Текст книги "Мир вокруг нас"
Автор книги: Этэрнус
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 22 страниц)
Гравитационные поля
Гравитация, как и электричество – известна человеку, можно сказать, с незапамятных времён. Классически (по Аристотелю), она объяснялась весом предметов, как стремлением их к своему естественному месту в Мире: для предметов из элемента земли – это центр Земли, а для воды – земная поверхность, для воздуха же – место над поверхностью (атмосфера), и т. д. В связи с этим, долгое время существовало также заблуждение, что тяжёлые тела (в которых элемента земли – больше) – падают быстрее, что было, в последующем, опровергнуто.
В Новое время, как уже говорилось, гравитация могла пониматься двояко: либо как истинно дальнодействующая сила, т. е. сила, действующая через пустоту (в отличие от всех других сил в природе, известных на то время (кроме электричества и магнетизма)), либо предполагающая механизм – эфирное объяснение (умозрительное).
И лишь в 19-м – начале 20-го веков, с окончательным устранением эфира из окружающего Мира, гравитация – стала общепризнанно рассматриваться как поле.
Гравитационные поля, в отличие от электрических и магнитных – имеют всего один тип заряда – притягивающий (положительный), т. е. гравитация – всегда приводит к взаимному притяжению объектов. Антигравитация же (т. е. отрицательный гравитационный заряд) – науке неизвестна.
Своё гравитационное поле – имеется у всех объектов, в т. ч. у каждой элементарной частицы.
Элементарное гравитационное поле (= свойственное любой отдельной элементарной частице) – всегда на много порядков слабее элементарного электрического и магнитного полей. Поэтому в процессах, происходящих в микромире, влиянием гравитационных полей, как правило – можно полностью пренебречь.
Однако на уровне планет, и на более высоких уровнях вещества Мироздания, гравитационное поле – становится играющим главную роль. Это как раз следствие того, что гравитационные поля, хоть и являются самыми слабыми полями, известными в природе, но складываясь, их всегда положительные (притягивающие) заряды – не компенсируются, а суммируются, что приводит, в макромасштабе – к возникновению весьма значимых, по напряжённости, полей (например, гравитационное поле Солнца, обладающее, как целое – огромной силой).
Поля 20-го века
Поле – странное и удивительное явление. А поля 20-го века (ядерные, слабые и глюонные) – ещё более странные. Эти поля, как увидим – сильно отличаются, по своим частным свойствам, от полей 19-го века. Во многом, поэтому – они стали известны лишь в 20-м веке.
Итак, рассмотрим их, по порядку:
Ядерные поля
Благодаря ядерным, или сильным полям – существуют ядра атомов. Сильное (= ядерное) поле – способно притягивать протоны и нейтроны друг к другу, потому что они обладают т. н. сильными зарядами (т. е. сильными полями).
Известно, что протоны – отталкиваются друг от друга своими электрическими зарядами, а в ядре атома, из-за ничтожных расстояний между протонами, напряжённость электрических полей огромна. Сила электрического отталкивания протонов, соответственно – оказывается очень велика. Считается, что сильные поля – примерно в сто раз сильнее притягивают протоны друг к другу в ядре, нежели те электрически отталкиваются друг от друга. Протоны в ядре – т. о. оказываются накрепко связанными сильными (= ядерными) полями. Получается, что не зря эти поля названы сильными: ядерное поле, по сравнению с другими видами полей – действительно обладает выдающейся силой.
Однако это поле – имеет и некоторую ущербность: сила действия (напряжённость) ядерного поля – падает с расстоянием во много раз быстрее, чем у полей 19-го века: Если напряжённость гравитационных, электрических и магнитных полей – снижается с расстоянием одинаково медленно (обратно пропорционально квадрату расстояния), то сильное (ядерное) поле – ослабевает по иному закону (быстрее), и уже на расстоянии, большем, примерно, ничтожных 10–13 см, сила (напряжённость) сильного поля – оказывается меньшей, чем у электрического и магнитного полей, где они – становятся т. о. преобладающими, а ядерное поле перестаёт играть значимую роль.
Поэтому, например, ядра соседних атомов, сильными полями – не взаимодействуют (или по крайней мере, такое взаимодействие – пренебрежимо мало).
Чтобы ядра провзаимодействовали (т. е. вступили в ядерную реакцию), их нужно сблизить примерно до 10–13 см, чему препятствуют значительные силы электрического отталкивания между ядрами. Поэтому ядерные реакции могут идти, в естественных условиях, лишь в недрах звёзд (и т. п. условиях) – т. е. при огромных давлениях и температурах (= при больших скоростях сталкивающихся ядер).
