Алексей Цвелик - Жизнь в невозможном мире: Краткий курс физики для лириков

Чтобы понять, в чем дело, давайте зададим себе вопрос: откуда мы знаем, что из чего состоит? Вот мы говорим: вода состоит из молекул, молекулы из атомов, атомы из электронов и ядер и т. д. А откуда мы это знаем? Ну, грубо говоря, чтобы узнать, из чего состоит предмет, мы бьем молоточком и смотрим на осколки. В качестве «молоточка» можно использовать подогрев, или электрический разряд, или еще что-то, не суть важно. Нагреем воду как следует — и молекулы распадутся на атомы (кислорода и водорода). Нагреем еще сильнее (энергия ионизации атома водорода 13,6 электрон-вольт, что соответствует 154 000 °C, но по причинам, которые здесь нет нужды излагать, практически полная ионизация происходит при значительно меньших температурах) — и электроны оторвутся от ядра. А дальше? Ударим по ядру другим ядром (для этого нужен ускоритель элементарных частиц), и если оно делимо, то осколки дадут нам что-то новое, то, из чего это самое ядро состоит. Вот такая логика. Действительность, однако, следует этой логике лишь до определенного предела, после которого начинает происходить нечто странное.

Это странное проявляет себя в полной мере тогда, когда скорости сталкивающихся частиц начинают приближаться к скорости света. Тогда оказывается, что чем больше энергия сталкивающихся частиц, тем больше получается осколков и тем больше их общая масса. При этом зачастую помимо новых частиц вылетает множество частиц старого типа. Вот, например, стукнешь по протону другим протоном, и, в зависимости от энергии удара, могут появиться целые пучки («струи») протонов и антипротонов, и чем больше энергия, тем больше частиц в этих пучках. Это как если бы, открывая матрешку, мы находили бы внутри не меньших, а больших куколок. Можно ли сказать, что протон состоит из нескольких, а может быть, и бесконечного числа протонов и антипротонов? Тогда из чего состоит каждый из этих новых?

Часть ответа на этот парадокс состоит в том, что новые частицы нарождаются в процессе удара. Энергия удара Е превращается в массу т согласно знаменитой формуле Е = тс 2. Великая эта формула стала частью нашей популярной культуры, навязнув у всех в зубах до такой степени, что понимать ее уже нет никакой необходимости. А между тем смысл ее волшебен. Что есть энергия? В конечном итоге это наше действие, деяние. И вот оказывается, что наше деяние, наша воля, наши деньги, наконец, могут породить массу, то есть вещество. Или по-другому: свет, чистая энергия, оказывается, тоже может порождать вещество и, наоборот, вещество может превращаться в энергию, то есть в конечном итоге в свет (радиоволны, тепловое излучение, рентгеновские лучи — это все различные формы света). Если так обстоят дела, то, конечно, нельзя говорить о вечности неделимых «кирпичиков» материи. Нельзя говорить и о материи как составленной из «кирпичиков», так как оказывается, что никакой «кирпичик», никакую частицу нельзя рассматривать отдельно от мира, ее окружающего. Она, если угодно, в одиночку не существует. И я бы сказал, что подходящей метафорой здесь является не кирпичик, а воротца. Каждая частица подобна воротцам, и вот в каком смысле.

Столкнем мысленно два протона. В зависимости от энергии удара получится разное количество частиц всяких сортов, скажем, две штуки сорта А (я не буду здесь утомлять читателя точными названиями, не в них дело), две штуки сорта Б и т. д. Однако если сталкивать не протоны, а что-нибудь еще, например нейтроны, то будут получаться другие наборы частиц. Следовательно, актом столкновения двух частиц можно в принципе породить целый зоопарк частиц (хватило бы только энергии удара!), но при этом у разных партнеров и зоопарки будут получаться разные. Поэтому частицу можно характеризовать тем зоопарком, который она может породить, то есть теми возможностями, которые она открывает. Поэтому она и есть как бы ворота из мира возможного в мир реальный; раскроешь их чуть-чуть — получится один результат, затратишь побольше энергии и раскроешь пошире — вылетит наружу больше всякого разного и т. д. Разница между разными видами частиц-ворот в том, что из разных ворот разное может вылететь.

Получается, что мир, который мы называем реальным, так сказать, «мир, данный нам в ощущениях», есть лишь рябь на поверхности мира возможного.

Сказанное выше не означает, что атомистической картиной мира совсем нельзя пользоваться. Во многих случаях она вполне годится как приближенная модель. Например, если человек занимается химией стабильных (не радиоактивных) веществ, то ему практически наверняка вся изложенная выше премудрость не понадобится. В своей практике такой химик имеет дело с процессами, где передача энергии мала по сравнению с массами участвующих в этих процессах частиц и потому соответствующие эффекты малы. Можно сказать, что природа благосклонна к нам и для того, чтобы узнать что-то, не обязательно знать все. Изучаешь, например, водород. В известных пределах его можно описать как систему двух тел, электрона и протона, притягивающихся друг к другу по закону Кулона. Математически такую задачу об описании атома водорода можно решить, что и сделал Эрвин Шредингер в 1920-х годах. В результате получилось отличное описание спектральных линий водорода. Если уж ты человек совсем дотошный, то спросишь: а как же протон с нейтроном чувствуют друг друга на расстоянии, как же это электрическое взаимодействие от одного к другому передается? Тут и начнется морока, так как передается оно посредством электромагнитного поля, а это поле тоже в каком-то смысле состоит из частиц (фотонов). Значит, это задача не двух тел, а бесконечного их количества (если включить в игру все фотоны) — и пошла писать губерния… К счастью, если копать не так глубоко, а в химии зачастую этого не надо, то можно на все эти трудности закрыть глаза.

При описании внутриядерных взаимодействий, однако, закрыть глаза не удается. Никакой процесс там невозможно адекватно описать как процесс с конечным числом участников. Любая задача там реально есть задача бесконечного количества взаимодействующих тел. Математическая, вернее, физико-математическая дисциплина, изучающая такие задачи, называется квантовой теорией поля.

«Поле» — это то, что разлито везде, в каждой точке пространства. А частица — это локализованный объект. Как же из одного можно получить другое? Связующим образом здесь является то, что японцы назвали «цунами». Цунами есть пример того, что в физике называется «солитон», то есть это одиночная волна, которая движется практически как твердое тело, не меняя своей формы. Вот так, из текучей среды (воды) возникла устойчивая форма. Причем когда солитон движется, содержимое его все время меняется, а форма остается практически постоянной. И никакой квантовой механики здесь нет. Так и физики пытаются описать частицы как «солитоны» текучих и бесконечно изменчивых полей.