Концепции современного естествознания

зических процессов здесь необходимо создание квантовой теории гравитации. Это свидетельствует не только о количественном, но и о качественном отличии предполагаемого гипомира от надежно установленного микромира – мира атомов и большого семейства (примерно четырехсот) так называемых элементраных частиц – электронов, протонов, нейтронов и др. В области реально, экспериментально изучаемого мира физики фиксируют размеры порядка 10–16 см (в тысячу раз меньше размеров атомных ядер).

Специфика микромира наиболее ярко отражена в разделах физики, основанных на квантовой механике, в том числе релявистской, учитывающей одновременно и квантованность, и относительность (релятивность) процессов в микромире, их структурных, пространственно-временных и энергетических характеристик (глава 4).

PAR OCCASION (фр.) – по случаю

Нейтрино Заряда не нужно, не нужно вам массы Сквозь нашу планету идете бесстрастно. Что газ вам тончайший Что толстые стены – Летите беспечно

Впросторах Вселенной. Как света фотоны

Проходят сквозь стекла, Так вы через сталь, Через медь, через…

Д. Апдайк

Наряду с углублением познания в области микромира (познанием мира «вглубь» для науки XXI в. очень характерно стремительное движение познания по линии увеличения размеров изучаемых объектов, т.е. познание мира «вширь». По этой линии наука дополняет познание привычного людям земного мезомира, характеризуемого умеренными скоростями и энергиями взаимодействия, познанием мегамира – гигантских по сравнению с земными масштабами звездных скоплений и сверх скоплений. Это мир галактик.

Самым болшим объектом, установленным наукой, является Метагалактика, включающая все известные скопления галактик. Размеры ее – порядка 1028 см. Такое расстояние свет проходит со скоростью 300 000 км/с за 20 миллиардов лет. Некоторые ученые сколняются к тому, что ми-

401

ров, подобных Метагалактике, во Вселенной множество. Представления о множестве мегамиров и ведут к выделению нового уровня в строении Вселенной – гипомира [57].

Таким образом, сейчас выделяют 6 уровней материального мира: гипомир, микромир, макромир, мезомир, мегамир, гипермир. Им соответствуют расстояния от 10–33 до 1028 см. Как видим, исследуемый современный наукой мир охватывает расстояния в диапазоне более чем 60 порядков. В этих рамках микромир выделяется, прежде всего, как объект квантовой механики, макромир и мезомир – как объект классической механики, мегамир – как объект релятивистской механики [68].

К области макро- и мезомира относятся процессы, для которых постоянную Планка (h = 6,626 · 10–34 Дж · с) можно считать бесконечно малой величиной, которой допутимо пренебречь, а скорость света с = 300 000 км/с – бесконечно большой величиной, позволяющий отвлечься от временной длительности передачи сигналов, считать взаимодействия систем мгновенными, как бы безвременными.

При описании мегамира необходимо считаться с релявистскими эффектами – зависимостью размеров объектов, длительности процессов, одновремености или разновременности событий от системы отсчета, искревлением пространства-времени, изменением его геометрии и топологии, размерности.

Сегодня микромир парадоксальным образом встретился с макромиром: свойства элеметарных частиц стали определять судьбы Вселенной. Те эксперименты, которые планируются на Большом Адронном Коллаидере [LHC], должны вплотную приблизить нас к первым мгновениям жизни Вселенной. Ученые предполагают, что после Большого взрыва, породившего нашу Вселенную, стабильная материя, из которой все мы состоим, возникала не сразу, и некотоое время мир представлял собой некий конгломерат основных строительных кирпичиков: электронов, мюонов, кварков, глюонов, нейтрино и гамма квантов. В глубинах Вселенной астрономы с интересом ищут отголоски тех далеких времен. И вот совсем скоро, в 2009 году, ученые-физики планируют воспроизвести в ядерной лабораории те далекие первозданные условия, когда еще не было протонов и нейтронов, а существовала сплошная кварк-глюонная плазма. Иными словами, исследователи надеются увидеть мир элементарных частиц в том виде, каковым он был через доли микросекунд после Большого взрыва.

402

8.6.Черные дыры, коричневые карлики …

Я– абсолют, Я – бог, Я – разум Создатель высший бытия

Явыворачиваю разом Пространство, время и себя И инструментом в ту игру Из всех космических чудес Беру я черную дыру Хотя, клянусь, могу и без.

Г. Карев

Французский художник Жанн Эффель предлагал вот такую гипотезу мироздания. Вроде бы все ясно, но современных ученых она, видимо, до конца не удовлетворяет. Исследования космоса продолжаются, и новые данные дают материал для создания новых гипотез о том, что же там происходит за миллиард световых лет от Солнца [49].