Итак, в общем, сильное (ядерное) поле – является по-настоящему сильным лишь при условии крайне малых расстояний между взаимодействующими элементарными частицами / ядрами, обладающими этими полями. Сильные поля значимо действуют лишь в масштабах внутренней структуры ядра (т. е. масштабах 10–13 см). Эти масштабы – на много порядков меньше размера атома (атомное ядро, как правило, в десятки тысяч раз меньше атома).
Среди элементарных частиц, сильным видом полей – обладают, помимо протонов и нейтронов, все элементарные частицы, состоящие из кварков, т. е. т. н. составные, или сложные элементарные частицы (гипероны, резонансы и т. п.), которые рассмотрим несколько позже. (Поэтому возможны, например, т. н. гиперядра (= содержащие гипероны, вместо протонов или нейтронов, и быстро распадающиеся)).
Сильных полей – лишены т. н. фундаментальные, или простые элементарные частицы (т. е. не состоящие из кварков) – электроны, нейтрино и т. п. На эти частицы, сильные поля – не действуют (эти частицы не несут соответствующего заряда, т. е. сильных полей).
Ещё одно свойство сильного поля – в том, что оно, подобно гравитационному полю, никогда не бывает отталкивающим, т. е. сильный заряд – всегда только притягивающий. Антисильного поля – науке неизвестно (даже у частиц т. н. антивещества).
Сильное поле обладает также удивительным свойством насыщаемости (отдалённо напоминающей насыщаемость химических связей): например, один протон / нейтрон – может притянуть лишь ограниченное число соседних частиц в ядре.
Это, в принципе, всё основное, что известно в рамках теории поля, о сильном (ядерном) виде полей. (Более продвинутые представления о полях – имеются в рамках квантовой механики и теории относительности, которые рассмотрим чуть позже).
Слабые поля
Следующий вид полей, из числа открытых в 20-м веке, который сейчас рассмотрим – носит название слабого. Этим видом полей, и соответственно, слабым зарядом – обладают практически все виды элементарных частиц (в т. ч. электроны, протоны, нейтрино и т. п.).
Слабое поле – оправдывает своё название, т. к. по силе (= константе взаимодействия) – оно является почти самым слабым (лишь гравитационное поле слабее его).
Вдобавок к этому, слабое поле – имеет невероятное, сверхбыстрое убывание напряжённости (силы) с расстоянием, – ещё более быстрое, чем у сильных (ядерных) полей:
Действие слабого поля является заметным лишь на расстояниях в 1 000 раз меньших, чем расстояния, на которых эффективно действуют сильные (ядерные) поля. Поэтому слабое поле – стало известно лишь при изучении совершенно мизерных масштабов пространства (а именно, расстояний порядка 10–16 см).
Слабое поле традиционно рассматривается как не связанное с притягивающими или отталкивающими зарядами, но приводящее лишь к превращениям частиц (например, распаду (свободного) нейтрона, и т. п.). Но с другой стороны, отталкивающее действие, обусловленное слабым полем – можно видеть, например, в известном явлении упругого столкновения нейтрино с частицами или ядрами, приводящем к обмену импульсами (т. н. упругое рассеяние нейтрино).
Далее: Подробнее и более глубоко, слабые поля, как и другие, как уже говорилось, рассматриваются в квантовой механике и теории относительности, о чём – чуть позже.
Глюонные поля
Последний вид полей, из числа открытых в 20-м веке – получил название глюонного поля. Оно определённым образом связано с ядерным (сильным) полем, о чём подробнее – чуть позже. Глюонные поля – связывают кварки друг с другом в сложных элементарных частицах (протонах, гиперонах, мезонах и т. п.). Силы глюонного притяжения между кварками, как считается – настолько сильны, что до сих пор, учёным не удалось вырвать ни одного кварка ни из одной сложной элементарной частицы. Т. е. ни один кварк не получен в свободном состоянии! Теоретическое объяснение этому – нашлось очень удивительное: предполагается, что напряжённость глюонных полей, в отличие от всех других видов полей, с расстоянием – не падает, а наоборот, возрастает. Оказывается, возможно и такое…
Получается, что если пытаться разорвать сложную элементарную частицу (например, протон), то энергия, которую мы будем прилагать, будет тратиться на увеличение напряжённости глюонного поля, и т. о. чем дальше кварки будут отдаляться друг от друга – тем сильнее они будут притягиваться друг к другу (и противодействовать разрыву сложной элементарной частицы (также энергия будет тратиться на рождение пар частица-античастица, и т. п.)). Поэтому разорвать сложную частицу на отдельные кварки – оказывается невозможно даже теоретически. Сложные элементарные частицы, в результате, несмотря на то, что являются, как известно, состоящими из кварков, могут считаться такими же элементарными, как и простые элементарные частицы (т. е. электроны, нейтрино и т. п.).
