Текст книги "Мир вокруг нас"
Автор книги: Этэрнус
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 22 страниц)
«Виртуальные» частицы
В квантовых представлениях о полях, ключевым является ещё следующий момент: кванты любого поля – считаются могущими существовать в двух различных состояниях: т. н. «виртуальном», и реальном. «Виртуальное» состояние кванта – не имеет ничего общего с виртуальной реальностью (это просто неудачное название). «Виртуальный» квант, в отличие от реального – обладает т. н. «виртуальной» энергией, т. е. энергией, которую он «одалживает» (согласно соотношению неопределённостей) у вакуума, на время своего кратковременного существования.
Если к «виртуальному» кванту добавить энергию извне (реальную), то квант перейдёт из «виртуального», в реальное состояние, в котором его можно обнаружить приборами, т. е. наблюдать. Такой квант – обладает энергией, которую не нужно возвращать вакууму, а поэтому существование кванта в реальном состоянии – не ограничено временем (хотя почти все реальные кванты – всё равно вскоре распадаются, превращаясь в другие элементарные частицы (все мезоны, W– и Z-бозоны, и вообще, большинство элементарных частиц – нестабильны)).
Кванты полей в реальном состоянии – получают при столкновениях элементарных частиц в ускорителе: при этом, кинетическая энергия (энергия столкновения), будучи реальной – побуждает «виртуальные» частицы перейти в реальное состояние. Т. о. были обнаружены кванты всех полей (за исключением гравитонов).
Кванты в реальном состоянии – играют малую роль во взаимодействиях объектов. Зато кванты в «виртуальном» состоянии (невидимые, и необнаружимые (напрямую) приборами, постоянно рождающиеся и исчезающие в полях, и обладающие «виртуальной» энергией) – составляют основу действия полей, согласно квантовым представлениям о полях (т. н. квантовой теории поля). Обмен «виртуальными» квантами – как раз и приводит к притяжению или отталкиванию частиц.
Наличие «виртуальных» квантов – следствие того, что физический вакуум неотъемлемо обладает энергией, которая, вследствие квантовой неопределённости собственной величины, в каждой точке пространства, и приводит к ряби («виртуальным» квантам = волнам) «на поверхности» любого поля.
В вакууме – постоянно идут процессы возникновения, кратковременного существования, и исчезновения всевозможных «виртуальных» частиц – «виртуальных» квантов различных полей, а также «виртуальных» электронов (вернее, электрон-позитронных пар, т. к. любые частицы, даже «виртуальные» – рождаются парами (если не являются античастицами = частицами антивещества, по отношению к самим себе)), «виртуальных» протон-антипротонных пар, и даже «виртуальных» атомов и молекул (теоретически). Все эти образования – возникают на очень короткие промежутки времени («подобно пузырям в кипящей жидкости»).
Чем больше «виртуальной» энергии берёт у вакуума «виртуальная» частица (квант), для своего существования – тем более кратковременна её жизнь. Поэтому самые массивные кванты, W– и Z-бозоны («виртуальные») – должны существовать самое ничтожное время, что объясняет, почему слабое поле, квантами которого они являются – самое короткодействующее из всех видов полей (как уже отмечалось, оно эффективно действует лишь в масштабах 10–16 см).
Кванты сильного (ядерного) поля («виртуальные» мезоны) – на порядки менее массивны, поэтому радиус (значительного) действия этого поля – на порядки (примерно в тысячу раз) больше, хотя всё равно – практически не выходит за масштабы атомного ядра.
Другие «виртуальные» кванты – гравитоны (гипотетические), и «виртуальные» фотоны (кванты электромагнитного поля) – лишены массы покоя. Поэтому в отличие от всех других «виртуальных» частиц – они могут существовать неограниченно, по времени. Поэтому гравитационное и электромагнитное поля убывают в пространстве очень медленно, а именно – лишь из-за увеличения покрываемого пространства, а не из-за исчезновения своих «виртуальных» квантов, возвращающих энергию вакууму.
