Развитие представлений о механизмах взаимодействия

3.3.1. Дальнодействие и близкодействие. Концепция поля

Рационалистическое мировоззрение предполагает, что любое собы­тие имеет причину, и эта причина материальна: воздействие со сторо­ны материального тела (тел). Поэтому любая программа рациональ­ного объяснения окружающего мира включает в себя представления о механизмах взаимодействия материальных объектов.

3.3. Развитие представлений о механизмах взаимодействия 93

В античности наиболее разработанные представления о взаимо­действии были созданы Аристотелем. Он понимал взаимодействие как одностороннее воздействие движущего на движимое. С его точки

зрения, лошадь действует на телегу, в которую впряжена, в то время как телега на лошадь — нет. Лошадь вряд ли с этим согласится, но ее не спрашивают.

Другая особенность взглядов Аристотеля вытекала из его убежденности в отсутствии пустоты в мире. Раз так, то между любыми двумя телами найдется цепочка тесно прилегающих друг к другу тел, кото­рые передают воздействие друг другу при непосредственном контак­те. Эта концепция близкодействия была четко сформулирована уже в XVII в. Рене Декартом. В механике Декарта взаимодействие происхо­дит только путем давления или удара, т. е. при соприкосновении тел.

* Концепция близкодействия предполагает, что взаимодействие возмож­но только при непосредственном контакте взаимодействующих объек­тов, а любое действие на расстоянии должно происходить через материальных посредников.

¹ Благодаря Ньютону стало ясно, что действие одного тела на дру­гое — это всегда и действие второго на первое, взаимодействие. В ме­ханической картине мира считалось, что гравитация — единствен­ный тип взаимодействия, которым можно объяснить всё. Известная всем со школьной скамьи формулировка закона всемирного тяготе­ния предполагает¹, что взаимодействие передается мгновенной без какого-либо материального посредника. Это — концепция дальнодей­ствия.

♦ Концепция дальнодействия предполагает, что взаимодействие мате­риальных тел не требует материального посредника и может переда­ваться мгновенно.

Сам Ньютон о мгновенном действии на расстоянии высказывался очень осторожно, подчеркивая, что принимает его только за отсутст­вием фактов, говорящих об обратном.

Причину этих свойств силы тяготения я до сих пор не мог вывести из яв­лений, гипотез же я не измышляю... Довольно того, что тяготение на самом деле существует, действует согласно изложенным нами законам и вполне достаточно для объяснения движения всех небесных тел и моря, — писал он.

¹ «Любые два тела притягиваются с силой, пропорциональной массе каждого из них и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними»: F = G-

94 Глава 3. Концепция дополнительности

3.3. Развитие представлений о механизмах взаимодействия 95

В XVIII и начале XIX в. резко возрос интерес к электрическим и магнитным явлениям. Было установлено наличие двух типов заря­дов, отличие проводников от диэлектриков, открыт закон Кулона для электрических зарядов и элементарных магнитов. Устанавливается связь электрических и магнитных явлений: действие тока на стрелку компаса, действие магнита на провод с током, явление электромаг­нитной индукции.

До поры все открытия трактовались в рамках механической кар­тины мира: электрические и магнитные явления сводились к меха­ническому движению особых субстанций — электрического и маг­нитного флюидов (жидкостей); не подвергался сомнению принцип дальнодействия. Однако теории получались крайне противоречивы­ми и, главное, — многочисленными. Попытки построить единую тео­рию на основе идеи дальнодействия неизменно проваливались.

Английский экспериментатор Майкл Фарадей обратил внимание не на сами заряды и токи, а на то, что происходит в окружающем их пространстве. Он объяснил электризацию проводников и намагни­чивание вещества как процессы, передающиеся постепенно, от точки к точке. А поскольку передача происходит и через вакуум, то и там должен быть какой-то материальный посредник. Так возникла идея электромагнитного поля, передающего взаимодействие. Развил и ма­тематически оформил эту идею Максвелл. Благодаря ему и Фарадею в конце XIX в. возникла новая научная картина мира — электромаг­нитная.

Материя в электромагнитной картине мира — это не только дис­кретные атомы, но и поле, непрерывное в пространстве и не имеющее определенных границ. Движение понимается не только как переме­щение частиц, но и как изменение электромагнитного поля, т. е. элек­тромагнитные волны.

♦ Основная роль поля — передача взаимодействия.

