Мн
[ыогообразие процессов, протекающих в физическом мире, сводится, на удивление, всего к четырем видам взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, слабому и сильному ядерным взаимодействиям. В мироздании указанные взаимодействия проявляются как следствие его внутренних свойств, запасённой энергии и даже определённой структуры и конфигурации. Чтобы уяснить это, нам придётся говорить о пространстве, времени и «мерностях» - математических абстракциях, описывающих сложную картину мира.
Три координаты пространства в сочетании со временем создают некое абстрактное четырехмерное пространство-время Минковского. Путаницу в наши умы вносит, конечно, присоединение времени к трем, в общем-то, понятным координатам пространства. (Это похоже на то, как если бы нам предложили сложить метр с секундой.) Попробуем разобраться. Когда мы стоим на равнине, трудно представить себе, что наша Земля представляет собой не что иное, как плоскость, т.е. двумерное пространство, которое легко можно перенести на двухкоорди-натную (х— ^-плоскость без потери информации. Однако когда мы поднимаемся на летательном аппарате над Землёй, в космос, мы постепенно убеждаемся, что Земля имеет форму шара, т.е. трёхмерный объект, и для его представления потребуется ещё одна, г-координата. С этим вроде всё ясно. Но как быть со временем - ещё одной переменной координатой, с которой связана динамика всех процессов. Здесь всё гораздо сложнее. Объяснить это должным образом смог лишь Эйнштейн, создав общую теорию относительности. И выяснилось много интересного. В повседневной жизни мы видим, что яблоко с яблони всегда падает на Землю, и все предметы и тела, поднятые над Землёй, непременно упадут на Землю, если убрать опору или подвеску, на которой они закреплены. Удивления это у нас не вызывает, потому что мы знаем - Земля притягивает все предметы, и ответственна за это си-
127
 ли тяготения, гравитация. Траектория падения также известна, она всегда направлена к центру Земли. Но это вблизи поверхности Земли. Если тело удалять от Земли, то ситуация будет меняться: ослабевает действие Земли, усиливается действие других космических объектов, и в первую очередь Солнца, и траектория движения тела, поднятого высоко над Землёй, будет существенно иной. Эксперимент провести нам не удастся, да в этом и пет необходимости. Достаточно посмотреть, что происходит в Солнечной системе. Почему Земля и другие планеты при своем вращении вокруг Солнца не надают на Солнце?
Французский поэт Поль Валери (1871-1945) изобразил ситуацию таким образом:
((Нужно было быть Ньютоном,
чтобы заметить, что падает Луна,
хоть всякий сидит -
не падает она».
Продолжая мысль поэта, профессор Калифорнийского университета Уильям Бёрке уточнил, «что нужно было обладать гениальностью Эйнштейна, чтобы заметить, что Луна движется по «прямой», тогда как всякий видит совсем иное»1.
Ответ следует из теории Эйнштейна. Да просто потому, что траектория движения небесных тел и есть траектория «свободного падения» в гравитационном поле, образованном системой небесных тел. «Прямая» — это энергетически наиболее выгодная, виртуальная «колея», направление которой задаёт конфигурация пространства-времени. Именно такой путь наиболее предпочтителен, потому что. как говорят, так искривлено пространство-время. И траектория движения отражает этот факт. Пространство и время оказываются связанными воедино в мировом 4-мерном континууме. Но и это, оказалось, ещё не всё.
Четырех взаимодействий, казалось бы, достаточно для построения мира, но четырехмерной картины мира недостаточно для описания всех четырёх взаимодействий. Более того, все взаимодействия, необходимые для создания сложного и разнообразного окружающего нас мира, можно, как оказалось, получить из одной силы.
Суперенла
В субатомной физике понятие «сила» в классическом понимании отсутствует: её заменяют взаимодействия между частицами, происходящими через посредство полей, т.е. каких-то других частиц. Это означает, что фундаментальное понимание природы неразрывно связано с пониманием природы всего спектра субатомных частиц. Надо учиты-
128
вать и то, что при рассмотрении такого процесса, исходя из релятивистской теории, частицы представляют собой не неделимые тела, а динамические паттерны с вовлечением того или иного количества энергии, которая может затем перераспределяться при образовании новых паттернов.
Итак, гравитация сделала возможным образование планет, звёзд, галактики, Вселенной.