Самое большое известное в настоящее время образование во Вселенной Брент Талли из Гавайского университета (США) считает, что таковым является комплекс из шестидесяти скоплений галактик. Это почти плоский вытянутый объект длиной около миллиарда, а шириной около 150 световых лет. В него входят миллионы галактик, в том числе и наша Галактика. С открытием этого объекта, пишет американский журнал «Попьюлар сайенс», придется пересмотреть, общепринятые теории образования галактик.

Темное вещество Вселенной – его существование просто необходимо для объяснения движения галактик и скоплений галактик. Во многих лабораториях ученые ведут эксперименты по поиску темного вещества, составляющего скрытую массу Вселенной, чье гравитационное воздействие, как установили астрономы, удерживает звезды, например, в Млечном пути. Только десять процентов массы Вселенной находится в виде барионного вещества (протоны и нейтроны), которое является основным на Земле и в Солнечной системе. Это видимое вещество испускает электромагнитное излучение, регистрируемое при помощи телескопов и антенн радиотелескопов. Девяносто процентов массы Вселенной приходится на темное вещество, которое, грубо говоря, не только в руках нельзя подержать, но даже взглянуть на него через какой-нибудь сверхчувствительный прибор пока не удается. Как пишет английский журнал «Нью сайентист», к темному веществу можно отнести коричневые карлики и черные дыры. Возможно также, что оно состоит из экзотических частиц – нейтрино, фотино или монополий.

Черные дыры, как предположили американские астрономы в обсерва-

403

тории Маунт-Паломар, находятся в центрах двух галактик – в туманности Андромеды и ее спутнике М32. Свою гипотезу астрономы выдвинули, изучая движение некоторых звезд – красных гигантов – в этих, самых близких к нам галактиках. Масса гипотетических черных дыр – от десяти до ста миллионов масс Солнца.

Коричневые карлики пока гостят только на страницах научной периодики, в то время как черные дыры давно превратились в дежурную приправу, с помощью которой писатели-фантасты стараются восполнить дефицит собственной фантазии. «Нью сайентист» сообщает об исследованиях американского астронома Дона Маккарти. Он наблюдал одну из наиболее слабых известных звезд УВ8. На некотором расстоянии от этой звезды был обнаружен еще более слабый объект – ее спутник. Диаметр спутника не превосходит десяти тысяч километров. Масса оценивается в шестьдесят масс Юпитера. Другими словами, этот объект является промежуточным между звездой и планетой. Астроном Джил Тартер (США) назвала такие объекты «коричневыми карликами». Коричневые карлики заполняют пробел в распределении небесных тел по массам между планетами и звездами. Если выяснится, что таких объектов достаточно много, они могут явиться существенной частью «скрытой массы» Вселенной, необходимой, как уже было сказано, для объяснения устойчивости галактик и скоплений галактик. Джон Бахкол из Принстонского университета (США) считает, что коричневые карлики – очень распространенные объекты. Однако они не являются планетами, хотя и могут иметь одинаковые с ними массы. Дело в том, что их происхождение различно. Коричневые карлики, как и звезды, возникают в ходе гравитационного коллапса (катастрофически быстрого сжатия массивных тел под действием гравитационных сил) газового облака. Планеты же возникают путем постепенного захвата вещества исходными каменными глыбами [56].

8.7. Проблема физического вакуума в квантовой теории поля

Среди великих вещей, которые находятся вне нас, существование «ничто» – величайшая.

Леонардо да Винчи

Мефистофель – Фаусту:

– Достаточно ль знаком ты с пустотой?

Иоганн Вольфганг Гете

Мысль о том, что великая пустота (или вакуум) есть источник окружающего нас мира, уходит в глубь веков. Согласно представлениям древних философов Востока, все материальные объекты возникают из великой пустоты, являются ее частью и в этом смысле иллюзорны. В самой вели-

404

кой пустоте постоянно совершаются акты творения реальных объектов. Например, вот как описан диалог о великой пустоте между учителем и учеником (ученик задает вопрос) в древнеиндийских ведах: «Каков источник этого мира? – Пространство, – ответил тот. – Поистине все эти существа выходят из пространства и возвращаются в пространство, ибо пространство больше их, пространство – последнее их прибежище».

Подобные взгляды на пространство у европейцев возникли перед созданием механики Ньютона. В конце XVI в. итальянский философ Ф. Патрицци по этому поводу писал: «Итак, пространство есть то, что было прежде мира и будет после него, что стоит во главе мира, из него исходит и, наконец, обращается в нечто… разве оно тогда не является субстанцией? Если субстанция – то, что лежит в основе, то пространство и есть скорее всего сущность».