Механизм передачи взаимодействия с помощью поля состоит в следующем. Тело, участвующее во взаимодействии, создает вокруг себя поле, которое занимает неопределенно большую область про­странства. Другие тела взаимодействуют не непосредственно с пер­вым телом, а с созданным им полем в тех точках, где они находятся. Изменение состояния одного из взаимодействующих тел вызывает возмущение созданного им поля, которое (изменение), распростра­няясь в виде волны, достигает других тел, и лишь тогда их состояние начинает меняться.

Полевой механизм взаимодействия укладывается в рамки концеп­ции близкодействия. Дальнейшее развитие представлений о взаимо­действии не изменило ситуацию: концепция дальнодействия оказа­лась отброшенной окончательно.

3.3.2. Современные представления о передаче взаимодействий

Открытие корпускулярно-волнового дуализма привело к уточнению полевого механизма взаимодействий и превращению его в квантово-полевой механизм.

Поскольку возмушение поля — волна — может одновременно рас­сматриваться как совокупность частиц — квантов поля, то взаимо­действие, переносимое полем, можно представлять как процесс обмена квантами поля между взаимодействуюшими телами.

Например, по закону Кулона, два электрона должны отталкивать­ся друг от друга. С квантово-полевой точки зрения отталкивание воз­никает в результате следующих процессов. Один из электронов из­лучает квант электромагнитного поля — фотон. Распространяясь со скоростью света, испущенный фотон достигает второго электрона и поглощается им. В согласии с принципом соответствия (п. 2.5.3) си­ла взаимодействия, рассчитанная по квантово-полевому механизму, на больших расстояниях подчиняется закону Кулона. На малых рас­стояниях квантовая теория предсказывает отклонения от закона Ку­лона, подтверждаемые экспериментально.

Кванты, которыми обмениваются взаимодействующие тела, пред­ставляют собой не вполне обычные, а виртуальные частицы. Вирту­альные частицы отличаются от реальных тем, что обнаружить их во время существования невозможно. Об их существовании и свойствах можно судить только post factum¹, косвенно — например, по силе пе­реносимого ими взаимодействия. Непосредственно же зарегистриро­вать виртуальный фотон, например по зрительному ощущению на сетчатке глаза, нельзя.

Проводя несколько рискованную аналогию, скажем, что разница между частицей реальной и виртуальной примерно та же, что между автомобилем и его чертежами. На чертежах, в отличие от «Жигу­лей», нельзя ездить, однако если у нас есть чертежи, значит, мы име­ем больше, чем ничего. Достаточно приложить к ним материалы, ин­струменты и рабочие руки — и возникнет реальный автомобиль, при-

После того (лат.).

96 Глава 3. Концепция дополнительности'

3.3. Развитие представлении о механизмах взаимодействия 97

чем именно тот, который описан в чертежах. Точно так же, чтобы перевести виртуальную частицу в число реальных, надо сообщить ей достаточное количество энергии. Продолжая аналогию, можно представить себе, что тщательное исследование готовых автомобилей за воротами завода способно дать достаточно полное представление технологии их производства и, в частности, привести к заключению о применении конструкторами и технологами чертежей, выполняемых по определенным правилам. Таким же образом изучаются свойства виртуальных частиц — по тем последствиям, к которым приво­дит их движение и взаимодействия.

В заключение раздела еще раз подчеркнем, что описание механиз- ма взаимодействия на языке обмена виртуальными частицами не исключает, а дополняет классическое описание на языке полей и волн.

3.3.3. Четыре фундаментальных взаимодействия

Сколько различных типов полей, а следовательно, и типов взаимо-
действий существует в природе?

Понятие «поле» довольно популярно в современной общей культуре. Чтение прессы развлекательно-скандальной направленности может создать впечатление, что всевозможных полей не перечесть. Тут и биополе, и космическое информационное (или даже энергоинформационное) поле, которое якобы создано высокоразвитыми цивилизациями, и любимое фантастами силовое поле, и загадочные, но модные торсионные поля...

В действительности надежно установлено и экспериментально
подтверждено существование четырех типов полей — переносчиков четырех фундаментальных взаимодействий: гравитационного, элек­тромагнитного, сильного ядерного и слабого ядерного. Основным свой­ством всех остальных «полей» является их ненаблюдаемость: попыт­ки объективно зарегистрировать их существование оказываются безуспешными либо невоспроизводимыми.

