Итак, в начале 30-х годов XX столетия в процессе изучения субмикроскопического мира наступил этап, принесший было уверенность в том, что "строительные кирпичики" материи наконец открыты. Было известно, что вся материя состоит из атомов, а атомы – из протонов, нейтронов и электронов. Эти так называемые "элементарные" частицы воспринимались как предельно малые, неделимые единицы материи, подобные атомам Демокрита.
Однако последующие достижения современной физики показали, что нужно отказаться от представлений об элементарных частицах как о мельчайших составляющих материи. Усовершенствование техники проведения экспериментов и создание новых приборов регистрации элементарных частиц (детекторов) привело к тому, что к 1935 году было известно уже не три, а шесть элементарных частиц, к 1955 году – восемнадцать, а к настоящему времени их известно более четырехсот. В такой ситуации слово "элементарный" уже неприменимо. Какая уж тут элементарность, если фотон может породить пару электрон – позитрон, при столкновении протонов и нейтронов могут рождаться пи-мезоны, пи-мезон распадается на мюон и нейтрино и т. д.? Универсальная превращаемость частиц – одно из самых общих свойств микромира.
Античастицы. Эксперименты показали, что частицы, ограниченные в пределах ядра, движутся со скоростью, близкой к скорости света. Следовательно, для описания ядерных явлений и точного понимания мира атома квантовая теория не является всеобъемлющей. Она должна быть дополнена теорией относительности Эйнштейна, которая оказала сильное воздействие на наши представления, в частности, о материи, заставив нас существенно пересмотреть понятие частицы. В классической физике масса тела всегда ассоциировалась с некоей неразрушимой материальной субстанцией, из которой, как считалось, были сделаны все вещи. Теория относительности показала, что масса не имеет отношения ни к какой субстанции, являясь одной из форм энергии (2).
Однако энергия – это динамическая величина, связанная с деятельностью (или процессом). Тот факт, что масса частицы может быть эквивалентна определенному количеству энергии, означает, что частица должна восприниматься не как нечто неподвижное и статичное, а как динамический паттерн, процесс, вовлекающий энергию, которая проявляет себя в виде массы частицы.
Начало новому взгляду на частицы положил английский физик Поль Дирак, который первым начал процесс объединения двух великих теорий. Дирак составил уравнение, которое описывало движение электронов с учетом законов квантовой механики и теории относительности, и получил неожиданный результат. Формула для энергии электрона давала два решения: одно соответствовало уже знакомому электрону, частице с положительной энергией и отрицательным электрическим зарядом, другое – частице, у которой энергия была отрицательной, а заряд положительным. В квантовой теории поля состояние частицы с отрицательной энергией интерпретируется как состояние античастицы, обладающей положительной энергией и положительным зарядом (4).
В 1932 году американский физик К.-Д. Андерсен экспериментально обнаружил антиэлектрон в космических лучах и назвал эту частицу позитроном. В 1936 году в космических лучах были обнаружены отрицательные и положительные мюоны, являющиеся частицей и античастицей по отношению друг к другу. В 1955 году в опытах на ускорителе были зарегистрированы первые антипротоны, а несколько позже – антинейтроны. К 1981 году экспериментально были обнаружены античастицы практически всех известных элементарных частиц (4).
Дирак обратил внимание на то, что нереальные частицы с отрицательной энергией возникают из своих положительных "антиблизнецов". В результате исследований он пришел к выводу, что пустое четырехмерное пространство Эйнштейна заполнено без предела электрон-позитронными парами, которые до поры до времени никак не проявляют себя. "Этот океан (физический вакуум) заполнен электронами без предела для величины отрицательной энергии, и поэтому нет ничего похожего на дно в этом электронном океане" (2). Образно выражаясь, пространственный вакуум есть бушующий океан отрицательной энергии. Это значит, что в громадном энергетическом океане вакуума Вселенной, который внешне нам кажется совершенно инертным и спокойным, на самом деле невесомые и незримые волны отрицательной энергии непрестанно бушуют с колоссальной скоростью, близкой к скорости света.
Согласно теории Дирака, вакуум битком набит различными античастицами, но мы не можем их обнаружить, потому что они существуют в мире отрицательных энергий и сверхсветовых скоростей, откуда мы физически не можем получить какие бы то ни было сигналы. Как черное тело невозможно увидеть в темноте, так и античастицы не могут быть обнаружены в физическом пространстве.
