Реферат: Эвристические функции законов сохранения

Эвристические функции
законов сохранения

СОДЕРЖАНИЕ

введение    
глава1Понятие закона    
глава2понятие симметрии и законысохранения.    
§ 1.принцип симметрии.и его роль в познании    
§ 2.закон сохранения вмикромире.    
специфические законы сохранения в теории элементарных частиц    
заключение    
Среди физиков вера в законы

сохранения была так сильна,
как если бы они представлялись
очевидными.
Е.Вигнер.

ВВЕДЕНИЕ

О чем данная работа? Казалось, бы ответить на этот вопрос нетрудно. Название ееговорит о том, что речь пойдет о законах сохранении. Но мало сказать — законысохранения, ведь этот закон распространяется на весь диапазон физическихявлений, от микрочастиц до макротел.
Законы сохранения занимают среди всех законов природы особое место. Общность иуниверсальность законов сохранения определяют их большое научное,методологическое и философское значение. Они являются основой важнейшихрасчетов физике и ее технических приложениях, позволяют в ряде случаевпредсказывать эффекты и явления при исследовании разнообразныхфизико-химических систем и процессов. С законами сохранения связано введение всовременную физику идей, имеющих принципиальное значение.
Законы сохранения служат пробным камнем любой общей физической теории.Непротиворечивость теории этим законам служит убедительный аргументом в еепользу и является важнейшим критерием ее истинности. Поэтому в современныхфизических теориях далеко не последнюю роль играет идея сохраненияспецифических для данной теории величин, причем зачастую поиски таких величинявляются важнейшей целью теории.
В законах сохранения находят свое отображение важнейшийдиалектико-материалистический принцип неуничтожимости материи и движения,взаимосвязь между различными формами движущейся материи и специфика превращенияодной формы движения в другую.
Научное и методологическое значение законов сохранения в достаточно полной меревыявляется на фоне исторического развития общей идеи сохранения. Открытие иобобщение законов сохранения происходило вместе с развитием всей физики, отпервых робких догадок античных натурфилософов через классическую механику иэлектродинамику до теории относительности, квантовой механики и физики элементарныхчастиц.
Но остановимся на чуть-чуть. Более 10 раз было употреблено слово«закон». Так что же вообще это такое — закон? И что мы понимаем подзаконом сохранения?
В данной работе я и попытаюсь ответить на заданные вопросы. А поскольку законсохранения охватывает практически все области науки, то предметом вниманиябудет служить лишь закон сохранения симметрии и закон сохранения в физикемикромира.

ГЛАВА I. ПОНЯТИЕ ЗАКОНА.

В философском энциклопедическом словаре читаем «Закон — внутренняясущественная и устойчивая связь явлений, обусловливающая их упорядоченноеизменение. На основе знания закона возможно достоверное предвидение теченияпроцесса. Понятие закона близко к понятию закономерности, которая представляетсобой совокупность взаимосвязанных по содержанию законов, обеспечивающихустойчивую тенденцию или направленность в изменениях системы. Вместе с темзакон выражает одну из сторон сущности, познание которой в теории совпадает спереходом от эмпирических фактов к формулировке законов изучаемыхпроцессов» [5].
Понятие закона сформулировалось в результате длительного развития науки ифилософской мысли. Из каких же источников почерпнуто это понятие? Одним изтаких источников является социально-историческая практика человечества. Вдревнем обществе, в условиях первобытного родового строя закон выступает преждевсего как неописанное, но тем не менее обязательное правило, которому должноподчиняться поведение людей.
При этом формирование понятия закона связано с двумя формами общественногосознания, характерными для первобытного общества — мифологией и религией.
Одним из центральных элементов античной мифологии было представление огосподствующей в мире всеобщей необходимости, судьбе. Судьба случаев как некаяабстрактная сила, объективная необходимость. Так зарождается одно из важнейшихпонятий античного мировоззрения — понятие необходимости, которое в последующемявилось предпосылкой идеи закономерности в природе.
В неразрывной связи с мифологией в первобытном обществе возникает также ирелигия, с помощью которой люди пытаются осмыслить свое собственноесуществование.
Как и мифология, религия представляет собой фантастическое отражение вчеловеческом сознании земного, материального мира, в котором господствующие надчеловеком в его повседневной жизни внешние силы принимают форму неземных,сверхъестественных. В религиозном мировоззрении понятие закона получилоискаженное толкование. Закон с религиозной точки зрения — это предписаниебожества, т.е. нечто навязанное миру сверхъестественной силой. Именно на основерелигиозного сознания возникло представление, что бог-де создал все вещи, азатем подчинил их своей воле в форме законов природы, после чего их поведениестало определяться божественным соизволением. Религиозное понятие о законенашло подробное выражение в так называемых священных книгах — Библии, Коране,Ведах и др.
Первые попытки сформировать представление о закономерном характере мировыхпроцессов, свободном от религиозных и мифологических подходов, были предпринятыфилософами древнего мира. Наряду с общественно-политической практикой, изкоторой была заимствована идея закона, важный источником понятия закона природыдля мыслителей того времени являлся сам объективный материальный мир,окружающая человека природа. Представление о гармоничности Вселенной, оповторяемости, инвариантности протекающих в ней процессов было почерпнуто имииз непосредственного наблюдения за явлениями действительности. Это нашло своевыражение в ряде умозрительных философских систем, созданных древнимимыслителями, в особенности в системах античных философов — Гераклита,Демокрита, Эпикура, Платона, Аристотеля и многих других. Естественно, однако,что эта попытка была еще весьма несовершенной. Ведь естествознание в то времятолько зарождалось и представляло собой ряд несистематизированных отрывочныхсведений о природе.
Только в Новое Время понятие закона природы начинает все более глубокоразрабатываться философами и учеными. Это стало возможным благодаря тому, чторазвитие математики, астрономии, механики продвинулось достаточно далеко, врезультате чего было открыто много немаловажных законов материального мира.
Но надо заметить, что законы природы для мыслителей этого времени: а именноXVII и XVIII в. Сводились к законам механики, законам механического движения,которые она рассматривали как всеобщие универсальные законы природы. Понятиянаучного закона в то время еще не было. Законы природы рассматривались каквечные, постоянные и неизменные.
Значительный шаг в дальнейшей разработке понятия закона был сделан классикаминемецкой философии конца XVIII — начала XIX вв. И.Кантом и Г.Гегелем. В этовремя естественные науки из описательных начинают превращаться в науки оботношениях, связях между элементами структуры, о законах функционирования иразвития объектов. В научный обиход проникает идея развития природы, а Гегельпридает истолкованию понятию закона диалектический характер.
Здесь можно еще долго говорить о понятии закона: рассмотреть типы законов,принципы создания, методы конструирования; охарактеризовать их (законов)простоту и изящество, сказать о различных моделях законов. Остановлюсь лишькратко на понятии гипотезы и ее роли в познании законов, ведь ее выдвижение,апробация — это один из важнейших методов открытия законов.
Гипотеза — это догадка, предположение. И когда ищут какую-то новую, пока ещенеизвестную но, возможно, существующую закономерность, высказываетсяопределенное предположение. Это предположение может оказаться верным или же — полностью или частично — неверным, ложным. Единственным судьей, который выноситьэтот «вердикт», является опыт, практика.
«Вообще говоря, — пишет Р.Фейнман в книге „Характер физическихзаконов“, — поиск нового закона ведется следующим образом. Прежде всего онем догадываются. Затем вычисляют следствия этой догадки и выясняют, чтоповлечет за собой это закон, если окажется, что он справедлив. Затем результатырасчетов сравниваются с тем, что наблюдается в природе, с результатамиэкспериментов или с нашим опытом и выясняют, так это или не так. Если расчетырасходятся с экспериментальными данными, то гипотеза неправильна. В этомпростом утверждении — самое зерно науки...»
Действительно, гипотеза, интуитивное научное предположение, является неизменнымспутником ученого в его творческой работе. Она представляет собой способоткрытия нового, метод развития науки. Научные законы и теории открываются иформулируются в результате интеллектуальной деятельности, существеннымкомпонентом которой является выдвижение гипотез. Без гипотезы не может бытьтворчества, а без творчества нет подлинной науки.
Например, именно переработка множества гипотез феномена явления ?-распада, окотором будет говорить ниже, и позволила установить существование новой частицы- нейтрино. Как и на каких основаниях совершалось данное открытие — этому ипосвящена следующая глава.
Но для начала обратимся к физическому энциклопедическому словарю. Вот что тамговорится о законах сохранения.
Законы сохранения — физические, закономерности, согласно которымчисленные значения некоторых физических величин не изменяются со временем влюбых процессах или в классе процессов.
ГЛАВА II. ПОНЯТИЕ СИММЕТРИИ И ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ.
§ 1. Принцип симметрии и его роль в познании.

Рассмотрение философских аспектов физического знания неоднократно приводило наск необходимости оперировать понятиями симметрии и асимметрии. Что же такоесимметрия и асимметрия? В чем сущность их методологического значения?
