, Гейзенберг провел аналогию с поведением электрона, имеющего спин, равный половине, в магнитном поле. Частица, имеющая такой спин, может иметь только два состояния по отношению к магнитному полю: либо может ориентировать свой спин по направлению поля, либо против направления поля. Подобно этому протон и нейтрон можно рассматривать как два состояния одной и той же частицы – нуклона. Если отвлечься от электрического заряда, то нуклоны неразличимы, подобно тому как неразличимы спиновые состояния электронов без внешнего магнитного поля. Эта идея зарядовой независимости позволила путем аналогии с обычным спином ввести особого рода величину – изотопический спин. При этом можно таким образом построить математический аппарат, что изотопический спин нуклона, как и обычный спин электрона, будет равным половине.

Изотопический спин, как специфическое свойство частицы, связан с электрическим зарядом. Если зарядовое семейство состоит из двух частиц, то изотопический спин равен половине, и он характеризует все семейство, поскольку не проводится различия между членами семейства. Можно, однако, ввести различное значение изотопического спина для каждого члена семейства, в данном случае для протона и нейтрона. Это можно представить таким образом: берется средний электрический заряд семейства (в данном случае средний заряд нейтрона и протона равен половине) и вычитается из заряда данной частицы. Следовательно, изотопический спин (так называемая проекция изотопического спина) протона равен + 1/2, нейтрона – 1/2. Подобно электрическому заряду, изотопический спин – строго определенная сохраняющаяся величина, свойственная нуклонам и пи-мезонам. Величина изотопического спина данной частицы атрибутивно сохраняется для каждой данной частицы, поскольку она не претерпевает качественных превращений. Если же происходят такие превращения, то в случае, если превращения вызываются зарядово независимыми взаимодействиями, полный изотопический спин системы частиц также сохраняется. Существует, следовательно, закон сохранения изотопического спина.

Начиная с 1947 г., когда впервые обнаружились следы так называемых V-частиц, была открыта большая группа новых частиц, получивших впоследствии название <странных>. Исследование процессов рождения и гибели этих частиц привело к открытию нового сохраняющегося параметра, названного <странностью>, и к соответствующему закону сохранения. Странность, подобно электрическому заряду, может иметь положительный и отрицательный знак, а по абсолютному значению выражается целым числом. Эту новую сохраняющуюся величину принято обозначать через S. М.Гелл-Манн и К.Нишиджима, которые выдвинули эту идею новой сохраняющейся величины и дали этой величине название, осуществили на основе открытого ими закона сохранения предсказание новых частиц., Группа странных частиц сразу же получила систематизацию и связь с известными ранее частицами. К числу странных частиц относится K^o-мезон, странность которого равна плюс один, и анти-K-мезон со странностью минус один. Другая странная частица лямбда имеет странность минус один, а ее античастица имеет странность плюс один. Каждый член семейства сигма-частиц, состоящего из трех частиц, имеет странность минус один, а соответствующие античастицы имеют странность плюс один. Каждый член семейства кси-частиц, состоящего из двух частиц, имеет странность минус два, а соответствующие античастицы – плюс два.

Закон сохранения странности позволил объяснить необычное поведение этих частиц. Тот удивительный факт, что они всегда возникают парами, несмотря на то, что все другие законы сохранения не запрещают их одиночного рождения, объясняется именно тем, что эти частицы обладают особого рода сохраняющимся параметром. Именно закон сохранения странности запрещает их одиночное рождение за счет других, не странных частиц, ибо все другие частицы не 'имеют странности, или, иначе, имеют странность, равную нулю. Закон сохранения странности объясняет и другие необычные свойства странных частиц. Возникают они в сильных взаимодействиях за время, характерное именно для сильных взаимодействий, но непонятным, как первоначально казалось, образом распадаются в течение значительно большего времени, характерного для слабых взаимодействий. Дело, оказывается, в том, что закон сохранения странности запрещает их распад в области сильных взаимодействий. Однако область слабых взаимодействий оказывается той областью, где возможно нарушение этого нового закона сохранения. В силу этого возможен распад странных частиц именно в этой области и в течение времени, характерного для слабых взаимодействий.

