Дао физики

Капра Фритьоф

Глава 14. ПУСТОТА И ФОРМА

Классическая механика исходила из представлений о твердых и неделимых частицах, движущихся в пустоте. Современная физика пересмотрела эту картину самым кардинальным образом, существенно изменив наши взгляды не только на частицы, но и пустоту. Главная роль в этом принадлежит так называемым теориям поля. Все началось с того, что Эйнштейн обратил внимание на связь между гравитационными полями и геометрией пространства, и получило дальнейшее развитие после того, как ученые объединили квантовую теорию и теорию относительности для описания силовых полей вокруг субатомных частиц. В «теориях квантового поля» традиционное противопоставление между частицами и окружающим их пространством теряет свою очевидность, и пустота превращается в динамическую величину, имеющую колоссальное значение для физики.

Понятие

«поле» было введено Фарадеем и Максвеллом в девятнадцатом веке для описания сил, взаимодействующих между электрическими зарядами и токами. Электрическое поле — это особое состояние пространства, окружающего заряженное тело, склонное воздействовать на любой другой заряд внутри пространства. Следовательно, электрические поля порождаются заряженными телами, и их действия могут ощутить на себе только заряженные тела. Магнитные поля порождаются движущимися зарядами, то есть электрическими токами, и возникающие между ними магнитные силы могут воздействовать на любые другие движущиеся заряды. В классической электродинамике, разработанной Фарадеем и Максвеллом, считается, что поля имеют самостоятельную физическую природу и могут рассматриваться вне связи с материальными объектами. Колеблющиеся электрические и магнитные поля могут перемещаться в пространстве в виде радиоволн, световых волн и различных других типов электромагнитного излучения.

Теория относительности сделала построение электродинамики гораздо более изящным, объединив понятия зарядов и токов, а следовательно, и электрических, и магнитных полей. Так как все движение относительно, любой заряд может восприниматься как ток — при условии выбора той системы координат, в которой он движется относительно наблюдателя, а значит, его электрическое поле может также проявиться и как магнитное. Поэтому в релятивистской формулировке электродинамики понятия электрического и магнитного полей объединяются в общее понятие электромагнитного поля.

Понятие поля связано не только с электромагнетизмом, но и с другой силой макроскопического мира — силой гравитации. Гравитационные поля подтверждаются всеми массивными телами и воздействуют на них же. Возникающие при этом силы всегда являются силами притяжения, в отличие от ситуации с электромагнитными полями, которые оказывают воздействия только на заряженные тела, порождая и силы притяжения, и силы отталкивания. Подходящей теорией поля для рассматриваемого гравитационного поля будет общая теория относительности, которая утверждает, что воздействие массивного тела на окружающее пространство имеет гораздо более далеко идущие последствия, чем аналогичное последствие заряженного тела в электродинамике. В данном случае пространство вокруг массивного тела тоже «упорядочивается» таким образом, что находящиеся поблизости тела начинают испытывать действие силы гравитации, но важнейшее отличие от электродинамики заключается в том, что это упорядочивание затрагивает геометрию пространства, то есть структуру.

Вещество и пустое пространство — наполненное и пустота — представляют собой два фундаментально различающихся понятия, на которых построен атомизм Демокрита и Ньютона. В общей теории относительности эти два понятия превращаются в одно. Массивное тело не может существовать, не создавая гравитационного поля, проявляющего себя в искривлении окружающего это тело пространства. Не следует, тем не менее, считать, что поле «наполняет» пространство, и тем самым искривляет его. Одно не может быть отдельным от другого: поле само по себе является искривленным пространством! В общей теории относительности гравитационное поле и структура, или геометрия, пространства воспринимается как одно и то же понятие. В уравнениях поля Эйнштейна им соответствует одна и та же математическая величина. Следовательно, в теории Эйнштейна вещество не мыслится вне этого гравитационного поля, а гравитационное поле не мыслится без искривленного пространства. Таким образом, вещество и пространство воспринимаются как непрерывно связанные понятия и даже более того, — как взаимосвязанные частицы единого целого.