Итак, кванты полей, и различия в их массах (= энергиях) – позволяют объяснить различия в масштабах, на которых действуют разные виды полей, а также увидеть в действии полей – определённый механизм (как обмен «виртуальными» квантами).
Это – основы квантовой механики, относящиеся к объяснению полей. (Других вопросов квантовой механики – будем касаться позже).
Переходим теперь к теории относительности, в которой также можно видеть более продвинутые представления о полях, чем то было в теории поля.
Теория относительности
Основы теории относительности, как фундаментальной научно-философской дисциплины – были заложены Эйнштейном в начале 20-го века, т. е. уже более ста лет назад. Первая часть этой теории – была опубликована в 1905-м году, и известна как специальная теория относительности (СТО), а вторая часть, обобщающая – появилась в 1916-м году – т. н. общая теория относительности (ОТО).
Итак, рассмотрим ключевые идеи этой теории:
Пространство-время
Одной из революционных идей, выдвинутых Эйнштейном, и положенных в основу теории относительности – было новое представление о пространстве и времени: благодаря Эйнштейну – они предстали в качестве реальных субстанций, а не просто абстрактных понятий, как раньше. Пространство и время – как бы вдруг «материализовались», при этом, они оказались неразрывно связанными друг с другом – в единое четырёхмерное пространство-время, заполняющее всё вокруг.
Будучи субстанцией, пространство-время – оказалось способно искривляться, растягиваться, сворачиваться и т. п. Это были совершенно новые, революционные представления, показавшие, в дальнейшем – свою пригодность, и ставшие основой для более глубокого описания окружающего Мира, и процессов в нём.
В теории Эйнштейна, как она понималась в начале 20-го века, присутствие вкраплений материи (т. е. любых объектов) в «ткани» четырёхмерного пространства-времени – вызывает его искривления. Например, элементарные частицы оказываются т. о. состоящими из материальных сердцевин (отсутствие последних, в начале 20-го века ещё не было показано), которые своим присутствием – неизбежно вызывают искривления пространства-времени вокруг себя.
Искривления пространства-времени, как нетрудно догадаться – и есть суть полей. Т. о. зарождается новое представление о полях, более глубокое (чем в теории поля), способное, в определённой степени, раскрыть природу полей:
Гравитационное поле, при этом – оказывается искривлением в пределах всех четырёх измерений пространства-времени (три измерения в котором – пространственные, а четвёртое – время). Однако рамки четырёх измерений – оказались слишком тесными для объяснения других видов полей. Поэтому в дальнейшем (Калуца, 1921 год), была введена дополнительная, пятая координата (принадлежащая пространству), и т. о. математическим путём получено пятимерное пространство-время, исходя из которого, естественным образом, непротиворечиво, следовало электромагнитное поле, как искривление пятимерного пространства-времени (пятое измерение которого, согласно теории Калуцы-Клейна, 1926 год, непосредственно не наблюдается, в масштабах макромира, из-за своей компактификации (= свёрнутости) на очень малых масштабах).
В дальнейшем, после открытия новых видов полей (полей 20-го века), для их объяснения, потребовалось ввести ещё большее число измерений. В итоге, к современности, пространство-время – считается, как минимум, одиннадцатимерным (7 из этих измерений – представляются свёрнутыми, как и в теории Калуцы-Клейна, чем объясняется отсутствие их проявлений в масштабах макромира).
В общем, согласно теории относительности (Эйнштейна, и её дальнейшим модификациям, или продолжениям (которые рассмотрим далее)), пространство-время окружающего нас Мира – является многомерным, а его искривления могут захватывать разное число измерений, что объясняет образование разных видов полей.
