Электрон в зеркале современной физики

(статья из журнала Наука и Техника, от апреля 1970 г.)

Начнем с парадокса. Перелистаем тома научных журналов последних десятилетий, эти фолианты, которыми забиты полки библиотек. Невольно приходишь к выводу — о многих «новейших» элементарных частицах, партнерах электрона, сегодня известно куда больше, чем об электроне. Строение протона и нейтрона в основных чертах уже выяснено, превращения и взаимодействия мезонов в космических лучах, в пучках частиц, созданных ускорителями, хорошо знакомы. Целые монографии написаны о нейтрино. А структура электрона? Ее тайны по-прежнему скрыты за семью печатями от глаз исследователей.

В нынешнем году электрону исполняется 73 года. Возраст для физики почтенный. С 1897 года, когда Дж. Дж. Томсон в Кевендишской лаборатории (Англия), как принято считать, выдал электрону паспорт, до наших дней в историю физики вписаны страницы блестящих побед и драматических событий: наглядные и убедительные идеи классической теории электрона, первый серьезный кризис физики на рубеже столетий, триумф теории относительности, появление квантовой физики в двадцатые годы и успехи квантовой механики, новая квантовая электродинамика, возникшая в пятидесятые годы, и в наши дни еще ожидающая разработки теория элементарных частиц. Электрон стоит в центре всех этих событий, его история — это история физики XX века. То, что мы сегодня знаем о нем, есть мерило наших достижений в области физики за последние 70 лет. Но что же мы о нем знаем? Электрон в атоме, электрон в ускорителе элементарных частиц, электрон в реакции ядерного распада, свободный электрон — всякий раз он предстает перед нами совсем иным.

Сколько стоит десятичный знак!

Откроем паспорт электрона. Цифры, цифры... Это константы, определяемые экспериментальным путем и характеризующие важнейшие, неизменные свойства электрона.

Силу электрического взаимодействия электрона с другой заряженной частицей характеризует его электрический заряд е=1,60210-10-13 кулонов. Инерцию электрона, то есть способность сопротивляться изменению скорости под действием силы, определяет его масса покоя га0=9ДО8... 10-28 граммов. Поведение электрона в магнитном поле, его магнитные свойства зависят от спина вращения. С величиной спина связана другая важная константа — магнитный момент. Выраженный в особых единицах, магнитный момент электрона  равен 1,00115962 цБ. Каждый десятичный знак этих немногих упомянутых нами величин — плод долгого и тщательного труда многих экспериментаторов. Специальные физические службы обобщают данные и следят за развитием техники эксперимента, с тем чтобы внести каждое новое прецизионное измерение в таблицы констант. От того, до какой степени точности известны эти параметры электрона, зависят числовые результаты многих других экспериментов и теоретических выкладок во всех областях физики.

Каждую микрочастицу принято характеризовать ее размерами. Это число, показывающее, в каком объеме пространства сконцентрированы физические величины, определяющие структуру частицы, — масса, электрический заряд, магнитный момент и др. Электрон может гордиться тем, что он обладает, по-видимому, наименьшими размерами из всех известных в природе. Выводы квантовой электродинамики и теории относительности позволяют считать, что та организация материи, которую мы можем назвать свободным электроном, сконцентрирована в ядре с радиусом, весьма близким определенному уже в начале века т. н. радиусу классического электрона (около 10-13 см). Чтобы исследования в столь малых объемах материи вообще были возможны, необходимы частицы с очень большой энергией, что-то около 1012 до 1014 электронвольт, а эта величина на несколько порядков превышает мощность ускорителей, имеющихся в распоряжении человечества. Такова одна из причин недоступности внутренней структуры электрона для экспериментальных исследований средствами современной физики.

Что говорит теория?

Чтобы объяснить магнитные свойства электрона, уже в первых, классических моделях (Абрахамс, Иоффе) его заставляли вращаться с определенным импульсным моментом. В этом случае, благодаря заряду электрона, возникают замкнутые контуры тока и появляется связанный с этим магнитный момент (г. И хотя факты, установленные квантовой механикой и теорией относительности, заставили отказаться от модели вращающегося волчка, наблюдения подтвердили наличие момента вращения электрона —спина S и магнитного момента |х.

Сформулированная в 1926 году квантовая механика определила соотношение магнитного момента и спина — т. н. фактор Ланде. Однако эксперименты, проведенные в 1948 году и повторенные в 1956 и 1959 годах, давали несколько отличное значение фактора Ланде. Величина магнитного момента электрона нуждалась в уточнении.

