О природе вещей. Учебное пособие по курсам «Концепции современного естествознания» и «Современная научная картина мира»

каконекоторойэлементарнойчастице,обладающейопределенной массой,топриходитсяпризнать,чтооннеимееткакого-либоточно определенного положения в пространстве. При движении вокруг атомногоядраонодновременнонаходитсясразувовсехточкахсво- ей орбиты, мы можем лишь приблизительно, с большей или мень- шей степенью вероятности указывать его координаты. Электрон «размазан» по всей своей траектории движения. Позднее принцип неопределенности был распространен и на другие элементарные частицы.

Парадоксальнаявещь:квантоваямеханикаоказаласьвесьмапо- этичной наукой, а может быть, она лишь следовала за поэзией, как бы то ни было, еще в 1857 г. французский поэт Шарль Бодлер напи- салзамечательныестроки:

О,страннаяиграсподвижноюмишенью, Небудучинигде,цельможетбыть–везде! Игра,гдечеловекохотитсязатенью, Запризракомладьинапризрачнойводе!

Прозрение Бодлера позволило ему сформулировать принцип неопределенностивформепоэтическогооткровенияпочтизасемь- десятлетдоегофизическойформулировки!

Из принципа неопределенности следует чрезвычайно важный философский вывод: если мы даже теоретически не в состоянии определить точное положение элементарных частиц в настоящем, значит, нет никакой возможности дать точный прогноз для их по- ложения в будущем. Принцип неопределенности похоронил жест- кий лапласовский детерминизм, показав значение случайностей ивероятности.Даздравствуетсвободавыбора!

Какводится,имыуженачаликэтомупривыкать,такоеположе- ниепродержалосьнедолго.Следующийотец-основатель–австрий- ский физик Эрвин Шредингер – вывел уравнение так называемой волновойфункции,вкоторомпоказал,чтопричинно-следственные связи играют роль и в микромире, просто величина, определяю- щая следствие, снижается ровно в два раза. Принцип детерминиз- ма сохранил свое значение, и это замечательно, иначе пришлось бы признать, что все в нашем мире – всего лишь игра случая. Против такого подхода выступал Эйнштейн, чье несогласие с вероятност- ной картиной мира было выражено в его знаменитом афоризме «Бог не играет в кости!». Волновая функция позволяет определить либо скорость, либо положение частицы. С. Вайнберг очень просто и доходчиво проиллюстрировал ее смысл, показав, что по сути она

31

является комбинацией из двух пар взаимосвязанных параметров: «здесь – там» и «стоит – идет». Если мы говорим, что частица нахо- дится «здесь», то мы ничего не можем сказать о том, стоит она или идет, вероятность ее нахождения в любом из этих состояний равна пятидесяти процентам. Наоборот, если мы определяем параметр «идет», то ничего не можем сказать о том, где именно она идет – здесь или там. Все зависит от наших целей в данный конкретный момент времени: либо мы хотим узнать, где она находится, либо вкакомонасостоянии.Этотподходраспространяетсяинаещеодин универсальныйпринципмикромира–корпускулярно-волновойду- ализм. Катастрофическое для студента-гуманитария словосочета- ние расшифровывается на самом деле очень просто – оно означает всего лишь, что объекты микромира в зависимости от конкретной цели исследования можно считать волной, а можно – частицей, по- сколькуонипроявляютите,идругиесвойства.Однакоэтапростота позволила С. Хокингу сделать далеко идущий вывод о том, что мы в принципе ничего не знаем о загадочном мире микрочастиц и ма- тематический аппарат, описывающий их поведение, на самом деле описываетнашеотношениекэтомумиру.Впринципетакойподход ненов,ивисториифилософиимыможемвстретитьнемалоприме- ров,когдамиррассматриваетсяименновтакомключе.ВХIХв.Кант выдвинул концепцию, согласно которой мир, в котором мы жи- вем, не таков, какой он есть «сам по себе», а такой, каким он нам является. Более близкий пример: один из крупнейших философов ХХ в. Мартин Хайдеггер в статье «Время картины мира» писал, что если раньше, в классическую эпоху, считалось, что природа ставит перед человеком загадки и цель науки – дать на них верный ответ, то в современной науке все обстоит как раз наоборот: человек за- дает вопросы природе, и цель науки, во-первых, правильно задать вопрос, а во-вторых – расшифровать ответ. Из примера с корпуску- лярно-волновым дуализмом видно, что на самом деле интерпрета- ция этих ответов во многом зависит от того, что именно мы хотим услышать.