Еще большее сближение точек зрения восточных и европейских ученых мы находим в высказываниях о природе материи английского математика В. Клиффорда, который в философской статье «О пространственной теории материи» прямо говорил: «В физическом мире не происходит ничего, кроме изменения кривизны пространства, подчиняющегося (возможно) закону непрерывности».

Согласно В. Клиффорду, материя представляет собой сгустки пространства, своеобразные холмы кривизны на фоне плоского пространства

[67].

Даже привычная терминология сегодняшней науки на каждом шагу свидетельствует об умении ее быть благодарной прошлому, уверенно поддерживать великую связь времен. В космос (по-древнегречески – Вселенную) взлетают астронавты (по-древнегречески – звездоплаватели) с Земли, своей планеты (по-древнегречески – блуждающей), и вакуум (полатыни – пустоту) исследуют физики (по-древнегречески – изучающие природу) с помощью математики (по-древнегречески – учения через размышление).

Инауки, созданные в ХХ веке, получают громкие эллинские названия

–вспомните хотя бы кибернетику и биогеохимию.

Давно погибшие античные цивилизации все еще обогащают культуру. Великие языки, латынь и древнегреческий, не забыты.

Те, кто говорил и писал на этих языках, часто задумывались над вопросами, которые волнуют нас и сегодня. Уровень ответов был другой – так что поделаешь! Всякое начало трудно. Зато, как библейский Адам, ученые древности первыми дали имена стольким вещам… вот мы и повторяем за ними: атом, поэзия, история, география, философия…

Понятие пустоты ввели в обиход древние греки. Называли они ее «ке-

405

нон». Да вот не привилось в науке это слово. Вытеснил его латинский «вакуум».

Физический вакуум в квантовой теории поля – это низшее энергетическое состояние квантованных полей, характеризующееся отсутствием ка- ких-либо реальных частиц. Все квантовые числа физического вакуума (импульс, электрический заряд и др.) равны нулю. Так что вакуум – это «нечто» по имени «ничто». Однако возможность виртуальных процессов в физическом вакууме приводит к ряду специфических эффектов при взаимодействии реальных частиц с вакуумом. Например, сдвиг уровней, т.е. небольшого отклонения тонкой структуры уровней энергии атома водорода и водородоподобных атомов от предсказаний релятивистской квантовой механики. Другим примером является квантовая теория поля (КТП) – релятивистская квантовая теория физических систем с бесконечным числом степеней свободы. Например, электромагнитное поле, для полного описания которого в любой момент времени требуется задание напряженностей электрических и магнитных полей в каждой точке пространства, т.е. задание бесконечного числа величин. В отличие от этого положение частицы в каждый момент времени определяется заданием трех ее координат.

Из определения вакуума как состояния с нулевым числом частиц вытекает неопределенность напряженностей поля в вакуумном состоянии, в частности невозможность этих напряженностей иметь точно нулевые значения. Именно в невозможности одновременного равенства нулю и числа фотонов, и напряженностей электрических и магнитных полей лежит физическая причина необходимости рассматривать вакуумное состояние не как простое отсутствие поля, а как одно из возможных состояний поля, обладающее определенными свойствами [70].

Понятие физический вакуум является одним из основных в том смысле, что его свойства определяют свойства всех остальных состояний, т.к. любое из них может быть получено из вакуумного действием операторов рождения частиц. В ряде случаев, например, при спонтанном нарушении симметрии, вакуумное состояние оказывается не единственным (т.е. вырожденным) – существует непрерывный спектр таких состояний, отличающихся друг от друга числом так называемых голстоуновских бозонов гипотетических частиц с нулевой массой и нулевым спином. Таким образом, различные вакуумные состояния отличаются числом голстоуновских бозонов.

Сейчас хорошо известны эффекты, доказывающие, что вакуум пуст только в среднем. В нем постоянно рождается и исчезает огромное количество виртуальных частиц и античастиц. Даже если мы меряем заряд

406

электрона, то, как оказалось, голый заряд электрона равнялся бы бесконечности. Мы же измеряем заряд электрона в «шубе» окружающих его виртуальных частиц.

Собственно представление о вакууме как непрерывной активности содержащихся в нем виртуальных частиц содержится в принципе неопределенности Гейзенберга. Принцип неопределенности Гейзенберга имеет, кроме приведенного выше, еще и такое выражение: ∆E ·∆t ≥ h. Согласно этому, квантовые эффекты могут на время нарушать закон сохранения энергии. В течение короткого времени ∆t энергия, взятая как бы «взаймы», может расходоваться на рождение короткоживущих частиц, исчезающих при возвращении «займа» энергии. Это и есть виртуальные частицы. Возникая из «ничего», они снова возвращаются в «ничто». Так что вакуум в физике оказывается не пустым, а представляет собой море рождающихся и тут же гасящихся всплесков [68].

