Природа электрической массы

При изучении кулоновских сил немедленно возникает вопрос: какова природа электрических масс, или количества электричества, которое несут на себе заряженные частицы (выше они были обозначены через q₁ и q₂). Сходство между кулоновской и гравитационной силой настолько велико, что естественно напрашивается желание сравнить свойства электрической массы (заряда) с гравитационной (фиг. 271). Между ними есть существенное различие. Заряды бывают двух видов — положительные и отрицательные, в то время как гравитационные массы могут быть только одного типа, так что гравитационные силы всегда силы притяжения¹⁾.

Считается, что массу можно дробить сколь угодно. [С точки зрения примитивной атомистической теории тела состоят из большого количества неделимых частиц. Однако, несмотря на признание атомной структуры вещества, в настоящее время (из соображений, которые будут пояснены позже) полагают, что масса, входящая в гравитационные уравнения, может принимать любые значения.] Заряды же, входящие в кулоновское уравнение, не являются непрерывными. С макроскопической точки зрения, скажем при электризации тел трением или каким-нибудь другим способом, заряды кажутся непрерывными. Однако мы знаем (и это подтверждено многочисленными экспериментами), что заряд нельзя дробить до бесконечности, т. е. он всегда кратен определенной фундаментальной единице, равной заряду частицы, которая называется электроном (от греческого слова, обозначающего «янтарь»).

Договорились, что электрон заряжен отрицательно. Для обозначения величины этой фундаментальной единицы заряда используется буква е²⁾. (Прилагательное «фундаментальная» подходит здесь, как нигде.) Заряд частицы, называемой протоном, равен, как нам известно, заряду электрона, но противоположен ему по знаку (+е). Очень чувствительные эксперименты, проведенные для измерения возможного различия в величинах этих зарядов, позволяют нам заключить, что заряды электрона и протона равны по величине с точностью до 10^-20.

1) Время от времени появляются различные гипотезы, однако до сих пор еще никому не удалось получить хоть малейшее экспериментальное указание на то, что силы гравитации могут быть отталкивающими.

2) Будем считать, что заряд, равный е, положителен. Тогда заряд электрона равен — е.

Все известные в настоящее время элементарные частицы, любые ансамбли из них, все атомы и вещества либо нейтральны, либо их заряды содержат кратное количество зарядов электрона или протона. Почему это так, никто не знает. (Недавно предположили существование частиц, заряд которых равен 1/3 заряда электрона, однако до сих пор таких частиц никто не наблюдал.)

Вероятно, наиболее глубокое свойство электрического заряда состоит в том, что он сохраняется. Иными словами, если какая-то изолированная система (т. е. система, из которой не выходят и в которую не входят заряды, аналогичная огражденному пастбищу, из которого не выходят и в которое не входят овцы) обладает определенным зарядом, величина этого заряда не меняется. Полный заряд равен сумме всех положительных и отрицательных зарядов. В изолированной системе типа закрытого контейнера, в которой нет зарядов, спустя некоторое время мы могли бы обнаружить два заряда. Однако один из них обязательно будет положительным, а другой — отрицательным, так что их сумма будет равна нулю. Например, фотон (частица света) может породить отрицательный и положительный заряды (электрон и антиэлектрон, т. е. позитрон), но окончательная сумма этих зарядов будет точно такая же, как и вначале (фиг. 272). Этот факт возвели в принцип — закон сохранения заряда. В системе, в которую не вносят и из которой не забирают заряды, полный заряд (сумма всех положительных и отрицательных зарядов) остается постоянным. Этот закон, как и законы сохранения энергии и импульса, является, вероятно, одним из наиболее глубоких принципов, лежащих в основе физики.