На протяжении тысячелетий в ходе общественной практики и познания законовобъективной действительности человечество накопило многочисленные данные,свидетельствующие о наличии в окружающем мире двух тенденций: с одной стороны,к строгой упорядоченности, гармонии, а с другой — к их нарушению. Люди давнообратили внимание на правильность формы кристаллов, цветов, пчелиных сот идругих естественных объектов и воспроизводили эту пропорциональность впроизведениях искусства, в создаваемых ими предметах, ввели понятие симметрия.«Симметрия, — пишет известный ученый Дж. Ньюмен, — устанавливает забавноен удивительное родство между предметами, явлениями и теориями, внешне, казалосьбы, ничем не связанными: земным магнетизмом, женской вуалью, поляризованнымсветом, естественным отбором, теорией групп, инвариантами и преобразованиями,рабочими привычками пчел в улье. строением пространства, рисунками ваз,квантовой физикой, скарабеями, лепестками цветов, интерференционной картинойрентгеновских лучей, делением клеток морских ежей, равновесными конфигурациямикристаллов, романскими соборами, снежинками, музыкой, теориейотносительности...».
Слово „симметрия“ имеет два значения. В одном смысле симметричноеозначает нечто весьма пропорциональное, сбалансированное; симметрия показываеттот способ согласования многих частей, с помощью которого они объединяются вцелое.
Второй смысл этого слова — равновесие. Еще Аристотель говорил о симметрии как отаком состоянии, которое характеризуется соотношением крайностей.
Пристальное внимание уделяли симметрии Пифагор и его ученики.
Основное положение пифагорейской философии, согласно Аристотелю, состоит в том,»что число есть сущность всех вещей и организация вселенной в ееопределениях представляет собою вообще гармоническую систему чисел и ихотношений". Исходя из учения о числе пифагорейцы дали первуюматематическую трактовку гармонии, симметрии, которая не потеряла своегозначения и в наши дни.
Взгляды Пифагора и его школы получили дальнейшее развитие в платоновском учениио познании. Особый интерес представляют взгляды Платона на строение мира,который, по его утверждению, состоит из правильных многоугольников, обладающихидеальной симметрией. Для Платона характерно соединение учения об идеях спифагорейским учением о числе.
Среди более поздних естествоиспытателей и философов, занимавшихся разработкойкатегории симметрии, следует назвать Р. Декарта и Г. Спенсера.
Р. Декарт писал: «Каково бы ни было то неравенство и беспорядок, которое,как мы можем предположить, были с самого начала установлены богом междучастицами материи, почти все эти частицы должны по законам природы приблизитьсяк средней величине и среднему движению». Таким образом, по Декарту, бог,создав асимметричные тела, придал им «естественное» круговое движение, врезультате которогоони совершенствовались в тела симметричные.
Характерно, что к наиболее интересным результатам наука приходила именно тогда,когда устанавливала факты нарушения симметрии. Следствия, вытекающие изпринципа симметрии, интенсивно разрабатывались физикам в прошлом веке и привелик ряду важных результатов. Такими следствиями законов симметрии являются преждевсего законы сохранения классической физики.
Понятия симметрии и асимметрии, которыми пользуются в частных науках, далеко неполно отражают существующую в реальном мире симметрию и асимметрию; ониразвиваются и обогащаются. Как показывает история науки, это понятия, с помощьюкоторых можно объяснить многие явления и предсказывать существование новых, ещене познанных свойств природы.
Так что же такое симметрия и асимметрия?
В настоящее время в естествознании преобладают определения категорий симметриии асимметрии на основании перечисления определенных признаков. Например,симметрия определяется как совокупность свойств: порядка, однородности,соразмерности, гармоничности. Под асимметрией же обычно понимают отсутствиепризнаков симметрии — беспорядок, несоразмерность, неоднородность и т. д. Всепризнаки симметрии в такого рода ее определениях, естественно, рассматриваютсяравноправными, одинаково существенными, ив отдельных конкретныхслучаях, при установлении симметрии какого-то явления, можно пользоваться любымиз них. Так, в одних случаях симметрия — это однородность, в других — соразмерность и т.д. По мере развития нашего познания к определению симметрииможно прибавлять все новые и новые признаки. То же самое можно сказать и осуществующих в частных науках определениях асимметрии.
Общие понятия симметрии и асимметрии должны быть такими, чтобы под них подошливсе известные и даже неизвестные н настоящее время виды симметрии и асимметрии.
Непосредственной логической основой для определения понятий симметрии иасимметрии, по мнению В.С.Готта, является диалектика тождества и различия. А вдиалектике, как мы уже знаем, тождество и различие рассматриваются лишь вопределенных отношениях, во взаимодействии, во включении различия в тождество,а тождества в различие.
