Фізика в 20 столітті

Розвиток основних понять сучасної фізики, особливості її понятійного і методологічного арсеналу. Відкриття позитрона і кварків – приклади «науки як мистецтва», «відкриття як винаходи». «Чарівність» «дивного світу».
Гра фундаментальних констант. Методологічне значення принципів симетрії і суперпозиції. Проблема єдиної теорії поля, синтезу сильних і слабких взаємодій. Елементарність і проблема структури мікрооб’єктів: «складаються з …» або «утворені …».
Різноманітність форм причинності. Напрямок часу і термодинаміка. Від динамічних до статистичних принципам дослідження природи. Невипадковість випадковостей, методологічне значення їх дослідження. «Випадковість формотворна». Випадковість, невизначеність і закономірність. Роль флуктуацій. «Порядок з хаосу». Концепції синергетики і самоорганізації.
Фізика XX століття – необмежений простір для польоту наукової фантазії та уяви. Яскравим прикладом «науки як мистецтва», «відкриття як винаходи» може служити «обчислення» позитрона. Відкриття на «кінчику пера» робилися і в класичний період науки, коли, наприклад, порівняння обчислень в небесній механіці з наглядовими відхиленнями від них дозволило припустити існування невідомого небесного тіла, що вносить «обурення» (так були «обчислені» і виявлені Нептун і Плутон) . Але зовсім інша справа, коли відкриття робиться з нового погляду на відомі, загальноприйняті речі. По суті, саме так сталося з ейнштейнівською переінтерпретації перетворень Лоренца.
Історія з позитроном однаково повчальна і цікава як приклад того, «як можна переглянути важливе відкриття через те, що люди не надають достатнього значення тому, що виглядає як курйоз, не вартий подальшої перевірки» (Дірак П.А.М. Спогади про незвичайної епосі. – М., 1990. С. 43). В даному випадку нікому не спадало на думку проаналізувати фізичний зміст від’ємного значення енергії електрона, формально міститься під коренем (√E2 = ± Е).
За аналогією з хімічною валентністю, де електрони можуть розташовуватися і поза заповнених оболонок, Дірак припустив (1928 р) наявність своєрідних «дірок» в заповненій електронній оболонці, які ведуть себе як електрони, але з протилежним зарядом (і тоді їм формально відповідає мінус – енергія). Трюк коштував того, бо введенням античастинок вдавалося узгодити релятивістські ефекти і квантову концепцію (включаючи «спінові», обертальні властивості електронів).
Позитивно заряджені частинки з тією ж масою, що електрони, незабаром були виявлені в космічному випромінюванні П.Блекеттом. Спостерігаючи їх у великій кількості, він все ж таки не наважився опублікувати цей результат до повторної перевірки. На відміну від нього К. Андерсон, виявивши (1929 р) всього одну (!) Таку частку, впевнено заявив, виходячи з передбачення Дірака, про своє відкриття. І тільки тоді довелося дивуватися, як же можна було приймати картину електронів, у великій кількості летять назад (!) В джерело випромінювання замість очевидною картини антиелектрона, що вилітають з нього. Так Андерсону дісталися заслужені слава і Нобелівська премія (1936). Подібні історії нам вже знайомі (відкриття кисню Лавуазьє на основі аналізу дослідів Прістлі; ідея природного відбору, повідомлена А.Уоллеса в листі Ч. Дарвіну і яка виявилася як не можна до речі в його незабаром опублікованій теорії). Як казав великий французький фізіолог Клод Бернар, «не дізнаєшся, що знайшов, якщо не знаєш, що шукаєш».
Настільки ж цікава і повчальна історія відкриття спина (тобто обертання) електрона. Одним з перших, хто припустив обертання електрона не тільки по орбіті, але і навколо осі, був забутий нині Р. де Лаєр Коніг, що відмовився від цієї ідеї після слів В. Паулі «Ні, це абсолютно неможливо». Більше пощастило іншим голландцям, Дж. Уленбеком і С. Гоудсміту, з тією ж ідеєю звернулися до іншого великому вченому, П. Еренфеста. Відразу зацікавившись нею, він направив лейденських фізиків до корифею Г. Лоренцу, яке проживало в сусідньому Хаарлемі. Лоренц засмутив їх: «Ні, у електрона не може бути спина. Я сам думав про це, але якби електрон обертався, то швидкість на його поверхні перевищувала б світлову. Ні, з цього нічого не вийде ». Збентежені молоді вчені попросили еренфеста повернути їм статтю. «Пізно, посміхнувся той, – я вже відіслав її в« Physical Review ». Дивно, що П. Еренфест (Ehrenfest), що володів настільки тонким чуттям, що не боявся ставити «дурні питання» і користується глибоким авторитетом у науковому світі, болісно переживав, що йому більше вдається роль «критика, але не генератора ідей» (хоча ці два аспекту органічно пов’язані). Це довело його до самогубства – ще одна приголомшлива сторінка з великої драми ідей, якою є вся історія науки.