Виртуальные частицы – это такие частицы, которые имеют такие же квантовые числа (спин, электрический и барионный заряды и др.), что и соответствующие реальные частицы, но для которых не выполняется обычная (справедливая для реальных частиц) связь между энергией(Е), импульсом (р) и массой(m) частицы: E2 ≠ p2c2 ≠ m2c4. возможность такого нарушения вытекает из квантовых соотношений неопределенностей между энергией и временем и может происходить лишь за малый промежуток времени, что препятствует экспериментальной регистрации виртуальных частиц. И связи с этим виртуальные частицы существуют только в промежуточных, имеющих малую длительность состояниях и не могут быть зарегистрированы. Особая роль виртуальных частиц состоит в том, что они являются переносчиками взаимодействия. Например, два электрона взаимодействуют друг с другом путем испускания одним электроном и поглощения другим виртуального фотона. Адроны при высоких энергиях в основном взаимодействуют друг с другом путем обмена комплексом виртуальных частиц, называемых реджеонами. Каждый из этих последовательных актов (поглощения и испускания) невозможен без нарушения связи между импульсом и энергией.

Релятивистская квантовая теория поля, которая началась работами Дирака, Паули, Гейзенберга в конце двадцатых годов ХХ столетия, была продолжена в трудах Фейнмана, Томонаги, Швингера, Зельдовича и других ученых, давая все более полное представление о физической неразложимости мира, о несведении его к отдельным элементам. Здесь принцип целостности находит свое содержание в рассмотрении взаимодействия микрообъектов с определенным состоянием физического вакуума. Именно в этом взаимодействии все фундаментальные частицы обнаруживают

407

свои свойства. Вакуум рассматривается как объект физического мира, выражающий как раз момент неразложимости его.

По законам квантовой механики для всякого поля характерны колебания. Раз есть поле, то оно должно колебаться. Такие колебания в вакууме часто называют нулевыми именно потому, что там нет частиц. Вот и получается удивительная вещь: колебания поля невозможны без движения частиц, но в данном случае колебания есть, а частиц нет! Как это можно объяснить? Физики говорят, что при колебаниях все-таки рождаются и исчезают частицы – те самые и не совсем те самые, которых, по определению, в вакууме нет. Колеблется пионное поле – появляются и исчезают пи-мезоны. Колеблется поле электронно-позитронное – и то же самое происходит с электронами и позитронами, как и вообще со всеми видами частиц, соответствующих любым полям, известным физике (впрочем, и тем, которые физике пока еще неизвестны).

Физика сумела найти компромисс между присутствием и отсутствием частиц в вакууме (имеются в виду не частицы дираковского фона с отрицательной энергией, а обычные частицы с положительной энергией). Компромисс такой: частицы, рождающиеся при нулевых колебаниях в вакууме, живут очень недолго, и чем они тяжелее, тем короче для них стремительно одолеваемый путь от рождения к исчезновению.

Во всем этом есть один настораживающий момент. Получается, что частицы, рождаясь из ничего и приобретая при этом массу и энергию, нарушают тем самым неумолимые законы сохранения массы и энергии. Что это – исключение? Увы, законы сохранения исключений не знают. Тогда что же? Тут вся суть в том «сроке жизни», который отпущен частицам: он настолько краток, что «нарушение» законов можно лишь вычислить, но экспериментально его наблюдать нельзя. В принципе – нельзя [65].

Закон сохранения массы – энергии, такой всевластный и вездесущий, отказывается действовать со всей строгостью в ничтожно малые промежутки времени. Солнце и планеты, живущие миллиарды лет, с одной стороны, атомы и частицы, срок жизни которых порой измеряется миллионными долями секунды, – с другой, подчиняется ему с одинаковой покорностью. Иное дело частицы, живущие так мало, что этого в каждом конкретном случае и заметить нельзя. Закон сохранения не снисходит до того, чтобы следить за их судьбой, наблюдать за их судьбой, наблюдать за выполнением правил поведения, принятых как будто одинаково в мега-, мезо-, макро- и микромире. По замечанию одного из физиков, частица в данной ситуации ведет себя как кассир-мошенник, регулярно успевающий вернуть взятые из кассы деньги, прежде чем это заметят. Родилась частица из ничего и тут же умерла. «Тут же» для такого «мгновенного»

408

нейтрона означает срок жизни примерно в 10–21 секунды. Обычный же свободный нейтрон живет минуты, а в составе атомного ядра даже неопределенно долго, как неопределенно долго способен жить и электрон, если его не трогать.

