Пред. Огл. След.
Квантовая механика, созданная в 1924—1926 гг. была нерелятивистской теорией. В ней не учитывались процессы, предсказанные теорией относительности, например, изменение массы электрона в зависимости от его скорости. В 1929 году Дирак написал релятивистское волновое уравнение, которому подчинено движение электрона. В нём учитывались такие релятивистские поправки, как изменение массы электрона. Уравнение Дирака точнее описывало движение электрона, обладающего большой энергией, движущегося с очень большой скоростью. Но при этом у Дирака в его расчётах появлялись отрицательные значения энергии электрона. Этот физически неприемлемый вывод заставил Дирака предположить, что найденное им релятивистское уравнение описывает не только поведение электрона, но и поведение другой частицы, которая отличается от электрона только зарядом — она имеет не отрицательный, как электрон, а положительный электрический заряд. Такая частица была экспериментально найдена и названа позитроном. Оказалось, что электрон и позитрон могут слиться и превратиться в два или три фотона. Со своей стороны фотоны могут превращаться в электрон-позитронные пары. Понятие превращения частиц, их трансмутации, уничтожение одних и порождения других частиц было новым понятием для «классического идеала» в целом. Классическая наука сталкивалась с качественными превращениями вещества, но сводила такие превращения к перегруппировкам атомов, т. е. к движению неуничтожаемых, не превращающихся в другие тождественных себе атомов. Когда были обнаружены превращения одних элементов в другие, это объяснили перегруппировкой составных частей атомов и атомных ядер, т. е. электронов, протонов и нейтронов. Но в случае трансмутации элементарных частиц за ними не стоят перегруппировки и вообще движение каких-то ещё меньших субчастиц. В современной научной картине мира трансмутация рассматривается как процесс, который не сводится к перемещению, хотя может быть неотделим от перемещения.
Элементарные трансмутации как будто стоят вне тех процессов, которые описывает теория относительности. Здесь нет движения в механическом смысле, т. е. перемещения, смены положения в пространстве с течением времени. Следовательно, здесь теряют смысл, по крайней мере на первый взгляд, понятия скорости частицы и другие понятия механики. Нет смысла говорить об относительности перемещения, если нет самого движения. С другой стороны, трансмутации элементарных частиц являются процессами, возможность которых вытекает из теории относительности. Когда электрон-позитронные пары превращаются в фотоны, исчезает масса покоя этих частиц. Фотон не обладает массой покоя. Превращение фотонов в электроны и позитроны означает возникновение массы покоя из массы движения. Это чрезвычайно общая и фундаментальная закономерность. При быстрых движениях, сопоставимых по скорости движения со скоростью света, становится существенным возрастание массы частицы, по сравнению с массой покоя. В случае превращения электронов и позитронов в фотоны масса покоя полностью переходит в массу движения. Такие эффекты следует назвать уже не релятивистскими, а ультрарелятивистскими.
Эйнштейн почти не принимал участия в конкретных исследованиях, постепенно увеличивавших сведения об элементарных частицах и их превращениях. Теория и эксперимент должны были проделать большой путь, на котором мыслителю, стремящемуся к внутреннему совершенству, нечего было, как казалось Эйнштейну, делать. В этот период внешние оправдание физических теорий стало чрезвычайно импозантным. В квантовой электродинамике теоретические расчёты оправдывались экспериментом до девятого знака. Но это не мешало теоретическим конструкциям исчезать и уступать место новым, также не долговечным. Они конструировались ad hoc. При этом искусственность большинства теорий была настолько явной, что она стала стала играть очень своеобразную роль, концентрируя внимание на необходимости не наспех, ad hoc, придуманной, а естественной, обладающей внутренним совершенством общей теории элементарных частиц. Всё это можно проиллюстрировать на проблеме бесконечной энергии протонов и позитронов.
Фотоны представляют собой частицы электромагнитного излучения. Они могут излучаться и поглощаться системами заряженных частиц. Но и в вакууме, в отсутствии других частиц, заряженная частица излучает и поглощает так называемые виртуальные фотоны. Они вносят свой вклад в энергию, а следовательно и в массу электрона. Чем меньше интервалы между излучениями и поглощениями виртуальных фотонов, тем больше их вклад в энергию электрона. Время, прошедшее между излучением виртуального фотона и его поглощением, может быть сколь угодно мало и соответственно может быть сколько угодно мал пройденный им путь (он равен времени существования фотона, умноженному на скорость света).
Виртуальные фотоны и вообще виртуальные частицы противопоставляются «реальным». Значит ли это, что они лишены объективной реальности, что они являются субъективной конструкцией разума? Нет, они существуют, обнаруживают своё существование в эксперименте, участвуют в игре физических сил и приводят к наблюдаемым макроскопическим событиям. Вакуум, в котором заряженная частица излучает и поглащает виртуальные фотоны, взаимодействует с частицей и меняет её энергию, массу, заряд. Но к вакуумным процессам неприменимо пространственно-временно́е представление. Что здесь означает этот термин?
