Концепции современного естествознания

тица, отличающаяся только зарядом.

Главное отличие одного класса от другого – величина спина. Когда в теорию вводили это понятие – спин, то полагали, что электрон похож на вращающийся волчок, спин же (название от английского глагола, означающего «вращаться», «вертеться») характеризует такое вращение. В дальнейшем эта аналогия оказалась неверной, не удастся, увы, здесь привлечь, хотя бы для популярного объяснения, какое-либо другое сравнение из нашего большого мира. Остается привести определение из справочника: спин – «собственный момент количества движения элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого… Спином называют также собственный момент количества движения атомного ядра (а иногда атома)...».

У бозонов спин равен (в специальных единицах) нулю или целому числу, у фермионов спин, как говорят физики, полуцелый – равен ½, 1½ и т. д.

Поведение частицы по отношению к себе подобной чрезвычайно зависит от того, целый у нее спин или полуцелый. Именно этим определяется способность или неспособность каждой фундаментальной частицы терпеть поблизости от себя, в своей физической системе, собственного двойника, такую же точно частицу, да еще в том же энергетическом состоянии.

Бозоны – частицы уживчивые и терпимые, у них двойники друг другу не мешают. Сходные же между собой фермионы можно уподобить двум медведям, которым друг с другом в одной берлоге не ужиться.

Пример? Спин электрона – ½, то есть это фермион. В атомной оболочке электроны сосуществуют, но среди них, как мы с вами недавно уже говорили, не найти двух находящихся в одном и том же состоянии. Если же в атоме, хотя бы в результате обмена электронами с другим атомом в ходе химической реакции, появится энергетический двойник одного из элек- тронов-хозяев, гостю придется, чтобы избавиться от опасного сходства и остаться в атоме, излучить часть энергии в виде фотонов.

Тут соблюдается тот самый принцип Паули, что сыграл важнейшую роль для появления в физической теории «моря Дирака», уже и в самом первом его варианте, как бездонного океана из электронов с отрицательной энергией.

Между частицами существуют четыре типа взаимодействий, каждое из которых переносится своим типов бозонов. Фотон, квант света, переносит электромагнитные взаимодействия, гравитон – силы тяготения, действующие между любыми телами, имеющими массу. Восемь глюонов осуществляют перенос сильных ядерных взаимодействий, связывающих кварки. Промежуточные векторные бозоны переносят слабые взаимодей-

141

ствия, ответственные за некоторые распады частиц. Считается, что к этим четырем взаимодействиям сводятся все силы в природе. Одним из самых ярких достижений нашего века стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно.

При энергии 100 ГэВ (100 млрд. эВ) объединяются электромагнитное

ислабое взаимодействия. Такая энергия соответствует температуре Вселенной через 10–10 с после Большого Взрыва, или в 4 триллиона раз выше

комнатной температуры. Это открытие, сделанное в ЦЕРНе, позволило предположить, что при энергии порядка 1015 ГэВ можно достичь объеди-

нения с ними сильных взаимодействий, как это утверждается в Теориях Великого Объединения (ТВО), а при энергии 1019 ГэВ к взаимодействиям ТВО присоединится и гравитационное взаимодействие, «образуя» ТВС (Теорию Всего Сущего) [18].

Ускорителей, на которых можно получить такие энергии и проверить эти теории, пока нет и не предвидится.

Гравитационное и электромагнитное взаимодействия – дальнодействующие. Они ослабевают пропорционально квадрату расстояния между

тяготеющими телами, но вовсе не исчезают. Радиус – сильного взаимодействия – всего-навсего 10–13 сантиметров (масштаб тот же, что у атомного ядра), а слабого – и того меньше. Их так и зовут короткодействующими. Причем сильное взаимодействие стремительно возрастает при попытке отдалить кварки друг от друга. Чем больше мы будем стараться оторвать кварк от его сожителей по фундаментальной частице, тем ярче он будет демонстрировать свою привязанность к ним. Не зря ведь за два десятилетия бурных поисков физики не смогли ни найти свободные кварки в природе, ни получить их в экспериментах, а между тем все при сильных взаимодействиях происходит в строгом соответствии именно с кварковой теорией!

Срок жизни виртуальной частицы зависит от ее массы покоя. Гравитон

ифотон ее не имеют – а потому живут сколько угодно долго, обеспечивая тем самым дальнодействие гравитации и электромагнетизма. Промежу-

точный бозон имеет очень солидную для частицы массу покоя, поэтому срока жизни ему хватает в лучшем случае на путешествие длиною 10–15 сантиметра (возможно и меньше) – это и есть радиус слабого взаимодействия.

