В поисках единой теории На вопросы отвечает доктор физико-математических наук В. С. Барашенков / Разум побеждает: Рассказывают ученые / Библиотека / Наша-Природа.рф

После некоторого периода кажущегося застоя в этом разделе современной физики произошел серьезный сдвиг. В частности, в области теории идут исследования проблемы объединения различных известных типов взаимодействия, в первую очередь слабых и электромагнитных, а также сильных. И делается все это на очень глубоком — кварковом уровне. Однако теоретических моделей, описывающих мир элементарных частиц, пока еще слишком много, и в настоящее время трудно какой-либо из них отдать предпочтение.

Важное значение для дальнейшего развития наших представлений об элементарных частицах будет иметь недавнее открытие так называемых пси-частиц, обладающих необычными свойствами. Хотя теоретические предпосылки, допускающие наличие в природе подобных частиц, существовали, само их экспериментальное обнаружение явилось все же довольно неожиданным.

С другой стороны, открытия новых частиц стали важным аргументом в пользу гипотезы кварков. Дело в том, что без этой гипотезы было бы очень трудно объяснить свойства частиц. Более того, существование пси-частиц подтвердило, что кварков должно быть не три, а четыре. К тому же мы сейчас знаем, что каждый из этих кварков имеет три различных «цвета».

Кстати, хотел бы заметить, что мысль о существовании трехцветных кварков еще несколько лет назад была высказана известным советским физиком-теоретиком академиком Н. И. Богомоловым. Теперь она получила убедительные подтверждения.

Какое место занимает теория элементарных частиц в современном естествознании?

Наряду с астрофизикой она всегда играла чрезвычайно важную роль в формировании новых представлений о явлениях окружающего нас мира. Так, она подводит нас к новым представлениям о том, что такое элементарность.

Еще сравнительно недавно считалось само собой разумеющимся, что Вселенная представляет собой последовательность вложенных друг в друга физических систем — от Метагалактики до неделимых элементарных частиц, не имеющих внутренней структуры. Подобная картина хорошо согласовывалась и с нашим здравым смыслом, согласно которому целое всегда больше любой из составляющих его частей.

Но теперь мы знаем, что элементарная частица может содержать в качестве своих составных частей несколько точно таких же частиц, как и она сама. Например, протон на очень короткое время распадается (диссоциирует) на протон и пи-мезон, а каждый пи-мезон на три пи-мезона. Таким образом, в микромире теряют смысл привычные представления о целом и части, о простом и сложном, а следовательно, теряет смысл и привычное для нас представление об элементарности. Появилась идея «прекварков» — еще более фундаментальных частиц, из которых состоят сами кварки.

Пожалуй, наиболее поражающим воображение обстоятельством является постепенно открывающаяся нам все более глубокая взаимосвязь между микропроцессами и макроскопическими явлениями, в том числе явлениями космического порядка. Становится все более ясно, что многие важные свойства космических объектов определяются в конечном счете свойствами микрочастиц.

Как известно, одним из основных положений материалистической диалектики является утверждение о всеобщей взаимосвязи явлений природы. Взаимосвязь микро- и макропроцессов — одно из конкретных выражений этой связи. В качестве объектов, где связь микро и макро реально проявляется, можно привести черные дыры с радиусом 10^–13 сантиметров. Их масса должна составлять 10⁸ тонн. Экспериментальное обнаружение таких удивительных объектов — одна из интереснейших задач современной физики.

Чего вы ждете в ближайшем будущем от теории элементарных частиц?

Прежде всего построения единой теории сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий. Кроме того, должна быть понята природа кварков и получен ответ на вопрос, почему их не удается наблюдать. Не исключена возможность, что кварки представляют собой особый тип образований, которые могут существовать только в совокупности и которые принципиально невозможно разделить.

Весьма интересных результатов можно ожидать и от дальнейшего изучения нейтрино, играющего очень важную роль в слабых взаимодействиях.

Нуждается ли, по вашему мнению, современная теория элементарных частиц в каких-то принципиально новых идеях?

Экспериментальных данных в этой области сейчас очень много, немало и непонятного. Не исключено, что стараниями теоретиков удастся преодолеть существующие трудности и объяснить экспериментальный материал, не прибегая к каким-то принципиально новым представлениям. Но могут потребоваться и совершенно новые идеи, в том числе и весьма необычные.

Считаете ли вы, что развитие теории элементарных частиц ведет к открытию «все более странного мира»?

Это и в самом деле так. Теория элементарных частиц ведет все дальше от наглядных представлений, она обрастает все более сложными математическими и другими образами, у которых нет аналогий в непосредственно окружающем нас мире.

