Джон Гриббин – В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность (страница 39)

до формы блина. Но даже с учетом этого в его непосредственной близости должны быть заметны характерные искривления пространства-времени. «Настоящее» путешествие во времени, быть может, и не является невозможным - лишь крайне сложным и очень-очень маловероятным. Это только верхушка гигантского айсберга, однако она заставляет нормальность путешествий во времени на квантовом уровне казаться несколько более приемлемой. И квантовая теория, и теория относительности разрешают путешествия во времени разных типов. А все, что допустимо для обеих теорий, каким бы парадоксальным оно ни казалось, должно приниматься всерьез. Путешествия во времени - это, без сомнения, неотъемлемое и очень странное свойство мира частиц, где можно даже получить нечто из ничего, если, конечно, успеть.

Нечто из ничего

В 1935 году двадцативосьмилетний лектор по физике из университета Осаки Хидэки Юкава предложил объяснение того, как нейтроны и протоны могут удерживаться вместе внутри атомного ядра, несмотря на положительный заряд, который стремится разорвать ядро на части электрическими силами. Естественно, должно существовать другое, более сильное взаимодействие, которое при некоторых обстоятельствах может пересиливать электрическое. Электрическое взаимодействие переносится фотоном, поэтому это сильное ядерное взаимодействие, по рассуждениям Юкавы, также должно переноситься некой частицей. Свойства этой частицы, получившей название мезона, были предсказаны посредством применения квантовых законов к ядру. Как и фотон, мезон является бозоном, однако обладает единичным, а не нулевым спином. В отличие от фотонов, у мезонов очень короткое время жизни, из-за чего их можно наблюдать за пределами ядра лишь при особых условиях. В свое время семейство мезонов было обнаружено, хотя не совсем так, как предсказывал Юкава, но достаточно близко к его прогнозу, чтобы показать, что идея о том, что ядерные частицы обмениваются мезонами, переносящими сильное ядерное взаимодействие, работает таким же образом, как и обмен фотонами, переносящими электрическое взаимодействие. В 1949 году Юкава заслуженно получил Нобелевскую премию по физике.

Данное подтверждение того, что ядерные силы, как и электрические, можно представить исключительно в виде взаимодействия между частицами, является краеугольным камнем современного мира физики. Все силы сегодня рассматриваются как взаимодействие.

Рис. 9.9. На диаграмме Фейнмана две частицы взаимодействуют посредством обмена третьей частицей. В этом конкретном случае перед нами могут быть два электрона, которые

обмениваются фотоном и отталкиваются друг от друга.

Однако откуда появляются частицы, которые переносят взаимодействия? Они происходят из ниоткуда, появляясь из ничего в соответствии с принципом неопределенности.

Рис. 9.10. Старая идея о «действии на расстоянии» (слева) заменяется идеей о частицах - переносчиках силы.

Принцип неопределенности применим к комплементарным свойствам времени и энергии, а также к положению импульса. Чем меньше неопределенность о задействованной в процессе энергии на уровне частиц, тем больше неопределенность о времени события - и наоборот. Электрон не существует сам по себе, поскольку он может нести энергию из соотношения неопределенности лишь короткий промежуток времени и использовать ее для создания фотона. Загвоздка в том, что почти сразу после того, как фотон появился, он должен быть снова поглощен электроном, до того как мир «заметит», что был нарушен закон сохранения энергии. Фотоны существуют лишь крошечную долю секунды, менее чем 10-15 с, однако они постоянно появляются и исчезают вокруг электронов. Электрон словно окружен облаком «виртуальных» фотонов, которым требуется лишь небольшой толчок, небольшая энергия снаружи, чтобы освободиться и стать реальными. Электрон, который движется из возбужденного состояния в более низкоэнергетическое состояние в атоме, сообщает тем самым избыток энергии одному из своих виртуальных фотонов, заставляя его свободно улетать. Электрон, который поглощает энергию, захватывает свободный фотон. Процесс такого же рода склеивает ядро воедино.

Рис. 9.11. Два разных взгляда на одно и то же взаимодействие частиц - достаточно просто заменить входящее нейтрино на исходящее антинейтрино. Это процесс бета-распада, посредством которого нейтрон превращается в протон, электрон и нейтрино.