Философское значение волновой функции раскрывается и еще одним, довольно-таки неожиданным способом (впрочем, автор на- деется,чтоужеясно–отквантовоймеханикиможноожидатьвсего, чегоугодно).Деловтом,чтоизуравненияШредингераследует,что не существует такого понятия, как пустота. Вспомним вновь грече- ских атомистов – именно от них начинается представление о «пу- стом пространстве». Однако пустота означает, что оба значения

32

волновой функции равны нулю. С точки зрения привычных пред- ставлений это очевидно, но парадокс заключается в том, что такой подход противоречит принципу неопределенности: мы указываем одновременно два значения, что недопустимо. Следовательно, пу- стое пространство не вполне пустое, что-то (хоть мы и не можем указать, что именно) все равно присутствует, просто вероятность этого присутствия в каждой конкретной точке пространства мень- ше единицы – вот основной вывод, следующий из волнового урав- нения.Этоозначаетнибольшенименьшекаквозможностьпоявле- ния в этой пустоте некоторых видов материи. На самом деле совре- менные средства наблюдения позволяют зафиксировать рождение в вакууме определенных элементарных частиц, причем никакого нарушения закона сохранения энергии при этом не происходит: частицы рождаются всегда попарно, со своей античастицей (части- цы и античастицы имеют одинаковую массу, но противоположные заряды, например электрон, обладающий отрицательным заря- дом, имеет античастицу позитрон, заряженную положительно. При ихвстречеонивзаимноуничтожаются,испускаядваквантасвета,– этот процесс называется аннигиляцией. Если частица не имеет за- ряда, ее античастица либо совпадает с ней – так дело обстоит с фо- тоном, либо отличается по типу вращения по или против часовой стрелки), затем они взаимодействуют друг с другом, высвобождая энергию, величина которой в точности равна той, которая была за- трачена на их образование. При некоторых условиях, например при попадании на горизонт событий черной дыры (что это такое, мы узнаем в следующем разделе), пара «частица – античастица» может разъединяться, и одна из них начинает самостоятельную жизнь. В этом случае физики говорят о квантовой флуктуации и креатив- нойфункциивакуума,афилософыпытаютсяосознатьтотфакт,что древнее высказывание «из ничего ничего не бывает» – «ex nihilo nihil est» – оказывается неверным, поскольку нет этого самого «ничего». В философской традиции со времен атомистов принято считатьатомыолицетворениембытия,апустотумеждуними,соот- ветственно, – небытия. Но если абсолютной пустоты не существует, то не существует и небытия – одной из двух фундаментальнейших философскихкатегорий!Интересно,чтоещеодиндревнийгрек,со- временникДемокритаПарменид(учительЗенона,которогомыуже знаем по его апории «Ахиллес и черепаха») утверждал то же самое, необладаяникакимизнаниямиквантовойфизики,аопираясьлишь налогическиерассуждения.

33

Помимо философских, разумеется, волновая функция имела и чисто физические следствия. Наиболее интересным (и трудно- представимым) является то, что все без исключения тела нашего мираобладаютволновымисвойствами,простовслучаемакробъек- тов, т.е. предметов, имеющих большую массу и размеры, величина волновой функции чрезвычайно мала. Но в определенной степени все мы можем считаться волнами. Это открытие сделал француз- скийфизикЛуидеБройльвсвоейдокторскойдиссертации.

Любопытныйфакт:самосозданиеквантовоймеханикикакбуд- то подчинено ее основному принципу – принципу неопределенно- сти. Гейзенберг, Шредингер и де Бройль начали свой путь в науке с крупнейших открытий, и если бы дальнейшие исследования шли унихстольжеуспешно,вфизикеоченьбыстронеосталосьбыника- кихтайн.Однакопослестольвпечатляющегоначаланиодинизних неоставилболееникакогосколь-нибудьзаметногоследавнауке.