Диалектическое понимание тождества предполагает обязательное признаниеследующего: тождество не существует вне различия и противоположности, тождествовозникает и исчезает, тождество существует только в определенных отношениях ивозникает при определенных условиях; наиболее полным выражением тождестваявляется полное превращение противоположностей друг в друга.
Отсюда следует, что в процесса познания явлений мира нельзя ограничиватьсятолько установлением тождества между ними, но необходимо раскрывать, каквозникает это тождество, при каких условиях и в каких отношениях оносуществует. На основе этой характеристики диалектики тождества и различия намиВ.С.Готтом предложены следующие определения симметрии и асимметрии:
Симметрия — это категория, обозначающая процесс существования истановления тождественных моментов, в определенных условиях и в определенныхотношениях между различными и противоположными состояниями явлений мира.
Из данного определения понятия симметрии возникают такие методологическиетребования: при изучении явления, события, состояния движущейся материи преждевсего необходимо установить свойственные им различия и противоположности, затемуже раскрыть, что в нем есть тождественного и при каких условиях и в какихотношениях это тождественное возникает, существует и исчезает. Отсюда следуют инекоторые общие правила для формулирования наших гипотез (это правило частоотносят к научной интуиции). Если установлено существование какого-то явления,состояния или каких-то их свойств и параметров, то необходимо предполагать исуществование противоположных явлений, противоположных свойств и параметров; всвою очередь, необходимо далее постулировать, что между противоположнымиусловиями в каких-то отношениях и условиях возникают и существуют тождественныемоменты. В этих двух правилах и выражается в общем виде применение понятиясимметрии в конкретных исследованиях.
Асимметрией называется категория, которая обозначает существование истановление в определенных условиях и отношениях различий и противоположностейвнутри единства, тождества, цельности явлений мира.
Во всех реальных явлениях симметрия и асимметрия сочетаются друг с другом.Прежде чем искать симметрию, нужно найти асимметрию. Верным будет и обратное.

§ 2.Законы сохранения в микромире.

Если механизм возникновения альфа- и гамма-излучения без особых трудностей былобъяснен квантовой механикой, то испускание ?-частиц (электронов) оказалосьодной из труднейших для понимания проблем ядерной физики. Действительно, при?-распаде ядро атома испускает ?-частицу, представляющую собой ядро гелия,состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Таким образом, при ?-распаде необразуется новых частиц, поскольку и протоны и нейтроны уже имелись в ядре. Былпонят и процесс ?-излучения, при котором из ядра вылетала новая (не бывшая,ранее в нем) частица — ?-квант (фотон). Он был связан с тем, что путем?-радиоактивности ядро атома освобождалось от избыточной энергии аналогичнотому, как рождался фотон в атоме при переходе электрона с верхней орбиты нанижнюю. Как ?-, так и ?-радиоактивность протекала в полном соответствии сзаконом сохранения энергии, импульса и момента количества движения.
Что же касается ?-распада, то это явление оказалось значительно более сложным ипоставило перед учеными ряд проблем. Прежде всего потому, что при этом видерадиоактивности из ядра вылетает ранее не находившаяся там ?-частица — электрон. Когда к этому явлению были применены законы сохранения, то выявиласьсовершенно необычная ситуация: энергия, импульс и момент количества движенияначального ядра не были равны, импульсу и моменту количества движения продуктовраспада вновь образовавшегося ядра и испущенного электрона. Баланс указанныхвеличин не только почти никогда не сходился, но и каждый раз давал различнуювеличину. Ядро одного и того же радиоактивного изотопа испускает электроныразличной энергии, начиная от некоторой максимальной до нулевой. При этомоказывается, что образующееся конечное ядро имеет всегда одну и ту же энергию.Начальное же ядро, превращаясь в результате радиоактивного распада в новоеядро, теряет одну и ту же энергию, в точности равную максимально возможнойэнергии испущенного электрона. Возник, естественно, вопрос: куда деваетсяэнергия в тех случаях, когда энергия электрона меньше максимальной?
Это был отнюдь не единственный сюрприз, преподнесенный физикам?-радиоактивностью. Когда подсчитали импульс исходного ядра и его моментколичество движения и сравнили с импульсом и моментом количества движения вновьобразовавшегося ядра и электрона, то оказалось, что и здесь баланс не сходится.Таким образом, в процессе ?-распада как будто нарушались все три классическихзакона сохранения, между тем как во всех других известных явлениях микромираони неукоснительно соблюдались.
