Filosofa.net

Из данного определения понятия симметрии возника­ют такие методологические требования: при изучении явления, события, состояния движущейся материи пре­жде всего необходимо установить свойственные им раз­личия и противоположности, затем уже раскрыть, что в нем есть тождественного и при каких условиях и в каких отношениях это тождественное возникает, существует и исчезает. Отсюда следуют и некоторые общие правила для формулирования наших гипотез (это правило часто относят к научной интуиции). Если установлено суще­ствование какого-то явления, состояния или каких-то их свойств и параметров, то необходимо предполагать и существование противоположных явлений, противоположных свойств и параметров; в свою очередь, необходимо далее постулировать, что между противоположными условиями в каких-то отношениях и условиях возникают и существуют тождественные моменты. В этих двух пра­вилах и выражается в общем виде применение понятия симметрии в конкретных исследованиях.

Асимметрией называется категория, которая обозна­чает существование и становление в определенных усло­виях и отношениях различий и противоположностей вну­три 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 был объяснен квантовой механикой, то испускание b-частиц (электронов) оказалось одной из труднейших для понимания проблем ядерной физики. Действительно, при a-распаде ядро атома испускает a-частицу, представляющую собой ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Таким образом, при a-распаде не образуется новых частиц, поскольку и протоны и нейтроны уже имелись в ядре. Был понят и процесс g-излучения, при котором из ядра вылетала новая (не бывшая, ранее в нем) частица - g-квант (фотон). Он был связан с тем, что путем g-радиоактивности ядро атома освобождалось от избыточной энергии аналогично тому, как рождался фотон в атоме при переходе электрона с верхней орбиты на нижнюю. Как a-, так и g-радиоактивность протекала в полном соответствии с законом сохранения энергии, импульса и момента количества движения.

Что же касается b-распада, то это явление оказалось значительно более сложным и поставило перед учеными ряд проблем. Прежде всего потому, что при этом виде радиоактивности из ядра вылетает ранее не находившаяся там b-частица - электрон. Когда к этому явлению были применены законы сохранения, то выявилась совершенно необычная ситуация: энергия, импульс и момент количества движения начального ядра не были равны, импульсу и моменту количества движения продуктов распада вновь образовавшегося ядра и испущенного электрона. Баланс указанных величин не только почти никогда не сходился, но и каждый раз давал различную величину. Ядро одного и того же радиоактивного изотопа испускает электроны различной энергии, начиная от некоторой максимальной до нулевой. При этом оказывается, что образующееся конечное ядро имеет всегда одну и ту же энергию. Начальное же ядро, превращаясь в результате радиоактивного распада в новое ядро, теряет одну и ту же энергию, в точности равную максимально возможной энергии испущенного электрона. Возник, естественно, вопрос: куда девается энергия в тех случаях, когда энергия электрона меньше максимальной?

Это был отнюдь не единственный сюрприз, препод­несенный физикам b-радиоактивностью. Когда под­считали импульс исходного ядра и его момент коли­чество движения и сравнили с импульсом и моментом количества движения вновь образовавшегося ядра и электрона, то оказалось, что и здесь баланс не сходится. Таким образом, в процессе b-распада как будто нарушались все три классических закона сохранения, между тем как во всех других известных явлениях микромира они неукоснительно соблюдались.

Для объяснения загадки b-распада было предложено много гипотез, имеющих в настоящее время лишь, исторический интерес. В 1922 г. Л. Мейтнер предложила, что b-электроны растрачивают часть своей энергии внутри атома, когда пролетают через его электронную оболочку. Эта гипотеза подверглась строгой опытной проверке в 1927 г. Эллисом и Вустером. Опыт этих ученых состоял в следующем: радиоактивный препарат RаЕ в толстостенной свинцовой оболочке помещался в медный калориметр. Количество энергии, выделенной препаратом за определенный промежуток времени, точно измерялось. Согласно гипотезе Мейтнер следовало ожидать, что средняя энергия, приходящаяся на один акт распада, должна была бы равняться максимальной энергии в b-спектре. В действительности же эта энергия оказалась равной средней энергии, составляющей около одной трети от величины граничной энергии b-частиц. Еще более тщательные опыты, осуществленные в 1930 г. самой Мейтнер совместно с Ортманом, подтвердили результат Эллиса и Вустера. Таким образом, вновь было установлено, что часть энергии ядерного превращения бесследно исчезает.

Единственным выходом из положения представлялось допущение о том, что в процессе b-распада закон сохранения энергии нарушается. Именно такой выход и предложил Бор в 1930 г. Гипотеза Бора, как и рассмотренная выше, заключалась в предположении, что закон сохранения энергии нарушается в элементарных актах b-распада, но выполняется статистически для достаточно большого числа таких актов. Во имя решения одной проблемы Бор предлагал столь большую жертву, что если бы она оправдалась, то это означало бы по существу крушение не только физики, но и всего естествознания в целом. Ибо с момента признания закона сохранения и превращения энергии как основы физического естествознания науке не был известен ни один факт, который противоречил бы этому закону. После исследований Комптона и других физиков не было сомнений в выполнении этого закона и в области микромира.

Гипотеза Бора о статистическом выполнении закона сохранения энергии в b-распаде была опровергнута в 1933 г. опытами Эллиса и Мотта.

Сразу же после появления она встретила дружные возражения физиков. Уж слишком велика была жертва. Один из основоположников современной теории b-распада швейцарский физик В. Паули писал по этому исподу: "На мой взгляд, эта гипотеза не только неудовлетворительна, но даже недопустима. Прежде всего, в этих процессах электри­ческий заряд сохраняется, а я не вижу оснований считать сохранение заряда более фундаментальным, чем сохранение анергии и импульса".

В 1931 г. на физической конференции в Пасадене Паули доложил ученым о своей интерпретации b-распада: "Законы сохранения выполняются, так как испускание b-частиц сопровождается проникающей радиацией из нейтральных частиц . Сумма энергий b-частицы и нейтральной частицы ., испущенных ядром в отдельном акте, равна энергии, соответствующей верхней границе b-спектра. Само собой разумеется, что мы допускаем во всех элементарных процессах не только сохранение энергии, но и сохранение импульса и момента количества движения".

Поскольку в результате b-распада заряд ядра изменяется на единицу, предполагаемая частица должна быть электрически нейтральной. Такой частицей мог бы быть и фотон, но эту возможность отрицал опыт Эллиса и Вустера. Масса ядра при b-распаде практически не изменяется, и поэтому частица должна была обладать ничтожно малой массой. Таким образом, постулированная Паули частица по споим свойствам отличалась от известных в то время частиц. Позже она была названа нейтрино. Введение этой гипотетической частицы объясняло парадоксы b-распада. Указанные свойства нейтрино приводили к тому, что оно совершенно свободно проходило 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 момента количества движения в ядре. Трудности с этим законом возникли в 1932 г., когда В.Гейзенбергом и Л. Иваненко была предложена нейтронно-протонная схема строения атомов ядра. Согласно этой схеме электронов, в ядре быть не должно, они рождаются в процессе b-распада. Теория ядра приводила к заключению, что спин исходного ядра в единицах h/2p должен выражаться целым числом. Между тем спин электрона равен половине, а орбитальный момент количества движения электронов мог быть только целым числом h/2p. Поэтому получалось, что в результате b-распада целый спин ядра должен был бы переходить в полуцелый и наоборот. Это означало нарушение закона сохранения момента количества движения. Эта трудность сейчас устранялась, если нейтрино приписать полуцелый спин (1/2).