Гейзенберг имел дело с двумя параметрами элементарных ча- стиц–координатамииимпульсом.Однакокромеэтогоимеетсяеще одна загадочная характеристика, именуемая «спин» (в переводе санглийского–«вращаться»).Представьтесебе,чтовасперевернули изаставилистоятьнаголове.Разумеется,втакомположениивыбу- детевыглядетьиначе,идлятого,чтобыпринятьсвойпервоначаль- ный вид, необходимо совершить эту процедуру еще раз. Нам с вами потребуется один полный оборот, чтобы вернуться к исходному по- ложению, поэтому можно сказать, что наш спин равен единице. Од- наковозможныидругиеварианты,например,карточныйвалетили дама ничем не будут отличаться после половины оборота. Полови- на – это одна вторая, и их спин равен, соответственно, двойке. Если мыпредставимколесорулетки,скоторогостертакраска,то,очевид- но,онобудетприниматьвид,ничемнеотличающийсяотисходного, приповоротенаоднутридцатьшестуюегоспинбудетравентридца- тишести.Стакимизначениямиспинаразобратьсядовольнопросто, но известен совершенно потрясающий факт: существуют частицы, спинкоторыхравеноднойвторой.Этоозначает,чтоприполномобо- ротеонивыглядятнетак,какдонего,иимдлятого,чтобыпринять исходныйвид,необходимосделатьдваоборота!Нашеповседневное мышление отказывается принимать этот факт, поскольку весь наш опыт говорит о том, что любое тело при повороте на триста шесть- десятградусоввозвращаетсякисходномусостоянию.Это,безсомне- ния, так, – но не в микромире! Более того, именно из таких загадоч- ныхчастицсостоитвсевеществовнашейВселенной,втовремякак

34

частицы с целым спином являются переносчиками фундаменталь- ных взаимодействий. В настоящий момент известны четыре типа сил, действующих в природе: гравитационная, электромагнитная, слабогоисильногоядерноговзаимодействия.Некоторыеизэлемен- тарных частиц, участвующие в переносе, являются вполне обычны- миидоступнымидлянаблюдения,напримерфотоны,которыеотве- чают за электромагнитное взаимодействие. Другие же существуют тольковвидевиртуальныхчастиц,т.е.мынеможемнаблюдатьсами эти частицы, но судим о них по их проявлениям. Это, например, гра- витоны – виртуальные частицы, создающие гравитационное поле, или тяжелые векторные бозоны, участвующие в слабых ядерных взаимодействиях. Согласно принципу неопределенности, чем боль- ше расстояние, на которое частица может передавать взаимодей- ствие,темменьшедолжнабытьеемасса.Самаядальнодействующая извсехсил–гравитационная,поэтомугравитоныобладаютнастоль- ко малой массой, что их никому еще не удалось зафиксировать. По- четное второе место занимает электромагнитное излучение, часть которого приходится на видимый свет, поэтому фотоны мы можем воспринимать даже без помощи каких-либо приборов, однако изме- рить их массу так же невозможно, поэтому говорят, что масса покоя фотонаравнанулю.Частицы,участвующиевсильномислабомядер- ных взаимодействиях, являются виртуальными по другой причине. Для того чтобы это представить, необходимо вспомнить, что ядро атома состоит из двух типов элементарных частиц – нейтральных нейтронов и положительно заряженных протонов. И у нас сразу же должен возникнуть простой детский вопрос: а как же получается, что протоны в ядре не отталкиваются под действием электромаг- нитных сил? Ведь мы прекрасно знаем, что можно соединять одно- именные полюса магнита только до определенной степени, после чего никакими усилиями нельзя прижать их друг к другу. Неужели в ядре не происходит такого отталкивания? Конечно, происходит, но в ядрах атомов действует еще одна сила – слабое ядерное взаи- модействие. В макромире заметить действие этой силы невозмож- но,посколькуразрывсвязеймеждупротонамивозможентолькопри расщепленииядра,авеститакиенаблюдениявэпицентреядерного взрыва весьма затруднительно. Не говоря уже о том, что любая ап- паратурабудетуничтоженадоначалаработы,этоещеисовершенно бессмысленнаязатея,посколькулюбыевиртуальныечастицыбудут незаметны в буре излучения, возникающего при ядерных реакциях. Переносчиками сил слабого ядерного взаимодействия, как уже го-

