Книга: По следам бесконечности

«Мега» и «Микро»

«Мега» и «Микро»

С другой стороны, на современном этапе развития наших знаний проблема конечного и бесконечного требует глубокого и всестороннего изучения космических объектов и объектов микромира.

В современной физике, хотя, разумеется, на совершенно ином уровне, опять встает вопрос, волновавший в свое время древнегреческих мыслителей, вопрос о бесконечной делимости.

«Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна…»[18]

Этот глубочайший вывод был сделан В. И. Лениным в начале нашего столетия.

И дело, видимо, не только в бесконечном многообразии свойств электрона, как, впрочем, и других элементарных частиц, но и в его сложном внутреннем строении.

Вряд ли среди современных физиков найдется кто-либо, сомневающийся в том, что реальные элементарные частицы обладают внутренней структурой. Между тем существующие физические теории и по сей день рассматривают их в качестве геометрических точек. Но ведь частицы обладают вполне реальными массами, а точка массой обладать не может.

Нелепость?

Как образно выразился директор Международного центра теоретической физики в Триесте на недавнем Международном симпозиуме по современным проблемам физики:

— Мы построили сами такой своеобразный дом, который не имеет ни дверей и ни окон, но зато имеет столь высокие стены, что трудно судить, то ли это дом, то ли это тюрьма…

Во всяком случае мы опять столкнулись с сакраментальным «или — или». Или частицы — точечные образования, или придется, по крайней мере в очень малых пространственных областях, отказаться от основного постулата теории относительности — запрета сверхсветовых скоростей. А если потянуть за эту ниточку, не только затрещит по швам вся современная физика, но и придется пересмотреть наше привычное понимание причинности. Ведь при сверхсветовых взаимодействиях следствие может опережать свою причину.

Разведка велась и в том, и в другом направлениях, однако не принесла ничего обнадеживающего. В свое время подобная ситуация представлялась бы безвыходной, но теперь-то мы уже знаем, что классическое «или — или» отнюдь не исчерпывает всех возможностей.

Так, уже существующая физическая теория содержит известные указания на то, что элементарные частицы все же имеют пространственные размеры, но не в том смысле, как это мы обычно понимаем.

Поскольку любая реальная частица всегда взаимодействует с вакуумными полями, ее окружает облако так называемых виртуальных частиц. Виртуальные частицы — это своеобразные частицы-призраки, которые в одно и то же время и существуют и не существуют. Они испускаются частицей и в то же мгновение поглощаются.

Виртуальное облако можно было бы посчитать за чисто математический прием описания, если бы при взаимодействии элементарных частиц между собой и с электромагнитным полем не проявлялась совершенно реальная «размазка» электронного заряда, магнитного момента и массы этих частиц. И такая размазка становится все сложнее по мере перехода в ультрамалые области.

И в этом смысле элементарные частицы — протяженные образования. Но протяженность эта не геометрическая, а, если можно так выразиться, динамическая.

Видимо, мы находимся на пороге открытия каких-то еще не известных нам свойств пространства и времени.

Тем не менее физики не оставляют надежды найти и какой-нибудь иной выход из положения. С этой целью предпринимаются попытки всевозможных обходных маневров — в надежде обнаружить такие свойства элементарных частиц, которые сделают ответ на поставленную выше дилемму просто ненужным.

Один из таких маневров — поиски неких фундаментальных частиц, из которых образуются все остальные. Это, например, гипотетические и достаточно нашумевшие кварки Гелл-Манна и Цвейга.

Другой маневр — гипотеза так называемого бутстрапа, выдержанная в стиле самых экстравагантных идей современной физики. Суть ее в том, что любая элементарная частица представляет собой комбинацию из всех остальных. Эта идея получила режущее ухо название «ядерной демократии». Современная вариация на тему о Едином и Многом Парменида и Зенона. Одно порождает многое, в то же время будучи само продуктом согласованного взаимодействия всех себе подобных.

Но хотя идея бутстрапа приводит к выводу, что может существовать лишь единственная совокупность самосогласованных одронов (то есть всех сильно взаимодействующих частиц — нуклонов, мезонов и гиперонов), именно та, которая и существует в природе, — задача изучения подобной совокупности необычайно сложна, так как, по всей вероятности, число подобных частиц бесконечно.

