Университеты и ВУЗы Белгорода

Теория относительности предсказала существование ан­тиэлектрона и антипротона. Она утверждает также, что в природе должен существовать и антинейтрон. Правда, ней­трон — частица, лишенная электрического заряда, значит, и антинейтрон должен быть нейтральным. По заряду анти­нейтрон от нейтрона отличить нельзя. Несмотря на это, существуют признаки, позволяющие отличить антинейт­рон от нейтрона; одним  из  таких  признаков  служит процесс аннигиляции: антинейтрон должен аннигилиро­вать при встрече с нейтроном.
В сентябре 1956 г. антинейтрон действительно был об­наружен. Оказалось, что антипротон, проходя мимо прото­на, теряет свой заряд и превращается в антинейтрон. В то же самое время протон превращается в нейтрон. Антиней­трон, как и антипротон, обладает всеми предсказанными физиками свойствами.
Атомы окружающего нас мира состоят, как известно, из атомных ядер и электронных оболочек. «Кирпичиками», из которых состоят ядра, служат протоны и нейтроны. Из протонов, нейтронов и электронов построены все извест­ные нам химические элементы. Но в природе имеются еще три кирпичика, которые, по-видимому, также могли бы объединиться в атом. Это — антипротон, антинейтрон и позитрон (антиэлектрон). Атомы, в которых ядро, состоя­щее из антипротонов и антинейтронов, окружено позитронными оболочками, называют антиатомами. В анти­атоме ядро имеет отрицательный заряд, окружающая же ядро оболочка — положительный.

После великого открытия Эйнштейна прошло 60 лет, и практика убедительно показала, что предсказания тео­рии относительности действительно оправдались. Совре­менную науку и технику уже невозможно представить без теории относительности. Атомный век одновременно яв­ляется и веком теории относительности. Без нее не удалось бы высвободить энергию ядра. О применениях теории от­носительности в технике мы упоминали. Рассмотрим теперь вкратце вопрос об использовании теории относи­тельности в теоретической физике, в частности, в теории элементарных частиц.
Теория относительности является единой теорией про­странства и времени. Это значит, что при описании всех процессов, протекающих в пространстве и времени, нужно иметь в виду основные требования этой теории, особенно требование равноправности всех инерциальных систем. Применение этого требования оказалось одним из самых плодотворных приемов в истории теоретической физики. Ярким примером этого может служить история открытия позитрона и антипротона.
В 1928 г. английский физик П. Дирак создал теорию электрона, учитывая все требования специальной теории относительности. Все предсказания теории удивительно точно совпадали с результатами экспериментов, за исклю­чением одного. Найденные уравнения не ограничивались описанием только электронов, а говорили еще о каких-то частицах с массой электрона, но несущих положительный заряд. Дирак был поражен. Единственными известными в то время частицами с положительным зарядом были про­тоны, но их масса превышает массу электрона в 1837 раз. Уравнения явно говорили о каких-то других частицах. Дирак назвал их антиэлектронами.

Теория относительности сулит исследователям заман­чивые перспективы: если открыть возможность уничтоже­ния массы покоя, то можно высвободить такие количества энергии, о которых прежде человечество не смело и меч­тать. При исчезновении 1 г массы покоя освободилось бы такое же количество энергии, как при сгорании 2 800 т каменного угля.
Указанные теорией относительности перспективы были очень привлекательными, но не было видно ни одного пути для их реализации. Даже один из создателей ядерной фи­зики Эрнест Резерфорд считал нереальным использование энергии, получаемой за счет массы покоя. Однако впослед­ствии физики все же нашли такой путь! Начало этому
положило кажущееся на первый взгляд малозначащим не­согласие опытных данных с теоретическими соображения­ми при измерении массы атомных ядер. Измерения массы ядра гелия показали, что она  равна 4,00158  атомных единиц массы. В то же время было известно, что масса протона равна 1,00727, а масса нейтрона — 1,00866 атом­ных единиц массы (все время говорится о массе покоя). Проделаем теперь простое вычисление.
Ядро гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов, сумма масс которых дает 4,03186. Однако масса ядра гелия оказалась на 0,03028 единиц меньше. Недостаточность мас­сы обнаружили у всех ядер, ее стали называть дефектом массы. Дефект массы ядра угрожал таким основам физи­ки, как закон сохранения массы: если при объединении
в ядро гелия двух протонов и двух нейтронов теряется мас­са, равная 0,03028 единиц массы, то это показывает несо­стоятельность закона сохранения массы. Однако сомнения легко устраняет теория относительности.

То, что свет обладает также и массой, следует из существо­вания давления света, открытого в 1900 г. русским физиком П. Н. Лебедевым. Лебедев установил, что световой поток обладает не только энергией Е, но и импульсом Е/с и, следовательно, мас­сой. Если тело поглощает световую энергию Е, то оно получает импульс Е/с, если же оно излучает световую энергию Е, оно по­лучает отдачу с импульсом, равным Е/с.

Один из распространенных методов исследования атомного ядра — бомбардировка его другими частицами: а-частицами, нейтронами, протонами, электронами и т. д. Если, например поток протонов направляется к ядру, то часть из них, столкнувшись с ядром атома, будет разле­таться по всевозможным направлениям. По характеру рассеяния протонов можно сделать определенные выводы о силовом поле, окружающем ядро. Чем больше скорость протонов, тем ближе они смогут подходить к ядру и тем больше сведений они дадут о строении ядра. Рассмотрим другой пример. Если на пути летящих с громадными скоростями электронов поставить мишень из металлической пластинки, то электроны, сталкиваясь с мишенью, будут резко тормозиться. При этом их кинетическая энергия будет переходить в у-кванты. Чем больше будет ско­рость электронов, тем короче длина волны тормозного у­излучения и тем больше будет его энергия, т. е. тем «жестче» будут возникающие у-лучи.
В результате столкновения частиц высокой энергии (например, быстрых протонов) с ядрами атомов могут возникнуть мезоны. Чем быстрее движутся сталкива­ющиеся между собой частицы, тем многообразнее про­цессы, которые могут возникнуть в результате таких столкновений. Изучая эти процессы, ученые получают все больше сведений о строении материи. Много интересных процессов происходит в земной атмосфере под воздейст­вием космических лучей. Космическое пространство об­разует как бы гигантскую лабораторию, откуда мы все время черпаем новые данные о свойствах и поведении мельчайших «кирпичиков» материи. Космическая лабора­тория, однако, имеет большой недостаток — стихийность происходящих в ней процессов. Исследователь должен ждать, пока случайно не нападет на интересующий его процесс. Для детального же изучения процесса нужно уметь управлять им и искусственно его вызывать в лабо­раторных условиях. Для этих целей необходимо иметь только достаточно быстрые элементарные частицы. Без­различно, имеем ли мы дело с быстрым протоном, источ­ником которого являются космические лучи, или же мы имеем дело с протоном, который мы получили на специ­альных установках, ускоряющих протоны. Процессы, вы­званные им, будут в обоих случаях одинаковыми.

Под энергией тела физики понимают запас работы, за­ключенный в теле. Работа в физике — это любое преодо­ление воздействия. Когда мяч разбивает окно, он соверша­ет работу. У летевшего мяча был запас энергии, часть ко­торой была затрачена на то, чтобы разбить стекло.
Классическая механика утверждает, что энергия сво­бодного тела обусловлена только его движением, это так называемая кинетическая энергия. Если тело с массой то движется со скоростью v, то его кинетическая энергия Е выражается в классической физике известной формулой
E=m_0*v²/2    (6)
(индексом нуль при m мы подчеркиваем, что масса не за­висит от скорости движения тела).

В прошлом столетии английский математик и механик В. Р. Гамильтон обратил внимание на то, что в распро­странении света и в движении тел много общего. Как све­товые лучи можно собрать с помощью линз, так можно сфокусировать и движущиеся с различными скоростями мелкие тела —частицы. Следовательно, используя такие частицы, можно так же получить изображение предмета, как и с помощью световых лучей. Практически идеи Га­мильтона были не осуществимы, так как сила тяжести, действующая на все тела, оказывала бы на работу такого «микроскопа» слишком большое искажающее влияние. Только после открытия электронов стало возможным сконструировать работающий с частицами микроскоп. Сила тяжести здесь практически уже не заметна, так как электрические силы, действующие на электроны, значи­тельно превышают ее. Так был создан электронный мик­роскоп, где вместо света для получения изображения ис­пользуется пучок электронов. Движение электронов при этом управляется электрическим и магнитным полями (используются так называемые электрические и магнит­ные линзы).
Проделаем следующий опыт.
Забьем в дно озера сваю так, чтобы она выступала над поверхностью воды, и посмотрим, какое влияние она ока­жет на движение волн. При легком ветре, когда поверх­ность воды покрыта только мелкой рябью, позади сваи волнения не замечаем. За сваей гладкая поверхность — тень от сваи.
Можно также заметить, что набегающие на сваю волны отражаются обратно. Иная картина при сильном ветре, когда по озеру ходят длинные волны. Они проходят мимо сваи, как будто ее и не существует. Никакой тени за сваей не образуется.

За последние десятилетия телевидение уже вышло из стадии опытов и нашло дорогу в повседневную жизнь. Телевизор теперь не редкость — миллионы людей при­выкли к нему так же, как к радио.
Мы не будем останавливаться на работе телевизион­ного передатчика, нас не интересует здесь и радиотехни­ческая схема телевизора. Единственно, на что мы обратим внимание — это на главную часть телевизора, электронно­лучевую трубку. Трубка представляет собой стеклянный баллон, из которого выкачан почти весь воздух. Выпуклое дно баллона служит экраном. В трубке создается узкий пучок быстрых электронов, направляемый к экрану. Эк­ран покрыт тонким слоем сернистого цинка или какого-нибудь другого вещества, которое под действием пучка электронов начинает светиться. Узкий пучок электронов вызывает на экране светящееся пятно. В трубке имеются еще устройства, которые посредством электрического и магнитного нолей отклоняют электронный пучок. Эти отклоняющие устройства изменяют положение светя­щейся точки на экране; можно изменять также яркость точки. Движение пучка электронов управляется откло­няющими устройствами так, что светлое пятнышко про­бегает ряд за рядом в течение 1/25 сек весь экран. Яркость точки зависит от радиосигналов, посылаемых телепере­датчиком.

Отметим сразу же, что скорость, фигурирующая в фор­муле (5), может быть измерена в любой инерциальной системе. В разных инерциальных системах тело имеет разную скорость, в разных инерциальных системах у него будет также и разная масса.
Масса — такая же относительная величина, как ско­рость, время, расстояние. Нельзя говорить о величине массы, пока не будет фиксирована система отсчета, в ко­торой мы изучаем тело.

До сих пор мы рассматривали в теории относительно­сти только вопросы распространения света и проблемы, не­посредственно связанные со свойствами пространства и времени. Займемся теперь другими вопросами, которые направляют исследователя к поискам практического применения теории относительности. Рассмотрим вопрос об
электромагнитном поле.
Поместим на самолете электрический заряд. Какое поле будет окружать этот заряд, когда самолет проносится над аэродромом? Ответить на этот вопрос сразу сложнее, чем может показаться на первый взгляд, так как ответ зави­сит от того, кого спросить: летчика или наблюдателя на аэродроме. Летчик скажет: «Электрический заряд в само­лете неподвижен. А так как неподвижный заряд окружен всегда только электрическим полем, то вокруг заряда, на­ходящегося в самолете, будет лишь электростатическое по­ле и ничего больше». Наблюдатель на аэродроме даст со­всем иной ответ. Он прежде всего напомнит нам, что во­круг движущегося заряда всегда имеется как электриче­ское, так и магнитное поля. Покоящийся в самолете заряд движется по отношению к аэродрому. Значит, измерения, проведенные на аэродроме, должны показать, что заряд окружен и электрическим, и магнитным полями.
Различные ответы получим и в том случае, если на са­молете поместим магнит. Летчик скажет, что магнит окру­жен только магнитным полем, как это и должно быть для неподвижного магнита. Наблюдатель на аэродроме будет утверждать, что магнит движется, а движущийся магнит, как известно, всегда окружен как магнитным, так и элек­трическим полями.