35

ворилось, являются виртуальные частицы под названием «тяжелые векторные бозоны». В 1967 г. Абдус Салам и Стивен Вайнберг неза- висимодруготдругадоказали,чтопривысокихэнергияхэти«несу- ществующие» частицы совпадают с фотонами – вполне реальными илегкофиксируемыми.Различныепринизкихэнергиях,свойствен- ныхнашемумиру,ониоказываютсяоднойчастицейприувеличении их скорости. Экспериментальные подтверждения этого были сдела- нытолькодесятьлетспустя,ив1979г.СаламиВайнбергтожеполу- чили Нобелевскую премию, а вместо двух сил – электромагнитной и слабой ядерной – сейчас говорят об одной – силе электрослабого взаимодействия.

Ядро атома хоть и представляет собой обычно весьма прочную структуру, при определенных обстоятельствах все же способно раз- рушаться. Гораздо более стабильными являются элементарные ча- стицы, из которых это ядро состоит, – протоны и нейтроны. Если ядерныйраспадмыможемнаблюдатьприатомномвзрывеилипри самопроизвольном распаде радиоактивных элементов, то разруше- ниепротоновинейтроновещеникомунеудалосьзафиксировать.

Сила, отвечающая за целостность самих протонов и нейтронов, называется сильным ядерным взаимодействием, она связывает вместе субэлементарные частицы, называемые кварками. Гипотезу окваркахпредложилещеодиннобелевскийлауреат,американский физик Гелл-Манн. Оказалось, что существует как минимум шесть разновидностей кварков, и этот факт почему-то вызвал у физиков безудержный приступ фантазии (возможно, несколько извращен- ной). Началось все с того, что эти разновидности назвали аромата- ми. Интересно, кому удастся когда-нибудь понюхать кварк? Далее, вкаждомароматевыделиликваркитрехцветов.Понятно,чтокварк меньше, чем самая маленькая длина волны видимого спектра – фи- олетовая, а именно отраженными волнами и определяется цвет предмета.Ничегообщегосреальнымицветамицветкварканеиме- ет, но называется синим, красным или зеленым. Наконец, если обо- значениетяжелыхилегкихкварковкакпарыu-кваркиd-кваркеще можно понять (от английских слов up и down – «вверх» и «вниз»), то как быть со странным кварком? А с очарованным? В общем, в те- ориикварковфизикиразвлекаются.

Переносчики сильного ядерного взаимодействия называются глюонами и представляют собой, разумеется, виртуальные части- цы. Собственно говоря, сами кварки тоже в определенной степе- ни являются «несуществующими», тем не менее опять-таки при

36

определенных условиях и с определенной долей вероятности мож- но считать, что время от времени происходит спонтанный распад протонов с выделением отдельных кварков, которые, впрочем, тут же превращаются в античастицу электрона – позитрон и, есте- ственно, аннигилируют. Этот процесс был предсказан Гелл-Ман- ном, причем время жизни протона в среднем должно составлять

1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 лет! (посчитайте вни-

мательно – возможно, автор где-то ошибся: должна получиться единица с тридцатью нулями). Провести эксперимент, подтверж- дающий теорию, очень просто – надо всего лишь взять один про- тон и понаблюдать за ним в течение одного секстильона лет, боюсь только, что при нынешней экологии не каждый доживет до конца эксперимента. Можно, однако, поставить эксперимент чуть более сложный, но гораздо более быстрый – взять достаточно большое количествопротонов.Такойопытбылпоставленвзаброшеннойсо- ляной шахте в штате Огайо (для того чтобы толстый слой грунта и скальных пород надежно экранировал датчики от космического излучения). Спонтанного (т.е. самопроизвольного) распада прото- нов не было зафиксировано, хотя чувствительные установки кру- глосуточно следили за восемью тысячами тонн воды. Что ж, в на- уке отрицательный результат – тоже результат, и неудача данного эксперимента вовсе не означает краха теории кварков и глюонов, просто требуются какие-то иные подходы для ее подтверждения. Одной из целей запуска знаменитого Большого адронного коллай- дера как раз и является разгон протонов до таких скоростей, при которых их внутренняя энергия превзойдет силу потока глюонов и мы, наконец, сможем зафиксировать отдельно взятый кварк или хотябыегоследы.

