Текст книги "Мир вокруг нас"
Автор книги: Этэрнус
сообщить о нарушении
Текущая страница: 5 (всего у книги 22 страниц)
Принцип эквивалентности
Помимо эквивалентности (инертной) массы и энергии, в теории относительности существует ещё один ключевой принцип эквивалентности, предполагающий неразличимость (тождественность) явлений, обусловленных инерцией тел и действием гравитации. Примером явления, обязанного инерции, служит, например, падение предметов вниз, в ускоряющейся ракете, а также вес предметов в ней (= давление, оказываемое ими на дно ракеты). Этот вес и ускоренное падение предметов в ракете – аналогичны таковым в гравитационном поле. Также и в центрифуге, инерция – прижимает тела к стенке (создаёт вес), и тоже действует аналогично гравитационному полю. Согласно принципу эквивалентности, наблюдатель не может различить, вызвано ли ускоренное падение и вес тел – инерцией в центрифуге / ускоряющейся ракете или наличием гравитационного поля, т. е. утверждается тождественность (эквивалентность) этих явлений.
Известно, что наблюдатель также не способен отличить (почувствовать или измерить), находится ли он в свободном падении в гравитационном поле или находится вне гравитационного поля, в состоянии движения по инерции (= движения без изменения скорости). Согласно теории относительности, это объясняется тем, что свободное падение – тоже является движением по инерции, в искривлённом пространстве-времени. Лишь для наблюдателя, не связанного с падающим телом – это движение является ускоренным (ускорение свободного падения). Учитывая, что наблюдатель в свободном падении не чувствует ускорения, а значит, действия сил, никакие силы на падающий предмет не действуют. Иными словами, один из ключевых выводов теории относительности: гравитация – не производит силового воздействия на предметы, т. е. не является силой (ни дальнодействующей, ни близкодействующей). Гравитация – это всего лишь то, как происходит движение в четырёхмерном искривлённом пространстве-времени.
Действие инерции, как известно – также не является силой: например, вес предметов в центрифуге – это не сила, придавливающая их к стенке, а всего лишь следствие сопротивляемости предметов изменению направления движения (или изменению скорости движения, в зависимости от системы отсчёта). Чтобы поднять предмет, прижатый к стенке центрифуги, необходимо затратить усилие (энергию), как и в гравитационном поле, но эти затраты – на самом деле идут на изменение скорости предмета, а не на преодоление действующей на него силы (поднятие предмета – это перемещение его ближе к оси вращения центрифуги, где скорость всех предметов – ниже). Если поднятый предмет отпустить, он будет ускоренно падать, но не под действием силы, а лишь продолжая двигаться по инерции (равномерно и прямолинейно в своей системе отсчёта, а также с т. зр. внешнего наблюдателя), но наблюдатель в центрифуге – увидит это ускоренным падением.
Итак, и инерция, и гравитация – не являются силами. Эта одинаковая суть гравитации и инерции, находится в соответствии принципу эквивалентности, утверждающему, что эти явления – неразличимы (эквивалентны), и представляют разные стороны единого целого. Из принципа эквивалентности, естественным образом, вытекает равенство инертной и гравитационной масс (наблюдательный факт, использовавшийся ещё в механике Ньютона, но не имевший объяснения), а также требуется, чтобы любой процесс, имеющий место благодаря инерции, имелся и в гравитационном поле (что означало бы их полную неразличимость (тождественность)), и что позволяет проверить принцип эквивалентности экспериментально:
Например, луч света, в ускоряющейся ракете, посланный вдоль дна ракеты – искривляется вниз (т. к. дно ракеты – приближается к нему). Если принцип эквивалентности верен, то искривление направления движения света должно наблюдаться и в гравитационном поле (данное следствие теории относительности – было проверено экспериментально, начиная с наблюдения отклонения света звёзд гравитацией Солнца, во время солнечного затмения в 1919 году (Эддингтон и др.)).
Это и многие другие последующие наблюдения, в отношении различных других эффектов – показали одинаковость эффектов в ускоренной системе отсчёта, где они обусловлены инерцией (= инертной массой тел) и в гравитационном поле (где они обусловлены гравитационной массой тел, т. е. производимым телами, искривлением пространства-времени), что говорит о справедливости принципа эквивалентности, и приводит к чисто геометрическому представлению о поле (как об искривлении пространства-времени, не имеющем силового воздействия на предметы). Геометрия, тут, естественно – лишена наглядности.