Фундаментальные взаимодействия различаются следующими свойствами.

3.3.3.1. Тип и количество зарядов

Заряд есть мера способности тела участвовать во взаимодействии. Электромагнитному взаимодействию подвержены лишь электриче­ски заряженные тела. В гравитационном взаимодействии участвуют все тела, обладающие массой, так что масса тела — это и есть его гра­витационный заряд. Поскольку не обнаружено тел с отрицательны-.

ми массами, неизбежен вывод, что гравитационные заряды бывают только одного знака. Заряды электрические, как известно, бывают двух типов — положительные и отрицательные. А вот для сильного ядерного взаимодействия, как установлено, заряды могут быть трех разных сортов. Поэтому их даже называют не «зарядами», а «цвета­ми»: красный, зеленый, синий. Это название отражает тот факт, что взаимно нейтрализовать друг друга они могут, только сложившись в, комбинации «красный + зеленый + синий», подобно тому как сме­шивание трех цветов (в обычном смысле) порождает белый цвет.

3.3.3.2. Кванты поля, переносящего взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие переносится, как мы уже знаем, фотонами. Гравитационное — гравитонами, которые пока что имеют статус гипотетических частиц. Общим для фотонов и гравитонов, как и для глюонов, переносящих сильное ядерное взаимодействие, явля­ется нулевая масса покоя. Напротив, частицы, переносящие слабое ядерное взаимодействие (промежуточные векторные бозоны), весь­ма массивны, во много раз тяжелее атома водорода.

3.3.3.3. Радиус взаимодействия

Чтобы не нарушался закон сохранения энергии, виртуальная части­ца, возникнув, должна исчезнуть тем быстрее, чем больше ее энергия (п. 3.5.1). Если частица имеет ненулевую массу т, то ее энергия не может быть меньше чем Е = тс², что ограничивает максимально воз­можное время ее существования т — тем сильнее, чем больше т. По­скольку ничто не может двигаться быстрее света, то она может пере­дать взаимодействие на расстояние не более чем R = ст, которое назы­вается радиусом взаимодействия.

Частицы, переносящие слабое ядерное взаимодействие, весьма мас­сивны, и потому радиус его действия крайне мал, порядка 10~¹⁷ м — это во много раз меньше поперечника атомного ядра. Взаимодейст­вие и оказьщается-то слабым из-за того, что слишком редко какие-ни­будь частицы оказываются так близко друг к другу. По той же причине вызванные им ядерные реакции идут по меркам микромира чрезвы­чайно медленно. Так, благодаря слабому взаимодействию свободный нейтрон распадается на протон, электрон и нейтрино, но среднее вре­мя ожидания распада составляет 15 минут!

Частицы-переносчики трех остальных взаимодействий имеют ну­левую массу покоя, поэтому их энергия может быть сколь угодно близкой к нулю, а время существования — сколь угодно большим.

98 Глава 3. Концепция дополнительности

3.3. Развитие представлений о механизмах взаимодействия 99

Соответственно теоретический радиус этих взаимодействий беско- нечен. Однако по-настоящему дальнодействующими оказываются только гравитационные силы. Дело в том, что заряды как электро-магнитного, так и сильного ядерного взаимодействия могут взаимно компенсироваться. Например, все тела состоят из электрически заря-женных электронов и атомных ядер, однако сумма положительных и отрицательных зарядов в любом теле с высокой точностью равна нулю. Любое отклонение от электронейтральности (электризация) приводит к тому, что наэлектризованное тело начинает вытягивать заряды противоположного знака из окружающей среды и опять ста-новится нейтральным. Заряды сильного взаимодействия компенсируют друг друга еще более эффективно, в результате чего любой объ­ект, размеры которого превышают размеры атомного ядра (10~¹⁵ м), нейтрален по отношению к этому взаимодействию. И лишь гравитационные заряды (т. е. массы) не могут взаимно компенсироваться, поскольку все имеют один и тот же знак.

3.3.3.4. Сила взаимодействия

В литературе часто встречается утверждение, что сила взаимодейст­вий убывает в такой последовательности: сильное → электромагнит­ное → слабое → гравитационное. Однако это действительно так лишь «с точки зрения электрона». На самом же деле понятие «сила взаи­модействия» относительно и зависит от рассматриваемых масшта­бов. Выше, например, объяснялось, что слабое ядерное взаимодейст­вие не столько слабо, сколько имеет слишком «короткие руки».

