«Дюжина лекций: шесть попроще и шесть посложнее». Глава из книги

Глава 2. Основы физики

Введение

В этой главе мы рассмотрим самые основные представления современной физики — природу вещей, как мы сейчас ее представляем. Мы не будем останавливаться на истории того, как стало известно, что все эти представления истинны; вы узнаете это в свое время.

Те вещи, с которыми мы имеем дело в физике, являются нам в обилии различных форм и с множеством различных свойств. Например, если мы стоим на берегу и смотрим на море, нам предстают вода, волны прибоя, пена, хлюпанье воды, шум, запахи, ветер и облака, солнце, голубое небо и свет; тут есть песок и камни различной твердости и прочности, цвета и строения. Здесь рыбы и водоросли, их жизнь и гибель, и вы, стоящий на берегу. Возможно, здесь даже присутствуют счастье и мысль. И в любом другом месте в природе вы встретите не меньшее разнообразие явлений и влияний, и столкнетесь с их огромной сложностью. Любопытство толкает нас к тому, чтобы задавать вопросы, ухватить суть вещей и понять это множество явлений как, возможно, вытекающее из действия сравнительно небольшого количества простейших процессов и сил, в их бесконечно разнообразных сочетаниях.

Мы спрашиваем себя: песок — это то же самое, что камни? То есть, не является ли песок просто огромным множеством крошечных камней? Является ли Луна большим камнем? Тогда поняв, что такое камни, поймем мы также песок и Луну? Ветер — это такой же всплеск воздуха, как всплеск воды в море? Какие общие черты имеют различные движения? Что общего между всевозможными видами звука? Сколько есть различных цветов? И так далее. Таким образом мы пытаемся проанализировать все вокруг, связать то, что нам кажется несвязуемым, в надежде, что нам удастся сократить количество различных явлений и тем самым понять их лучше.

Несколько веков назад был изобретен способ, позволяющий найти частичные ответы на подобные вопросы. Наблюдение, размышление и эксперимент составляют то, что называется научным методом. Нам придется ограничиться простым описанием фундаментальных идей физики, или основополагающих представлений, выросших из применения научного метода.

Что значит для нас «понять» что-либо? Можно представить, что это сложнейшее сочетание движущихся объектов, которое и есть «мир», — это что-то вроде шахматной игры, в которую играют боги, а мы наблюдаем ее со стороны. Мы не знаем, каковы правила игры; все, что нам разрешили, — просто смотреть, как играют. Конечно, если мы наблюдаем достаточно долго, в конце концов мы можем уловить некоторые из правил. Фундаментальная физика — и есть такие правила игры. И даже если бы мы знали все правила, это не значит, что мы поняли бы, почему в игре делаются именно такие ходы, из-за их сложности или ограниченности нашего ума. Если вы играете в шахматы, то должны знать, что выучить все правила несложно, и все же часто очень сложно избрать самый лучший ход или понять, почему игрок делает именно такой ход. То же и в природе, только в гораздо большей степени. Не исключено, что в конце концов все правила будут найдены, но пока не все они нам известны. (Время от времени вдруг происходит какая-то рокировка, которую мы все еще не понимаем.) Помимо того, что мы не знаем всех правил, круг явлений, которые мы можем объяснить на их основе, очень ограничен, потому что почти все реальные ситуации настолько сложны, что мы не можем участвовать в игре, просто следуя правилам, и еще менее — предугадать очередной ход. Поэтому мы должны ограничиться самыми основными правилами игры. Если мы знаем правила, то уже считаем, что «понимаем» мир.

Откуда мы можем знать, что правила, которые мы «угадываем», справедливы на самом деле, если мы не можем проанализировать игру до конца? Грубо говоря, есть три способа проверки. Во-первых, возможны ситуации, когда природа сама, или с нашей помощью, производит формы простые, состоящие всего из нескольких частей, тогда мы можем в точности предсказать, что произойдет, и таким образом проверить наши правила в действии. (В одном углу шахматной доски может оказаться лишь несколько фигур, и тогда мы можем легко представить их ходы.)

Второй хороший способ проверки правил — использовать более общие правила, выводимые из них. Например, слон по правилам ходит только по диагонали. Из этого можно заключить, что, сколько бы ходов ни было сделано, слон останется на клеточке того же цвета, что и в начале. Поэтому, даже не вникая в детали, мы всегда можем проверить наше предположение о слоне, определяя, действительно ли слон находится на клеточке того же цвета. Конечно, он будет долго соответствовать этому правилу, пока вдруг мы не обнаружим его на клетке другого цвета (что, конечно, может случиться, если он был побит, пешка прошла на последнюю горизонталь и превратилась в слона). Вот так бывает и в физике. Долгое время мы имеем правило, которое отлично работает всегда и повсюду, даже когда мы не можем понять тонкостей игры, и потом, в один прекрасный момент, мы обнаруживаем новое правило. С точки зрения основ физики, наибольший интерес представляют как раз явления в таких новых местах, где правила не работают — а не те, где они действуют. Именно так открываются новые правила.