Электромагнитные взаимодействия наблюдаются между всеми заряженными частицами. Без электромагнитного взаимодействия не было бы ни атомов, ни химии или биологии, а также солнечного света и тепла. Именно оно ответственно за все химические реакции, а также за образование всех атомных и молекулярных структур. Например, электрон удерживается вблизи атомного ядра благодаря электромагнитной силе. Энергия этой связи составляет примерно десять единиц эВ. Квантовая теория поля трактует электромагнитные взаимодействия как обмен фотонами.
Сильные ядерные взаимодействия удерживают вместе протоны и нейтроны внутри ядра. Они порождают ядерную силу - самую мощную из всех известных современной науке сил. Эта сила заключает в себе энергию, равную десяткам миллионов эВ. Без сильных ядерных взаимодействий не существовали бы ядра, а следовательно, атомы, молекулы, звёзды и Солнце.
В соответствии с кварковой моделью адроны (протоны и нейтроны) рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из трёх кварков. Когда протон «прилипает» к нейтрону или к другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая часть - на склеивание двух трио кварков друг с другом. Все взаимодействия между адронами совершаются путём обмена другими адронами. В обмене участвуют частицы новой разновидности -мезоны. Эти частицы во всех отношениях, кроме стабильности, напоминают электроны. Они широко распространены в природе, на их долю приходится значительная часть фонового космического излучения, которое регистрируется на поверхности Земли счётчиком Гейгера. Обмен тяжелыми частицами является причиной того, что сильные взаимодействия проявляются только на очень небольших расстояниях, не намного превышающих размеры самих частиц. Сильные взаимодействия падают на расстоянии от протона пли нейтрона, превышающем 10"'J см, поэтому такие взаимодействия не могут сложиться в макро-
6 Зак. 3066 129
  скопическую силу и в нашей повседневной жизни не наблюдаются. Они не могут проявляться в макроскопических телах. Сильное взаимодействие испытывают протоны и нейтроны, но не электроны. Нейтрино и фотоны также не подвластны ему.
Слабые ядерные взаимодействия проявляются при ещё более малых расстояниях между частицами - гораздо меньших, чем при сильных взаимодействиях. Они прекращаются на расстоянии, большем 10"IG см от источника, следовательно, они не могут влиять на макроскопические объекты, а ограничиваются отдельными субатомными частицами. В то же время слабые взаимодействия играют определённую роль в образовании Вселенной. Без них невозможны были бы реакции на Солнце и звёздах, вспышки сверхновых и всё разнообразие тяжелых химических элементов. Предполагается, что в случае слабых взаимодействий происходит обмен тяжелыми частицами, которые выполняют ту же роль, что и фотоны в электромагнитных взаимодействиях и мезоны в сильных ядерных. Частицы получили обозначение W", W" и Z. На этом основании и удалось создать единую теорию поля для электромагнитного и слабого взаимодействий, а затем и теорию Великого объединения (ТВО). Природные явления, происходящие на Земле, в большинстве случаев имеют низкие энергетические характеристики, вследствие чего тяжелые частицы редко образуются на Земле в естественных условиях.
В конце концов учёные пришли к выводу, что все четыре совершенно различных взаимодействия, каждое из которых по-своему необходимо для возникновения сложных структур, делающих Вселенную столь активной и интересной, порождаются единственной Сунерсилой. Это ли не подтверждение великого единства, универсальности и изящества природы. Однако дошли до этого не сразу. Теория Великого объединения - огромная сумма знаний.
В 1921 году малоизвестный польский физик Теодор Калуца пришёл к выводу, что электромагнетизм является своего рода «гравитацией», но не обычной, а гравитацией в ненаблюдаемых измерениях пространства. То, что мы называем электромагнетизмом, - всего лишь часть гравитационного поля, действующая в пятом, дополнительном измерении пространства, которое мы не в состоянии наглядно представить. Особенности движения электрически заряженных частиц в электрических и магнитных полях прекрасно объясняются, если предположить, что частицы пребывают в дополнительном, пятом измерении. Если принять эту точку зрения, то вообще нет никаких сил, - существует только геометрия искривлённого пространства (пятимерного), а
130
частицы свободно «кочуют» по наделённой структурой пустоте. В окончательном варианте эта теория приобрела название теории Калу-цы - Клейна и постулирует 11-мерную Вселенную. Все силы природы, подобно гравитации, рассматриваются как проявление структуры пространства-времени. То, что мы обычно называем гравитацией, обусловлено кривизной 4-мерного пространства-времени, тогда как остальные силы обусловлены кривизной пространства более высокой размерности. Все силы природы выступают как проявление скрытой геометрии.
