Все четыре типа взаимодействий осуществляются за счет особых частиц — переносчиков взаимодействия, называемых бозонами. Фотон переносит электромагнитные взаимодействия, гравитон — гравитационные, глюоны — сильные взаимодействия, промежуточные векторные (калибровочные) бозоны — слабые взаимодействия. Характер физических взаимодействий определяется свойствами частиц — переносчиков взаимодействия. Бозоны окружают частицы вещества (фермионы) и взаимодействие последних является результатом взаимного «обстрела» друг друга бозонами. «Если использовать грубую аналогию, это похоже на изменение траектории двух конькобежцев, обстреливающих друг друга градом шаров для боулинга»[70]. Частицы вещества в результате взаимного обстрела могут не только отталкиваться, но и притягиваться друг к другу. Поэтому бозоны как бы передают послания о том, как следует реагировать фермионам. Так, при электромагнитном взаимодействии «частицам, несущим одинаковый заряд, фотон передает сообщение „отдаляйтесь“, а частица с разноименным зарядам — „сближайтесь“ Аналогичным образом глюоны и слабые калибровочные бозоны являются частицами — посланниками сильного и слабого взаимодействия»[71].
Во второй половине XX в. основные усилия физиков-теоретиков сосредоточились на том, чтобы построить теории, объединяющие основные физические взаимодействия. В физике элементарных частиц были созданы так называемая электрослабая теория, объединившая электромагнитные и слабые взаимодействия, квантовая хромодинамика (теория сильных взаимодействий), а затем электрослабая теория и квантовая хромодинамика были соединены в теорию великого объединения (так назвали объединение трех негравитационных взаимодействий). Последняя получила также название стандартной модели физики элементарных частиц.
Данные теории позволили сформировать представление об этапах Большого взрыва, каждый из которых начинается при достижении определенной температуры. Дело в том, что при температуре более 1015 градусов электромагнитные и слабые силы становятся идентичными по своим свойствам и объединяются в электрослабые силы, описанные электрослабой теорией. Сильные и электрослабые силы объединяются при температуре 1027. Это описывает теория великого объединения. Обе теории, как и квантовая теория сильных взаимодействий, выдержали экспериментальную проверку.
Одна из главных задач современной физики — создать общую теорию всех четырех физических взаимодействий. На эту роль претендует так называемая теория струн. Ее называют теорией «всего сущего», или «окончательной» теорией. Данные выражения являются метафорическими и смысл их в том, что с помощью теории струн пытаются познать самый глубинный уровень физической реальности, основываясь на котором можно объяснить и все остальные.
Теория струн принципиально отличается от стандартной модели физики элементарных частиц, поскольку предполагает наличие более низкого уровня организации материи — одномерных суперструн, из которых состоят элементарные частицы. Если элементарные частицы — «кирпичики» мироздания, то струны — материал, из которого они сделаны. Теория струн утверждает, что каждая элементарная частица представляет собой крошечную колеблющуюся струну, имеющую форму петли. Петли струн при использовании самого мощного современного оборудования выглядят точками — элементарными частицами. «…длина типичной петли, образованной струной, близка к планковской длине, которая примерно в сто миллиардов миллиардов раз (1020) меньше размера атомного ядра»[72]. Струны, как считают разработчики данной теории, представляют собой «последнюю матрешку» в многочисленных слоях, образующих структуру микромира наподобие букв алфавита.
В соответствии с теорией струн масса элементарной частицы определяется энергией колебания внутренней струны данной частицы. «…каждая частица представляет собой отдельную струну — и все струны являются абсолютно идентичными. Различие между частицами обусловлены различными модами резонансных колебаний этих струн. То, что представлялось различными частицами, на самом деле является различными „нотами“, исполненными на фундаментальной струне. Вселенная, состоящая из бесчисленного количества колеблющихся струн, подобна космической симфонии»[73]. Если так, то суть мира оказывается музыкальной, и весь мир, в том числе и человек, состоящим из мелодий.
В соответствии с теорией струн при температуре меньше 1032 градусов струна сжимается в точку (элементарные частицы ведут себя как точечные объекты). При температуре больше 1032 градусов силы великого объединения и гравитации объединяются в суперсилу и начинают проявляться струнные свойства частиц. Теория струн использует представления об 11 измерениях (10 пространственных плюс время). В соответствии с этой теорией возможно, что элементарные частицы и «черные дыры» являются двумя фазами одной струнной материи, как вода и лед — две фазы одного вещества.