Третий способ убедиться, правильны ли наши представления об игре, относительно неточен, но зато самый мощный из всех. Это путь грубых приближений. Хотя мы можем и не знать, почему Алехин двигает именно эту фигуру, возможно, мы можем приблизительно понимать, что он собирает фигуры вокруг короля, чтобы защитить его, потому что это наиболее разумно в данной ситуации. Подобным же образом, мы часто более или менее можем понять природу, даже не понимая, что делает каждая фигура в отдельности, если использовать терминологию шахматной игры.

Когда-то все явления природы были примерно разбиты на классы, такие как тепло, электричество, механика, магнетизм, свойства веществ, химические явления, свет (или оптика), рентгеновские лучи, ядерная физика, тяготение, мезонные явления и т. д. Однако целью является — увидеть природу как различные стороны единой совокупности явлений. Такова сегодня проблема фундаментальной теоретической физики — обнаружить законы, стоящие за опытом; объединить эти классы. История показывает, что раньше нам всегда удавалось их слить, но с ходом времени обнаруживались новые открытия, и опять вставала задача их включения в общую схему. С объединением все было очень хорошо, пока, совершенно неожиданно, не были обнаружены рентгеновские лучи. Потом мы продвинулись еще немного, и тут было открыто существование мезонов. Так что на каждой стадии игры до объединения оказывается далеко. Значительная часть явлений слита воедино, но всегда остаются обрывки и куски, которые торчат в разные стороны. Так обстоят дела и сейчас, и мы попытаемся это описать.

Вот некоторые исторические примеры слияния: во-первых, теплоту удалось свести к механике. Чем сильнее движутся атомы, тем больший запас тепла содержит система; поэтому теплота и все температурные эффекты могут быть поняты при помощи законов механики. Другим чрезвычайно важным слиянием было открытие связи между электричеством, магнетизмом и светом, которые оказались различными аспектами одного и того же явления, которое мы сейчас называем электромагнитным полем. Еще одно слияние — это объединение химических явлений, свойств различных веществ, с поведением атомных частиц в рамках квантовой химии. Возникает естественный вопрос: удастся ли в будущем объединить всё, и обнаружить, что весь мир представляет собой различные стороны единого? Этого никто не знает. Все, что нам известно, — продвигаясь в познании, мы обнаруживаем, что можем объединить фрагменты картины, а потом мы обнаруживаем, что некоторые фрагменты не подходят, и не остается ничего иного, как продолжать биться над этой головоломкой. Ограничено ли в ней число фрагментов, и вообще есть ли у нее границы, мы, конечно, не знаем. Это не будет известно никогда до тех пор, пока мы не составим вместе все части головоломки. Если это вообще когда-нибудь случится. Здесь мы просто хотим показать, насколько продвинулся вперед этот процесс слияния, и насколько сейчас удается понимать основные явления, исходя из минимального набора принципов. Или, выражаясь проще, из чего все состоит и сколько есть несводимых друг к другу элементов?

Физика до 1920 года

Довольно сложно начать сразу с современных взглядов, поэтому мы рассмотрим вначале, как все представлялось примерно в 1920 г., а потом изменим несколько фрагментов этой картины. До 1920 г. наша картина мира была примерно такой: «сцена», на которой выступает вселенная, — это трехмерное геометрическое пространство, описанное Евклидом; а изменения происходят в среде, которая называется время. Элементами на сцене являются частицы, например, атомы, которые обладают некоторыми свойствами, скажем, свойством инерции: если частица движется, она будет продолжать двигаться в том же направлении, если на нее не подействуют никакие силы. Вторым элементом, следовательно, являются силы, которые тогда разделялись на два вида: первый, невероятно сложная, тонкая разновидность — сила взаимодействия, которая удерживает разнообразные атомы в различных сложнейших сочетаниях и от которой зависит, например, будет ли соль растворяться быстрее или медленнее с повышением температуры. Другая сила, которая была известна, — это взаимодействие на далеких расстояниях, вездесущее и незримое притяжение — изменяющееся обратно пропорционально квадрату расстояния и именуемое тяготением или гравитацией. Этот закон был известен и очень прост. Но почему вещи продолжают движение, если они движутся, или отчего существует закон тяготения — это было, конечно, неизвестно.

Описание природы — как раз то, что нас здесь интересует. С этой точки зрения, газ, да и вообще любое вещество, есть мириады движущихся частиц. Все то, что мы наблюдали, стоя на морском берегу, можно сразу объединить в единое целое. Во-первых, давление: оно возникает вследствие столкновений атомов с препятствиями, или с чем бы то ни было; медленное течение атомов, если все они в среднем движутся в одном направлении, есть ветер; хаотичные внутренние движения — это теплота. Есть волны избыточного давления, где собирается слишком много частиц, и потому они, устремляясь вперед, сдавливают другие частицы, и так далее. Эти волны избыточного давления есть звук. Понять все это было немаловажным достижением. (Некоторые из этих идей были изложены в предыдущей главе.)

Какие же виды частиц существуют? Тогда считалось, что их 92: ровно столько было известно различных видов атомов. Они имели различные наименования, связанные с их химическими свойствами.

Следующая проблема заключалась в том, что такое силы близкодействия. Почему атом углерода притягивает один или два атома кислорода, но не более? Каков механизм взаимодействия между атомами? Уж не тяготение ли это? Ответ был отрицательным. Оно слишком слабо для этого. Но представьте себе силу, которая, подобно тяготению, тоже обратно пропорциональна квадрату расстояния, но несравнимо более мощную, плюс имеющую еще одно отличие. Тяготение — это всегда притяжение; но вообразите, что есть два вида «предметов», и что эта новая сила обладает таким свойством, что подобные отталкиваются, но различные притягиваются. Носитель этого сильного взаимодействия был назван зарядом.

В таком случае что мы имеем? Предположим, что у нас два разноименных заряда (плюс и минус) приложены очень тесно друг к другу. Допустим, что поодаль на некотором расстоянии есть еще один заряд. Будет ли между ними какое-то притяжение? Практически никакого, поскольку если первые два заряда равны, притяжение одного и отталкивание другого уравновешивают друг друга. Значит, на заметных расстояниях сила незаметна. Но, с другой стороны, если мы очень приблизим этот лишний заряд, то возникнет притяжение, потому что отталкивание одноименных и притяжение разноименных будет стремиться сблизить разноименные и оттолкнуть дальше одноименные заряды. В итоге отталкивание будет меньшим, чем притяжение. По этой причине атомы, состоящие из положительных и отрицательных электрических зарядов, почти не взаимодействуют, когда они удалены друг от друга (если не считать силу гравитации). Когда же они тесно сближаются, они могут как бы «заглянуть внутрь» друг друга и перестроить свои заряды и взаимодействовать. В конечном итоге именно электрическая сила объясняет взаимодействие атомов. Поскольку эти силы столь велики, то в нормальном состоянии все плюсы и минусы вступают в связь настолько тесную, насколько это для них возможно. Все на свете, и даже мы сами, состоим из мельчайших, невероятно сильно взаимодействующих друг с другом положительно и отрицательно заряженных частиц, хорошо уравновешивающих друг друга. Время от времени мы можем случайно соскрести несколько минусов или несколько плюсов (обычно легче отделить минусы), и тогда электрическая сила окажется в неуравновешенном состоянии и можно почувствовать действие электрического притяжения.

Чтобы представить себе, насколько силы электричества сильнее сил тяготения, расположим две песчинки, каждая размером в 1 миллиметр, на расстоянии 30 м друг от друга. Если взять только силы притяжения разноименных зарядов, не рассматривая силы отталкивания между одноименными, то какова будет сила притяжения между ними? Она будет равна трем миллионам тонн! Теперь понятно, почему малейший избыток или недостаток положительно или отрицательно заряженных частиц достаточен, чтобы произвести существенные электрические взаимодействия. Лишь по этой причине нет различия между заряженным и незаряженным телом ни по массе, ни по размеру — доля неуравновешенных зарядов слишком мала.

Зная это, легко представить устройство атома. Считалось, что у него в центре «ядро», имеющее положительный электрический заряд и очень массивное, оно окружено некоторым количеством «электронов», очень легких и отрицательно заряженных. Забегая немного вперед, отметим, что в самом ядре были обнаружены два вида частиц — протоны и нейтроны, почти одинаковые по весу и очень тяжелые. Протоны заряжены положительно, нейтроны не заряжены совсем. Если атом имеет ядро с шестью протонами, окруженное шестью электронами (отрицательно заряженные частицы в нашем обычном материальном мире все являются электронами, и они очень легки по сравнению с протонами и нейтронами, составляющими ядро), то этот атом будет стоять в химической таблице под номером 6 и называться углеродом. Атом с номером 8 называется кислородом, и так далее, потому что химические свойства зависят от количества электронов в атомной оболочке, точнее, лишь от того, сколько их там. Поэтому химические свойства вещества зависят только от номера в таблице — т. е. от числа электронов. (Весь список названий химических элементов можно было бы заменить на 1, 2, 3, 4, 5 и т. д. Вместо «углерод» мы могли бы говорить «элемент 6», имея в виду 6 электронов, но, конечно, когда элементы открывали, еще не было известно, что их можно пронумеровать таким образом, к тому же это усложнило бы работу с ними. Действительно лучше, чтобы у каждого элемента было собственное название, а не просто число.)

Затем нам стало известно еще больше об электрической силе. Естественно было бы истолкование электрического взаимодействия как притяжение двух предметов, положительно и отрицательно заряженных. Однако оказалось, что это неправильное истолкование. Более адекватно описывает ситуацию следующее: наличие положительного заряда, в некотором смысле, искривляет пространство, создает «условие» для того, чтобы, когда появляется отрицательный заряд, он испытывал действие силы. Эта возможность производить силу была названа электрическим полем. Когда электрон помещается в электрическое поле, говорят, что он «притягивается». При этом действуют два правила: а) заряд порождает поле и б) заряды, помещенные в поле, испытывают на себе действие сил, заставляющих их двигаться. Причина этого станет ясна, когда мы рассмотрим следующее явление: если мы электрически зарядим тело, скажем расческу, затем возьмем электрически заряженный кусочек бумаги и положим его на некотором расстоянии, то он будет реагировать на движение расчески, поворачиваясь всегда вслед за ним. Если мы начнем двигать гребнем быстрее, то скоро окажется, что бумажка немного отстает, то есть, существует запаздывание в действии силы. (Вначале, когда мы двигаем расческу сравнительно медленно, проявляется дополнительное обстоятельство, а именно магнетизм. Магнитные воздействия проявляются, когда заряды движутся друг относительно друга, так что магнитные и электрические силы могут оказаться проявлениями одного и того же поля, как две различные стороны одного и того же явления. Изменяющееся электрическое поле невозможно без магнетизма.) Чем дальше мы отодвигаем бумагу, тем больше оказывается запаздывание. Тут можно наблюдать интересный феномен: хотя сила между двумя зарядами должна уменьшаться пропорционально квадрату расстояния, оказалось, что при движении заряда влияние распространяется гораздо дальше, чем можно было ожидать. То есть, сила воздействия убывает медленнее, чем по закону обратных квадратов.