Гравитационным взаимодействием можно пренебречь, рассмат­ривая процессы в микромире, поскольку массы элементарных частиц слишком малы. Однако в мегамире, мире планет, звезд и галактик, оно является определяющим.

Электромагнитное взаимодействие преобладает в области масшта­бов от поперечника атома (10~¹⁰ м) до высоты гор (несколько кило­метров). Именно силы электромагнитного происхождения связывают электроны и ядра в атомы, атомы — в молекулы, молекулы — в тела. Известные нам со школьной скамьи сила упругости, выталкивающая сила Архимеда, сила трения — не что иное, как результат электромаг­нитных взаимодействий между молекулами, составляющими тела.

Стабильность атомных ядер и частиц, составляющих ядра, — про­тонов и нейтронов — обеспечивается сильным ядерным взаимодей­ствием. Оно действительно является наиболее сильным в масштабах менее 10~¹⁵ м.

Замечательным достижением естествознания 2-й половины XX в. стало выяснение того факта, что по мере роста энергии взаимодейст­вующих частиц значимость («сила») различных взаимодействий вы­равнивается, так что они становятся неразличимыми. Установлено, что при энергиях порядка энергии покоя частиц, переносящих слабое взаимодействие, последнее наряду с электромагнитным следует рас­сматривать уже как единое электрослабое взаимодействие (А. Салам, С. Вайнберг и Ш. Глэшоу, Нобелевская премия 1979 г.). У физиков нет больших сомнений в том, что при еще более высоких энергиях исчезает различие между электрослабым и сильным ядерным взаи­модействием — дискуссии идут вокруг деталей этого Великого объ­единения. Наконец, в дальней перспективе просматривается супер­объединение всех четырех фундаментальных взаимодействий.

3.3.4. Nequaquam vacuum¹

Словари определяют вакуум как пустоту, лишенное материи про­странство. Это понимание восходит к противопоставлению материи (атомов) и пустоты (небытия) у первых атомистов. Однако с высоты современных знаний пространство, лишенное материи, — нонсенс, не отвечающий реальности.

При разработке квантово-полевых представлений о взаимодей­ствии выяснилось, что для испускания и поглощения виртуальных частиц не обязательно присутствие частиц реальных: виртуальные частицы могут возникать в буквальном смысле слова из ничего и ис­чезать без следа. Как ни странно, это не противоречит закону сохра­нения энергии: закон, если быть точным, утверждает, что невозмож­но наблюдать процессы, не сохраняющие энергию, но виртуальная частица потому и виртуальная, что прямо наблюдать ее мы не можем. Любая попытка «поймать» виртуальную частицу, вытащить ее «за ушко да на солнышко» приводит к передаче ей энергии, достаточной для законного полноценного существования.

Таким образом, даже если удалить из некоторой области про­странства все реальные частицы, там все равно будут рождаться и уничтожаться частицы виртуальные. Вакуум представляет собой не пустоту и покой, а беспрерывное кипение виртуального океана.

На языке волн и полей эта картина может быть описана как прин­ципиально неустранимые хаотические колебания всех физических полей в «пустом пространстве». Эти колебания принято называть

Пустоты не существует (лат.).

100 Глава 3. Концепция дополнительности

3.4. Несостоятельность механического детерминизма 101

нулевыми. Нулевые колебания, например, электромагнитного noля должны приводить к тому, что стрелка чувствительного к нему прибора никогда не сможет упокоиться на нулевой отметке: даже при полном отсутствии источников поля она будет беспорядочно плясать вокруг нуля.

Нулевые колебания (или, на корпускулярном языке, беспрерывное рождение и уничтожение виртуальных частиц) имеют наблюдаемые последствия.

Во-первых, виртуальные частицы могут быть превращены в ре-альные. Подключим к батарее конденсатор, между обкладками кото- рого нет ничего, кроме вакуума. Виртуальный электрон, возникнув, будет разгоняться по направлению к положительной обкладке, а его античастица, положительно заряженный позитрон, — к отрицательной. Если напряжение между обкладками настолько велико, что за время жизни виртуального электрона он успевает набрать необходимую энергию, он превратится в реальный электрон. Для сохранения заряда при этом рождается и позитрон, так что все выглядит как рождение электрон-позитронных пар «из пустоты». Описанный эффект наблюдался экспериментально.