Геометродинамика
Геометродинамика (Уилер, и др.) – это расширение (усовершенствование, или продолжение) теории относительности, устраняющее вкрапления материи из первоначальной теории. В рамках геометродинамики (и её дальнейших модификаций), утверждается, что пространство-время – искривлено само по себе, извечно, а элементарные частицы – состоят т. о. лишь из искривлений пространства-времени (или их наборов (с совпадающими центрами)), и не содержат никаких материальных сердцевин, вызывающих эти искривления. Это – как раз соответствует тому, что примерно к середине 20-го века было показано, что вся энергия (и = масса) частиц – принадлежит чисто полям (которые в теории относительности и геометродинамике понимаются как искривления пространства-времени).
Итак, окружающий Мир, согласно представлениям геометродинамики – состоит т. о. лишь из искривлённого многомерного (к современности – 11-мерного) пространства-времени, и ничего больше не требует, для своего описания.
Струнные теории
Теория относительности (и её продолжения – теория Калуцы-Клейна и геометродинамика), а также квантовая механика – получили дальнейшее развитие в т. н. теориях струн (в т. ч. теориях суперструн, и М-теории). В струнных теориях, элементарные частицы – представляются подобными вибрирующим струнам, которые могут быть замкнутыми или открытыми, и существуют в рамках одиннадцати измерений пространства-времени. Различные способы колебания струн, теоретически, должны соответствовать (объяснять) спектр свойств элементарных частиц, включая массы (разные у разных частиц), заряды полей и т. п.
Итак, различные колебания одного и того же объекта, струны – представляют разные элементарные частицы, что показывает единую природу всех элементарных частиц (в т. ч. как квантов полей, т. е. ведёт к объединению полей).
В целом, частицы, в теориях струн, перестают представляться как точечные объекты (совпадающие центры напряжённости полей в теории поля, или центры искривлений пространства-времени в геометродинамике, и т. д.). Струны же, как протяжённые объекты, подверженные волновым процессам (колебаниям) – являются более глубоким представлением о частицах, т. к. позволяет говорить об их внутренней структуре, лежащей в основе наблюдаемых свойств.
Одиннадцатимерное пространство-время и существующие в нём, вибрирующие струны, конечно – «верх» отсутствия наглядности. Но ничего страшного в том нет, т. к. вся неклассическая картина Мира – лишена наглядности (а следовательно, и простоты). Зато рамки одиннадцати измерений – вмещают и непротиворечиво объясняют (или по крайней мере, описывают) все виды полей, а струнное представление об элементарных частицах – позволяет по-новому взглянуть на устройство элементарных частиц (как уже говорилось, струна предполагает определённую внутреннюю структуру элементарных частиц, и даёт возможность вывести (хоть как-то) спектр их свойств (которые, например, в квантовой механике (многие), не имеют объяснений, а только констатируются)). Т. о. вибрирующие струны, как суть элементарных частиц – имеют больший потенциал в объяснении окружающего Мира, в т. ч. элементарных частиц и (всех) полей.
В то же время, эффекты струнной структуры элементарных частиц – могут напрямую проявляться лишь на чрезвычайно малых расстояниях (порядка длины этих струн, которая близка к планковской длине (10–33 см)), а также при очень высоких энергиях (недостижимых в имеющихся (современных) ускорителях). Поэтому точечное (для удобства) представление частиц – всё ещё является очень хорошим приближением, а струнные теории – оказывается крайне сложно проверить экспериментально, что представляется одним из основных недостатков последних.
В целом, представления о частицах и полях, в рамках струнных теорий, хотя и могут считаться наиболее продвинутыми, на неклассическом этапе – они ещё далеко недостаточно вскрывают суть вещей, и весьма далеки от реальности (что можно увидеть уже только на новом, постнеклассическом этапе, о чём – позже).
Искривления пространства и времени
Пространство, в теории относительности (и её продолжениях), как уже говорилось, имеет способность искривляться, что изображают, для удобства, на примере двухмерного пространства (искривлениями которого являются, например, холм, яма и т. п., в отличие от неискривлённого пространства – плоской поверхности). Аналогичным – считают и случай трёхмерного пространства (плюс одномерного времени, составляющего, вместе, четырёхмерное пространство-время), но только его искривление уже невозможно представить наглядно. Искривление четырёхмерного пространства-времени, а также пространства-времени больших размерностей (пяти– и даже одиннадцатимерного), можно, однако описать при помощи математических формул.
Поля, при этом, как видно – это искривления не только пространства (в рамках того или иного числа измерений), но также и искривление времени. Однако как можно представить искривление времени? Искривление времени – звучит весьма загадочно и странно, но на самом деле – это просто замедление или ускорение течения времени (тем не менее, немыслимое в рамках классических представлений).
Т. о. время, на неклассическом этапе, – перестало быть константой, и предстало относительным. Для двухмерного пространства, изменение течения времени – можно представить, например, так: чтобы попасть из точки, расположенной у одного подножия холма (= искривления двухмерного пространства), в точку, расположенную с противоположной стороны – приходится затратить больше времени, чем если бы на пути – не стоял холм. Путь в искривлённом пространстве т. о. – занимает больше времени, т. е. время растягивается (= искривляется). В этом примере уже видно, что искривление пространства (в виде увеличения расстояния между точками, из-за наличия холма) – неизбежно влечёт за собой искривление (растяжение) и времени (т. о. пространство и время – неотделимы друг от друга, составляя единое целое, пространство-время). Аналогичным представляется и четырёхмерное пространство-время, хотя оно, как уже говорилось, лишено наглядного представления.
Итак, поле, по крайней мере, гравитационное, являясь искривлением пространства, согласно теории относительности – должно содержать в своём составе, с неизбежностью – и искривление времени. Действительно, экспериментально проверено (доказано), что течение времени на поверхности Земли – является несколько (немного) более медленным, чем например, в космическом пространстве на орбите вокруг Земли. Причиной искривления (= замедления) времени на Земле – является гравитационное поле, как искривление пространства (но не двухмерного, а трёхмерного).
Время замедляется (растягивается) и в других полях, хотя механизм этого – косвенный, т. к. дополнительные измерения пространства (подвергающиеся в них искривлениям) – ненаблюдаемы, а значит, не должны влиять на наблюдаемое время. Но любое поле, обладая энергией, а значит, массой, согласно теории относительности, создаёт своё гравитационное поле (= искривление четырёхмерного пространства-времени, которое включает соответствующую величину замедления времени). Иными словами, любое поле, в связи с этим – может рассматриваться как искривление не только в ненаблюдаемых (дополнительных) измерениях пространства, но одновременно и в наблюдаемых четырёх измерениях пространства и времени (проявляясь как гравитационное поле).
Крайним случаем искривлённого пространства и времени – является чёрная дыра, – объект, в котором искривление приводит к формированию т. н. горизонта событий, пространство-время под которым – как бы выпадает из нашего Мироздания (события, происходящие за горизонтом – уже не могут влиять на окружающий Мир, т. к. ничто, даже свет, не может покинуть эту область). (Подробнее, эти объекты (чёрные дыры) – будут рассматриваться позже).
Скорость света
Одной из краеугольных идей, в теории относительности, является также представление о существовании предельной скорости движения – скорости света. Это, естественно, резко противоречит классическим представлениям (в которых скорость ничем не ограничивалась, т. е. могла стремиться к бесконечности, т. к. объекты двигались в пустоте (или же скорость могла ограничиваться эфиром, подобно скорости звука в воздухе, однако не исключала сверхсветовые скорости)). Пустоты, как и эфира, на неклассическом этапе – нет, однако представить, почему скорость всё-таки ограничивается, наглядно – невозможно, и это просто констатируется (в т. ч. наблюдается), как одно из свойств окружающего Мира.
Никакой объект в Мироздании – не может двигаться быстрее скорости света (равной примерно 300 000 км/с). Согласно теории Эйнштейна, всякий объект, обладающий т. н. массой покоя – не может быть даже разогнан до скорости света, т. к. масса – относительна, и при ускорении – растёт, причём при приближении к скорости света, масса растёт неограниченно, и может стремиться к бесконечности. Поэтому никакой объект не может даже достигнуть скорости света, не то что её преодолеть (за исключением частиц с нулевой массой покоя – фотонов, и т. п., которые всегда движутся со скоростью света, но всё же не выше её).
Принцип относительности
В теории относительности, скорость света, измеряемая в любой системе отсчёта (хоть покоящейся, хоть движущейся, в т. ч. ускоренно) – всегда постоянна. С т. зр. классических представлений – это понять невозможно, т. к. противоречит простому правилу сложения скоростей: классически, скорость света, как и любого другого движения – должна отниматься или прибавляться к скорости движения наблюдателя. Двигаясь навстречу лучу света, можно было бы ожидать, что скорость света окажется больше 300 000 км/с (т. е. скорость движения наблюдателя прибавится к ней), но в теории относительности (и согласно экспериментальным данным) – это не так: скорость света всегда постоянна (как константа).
Постоянная скорость света, независящая от движения или покоя наблюдателя (т. е. системы отсчёта) – неизбежно ведёт к эйнштейновскому принципу относительности, согласно которому (и что подтверждается наблюдениями), все законы природы, в т. ч. значение скорости света как константы – оказываются одинаковы для всех наблюдателей, что означает равноправие всех систем отсчёта. Иными словами, нельзя выделить одну-единственную правильную (= абсолютную) систему отсчёта, а значит, все они относительны.
При этом, в разных системах отсчёта, измерения длины, течения времени, и массы одного и того же объекта – оказываются различными: так, если наблюдаемый объект движется относительно системы отсчёта, его измеряемая масса – возрастает, течение времени в нём – замедляется, а длина – сокращается. В системе отсчёта, в которой этот же объект покоится, и системе, которая движется с иной скоростью относительно объекта, масса, течение времени, и длина этого объекта – имеют иные численные значения, что немыслимо с т. зр. классической логики. Однако т. к. все системы отсчёта, согласно принципу относительности – равноправны (= относительны), значит, все измерения – в равной степени верны, и т. о. масса – относительна, и скорость течения времени, и длина.
Всё это, как и сама относительность (= равноправие) систем отсчёта – вытекает из требования (и наблюдения) постоянства скорости света: Действительно, легко показать, например, что если бы не происходило замедления времени – внутренние движения, оставаясь неизменными, в ускоряющемся объекте (например, ракете), складываясь с возрастающим внешним движением – превысили бы скорость света. Поэтому при возрастании скорости объекта, тем больше, чем ближе его скорость к скорости света, для внутренних движений «не остаётся места», и они – вынуждены всё более замедляться, т. е. замедляться течение времени. Аналогично – и для других свойств.
Все эти изменения – происходят и при движении наблюдателя, с самим наблюдателем, но видны лишь извне (наблюдатель – не может почувствовать замедления собственного времени, роста массы, и сокращения длины, т. к. все частицы обретают их в равной степени (благодаря этому, законы природы, включая константу скорости света, для наблюдателя – не меняются: например, хотя луч света, движущийся вдоль пути ракеты – относительно ракеты имеет меньшую скорость, наблюдатель в ракете, благодаря замедленному течению собственного времени, измерит всё те же 300 000 км/с, как и любой другой наблюдатель)).
Из принципа относительности, также вытекает эквивалентность массы и энергии (масса – есть мера инертности объекта, т. е. его сопротивляемости изменению скорости; эта сопротивляемость должна возрастать, при ускорении объекта, чтобы обеспечить недостижимость скорости света для объекта, имеющего массу покоя; рост (инертной) массы при росте кинетической (и полной) энергии объекта, указывает на эквивалентность массы и энергии (E = mc2)).