Можно привести аналогию: если в бассейне с водой плавает поплавок, то мы можем привести его в движение «непосредственно», бросив в воду поблизости другой поплавок. Если вы смотрели только на поплавки, все, что вам было видно, что один поплавок сместился в ответ на движение другого, т. е. между ними было некоторое «взаимодействие». Конечно, на самом-то деле мы взволновали воду, и тогда вода привела в движение второй поплавок. Можно было бы вывести «закон», что, если мы оказываем небольшое воздействие на воду, то поплавок, расположенный в воде в непосредственной близости, начнет двигаться. Если же он расположен на значительном расстоянии, то он едва покачнулся бы, потому что мы воздействуем на воду один раз и в одном месте. Но когда мы начинаем постоянно дергать поплавок, возникает новое явление: по воде побегут волны, так что колебательное воздействие поплавка распространяется на гораздо большее расстояние. Поэтому представление о прямом взаимодействии нужно заменить присутствием воды или, для электрических зарядов, так называемым электромагнитным полем.

Электромагнитное поле может проводить волны; одни из этих волн — это свет, другие — радиоволны, но их общее наименование — электромагнитные волны. Эти волны имеют различные частоты колебаний, и это единственное, что отличает одну волну от другой. Если мы заставляем заряд двигаться туда-сюда все быстрее и быстрее, то, наблюдая, что получится, увидим различные эффекты, которые все характеризуются лишь одной величиной — количеством колебаний в секунду. Обычные помехи, которые дает электрический ток в проводках жилых зданий, имеет частоту около сотни колебаний в секунду. Если мы повысим частоту до 500–1000 килогерц (1 килогерц = 1000 герц), то окажемся «в эфире», потому что это те частоты, которые используются в радиовещании. (Конечно, эфир здесь не при чем!) Если мы еще больше увеличим частоту, то войдем в диапазон, используемый для УКВ и ТВ. Еще более короткие волны используются в радиолокации. Еще большая частота волн — и нам уже не нужен прибор, чтобы регистрировать их, они становятся видимыми человеческим глазом. В полосе частот от 5×10¹⁴ до 5×10¹⁵ колебаний в секунду наш глаз воспринял бы колебание заряженной расчески как красный, синий или фиолетовый свет, в зависимости от частоты. Частоты ниже этого диапазона называются инфракрасными, а выше — ультрафиолетовыми. То обстоятельство, что мы способны видеть на определенных частотах, не делает эту часть электромагнитного спектра более важной, но с человеческой точки зрения они, конечно, действительно более интересны. Если мы еще более повысим частоту, то получим рентгеновские лучи. Это не что иное, как свет более высокой частоты. Еще дальше пойдет гамма-излучение (таблица 2.1). Эти два термина — рентгеновское и гамма-излучение — почти одно и то же. Обычно электромагнитные волны, излучаемые ядрами, именуют гамма-излучением, а те, которые исходят от атомов, — рентгеновскими, но если их частота совпадает, то физически они неотличимы друг от друга, каков бы ни был их источник. Еще более высокие частоты, скажем, 10²⁴ Гц, мы еще можем получать искусственно, например, на синхрофазотроне здесь, в Калтехе. Сейчас возможно обнаружить электромагнитные волны немыслимо высоких частот — больших еще на три порядка — среди волн так называемого космического излучения. Но эти волны нам пока не подвластны.

Таблица 2.1. Электромагнитный спектр

Квантовая физика

Усвоив представление об электромагнитном поле и о том, что оно способно передавать волны, мы скоро обнаруживаем, что эти волны на самом деле ведут себя довольно странным образом, не свойственным для волн. При очень высоких частотах их поведение гораздо больше напоминает поведение частиц! Это странное обстоятельство объясняется в квантовой механике, которая возникла вскоре после 1920 года. Еще до этого представление о трехмерном пространстве и отдельно существующем времени было заменено Эйнштейном сначала на сочетание пространство-время, а затем на искривленное пространство-время, чтобы объяснить тяготение. То есть, «сцена» физических явлений превратилась теперь в пространство-время, а тяготение, по всей вероятности — это видоизмененное пространство-время. Тогда было также обнаружено, что законы движения частиц неверны. Механические законы «инерции» и «силы» — законы Ньютона — непригодны в мире атомов. Вместо этого оказалось, что объекты микромира ведут себя совершенно иначе, чем объекты макромира. Именно это и делает физику очень трудной — и очень интересной. Трудной, потому что объекты микромира ведут себя так «неестественно». Их поведение противоречит нашему опыту, оно вообще ни на что не похоже, поэтому есть лишь один способ описать их поведение — аналитический. Он сложен и требует большого воображения.

