physike akroasis

Исходя из подобных соображений была предложена гипотеза, согласно которой кварки и лептоны не вполне элементарны – они тоже состоят из каких-то еще более мелких частиц. Последние получили условное название «преоны». В наиболее известной преонной модели (ее разработали в 1979 году Хаим Харари и Майкл Шуп) постулируется существование двух преонов с электрическим зарядами +1/3 и 0

èдвух соответствующих антипреонов. Здесь, правда, не очен˝ь понятно, что выступает противоположностью для нуля. Допускается также, что из преонов могут состоять переносчик˝и электромагнитного, сильного и слабого взаимодействия, о которых вскоре и пойдет речь.

Некоторые физики говорят, что хотя более сложные частицы распадаются на более простые, нельзя сказать, что первые слагаются из вторых. Имеется в виду, что «составляющие» в свободном виде уже не встречаются. Виталий Гинзбург, например, однажды выразился приблизительно так: вещество – это что, бесконечная матрешка? должно же когда-то˝ закончиться это однообразное деление вещества! поэтому в˝озможно, что адроны одновременно состоят из частей (кварков˝)

èне состоят из них…

Несмотря на разнообразие частиц, почти все видимое вещество мира, по мнению физиков, составляют частицы только˝ четырех видов – протоны, нейтроны, электроны и нейтрино. Остальные присутствуют в следовых количествах…

Бозоны в противоположность фермионам имеют целые числа вращения. Их четыре – по числу физических взаимодействий (сил).

Переносчик электромагнитного взаимодействия называетс˝я «фотон». Фотоны нередко считаются частицами с отсутствующей массой покоя, что несколько странно. Ведь ясно, что любое физическое тело, каким бы малым оно ни было, должно иметь массу. В противном случае оно – ничто… Итак, фотоны участвуют в электромагнитном взаимодействии, и в обычном представлении это просто частицы света, – само их˝ название происходит от эллинского слова «свет».

Переносчик гравитационного взаимодействия – «гравитон». У него тоже нет массы покоя, а скорость равна скорости˝ света. Частицы такого рода не выявлены.

Переносчики слабого взаимодействия именуются «векторные бозоны». Их выделяется три – положительно заряженный, отрицательно заряженный и нейтральный Они все очень тяжелые – примерно в 100 раз тяжелее протона.

41

Переносчики сильного взаимодействия называются «глюоны», а само взаимодействие часто называют также «цветным». Глюоны не имеют массы покоя.

Гравитационные силы считаются наиболее слабыми из всех четырех. Область их действия неограничена. Они определяют, так сказать, чисто внешний вид мироздания, посколь˝- ку обусловливают движение больших масс – звезд, скоплени˝й звезд и скоплений прочего вещества (хотя в атомах протоны, нейтроны и электроны тоже подвержены им).

Электромагнитные силы, подобно гравитационным, имеют неограниченную область действия. Они медленно ослабевают с расстоянием и определяют, главным образом, состояние ат˝о- мов и молекул. Отвечают, в частности, за такие знакомые всем явления, как упругость и трение.

Слабые силы касаются так называемых лептонов и кварков – и только при условии, что те имеют так называемую левую поляризацию. Они проявляют себя на очень маленьких расстояниях – не более 10–16 сантиметра. Слабые силы ответственны за электронное излучение, за взаимодействие нейт˝рино с обычным (видимым) веществом и за существование тяжелых элементов.

Сильные силы наблюдаются между протонами и нейтронами, которые имеют соответствующий сильный ядерный заряд. Они мощно притягиваются на расстояниях, не превышающих 10–13 сантиметра. Таким образом, благодаря сильным силам ядра атомов пребывают в равновесии.

Были предположения (судьба которых к настоящему времени нам, к сожалению, не известна), что при энергиях, соответствующих температуре в один квинтиллион (1018) градусов, электромагнитное и слабое взаимодействия сливаются в единое целое. При этом кварки, лептоны и векторные бозоны утрачивают массу. При температуре порядка одного октилли˝- она градусов (1027) к ним присоединяется и сильное взаимодействие. Различие между кварками и лептонами тогда стирается – теперь это, по сути, одна частица. У частиц всех тре˝х объединившихся взаимодействий исчезает масса. Наконец, при температуре в сто нониллионов градусов (1032) гравитоны тоже вливаются в сверхъединство. Есть мнение, что на самых˝ ранних ступенях расширения наблюдаемой части мира (если,˝ конечно, это вообще имело место), когда температура и плот-˝ ность вещества как раз и были такими большими, существовало только одно взаимодействие, которое потом по мере падения температуры и плотности распалось на четыре.

42

Больше всего в последнее время говорят о частице, которая, переходя при понижении энергии в новое состояние, наделяет массой векторные бозоны, кварки и лептоны. Это так называемый бозон Хиггса, квант всепроникающего поля Хиггса. Его ищут на новом европейском ускорителе – так называемом адронном коллайдере – с длиной магнитного кольца 27 километров (построен в 2008 году). С помощью данного устройства протоны будут разгонять до околосвет˝о- вых скоростей и сталкивать. Ускорители предшествующего поколения (в Чикаго и Гамбурге) оказались для этих целей недостаточно мощными. Любопытно, что британский физик Стивен Хокинг ставил сто долларов на то, что ни бозоны Хиггса, ни черные дыры (появление которых в этом ускорителе тоже предсказывалось) заполучить подобным способом˝ не удастся. Однако в середине 2012 года физики, работающие на адронном коллайдере, объявили, что следы частицы, примерно соответствующей бозону Хиггса, найдены.

В целом в рамках вышеупомянутой Стандартной модели, построенной на основе квантовой теории, удалось объедини˝ть три вида сил – электромагнитные, сильные и слабые – и связать их со свойствами лептонов и кварков. Тяготение пока что не поддается объединению.

Впервые нечто в этом роде попытался сделать еще Альберт Эйнштейн, который геометризировал гравитацию и имел намерение то же самое осуществить в отношении электромагнитных явлений. Его замысел в середине 20-х годов ХХ века воплотили немецкий математик Теодор Калуца и шведский физик Оскар Клейн. Для этого им пришлось ввести в математическую физику пятое измерение (в добавление к трем пространственным и одному временному). Их теория со временем была полностью отвергнута, поскольку некоторые ее предсказания сильно противоречили эмпирическим данным,˝ а также потому, что обнаружились еще два взаимодействия (сильно и слабое). Но сама идея объединения сил при помощи увеличения числа измерений возродилась недавно в теории квантовых струн.

Трудности с тяготением, однако, подтолкнули некоторых физиков к разработке совершенно необычных гипотез. Напри˝- мер Хуан Малдасена рассмотрел возможность того, что наш мир пространственно двухмерный, а его трехмерность тольк˝о кажущаяся. Здесь предлагается следующее сравнение. Уже давно известны такие искусные картинки, нарисованные на плоскости, которые, если их разглядывать с определенного

43

расстояния и при определенном освещении, создают видимость объема. Почему бы не предположить, что все мироздание устроено подобным образом? И если удастся описать физические явления уравнениями двумерной геометрии, какой смысл тогда будет в трехмерном пространстве? А главна˝я выгода от сокращения числа измерений вот какая: у нас вообще не будет тяготения, следовательно, одной трудной задачей будет меньше. До ХХ века физики исключали такую возможность. Они говорили, что пространство, конечно, может иметь больше или меньше измерений, но тогда мир будет совсем другим. Если измерений больше трех, в мире невозможны атомы, планетные системы, галактики и прочие подобные объединения тел. Причина: нет устойчивого орбитальног˝о движения. Чтобы движение по орбите могло быть продолжительным, центростремительные силы должны убывать быстре˝е сил тяготения (иначе от незначительного возмущения враща˝- ющиеся тела или упадут друг на друга, или разлетятся). Центростремительные силы никак не соотносятся с количество˝м измерений и всегда находятся в обратной зависимости от куба расстояния. Силы же тяготения стоят в обратной зависимости от расстояния, возведенного в степень, которая на˝ единицу меньше размерности пространства. Что касается двухмерного пространства, то в нем невозможно свободное движение, потому что силы взаимодействия тел слишком медленно убывают с расстоянием, и никакие два тела не смогут улететь друг от друга независимо от величины их начальной скорости…

ТЕОРИЯ КВАНТОВЫХ СТРУН

Квантовая теория и общая теория относительности были и остаются наиболее фундаментальными физическими учения-˝ ми. При этом квантовая теория объясняет микромир, а ОТО – макромир. Точек соприкосновения они почти не имеют. Исключение составляет так называемая сингулярность, которая присутствует в естествознании в двух видах – цен-˝ тральная точка «черной дыры» и метагалактика непосредственно перед началом «большого взрыва».

Слабая согласованность этих двух взглядов на мир уже давно беспокоила физиков, которые стремились подвести некое единое основание под все явления – как макроскопи- ческие, так и микроскопические. И такое основание в извес-

44

тном смысле было найдено в теории квантовых струн, которая разрабатывается с начала 70-х годов ХХ века. Согласно данной теории элементарные частицы и физические взаимодействия суть колебания неких квантовых струн длиной порядка 10–35 метра (планковская длина). Квантовые струны мыслятся как одномерные замкнутые (в виде петель) или разомкнутые простейшие образования, уже не имеющие никаких составных частей. Все состоит из них, но сами они уже не из чего не состоят. Пространственно-временная система в целом предполагается десятиили одиннадцатимерной.

Теория до сих пор не имеет хороших экспериментальных подтверждений, а значит, в значительной степени остается чисто математической. Часть физиков даже высказывает сомнение в ее научности. Другая часть, наоборот, возлагает на˝ нее большие надежды и считает, что на ее основе в дальнейшем вполне может быть создана «теория квантовой гравитации», в рамках которой впервые удастся объединить все че- тыре физических взаимодействия.

Основы теории струн заложил итальянский физик Габриэле Венециано (род. 1942). Главные геометрические модели предполагаемых струн разработали Эудженио Калаби (Италия – США, род. 1923) и Шинтан Яу (Китай – США, род. 1949). Помимо них большой вклад в развитие теории внесли Леонард Саскинд (США, род. 1940), Джон Шварц (США, род. 1941), Эдвард Виттен (США, род. 1951), Брайан Грин (США, род. 1963) и Хуан Малдасена (Аргентина – США, род. 1968).

ТЕРМОДИНАМИКА И СИНЕРГЕТИКА

Термодинамику можно определить как науку о закономерностях и связях тепла и движения. Во всяком случае это следует из названия.

В XVII–XVIII веках для объяснения тепловых явлений часто использовали понятие «теплород». Подразумевалось˝, что некое невесомое вещество способно передаваться от те˝ла к телу, вследствие чего одни из них нагреваются, другие охлаждаются. Однако многочисленные опыты – случайные и умышленные – показывали связь теплоты с движением: сильное трение вызывает нагревание трущихся тел, причина же трения – движение тел друг относительно друга. Еще в 1614 году Джованни Батиста Бальяни вскипятил воду в же-

45

лезном котле, который разогревался благодаря трению быст˝ро вращающегося железного диска о дно сосуда. В 1798 году Бенджамин Румфорд (США, 1758–1814), наблюдая сверление отверстий в стволах пушек и их сильное нагревание, сделал˝ уже вполне определенные выводы: источник тепла – движение.

Â1824 году Николя Карно (Франция, 1796–1832) высказал следующие соображения, которые потом легли в основу так называемого второго начала термодинамики: получить движ˝е- ние и механическую работу можно только в ходе восстановления теплового равновесия двух тел – действие совершает˝ся, когда тепло переходит от нагретого тела к холодному; тепл˝о – это не что иное, как движение частиц тела; движущая сила и тепло взаимообратимы и никуда не исчезают.

Â1827 году Роберт Броун (Британия, 1773–1858) с помощью микроскопа наблюдал движение мельчайших частиц пыльцы растений, погруженных в воду. Он впервые обратил внимание на любопытное явление: частицы пыльцы беспорядочно движутся в воде, причем тем сильнее, чем больше нагрета вода. Напрашивались выводы: пыльца приводится в движение частицами воды; тепло и движение суть одно и то же, т. е. тепло – проявление чисто механического действия. Но это, конечно, особое проявление, ибо здесь требуется не всякое движение, а именно беспорядочное. Вот в чем его суть. Порядок, как известно, легче становится беспорядком, чем беспорядок – порядком… Открытое Броуном движение полу- чило впоследствии его имя.

Â1842 году Юлиус фон Майер (Германия, 1814–1872) заявил: есть некая природная сила, которая остается постоян˝- ной при любых химических и физических превращениях. Как принято считать в наши дни, это было первое ясное суждение˝, заключающее в себе суть принципа сохранения энергии (самого понятия «энергия» в те времена еще не было).

Â1843–1850 годах Джеймс Прескотт Джоуль (Британия, 1818–1889) с высокой точностью рассчитал количество условных единиц механической работы, приходящихся на условную˝ единицу тепла.

Как итог этих и других наблюдений и измерений появились начала термодинамики, представляющие собой, по сути,˝ три запрета.

Первое. Невозможно возникновение энергии из ничего или

ååуничтожение – возможно только ее превращение, т. е. переход из одного вида в другой.

46

Второе (существует несколько определений). Невозможен переход тепла от холодного тела к теплому без каких-либо дополнительных изменений в самих телах или окружающей их среде. Или: невозможно действие, единственным следстви˝- ем которого была бы механическая работа, совершаемая за счет охлаждения тепловой емкости (=запрет вечного двигат˝е- ля). Или: энтропия (мера рассеянной тепловой энергии) замкнутой системы не уменьшается.

Третье. Невозможно полностью лишить тело теплоты (достичь абсолютного температурного нуля) путем конечной последовательности действий по перемещению тепла.

Второе начало термодинамики в первом из вышеприведенных видов предложил Рудольф Клаузиус (Германия, 1822– 1888), во втором – Вильям Томсон (Британия, 1824–1907); последнюю формулировку можно считать их совместной работой. Первооткрыватель третьего начала – Вальтер Нернст (Германия, 1864–1941).

Вероятно, уместно особо подчеркнуть, что речь идет именно о началах термодинамики, т. е. о неких исходных положениях, на которые опирается все здание этой науки, а не о полностью доказанных законах природы. Доказать это в стро˝- гом смысле едва ли удастся, если дальнейшее развитие наук˝и будет продолжаться тем же путем, что и до сих пор. Первое начало термодинамики есть очевидная гипотеза, которая, впрочем, подтверждается на опытах с хорошей степенью точ-˝ ности. Второе, возможно, опровергается самим существованием мироздания, которое вечно работает, не получая никакой˝ помощи извне. Третье заключает в себе известное противоре˝- чие: с одной стороны, в нем подразумевается, что «абсолютный температурный нуль» существует, с другой стороны, утверждается, что его нельзя достичь; но откуда тогда извест˝но, что он существует?..

Заметим также, что любые законы сохранения связывают сейчас с видами симметрии. Например, закон сохранения энергии, как считается, есть следствие симметрии природы относительно сдвигов во времени; закон сохранения количе˝- ства движения (произведение массы и скорости частицы) – следствие симметрии относительно сдвигов в пространств˝е; закон сохранения момента (произведение массы частицы, ее скорости и расстояния до центра вращения) – итог симметрии относительно поворотов.

Вернемся еще раз к понятию «энтропия», введеному Томсоном и Клаузиусом. Если энтропия замкнутой системы тел

47

не уменьшается, значит, вообще говоря, она стремится к увеличению. Но где тепло рассеяно, где нет различия уровней энергии подсистем, там невозможно получить упорядоченно˝е механическое действие, а следовательно, хоть сколько-нибу˝дь полезную работу. Это породило своего рода страхи, которые˝ получили яркое название «тепловая смерть Вселенной». Под˝ этим подразумевалось, что мирозданию как целому уготован˝а именно такая унылая участь, когда всякое развитие остано-˝ вится вследствие наступления всеобщего теплового равно˝весия. Правда, было не слишком ясно, может ли бесконечная Вселенная (если, конечно, она действительно бесконечна) считаться замкнутой системой.

Подводя итог краткому изложению термодинамики, скажем, что, по мнению ряда физиков, достоинство и одновременно недостаток этой науки в том, что, описывая состояние˝ вещества, она совершенно не обращает внимания на его глубинное строение. Но таков термодинамический метод.

Синергетика в известном смысле является продолжением термодинамики. Если вторая работает с закрытыми (замкнутыми) и более или менее равновесными системами тел, то первая – с открытыми и неустойчивыми (неравновесными) системами, в которых, как утверждается, возможно самопроизвольное упорядочение беспорядка. По этой причине синер˝- гетику нередко называют неравновесной термодинамикой.

Поскольку в качестве систем, описанных выше, может рассматриваться что угодно (неживое и живое вещество, общество, поведение отдельной особи), синергетику, возможно, будет правильнее расценивать не как отдельную науку, а ка˝к метод, применимый в самых разных естественных и даже общественных науках.

Для того, чтобы в некоторой системе возникли синергети- ческие явления, она должна быть такой:

•достаточно большая и сложная, т. е. состоящая из разноро˝дных частей;

•как можно более далека от термодинамического равновес˝ия;

•легко обменивается энергией с окружающей средой.

Эти свойства обеспечивают усиленное и согласованное вза˝- имодействие всех (а не только соседних) частей системы меж˝- ду собой, а также с внешними факторами, и выступают залогом ее качественного развития, когда старый порядок элеме˝н- тов разрушается и из временного беспорядка возникает пор˝я- док совершенно новый. При этом изменения необратимы.

48

В общих чертах картина, которую рисует синергетика, следующая. Открытая система, развиваясь какое-то время упорядоченно и предсказуемо, что выражается в возможност˝и ее описания уравнениями, неожиданно (по крайней мере для исследователя) оказывается в таком состоянии, когда ее да˝льнейшее поведение точно предвидеть уже нельзя. Перед систе˝- мой открывается несколько путей дальнейшего развития. Эт˝о так называемая точка расхождения, ветвления («бифуркации»), или вилка. Выбор пути определяется случайными колебаниями величин системы, причем даже очень незначитель˝- ными. Затем система на некоторое время снова входит в спокойное русло с предсказуемым развитием.

Таким образом, синергетика утверждает значение творческого начала случайности, беспорядка и слабых воздействий (например, отдельной личности на общество), которые способны производить перерывы постепенности. А поскольку, со˝- гласно синергетическому методу, действительные системы˝ скорее открытые, несостоятельны ожидания так называемой˝ «тепловой смерти Вселенной», о которой говорилось выше в связи с термодинамикой. Приверженцы синергетики видят в ней источник нового стиля научного мышления и новой картины мира (так называемый «универсальный эволюционизм»). В любом случае, как полагают многие, вместе с квантовой теорией она окончательно ставит крест на представл˝е- нии о строгой механической предопределенности мировых с˝о- бытий (учение, которое часто связывается с именем Пьера Симона Лапласа, жившего в XVIII веке).

Термин «синергетика» предложил американский изобретатель и архитектор Ричард Фуллер (1895–1983). В самом общем смысле это слово в переводе с греческого языка означа˝ет совместное действие чего бы то ни было. Более или менее современное определение его применительно к исследован˝ию физических систем дал в 1977 году немецкий физик Герман Хакен (род. 1927), руководитель одного из ведущих направлений этой науки в XX веке. Другое крупное направление возглавлял Илья Пригожин (Россия – Бельгия – США, 1917– 2003). В школе Пригожина, однако, используется иная терминология: синергетику здесь предпочитают называть неравн˝о- весной термодинамикой, а открытые системы – диссипативными структурами. Заметный вклад в развитие этой науки

С. Капица и некоторые другие.

49