Называют эти эфемерные частицы, в отличие от обычных, реальных, – виртуальными. В точном переводе с латыни – возможными. Для философов открывается широкое поле приложения к конкретной картине физического вакуума давних научных рассуждений о том, чем возможное отличается от действительного и т. п.

Тем не менее сам по себе смысл названия не должен настраивать на то, что данные частицы только возможны, раз именуются виртуальными, и что на самом деле их нет. Ведь то, чего нет, не может воздействовать на что бы то ни было. А «возможные» частицы в вакууме вполне реально воздействуют, как наблюдается в точных экспериментах, на вполне реальные образования из безусловно реальных фундаментальных частиц и даже на микроскопические тела.

Чем, кроме ничтожно малого времени существования, отличаются виртуальные частицы от своих двойников из реального мира?

У них, «нарушителей» закона сохранения массы-энергии, нет обычного соотношения между энергией, импульсом и массой. Зато все остальные характеристики вполне добропорядочные. Электрон остается электроном и в виртуальном состоянии, как протон – протоном и т. д., они сохраняют свои заряды и прочие типовые свойства с завидным постоянством, вот только очень недолго, между рождением и исчезновением.

Эфемерность виртуальных частиц ведет к тому, что абсолютно невозможно, по современным представлениям, такие частицы обнаружить экспериментально, зафиксировать по отдельности: они не оставляют следа в физических приборах.

Так что же, их существование, вытекающее из математических расчетов, так и останется чисто бумажным феноменом, в который вольно верить или не верить, феноменом, могущим исчезнуть с изменением теории?

Физики полагают, что нет. У них в арсенале есть, кроме математики, тончайшая экспериментальная техника. И если ей не дано обнаружить отдельные виртуальные частицы вакуума, то суммарное их воздействие на обычные частицы опыт замечает.

Вот атом водорода: ядро из одного протона, вокруг которого движется электрон. (Сейчас электрон на своей орбите не представляется чем-то вроде твердого шарика, это скорее облачко, размазанное на определенном расстоянии от ядра по всей орбите.)

409

Влияние виртуальных частиц заставит электрон хаотически отклоняться то в одну, то в другую сторону от пути, по которому он бы двигался, если бы таких частиц не было вовсе. Это явление так и называют вакуумным дрожанием электрона. Водородный электрон – частица вполне реальная, полностью подчиняющаяся закону сохранения массы-энергии; колебания электрона на орбите ведут поэтому к изменению величины его потенциальной энергии. А такое изменение хорошо фиксируется. Носит само это явление имя лэмбовского сдвига уровней линий атома – в честь американского физика У. Лэмба, который вместе со своим соотечественником Р. Ризерфордом впервые обнаружил такой сдвиг в 1947 году [66].

И магнитный момент электрона (он характеризует взаимодействие частицы с внешним магнитным полем) тоже несет в самой своей величине следы влияния виртуальных вакуумных частиц. Несет столь ясно, что экспериментально найденный магнитный момент электрона так и назвали когда-то аномальным, настолько он не соответствовал тогдашним предсказаниям теории. Теперь «аномальный» – определение историческое, выкладки на основе квантовой теории поля с учетом влияния вакуума отлично совпадают с результатами опытов.

Вот еще пример. Фотоны, согласно теории Максвелла, между собой взаимодействовать не должны. А в эксперименте такое взаимодействие, пусть очень небольшое, обнаружено. Виноваты опять – таки виртуальные частицы.

Наблюдать воздействие вакуумных виртуальных частиц оказалось возможно не только в опытах, где изучается взаимодействие фундаментальных частиц, но и в эксперименте с макротелами. Две пластинки, помещенные в вакуум и приближенные друг к другу, под ударами виртуальных частиц начинают притягиваться – этот факт был открыт в 1956 году голландским теоретиком и экспериментатором Гендриком Казимиром и получил в его честь название – эффект Казимира.

По сути, абсолютно все реакции, все взаимодействия между реальными фундаментальными частицами происходят при непременном участии вакуумного виртуального фона, на который фундаментальные частицы, в свою очередь, тоже влияют.

Необходимо сказать, что виртуальные частицы, по современным физическим представлениям, возникают не только в вакууме. Их порождают и обычные частицы.

Более того, любые взаимодействия между фундаментальными частицами можно рассматривать как включающие в себя испускание и поглощение частиц виртуальных, обмен ими.

Реальный электрон притягивает к себе виртуальные позитроны и от-

410