Кварки, протоны, Вселенная
Шрифт:
Однако на фундаментальные вопросы, касающиеся свойств и структуры мира, раз и навсегда данного, окончательного ответа не существует. Любой ответ оказывается приближенным и рано или поздно требует дальнейшего уточнения. Более того, представления, казавшиеся ранее взаимоисключающими, на новом, более глубоком уровне знаний часто оказываются тесно связанными, даже выражаются одно через другое. Так случилось и с понятием пустоты. Вопрос о смысле этого понятия превратился в одну из основных физических проблем после того, как были открыты волновые свойства света, и буквально приковал к себе внимание ученых.
Каким образом световая волна бежит в вакууме, если там нет ничего, что могло бы передавать это движение от точки к точке? Не указывает ли
Три с половиной столетия назад Рене Декарт, французский математик, физик и философ, писал: «Мы считаем сосуд пустым, когда в нем нет воды, но на самом деле там остается воздух. Если теперь из кажущегося пустым сосуда убрать и воздух, в нем опять что-то должно остаться, но этого «что-то» мы просто не чувствуем». Вот это «что-то» и есть эфир.
Но почему тогда эта заполняющая все пространство субстанция не мешает движению небесных тел, которое веками остается неизменным, хотя для того, чтобы передавать световые волны, эфирная среда должна обладать весьма значительной плотностью? Почему ни в одном эксперименте не удается заметить «эфирный ветер»?
Несколько столетий все это оставалось загадкой. Ответ был найден квантовой механикой совсем недавно — в 20-х годах нашего века. Оказалось, что движение каждой отдельной световой частицы, фотона, настолько сложно и прихотливо, что с определенной вероятностью ее можно обнаружить в самых различных точках пространства. Строгие закономерности проявляются лишь при рассмотрении большого числа фотонов. И вот статистически, в среднем, световые частицы распределяются в пространстве таким образом, что их поведение выглядит как распространение волны. Поодиночке каждый фотон — частица, корпускула, а в совокупности они — волна. И никакой эфирной среды для этого не требуется, квантовые законы, описывающие поведение света, прекрасно действуют и в вакууме.
Для того чтобы сделать картину нагляднее, иногда говорят, что фотоны двигаются в пустом пространстве по нечетко определенным, размазанным траекториям, а «размазка» имеет форму волны. Это очень упрощенное описание того, что происходит на самом деле, но некоторое представление о характере явления отсюда получить можно.
Заметим, впрочем, что такими свойствами обладают не только фотоны, но и все другие микрочастицы. Каждая из них одновременно имеет корпускулярные и волновые характеристики. Таковы законы квантовой механики.
Казалось бы, квантовая механика окончательно «очистила» пространство от эфира. Но все не так просто. По мнению некоторых ученых, квантовую картину волнового движения в абсолютно пустом пространстве еще нельзя считать достаточно ясной. Дело не в том, что сама квантовая механика все еще выглядит странной и парадоксальной. Физики давно уже обжились в мире квантовых образов, а эксперимент убеждает нас в правильности новых законов. Никаких отклонений у них не обнаружено. Неудовлетворенность у некоторых ученых вызывает лишь то обстоятельство, что, научившись хорошо пользоваться квантовой механикой, мы все-таки точно не знаем, что же заставляет тождественные по своим свойствам частицы в совершенно одинаковых условиях вакуума двигаться по-разному.
Может быть, говорят эти ученые, квантовая механика — это всего лишь временная постройка, некое приближенное изображение истинной, скрытой пока от нас картины явлений, где частицы двигаются по строго определенным траекториям, но только эти траектории что-то размазывает, и это «что-то» мы пока еще не нащупали, не можем его выделить? Если это так, то таинственное «что-то» как раз и было бы подлинным материальным содержанием вакуума, так сказать, «заквантовым эфиром».
Было предпринято много попыток построить нестатистическую, «точную» теорию микропроцессов.
Причина этого в том, что микрочастица всегда взаимодействует с окружающей средой. Часто в момент своего рождения она опутана невообразимо сложным переплетением связей с другими микрочастицами, входящими в состав макроскопических тел. Связи эти, а с ними и воздействия на нее усложняются еще более, когда она проходит сквозь различные экраны, линзы и другие устройства, фиксирующие ее состояние. Даже если частицы движутся в вакууме, у каждой из них свои неповторимые начальные условия. Есть еще и другие специфически квантовые связи частицы с ее окружением, о которых здесь трудно рассказать. Вот все эти связи и размазывают, делают вероятностными траектории микрочастиц. Точно учесть все их просто невозможно. Как заметил однажды Вернер Гейзенберг, один из создателей квантовой теории, для этого пришлось бы принять во внимание состояние всей Вселенной. Поэтому можно быть уверенным в том, что любая «заквантовая теория» будет статистической. Такого взгляда в настоящее время держится подавляющее большинство физиков.
Итак, квантовая механика вернула вакууму статус абсолютной безэфирной пустоты, тем более что это подтверждалось и экспериментальными данными: в своих лабораториях физики научились создавать в сотни триллионов раз более разреженное пространство, чем окружающая нас атмосфера, а изучение процессов, происходящих в космосе, говорило за то, что межзвездное пространство практически совсем пустое — на каждый кубический сантиметр там приходится менее одного атома. Это такое же разрежение, как если бы в объеме земного шара имелась одна-единственная бактерия!
Стрелка научного знания сделала полный оборот — от пустоты к мировому эфиру и снова к полной пустоте.
Однако в самой квантовой механике было спрятано нечто такое, что вскоре буквально вывернуло наизнанку все представления о пустом и непустом. И стрелка побежала по новому витку спирали.
Оказалось, что пустое пространство «дышит»!
Каждому понятно, что если пространство пустое, то в нем не должно быть не только материальных тел, но и никаких полей — ни электромагнитных, ни каких-либо других. Ну а поскольку источником полей служат материальные тела, то, удаляясь на достаточно большое расстояние, можно было бы надеяться сделать эти поля какими угодно малыми. Чем дальше от фонаря, тем темнее. Казалось бы, все логично и все ясно.
И вот квантовая механика неожиданно показывает, что это совсем не так. Из ее формул следует, что в любом очень малом объеме пространства на очень короткое время может произойти флюктуация и «из ничего» выплеснется и снова быстро исчезнет электромагнитное или какое-нибудь другое поле. Это как раз тот процесс рождения виртуальных частиц — квантов спонтанно образующихся полей, о котором неоднократно и упоминалось выше. Виртуальные процессы действуют на движущиеся в вакууме частицы: экранируют их заряды, изменяют массы этих частиц, смещают уровни в атомах и так далее. Взаимодействие частиц с вакуумными флюктуациями — одна из причин размазывания их траекторий Под действием флюктуационных толчков микрочастица все время изменяет свое положение, как бы кружится вокруг положения равновесия. Это сложный нелинейный эффект, крепко связанный узел явлений: неопределенность траекторий делает возможными вакуумные флюктуации, а те, в свою очередь, порождают размазку траекторий.