В это же время, в пятидесятые годы, новые веяния проникли и в теорию, рассматривающую взаимодействие электрона с электромагнитным полем. В квантовой электродинамике выдвигается гипотеза, согласно которой пространство, лишенное электромагнитного поля и электронов, не является пустым. Вакуум становится физическим явлением. В нем постоянно возникают и исчезают так называемые виртуальные частицы. Непосредственно наблюдать их нельзя, но присутствие виртуальных частиц возмущает движение электрона, и он уже полностью не бывает свободен. Магнитный момент электрона во взаимодействии с вакуумом изменяется. В 1946 году Шредингер делает первый теоретический расчет, впоследствии он неоднократно уточняется. Наконец, в 1957 году теоретики сообщают величину измененного (аномального) магнитного момента ц.= = 1,001 1596[хб. А установленная ныне экспериментальным путем величина магнитного момента равна |i,= ( 1,001159622±0,000000027)р.Б. Как видим, аномальный магнитный момент есть наиболее точная из теоретически найденных констант электрона. Это большой триумф квантовой электродинамики.

Этот странный двойственный электрон...

Биография родоначальника элементарных частиц изобилует множеством сюрпризов. В 1928 году Дирак показал, что отрицательное значение энергии электрона (по формуле Эйнштейна) отвечает особому состоянию быстрого электрона, при котором его движение в электромагнитном поле будет отличаться от движения обычного отрицательно заряженного электрона с положительной энергией. Электроны с отрицательной энергией были названы позитронами. То, что в обычных условиях позитроны с малой энергией и скоростью не встречаются, Дирак объясняет так. Все положения с отрицательной энергией «заняты». Мы живем в этом заполненном море позитронов. Если взаимодействие с достаточно большой энергией изменяет энергию позитрона из отрицательной в положительную, то есть превращает позитрон в электрон, то освободившееся место — «дырка» — ведет себя в море отрицательной энергии как положительно заряженная частица, как бы тоже представляет собой реальный позитрон. Возникает пара электрон-позитрон. При обратном процессе, когда электрон изменяет свою положительную энергию на отрицательную, «дырка» заполняется, и электрон исчезает. Процесс этот называется аннигиляцией пары электрон-позитрон. Возникновение пары и ее аннигиляция сопровождаются большим поглощением и выделением энергии.

Андерсон впервые в 1932 году зафиксировал позитрон в космических лучах. Сегодня процессы появления и аннигиляции пары хорошо изучены, их создают искусственно в ускорителях элементарных частиц.

Но сюрпризы продолжались. Электрон в электронной оболочке атома обладает небольшой энергией — всего несколько электронвольт. Для движения подобных медленных электронов характерны волновые свойства (а именно, невозможно указать точку пространства, в окрестностях которой электрон находится) и способность дифракции (огибания препятствия). Поэтому в теории строения атомов, молекул и вообще вещества портрет электрона весьма своеобразен. Что он из себя представляет — волну или корпускулу?

Физики установили, что электрон имеет двойственную природу: в одних ситуациях он ведет себя как частица-корпускула, движущаяся по траектории, в других условиях — распространяется как волна, способная огибать препятствие. Конечно, сегодня это уже никого не удивляет. Оказалось, что известную роль играют в этом особенности нашего познания. Однозначно невозможно описать сложные микроструктуры — движение электрона в пространстве — и исследовать его свойства на основании принятых в макромире и довольно ограниченных и неполных

представлений о частице-корпускуле или волне. Поэтому физик использует весь имеющийся в его распоряжении арсенал проверенных в практике макромира понятий и абстракций — представления о корпускуле и волне — ив результате впадает в своеобразный дуализм. Такой качественно новый подход к изучению электрона не мог быть создан, а также и понят в двадцатые годы, когда стройное здание классической физики, казалось, вот-вот рухнет, а оппонентам Ленина представлялось, что электрон теряет свою реальность, материя исчезает и остается лишь хаос наших субъективных ощущений. Нет, электрон в своем существовании един и постоянен, меняются только уровень наших знаний о нем и, соответственно, язык, используемый в описании и объяснении природы.

Но сегодня нет еще единой теории элементарных частиц, и порядок в обширной семье частиц поддерживается с помощью таблиц. В эти таблицы элементарные частицы заносятся по объединяющим их признакам. Электрон принадлежит к группе легких частиц, или лептонов, где у него есть еще три партнера:    u-мезон, нейтрино электрона Ve и нейтрино u-мезона v^. У всех четырех частиц одинаковые моменты вращения — спины, все они принадлежат к классу фермионов и подчиняются принципу Паули: специальные силы отталкивания коррелируют общее движение электронов таким образом, чтобы в одном микрообъеме пространства одновременно не находилось два или несколько электронов в одинаковых условиях. Все лептоны характеризуются участием в слабых взаимодействиях, определяющих ряд процессов распада, например p-распад протонов и нейтронов и др. И опять здесь полно-полным загадок. Вот уже 20 лет одним из наиболее интересных нерешенных вопросов теории элементарных частиц является вопрос о связи электрона и (х-мезона. Из-за относительно большой массы (i-мезон часто называют тяжелым электроном, ибо практически, как видно, везде в природе роль электрона мог бы выполнять u-мезон. Зачем же нужны две такие частицы? Лептоны вообще довольно странная «семья», и на то есть какие-то существенные причины. Если бы удалось их обнаружить, в истории электрона появилась бы новая запись.

 Тэги: электрон и лептоны, число электронов, кварки, кванты, элементарные частицы в физике