В целом, глюонные поля – самые сильные поля, имеющиеся в природе. Почему же эти поля столь малозаметны в окружающем Мире, на макроуровне? Дело в том, что глюонные поля – обладают удивительным свойством насыщаемости: они способны связывать лишь кварки в отдельной сложной элементарной частице, а на кварки соседних сложных элементарных частиц, несмотря на значительно большие расстояния до них и возрастание (или как минимум, неуменьшение) силы с расстоянием, глюонные поля, в целом – не действуют.
Объединение полей
Итак, мы рассмотрели, в общих чертах, шесть известных (доказанных) видов полей. Но почему существует именно шесть видов, а не одно, единое поле? Какова причина такого разнообразия, и всегда ли оно существовало? Поиск ответов на эти вопросы – ведётся уже давно. Попытки свести различные виды полей к разным сторонам (проявлениям) единого поля – уже имеют определённый успех.
Так, считается, что единое поле могло существовать как единое целое – на заре нашего Мироздания, т. е. во времена Большого Взрыва. По мере физического расширения окружающего Мира, последовавшего за ним, и падения плотности энергии в пространстве, единое поле постепенно разделилось на шесть полей, известных в современности. В качестве частичной аналогии этому, обычно приводится, например, раствор, в котором происходит кристаллизация растворённых веществ, т. е. их отделение и выпадение в осадок, при остывании раствора. По этой и т. п. аналогиям, можно (условно) представить и разделение единого поля. Из этого также следует, что его можно вновь получить, повысив концентрацию энергии, что осуществимо, например, при столкновениях частиц в ускорителе.
Возможность объединения полей т. о. – впервые подтвердилась при открытии, при помощи ускорителя заряженных частиц, новых элементарных частиц – W– и Z-бозонов (в 1983 году), существование которых ранее было предсказано в рамках теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое электрослабое поле (теория Вайнберга-Глэшоу-Салама), с привлечением, дополнительно, поля Хиггса. Подробнее мы на этом остановимся позже.
Также, ещё ранее (в 19-м веке) были объединены магнитные и электрические поля – в электромагнитное поле (согласно наблюдениям, и в теории Фарадея-Максвелла). При этом, магнитное поле – было представлено как вторичное, производное по отношению к электрическому: например, магнитное поле, окружающее проводник с током – было объяснено как результат направленного движения электрических зарядов (электронов); также и магнитные моменты частиц – удалось представить (условно) как результат вращения элементарной частицы, и следовательно, тоже выводимыми из электрического поля.
(Ещё до этого (и до теории поля), = более ранним примером объединения сил – явилась сила всемирного тяготения (впоследствии – гравитационное поле): Ньютон обнаружил связь между разными, на первый взгляд, силами (ускорением свободного падения, и силой, связывающей планеты), которые оказались разными проявлениями единой силы, названной силой всемирного тяготения (гравитацией)).
Также, впоследствии, были объединены ядерное (сильное) и глюонное поля: в рамках квантовой хромодинамики (теории, описывающей глюонное поле при помощи квантовой механики), ядерное поле оказалось остаточным взаимодействием, выводимым из глюонного поля (в некоторой аналогии с тем, как силы притяжения, действующие между молекулами (силы Ван-дер-Ваальса) – остаточны по отношению к электромагнитным взаимодействиям внутри молекул). Глюонное поле, оказавшись т. о. первичным, фундаментальным, по отношению к ядерному, переняло у последнего название сильного поля (глюонное и ядерное поля – стали т. о. разными его проявлениями).
В современности, в целом, т. о. имеются следующие объединённые взаимодействия (поля): гравитационное (объединённое Ньютоном), электрослабое поле (магнитное, электрическое и слабое) и сильное поле (ядерное и глюонное).
Ныне, теоретики работают над дальнейшим объединением электрослабого поля с сильным полем, и далее – с полем гравитационным, что пока остаётся в рамках теории (или гипотез, т. е. пока не доказано экспериментально), и будет рассматриваться – несколько позже.
Далее: В целом, теория поля – преимущественно описывает (констатирует) свойства полей, но не объясняет их. Более продвинутые и глубокие представления о полях (и о физическом вакууме) – были созданы уже в рамках других неклассических дисциплин: в квантовой механике и теории относительности. Там возникли более сложные (квантовые и пространственно-временные) представления о полях.