С другой стороны, новые, непривычные понятия — непривычные даже для физика — постепенно осваиваются, входят в обиход и незаметно становятся привычными. Один из физиков как-то привел показательный пример. Когда он был молодым, в Физическом институте Академии наук однажды обсуждался вопрос о потенциальном барьере для альфа-частиц. И докладчик, чтобы сделать для присутствующих это новое тогда понятие более наглядным, сравнил этот барьер со слоем Хэвисайда, ионизированным слоем земной атмосферы, отражающим короткие радиоволны. А спустя несколько лет — это было уже в послевоенные годы — этому же физику пришлось стать свидетелем того, как один студент, объясняя другому, что такое слой Хэвисайда, сравнил его с потенциальным барьером для альфа-частиц.

Таким образом, по мере развития науки и освоения новых знаний происходит своеобразная переоценка ценностей. Совершается непрерывный процесс открытия и в то же время освоения «все более странного мира».

Если уж мы заговорили о «странном мире» элементарных частиц, то невольно возникает вопрос о так называемых сверхсветовых частицах, или тахионах. По этой проблеме в последние годы публикуется множество работ. Хотелось бы знать ваше мнение на этот счет.

Проблема, бесспорно, увлекательная. Само предположение о возможности существования сверхсветовых частиц не может не поражать воображение. Но если взглянуть на дело с чисто физической точки зрения, то окажется, что гипотеза. о существовании тахионов не противоречит специальной теории относительности. И даже не только не противоречит, а, наоборот, делает эту теорию более симметричной и внутренне согласованной, распространяя ее на мир, лежащий за световым барьером. Таким образом, гипотеза тахионов может быть верной или неверной, но она очень естественно вписывается в специальную теорию относительности, создавая цельную замкнутую картину. Разумеется, справедливость этой гипотезы может доказать только эксперимент.

Но, как известно, одним из основных положений специальной теории относительности является утверждение о предельном характере скорости света. Нет ли тут противоречия с предположением о существовании сверхсветовых частиц?

Я уже говорил, что идея тахионов теории относительности не противоречит. Это связано с тем, что запрет сверхсветовых скоростей не есть следствие, вытекающее из теории относительности, а лишь одна из аксиом, положенных в ее основание. Таким образом, специальная теория относительности в принципе не может запретить сверхсветовых процессов.

Согласно основному предположению, если тахионы действительно существуют, то они «обитают» за сверхсветовым барьером и не вступают ни в какое взаимодействие с «досветовыми» частицами нашего мира. Таким образом, речь идет о своеобразном распространении специальной теории относительности на гипотетические физические явления, протекающие по ту сторону сверхсветового порога. Мир тахионов, если он действительно существует, нигде не пересекается с миром досветовых скоростей. Эти миры, видимо, между собой не взаимодействуют.

В настоящее время физикам известны два типа частиц, между которыми не существует перехода, — «досветовые» и «световые», то есть частицы, движущиеся с досветовыми скоростями (протоны, нейтроны, электроны и т. п.) и со световыми скоростями (фотоны и нейтрино). Если бы оказалось, что тахионы действительно существуют, они составили бы третий тип частиц. Частица, принадлежащая к одному из этих типов, не может перейти в частицу другого типа ни при каких известных нам взаимодействиях. Я подчеркиваю: ни при каких известных нам взаимодействиях. На очень глубоком, еще не изученном современной физикой уровне это может быть и не так.

И все же возникает ощущение, что гипотеза сверхсветовых скоростей является чем-то вроде физической бессмыслицы?

Все дело в том, что вообще называть «физически бессмысленным». Соотношение или процесс, которые невозможны в круге привычных для нас явлений, могут реализоваться в другой области явлений. Иными словами, наши представления о возможном и невозможном носят относительный характер. Физически бессмысленными можно считать лишь такие теоретические выводы, которые вступают в противоречие с тем или иным известным фундаментальным законом природы в той области, где этот закон достаточно хорошо проверен. Гипотеза же тахионов, как мы видели, в подобные противоречия не вступает.

Но в таком случае при сверхсветовых сигналах должна нарушаться причинность: следствия могут опережать свои причины.

Да, действительно. Хотя гипотеза о сверхсветовых сигналах формально и не вступает в противоречие со специальной теорией относительности, предположение о существовании сверхсветовых частиц ставит ряд проблем принципиального характера. И главная из них связана с нашими современными представлениями о причинности.