"Океан" ненаблюдаем до тех пор, пока на него не подействуют определенным образом. Когда же в этот "океан" попадает, например, богатый энергией световой квант – фотон, то он при определенных условиях заставляет "океан" выдать себя, выбивая из него одну из многочисленных античастиц.
Эксперименты показали, что пары частиц и античастиц возникают при наличии достаточного количества энергии и превращаются в чистую энергию при обратном процессе аннигиляции.
Например, если весомый электрон встретится с весомым позитроном, то они превратятся в невесомую энергию двух фотонов, суммарная масса которых будет равна удвоенной массе покоя электрона. Если нам как-то удастся "ударить этой удвоенной массой по вакууму", то он вытолкнет из себя пару элементарных частиц (электрон и позитрон) с почти нулевой скоростью. Новорожденные в непосредственной близости электрон и позитрон притягиваются друг к другу электростатическими силами и превращаются в невесомую энергию. Круг замыкается.
Если же весомый протон встретится с весомым антипротоном, то они превратятся в невесомую энергию двух фотонов, суммарная масса которых будет равна удвоенной массе покоя протона. Если нам как-то удастся "ударить такой удвоенной массой фотонов по вакууму", то он вытолкнет из себя пару элементарных частиц (протон и антипротон) с почти нулевой скоростью. Новорожденные в непосредственной близости протон и антипротон притягиваются друг к другу электростатическими силами и превращаются в невесомую энергию. То же самое произойдет и с другими парами частиц и античастиц. Это значит, что досветовые скорости вещества устойчивы. Иными словами, не так-то легко "утопить" вещество в бушующем океане отрицательной энергии вакуумного пространства.
Существование процессов синтеза и аннигиляции частиц было предсказано теорией Дирака до того, как они были открыты в природе, и с тех пор наблюдались в лаборатории миллионы раз. А теоретической основой для открытий послужил дираковский физический вакуум.
Физика высоких энергий
Возможность возникновения материальных частиц из чистой энергии является прекрасным подтверждением правильности теории относительности. До использования теории относительности при рассмотрении частиц ученые, по сути, решали для себя один вопрос: возможно ли бесконечно делить материю на все более мелкие единицы, или все же существуют мельчайшие неделимые частицы?
Способности человека поражают. Изощренный человеческий ум позволил ученым разделить даже субатомные частицы, столкнув их друг с другом с огромной энергией. Высокоэнергетические столкновения субатомных частиц – основной метод, который используют физики для изучения их свойств, и по этой причине физика частиц носит также название физики высоких энергий. Кинетическая энергия обеспечивается в огромных (достигающих в окружности нескольких миль) ускорителях частиц, в которых частицы разгоняются до скорости, близкой к скорости света, а затем они сталкиваются с другими частицами.
Процесс подготовки. Например, целью эксперимента являются наблюдение и измерение интересующей физиков частицы. Необходимо предварительно подготовить исследуемую частицу: либо изолировать ее, либо создать специально в процессе подготовки эксперимента. Затем разогнать ее в ускорителе частиц до скорости, близкой к скорости света. Когда необходимое количество энергии приобретено, частица покидает ускоритель и перемещается в район мишени, где сталкивается с другими частицами. Рассмотренный этап эксперимента называется подготовкой. Свойства частицы нельзя определить независимо от самого процесса подготовки. Если в подготовку вносятся изменения, свойства частицы тоже изменяются.
Столкновения происходят в пузырьковой камере, которая представляет собой прибор для регистрации следов (треков) заряженных частиц высоких энергий. Большинство частиц, возникающих при столкновениях, очень недолговечны и существуют гораздо меньше одной миллионной доли секунды, после чего они снова распадаются на протоны, нейтроны и электроны. Но, несмотря на крайне непродолжительный срок существования, ученые сумели не только обнаружить эти частицы и измерить их характеристики, но и сфотографировать их следы.