Итак, всего четыре силы, и лишь одна из них, самая слабая, гравитация, всеобща и вездесуща.

Всего четыре... Или, может быть, лучше сказать иначе: целых четыре?! Много это на самом деле или мало?

Разложить все почти бесчисленное разнообразие действующих в при-

142

роде сил на четыре полочки, четко разбить их на четыре категории – неблестящее ли это достижение?

Но творцы этого достижения, физики, не слишком склонны им гордиться. Академик М.А. Марков, ученый, идеи которого немало обогатили мировую науку, говорит: «Наши современные знания о глубинных свойствах материи в определенном смысле недалеко ушли от знаний о мире древних греков. Те полагали, что все на свете состоит из четырех стихий

— огня, воды, воздуха и земли. Мы же считаем, что все процессы во Вселенной определяются четырьмя типами взаимодействий... Это те же «четыре стихии» древних.

Водной из своих работ Марков даже, весьма условно, конечно, попробовал сопоставить древние и нынешние «стихии». Получилось, что сильному взаимодействию соответствует «земля», слабому – «воздух», электромагнитному – «вода», а гравитационному – «огонь» [20].

Главное здесь для ученого не сами по себе сравнения, а то, что «мы так же, как древние греки, не понимаем пока связей между четырьмя нашими стихиями».

Связи же эти, в чем убеждено сегодня огромное большинство физиков, есть, существуют, действуют, их надо «только» отыскать и понять.

До Фарадея, то есть каких-нибудь полтораста лет назад, физика резко отличала друг от друга явления электрические и магнитные. А теперь физика свела и то и другое в единый электромагнетизм.

М.А. Марков настаивает: «Не должны ли так же объединиться в будущем и наши четыре типа взаимодействия? А то так хочется спросить, если бы было у кого: господи, зачем тебе эти четыре формы?».

Дальше ученые, решающие физическую задачу природы, начинают рассматривать возможные варианты, искать, какие ходы приведут к ее решению. Тут можно вспомнить старую формулировку: каждая правильно поставленная задача уже в самой себе содержит ответ. У задач, поставленных природой, ответы ведь есть всегда, важно «только» правильно расставить фигуры на доске. Конечно, они далеко не всегда здесь, в физике, известны...

Д.И. Блохинцев как-то сказал поразительную фразу: «С чисто профессиональной точки зрения как теоретик и философ я должен считать, что фактов всегда достаточно и не хватает только фантазии».

Внашем реальном мире абсолютной пустоты нет, негде «единому фундаментальному закону» проявляться в чистом виде! Поэтому о таком законе приходится судить по действию других законов, вытекающих из него.

Тут ученые начинают своего рода игру, хорошей моделью которой может послужить решение многоходовой шахматной задачи. На доске

143

расставлены фигуры. Известно, какая сторона дает мат и даже за сколько ходов. Доска и фигуры в физике – известные факты; уже установленные наукой закономерности соответствуют правилам шахматного кодекса. В хорошей шахматной задаче составитель непременно предусматривает ложные следы, заманивающие на неверный путь. Природа богата на такого рода выдумки, она и вправду, как говорил Эйнштейн, изощренна, но ее задачи так же не изменяются по мере их решения, как и шахматные. Другое дело, что они иногда начинают иначе для нас выглядеть. Значит, в сборник задач вкралась опечатка, виноват же в ней не составитель задачи, не природа, а только издатели, то есть ученые, неверно передавшие в своих формулировках условия.

Еще одна очень важная черта сходства нашей временной модели с тем, что она моделирует: в правильной задаче нет ни одной лишней, ненужной для решения фигуры, белой или черной; здесь, как в природе, все взаимосвязано.

Правда, в науке меняются со временем, по мере познания мира, и сами «фигуры» – известные частицы и их свойства – «ходы». Так ведь и в шахматах за долгую их историю правила не оставались неизменными. Было время, когда ферзь ходил, как король, в любую сторону лишь на одну клетку, и только к XIX веку окончательно утратило силу правило, по которому путешествие короля на противоположную сторону доски, через все промежуточные горизонтали, вознаграждалось появлением на доске новой пешки (чем не рождение вещества «из ничего»!).

Сейчас считают, что существует 12 фундаментальных частиц и столько же античастиц. Шесть частиц – это кварки с экзотическими именами: «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Они являются порождением теории, стремящейся к упорядоченности и красоте, и открыты все, за исключением «истинного». Остальные шесть – лептоны: электрон, мюон, тау-частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюнное, тау-нейтрино).

Эти 12 частиц, или два по шесть, группируют в три поколения, каждое из четырех членов. В первом поколении – «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино, во втором – «очарованный» и «странный» кварки, мюон и мюонное нейтрино, в третьем – «истинный», и «прелестный» кварки и тау-частица со своим нейтрино. Все обычное вещество состоит из частиц первого поколения. Протон, например, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», нейтрон – из двух «нижних» и одного «верхнего». Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных протонов и нейтронов), окруженного электронным облаком.

Остается вопрос: почему существуют другие поколения частиц и сколько их еще может быть? По мнению японских физиков М. Кобаяси и

144

Т. Маскава, асимметрия между веществом и антивеществом требует наличия трех поколений. Если же число поколений не ограничено, являются ли кварки и лептоны основными «кирпичиками природы» и на сколько они фундаментальны? Последние данные, полученные на разного типа ускорителях, позволяют считать, что число поколений не может быть более пяти, так как полное число нейтрино не превышает этого числа.

Самой популярной остается идея об объединении всех сил в единой теории, названной теорией суперсимметрии, или SUSY. Следуя этой теории, для каждой известной частицы существует суперсимметричный партнер. Если SUSY верна, то часть этих суперсимметричных частиц должна быть найдена с помощью ускорителя LHC. По этой теории – на каждый кварк должна существовать другая частица с равным зарядом, но с другими спином и массой, называемая «скварк», а на каждый лептон – свой «слептон». Такие переносчики энергии, как фотоны, W – Z-бозоны, также должны иметь партнеров, а хиггсовский бозон приобретает сразу несколько партнеров. SUSY объясняет, почему различные взаимодействия имеют разные силы, она также может обосновать наличие таинственного «темного» вещества во Вселенной, которое существует и создает гравитацию, но больше никак себя не проявляет. Некоторые физики предполагают, что кварки и лептоны не являются фундаментальными частицами, а состоят из более элементарных частиц, которые еще предстоит открыть. Таким образом, предельно высокие уровни энергии LHC позволят экспериментально проверить многие теории. Для разрешения этих вопросов в 2007г на ускорителе LHC будут запущены два самых крупных эксперимента – ATLAS и CMS [22].

3.7. Основные проблемы физики

Величайшим достижением человеческого гения является то, что человек может понять вещи, которые он уже не может вообразить.

Л. Ландау

Человек сейчас занимается такими проблемами, что у него дух захватывает и кружится голова. Однако, пока вы не почувствуете легкого головокружения, вам не удастся понять их суть. Проблемы важнее решения. Решения могут устареть, а проблемы остаются.

Н. Бор

Ещё далеко не все положения новых теорий получили прямое экспе-

145

риментальное подтверждение. Остаётся нерешённым вопрос о возможности существования кварков и глюонов (частиц, осуществляющих связь между кварками) в свободном состоянии.

Не удалось достигнуть более или менее завершённого теоретического обобщения обширного экспериментального материала с единой точки зрения. Не решена задача о теоретическом определении спектра масс фундаментальных частиц. Неясно, существует ли верхняя граница для масс кварков и др. фундаментальных частиц. Не создана непротиворечивая теория взаимодействия фундаментальных частиц, которая не приводила бы к бесконечным значениям масс и других физических величин. Наконец, не решена задача построения квантовой теории тяготения. Лишь наметилось построение теории, объединяющей четыре фундаментальных взаимодействия (суперобъединение).

В астрофизике, развитие физики элементарных частиц и атомного ядра позволило приблизиться к пониманию таких сложных проблем, как эволюция Вселенной на ранних стадиях её развития, эволюция звёзд и образования химических элементов. Однако, несмотря на огромные достижения, перед современной астрофизикой стоят нерешённые проблемы. Остаётся неясным, каково состояние материи при огромных плотностях и давлениях внутри нейтронных звёзд и «чёрных дыр». Не выяснены до конца природа квазаров и радиогалактик, причины вспышек сверхновых звёзд и появления всплесков γ -излучения. Непонятно, почему число регистрируемых нейтрино, испускаемых Солнцем при термоядерных реакциях, меньше предсказываемого теорией. Не выявлен полностью механизм ускорения заряженных частиц (космических лучей) при вспышках сверхновых звёзд и механизм электромагнитного излучения пульсаров и т.д. Наконец, положено лишь начало решению проблемы эволюции Вселенной в целом [19].

В физике ядра после создания протонно-нейтронной модели ядра был достигнут большой прогресс в понимании структуры атомных ядер, построены различные приближённые модели ядра. Однако последовательной теории атомного ядра, позволяющей, в частности, рассчитать энергию связи нуклонов в ядре и уровни энергии ядра, пока нет. Успех в этом направлении может быть достигнут лишь после построения теории сильных взаимодействий. Экспериментальное исследование взаимодействий нуклонов в ядре – ядерных сил – сопряжено с очень большими трудностями из-за предельно сложного характера этих сил. Они зависят от расстояния между нуклонами, от скоростей нуклонов и ориентации их спинов.

Значит, интерес представляет возможность экспериментального обнаружения долгоживущих элементов с атомными номерами около 114 и 126

146

(т. н. остров стабильности), которые предсказываются теорией.

Одна из важнейших задач, которую предстоит решить, – проблема управляемого термоядерного синтеза (УТС), широко ведутся экспериментальные и теоретические исследования по созданию горячей дейте- рий-тритиевой плазмы необходимой для термоядерной реакции. Установки типа «токамак», впервые разработанные в СССР, являются, повидимому, самыми перспективными в этом отношении. Разрабатываются и другие возможности решения проблемы УТС; в частности, для нагрева крупинок из смеси дейтерия с тритием можно использовать лазерное излучение, электронные и ионные пучки, получаемые в мощных импульсных ускорителях.

В квантовой электронике. Излучение квантовых генераторов уникально по своим свойствам. Оно когерентно и может достигать в узком спектральном интервале огромной мощности: 1012–1013 ВT, причём расходимость светового пучка составляет всего около 10–4 рад. Напряжённость электрического поля излучения лазера может превышать напряжённость внутриатомного поля. Создание лазеров вызвало появление и быстрое развитие нового раздела – нелинейной оптики. В сильном лазерном излучении становятся существенными нелинейные эффекты воздействия электромагнитной волны со средой. Эти эффекты: перестройка частоты излучения, самофокусировка пучка и другие представляют большой теоретический и практический интерес.

Почти строгая монохроматичность лазерного излучения позволила получать с помощью интерференции волн объёмное изображение объектов (голограммы). Лазерное излучение применяют для разделения изотопов, для испарения и сварки металлов в вакууме, в медицине и т. д. Ведется поиск возможностей применения лазеров для нагрева вещества до термоядерных температур, осуществления связи в космосе и т. д.

Главные проблемы, которые предстоит решить, – это дальнейшее повышение мощности и расширение диапазона длин волн лазерного луча с плавной перестройкой по частоте. Ведутся поисковые работы по созданию рентген и гамма – лазеров.

Физике твердого тела принадлежит ведущая роль в исследовании возможностей получения материалов с экстремальными свойствами в отношении механической прочности, теплостойкости, электрических, магнитных и оптических характеристик.

С 70-х годов 20 в. ведутся активные поиски нефононных механизмов сверхпроводимости. Решение этой задачи, возможно, позволило бы создать высокотемпературные сверхпроводники, что, в частности, решило бы проблему передачи электроэнергии на большие расстояния практически без потерь.

147

Глава 4. Специальная и общая теория относительности (СТО и ОТО).Физическое содержание и мировоззренческое значение

Был этот мир глубокий тьмой окутан Да будет свет! И вот явился Ньютон. Но сатана недолго ждал реванша:

Пришел Эйнштейн – и стало все, как раньше

Эпиграмма

Физическая теория подобна костюму, сшитому для природы. Хорошая теория подобна хорошо сшитому костюму, а плохая – тришкину кафтану.

Я. Френкель

Почему именно я создал теорию относительности? Когда я задаю себе такой вопрос, мне кажется, что причина в следующем. Нормальный взрослый человек вообще не задумывается над проблемой пространства и времени. По его мнению, он уже думал об этой проблеме в детстве. Я же развивался интеллектуально так медленно, что пространство и время занимало мои мысли, когда я стал уже взрослым.

А. Эйнштейн

Специальная теория относительности (СТО) создана в 1905 – 1908 гг. трудами Х. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна и Г. Минковского. По этой теории механический принцип относительности Галилея в применении его к описанию распространения электромагнитных волн преобразуется в общефизический. Это осуществлено путем дополнения принципа относительности принципом постоянства скорости света. Создание СТО – пример перехода к более общей теории не путем абстрагирования и упрощения, а методом конкретизации, обобщения содержания теории.

В механике Галилея-Ньютона скорости движения тел относительно друг друга складываются алгебраически. В конце XIX столетия двум американским физикам – Майкельсону и Морли – пришла в голову идея, развитие и проверка которой окончательно опровергли галилеевское представление о сложении скоростей. Тогда было уже известно, что скорость света чуть меньше чем 300 000 км/с. (Это в миллион раз больше скорости реактивного самолета.) в те времена считалось, что свет распространяется в заполняющем все пространство эфире подобно тому, как звуковые волны распространяются в воздухе. К счастью, представление об эфире как о физической реальности осталось в прошлом, и привела к этому как раз теория относительности. Идея Майкельсона и Морли заключалась в том,

150