Грубо говоря, поскольку масса и энергия взаимозаменяемы, «область действия» силы обратно пропорциональна массе частицы, склеивающей ядро, или массе самой легкой из частиц, если в процессе задействовано больше одной частицы. Так как фотоны не имеют массы, область действия электромагнитной силы теоретически бесконечна, хотя на бесконечном расстоянии от заряженной частицы она становится бесконечно малой. Гипотетические мезоны Юкавы обладали такой крошечной областью действия, определяемой областью действия сильного ядерного взаимодействия, что они должны были обладать массой, в 200 или 300 раз превышающей массу электрона. По меркам частиц, мезоны огромны. Конкретные мезоны, связанные с сильным ядерным взаимодействием, были в 1946 году обнаружены в космическом излучении и названы пимезонами, или пионами. Незаряженный или нейтральный пион обладает массой, в 264 раза превосходящей массу электрона, а положительный и отрицательный пионы весят в 273 раза больше электрона. Округлив, мы поймем, что их масса равняется примерно одной седьмой массы протона. И все же два протона в ядре держатся вместе посредством неоднократного обмена пионами, которые весят существенную долю массы самих протонов, а без протонов вовсе теряют собственную массу. Это возможно только потому, что протоны способны извлекать выгоду из принципа неопределенности. Пион создается, переходит к другому протону и исчезает в мерцании неопределенности, которая возникает тогда, когда Вселенная «не смотрит». Протоны и нейтроны - нуклоны - могут обмениваться мезонами, только находясь очень близко друг к другу, по сути «соприкасаясь», если использовать подходящее выражение из обычного мира. Иначе виртуальные пионы не могут перепрыгнуть сквозь зазор за время, отведенное им в соответствии с принципом неопределенности. Таким образом, эта модель очень ловко объясняет, почему сильное ядерное взаимодействие является силой, которая не оказывает эффекта на нуклоны за пределами ядра, но оказывает огромный эффект на нуклоны внутри ядра55.

Итак, протон даже в большей степени, чем электрон, является центром собственного облака активности. Двигаясь по своему пути в пространстве (и времени), свободный протон

Фактически Юкава осуществил свои расчеты в обратном порядке. Он знал область действия сильного ядерного взаимодействия, и это позволило ему установить границы для неопределенности времени, задействованной во взаимодействиях нуклонов. Это, в свою очередь, дало ему примерное представление об энергии, или массе, частиц, которые переносят взаимодействие (или становятся посредниками в нем).

постоянно испускает и снова поглощает как виртуальные фотоны, так и виртуальные мезоны. И все же этот феномен можно рассмотреть и под другим углом. Представьте всего один протон, который испускает всего один пион и снова поглощает его. Просто. Но взгляните на это по-другому. Сначала есть один протон, затем один протон и пион и, наконец, снова один протон. Так как протоны являются неделимыми частицами, мы вправе сказать, что первый протон исчезает и отдает свою энергию массы, добавляя к ней еще немного энергии, позаимствованной у принципа относительности, чтобы создать пион и новый протон. Вскоре после этого две частицы сталкиваются и исчезают, в процессе создавая третий протон и восстанавливая энергетический баланс Вселенной. Зачем на этом останавливаться? Разве наш первый протон не может отдать свою энергию, добавив к ней еще немного, чтобы создать нейтрон и положительно заряженный пион? Может. Но разве тогда протон не может заменить этот положительно заряженный пион на нейтрон, чтобы он «стал» нейтроном, а нейтрон «стал» протоном? Это тоже возможно, как возможен и обратный процесс, при котором нейтроны «превращаются» в протоны и отрицательно заряженные пионы.

Теперь все становится сложнее, так как нет смысла останавливаться и на этом. Одиночный пион может точно так же на короткое время превратиться в нейтрон и в антипротон, а затем вернуться в нормальное состояние, причем это может произойти и с виртуальным пионом, который сам является частью диаграммы Фейнмана для протона или нейтрона. Протон, который спокойно движется по своему пути, может взорваться вихрем виртуальных частиц, взаимодействующих друг с другом, а затем снова собраться в самого себя. Все частицы можно считать комбинациями других частиц, задействованных в том, что Фритьоф Капра назвал «космическим танцем». Но история не заканчивается и на этом. Пока мы еще не получили нечто из ничего, хотя и получили многое из малого. Теперь давайте обратим внимание на крайности.

Рис. 9.12. Все фундаментальные силы можно представить в качестве обмена частицами. На этих примерах две тяжелые частицы (М) взаимодействуют посредством обмена гравитоном (Г), а два кварка взаимодействуют посредством обмена глюоном.