Ещё в 1870 году математик У.К.Клиффорд, обращаясь с мемуа-ром «О пространственной теории материи» в престижное Кембриджское философское общество, писал: «Небольшие участки пространства напоминают холмы на ровной в среднем поверхности... Подобные деформации (или искривления) непрерывным образом, точно волна, переходят из одной области пространства в другую. Изменение кривизны пространства и есть то явление, о котором мы говорим как о движении материи. Вообще в физическом мире не происходит ничего, кроме такого изменения».
Есть веские основания предполагать, что вся Вселенная, включая, по-видимому «твёрдое» вещество, воспринимаемое нашими органами чувств,
это всего лишь проявление извилистого «ничто». Мир в конечном счёте окажется слепком абсолютной пустоты, самоорганизованным вакуумом.
Теория Великого объединения и сунерснмметрня - научные направления совместно приводят к весьма привлекательной идее, согласно которой вся природа в конечном счёте подчинена действию некой Суперсилы, проявляющейся в различных «ипостасях». Эта сила достаточно мощна, чтобы создать нашу Вселенную и наделить её светом, энергией, материей и придать ей структуру. Но Суперсила - нечто большее, чем просто созидательное начало. В ней материя, пространство-время и взаимодействия слиты в нераздельное, гармоничное целое, порождающее такое единство Вселенной, о чём ранее никто и не предполагал. Согласно данной теории, трёхмерный мир наших чувственных восприятий дополняется семью невидимыми, назовем их по привычке пространственными, измерениями, что и составляет вместе со временем (о чём говорилось ранее) 11 измерений. По мнению некоторых теоретиков, наблюдаемая ныпе инфраструктура Вселенной сформировалась в первые 10
32 с, и эта мгновенная её упорядоченность включала переход от 10 пространственных измерений к трём, сохранившимся до сих пор.
131
В теории Великого объединения отчетливо различаются три пороговых значения, или масштаба, энергии. Прежде всего - это порог Ваинберга - Салама, эквивалентный почти 90 массам протона, выше которого электромагнитные и слабые взаимодействия сливаются в единое электрослабое. Второй масштаб, соответствующий 10ы массам протона, характерен для Великого объединения и основанной на нем новой физики. Наконец, предельный масштаб - масса Планка, эквивалентный 1019 массам протона, соответствует полному объединению всех взаимодействий, включая гравитацию, в результате чего мир поразительно упрощается. Одна из самых больших нерешенных проблем состоит в объяснении существования этих трёх масштабов, а также причины столь сильного различия первого и второго из них.
Мир, возможно, в большей или меньшей степени построен из ничего, наделённого структурой, а сила и вещество - лишь проявление пространства и времени. Если это так, то перед нами взаимосвязь глубочайшего значения.
Если в свободное время «покопаться» в теории Великого объединения, то, возможно, найдётся такое место на энергетической шкале генерального процесса, где «отстёгивается» сам Дух (психическая энергия, сознание) как атрибут, отвечающий за самое загадочное взаимодействие в природе.
Примечания к гл. 8: 'J' "" ' "■ '
/. Беркс, У. Пространство* врем л, геометрия, квшошгня, *-NJ^'Mrffe. '1985.
С. 251. ' ■ ' ' ''""^
132
Глава 9
Пустота
тготоны - это волны, а волны - это колеблющиеся поля, а это означает, что фотоны должны одновременно быть и проявлением электромагнитных полей. Отсюда возникло понятие квантового поля, т.е. поля, способного принимать форму квантов или частиц. Это совершенно новое понятие. Оно используется при описании всех субатомных частиц и их взаимодействий и получает дальнейшее развитие, выражающееся в том, что каждому типу частиц ставится в соответствие определённый тип поля. Квантовая электродинамика возникла в результате объединения квантовой теории с классической теорией электромагнетизма и описывает все электромагнитные взаимодействия между субатомными частицами. Теория включает в себя положения квантовой теории и теории относительности. О её значении для науки мы уже упоминали ранее.