Для объяснения загадки ?-распада было предложено много гипотез, имеющих внастоящее время лишь, исторический интерес. В 1922 г. Л. Мейтнер предложила,что ?-электроны растрачивают часть своей энергии внутри атома, когда пролетаютчерез его электронную оболочку. Эта гипотеза подверглась строгой опытной проверкев 1927 г. Эллисом и Вустером. Опыт этих ученых состоял в следующем:радиоактивный препарат RаЕ в толстостенной свинцовой оболочке помещался вмедный калориметр. Количество энергии, выделенной препаратом за определенныйпромежуток времени, точно измерялось. Согласно гипотезе Мейтнер следовалоожидать, что средняя энергия, приходящаяся на один акт распада, должна была быравняться максимальной энергии в ?-спектре. В действительности же эта энергияоказалась равной средней энергии, составляющей около одной трети от величиныграничной энергии ?-частиц. Еще более тщательные опыты, осуществленные в 1930г. самой Мейтнер совместно с Ортманом, подтвердили результат Эллиса и Вустера.Таким образом, вновь было установлено, что часть энергии ядерного превращениябесследно исчезает.
Единственным выходом из положения представлялось допущение о том, что впроцессе ?-распада закон сохранения энергии нарушается. Именно такой выход ипредложил Бор в 1930 г. Гипотеза Бора, как и рассмотренная выше, заключалась впредположении, что закон сохранения энергии нарушается в элементарных актах?-распада, но выполняется статистически для достаточно большого числа такихактов. Во имя решения одной проблемы Бор предлагал столь большую жертву, чтоесли бы она оправдалась, то это означало бы по существу крушение не толькофизики, но и всего естествознания в целом. Ибо с момента признания законасохранения и превращения энергии как основы физического естествознания науке небыл известен ни один факт, который противоречил бы этому закону. Послеисследований Комптона и других физиков не было сомнений в выполнении этогозакона и в области микромира.
Гипотеза Бора о статистическом выполнении закона сохранения энергии в ?-распадебыла опровергнута в 1933 г. опытами Эллиса и Мотта.
Сразу же после появления она встретила дружные возражения физиков. Уж слишкомвелика была жертва. Один из основоположников современной теории ?-распадашвейцарский физик В. Паули писал по этому исподу: «На мой взгляд, этагипотеза не только неудовлетворительна, но даже недопустима. Прежде всего, вэтих процессах электрический заряд сохраняется, а я не вижу оснований считатьсохранение заряда более фундаментальным, чем сохранение анергии иимпульса».
В 1931 г. на физической конференции в Пасадене Паули доложил ученым о своейинтерпретации ?-распада: «Законы сохранения выполняются, так какиспускание ?-частиц сопровождается проникающей радиацией из нейтральныхчастиц… Сумма энергий ?-частицы и нейтральной частицы..., испущенных ядром вотдельном акте, равна энергии, соответствующей верхней границе ?-спектра. Самособой разумеется, что мы допускаем во всех элементарных процессах не толькосохранение энергии, но и сохранение импульса и момента количествадвижения».
Поскольку в результате ?-распада заряд ядра изменяется на единицу,предполагаемая частица должна быть электрически нейтральной. Такой частицей могбы быть и фотон, но эту возможность отрицал опыт Эллиса и Вустера. Масса ядрапри ?-распаде практически не изменяется, и поэтому частица должна была обладатьничтожно малой массой. Таким образом, постулированная Паули частица по споимсвойствам отличалась от известных в то время частиц. Позже она была названанейтрино. Введение этой гипотетической частицы объясняло парадоксы ?-распада.Указанные свойства нейтрино приводили к тому, что оно совершенно свободнопроходило сквозь стенки приборов, не испытывая электромагнитных взаимодействий,и поэтому уносимая им энергия не могла быть, естественно, учтена.
Гипотеза нейтрино позволила также отстоять и закон сохранения моментаколичества движения в ядре. Трудности с этим законом возникли в 1932 г., когдаВ.Гейзенбергом и Л. Иваненко была предложена нейтронно-протонная схема строенияатомов ядра. Согласно этой схеме электронов, в ядре быть не должно, онирождаются в процессе ?-распада. Теория ядра приводила к заключению, что спинисходного ядра в единицах h/2? должен выражаться целым числом. Между тем спинэлектрона равен половине, а орбитальный момент количества движения электроновмог быть только целым числом h/2?.. Поэтому получалось, что в результате?-распада целый спин ядра должен был бы переходить в полуцелый и наоборот. Этоозначало нарушение закона сохранения момента количества движения. Эта трудностьсейчас устранялась, если нейтрино приписать полуцелый спин (1/2).