Пузырьковая камера изобретена в 1952 году американским ученым Д. Глейзером, ставшим в 1954 году лауреатом Нобелевской премии по физике. Ее действие основано на вскипании перегретой жидкости вблизи траектории частицы. Прохождение заряженной частицы через перегретую жидкость приводит к образованию вдоль следа частицы "зародышевых" центров кипения. За время порядка 0,5–3 мс образующиеся на зародышах пузырьки достигают размеров 50-300 мкм и могут быть сфотографированы при освещении их импульсным источником света (4). Сами частицы на несколько порядков меньше пузырьков, составляющих следы частиц, но по толщине и искривленности трека физики могут определить, какая частица его оставила. В точках, из которых исходит несколько треков, происходят столкновения частиц; искривления возникают из-за использования исследователями магнитных полей.
В последнее время с целью увеличения энергии столкновения широко применяют встречные пучки, формируемые ускорителями и так называемыми накопительными кольцами: протон-протонные, протон-антипротонные, электрон-электронные, электрон-позитронные. Эти пучки пересекаются, и частицы разных пучков вступают во взаимодействие. В результате они рассеиваются: изменяется состояние их движения, или рождаются новые частицы. С помощью детекторов рассеянные частицы регистрируются и измеряются их характеристики (12).
Столкновения частиц – основной экспериментальный метод для изучения их свойств и взаимодействий, и красивые линии, спирали и дуги в пузырьковых камерах имеют первостепенное значение для современной физики. Подвергая математическому анализу следы частиц, ученые могут говорить о свойствах этих частиц; при этом часто используют компьютеры, ибо анализ очень сложен. Все эти процессы составляют акт измерения.
О спине. Значительная часть необъясненных пока физических эффектов, полученных в ускорителях, связана с поведением частиц, обладающих спином. Спин (от англ. spin – вертеться, вращаться) – собственно момент количества движения элементарной частицы, имеющей квантовую природу, не связанный с перемещением частицы как целого.
Разгоняя в ускорителе поток частиц со спинами, одинаково ориентированными относительно спинов частиц мишени, ученые зафиксировали необычное их поведение. Частицы налетающего потока вели себя так, как будто между ними и частицами мишени не существовала сила электрического отталкивания, которая, казалось бы, должна была возникнуть из-за их одинакового электрического заряда. И наоборот, если ориентация спинов в налетающем потоке и в мишени была разная, результаты оказывались другими.
Многочисленные эксперименты, в которых важную роль играют спины частиц, выявили такие эффекты, которые невозможно объяснить с точки зрения обычных теоретических постановок.
Концепция спина была введена в физику в 1925 году американскими учеными Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом, предположившими на основе анализа спектроскопических данных, что электрон можно рассматривать как "вращающийся волчок" с собственным механическим моментом и собственным (спиновым) магнитным моментом (2). Кроме массы и заряда элементарная частица приобрела еще одну важнейшую характеристику – спин. Спин измеряется в единицах постоянной Планка и характеризуется спиновым квантовым числом, которое для определенных групп элементарных частиц принимает целочисленные или полуцелые значения. Например, спин электрона, протона, мюона, нейтрино и гипотетических кварков равен 1/2; спин пи– и К‑мезонов равен 0; спин фотона равен 1.
В науке появились серьезные основания предполагать существование специфических взаимодействий и соответствующих им полевых форм, порожденных классическим спином и угловым моментом вращения. Причем экспериментальные данные показывают, что эти взаимодействия принципиально отличаются от известных фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое, гравитационное и электромагнитное.
Интересные результаты, связанные с дальнодействием сил, порожденных телами, обладающими собственным моментом вращения, получены, например, в теоретической астрофизике: сформулированы гипотезы о возможных эффектах, связанных с моментами вращения таких объектов, как звезды, галактики и черные дыры. В частности, советский астрофизик Н. А. Козырев, исследуя поле, характеризующее поток времени, источником которого являются звезды – объекты с большим моментом вращения, по существу, исследовал спиновые поля. Его работы позволили предположить, что воздействие от объектов, обладающих моментом вращения, распространяется со скоростью неизмеримо большей, чем скорость света. Анализ выполнялся на базе таких параметров, как масса, заряд и момент вращения.
Человек как часть измерительной системы. Если прибор искажает то, что измеряет, то квантовая теория справедливо выдвигает требование к эксперименту: наблюдаемая система должна быть свободна от внешних воздействий, вызванных процессом наблюдения, на протяжении определенного периода времени между подготовкой и последующим измерением. Это возможно только в том случае, если подготавливающие и измеряющие приспособления находятся на большом физическом удалении друг от друга. Насколько большим должно быть пространство между приборами и объектом? В принципе, оно должно быть бесконечно большим. Только в этом случае исследуемая частица будет представлять собой самостоятельную физическую единицу.
На практике это невозможно, да и не нужно. Здесь нам следует не забывать об основном принципе современной науки – принципе относительности всех понятий и теорий. В данном случае это означает, что понятие самостоятельной физической единицы не обязательно должно быть четко определено: достаточно приблизительного определения. Это делается следующим образом. Наблюдаемый объект (частицу) представляют не самостоятельной единицей, а воплощением взаимодействия между процессами подготовки и измерения, некой промежуточной системой между ними. В этом случае вся макроскопическая система образует единое целое и понятие изолированного объекта утрачивает смысл.
Благодаря этому измерительные приборы и сами ученые представляют собой единую комплексную систему, которая не делится на самостоятельные, четко определенные части. Причем человек-наблюдатель необходим не только для того, чтобы наблюдать свойства объекта, но и для того, чтобы дать определение самим этим свойствам. Дело в том, что в атомной физике мы не можем говорить о свойствах объекта как таковых. Они имеют значение только в контексте взаимодействия объекта с наблюдателем. Наблюдатель решает, каким образом он будет осуществлять измерения, и в зависимости от своего решения получает характеристику свойства наблюдаемого объекта. Если эксперимент проводится по-другому, то свойства наблюдаемого объекта тоже изменяются.
Итак, на уровне атома "объекты" могут быть поняты только в терминах взаимодействия между процессами подготовки и наблюдения. Конечным звеном цепочки всегда будет человеческое сознание. Измерения – это такие взаимодействия, которые порождают определенные "ощущения" в нашем сознании, например зрительное ощущение вспышки света или темного пятнышка на фотографической пластинке, а законы атомной физики говорят нам, с какой вероятностью атомный объект будет порождать определенное ощущение, если мы позволим ему взаимодействовать с нами. "Естественные науки, – говорит Гейзенберг, – не просто описывают и объясняют явления природы; это часть нашего взаимодействия с природой".
Следовательно, в атомной физике ученый не может играть роль стороннего наблюдателя, он обречен быть частью наблюдаемого им мира до такой степени, что он сам воздействует на свойства наблюдаемых объектов. Ученик Эйнштейна, известный теоретик Джон Уиллер, считая активное участие наблюдателя самой важной особенностью квантовой теории, предложил заменить слово "наблюдатель" словом "участник". По словам самого Уиллера:
Самое важное в квантовом принципе – это то, что он разрушает представление о мире, "бытующем вовне", когда наблюдатель отделен от своего объекта плоским стеклянным экраном толщиной в двадцать сантиметров. Даже для того, чтобы наблюдать такой крошечный объект, как электрон, приходится разбить стекло. Наблюдатель должен забраться под стекло сам, разместить там свои измерительные приборы. Он должен сам решить, что измерять – импульс или местонахождение. Если ввести туда оборудование, способное измерить одну из этих величин, это исключит возможность размещения аппаратуры, способной измерить другую. Более того, в процессе измерения изменяется состояние самого электрона. После этого Вселенная никогда не станет такой, какой она была раньше. Для того чтобы описать то, что происходит, нужно зачеркнуть слово "наблюдатель" и написать "участник". В каком-то непредвиденном смысле наша Вселенная – это участвующая Вселенная (13).
Лауреат Нобелевской премии по физике Брайан Джозефсон как-то заметил, что в упорных поисках странных новых частиц физики, возможно, создают свою собственную реальность. Например, конкретная частица, названная аномалоном, обладает свойствами, меняющимися от лаборатории к лаборатории. Предполагают, что свойства этой частицы зависят от того, кто находит и создает ее (17).
А физик Э. Уолкер в своей книге "Физика сознания. Квантовый разум и значение жизни" пишет: "Мы открыли, что наблюдатель – доступный инструмент реальности, и мы соприкоснулись со своей собственной природой… Мы обнаружили постоянно действующее там сознание, смотрящее на нас как на актеров на сцене реальности и играющее роль писателя, пишущего пьесу, в которой мы играем" (18).