Приключения виртуальных частиц на этом не заканчиваются. Оказалось, что даже вполне реальные ежедневно наблюдаемые фо- тоны при определенных условиях тоже становятся виртуальными. Поль Дирак еще в 1928 г. вывел уравнение, позволяющее точно рас- считать энергию электронов в атоме. Однако двадцать лет спустя, в1947г.,РезерфордиегомолодойколлегаУиллисЛэмбэксперимен- тально установили, что величина энергии некоторых атомов водо- рода слегка превышает предсказанную, в то время как у других ато- мов полностью с ней совпадает. Атомы считаются настолько устой- чивыми и (кроме радиоактивных) стабильными частицами, что это открытие вызвало легкий шок, ведь по сути речь шла о том, что два абсолютноодинаковыхобъектаявляютсянасамомделенеодинако-

37

выми.Вдетствевсе,наверное,удивлялисьответунапростойвопрос: «чтотяжелее–килограммсвинцаиликилограммваты?»Авданном случаекилограммсвинцаоказалсятяжелеекилограммасвинца!

Объяснение этому удалось найти в том же 1947 г., и сделал это Ханс Бете. Он предположил, что энергия может повышаться, если внутрь электронной орбиты попал фотон. Представьте себе игро- ка в теннис, который тренируется со стенкой, подавая в нее мячи и ловя их отскок. Абсолютно то же происходит и в атоме водорода. Электронсначалапоглощаетфотон,увеличиваясвоюэнергию,аза- тем испускает его, но фотон не может вырваться за пределы атома, отражаясьотядра,онсновапопадаетвтотжесамыйэлектрон,итак добесконечности.Именнотакойвиртуальныйфотонвызываетуве- личениеэнергииатома,котороеназываетсяЛэмбовскимсдвигом.

Все,очемшларечьвыше,относитсяктакназываемойтрадици- онной квантовой механике, которая в основном базируется на по- стулатах, выдвинутых в 1920–1930-е гг. прошлого века. Однако по- слеВтороймировойвойныдажеэтанесамаялегкаядляпонимания наука была окончательно запутана очередным нобелевским лауре- атом,окотороммыужеупоминали.РечьидетоРичардеФейнмане.

Для того чтобы понять, как можно заморочить головы даже самым великим ученым (включая Альберта Эйнштейна и Ниль- са Бора, с которыми Фейнман вел оживленную дискуссию), надо вернуться немного назад, к понятию корпускулярно-волнового дуализма. Как мы уже видели, само представление о нем является в общем весьма простым. Элементарные частицы – фотоны, элек- троны и другие – обладают одновременно свойствами волны и ча- стицыили,еслисформулироватьболеекорректно,могутпроявлять либо корпускулярные, либо волновые свойства. Доказательство этой двойственности заключается в знаменитом опыте с экраном, имеющем две прорези. Нам придется вспомнить одно физическое явление, известное по школьной программе и называющееся ин- терференцией. Сложного в нем ничего нет, это слово обозначает просто-напросто способность волн взаимно усиливать или осла- блять друг друга. На практике мы можем видеть этот эффект, бро- сив в воду два камня и наблюдая за расходящимися кругами. Если они встретятся двумя гребнями, то усилятся, и новая волна будет выше двух предыдущих. Если же гребень одной попадет на впади- ну другой, то волны взаимно погасят друг друга. Абсолютно так же происходитисэнергетическимиволнами.Еслиунасестьисточник света, расположенный перед экраном, в котором прорезаны две