Сама же теория поля, после этого, впрочем – не сошла в историю, а осталась действующей дисциплиной. Занимается она теперь изучением, как и раньше, более поверхностной сути (и свойств) полей, не касаясь более продвинутых (квантовых и пространственно-временных) представлений о них. Т. е. теория поля рассказывает о полях то, что нужно узнать прежде, чем приступать к изучению более сложных представлений.
Так и мы – рассмотрели представления об известных полях сперва в рамках теории поля, а теперь – переходим к рамкам квантовой механики, в которой, помимо более глубокого рассмотрения полей, изучается также поведение элементарных частиц, и т. п. вопросы, касающиеся фундамента окружающего Мира.
Квантовая механика
Как и теория поля, квантовая механика – это неклассическая научно-философская дисциплина, занимающаяся изучением т. н. микромира. Прежде всего, в микромире, квантовая механика – изучает механику (поведение) элементарных частиц, которое радикально отличается от поведения макрообъектов (= предметов повседневного, видимого Мира, вполне удовлетворительно описывавшегося в рамках классической механики).
На уровне элементарных частиц и вакуума – законы макромира перестают действовать, уступая место законам микромира = законам квантовой механики. В микромире имеют место квантовые эффекты, в т. ч. различные странности в поведении объектов, невообразимые с т. зр. классической механики, но описываемые квантовой механикой.
Например, классическая механика – не способна объяснить движение электрона в атоме, но для этого – применимы законы квантовой механики, согласно которым, электрон, из-за (квантовой) неопределённости координат и импульса, а также благодаря корпускулярно-волновому дуализму – размазывается, и находится во многих местах одновременно, образуя электронную орбиталь, или электронное «облако». Оно может иметь сферическую, гантелеобразную, бубликовидную и другие причудливые формы (которые вычисляются согласно уравнению Шрёдингера, о чём подробнее – позже). Электрон не падает на протон (несмотря на электромагнитное притяжение между ними), и не излучает электромагнитных волн, хотя согласно классическим представлениям – при движении он должен их излучать, и т. о. теряя энергию, упасть на протон. Движение электрона, образующее орбиталь, в общем – совершенно несравнимо с движением планет в Солнечной системе, т. е. не может быть описано с помощью законов классической механики, но было одной из первых задач, решённых при помощи квантовой механики, показав её эффективность.
Что такое квант?
В классической науке считалось, что процессы в природе – происходят плавно, непрерывно. В т. ч. нагретые тела, поэтому – должны излучать энергию непрерывным потоком. Но это – оказалось противоречащим экспериментальным фактам: анализ спектров излучения нагретых тел – приводил, в рамках классических представлений, к необъяснимым результатам (т. н. «ультрафиолетовая катастрофа»).
Развитие науки – потребовало пересмотра фундаментальных представлений. Одним из первых, в поиске новых представлений – оказался Планк, который предложил считать, что любые изменения энергии в процессах, связанных с излучением – происходят скачкообразно (что было радикальной идеей, на то время). Всякое изменение энергии – должно было быть т. о. кратно какой-то минимальной величине (что совершенно немыслимо с т. зр. классических представлений).
Эта идея – оказалась верной и крайне плодотворной, и положила начало квантовой механике (1900-й год). Потеря энергии нагретыми телами, согласно квантовым представлениям – происходит порциями, т. н. квантами. Вскоре, эти гипотетические порции энергии (электромагнитные кванты) – были обнаружены, и в дальнейшем, стали пониматься как элементарные частицы, фотоны. Это открытие было сделано в 1905-м году (Эйнштейном, при объяснении явления фотоэффекта). Далее, квантами, точнее, квантами полей, по веским причинам – стали называться и другие (в конечном итоге, все) элементарные частицы. Это было связано с новыми представлениями о полях, и их связи с элементарными частицами:
Квантовые представления о полях
Обнаружение кванта электромагнитного поля, или элементарной частицы, фотона – привело к значительному усложнению представлений о полях. Оказалось, что поле – каким-то фундаментальным образом связано с соответствующими квантами (элементарными частицами): например, электромагнитное поле – связано с электромагнитными квантами (фотонами). Вскоре, подобным стало представляться устройство и всех остальных видов полей, в т. ч. новооткрываемых (полей 20-го века). Квантами в них – оказались, соответственно: мезоны – для ядерного поля, W– и Z-бозоны – для слабого поля, глюоны – для глюонного поля, и гравитоны – для поля гравитационного.