Квантовое поле
Квантовому полю приписывается самостоятельная физическая природа - природа протяженной среды, присутствующей всюду в пространстве. Частицы представляют собой лишь точки «сгущения» поля, возникающие и исчезающие энергетические узлы. Частица утрачивает свою индивидуальность и растворяется в окружающем поле.
А. Эйнштейн: «Мы можем считать, что вещество состоит из таких участков пространства, в которых поле достигает чрезвычайно большой интенсивности... В повой физике нет места двум сущпосптм, полю и веществу, поскольку существует единственная реальность - поле».
Интерпретация субатомного мира в терминах квантового поля имеет много общего с интуитивным восприятием восточного мистика, который истолковывает свой опыт в окружающем мире в терминах высшей реальности, составляющей основу всего сущего, однако в отличие от него квантовое поле является вполне определённым поня-
133
 тием, которое применимо только к определённым физическим явлениям. С возникновением понятия поля физики заинтересовались созданием единой концепции поля - поля, в котором берут начало не только физические категории, но и все явления вообще. Согласно восточным представлениям, реальность, лежащая в основе всех явлений, не обладает никакой формой и не может быть описана или определена. Поэтому её1 часто называют бесформенной и пустой. Однако в данном случае понимается не обычная пустота, а пустота с большой буквы - Пустота, являющаяся неисчерпаемым источником творения. Поэтому мы можем сравнить Пустоту в понимании восточных мистиков с квантовым полем современной физики. Точно так же, как и квантовое поле, она порождает бесчисленное множество форм, питая их своей энергией до тех пор, пока они снова не растворятся в исходной и бесконечной Пустоте. Как для физика субатомный мир, так для восточного мистика феноменальное существование представляет собой сапсару - мир беспрестанных рождений и смертей. Будучи временными воплощениями Пустоты, предметы этого мира не имеют фундаментальной сущности.
Герман Венль: «Согласно представлениям о строении вещества и теории поля, материальная частица - скажем, электрон - представляет собой не что иное, как небольшой участок энергетического поля, в пределах которого напряженность достигает фантастических величин, что свидетельствует о концентрации большого количества энергии в очень малом объёме пространства. Такой сгусток энергии, не имеющий чётких границ на фоне всего остального поля, подобно волне на поверхности водоёма, перемещающийся в пустом пространстве; поэтому мы не можем утверждать, что электрон всегда состоит из одной и той же определённой субстанции - такой просто не существует». Становится не очень уютно, если представить, что наша жизнь - лишь мимолётная волна на поверхности огромного «пруда». Пробежала и исчезла, оставив после себя, в лучшем случае, одно-два возмущения в виде похожих всплесков волн, у которых такая же судьба.
Придя к понятию квантового поля, физика нашла неожиданный ответ на старый вопрос о том, из чего же состоит вещество - из неделимых атомов или фундаментального континуума, лежащего в основе всего. Поле есть континуум, пронизывающий всё пространство, тем не менее обладающий и дискретной, «гранулярной» структурой в одном из своих проявлений, т.е. в форме частиц. Таким образом, два самостоятельных понятия объединяются в одно, приобретая характер двух различных аспектов одной и той же реальности. Так, электромагнитное поле может проявляться в виде «свободного поля», т.е. перемещаю-
134
щихся волн [I фотонов, а также в виде «силового поля», действующего в пространстве между заряженными частицами. Мы не можем непосредственно ни увидеть электромагнитное поле, ни прикоснуться к нему. О том, что оно существует, мы знаем только по его действию на электрический заряд. Но ведь и само поле порождается зарядами.
Физический вакуум
Вакуум не может считаться пустым, напротив, он содержит неограниченное множество беспорядочно возникающих и исчезающих частиц. Физический вакуум, как он именуется в теории поля, не является состоянием абсолютной иезаполненностп и отсутствия всякого существования, но содержит в себе возможность существования всех возможных форм мира частиц. Эти формы, в свою очередь, представляют собой не самостоятельные физические сущности, а всего лишь преходящее воплощение Пустоты, лежащей в основе бытия. Вакуум - это живая пустота в полном смысле этого слова, в пульсациях которого берут начало бесконечные ритмы созданий и разрушении. Теория поля подтверждает, что события такого рода происходят постоянно.