Во-вторых, частота рождения виртуальных частиц в данной об-ласти зависит от физических условий в ней. Вблизи положительной частицы виртуальные электроны рождаются охотнее и чаще, чем вблизи отрицательной. Этот эффект приводит к тому что каждая заряженная частица оказывается окружена как бы облаком (физики говорят «шубой») виртуальных частиц противоположного знака. В результате электроны в атоме притягиваются к ядру не так сильно, как если бы вакуум был просто пустотой. Это, в свою очередь, прояв­ляется в спектрах излучения атомов: спектральные линии слабо, но заметно сдвигаются от своих «законных» положений. Величину сдви­га, вызванного влиянием виртуальных частиц, для атома водорода рассчитал американский физик Лэмб. Эксперименты подтвердили предсказанное значение лэмбовского сдвига спектральных линий.

Последнее свидетельство существования.виртуальных частиц, которое мы рассмотрим, — эффект Казимира:

Г

между любыми двумя близко расположенными пластинами возни­кает слабая, но измеримая сила притяжения.

Объясняется это тем, что в любом ограниченном пространстве виртуальные частицы рождаются реже, и потому давление газа вир­туальных частиц на пластины снаружи (давление «пустоты»!) не

(уравновешивается давлением изнутри. Существование и величина ффекта Казимира также подтверждены экспериментально.

Таким образом", вакуум оказывается отнюдь не безжизненной пус-

тотой. Он обладает сложной и динамичной структурой; он взаимо­действует с веществом. Имеются наблюдательные и теоретические указания на то, что вакуум обладает определенной энергией, причем возможны различные состояния вакуума, в которых его свойства и энергия различаются (п. 5.1.4). Все это заставляет сделать вывод, что

Г

вакуум наряду с веществом, состоящим из частиц, и полем, пере-носяшим взаимодействия между частицами, является формой су- шествования материи.

Итак, развитие науки подтвердило правоту как древнегреческих атомистов («все состоит из атомов»), так и их оппонентов во главе с Аристотелем, отрицавших существование в мире абсолютной пустоты.

3.4. Несостоятельность механического детерминизма

3.4.1. Существо концепции детерминизма. Понятие состояния

В п. 1.7.6.4 отмечалось, что механической картине мира свойствен детерминизм, т. е. представление о полной предопределенности бу­дущего. Это представление основано на том математическом факте, что уравнения механики, описывающие движение тела, при условии, что для какого-нибудь момента времени заданы положение и ско­рость этого тела (начальные условия), имеют единственное решение. Отыскав его, мы сможем сказать, где тело находилось в любой мо­мент прошлого и где оно будет находиться в любой будущий момент. В механической картине мира впервые оформилось понятие со­стояния физической системы. В наиболее общей формулировке

Г

состояние системы — это совокупность данных, позволяющая предсказать эволюцию системы во времени.

В механике состояние системы описывается значениями физи­ческих величин — координат и скоростей тел, входящих в систему. Законы механики позволяют в принципе по начальному состоянию системы однозначно определить значения физических величин, опре­деляющих ее состояние, для любого будущего или прошлого момен-

106 Глава 3. Концепция дополнительности

3.5. Принципы квантовой механики 107

Динамический хаос имеет место не только в академической зада­че Энона, но и во многих более насущных ситуациях. Установлено, что хаотична динамика Солнечной системы: вследствие взаимного' притяжения планет друг к другу медленно изменяются параметры их орбит, и невозможно предсказать, каковы они будут через сотни мил­лионов лет. В начале 60-х гг. XX в. американский метеоролог Э. Ло­ренц вывел систему трех — всего лишь трех! — уравнений, опи­сывающую изменение погоды над ограниченным участком земной поверхности, и обнаружил, что она обладает динамическим хаосом. Хаотично, как выяснилось, поведение атмосферы в целом, и потому долгосрочный (на месяцы вперед) прогноз погоды никогда не станет точным, как бы ни росла мощность компьютеров в метеоцентрах. Хаотична электрическая активность головного мозга. В последние десятилетия выяснилось, что колебания курсов акций на фондовых рынках, по всей видимости, также хаотичны (не беспорядочны!). Дру­гими словами, в принципе возможно найти систему уравнений, кото­рая описывает, как курсы акций меняются с течением времени (уста­новлено даже, что количество уравнений должно быть от 5 до 10), но даже с помощью этой системы невозможно предсказать, каков будет индекс Доу-Джонса, скажем, через пару лет.

I