Наука - Квантовая сутра

Наука - Квантовая сутра

Свиток второй
В 1905 году Альберт Эйнштейн создал новую концепцию пространства и времени, которую позднее окрестил Специальной Теорией Относительности.

К сожалению, это название дало повод для множества примитивных толкований, что-то в духе известной песни Александра Галича:
Но под Ойстраха непростительно
Пить портвейн.
Так что в мире все относительно.
Прав Эйнштейн!

Физическая относительность – это вовсе не полная свобода индивидуальных мнений в духе старого стишка из басни «Разница вкусов» Козьмы Пруткова:
Ему и горький хрен – малина,
А мне и бланманже – полынь.

Если бы дело обстояло именно так, ученые не могли бы ни о чем договориться друг с другом и им осталось бы переквалифицироваться в управдомы.

Суть совершенно в другом. Физики со времен Галилея и Ньютона были уверены, что все механические процессы совершенно одинаково протекают в системах отсчета, которые равномерно перемещаются друг относительно друга по прямым линиям. Например, в биллиард можно с равным успехом играть и на суше, и на корабле, идущем по спокойной воде с постоянной скоростью. Отсюда возникло убеждение, что во всех таких системах законы физики должны иметь одну и ту же форму. Это утверждение мы сейчас называем принципом относительности.

Но как переходить от одной системы отсчета к другой? В ньютоновской физике это делается просто – время считается одним и тем же, а пространственные координаты просто сдвигаются с учетом взаимного перемещения систем. Такое преобразование и в самом деле не меняет ни известное нам со школьных времен уравнение F=ma, ни ньютоновский закон тяготения. А вот с уравнениями электродинамики Максвелла подобный фокус не проходит, в них появляются дополнительные члены, которые не имеют физического смысла. Чтобы этого избежать, приходится применять куда более сложные преобразования координат и времени, которые делают их зависящими друг от друга, а также от скорости относительного движения систем и скорости света. Эти трансформации называют преобразованиями Лоренца, хотя на самом деле их первым придумал ирландский физик Джозеф Лармор.

Специальная теория относительности – это логическое следствие преобразований Лоренца и принципа, согласно которому скорость света постоянна во всех системах отсчета. Из нее вытекает, что пространство и время образуют неразделимое четырехмерное единство (физики называют его пространственно-временным континуумом). Из них также следует, что события, которые в одной системе протекают одновременно, в другой случаются с временным интервалом. Более того, с точки зрения наблюдателя, привязанного к системе А, замедляются все процессы и сокращаются пространственные масштабы в системе B, которая равномерно движется относительно А (точнее, сокращение масштабов происходит продольно, по направлению вектора скорости системы B). Самое знаменитое в мире уравнение E=mc² тоже следует из лоренцевских преобразований.

Таким образом, относительность эйнштейновской теории сама относительна. В ней есть универсальная константа – скорость света, которая является предельной скоростью распространения физических взаимодействий, а тем самым и любых сигналов. В ней имеются величины и уравнения, которые остаются одинаковыми во всех системах отсчета, то есть не меняются при преобразованиях Лоренца. А необычные с точки зрения нашего опыта изменения размеров, времен и масс происходят в соответствии с точными и надежно подтвержденными экспериментом формулами. В общем, прав Эйнштейн.

Однако специальная теория относительности (СТО) несовместима с ньютоновской теорией гравитации. Эта теория утверждает, что все тела притягивают друг друга с силой, которая зависит только от их масс и взаимных расстояний. При изменении этих расстояний сила тяготения меняется мгновенно, что явно противоречит СТО. Поэтому Эйнштейн уже с 1908 года начал работать над новой моделью тяготения. Через семь лет неустанных трудов он пришел к концепции, которую назвал общей теорией относительности (ОТО). В основе ОТО лежит абсолютно революционная для своего времени идея, согласно которой пространственно-временной континуум является не плоским, а деформированным, а гравитация возникает как «силовое» проявление этой деформации. Искривление пространства-времени создается всеми видами энергии, в том числе и энергией «пустоты», физического вакуума. Она зависит не только от распределения массивных тел в пространстве, но и от их движения, от возникающих в них давлений и натяжений, от электромагнитного поля и всех прочих физических полей. Геометрия пространства отличается от евклидовой, вследствие чего световые волны даже в пустоте распространяются не по прямым линиям, а сумма углов треугольника не равна 180 градусам. Из ОТО также вытекает, что наша Вселенная непременно имела начало, а вот что ему предшествовало, пока служит предметом дискуссий.

Материя или движение. Материя или пустота. Да есть ли вообще эта материя?

И СТО, и ОТО позволяют по отдельности говорить о волновых полях и материальных частицах и приписывать последним определенные скорости и положения в пространстве. Квантовая механика лишает нас и этого удовольствия. С ее точки зрения, понятия волн и частиц – это лишь дань нашим традиционным воззрениям, унаследованным от классической физики. В микромире действуют совсем другие правила, к описанию которых наш язык не приспособлен. У квантовых объектов в общем случае нет ни положений, ни скоростей – следовательно, нет и траекторий. Их движение описывается распределениями вероятностей, не более того. Но чем точнее мы знаем скорость электрона в данный момент, тем более расплывчато его положение – и наоборот. Свободный электрон в абсолютно пустом пространстве обладает точно измеримым импульсом, но вот его позиция полностью лишена определенности – если угодно, он равномерно размазан по пространству. А если мы изменим условия эксперимента и будем отлавливать электрон в очень малом объеме, его импульс станет вещью в себе, измерить его не удастся. Энергию любого квантово-механического объекта тоже можно измерить лишь с определенной погрешностью, которая тем больше, чем короче процесс измерения. Все эти утверждения составляют частные случаи фундаментального положения квантовой механики, которое называют принципом неопределенности.

Однако не следует думать, что квантовая механика заменяет кристальную ясность и предсказуемость классической физики каким-то дьявольским хаосом. Ее уравнения позволяют подсчитывать измеримые на опыте величины с потрясающей точностью. Они дали возможность рассчитать строение атомов и форму таблицы Менделеева, понять структуру атомных ядер, построить теорию элементарных частиц, предсказать особенности поведения твердых тел, жидкости, газов и плазмы, объяснить эволюцию звезд – всего и не перечислишь. Ее выводы могут показаться парадоксальными, но так уж устроен мир.

Взаимодействие частиц

Создание СТО, ОТО, квантовой механики и ее продолжений (от квантовой электродинамики до теории суперструн) привело к полному преобразованию фундаментальной физики. Сейчас мы знаем, что протоны, нейтроны и прочие сильно взаимодействующие частицы состоят из особых кирпичиков, кварков, которые недолго существовали в свободном состоянии, а потом слились в тройки и пары. В этих ассоциациях их воедино удерживают другие частицы, глюоны, которыми кварки обмениваются друг с другом. Мы также знаем, что электромагнитное и слабое взаимодействие между элементарными частицами – это лишь разные проявления одного и того же взаимодействия, которое называют электрослабым. У него есть свои переносчики – фотоны и тяжелые векторные бозоны. Нам известно, что массы частиц возникают не из ничего, а благодаря наличию особого физического поля, поля Хиггса.

Квантовый мир оказывается ареной игры различных физических сил. На заре существования Вселенной они были едины, а затем распались на компоненты, которые в доступной для нас энергетической шкале проявляют себя как слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия. В основе гравитации тоже лежат квантовые эффекты, теория которых еще не построена. Так что в мире всё если и не относительно, то уж точно взаимосвязано.

Читайте также первый свиток « Квантовой сутры».