Виктор Комаров - По следам бесконечности

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.