Исходное понятие, связанное с пространственно-временны́м представлением, — это понятие тождественной себе частицы. Тождественной себе не в тривиальном смысле: тождественная себе частица, взятая в данной точке в данный момент. Имеется ввиду нетривиальная тождественность: частица существует в различные моменты времени и прибывает в различных точках оставаясь тождественной самой себе. Гарантия подобной себетождественности состоит в непрерывной мировой линии частицы: в данный момент и в каждой точке она в принципе может быть обнаружена. В такой возможности, в существовании непрерывной мировой линии — совокупности пространственно-временны́х локализаций частицы — состоит пространственно-временно́е представление о физических процессах.
В вакууме нет непрерывных мировых линий тождественных себе частиц, нет даже несколько размытых линий, фигурирующих в квантовой механике. Мы не можем проследить пространственно-временну́ю локализацию виртуальной частицы. И всё же, если бы мы на основании этого отказали ей в реальности бытия, мы, по-видимому, не могли бы присвоить предикат бытия, и «реальной» частице, и её мировой линии. Мировая линия должна быть заполнена какими-то событиями, не сводимыми к простому пребыванию частицы, иначе само это пребывание теряет физический смысл и мировая линия становится не физическим, а чисто геометрическим понятием. Современная ситуация в физике позволяет думать, что именно виртуальные процессы, излучение и поглощение виртуальных фотонов и других частиц, делают мировую линию частицы заполненной, физически существующей, обладающей физическим бытием.
Как уже говорилось, время, прошедшее между излучением виртуального фотона и его поглощением, может быть сколь угодно мало и соответственно вклад виртуального фотона в энергию электрона может быть сколь угодно большим. Расчёты, учитывающие взаимодействие электрона с его собственным излучением, приводят к бесконечным значениям энергии и соответственно массы электрона.
Вывод этот физически абсурден. Предположение о бесконечной энергии и массе частиц противоречит всему, что нам известно о физических явлениях. Поэтому бесконечные значения энергии и массы устраняются из расчётов. Делается это с помощью различных приёмов и некоторых концепций, авторы которых не скрывают, а, напротив, подчёркивают рецептурный характер этих приёмов и концепций. Разрыв между «внешним оправданием» и «внутренним совершенством» принял весьма своеобразную форму. Существует много способов избавится от бесконечных значений энергии и массы частицы. Они состоят в отбрасывании виртуальных фотонов с очень большой энергией, вносящих большой вклад в собственную энергию частицы. Такие фотоны игнорируются. Почему? Это делается «в кредит», в расчёте на то, что будущая теория элементарных частиц даст необходимое обоснование рецептурных приёмов устранения очень высоких энергий. Такой теорией может быть представление о наименьших расстояниях и о наименьших интервалах времени, представление, которое будет выведено из каких-то общих идей. Мы вскоре рассмотрим указанное представление. Но в современной физике не дожидаются, пока оно будет непротиворечивым образом сформулировано. Уже сейчас в расчёте на ту или иную другую будущую теорию вводят различные приёмы устранения бесконечных значений энергии частицы.
Каким архаичным в такой ситуации кажутся идеи «чистого описания», а также идеи условного или даже априорного происхождения физических понятий. Феноменологические теории сами по себе не могут сколько-нибудь непротиворечивым образом описать ход процессов, стоящих в центре внимания современной физики. Физика ищет нефеноменологическую, но отнюдь не априорную картину этих процессов и, уверенная в возможности такой теории, уже сейчас «в кредит» вычисляет энергию электронов, устраняя бесконечные значения. Зато какой злободневной кажется сейчас эйнштейновская схема внешнего оправдания и внутреннего совершенства.
Развитие теории элементарных частиц приводило к поразительно стройным и изящным отдельным концепциям. Но они не укладывались в единую картину. Более того, выдвинутые в них схемы противоречили друг другу даже в пределах одной концепции. Релятивистские квантовые теории середины XX века напоминают картину сотворения мира в поэме Эмпедокла, где описываются причудливые сочетания органов у животных, первоначально появившихся на Земле.
Симптомом отсутствия внутреннего совершенства в теории элементарных частиц было обилие эмпирических величин, фигурирующих в этой теории. Каждая эмпирическая константа означает, что в данном пункте обрывается единая цепь казуального объяснения, что мы вводим некую величину, не объясняя, почему она именно такая, а не какая-либо иная. Для Эйнштейна идеалом научной картины мира была картина, не содержащая эмпирических постоянных. В теории элементарных частиц сохранились основные эмпирические величины — значения масс и зарядов, свойственных частицам различных типов.
В целом состояние теории элементарных частиц характеризуется отсутствием «внутреннего совершенства».
Пред. Огл. След.
No comments:
Post a Comment