Дело в том, что, согласно специальной теории относительности, два события А и В, происходящие в одной системе отсчета (скажем, на платформе железнодорожной станции), с точки зрения другой системы отсчета, движущейся относительно первой с некоторой скоростью (например, из окна подходящего к станции поезда), будут располагаться во времени несколько иначе.

В теории относительности вычислить, как меняется промежуток времени между двумя событиями при переходе от одной системы отсчета к другой, можно с помощью особых математических формул, которые носят название «преобразований Лоренца». Чем быстрее движется поезд, тем короче будет этот промежуток. Но хотя по мере приближения к скорости света промежуток между А и В будет становиться все короче и короче, последовательность событий останется одинаковой и для наблюдателя на платформе, и для пассажира поезда.

А если бы скорость поезда превосходила скорость света, то с помощью преобразований Лоренца мы обнаружили бы, что в этом случае промежуток времени между событиями А и В для наблюдателя в поезде сделался отрицательным. Другими словами, в этой системе отсчета события А и В меняются местами во времени — следствие возникает раньше причины. Предположение о существовании сверхсветовых частиц ведет к выводу, что в природе существуют процессы с неопределенным направлением развития, и можно выбрать такую систему отсчета, в которой причины и следствия поменяются своими местами.

Но в таком случае с помощью тахионного пучка можно было бы, так сказать, проникнуть в минувшее?

Да, можно было бы, скажем, создать телефон, направленный в прошлое. Или, например, выстрелить сейчас таким пучком и застрелить самого себя вчера, в 11 часов утра… Таким образом, возникают парадоксы. Кстати, если рассматривать область, где существуют только сверхсветовые взаимодействия, то в этой области никаких парадоксов нет. Они возникают лишь в тех случаях, когда сверхсветовые сигналы соседствуют с досветовыми. И если в подобной ситуации для микропроцессов нарушений причинности еще можно избежать, то для обычных макроскопических процессов они возникают с неизбежностью.

На языке современной физики это означает, что, допуская существование тахионов, мы приходим к нарушению принципа причинности — одного из фундаментальных положений современной науки. Наиболее общая его формулировка дана известным советским физиком академиком Н. Н. Боголюбовым: «Любое событие, происходящее в физической системе, может оказать влияние на эволюцию этой системы лишь в будущем и не может оказывать влияние на поведение системы в прошлом». В обычных условиях принцип причинности никогда не нарушается, по крайней мере нам такие случаи неизвестны.

Очевидно, можно сказать, что для процессов, протекающих со сверхсветовыми скоростями, противопоставление прошлого и будущего приобретает условный, относительный смысл?

Именно так… В процессах со сверхсветовыми сигналами временной порядок событий — какое из них происходит раньше, а какое позже — зависит от выбора системы координат. А направление потока информации, которое составляет основу причинно-следственной связи, при замене одной системы координат другой не меняется. Именно поэтому и происходит нарушение причинности. Кстати, при этом нарушается не только причинность. Для макроскопических явлений обратный во времени поток информации означает также нарушение такого фундаментального закона сохранения, как второй закон термодинамики — закон, запрещающий переход тепла от более холодных тел к более нагретым.

Вы не могли бы для наглядности привести пример какого-либо физического процесса, в котором при наличии сверхсветовых сигналов происходит нарушение причинности?

Представим себе, что в точке А расположен источник тахионов, в точке В — их приемник, а между ними находится щель, изменяя ширину которой мы можем менять интенсивность тахионного пучка, или, как говорят физики, его модулировать. Но так как тахионы движутся со сверхсветовой скоростью, то можно подобрать другую такую систему координат, в которой процесс будет протекать в обратном направлении, то есть тахионный пучок будет исходить из точки В. При этом он окажется модулированным еще до подхода к щели. Получается парадоксальная ситуация: щель как бы знает, как именно ей надо колебаться. В промежутке между точкой В и щелью факт модуляции тахионного пучка будет восприниматься как самопроизвольное, беспричинное, необъяснимое явление.

Существуют ли в таком случае какие-либо подходы к решению проблемы сверхсветовых частиц?

Некоторые зарубежные физики предлагают пересмотреть само понятие причинности — считать, что причина не обязательно должна опережать следствие, что это всего лишь некоторая связь, корреляция событий. Логически построить подобную схему, может быть, и можно, но такой подход противоречит физическому эксперименту. Во всяком случае, до расстояний 10^–15 сантиметра никаких нарушений причинности в обычном понимании обнаружить не удалось. К тому же подход, о котором идет речь, неудовлетворителен и с методологической точки зрения: он отбрасывает самое главное — генетическую связь между событиями, то принципиальное обстоятельство, что одно событие порождает другое. В реальных физических процессах и экспериментах мы всегда предсказываем будущее по прошлому, а не наоборот.