Квантовый вакуум - это пространство, заполненное виртуальными частицами всевозможных сортов, в т.ч. виртуальными электронами и позитронами, мезонами и нуклонами... Хотя мы непосредственно не наблюдаем эти виртуальные частицы, известно, что они тем не менее существуют и могут создавать физические эффекты. Электрон, помещенный в вакуум, также узнаёт об их существовании, так как они «от-шваются» на его появление. Электрическое поле электрона вносит возмущение в поведение виртуальных электронов и позитронов на протяжении их недолгого существования. Виртуальные позитроны будут притягиваться, а виртуальные электроны - отталкиваться. В распределении заряда возникнет смещение, называемое поляризацией. То, что пустое пространство в присутствии электрического поля может стать электрически поляризованным, является любопытным следствием квантовой теории. Трудно представить себе вакуум, обладающий электрическими свойствами, однако поляризация вакуума - эффект вполне реальный, и его нетрудно измерить экспериментально.
В квантовой теории поля все взаимодействия представляются как процессы обмена виртуальными частицами. Электромагнитные силы обусловлены наличием виртуальных фотонов «внутри» заряженных частиц, в то время как сильные взаимодействия между нуклонами происходят в результате присутствия виртуальных пионов и других мезонов «внутри» нуклонов. Силы, действующие между частицами, пони-
135
:амих частиц. Сила и материя, две категории, так ыотоновскими законами, оказывается, имеют
маются как свойства с; чётко разграниченные одну и тернах, которые мы называ<
азграние
рру ем частицами. Чем сильнее взаимодействие,
ia» взаимодействия между частицами, тем вы-
ту же физическую природу, выраженную в динамических пат и Чем сильнее взаимодействие
:твугощего процесса и тем чаще происходит
Однако роль виртуальных частиц не
обмен виртуальными частицами
подобных взаимодействиях. Виртуальную любой отдельно взятый нуклон, он же
ограничивается участием в частицу может испускат!
■. Это вполне обычный процесс, и единственная ого-
снова поглошае'1
время существовании образовавшегося
ворка заключается в том, что
ятность таких
^определённости. Веро:
мезона ограничено принципом н
оанмодействия» для нуклонов очень велика ввиду
процессов «самов:
йствня. Это означает, что фактически ну-
больших сил этого взаимодеи клопы посто
то есть чем мощнее «сил: ше вероятность соответс
<янно испускают и поглощают виртуальные частицы
, Тео
рия поля рассматривает нуклоны как центры постоянной активности.
кру:
вскоре после своего испуск; они не могут удалиться на
окруженные «облаками» виртуальных частиц. Виртуальные мезоны :ания должны исчезнуть, а это означает, что
большое расстояние от нуклона. Поэтому
размеры мезонного облака очень не
велики. Когда два нуклона сбли-
жаются друг с другом так
-ITO их мезонные облака частично наклады-
ся к тому нуклону, котор нее облако и поглоща! чески испускает положительны
друг па друга, некоторые виртуальные частицы не возвращают-шторый их испустил, а «перепрыгивают» в сосед-1аются другим нуклоном. Протон обычно периоди-__ л поглощает нейтральные пионы, иногда он испускает и пион (ti+) и превращается в нейтрон, который чере:
>щает этот пион и снова превращается в протон.
ставляют сущность сильных
цами, т.е. «силы»,
нртуальных облаков
некоторое время погло' Такие процессы обмена частицам взаимодействий. Становится ясно, что взаимодействия между части-действующие между ними, зависят от структуры
этих частиц. Радиус взаимодействий, т.е. рас-
л'ояиие между частицами, при котором возннкаи
■от взаимодействия.
определяется свойствами
не только в процессе взаимодей-leiiiio. объясняют их свойства, но
астиц, составляющих облака.
Виртуальные частицы рождаются вия между частицами и, соответств!
могут порождаться вакуумом и черпать энергию из него. Виртуальные частицы могут спонтанно возникать «из пустоты» и снова растворяться
в «пустоте», даже в том случае,
когда поблизости нет нуклонов или
:акнх-либо других частиц, способных участвовать в сильных взаимодействиях. Например, три частицы - протон, антипротон и пион - образуются из вакуума, а потом снова превращаются в вакуум.
|
Скачать 3.29 Mb.