Дальше більше. Абсолютно авантюрної виглядала гіпотеза кварків. Багато складності нової фізики дозволялися допущенням, що адрони (тип елементарних частинок) утворені з компонентів з дробовим зарядом (1/3 і 2/3). Це допущення довго не приймалося за принципом «цього не може бути, бо не може бути ніколи». Американець М. Гелл – Манн, все ж зважився розробляти настільки божевільну ідею, сам був так приголомшений нею, що для початку постарався знайти для цих екстравагантних частинок настільки ж екстравагантна назва. У ту пору він читав повість Дж. Джойса «Поминки по Фіннегану» з вельми сюрреалістичним сюжетом. Згадуючи сон героя, де чайки кричали «Три кварка містеру Фіннегану!», Гелл – Манн зрозумів, як будуть називатися його частинки. До речі, роль літератури, мистецтва, міфології неодноразово проявляється не тільки в назвах, а й загалом у розвитку нестандартного, поліфонічного мислення, і не дарма Ейнштейн, непогано грав на скрипці, заявляв, що Достоєвський дав йому більше, ніж підручники фізики. Чудовим піаністом був В. Паулі, знавцями міфології, філософії, літератури – В. Гейзенберг, Н. Бор і інші найбільші вчені.
Для того, щоб охарактеризувати властивості кварків, довелося ввести більш екстравагантні характеристики, зокрема такі «квантові числа» (поєднання певних фізичних параметрів), як «колір» (експериментально виявлено 7 їх типів – «ароматів», при цьому складання всіх «квітів» має давати «білий» – як в оптиці). Не слід дивуватися і поняттям (абсолютно конкретним) типу «дивність», «запах», «чарівність», хоча, звичайно, тільки фізики можуть оцінити повною мірою красу і чарівність досліджуваного (або створеного) ними «дивного» світу.
Може скластися враження штучності таких прийомів, того, що це не більше ніж виверти, що не мають відношення до реальності або, в кращому випадку, гра з реальністю. Часом доводиться винаходити навіть математичний апарат, відповідає опису тих чи інших екзотичних об’єктів або процесів, часом ці явища доводиться заганяти в «прокрустове ложе» наявних у нас засобів. Але як тільки знову і знову піднімається питання про реальність або «ступеня реальності» виловлюються нашої теоретичної чи експериментальною мережею кентаврів, не слід мучитися, яка частина у них від людини, яка – від природи, міф вони чи реальність – якщо на них вдається їздити!
Звичайно, наука – це гра з реальністю (або в реальність?), Як і мистецтво. Але і там, і там шляху гри нам підказує мінлива, невловима реальність! «У кожній скороминущості бачимо ми світи, повні мінливою, райдужною гри» (К. Бальмонт). У грі вченого з природою обидві сторони змагаються у винахідливості, але диригує грою природа. Саме вона вносить корективи в «гру» вченого, дозволяючи при цьому йому вибирати інструменти для гри. Так, дивовижні властивості природи відкриваються у своєрідній грі фундаментальних природних констант. і виявляється, що в так званій постійної тонкої структури (в ядерній фізиці) задіяні числа «золотого перетину» (α = 1/137), що існують вражаючі збіги значень констант в самих різних областях природознавства, взаємозв’язок між нижніми і верхніми межами шкали констант.
Для читача, що не живе в цьому світі, який куди чудеснее Задзеркалля з «Аліси в країні чудес», але зважився помандрувати в ньому, дуже повчальний і пізнавальний такий приклад взаємодії, кореляції «ходів» вчених і природи. Все життя людський розум шукає в нескінченному розмаїтті навколишнього світу повторюваність, стійкість – константи, інваріанти, симетрії. Дійсно, такий пошук завжди був дороговказом для природознавства. Але варто знайти одну групу інваріантів (тобто величин, законів, що залишаються незмінними при певних перетвореннях), ту чи іншу форму симетричності, як незабаром виявляються їх порушення в певних умовах, що змушують шукати нові, більш фундаментальні.
Так, кожен раз після знаходження певної форми «парності» доводилося виявляти все нові форми «комбінованої парності», а в пошуку нових рівнів симетрій виявлялося, що строгі, без відхилень симетрія і стійкість – провісники хвороб (серця, психіки, економіки, культури), ознаки стагнації, змертвіння. І тоді виявлялося, що поряд з умовами стійкості не менш необхідно шукати умови і форми переходу на новий рівень стабільності. Є припущення, що еволюціонують, змінюються навіть самі константи природи. Точно так само від локалізації, скрупульозного виділення властивостей окремих мікрочастинок довелося перейти до розуміння того, що властивості кожного типу елементарних частинок можуть бути зрозумілі тільки як суперпозиція, накладення властивостей всіх інших (яких зараз, разом з так званими резонансами, налічується близько 350).
Сама природа підказує нам, що елементарні частинки є свого роду вузловими точками, згущеннями якогось єдиного поля, а раз так, то першорядне завдання – створити теорію такого єдиного поля, або єдину теорію поля. Щоб уявити масштабність такого завдання й одночасно перспективи, що відкриваються її вирішенням, наведемо масштаб природних величин і процесів – від атомних до космологічних порядків. Радіус протона дорівнює 10 -15 см, а радіус спостережуваного Всесвіту +1028 см (10 мільярдів світлових років, тобто відстань, яку світло пройде за +10000000000 років!). На всьому діапазоні цієї шкали, що охоплює 43 порядку, природа «грає» чотирма основними типами взаємодій. Це:
1) «Сильні» – між адронами (від грецького Адрос – сила), до яких відносяться баріони (від грецького Баріос – тяжкість), нуклони (протони і нейтрони), гіперонів і мезони. Сильні взаємодії можливі тільки на великих (по мірках мікросвіту) відстанях (10 -13см) і полягають у випущенні проміжних частинок, що переносять ядерні сили (M – мезонів). Один з проявів сильних взаємодій – ядерні сили.
2) Електромагнітні взаємодії, які в 100-1000 разів слабкіше «сильних» і супроводжуються випусканням / поглинанням фотонів.
3) «Слабкі», радіус дії яких ще на порядок менше електромагнітних. Саме за рахунок таких світить Сонце (протон перетворюється в нейтрон, позитрон – в нейтрино). Генеровані нейтрино мають величезну проникаючу здатність, вони можуть пройти через залізну плиту товщиною 1 млрд. Км. «Слабкі» взаємодії відбуваються не контактним чином, а через обмін бозона, віртуальними і нестабільними.
4) Гравітаційна взаємодія, радіус якого підкоряється тим же закономірностям (1 / r2), що і електромагнітне. На жаль, про його природу ми знаємо не набагато більше, ніж за часів Ньютона.
Як же їх тоді об’єднувати? Природно поставити запитання, чи пов’язані між собою еталони атомні і космологічні (і відповідно, властивості мікрочастинок і еволюція Всесвіту)? Так, напрошується думка порівняти постійну Хаббла (відношення швидкості космічних об’єктів до відстані від спостерігача), визначальну масштаб часу (1 / Н = 5,7 х 1 017 сек), з атомними еталонами часу. При допущенні певних умов (Всесвіт – «чорна діра») енергія взаємодії всього речовини Всесвіту з електроном була б приблизно дорівнює енергії спокою електрона. Так можна було б спробувати підступитися до природи маси (цим шляхом, до речі, Ейнштейн прийшов до своєї першої моделі всесвіту).
Наведені форми гри з природою мають на меті не залякати читача, а показати, що рішення настільки незвичайних і масштабних завдань потребують настільки ж нестандартних шляхів, відмови від «інерції мислення». Ось приклад подолання такої інерції. Після лавини відкриттів в області мікросвіту (нові частинки, властивості, еталони) з 70-х років настав глухе затишшя. Виявилося, безвихідь була концептуальний: щоб зрозуміти властивості мікросвіту, слід було розглядати зв’язку не тільки на цьому рівні, а й у єдності з властивостями мегамира – і навпаки. Є навіть красива теорія, що властивості частинок були закладені в умовах початкової стадії розширення Всесвіту (Вайнберг С. Перші три хвилини).
Ще більш яскравий приклад подолання інерції мислення – у вирішенні концептуальних проблем, пов’язаних з поняттям елементарності. Ми пам’ятаємо, як була свого часу сприйнята подільність атома. Зараз, здавалося б, відкриття нових рівнів подільності речовини повинно прийматися спокійно і діловито. Однак питання ось у чому: чи існує все-таки межа подільності, дійсно неподільний «атом» (як би він не називався) – або ділення продовжується нескінченно? Якщо перше – то яка гарантія, що це – дійсно межа (це ми вже проходили)? Якщо ж запропонувати нескінченнуподільність, за принципом матрьошки, то зовсім виходить нонсенс – в нескінченно малі матрьошки закладено нескінченну кількість «ще більш нескінченно малих» матрьошок. Таке неможливо навіть з формально-математичної точки зору! Здавалося б, третього не дано. Тим часом ще В. Гейзенберг вважав неминучими принципово інші підходи до дослідження структурних рівнів матеріального світу (речовини), засновані не на пошуку нових ступенів подільності, а на виявленні нових форм і рівнів внутрішніх зв’язків для пояснення цілісних властивостей.
Зараз замість редукції, відомості властивостей складних об’єктів до простих властивостей складових вимальовується нове розуміння складності, об’єднуюче дискретність і безперервність, системність і структурність. Так, концепція кварків допускає, що просторово вони займають більше місця, ніж утворені ними частинки, в такому випадку енергія зв’язку кварків йде якраз на освіту адронів. У такому випадку перестає шокувати дробовий заряд кварків – вони існують не окремо, а у зв’язці. Звернемо увагу, що частинка в такому разі не «складається з …» (як матрьошка), а «утворена з …». Розвиваючи такі уявлення, академік М.А. Марков прийшов до висновку, що подібні частинки можуть містити в собі своєрідні всесвіти, а всесвіти можуть взаємодіяти як елементарні частинки (Марков М.А. Макро – мікросімметрічная Всесвіт. М., 1977). На початку століття В. Брюсов писав: «Бути може, атом – це всесвіт, де сто планет; там все, що тут, в обсязі стислому, а також те, чого тут немає ». Сучасне природознавство, як бачимо, перевершує навіть найсміливіший політ поетичної уяви.
А чому б не уявити якесь «вакуумне море», як це зробив П. Дірак, а з урахуванням того, що вакуум не потребує топології (просторово-тимчасовій структурі), яка якраз породжується їм, можна задуматися і про пристрій, що працює за рахунок відкачування енергії вакууму. Тут має брати участь і речовина з негативною масою, але йому ми вже не здивуємося. У всякому разі, нам відомо, яка величезна енергія утворюється при анігіляції (злитті речовини і антиречовини). До речі, природа подбала про настільки тонкому балансі речовини і антиречовини (різниця приблизно в одну мільярдну), щоб, з одного боку, все не пішло у вибух, а з іншого, щоб постійно відбувалося відновлення енергії. При такому підході своє місце в картині еволюції Всесвіту знаходять і такі виродки, як «чорні діри» (див. Главу 10).
Знову-таки сама природа (і саме в фізичних концепціях) змусила переглянути інший непорушний класичний принцип – причинного зв’язку, коли слідство – це те явище, подія, яка випливає з причини, слід за нею. У сучасних концепціях мікро- і мегасвіту доводиться розглядати ситуацію, коли «слідство» може надавати зворотний і навіть випереджаюче вплив на «причину» (чисто математично таке давно розглядалося – у формі «випереджальних потенціалів»). Відомі й такі форми, як інформаційна причинність – коли реакція відбувається не буквально під механічним або хімічним впливом, а у відповідь на інформацію, що надходить. Хрестоматійний приклад – солдати будуються не під впливом акустичних коливань труби, а на основі розшифровки переданого нею сигналу. У повсякденному житті – ми переглядаємо свої плани відповідно надходить. Недарма вважається, що в XXI столітті найціннішим товаром буде інформація, і вже зараз кажуть: «хто володіє інформацією, у того в руках владу».

Посилання на основну публікацію