Сохраняющиеся параметры дают основание для объединения различных частиц в соответствующие классификационные группы, или классы. Странные частицы могут быть объединены с нуклонами в один класс, так как всем членам этого класса можно приписать одно общее свойство, а именно, барионный заряд. При этом барионный заряд является специфическим свойством этого класса и не принадлежит частицам других классов. Частицы, имеющие барионный заряд, получили название барионов. Для антибарионов барионный заряд равен минус единице, в то время как для барионов их заряд равен плюс единице. Закон сохранения барионного заряда, или, иначе, барионного числа A, обеспечивает устойчивое существование протонов, а следовательно, ядер, атомов и всей материи. Полное значение величины A остается во всех превращениях постоянным. Можно говорить, в силу этого, о законе сохранения числа барионов. Барионы не исчезают и не возникают, за исключением возможной аннигиляции барионов и антибарионов. Но и в этом случае барионный заряд, подобно электрическому заряду, не исчезает вообще, но сохраняется как возможность, скрытая на более глубоком уровне материи.

Барионы и антибарионы, подобно электронам и протонам, могут рождаться только парами и это рождение подчиняется действию закона сохранения барионного заряда. Если же отвлечься от процессов аннигилярии и рождения барионных пар и обратиться к процессам, связанным только с превращением барионов, то барионный заряд примет форму так называемого массового числа A, характеризующего не только класс барионов, но и более сложные структурные образования, а именно, ядра всех известных атомов. Так барионный заряд, или, что то же самое, массовое число A, одного из изотопов урана равно 235. Закон сохранения барионного заряда становится в силу этого весьма общим законом сохранения, действующим в известном нам материальном мире. Учет антимиров не отменяет этот закон, но ведет лишь к более общей форме его действия.

Закон сохранения барионного заряда и закон сохранения странности тесно связаны друг с другом. Их связь принимает простую форму, если ввести понятие гиперзаряда, обозначаемого через gamma и равного удвоенному значению среднего заряда семейства частиц. В этом случае странность S и барионный заряд A будут связаны следующим простым соотношением S= gamma – А.

Наряду с классом барионов – тяжелых частиц, существует класс легких частиц – лептонов. К числу лептонов относятся нейтрино, электроны, мю-мезоны и соответствующие им античастицы. Объединяющим принципом этого класса является закон сохранения особой величины, свойственной только частицам этого класса. Эта сохраняющаяся величина получила название лептонного заряда. Детальное исследование процессов превращения лептонов привело, однако, к мысли, что закон сохранения лептонного заряда разделяется, в свою очередь, на два независимых закона. Такое разделение связано с тем, что мю-мезон представляет особого рода частицу, которую до сих пор не удается удовлетворительным образом включить в существующие классификации. Эта частица, если можно так выразиться, имеет тенденцию к оригинальному поведению и к обособлению от других частиц. Было замечено, что мыслим процесс распада мю-мезона на электрон и нейтрино, в котором, если бы он происходил в природе, выполнялись бы все известные законы сохранения. Однако такого процесса не наблюдалось.

Убеждение, что именно законы сохранения запрещают те или иные процессы, позволило предположить, что для мю-мезонов должна существовать особая сохраняющаяся величина. Это предположение способствовало открытию в 1962 г. второго нейтрино, а именно, мюонного нейтрино. Открытие второго нейтрино, в свою очередь, дало обоснование истинности мысли о новом законе сохранения. Класс лептонов в результате всего этого распался на два подкласса – электронный и мюонный – со своими нейтрино. Соответственно закон сохранения лептонного заряда разделился на два отдельных закона – закон сохранения электронного лептонного заряда и закон сохранения мюонного лептонного заряда.

Мы кратко рассмотрели следующий ряд известных к настоящему времени сохраняющихся величин: масса, энергия, импульс, момент импульса, электрический заряд, изотопический спин, странность, барионный заряд, электронный лептонный заряд, мюонный лептонный заряд. Некоторые из этих десяти сохраняющихся величин являются полностью независимыми, другие обнаруживают взаимные связи. Но так или иначе, все соответствующие этим величинам законы сохранения действуют в природе. Некоторые из этих законов в качестве принципов входят в структуру физических теорий. Другие работают в физическом исследовании пока еще как полуэмпирические принципы.

Приведенный список не исчерпывает всех известных к настоящему времени сохраняющихся величин и соответствующих законов сохранения. В частности в этом списке отсутствует закон сохранения четности. Этот закон непосредственно связан с правизной и левизной природных процессов. В силу этого содержание закона сохранения четности может быть раскрыто только в связи с понятием симметрии.

Об авторе

Философ и методолог науки. Доктор философских наук, профессор. Вместе с И. С. Алексеевым сформулировал исследовательскую программу "Методологические принципы – их место в структуре теории и роль в истории научного знания".