Таким образом, согласно гипотезе Паули нейтрино явилось той частицей, котораякомпенсировала как недостающую энергию, так и спин. В дальнейшем был уточнен изакон сохранения импульса на основе допущения, что импульс ядра отдачи долженбыть равен по величине и направлен противоположно суммарному импульсу электронаи нейтрино.
В одном из своих более поздних выступлений Паули подчеркнул, что он всегда былпротив того, чтобы решать какие бы то ни было трудности в физических проблемахпутем отказа от закона сохранения энергии: «Во-первых, я считаю, чтоаналогия между законами сохранения энергии и сохранения электрического зарядаимеет глубокое значение и может являться надежной руководящей нитью. Вряд лиможно, отказавшись от закона сохранения энергии, сохранить закон сохраненияэлектрического заряда, а этот последний закон никогда еще не приводил ни ккаким затруднениям. Поэтому я с самого начала отказывался верить в нарушениесохранения энергии».
Гипотеза Паули о нейтрино была изложена впервые в печати с его разрешения двумяучастниками семинара Карлсоном и Оппенгеймером в 1932г., а год спустя автор ее,выступая на седьмом Сольвеевском конгрессе, посвященном теме «Строение исвойства атомных ядер», обстоятельно доложил участникам конгресса о техпредпосылках, которые привели его к столь необычной гипотезе).
В 1934 г. итальянский физик Э. Ферми на основе гипотезы о нейтрино ипротонно-нейтронной схемы строения атомного ядра создал теорию ?-распада,которая успешно объяснила все основные черты этого процесса. В последующие годымного усилий было затрачено на экспериментальное доказательство существованиянейтрино. Сначала эти доказательства были получены косвенно, а в период1953-1955 гг. путем постановки довольно сложных экспериментов американскиефизики Коуэн и Ройнее обнаружили нейтрино в свободном состоянии.
Вот что говорит физическая энциклопедия о нейтрино.
«Представление о нейтрино введено в 1930 швейцарским физиком В.Паули с целью объяснить непрерывный энергетический спектр электронов при?-распаде: общие принципы квантовой механикии закон сохранения энергиитребовали, чтобы электроны имели определенную энергию, равную энергии,выделяемой при ?-распаде. Согласно гипотезе Паули, в ?-распаде вместе сэлектроном рождается новая нейтральная сильно проникающая и, следователь- но,трудно обнаружимая частица с массой <0.01 массы протона. Распределениедискретной порции энергии между нейтрино и электроном и приводит к нарушениюмоноэнергетичности спектра электронов. Для того чтобы соблюдался и законсохранения момента кол-ва движения, новой частице приписали полуцелый спин.…В 1932 Ферми предложил называть новую частицу „нейтрино“(уменьшительное от нейтрон) [4].
Решение проблемы ?-распада окончательно убедило физиков в том, что классическиезаконы сохранения энергии, импульса и момента количества движения выполняютсястоль же неукоснительно в микромире, как и в макромире. Что касается другихдвух законов сохранения — массы и электрического заряда, то их выполнение вмикромире не вызывало сомнений начиная с 1919 г., когда Резерфорд произвелпервое искусственное расщепление атомного ядра азота, бомбардируя его?-частицами.
§ 3.Специфические законы сохранения в теории элементарных частиц.

Квантовая механика вскрыла специфические закономерности движения и превращениятак называемых элементарных частиц. Эти закономерности не сводятся сзакономерностям классической механики, и поэтому естественно ожидать, что вмикромире наряду с классическими законами сохранения должны действовать своизаконы сохранения. Открытие этих законов связано с развитием наших знаний освойствах элементарных частиц.
Известные в настоящее время элементарные частицы можно объединить в группы,разделение на которые определяется не только различием в массах, но и рядомдругих существенных свойств (например, спином): фотон, лептоны (в группулептонов входят два вида нейтрино и антинейтрино, электрон, позитрон), мезоны,барионы.
В 1952 г. группа физиков под руководством Э. Ферми обнаружила первую частицу изоткрытой большой группы частиц с очень малым временем жизни, так называемых резонансов.Эти образования возникают при сильном взаимодействии элементарных частиц. Помнению известного американского теоретика М. Гелл-Мана, общее число резонансовдолжно достигать нескольких тысяч. Вновь возник вопрос об»элементарности" частиц.
Было выдвинуто несколько гипотез, смысл которых состоит в том, что всемногообразие частиц сводится к нескольким фундаментальным частицам. Наибольшеераспространение получила гипотеза Гелл-Манна и Цвейга.