В квантовой механике много особенностей. Во-первых, представление о том, что частица имеет определенное положение в пространстве и определенную скорость, больше не имеет силы. Иллюстрацией того, насколько неверны здесь представления классической физики, является правило, что невозможно знать одновременно, где находится частица и с какой скоростью она движется. Неопределенность в импульсе и неопределенность в положении дополняют друг друга: их произведение постоянно. Можно записать этот закон примерно так: ∆×∆р ⋝ h/2π, но подробнее мы объясним это позже. Это правило объясняет очень таинственный парадокс: если атомы состоят из положительных и отрицательных зарядов, то почему отрицательный заряд просто не пристыкуется к положительному (они ведь притягиваются), сблизившись настолько, что они полностью погасят друг друга? Почему атомы такие большие? Почему ядро находится в центре, а электроны — вокруг него? Сначала объясняли это тем, что ядро так велико. Но ведь это не так, ядро очень мало. Диаметр атома равен примерно 10⁻⁸ см, а ядра — около 10⁻¹³ см. Если вы возьмете атом и захотите увидеть его ядро, то вам придется увеличить его до размеров большой комнаты, и даже тогда ядро будет еле заметной точкой, но при этом вес атома почти полностью заключен в этом бесконечно малом ядре. Что мешает электронам просто упасть на ядро? Именно из-за принципа неопределенности: если бы они упали на ядро, мы знали бы их положение с очень большой точностью, и они должны были бы иметь очень большой (но неопределенный) импульс, то есть, огромную кинетическую энергию. Обладая такой энергией, они бы оторвались от ядра. Они предпочитают компромисс: оставляя себе сравнительно небольшой простор для неопределенности, они колеблются вокруг ядра с некоторым минимальным запасом движения, согласно этому правилу. (Помните, мы говорили, что атомы кристалла, охлажденного до абсолютного нуля, не перестают двигаться, они все еще колеблются. Если они остановятся, то мы будем знать одновременно и где они находятся, и то, что их скорость равна нулю, а это нарушение принципа неопределенности. Мы не можем знать, где они и какова их скорость, поэтому они не должны сидеть на месте!)

Другое интереснейшее изменение в представлениях и философии науки, осуществленное квантовой механикой, заключается в следующем: невозможно точно предсказать, что произойдет в каких-то обстоятельствах. Например, можно выделить атом, который способен излучать свет, и можно зарегистрировать испущенный фотон, о чем мы кратко скажем позже. Однако невозможно предсказать, когда именно атом собирается испустить свет, или, если атомов несколько, какой именно из атомов сделает это первым. Вы можете сказать, что в атомах есть некие внутренние «колесики», которые мы еще не рассмотрели достаточно хорошо. Нет, внутренних колесиков нет; природа, насколько мы ее сегодня понимаем, ведет себя таким образом, что принципиально невозможно сделать точное предсказание о том, каков в точности будет исход эксперимента. Это ужасно! Действительно, философы раньше учили, что один из главных критериев науки — это требование, чтобы в одинаковых условиях всегда происходили одни и те же события. Но и это попросту неверно, это не является основным условием науки. На самом деле никакое событие не повторяется одинаково, и мы можем предсказать его лишь статистически, только в среднем. Тем не менее, это не привело к полному краху науки.

Философы, между прочим, много рассуждают о том, что абсолютно необходимо для науки, и это всегда оказывается, насколько можно судить, либо наивным, либо попросту ложным. Например, некоторые философы называли существенным принципом науки, что, если один и тот же эксперимент проводится, скажем, в Стокгольме и в Киото, результаты должны быть те же самые. Это совершенно неверно. Для науки это не обязательно; на опыте может оказаться и так, но не всегда. Например, если опыт заключается в том, чтобы выглянуть в окно и наблюдать северное сияние в Стокгольме, то в Киото вы его не увидите; это различные явления. «Но, — скажете вы, — здесь идет речь о чем-то внешнем; а вы закройтесь в маленькой комнате и плотно задерните шторы — будет ли тогда какая-то разница?» Конечно. Если взять маятник на шаровом шарнире, отвести его и отпустить, то в Стокгольме плоскость колебаний маятника будет постепенно меняться, а в Киото — нет, хотя шторы и там, и там опущены. И это вовсе не приводит к крушению науки. Какова на самом деле основополагающая гипотеза науки, ее фундаментальная философия? Мы установили ее в первой главе: единственный критерий истинности всякой идеи — это эксперимент. Если окажется, что большинство экспериментов в Киото приведут к тем же результатам, что и в Стокгольме, тогда на основе этого «большинства экспериментов» будет сформулирован общий закон, а о тех экспериментах, которые не дали одинаковых результатов, мы скажем, что на них повлиял характер местности в районе Стокгольма. Мы придумаем какой-нибудь способ обобщить результаты экспериментов, и нам не нужно знать заранее, как именно мы это сделаем. Если нам говорят, что одни и те же эксперименты приводят всегда к одному и тому же результату, что ж, очень хорошо, но если мы пробуем, и не выходит, ну что ж, значит, не выходит. Мы должны просто отталкиваться от того, что мы видим, а потом формулировать остальные свои идеи на основе нашего опыта.

Возвращаясь снова к квантовой механике и к основам физики, сейчас мы, конечно, не можем подробно рассматривать квантово-механические принципы, потому что понять их очень непросто. Просто примем, что они есть, и рассмотрим некоторые следствия, вытекающие из них. Одно из них таково: то, что мы раньше рассматривали как волны, может вести себя подобно частицам, а частицы — подобно волнам; на самом деле, нет никакого различия между волной и частицей. Таким образом квантовая механика объединяет представление о поле с волнами в нем и частицами воедино. При низких частотах волновые свойства более очевидны, поэтому оказываются более полезными для приблизительного описания в образах повседневного опыта. Но с возрастанием частоты, через приборы, которыми мы обычно производим измерения, проходит не волна, а частица. На самом деле, хотя мы говорим о высоких частотах, волновые явления заметить уже нельзя, если частота колебаний выше 10¹² колебаний в секунду. Мы только приходим к выводу о наличии высокой частоты, зная энергию частиц и предполагая истинность представлений квантовой механики о частице-волне.

Так мы получаем и новое видение электромагнитных взаимодействий. Теперь мы можем добавить к электрону, протону и нейтрону новую частицу. Эта новая частица называется фотон. Новое воззрение на взаимодействие между электронами и протонами — электромагнитная теория, но со всеми уточнениями, внесенными квантовой механикой, называется квантовой электродинамикой. Эта фундаментальная теория о взаимодействии света и вещества, или электрического поля и зарядов, на данный момент является крупнейшим успехом в физике. Из одной этой теории мы можем вывести основные правила для всех обычных явлений, кроме тяготения и внутриядерных процессов. Например, из квантовой электродинамики выводятся все известные электрические, механические и химические законы; законы столкновения бильярдных шаров, движения проводников в магнитном поле, удельная теплоемкость угарного газа, цвета неоновых огней, плотность соли, реакция образования воды, — все они являются следствиями этого одного закона. Все эти задачи можно решить, если условия, в которых протекает явление, достаточно просты, чтобы можно было использовать приближение. На самом деле это почти никогда не случается, но все же часто мы более или менее понимаем, что происходит. На данный момент не найдено никаких исключений для квантовой электродинамики за пределами ядра, и даже внутри ядра мы не можем говорить об исключениях, потому что мы просто не знаем, что там происходит.

Далее, квантовая электродинамика — в принципе это теория всей химии, всех жизненных процессов, если жизнь сводится к химии, а, следовательно, и к физике, потому что химия уже сведена к физике (та часть физики, которая отвечает за химические процессы, уже известна). Более того, та же квантовая электродинамика, эта изумительная теория, предсказывает много новых явлений. Во-первых, она показывает свойства фотонов очень высоких энергий, гамма-лучей и т. д. Она предсказала также еще одно немаловажное явление: наряду с электроном должна существовать также другая частица с той же массой, но с противоположным зарядом, названная позитроном, и обе они, встречаясь, могут истребить друг друга, излучив при этом свет или гамма-кванты. (В конечном счете, свет и гамма-лучи — одно и то же, просто они занимают различные точки на шкале частот.)

Обобщение правила, что у каждой частицы должна быть своя античастица, оказалось истинным. Античастица электрона называется позитрон, для других частиц название античастицы получается просто добавлением «анти» к названию частицы, например, антипротон или антинейтрон. В квантовой электродинамике исходными являются два числа, и предполагается, что все остальные числа можно вывести из них. Эти два числа — масса электрона и его заряд. На самом деле, это не совсем так, потому что существует целая совокупность чисел химической таблицы, которые говорят о весе ядер. Это ведет нас к следующей части темы.

Ядра и частицы

Из чего состоят ядра, и что удерживает их части вместе? Было обнаружено, что внутри ядра связаны невероятно мощными силами. Когда эти силы высвобождаются, выделяемая энергия по сравнению с химической энергией огромна, все равно, что сравнить взрыв атомной бомбы со взрывом тротила. Это объясняется тем, что атомная бомба использует внутриядерные силы, тогда как взрыв тротила — изменения электронов во внешних оболочках атома. Вопрос в том, что за силы удерживают вместе протоны и нейтроны в ядрах? Юкава предположил, что, подобно тому как электрическое взаимодействие может быть связано с частицей, фотоном, так внутриядерные силы образуют некоторое поле, а колебания этого поля ведут себя как частицы. Таким образом, в мире могут существовать другие частицы, кроме протона и нейтрона, и Юкава смог вывести свойства этих частиц из уже известных характеристик ядерных сил. Например, он предсказал, что они должны иметь массу в 200–300 раз большую массы электрона; и вот, представьте себе, в космическом излучении были открыты частицы точно такой массы! Правда, впоследствии оказалось, что это совсем не те частицы. Они были названы μ-мезонами, или мюонами.

Однако чуть позже, в 1947 или 1948 гг., была открыта другая частица, π-мезон, или пион, которая соответствовала критериям Юкавы. Выходит, чтобы получить внутриядерные силы, мы должны к протону и нейтрону добавить еще и пионы. Теперь вы могли бы воскликнуть: «Как здорово! При помощи этой теории мы построим квантовую ядродинамику, используя пионы именно так, как предполагал Юкава, и если эта теория будет работать, то можно будет объяснить все». На этот раз не повезло. Оказалось, что эта теория требует таких сложнейших вычислений, что никто до сих пор не смог точно установить, каковы практические следствия из этой теории, тем более—проверить их экспериментально, и эта работа продолжается уже почти 20 лет! Так что мы увязли в теории, и мы не знаем, верна она или нет; впрочем, мы знаем, что она отчасти неверна, что в ней чего-то недостает. Пока мы топтались вокруг теории, пытаясь вычислить, каковы должны быть следствия из этой теории, экспериментаторы открывали кое-что новое. Например, они открыли эти μ-мезоны, или мюоны, и мы до сих пор не знаем, на что они годятся. Кроме того, в космическом излучении было открыто множество «лишних» частиц. На сегодняшний день оказывается, что нам известно свыше 30 частиц, и очень трудно понять связь между ними, для чего они нужны природе и кто из них от кого зависит. Сегодня эти частицы не предстают как различные проявления единого целого, и то обстоятельство, что у нас столько не связанных между собой частиц, означает просто, что у нас слишком много бессвязной информации и нет хорошей теории для ее объяснения. После огромных успехов квантовой электродинамики у нас появился набор сведений из ядерной физики, но эти знания довольно обрывочны, нечто, состоящее наполовину из эксперимента, наполовину из теории. Предполагается, что между протонами и нейтронами существует некоторого рода взаимодействие, и вычисляется, каковы могли бы быть его следствия, но мы не понимаем толком, откуда берутся эти силы. А в остальном мы продвинулись совсем немного.

У нас набралось огромное количество химических элементов, и внезапно между ними нам удалось увидеть связь, выраженную в периодической системе Менделеева. Например, натрий и калий — вещества, близкие по своим химическим свойствам, и находятся в одном и том же столбце таблицы Менделеева. Мы пытались найти что-то подобное периодической таблице для новых частиц. Одна такая таблица для новых частиц была предложена независимо друг от друга Гелл-Маном в США и Нишиджимой в Японии. Основой их классификации стало новое число, наподобие электрического заряда. Оно присваивается каждой частице и называется «странность», S. Это число (подобно электрическому заряду) сохраняется неизменным в реакциях, производимых ядерными силами.

В таблице 2.2 перечислены все частицы. На данном этане мы не можем подробно рассматривать их, но эта таблица, по крайней мере, показывает вам, как много мы знаем. Под каждой частицей написана ее масса в определенных единицах, которые называются мегаэлектронвольт, или МэВ. (МэВ равняется 1,782×10⁻²⁷г.) Причина, почему была избрана именно эта единица измерения, чисто историческая, и мы не будем сейчас в это вдаваться. Частицы с большей массой помещены вверху таблицы; видно, что протон и нейтрон имеют почти одинаковую массу. В вертикальных столбцах помещены частицы с одинаковым электрическим зарядом, все нейтральные — посередине, положительно заряженные — справа от него, все отрицательно заряженные — слева.

Таблица 2.2. Элементарные частицы

Частицы подчеркнуты сплошной линией, «резонансы» — пунктирной. Несколько частиц не вошли в таблицу. Среди них очень важные частицы с нулевым зарядом и массой — фотон и гравитон (они не вписываются в барион-мезон-лептонную схему классификации), так же как некоторые недавно открытые резонансы (K^∗, φ, η). Античастицы мезонов приведены в таблице, но античастицы лептонов и барионов пришлось бы представить в другой таблице, которая выглядела бы почти точно так же, лишь в зеркальном отражении относительно нулевой колонки. Хотя все частицы, за исключением электрона, нейтрино, фотона, гравитона и протона, нестабильны, продукты их распада показаны только для резонансов. Понятие странности к лептонам неприменимо, потому что они не вступают в сильное взаимодействие с ядрами.

Все частицы, стоящие вместе с нейтронами и протонами, носят название барионы. Это «лямбда», с массой 1154 МэВ, и еще три под названием «сигма», называемые сигма-минус, сигма-нуль, сигма-плюс, с почти одинаковыми массами. Группы частиц с массами, отличающимися на 1–2%, называются мультиплетами. У всех частиц, входящих в мультиплет, одинаковая странность. Первый мультиплет — это протон-нейтронная пара (дублет), затем идет синглет (одиночка) лямбда, затем триплет (тройка) сигм и, наконец, дублет кси и синглет омега-минус. Совсем недавно, в 1961 г., было открыто и еще несколько тяжелых частиц. Да и вообще, частицы ли это? Они живут такое короткое время (распадаются, едва возникнув, на Λ и π), что мы не знаем, рассматривать ли их как новые частицы, или как некоторый вид «резонансных» взаимодействий между Λ и π при некоторой фиксированной энергии.

Помимо барионов, существуют другие частицы, участвующие в ядерных взаимодействиях — мезоны. Во-первых, это три разновидности пионов (плюс, нуль и минус), они образуют новый триплет. Найдены также новые частицы, получившие название K-мезонов, они образуют дублет, K⁺ и K⁰. И здесь также каждая частица имеет свою античастицу, если только она сама не является своей античастицей. Например, π⁻ и π⁺ — античастицы, но π⁰ — сама себе античастица. K⁻ и K⁺ — античастицы, так же как K⁰ и K⁰. Кроме того, в 1961 г. мы обнаружили также еще некоторые мезоны или вроде-мезоны, которые распадаются почти мгновенно. Диковина под названием ω, распадающаяся на три пиона, имеет массу 780 по этой шкале; и существует нечто менее определенное, распадающееся на два пиона. Эти частицы, называемые мезонами и барионами, и античастицы мезонов представлены в той же таблице, но античастицы барионов нужно поместить в другую таблицу, «зеркальное отражение» первой относительно столбца нулевого заряда.

Точно так же, как очень удачная таблица Менделеева в конце имела «хвост» выпадающих из нее редкоземельных элементов, так и у нас некоторые частицы не умещаются в эту таблицу. Это те частицы, которые с ядрами сильно не взаимодействуют, никак не связаны с ядерными взаимодействиями и между ними также нет сильного взаимодействия (я имею в виду огромной мощности тип взаимодействия, дающий ядерную энергию). Эти частицы называются лептонами. Среди них — электрон, имеющий по этой шкале очень маленькую массу, всего лишь 0,510 МэВ. Затем идет μ-мезон, или мюон, с массой в 206 раз большей массы электрона. Насколько мы можем судить из экспериментов, вся разница между электроном и мюоном заключается в их массе. Все свойства мюона, все взаимодействия ничем не отличаются от свойств электрона — только один тяжелее другого. Почему существует еще одна такая частица, как электрон, только более тяжелая, и для чего она предназначена? Мы не знаем. Вдобавок есть еще нейтральный лептон — нейтрино с нулевой массой. На самом деле, сейчас уже известно, что есть два различных вида нейтрино, один, связанный с электронами, и другой — с мюонами.

И, наконец, существуют еще две частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях с ядерными частицами: одна из них — фотон и, если поле тяготения аналогично квантовомеханическому (квантовая теория тяготения еще не разработана), то, возможно, существует еще одна частица с нулевой массой, гравитон.

Что значит «нулевая масса»? Массы, приведенные здесь, это массы покоящихся частиц. Тот факт, что частица имеет нулевую массу покоя, значит, между прочим, что она не может находиться в состоянии покоя. Фотон никогда не стоит на месте, он движется со скоростью 300 000 км/с. Мы сможем лучше понять, что означает понятие массы, когда разберемся в теории относительности.

Таким образом, перед нами огромное количество частиц, которые все вместе, по-видимому, образуют фундаментальные составляющие части вещества. К счастью, не все эти частицы отличаются по своим взаимодействиям друг от друга. На самом деле, как сейчас представляется, существуют только четыре типа взаимодействий между частицами. Если расположить их в порядке убывания, то получим: ядерные силы, электрические взаимодействия, β-распадное взаимодействие и тяготение. Фотон взаимодействует со всеми заряженными частицами, причем сила взаимодействия определяется некоторым постоянным числом, а именно 1/137. Закон, детально описывающий это взаимодействие, известен — это квантовая электродинамика. Тяготение взаимодействует с любой энергией, но сила этого взаимодействия ничтожно мала, намного слабее, чем электричество. Этот закон также известен. Затем следуют так называемые слабые распады — β-распад, в ходе которого относительно медленно нейтрон распадается на протон, электрон и нейтрино. Этот закон выяснен лишь отчасти. Так называемое сильное взаимодействие (мезон-барионное взаимодействие) обладает по этой шкале силой, равной 1, и закон для него совершенно неизвестен, хотя известен ряд правил, например, что число барионов остается неизменным во всех реакциях.

Таблица 2.3. Элементарные взаимодействия

Вот в таком ужасном состоянии находится сейчас физика. Чтобы подвести итог, я могу сказать следующее: вне ядра мы, похоже, знаем все; внутри ядра квантовая электродинамика также работает — мы не обнаружили таких случаев, где бы она была опровергнута. Ареной, на которой действуют наши знания, можно считать релятивистское пространство-время, возможно, с включенным в него тяготением. Мы не знаем, каково было начало Вселенной, мы ни разу не ставили опытов с целью проверки, насколько точны наши представления о пространстве-времени на малых расстояниях; все, что мы знаем, — что наши представления верны вне этих расстояний. Следует также добавить, что правилами этой игры являются принципы квантовой механики, и что эти принципы применимы, насколько мы можем судить, как к уже известным частицам, так и к вновь открываемым. Поиски происхождения ядерных сил приводят нас к новым частицам, в то время как у нас нет полного понимания их взаимных отношений, хотя мы уже знаем, что между ними существуют некоторые удивительные взаимодействия. По-видимому, мы постепенно нащупываем путь к пониманию мира заатомных частиц, но неизвестно, насколько далеко нам еще предстоит идти для достижения этой цели.