38

параллельные щели, то каждая прорезь будет играть роль камня в воде. Через них будут проходить световые волны, которые станут взаимноусиливатьилиослаблятьдругдруга,инастенезаэкраном мы увидим картину чередования светлых и темных полос: светлее будут участки, где волны усиливают друг друга, темнее – где осла- бляют.Точнотакаяжекартинаполучается,еслизаменитьисточник светанаисточникэлектронов,астенупокрытьчувствительнымве- ществом. Именнотак была доказана волновая природа электронов. В данном случае все просто и достаточно лишь немного напрячь воображение, чтобы представить эту картинку. Но, как говорится, этоприсказка,асказкавпереди.Во-первых,ученыезадалисьцелью выяснить, ко всем ли элементарным частицам приложимо поня- тие дуализма. Оказалось, что да, но на этом мысль не остановилась. Сквозь экран начали прогонять потоки все более крупных частиц, вплотьдонекоторыхорганическихмолекул.Такиечастицыфизики с присущим им своеобразным юмором назвали бакиболлами – мя- чами Бакки. Архитектор Бакминстер Фуллер строил шарообразные здания, которые являются, видимо, самыми большими искусствен- ными сооружениями, имеющими форму мячика. Конечно, вряд ли можно будет стрелять обсерваториями или геодезическими стан- циями, но название отражает тенденцию – увеличивать размер ча- стиц. Мы вновь можем вспомнить вывод де Бройля о существова- нииволновойфункциидлямакрообъектов.Подобныйэксперимент показывает, что, придавая достаточно крупным объектам большие скорости (и, соответственно, большие энергии), мы все отчетли- вей наблюдаем проявление у них волновых свойств. Но и это еще невсе–еслибыло«во-первых»,тодолжнобытьи«во-вторых».

Во-вторых же, некоторые особо любопытные ученые начали экспериментироватьспрорезямивэкране.Например:чтополучит- ся, если закрыть одну прорезь? Оказалось, что ничего интересно- го – обычная полоса. А вот Фейнман пошел по другому пути и стал прогонятьчерезэкранэлектроныпоодиночке.Чегоможноожидать вэтомслучае?Напервыйвзгляд,одинэлектронпройдетчерезпер- вую прорезь, оставив след на стене, второй – через вторую, оставив след уже в другом месте, третий – снова через первую и т.д. В итоге должны получиться две полосы. На самом деле результат оказался совершенно неожиданным – на стене возникла картина интерфе- ренции! Что это может означать? Только одно – что каждый элек- трон проходит одновременно через обе прорези, интерферируя сам с собой! Уже этого факта было достаточно для того, чтобы всерьез

39

задуматься о природе движения вообще и движения элементарных частицвчастности.Фейнманжепошелдальше.Онпредложилима- тематическиобосновалгипотезу,согласнокоторойэлектрон,двига- ясьизточкиАвточкуВ,насамомделеперемещаетсяодновременно по всем возможным траекториям. То есть электрон, вылетающий из электронной пушки и попадающий на противоположную стену, на самом деле совершает путешествие через соседнюю комнату, заворачивает в кафе на соседней улице, посещает отдаленную га- лактику на другом конце вселенной – и все это одновременно! Тяга Фейнмана ко взлому сейфов, видимо, была не случайной – вслед за сейфами он взломал мозги своих коллег. Абсолютно неправдо- подобный на первый взгляд вывод поначалу поверг в шок многих авторитетов, но постепенно выяснилось, что расчеты Фейнмана безупречны,асматематикойнеочень-топоспоришь.

После распределений Фейнмана пошатнулись самые, казалось бы, устоявшиеся взгляды на природу вещей. Самый серьезный вы- вод, касающийся не только и не столько физики, сколько нашего мировоззрения, заключается в том, что история нашей Вселенной – не единственная. В момент начала времени все материальные ча- стицыначинаютсвойпуть,которыйзаканчиваетсянашимвданный момент наблюдаемым миром. Если Фейнман прав – а он прав! – вся материя, двигаясь во времени и пространстве, двигается одновре- меннопосамымразнымтраекториям,и,следовательно,существует бесконечнобольшоечислоисторийнашегомира,правда,лишьвве- роятностномисчислении.Фактическиэтоозначает,чтосуществуют миры, в которых Колобок съедает лису, а Дездемона душит Отелло, но миры эти, как и многие частицы, с которыми мы уже знакомы, виртуальные. Но это даже не самое главное. С точки зрения физики, историиФейнманапоказывают,чтовопределенныймоментснима- ется противоречие между эйнштейновской теорией относительно- стииквантовоймеханикой.Ноэтоужесовсемдругаяистория...

3. Мы про взрывы, про пожары сочиняли ноту ТАСС,

иДляи пара слов о рождении Вселенной

любого ребенка самая обычная лужа – целое событие. По ним можно шлепать, поднимая тучи брызг, в них можно пускать кораблики, да мало ли что еще можно делать! Какое отношение лужа имеет к представлению о рождении Вселенной? Оказывается,

40