Согласно этой гипотезе все барионы и мезоны рассматриваются как частицы,состоящие из комбинации трех фундаментальных частиц (и их античастиц), которыеГелл-Манн назвал кварками.
На основе гипотезы кварков уже удалось разрешить некоторые трудности теорииэлементарных частиц. Но попытки экспериментального обнаружения кварков пока ещене увенчались успехом.
В связи с попытками объяснить, почему одни превращения элементарных частицвозможны: а другие нет, было также обобщено и понятие электрического заряда.Вигнер ввел понятие о барионном числе как квантовом числе, равном +1 длянуклонов, -1 для антинуклонов и 0 для ?-мезонов. Физическая природа сохранениябарионного числа в настоящее время не выяснена, поскольку неизвестны тесвойства симметрии, которые обусловливают действие этого закона.
Для легких частиц (лептонов) введено аналогичное понятие лептонного числа,закон сохранения которого выполняется только в слабых взаимодействиях. Такжеимеют место и законы сохранения изотопического спина и закон сохранения«странности».
Можно с полным правом утверждать, что на современном уровне развития схема«принцип симметрии — инвариантность — закон сохранения» превратиласьв руководящий принцип и является наиболее полным выражением идеи сохранения.Современный физик, исследуя явления в мире элементарных частиц, считает своюработу завершенной, если он может сформулировать закономерностиэкспериментального материала в краткой форме законов сохранения".
В заключение надо сказать, что принципы симметрии в микромире являются болеесложными и глубокими: чем в макромире. Однако, тот факт, что в микромиревыполняются все классические законы сохранения, по-видимому, указывает на то,что свойства симметрии пространства-времени в масштабах микромира принципиальноне должны отличаться от их свойств в макромире.
Важно отметить и следующее обстоятельство. Теоретической основой вывода законовсохранения классической физики являлись законы Ньтона. Сохраняющиеся величиныфигурируют здесь в качестве основных характеристик движущегося тела илисистемы. Вывод этих законов из принципов симметрии — логическое завершениедлительной эволюции физики на протяжении столетий. Важнейшим уроком этойэволюции явился более глубокий подход к законам сохранения, полностьюоправдавший себя в физике микромира.Оказалось, что законы сохранения можнополучать непосредственно из принципов симметрии, минуя законы движения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В обзоре законов сохранения, действующих в физике микромира,мы не имели возможности коснуться всех вопросов теории элементарных частиц. Этои не входило в нашу задачу. По этому поводу только за последние годы появилсяряд превосходных обзоров и монографий, написанных выдающимися учеными, какотечественными, так и зарубежными. Мы ограничимся лишь несколькимизаключительными замечаниями относительно специфических законов сохранения вмикромире.
Закон сохранения и превращения энергии, закон сохранения импульса, законсохранения момента количества движения и закон сохранения электрическогозаряда, так же как и закон сохранения массы, можно считать законами сохранения,имеющими силу как в области макромира, так и в области микромира. Это — законысохранения, имеющие максимальную степень общности.
Вместе с тем открытие Ли и Янга впервые показало, что наряду с общими законамисохранения существуют и законы сохранения с ограниченной сферой действия. Это — законы сохранения четности, изотопического спина и странности, которыевыполняются не при всех видах взаимодействий. Открытие нарушений законовсохранения в некоторых явлениях микромира ставит по-иному вопрос об абсолютизацииэтих законов. Абсолютными оказываются не законы сохранения, а сама идеясохранения. Именно с таких позиций и подходит к этому вопросу Н.Ф.Овчинников:«Абсолютность принципов сохранения заключается не в том, что тот или инойпринцип сохранения не вызывает сомнения в его общности и является абсолютнострогим на вечные времена, но в том, что любой общий принцип сохранения при еговозможном нарушении в какой-либо области природы сменяется другим принципом,действующим в этой области. Можно сказать, что абсолютен не тот или инойконкретный закон сохранения, а абсолютна идея сохранения: ни одна областьприроды не может не содержать устойчивых, сохраняющихся вещей, свойств илиотношений, и соответственно ни одна физическая теория не может быть построенабез тех или иных сохраняющихся величин.
Уверенность в абсолютности принципов сохранения ведет нас к признаниюнеобходимости строгой проверки всех известных законов, к возможности и даженеизбежности сомнения в их общности, если это будет диктоваться новыминеожиданными фактами развивающейся науки. Такого рода сомнение, если онооправдывается, может лишь послужить началом развития новых направлений, новыхфизических теорий».