Итак, в целом, мы рассмотрели основные положения теории относительности (и развивающих её, теории Калуцы-Клейна, геометродинамики и теории струн). Далее – переходим к рассмотрению следующей (последней) неклассической научно-философской дисциплины:
Теория элементарных частиц
Все неклассические дисциплины – взаимосвязаны и в некоторой мере, взаимопроникающи. Но в наибольшей степени – это может относиться к теории элементарных частиц, т. к. для описания сути и общих свойств элементарных частиц, теория элементарных частиц использует достижения как теории поля, так и квантовой механики, и теории относительности.
В теории элементарных частиц также изучаются все разнообразные частные свойства элементарных частиц, известные из наблюдений, т. е. рассматриваются различные виды элементарных частиц (которых известны уже сотни), и ведётся поиск причин их разнообразия, закономерностей взаимопревращений частиц, и т. п.
Теория элементарных частиц, как область знаний, зародилась, можно сказать, в 1897 году, когда была открыта первая элементарная частица, электрон («элементарная частица электричества»), о чём уже говорилось ранее. В дальнейшем, лавинообразно нарастало открытие новых элементарных частиц, достигнув современных сотен. Основной источник знаний о частных свойствах (и вытекающих из них, видах) элементарных частиц, существующих в природе – это изучение реакций столкновения заряженных частиц в ускорителе, где из кинетической энергии сталкивающихся частиц – рождаются (или переходят из «виртуального» состояния в реальное) различные виды элементарных частиц, а также проявляются их специфические свойства. Теория элементарных частиц обобщает эти данные, и пытается вскрыть причины наблюдаемых свойств и видов частиц.
Представления об элементарных частицах в целом, в теории элементарных частиц, благодаря привлечению теории поля, квантовой механики, и теории относительности (включая геометродинамику и теории струн) – оказываются лишены наглядности и простоты, как и полагается быть в любой неклассической дисциплине.
Итак, рассмотрим основные имеющиеся достижения теории элементарных частиц:
Виды элементарных частиц
Элементарные частицы – это мельчайшие, известные в современности, частицы (и волны, т. к. частицы обладают корпускулярно-волновым дуализмом). Их не называют частицами материи, т. к. состоят они (как уже говорилось) – чисто из полей, или из совпадающих искривлений пространства-времени, и не имеют т. о. ни плотности, ни поверхностей, ни геометрической формы. Поэтому их называют просто элементарными частицами, а не элементарными частицами материи.
В самых последних представлениях об элементарных частицах, т. е. струнных теориях, как уже отмечалось, элементарные частицы – это открытые или замкнутые (в т. н. петли), вибрирующие квантовые струны в одиннадцатимерном пространстве-времени, из спектра возможных способов вибраций которых – выводятся различные свойства (в т. ч. виды) элементарных частиц.
В природе – широко распространены всего несколько видов элементарных частиц (т. е. стабильных, и не «виртуальных»). Часть из них, как например, электрон, протон и нейтрон – ложатся в основу атомов (а значит, молекул, и макрообъектов), а другие – всегда находятся в свободном состоянии – фотоны и нейтрино.
В современности, известно также несколько сотен видов нестабильных элементарных частиц (все они распадаются за малые доли секунды, и образуются лишь в т. н. экстремальных условиях, например, в ускорителях, где их можно т. о. получать и изучать).
Простые и сложные элементарные частицы
Протон – является сложной (или составной) элементарной частицей, т. к. представляется (и это показано экспериментально), что он состоит из трёх кварков – простых элементарных частиц. Так же устроен и нейтрон. Подавляющее большинство всех известных элементарных частиц – тоже являются сложными, т. е. состоят из различных комбинаций кварков.
Кварки, формирующие структуру сложных элементарных частиц – считаются простыми, или истинно элементарными частицами, но они никогда, ни доли секунды – не существуют в свободном состоянии, а могут находиться лишь в составе тех или иных, сложных элементарных частиц (протонов, мезонов, гиперонов, резонансов и т. д.).
Свойства различных видов элементарных частиц, мы будем далее рассматривать уже в рамках постнеклассических представлений, где оказывается возможным сразу же объяснять их.
Но об этом – чуть позже, пока же продолжаем речь о (неклассической) теории элементарных частиц:
Элементарность элементарных частиц
До сих пор, ни одну элементарную частицу (ни простую, ни сложную), никакими силами и методами – не удалось раздробить на более мелкие, более фундаментальные частицы.
Реакции распада нестабильных частиц – это вовсе не раздробление, а всего лишь примеры взаимопревращений элементарных частиц.