Из них, только глюоны и гравитоны – пока экспериментально не обнаружены (вернее, глюоны – обнаружены косвенно, в результате интерпретации процессов столкновения частиц в ускорителе, т. е. не получены в свободном состоянии, в котором они, как считается, не существуют). А мезоны и W– и Z-бозоны – найдены и изучены достаточно хорошо (примечательно, что все эти частицы-кванты полей, сперва были предсказаны теоретически, и лишь затем обнаружены экспериментально).
Что же такое квант, по отношению к полю? Возможно два варианта: либо поле – состоит из квантов, либо поле – не состоит из квантов, но является причиной наличия квантов. В последнем случае, который будем рассматривать далее как предпочтительный, любой квант – можно представить как изменение (возбуждение) соответствующего поля, распространяющееся в виде волны по данному полю (и переносящее энергию). Например, электромагнитные кванты (фотоны) – это волны, бегущие по электромагнитным полям, окружающим частицы.
Согласно квантовым представлениям, взаимодействия элементарных частиц – осуществляются путём обмена квантами, между соответствующими полями, входящими в состав элементарных частиц, или окружающими частицы. Возможность же непосредственных взаимодействий элементарных частиц, или их материальных сердцевин – обсуждалась лишь на начальных этапах развития теории (слабое взаимодействие первоначально рассматривалось как контактное (Ферми)).
Будучи волнами, кванты в то же время являются и частицами (благодаря корпускулярно-волновому дуализму). Т. о. кванты (фотоны, мезоны, W– и Z-бозоны, и т. п.), как возбуждения полей, не имеющие никакой твёрдой (материальной) сердцевины – тем не менее являются частицами, причём в этих частицах – нет материи, а есть одно лишь поле (как материеподобная субстанция). Этот момент, а также наличие у любого поля – энергии, а следовательно, и массы – привели вскоре к закономерному вопросу: не являются ли электрон, протон, нейтрон и т. п. элементарные частицы – устроенными так же, т. е. состоящими чисто из полей? Возможность такого представления частиц действительно имеет место:
Пример: масса протона – т. о. оказывается суммой масс (= энергий) полей, в него входящих (т. е. образующих протон). Поэтому отняв у протона сильное (ядерное (мезонное) и глюонное) поле, получим позитрон – частицу в 1836 раз более лёгкую, чем протон. А отняв у позитрона электрический заряд (и соответствующее поле), получим нейтрино – частицу с (как считалось) нулевой массой.
В общем, в 20-м веке стало ясно, что вся масса и энергия элементарных частиц – содержится в полях. Все элементарные частицы – состоят из полей, и в то же время, сами поля действуют посредством обмена квантами, которые тоже являются элементарными частицами. Даже такие частицы как электрон, протон и т. п., представляемые как не переносящие взаимодействий – представляются в рамках квантовой механики, как кванты особых, т. н. фермионных полей, в отличие от квантов обычных, или бозонных полей (электромагнитного, сильного и т. п.). В целом, по этим причинам, кванты – это все, любые элементарные частицы.
Окончательно потеряв возможность материальной сердцевины, частицы оказались лишёнными поверхностей, геометрической формы, размера и т. п. характеристик, и т. о. лишёнными способности к непосредственным взаимодействиям. Все взаимодействия элементарных частиц, поэтому, в рамках квантовой механики – стали представляться лишь как обмен квантами между полями, входящими в состав элементарных частиц (непосредственные же взаимодействия – оказались невозможны, и были полностью устранены из теории).
Было показано экспериментально, что даже в масштабах 10–18 м нет непосредственных взаимодействий между частицами: Как уже говорилось ранее, известно, что частица или ядро, и пролетающее мимо, на скорости света, нейтрино, при достаточном сближении – могут обмениваться импульсами (энергией), т. е. взаимодействовать. Если непосредственное взаимодействие (прямое столкновение) с нейтрино – отсутствует, это предполагает необходимость наличия промежуточных частиц-переносчиков взаимодействия – W– и Z-бозонов, т. е. квантов соответствующего поля, передающих энергию от (слабого) поля одной частицы – к слабому полю другой. Уверенность в наличии таких квантов-переносчиков взаимодействия – и привела к попыткам увидеть их, в экспериментах – высокоэнергетичных столкновениях частиц в ускорителе, – которые увенчались успехом (открытие W– и Z-бозонов), что показало отсутствие непосредственных взаимодействий даже на масштабах 10–18 м. Это и далее подтвердило уверенность в том, что элементарные частицы не могут просто прямо столкнуться друг с другом, т. е. не способны к непосредственному взаимодействию (из-за своей бесплотности, отсутствия поверхностей / размеров, и т. п.).