Другое направление связано с попыткой пересмотреть специальную теорию относительности. Быть может, парадоксы возникают потому, говорят сторонники подобной точки зрения, что мы пытаемся применять соотношения этой теории за границами их применимости? В принципе подобная точка зрения неуязвима, ибо любая физическая теория имеет определенные границы применимости. Однако с практической точки зрения подобный подход ничего не дает. Если пойти по такому пути, то придется «выкинуть» всю современную физику.

Еще одна возможность состоит в признании того, что в природе существует некая «выделенная система координат» (выделенное не важно чем), в которой отсутствуют нарушения причинности. В такой системе специальная теория относительности заведомо неверна, и ее соотношения соблюдаются не обязательно. В принципе в природе подобная система отсчета, возможно, существует — это система, связанная с реликтовым излучением, возникшим на ранней стадии расширения Вселенной. Это единственный известный нам источник излучения во Вселенной, обладающий столь высокой изотропией и однородностью. Не исключено, что именно с этим обстоятельством могут быть связаны некоторые отклонения от теории относительности. В этом направлении, между прочим, открываются определенные возможности экспериментального поиска тахионов.

И все же наиболее интересный путь состоит в том, чтобы проанализировать сущность нарушений причинности, с которыми мы сталкиваемся при попытках ввести сверхсветовые сигналы, и попытаться выяснить, что они в действительности означают.

А как обстоит дело с экспериментальной точки зрения? Есть ли какие-либо экспериментальные указания на возможность существования тахионов и можно ли надеяться такие указания получить вообще?

Пока таких доказательств получить не удалось. Но, может быть, дело в том, что в подобных экспериментах не учитывались какие-то неизвестные нам пока свойства тахионов.

Одна из интересных возможностей — попытаться обнаружить тахионы по так называемому черенкозскому излучению. Теория утверждает, что при движении в вакууме сверхсветовые частицы должны излучать электромагнитные волны. Впрочем, если это и так, измерить подобное излучение будет весьма нелегко.

В последние годы много пишется и говорится о взаимосвязи между микропроцессами и явлениями космического порядка. Каково космологическое значение теории элементарных частиц в ее современном состоянии?

Взаимосвязь микро- и макропроцессов — одно из конкретных выражений диалектики природы, всеобщей взаимосвязи ее явлений.

Уже сейчас в ряде случаев трудно разделить, где космология, а где теория элементарных частиц. В центре внимания современной астрофизики находятся объекты, отличающиеся чрезвычайно высокой плотностью, а иногда и очень малыми размерами (вспомним об упоминавшихся выше микроскопических черных дырах с массой около 10⁸ тонн). Подобные экстремальные состояния материи не могут быть описаны в рамках одной лишь общей теории относительности Эйнштейна, так как при столь больших плотностях неизбежно возникают специфические квантовые эффекты. Поэтому одной из важнейших задач современной физики является построение квантовой гравитационной теории, которая объединила бы общую теорию относительности и квантовую физику.

Чем, на ваш взгляд, поучительна теория элементарных частиц и история ее развития?

Эта область физики поучительна прежде всего тем, что здесь с особенной силой проявляется мощь научной теории. Ведь не случайно, например, кварки были изобретены, а не обнаружены в опыте. Поучительно и то, что в процессе развития этой теории то и дело возникает масса неожиданных понятий и образов, потрясающих привычные основы. Достаточно опять-таки напомнить о кварках. Тем самым наглядно и убедительно демонстрируется неправомерность любой абсолютизации научных знаний. Физика как наука никогда не исчерпаема.

Какие философские проблемы связаны с современной теорией элементарных, частиц?

Помимо выяснения сущности явления элементарности, о чем уже говорилось, одна из основных проблем, имеющих важное философское значение, состоит в выяснении того, что представляет собой пространство — время в физическом смысле. Еще одна важная проблема — обобщение существующего понятия причинности, которое в ряде случаев может оказаться недостаточным. Необходимо также понять, что означает несохранение направления времени при К-распадах.

Есть и еще ряд проблем методологического характера, так или иначе связанных с изучением элементарных частиц. Что значит — хорошая теория? Что значит — объяснить? Что значит — единая теория? Что предпочтительнее система уравнений или модель? И ряд других…

<<< Назад
Д. А. Франк-Каменецкий От мегамира к микромиру

Оглавление статьи/книги

Похожие страницы