Если классическая физика знала только пять законов сохранения, то физика микромиранасчитывает их более десяти. Это обилие законов сохранения в современной физикесвязано, с одной стороны, с тем, что закон сохранения является наиболее общимвыражением большого количества экспериментальных фактов, а их в настоящее времятолько в области физики элементарных частиц имеется множество. С другойстороны, можно думать, что обилие законов сохранения связано с несовершенствомнаших знаний относительно процессов на элементарном уровне материи. В будущем,вероятно, окажется, что многие законы сохранения взаимосвязаны и являютсяследствием некоей еще более общей симметрии пространства и времени. Однакосейчас они выступают как независимые, и их изучение является основнымнаправлением современных научных исследований.
Принципиально важной является связь законов сохранения микромира с принципамисимметрии. То обстоятельство, что при этом некоторые законы сохраненияоказываются приближенными, связано, видимо, с неполнотой наших знаний свойствсимметрии на субмикроскопическом уровне. Связь законов сохранения со свойствамисимметрии была открыта на всех структурных уровнях материи, начиная с макротели кончая элементарными частицами. В микромире симметрия оказалась вездесущей.На атомном уровне симметрия проявляет себя в определенной структуре энергетическихуровней атомов, в частности атома водорода; в ядерной физике — в виде зарядовойинвариантности; на уровне элементарных частиц — в виде ряда специфическихзаконов сохранения. Связь законов сохранения с принципами симметрии являетсянастолько фундаментальной, что ее можно считать наиболее полным выражением идеисохранения как в макрофизике, так и в микромире.
Другой важной особенностью законов сохранения особенно в философском плане,является их тесная связь с принципом причинности. Именно законы сохраненияобразуют тот фундамент, на котором зиждется причинно-следственная связьзакономерностей природы. Они являются той внутренней цепью, котораяобеспечивает логически закономерную связь между причиной и следствием.«Идея сохранения внутренне связана с идеей причинного характера процессовприроды. В своей глубокой основе эти две идеи представляют собой лишь стороныпринципа самодвижения материи. В самом деле, если материя неразрывна сдвижением, то движение, как и материя, неуничтожимо и несоздаваемо. Но неразрывностьматерии и движения, или, иначе, самодвижение материи означает в то же время,что причина всех изменений лежит в самой материи, в ее внутренних законах…Постоянство действия причинно-следственных связей обеспечивается непреходящимхарактером законов сохранения».
Важно отметить и тот факт, что законы сохранения образуют тот фундамент, накотором основывается преемственность физических теорий. Действительно,рассматривая эволюцию важнейших физических концепций в области механики,электродинамики, теории теплоты, современных физических теорий, мы убеждались втом, что в этих теориях неизменно присутствуют либо одни и те же классическиезаконы сохранения (энергии, импульса и др.), либо наряду с ними появляютсяновые законы, образуя тот стержень, вокруг которого и идет истолкованиеэкспериментальных фактов. «Общность законов сохранения в старых и новыхтеориях является еще одной формой внутренней взаимосвязи последних».
Здесь лишь кратко указано на некоторые аспекты связи законов сохранения с общимифилософскими проблемами. История развития идеи сохранения показывает, что этасвязь весьма тесная и глубокая. Неудивительно поэтому, что философы, особенноматериалисты, начиная с Ф.Энгельса, проявили большой интерес к идее сохранениякак объекту философского и методологического анализа. Особенно глубокие иобстоятельные работы в этом направлении стали появляться в последнеедесятилетие, когда выявилась тесная связь законов сохранения с наиболее общимисвойствами материи, пространства и времени, с принципами симметрии.
Значительный вклад в разработку философской стороны законов сохранения и общейидеи сохранения внесли советские философы. Здесь прежде всего следует отметитьН.Ф.Овчинникова, в книге которого «Принципы сохранения» дан глубокийвсесторонний философский анализ идеи сохранения и ее связи с принципамисимметрии, а также работы А.Н, Вяльцева, Ю.В.Скачкова, В.С.Готта и другихученых.

ЛИТЕРАТУРА

1.Гельфер Я.М. Законы сохранения. — М.: Наука, 1967. — 264 с.
2.Готт В.С. Удивительный неисчерпаемый познаваемый мир. — М.: Знание, 1974. — 224 с.
3.Друянов Л.А. Законы природы и их познание. — М.: Просвещение, 1982.- 112 с.,ил.
4.Физический энциклопедический словарь / Гл.ред. А.М.Прохоров, — М.: Сов.Энциклопедия, 1983. -928 с., ил., 2 л. цв. ил.
5.Философский словарь / Под ред. И.Т.Фролова. — 4-е изд. — М.: Политиздат,1981. — 445 с.