— Самый животрепещущий вопрос современной физики, — говорит один из основателей квантовой электродинамики нобелевский лауреат Ю. Швингер, — являются ли известные частицы основными и неразложимыми или же за ними существует более простая и фундаментальная подструктура и соответственно более глубокий уровень описания и понимания?

И вновь это сформулированный на новом уровне древний вопрос о том, бесконечна или конечна делимость вещества?

Проблема старая, но исходные рубежи существенно новые. Их составляют два фундаментальных открытия микрофизики XX столетия. Первое из них — обнаружение античастиц. Второе — эксперименты, в которых было установлено, что при столкновении двух частиц в зависимости от их энергии движения может рождаться любое число новых частиц.

— До сих пор мы были убеждены, что существуют только две альтернативы, — сказал по этому поводу выдающийся физик-теоретик Вернер Гейзенберг. — Либо вы можете делить вещество снова и снова на все более мелкие и мелкие куски, либо вы не можете делить его до бесконечности, и тогда вы приходите к наименьшим частицам. Теперь же мы вдруг обнаруживаем, что существует и третья возможность: мы можем делить вещество снова и снова, но мы никогда не получим более мелких частиц, так как новые частицы мы создаем посредством энергии, кинетической энергии, и, поскольку мы имеем дело с рождением пар, этот процесс может продолжаться без конца. Таким образом, возникло естественное, но парадоксальное представление об элементарной частице как о составной системе элементарных частиц.

Итак: не бесконечная делимость вещества Анаксагора, но и не атомизм Демокрита с его идеей неделимых и неизменных первоэлементов.

Как и современная космология, современная физика в решении проблемы конечного и бесконечного вырвалась за пределы магического «или — или»!

И, может быть, это сходство путей и достигнутых результатов не так уж и случайно: ведь в конце концов и микромир и мегакосмос — это две стороны материального мира. В конечном счете любой космический объект, как бы велик он ни был, состоит из микрочастиц.

В настоящее время известно около двухсот различных образований, претендующих на роль элементарных частиц. Среди частиц, обладающих массой покоя, крайнее положение занимает электрон. Масса этой частицы в особых энергетических единицах, применяемых в физике микромира, так называемых электрон-вольтах, составляет всего 0,5 Мегаэлектрон-вольта. Массы других элементарных частиц превосходят массу электрона. Так, например, масса протона — ядра атома водорода, самого распространенного элемента Вселенной — 1000 Мегаэлектрон-вольт.

Сравнительно небольшое число частиц мю-мезонов и пи-мезонов занимает по массе промежуточное положение между электроном и протоном. Большинство же элементарных частиц имеет массы, заключенные в промежутке между одной и двумя протонными массами.

Но есть и частицы — резонансы, масса которых превосходит массу протона в 5 раз. Возникает вопрос: до каких пор может увеличиваться масса элементарных частиц? Может быть, существует некоторая предельная масса? Однако есть и другое предположение, согласно которому «спектр масс» элементарных частиц простирается до бесконечности. Это предположение основывается на попытке провести определенную аналогию между строением всего семейства элементарных частиц и структурой атома основного химического элемента — водорода, который обладает бесконечным числом энергетических уровней.

Разумеется, эта аналогия, как и всегда, еще не есть доказательство, но она, если и не дает возможности описать свойства семейства элементарных частиц, то во всяком случае указывает на многообразие этих свойств.

Ну, а если в самом деле не существует верхнего предела для масс элементарных частиц?

Не значит ли это, что при определенных условиях, скажем, в ультрамалых пространственно-временных областях, могут рождаться макроскопические объекты?

Разумеется, нечто подобное может произойти лишь при очень высоких энергиях взаимодействий. Такие энергии на ускорителях пока еще не достигнуты. — Не могут здесь помочь и наблюдения космических лучей. Дело в том, что космические частицы неизбежно теряют часть своей энергии в результате взаимодействия с фотонами реликтового излучения. И поэтому энергия частиц автоматически «обрезается» на некотором определенном уровне и никогда не может его превзойти.

Все же «макроскопические явления» в микромире представляются маловероятными. Дело в том, что для энергии виртуальных частиц, видимо, тоже существуют какие-то ограничения. Об этом говорит тот факт, что хотя в теории некоторые энергетические величины и получаются бесконечно большими — в реальной природе они всегда оказываются конечными.

Но, возможно, существует другая грань соприкосновения микро- и макромира. Недавно известный советский физик М. А. Марков обратил внимание на одно неожиданное следствие, вытекающее из того, что согласно теории относительности полная энергия замкнутой Вселенной должна равняться нулю. Представим себе, например, Вселенную Фридмана, которая чуть-чуть незамкнута в том смысле, что равновесие энергий в ней несколько нарушено и имеется некоторый положительный избыток, соответствующий, скажем, массе нейтрона. Тогда, с точки зрения внешнего наблюдателя, такая Вселенная не будет отличаться от элементарной частицы.

Хотя подобные рассуждения носят несколько отвлеченный характер и связаны с некоторыми довольно смелыми допущениями, тем не менее они служат возможным указанием на то, что пропасть между микро- и макромиром, возможно, не так уж широка и глубока.

Во всяком случае изучение микроявлений уже сегодня приводит нас к проблемам космического порядка, а решение космологических вопросов все чаще наталкивается на основные проблемы физики элементарных частиц.

Но возможно, между «мега» и «микро» существуют связи еще более глубокие. Имеется в виду так называемый принцип Маха, это название дал ему Эйнштейн. Речь идет о связи бесконечно малого и бесконечно большого, которая в современной физике приобретает довольно реальные очертания.

Влияет ли «интегральный вселенский фон» на отдельные и, казалось бы, обособленные явления? Вот в чем вопрос.

Как известно, одним из основных положений материалистической диалектики является идея всеобщей взаимосвязи и взаимозависимости явлений природы.

— Можно ли в связи с этим считать, — спросил я при случае академика Наана, — что любое физическое явление имеет не только местный, локальный характер, но зависит и от некоего, так сказать, космического фона? Что думают на этот счет физики и астрономы?

— Это захватывающий вопрос, — не задумываясь, отвечал Наан. — С одной стороны, современная физика сугубо локальна. Все явления описываются с помощью дифференциальных уравнений, которые зависят лишь от условий либо в данной точке, либо в соседних, близких к ней точках. Интегральный фон, таким образом, во внимание не принимается, автоматически считается несущественным… Но, с другой стороны, для того чтобы получить решение дифференциальных уравнений, необходимо задать так называемые краевые условия — начальные или граничные, или и те, и другие. И далеко не ясно, являются ли эти условия но своей природе тоже чисто дифференциальными. Есть основания предполагать, что через них в наше решение обязательно «проникает» и глобальный фон.

— А космология? Как она решает эту проблему?

— В космологии это как раз проявляется довольно отчетливо. Космологические уравнения — тоже дифференциальные уравнения. И из них нельзя извлечь почти никакой информации до тех пор, пока не сделаны те или иные предположения глобального характера, например, предположение об однородности и изотропии. Можно думать, что так должно быть и во всей физике, но пока что до этого просто еще не докопались. Природа тщательно скрывает свои тайны.

Несколько определеннее и тоже в положительном смысле ответил на этот же вопрос профессор Станюкович:

— Я думаю, что во всякое явление входит интегральный фон, связанный с наличием гравитационного поля.

Изучение микромира открывает и совершенно новые грани в проблеме пространства и времени.

С общефизической и философской точек зрения пространство и время — всеобщие формы существования материи. Однако в конкретных физических процессах пространство и время проявляются в структурных свойствах явлений и в смене состояний. В этих случаях о пространственных и временных отношениях можно говорить только тогда, когда имеет смысл различие двух соседних точек или объектов и двух последовательных состояний.

Но в том-то все и дело, что «соседство» и «следование» — это совершенно конкретные свойства физических структур, которыми они могут обладать, а могут и не обладать. Такое трудно представить себе наглядно, но в принципе это вполне возможно. Следовательно, возможны «внепространственные» и «вневременные» формы существования материи. Разумеется, если пространство и время понимать не в философском, а только в физическом смысле.

Но как все же соотнести эту возможность с общефилософскими представлениями? Вопрос, на который должны дать ответ совместные усилия физиков и философов.

Одним словом, «или — или» преодолено, и в познании геометрических свойств мира открываются новые пути, но на этих далеко не простых путях и космологии, и Микрофизике и философии еще предстоит завоевывать каждый очередной шаг.