Теория струн предполагает наличие неизвестных ныне элементарных частиц, относящихся к классу бозонов и фермионов, и, таким образом, в принципе допускает эмпирическую проверку, которая необходима для того, чтобы теория действительно стала соответствовать своему названию. Есть надежда, что на Большом адронном коллайдере удастся открыть предсказанные частицы и тем самым подтвердить теорию струн.
1. Что такое корпускулярно-волновой дуализм?
2. Что такое принцип дополнительности?
3. Каково значение вероятностных методов в квантовой механике?
4. В чем состоит специфика отношения прибор — объект в квантовой механике?
5. Чем вещество отличается от поля?
6. Сколько существует физических взаимодействий и как они называются?
I. Ответьте на вопросы.
1. Чем частица отличается от волны?
2. Чем свет отличается от звука?
3. Какая связь между просвещением в духовном смысле и физическим светом?
4. Какова роль вероятностных методов классической науки и квантовой механики?
5. Что такое химический элемент и чем он отличается от элементарной частицы?
II. Прокомментируйте высказывания.
«Дайте мне начальные данные частиц всего мира, и я предскажу вам будущее мира» (П. Лаплас).
«В 1920-е годы все еще верили в то, что есть только два вида фундаментальных взаимодействий: гравитация и электромагнетизм. Пытаясь объединить их, Эйнштейн в то время мог надеяться сформулировать универсальную физическую теорию. Однако изучение атомного ядра вскоре вскрыло необходимость в двух дополнительных взаимодействиях: сильном — чтобы ядро существовало как таковое, и слабом — чтобы дать ему возможность распадаться» (Ш.Л. Глэшоу).
«Из определения координаты и импульса в квантовой механике следует, что не существует состояний, в которых эти две физические величины (т. е. координата q и импульс р) имели бы вполне определенное значение. Эту ситуацию, неизвестную в классической механике, выражают знаменитые соотношения неопределенности Гейзенберга. Мы можем измерять координату и импульс, но неопределенности в их значениях Δq и Δр связаны между собой неравенством Гейзенберга ΔqΔp > h. Если неопределенность Δq в положении частицы сделать сколь угодно малой, то неопределенность Δр в ее импульсе обратится в бесконечность, и наоборот… Соотношение неопределенности Гейзенберга с необходимостью приводит к пересмотру понятия причинности. Мы можем определить координату с абсолютной точностью, но в тот момент, когда это происходит, импульс принимает совершенно произвольное значение, положительное или отрицательное. Это означает, что объект, положение которого нам удалось измерить абсолютно точно, тотчас же перемещается сколь угодно далеко. Локализация утрачивает смысл: понятия, составляющие самую основу классической механики, при переходе к квантовой механике претерпевают глубокие изменения» (А. Эйнштейн).
«Нам приходится решать, какое измерение мы собираемся произвести над системой и какой вопрос наши эксперименты зададут ей. Следовательно, существует неустранимая множественность представлений системы, каждое из которых связано с определенным набором операторов. В свою очередь это влечет за собой отход квантовой механики от классического понятия объективности, поскольку с классической точки зрения существует единственное объективное описание. Оно является полным описанием системы „такой, как она есть“, не зависящим от выбора способа наблюдения. Бор всегда подчеркивал новизну, нетрадиционность позитивного выбора, производимого при квантово-механическом измерении. Физику необходимо выбрать свой язык, свой макроскопический измерительный прибор. Эту идею Бор сформулировал в виде так называемого принципа дополнительности, который можно рассматривать как обобщение соотношений неопределенности Гейзенберга. Мы можем измерить либо координаты, либо импульсы, но не координаты и импульсы одновременно. Физическое содержание системы не исчерпывается каким-либо одним теоретическим языком, посредством которого можно было бы выразить переменные, способные принимать вполне определенные значения. Различные языки и точки зрения на систему могут оказаться дополнительными. Все они связаны с одной и той же реальностью, но не сводятся к одному-единственному описанию. Неустранимая множественность точек зрения на одну и ту же реальность означает невозможность существования божественной точки зрения, с которой открывается „вид“ на всю реальность. Однако принцип дополнительности учит нас не только отказу от несбыточных надежд. Бор неоднократно говорил, что от размышлений над смыслом квантовой механики голова у него идет кругом, и с ним нельзя не согласиться: у каждого из нас голова пойдет кругом, стоит лишь оторваться от привычной рутины здравого смысла. Реальный урок, который мы можем извлечь из принципа дополнительности (урок, важный и для других областей знания), состоит в конста