Массивные тела не только определяют структуру окружающего пространства, но и, в свою очередь, испытывают воздействие со стороны среды. Согласно представлениям физика и философа Эрнста Маха, инерция материального тела, то есть его сопротивление направленным извне ускорениям является не неотъемлемым свойством материи, а мерой ее взаимодействия со всей остальной Вселенной. По Маху, вещество обладает инерцией только потому, что во Вселенной есть другое вещество. Когда тело вращается,

его инерция порождает центробежную силу (которая используется, в частности, в центрифуге для отжимки мокрого белья), одна эта сила получает проявление только потому, что тело вращается «относительно неподвижных звезд», как выражается Мах. Если бы неподвижные звезды неожиданно исчезли, вместе с ними исчезла бы и инерция, и центробежная сила внутри вращающегося тела.

Такое понимание инерции, получившее известность под названием принципа Маха, оказало глубокое воздействие на Альберта Эйнштейна и явилось для него первым стимулом для создания теории относительности. Поскольку теория Эйнштейна очень сложна в математическом отношении, физики до сих пор не пришли к какому — либо определенному выводу относительно того, может ли принцип Маха считаться частным случаем теории Эйнштейна. Тем не менее, большинство физиков уверено в том, что принцип Маха должен быть непременно включен в общую теорию гравитации.

Итак, современная физика снова (на этот раз на макроскопическом уровне) демонстрирует нам, что материальные тела не имеют собственной сущности, но являются неразрывно связанными со своим окружением; и их свойства могут восприниматься только в терминах их воздействий с окружающим миром. Согласно принципу Маха, взаимодействие тел распространяется на всю Вселенную в целом, включая наиболее удаленные звезды и галактики. Неразрывное единство мироздания проявляется не только в мире бесконечно малого, но и в мире сверхбольшого; этот факт получает признание в современной физике и космологии. По словам астронома Фреда Хойла, «Современные исследования довольно убедительно свидетельствуют о том, что условия нашей повседневной жизни не могли бы существовать в отрыве от далеких частей Вселенной, и, если бы эти части каким-то чудесным образом были изъяты из нашего мира, то все наши представления о пространстве и геометрии моментально утратили бы свой смысл. Наши повседневные впечатления до самых мельчайших деталей настолько тесно связаны с крупномасштабной характеристикой Вселенной, что сложно даже проставить себе, что одно может быть отделено от другого» [38, 304].

Единство и взаимосвязь материального тела и его окружения, проявляющиеся на макроскопическом уровне в общей теории относительности, становятся еще более очевидными на субмикроскопическом уровне. В последнем случае положения классической теории поля объединяются с положениями квантовой теории в целях описания взаимодействий субатомных частиц. Гравитационные взаимодействия еще не могут быть описаны аналогичным образом вследствие того, что теория гравитации Эйнштейна очень сложна в математическом отношении, однако ученым удалось объединить квантовую теорию с общей теорией поля, а именно: электродинамикой, в рамках так называемой «теории квантовой электродинамики», которая описывает все электромагнитные взаимодействия между субатомными частицами. Эта теория включает в себя положения квантовой теории и теории относительности. Она была первой квантово-релятивистской теорией современной физики и до сих пор остается самой последовательной из аналогичных моделей.

Необычным в квантовой электродинамике является прежде всего сочетание понятия электромагнитного поля с представлениями о фотонах как об электромагнитных волнах, воплощенных в частицах. Поскольку фотоны — это электромагнитные волны, то есть колеблющиеся поля, фотоны должны одновременно быть и воплощением электромагнитных полей. Так возникает понятие квантового поля, то есть поля, способного принимать форму квантов, или частиц. Безусловно, это понятие является новым. Оно используется при описании всех субатомных частиц и их взаимодействий и получает дальнейшую разработку, выражающуюся в том, что каждому типу частиц ставится в соответствие определенный тип поля. Эти «теории квантового поля» преодолевают унаследованное от классической физики противопоставление между твердыми материальными частицами и окружающим их пространством. Квантовому полю приписывается самостоятельная физическая природа — природа протяженной среды, пронизывающей или наполняющей все пространство. Частицы представляют собой лишь точки «сгущения» этой среды, возникающие и исчезающие энергетические узлы. Частицы утрачивают свою независимость и растворяются в окружающем пространстве. По словам А. Эйнштейна, «Итак, мы можем считать, что вещество состоит из таких участков пространства, в которых поле достигает особой интенсивности... В новой физике нет места как понятию поля, так и понятию вещества, поскольку единственная существующая реальность включает в себя понятие поля» [8,319].