Сложные элементарные частицы (протоны, мезоны и т. п., состоящие из кварков) нельзя раздробить уже потому, что напряжённость глюонного поля, скрепляющего кварки – растёт с увеличением расстояний между кварками (это – единственное достаточно непротиворечивое объяснение, на неклассическом этапе, нераздробимости сложных элементарных частиц). Поэтому последние, хоть и состоят из кварков, всё равно являются элементарными (неделимыми) частицами, хотя их также интерпретируют как составные частицы, а истинно элементарными частицами – как уже говорилось, считают кварки, хотя последние и не существуют в свободном состоянии.
Нераздробимость – свойственна, естественно, и всем простым элементарным частицам: электронам, нейтрино, мюонам, кваркам и т. п.
В общем, все элементарные частицы, пока – оказываются неделимы, и выглядят по-настоящему элементарными, подобно неделимым древнегреческим атомам (при этом, радикально отличаясь от последних разнообразными странными общими свойствами – отсутствием формы, размеров, бесплотностью, наличием внутренней структуры из кварков, и т. п.).
Удастся ли учёным когда-нибудь раздробить элементарные частицы на ещё более мелкие частицы? Ответ на этот вопрос – уже существует, но уже в рамках постнеклассических представлений. На неклассическом же этапе, мнения – разделяются. Но факт остаётся: до настоящего момента, не удалось раздробить элементарные частицы на более мелкие составляющие.
Реакции элементарных частиц
Реакции с участием элементарных частиц – это реакции взаимопревращений частиц, когда элементарные частицы одного вида переходят в частицы другого вида, а также реакции с испусканием (рождением) или поглощением элементарных частиц.
При рождении элементарных частиц, например, из энергии столкновения в ускорителе – существует закономерность: элементарные частицы рождаются всегда парами – частица и античастица (исключение составляют некоторые нейтральные мезоны, фотон, и т. п. частицы, являющиеся античастицами по отношению к самим себе). Например, электрон – рождается всегда в паре с позитроном, а протон – в паре с антипротоном. Т. о. должно сохраняться равное соотношение частиц вещества и антивещества, что описывается (но в целом, не объясняется) сохранением различных квантовых чисел (электрического заряда (заряд частицы и античастицы – в сумме равен нулю), барионного и лептонного чисел, «странности» и т. п.). В общем, в этих реакциях – сохраняются различные симметрии квантовых чисел (хотя известны и нарушения симметрий, например, несохранение некоторых квантовых чисел в реакциях, обусловленных слабым взаимодействием).
Несмотря на неизменное рождение пар частица-античастица, из наблюдений известно, что окружающий Мир – построен из вещества, а не из антивещества или равного соотношения вещества и антивещества. На неклассическом этапе, на вопрос о причине этого – нет удовлетворительного (окончательного) ответа (хотя нарушение симметрии между веществом и антивеществом, включающее нарушение симметрии (= несохранение) соответствующих квантовых чисел (барионного и лептонного), представляется как произошедшее на определённом этапе Большого Взрыва, но природа этого нарушения – пока остаётся в рамках гипотез).
Поколения элементарных частиц
Удивительной и непредвиденной наблюдательной находкой для учёных, стало существование т. н. поколений элементарных частиц: оказалось, что практически каждой (простой) элементарной частице – соответствует её более тяжёлый аналог: например, электрону – соответствует частица мюон, по всем свойствам аналогичная электрону, но в 206,8 раз тяжелее электрона, а также частица тау-лептон (таон), который тяжелее электрона в 3 477 раз. Иными словами, мюон – это тяжёлый электрон, а таон – ещё более тяжёлый электрон. Точно так же, в дополнение к лёгким d– и u-кваркам, существуют тяжёлые кварки (s– и c-кварки, и ещё более тяжёлые, b– и t-кварки), входящие в состав различных сложных элементарных частиц. (Соединения тяжёлых кварков с обычными кварками – многократно расширяют разнообразие видов сложных элементарных частиц).
Существуют и тяжёлые нейтрино (т. е. помимо обычного, т. н. электронного нейтрино, имеются мюонное и таонное нейтрино).
В общем, все простые элементарные частицы (не считая фотона, и т. п.) – имеют свои аналоги в виде частиц второго и третьего поколений. Частицы этих поколений – в целом, аналогичны соответствующим частицам первого поколения, но более массивны, и кроме того, нестабильны (за исключением нейтрино, если не учитывать явления т. н. нейтринных осцилляций (= превращений нейтрино одного сорта в другое)). Время жизни частиц второго поколения, например мюона – составляет порядка 10–6 сек, а третьего поколения – ещё меньше, например таона – порядка 10–13 сек, поэтому все эти частицы, в обычных условиях – практически не встречаются.
Учёные пытаются разгадать, и на неклассическом этапе это неразрешимо: зачем существуют поколения элементарных частиц, если все эти частицы аналогичны частицам первого поколения (т. е. «зачем природе дублировать саму себя»)? Макрообъекты окружающего Мира – могут быть построены только из частиц первого поколения, частицы второго и третьего поколений – выглядят т. о. излишними. Но почему эти частицы вообще возможны? В неклассической фундаментальной физике – ответа нет, и нет даже формул, которые бы описывали различия масс между поколениями элементарных частиц, например, неизвестно, почему масса мюона выше массы электрона именно в 206,8 раз, а таона – в 3 477 раз.
Тем не менее, наличие как минимум, и вероятно, не более трёх поколений элементарных частиц – остаётся научным фактом.
Есть и ещё много загадочного в элементарных частицах. Ответы на эти и другие нерешённые вопросы – появляются уже только на следующем, новом, постнеклассическом этапе развития представлений об окружающем Мире, о чём – далее:
ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
В современности, формируются качественно новые представления об окружающем Мире, содержащие ответы на те вопросы, что не имели решения на предшествующем, неклассическом этапе. Возникает более глубокое понимание Мира, содержащее вместо описания явлений – объяснение механизмов явлений (в т. ч. строения элементарных частиц, происхождения квантовых чисел, и т. д.).
Постнеклассическая картина Мира, в сравнении с неклассическими представлениями – как увидим, оказывается наглядной и относительно простой.
Итак, приступим к рассмотрению основ постнеклассических представлений:
Природа вакуума
Сперва вспомним историю: на классическом этапе, то, что теперь называют физическим вакуумом, вначале считалось непрерывной субстанцией (веществом, подобным воздуху – непрерывным эфиром), затем – пустотой, заполняющей промежутки между атомами (и также заполненной атомарным эфиром), а потом – отсутствием пустоты из-за бесконечной делимости частиц материи.
В неклассические времена, представление об отсутствии пустоты, получило дальнейшее развитие (в т. ч. благодаря экспериментальным данным), и вакуум стал представляться совокупностью полей (и их «виртуальных» частиц), или пространством-временем, способным искривляться, и оказался обладающим энергией.
В конечном итоге, элементарные частицы (и весь окружающий Мир) – предстали т. о. искривлениями многомерного пространства-времени (= вакуума), или возбуждёнными состояниями вакуумных полей, = возбуждёнными состояниями вакуума.
В целом, неклассические представления, несмотря на то что весьма странны и ненаглядны – вполне эффективны для описания окружающего Мира (хотя и не отвечают на многие вопросы). В неклассических представлениях – уже прослеживается неразрывная взаимосвязь вакуума и элементарных частиц (как разных сторон единой сущности).
Итак, рассмотрим, какие новые представления о вакууме возникают далее, на постнеклассическом этапе:
Вакуум – перестаёт быть только совокупностью различных полей (и хаосом рождающихся и исчезающих «виртуальных» частиц, наподобие «кипящей жидкости»): вместо этого, вернее, в дополнение к этому, он должен быть представлен как упорядоченная (= кристаллическая) среда. Согласно постнеклассическим представлениям, вакуум т. о. – квантуется, причём кванты его – уподобляются частицам (частицы среды вакуума). Располагаются эти частицы – упорядоченно по отношению друг к другу, что приводит к образованию упорядоченной структуры вакуума (которую, в связи с этим, можно назвать кристаллической).
Сразу возникает вопрос: почему вакуум, являясь кристаллической средой, не создаёт препятствия для движений объектов в окружающем Мире? Классически – представить это невозможно (поэтому, на классическом этапе – вакуум могли воображать только как эфир, т. е. как газообразную (либо жидкую) среду). Также неприемлем кристаллический вакуум и для неклассических представлений (т. к. с т. зр. неклассических подходов, вакуум считается непрерывной субстанцией (т. е. противоположностью среде), а квантование вакуума (в виде квантования пространства-времени) – приводило к сложностям, хотя в любой неклассической теории, в конечном итоге – встаёт проблема квантования вакуума (в связи с пока нерешённой задачей о квантовом рассмотрении гравитационного поля, и понятием о планковском расстоянии и времени, доходя до которых, т. е. до крайне малых масштабов пространства и времени, неклассические теории (в т. ч. теория поля, квантовая механика, и теория относительности) – перестают действовать, достигая т. о. границы своей применимости)).
Понимание возможности кристаллического вакуума, в т. ч. того, как он не препятствует движению элементарных частиц (и любых объектов окружающего Мира) – вытекает из новых представлений об устройстве элементарных частиц:
Сущность элементарных частиц
Элементарные частицы обладают волновой природой, что было, в целом, ясно и на неклассическом этапе (в квантовой механике, и струнных теориях). На постнеклассическом этапе, суть волновых свойств частиц – может быть уточнена к следующему: элементарные частицы – это нелинейные волны, распространяющиеся в среде вакуума.
Вакуум, как кристаллическая среда, как и любая среда – не может препятствовать движению волн (элементарных частиц), а наоборот, является основой, необходимой для их существования и движения (распространения). Т. о. вакуум и элементарные частицы – действительно оказываются неразрывно взаимосвязаны. Элементарные частицы, однако – это не просто волны, а именно нелинейные.
Нелинейные волны как явление – известны ещё с 19-го века (но начали активно изучаться – не ранее, чем во второй половине 20-го века). Первой из наблюдавшихся волн такого рода – был бугорок на воде (солитон Рассела), движущийся по водной поверхности без изменения формы, т. е. не расплывающийся, и не теряющий энергии, в отличие от обычных, всем хорошо известных (= линейных) волн на воде. В современности, изучены многие разновидности нелинейных волн, в самых различных средах. Такие волны – называются солитонами, и их изучением занимается соответствующая научно-философская дисциплина – теория солитонов.
Нелинейные волны – сильно отличаются от привычных, часто встречающихся в повседневной жизни, простых, или линейных волн (звуковых волн, света, океанских волн и т. п.). Так, известно, что в отличие от линейных волн, нелинейные волны, как упоминалось ранее – не теряют энергии при своём распространении, т. е. могут существовать неограниченно долго, причём способны иметь шарообразную форму своей центральной части (эпицентра), а также могут взаимодействовать друг с другом. Стабильность, и другие вышеназванные (т. е. частицеподобные, или корпускулярные) свойства таких волн – обусловлены их нелинейной природой.
Вполне естественно предположить, что в основе нелинейных волн (= солитонов) в кристаллическом вакууме – лежат дислокации (= одна из разновидностей солитонов), по аналогии с дислокациями в обычных, земных кристаллах. Дислокации в обычных кристаллах – хорошо изучены, и возникают, например, если выбить атом из структуры кристаллической решётки. На месте выбитого атома – образуется дырка, однако соседние атомы – стремятся заполнить её, немного стягиваясь к месту отсутствия атома, т. о. смещаясь со своих обычных местоположений. В итоге – образуется дислокация-разрежение, т. е. наглядно видимое разрежение и искажение пространства, образованного атомами (а из-за неразрывной связи пространства и времени – это, более точно, искривление пространства-времени). В другом месте, куда попал выбитый атом – образуется дислокация, состоящая, наоборот, из увеличения плотности пространства, образованного атомами (и такого же искажения его геометрии) – это дислокация-уплотнение. У дислокации-разрежения и дислокации-уплотнения – есть некое подобие с частицами вещества и антивещества, но для элементарных частиц, как увидим, причины их принадлежности к веществу или антивеществу – оказываются заключены в другом.
Дислокация в обычном кристалле – способна свободно двигаться сквозь кристалл, не встречая сопротивления. Нужно лишь подтолкнуть её (например, звуковой волной или другой дислокацией). Известно, что движение дислокации в обычном кристалле – подчиняется формулам теории относительности (т. н. преобразованиям Лоренца), если скорость света в них – заменить скоростью звука, т. к. последняя является предельной скоростью в обычных средах, вместо скорости света. Благодаря этому, для дислокаций – характерны эффекты, следующие из теории относительности (= т. н. релятивистские эффекты), в т. ч. рост массы (но т. н. эффективной массы), сокращение длины в направлении движения (но с приближением скорости дислокации к скорости звука, а не света), и т. п.
Дислокации, аналогичные таковым в обычных кристаллах, но существующие в кристаллической среде вакуума, как основа элементарных частиц – уже многое значит для объяснения сути и общих свойств элементарных частиц, т. к. позволяет легко подойти к объяснению причины, почему существует электрон, и не существует пол-электрона, т. е. подойти к объяснению наблюдаемой неделимости элементарных частиц, а также обнаружить причину размазанности частицы по неограниченному пространству, её корпускулярно-волнового дуализма, сущности искривлений пространства-времени (= полей), и т. п.
Для объяснения же разнообразных частных свойств элементарных частиц (в т. ч. спина, зарядов полей, и всевозможных квантовых чисел, определяющих виды частиц), этого, однако – оказывается мало, и требуется более подробное рассмотрение структуры вакуума, из которой эти свойства оказываются вытекающими:
