Теория поля в современной физике заставляет нас отказаться от традиционного противопоставления материальных частиц и пустоты. И уравнения гравитационного поля Эйнштейна, и квантовая теория поля утверждают, что частицы неразрывно связаны с окружающим пространством и не могут рассматриваться отдельно от него. С одной стороны, частицы определяют структуру этого пространства, с другой — это не самостоятельные субстанции, а скорее, сгустки бесконечного поля, пронизывающего всё пространство. Квантовая теория поля видит в этом поле основу существования и взаимодействия всех частиц.
Поле существует всегда и везде; оно не может исчезнуть. Поле есть проводник для всех материальных явлений. Это «пустота», из которой протон создает пи-мезоны. Возникновение и исчезновение частиц — лишь формы движения поля[209].
Различие между материей и пустотой пришлось отставить в сторону, когда стало очевидно, что виртуальные частицы могут спонтанно возникать «из пустоты» и снова в ней исчезать. Это происходит даже в случаях, когда поблизости нет нуклонов или других частиц, которые участвуют в сильных взаимодействиях. На рисунке 38 показана «вакуумная диаграмма», где изображен один из подобных процессов: три частицы — протон (р), антипротон () и пион (π) — образуются из ничего, а затем снова исчезают в вакууме. Теория поля утверждает, что события такого рода происходят постоянно. Поэтому вакуум не может считаться пустым. Он содержит бесчисленное множество без конца возникающих и исчезающих частиц.
Рис. 38. Вакуумная диаграмма
Здесь снова возникает близкая параллель между понятием Пустоты в восточном мистицизме и современной физикой. Как Пустота, «физический вакуум» в теории поля не является состоянием отсутствия существования, но содержит возможность возникновения самых разнообразных форм мира частиц. Эти формы — не самостоятельные физические единицы, а переходящие воплощения Пустоты, лежащей в основе всего бытия. Как говорится в одной сутре, форма есть пустота, а пустота есть форма.
Отношения между виртуальными частицами и вакуумом имеют динамическую природу; вакуум — «живая пустота» в полном смысле этого слова, в пульсации которой берут начало бесконечные ритмы создания и разрушения. Большинство физиков считают открытие динамической сущности вакуума одним из важнейших достижений современной физики. Из пустого контейнера для всех физических явлений пустота превратилась в крайне важную динамическую величину. Таким образом, результаты исследований современной физики подтверждают правоту слов великого мыслителя Чжана Цзая.
Для того, кто знает, что Великая Пустота наполнена ци, нет такого понятия, как несуществование[210].
Глава 15. Космический танец
В ходе изучения субатомного мира в XX в. физики обнаружили, что вещество по природе своей изменчиво, а составные части атома, субатомные частицы — динамические структуры, существующие не в виде самостоятельных единиц, а в виде неотъемлемых компонентов неразрывной сети взаимодействий. Последние создают непрекращающийся поток энергии, проявляющийся в обменах частицами, динамическом чередовании стадий их рождения и разрушения, а также постоянных изменениях энергетических паттернов. В результате взаимодействий частиц образуются устойчивые структуры, из которых и состоит материальный мир. Эти структуры тоже не остаются неподвижными, а ритмически осциллируют, периодически превращаясь друг в друга. Вся Вселенная оказывается вовлечена в бесконечный процесс движения и активности — постоянный космический танец энергии.
Этот танец имеет множество паттернов, которые можно разделить на несколько основных разновидностей. Изучение субатомных частиц и их взаимодействий открывает нам не мир хаоса, а мир в высшей степени упорядоченный. Все атомы, а значит, и все формы материи вокруг нас — сочетания всего трех частиц, обладающих массой: протона, нейтрона и электрона. Четвертая, фотон, не имеет массы покоя и является квантом электромагнитного излучения. Протон, электрон и фотон — устойчивые частицы, которые способны существовать вечно, если не участвуют в столкновениях с другими частицами. Распад нейтрона может спонтанно произойти в любой момент. Этот процесс, получивший название «бета-распада», — обычный механизм одного из видов радиоактивности. Он заключается в преобразовании нейтрона в протон и возникновении электрона и еще одной безмассовой частицы, носящей название нейтрино. Подобно протону, электрону и фотону, нейтрино характеризуется устойчивостью. Обычно его обозначают греческой буквой ν («ню»), и символическая запись процесса бета-распада выглядит так:
Преобразование нейтронов в протоны в атомах радиоактивного вещества влечет преобразование этих атомов в атомы другого элемента. Возникающие в ходе этого процесса электроны испускаются атомами в виде излучения, которое широко применяется в биологии, медицине и промышленности. Установить факт рождения нейтрино, хотя они испускаются в таком же большом количестве, гораздо сложнее: эти частицы не имеют ни массы[211], ни электрического заряда.
Для каждой частицы существует античастица с такой же массой и противоположным зарядом. Античастицей для фотона является сам фотон; античастица электрона называется позитроном; также нам известны антипротон, антинейтрон и антинейтрино. На самом деле безмассовая частица, которая возникает в процессе бета-распада, представляет собой не нейтрино, а его античастицу, антинейтрино (), и процесс корректно может быть записан так:
Упоминавшиеся до сих пор частицы — малая часть субатомных частиц, известных современной науке. Все остальные очень неустойчивы; они очень быстро распадаются на другие частицы, которые, в свою очередь, могут тоже подвергаться распаду, пока не образуются устойчивые частицы. Исследование неустойчивых частиц очень дорогостоящее: для каждого эксперимента их приходится создавать заново, что невозможно без огромных ускорителей, пузырьковых камер и других сложных устройств для обнаружения частиц.
Многие неустойчивые частицы существуют очень недолго по сравнению с временными масштабами макромира — меньше миллионной доли секунды. Но продолжительность их жизни следует соотносить с их размерами, которые тоже очень невелики. Тогда очевидно, что на самом деле эти частицы существуют довольно долго и одна миллионная доля секунды — гигантский срок в мире частиц. Человек за секунду может преодолеть расстояние, которое в несколько раз превышает его размеры. Для частицы аналогичной единицей времени будет промежуток, в течение которого она преодолевает расстояние, которое превышает ее размеры в несколько раз; ее можно назвать «частице-секундой». Физики оценивают продолжительность этой единицы в 10–23 доли обычной секунды[212].
Чтобы преодолеть расстояние, равное диаметру ядра атома среднего размера, частице, движущейся со скоростью, близкой к световой (как во время экспериментов по столкновению частиц), нужно примерно 10 таких частице-секунд. Всего около двух дюжин из всего множества неустойчивых частиц, прежде чем подвергнуться распаду, преодолевают расстояния, равные размерам нескольких атомов. Оно превышает их размеры примерно в сто тысяч раз, и для его преодоления требуется несколько сот «частице-часов». Эти частицы, наряду с уже упоминавшимися устойчивыми, перечислены в табл. 3.
Таблица 3. Устойчивые и сравнительно долго живущие частицы
Таблица включает 13 различных видов частиц, многие из которых способны существовать в нескольких «зарядовых состояниях». Так, пионы могут иметь положительный заряд (π+), отрицательный (π—) или быть электрически нейтральными (π0). Существует две разновидности нейтрино, различающиеся тем, что каждая из них может взаимодействовать только с определенным типом частиц: первая — с электронами (νе), вторая — с мюонами (νμ). Античастицы тоже включены в таблицу, причем три частицы могут быть своими собственными античастицами (γ, π0, η). Все частицы расположены в порядке возрастания массы атомов: фотоны не имеют массы покоя, масса нейтрино крайне мала, электрон представляет собой легчайшую частицу с точно измеренной массой, мюоны, пионы и каоны в несколько сот раз тяжелее электрона; остальные частицы тяжелее электрона в 1000–3000 раз.
Большинство неустойчивых частиц из таблицы могут до распада переместиться на сантиметр или даже несколько сантиметров, а неустойчивые частицы с наибольшей продолжительностью существования — миллионные доли секунды — преодолеть расстояние даже в несколько сотен метров, которое кажется огромным по сравнению с их размерами.
Все остальные известные частицы относятся к числу «резонансов». Им будет посвящена следующая глава. Резонансы еще менее долговечны, их распад происходит за несколько частице-секунд, и они не могут преодолевать расстояния, превышающие их размеры больше чем в несколько раз. Это значит, что в пузырьковой камере обнаружить их невозможно. Свидетельства их существования могут быть только косвенными. Следы из пузырьков в пузырьковых камерах оставляют только те частицы, которые перечислены в табл. 3. В процессе столкновения они могут возникать и прекращать свое существование, а также превращаться в виртуальные частицы, участвуя во взаимодействиях. Казалось бы, в такой ситуации общее число возможных типов взаимодействий между частицами может быть очень большим, но по причине, которая нам не известна, все взаимодействия делятся на четыре разновидности, характеризующиеся различной степенью присутствующих сил. Перечислим их: