7. Вставка, у которой все права быть главой

Окончание этой главы мы назвали вставкой, у которой есть все права быть главой. Да, так оно и есть, эту вставку, если быть педантичным, нужно было бы превратить в отдельную главу (а, может быть, целую книгу) и поставить эту главу перед всеми остальными. Ведь речь пойдет о законах, царящих в мире элементарных частиц, из которых слагаются все окружающие нас вещи. Законы взаимодействия этих частиц и определяют, в конечном итоге, "силы в природе", о которых мы рассказываем. И если мы все же решили не начинать с такой главы и заменили такую главу скромной вставкой, то сделали это по многим причинам: путь от сложного к простому далеко не всегда наилучший; изучение математики начинается с арифметики, а не с интегралов; зачем отпугивать читателя с самого начала; и т. д.; и т. д.; и, наконец, так ли уж хорошо быть педантичным?

Было и еще одно немаловажное соображение. Оценить физическую идею можно в полной мере лишь тогда, когда понятна внутренняя логика ее появления, ее место в общей цепи познания законов природы.

И вот сейчас, закончив рассказ об электромагнитных силах в их классическом истолковании, мы можем сказать: перед тем, как продолжать рассказ о силах в природе, нам необходимо открыть новую дверь, за которой начинается та область, удивительная и порой парадоксальная, которая зовется микромир.

Прерывное в непрерывном

В науке есть свой символизм. Слово "квант" родилось или, лучше сказать, получило гражданство в науке вместе с XX веком. И любому, кого интересует "биография идей", история его рождения не может не показаться волнующей и даже трагичной.

Макс Планк был уже вполне зрелым ученым, когда его привлекла проблема излучения электромагнитных волн нагретыми телами. Формирование Планка, как и других ученых его поколения, протекало целиком под влиянием той величественной и, казалось, вполне законченной картины мира, которая именуется классической физикой. Здесь прочным фундаментом было ньютоновское понимание движения, и даже бурное развитие теории электромагнитного поля не внесло коренных изменений в его гармоничность и законченность.

Квантовая механика

Но наука сама является непрерывным движением. В ней самой вызревают силы, опрокидывающие любые "законченные" теории. Руками Макса Планка, классика в самом широком смысле этого словa, была пробита первая брешь в бастионе классической физики^*. Брешь, которой суждено было расширяться и через которую хлынул вскоре такой поток новых идей, которого сам Планк не мог предвидеть. Он, по-видимому, до самого конца своей долгой жизни так и не смог полностью с этими идеями примириться.

^*(Работы Планка по теории излучения появились в 1900 г. Теория относительности была создана в 1905 г.)

Но в чем же состояло открытие Планка?

Вы помните, что совершенно неожиданно для физиков самая, казалось, строгая теория теплового излучения приводила к явно нелепым результатам вроде того, что человеческое тело должно ярко светиться. В поисках устранения этого вопиющего несоответствия между опытом и теорией Планк показал, что все трудности исчезают, если только предположить, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями, которые были названы квантами. Заметьте, что из классической максвелловской электродинамики эти "порции" никак не вытекали. Больше того, они были для нее совершенно инородным телом.

Огромная заслуга Планка состояла в том, что он первым понял необходимость сделать логический скачок, принять предположение, противоречащее электродинамике Максвелла, чтобы добиться объяснения опытных фактов. Нужно в каком-то пункте пойти вразрез с классической теорией. Может быть, что-то во взаимодействии света с зарядами или в самих законах, управляющих электромагнитными волнами, было неточно? Планк не знал. Он установил факт. Объяснить его он не умел. А события развивались бурно.

Из того факта, что свет излучается порциями, еще не вытекает прерывистая структура самого светового луча. "Если пиво всегда продают в бутылках, содержащих пинту, - говорил Эйнштейн, - отсюда вовсе не следует, что пиво состоит из неделимых частей, равных пинте". Однако эксперименты по вырыванию светом электронов из вещества настойчиво указывали, что свет поглощается также только отдельными порциями. Излученная порция световой энергии сохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем.

Впервые эта мысль была высказана Эйнштейном в 1905 году. В развитой им "эвристической точке зрения" свет всегда как бы складывается из отдельных порций, обладающих энергией и импульсом. Порция света оказывается неожиданно очень похожей на то, что всегда раньше связывалось с частицей.

Эти свойства света так и начали называть - "корпускулярные" ("корпускулы" - значит "частицы"), а соответствующая "световая частица" получила название "фотон".

Свойства корпускул, частиц, у света и вообще у всех электромагнитных волн! Да возможно ли это? Ведь с электромагнитными волнами прочно связано представление о распределенной, размазанной в пространстве материи!

Если любого из вас спросить, почему передачу одной радиостанции можно слушать сразу с помощью множества приемников, находящихся в разных местах, то ответ, вероятно" будет такой: потому что идущие от передатчика волны захватывают очень большую площадь.

Но этот, правильный, вообще говоря, ответ касается лишь одной стороны явления. Той стороны, в которой проявляется непрерывность.

А как же, с другой стороны, примирить это с парциальностью, с квантовыми представлениями? Ведь согласно последним волны и испускаются и поглощаются порциями, квантами. И каждая из таких порций не может "разделиться на части" - приемник или поглощает ее целиком, или не поглощает вовсе.

Но ведь мы же слышим всю передачу целиком, а не отдельные кусочки, которые нам удалось урвать у соседей!

Конечно, никакого парадокса здесь нет. Энергия кванта зависит от частоты: она равняется произведению этой частоты на знаменитую универсальную постоянную Планка h^*. Даже для коротких радиоволн это произведение чрезвычайно мало. И, следовательно, посылая в эфир достаточно большую энергию, передатчик непрерывно выбрасывает громаднейшее количество квантов. Хватает на всех. Так, когда дует ветер, мы не ощущаем, что в наше лицо ударяется масса молекул. Все удары сливаются в одно ощущение мягкого напора воздуха.

^* (Мы уже встречались с этой величиной, правда, в несколько ином написании, а именно . Такое написание употребляется для краткости и означает = h/2π.)

Однако такое сглаживание происходит не всегда. И не только приборы в специально поставленных опытах, но и наши органы чувств оказываются способными это обнаружить.

В замечательных опытах С. И. Вавилова, например, было установлено, что человеческий глаз, этот тончайший из "приборов" нашего организма, способен реагировать на различие в несколько десятков квантов света.

Выло бы нелепо (да нам это, пожалуй, и не нужно сейчас) даже перечислять все опыты, которые с несомненностью подтверждают то, что в электромагнитных явлениях отчетливо проявляются как свойства волновые (т. е. те, что как будто бы с непреложностью говорят о непрерывности), так и свойства корпускулярные (т. е. такие, с которыми с той же степенью непреложности приходится связывать нечто дискретное, прерывистое).

Здесь напрашивается одна соблазнительная, казалось бы, возможность. Вспомните о ветерке, о котором мы только что говорили. Ведь там (или, еще нагляднее, в звуковых волнах) в конечном итоге тоже все сводится к движению корпускул - молекул. И лишь общая усредненная картина их движения создает то, что воспринимается как волна или ветер. Может, и световые частички - фотоны - летят себе, как подобает обычным порядочным частицам? Располагаясь в одних местах гуще, в других - реже, они и образуют то, что мы называем электромагнитной волной? Не правда ли, неплохое объяснение? Не тут-то было.

Абсолютно недвусмысленными опытами было доказано, что волновые свойства проявляются и у одного фотона. Даже у одного! Здесь есть над чем задуматься.

Но это лишь малая часть тех загадок, которые поставила перед исследователями природа.

Дуализм волн и частиц

Если с электромагнитным полем (до появления квантовой теории, во всяком случае) всегда связывалось представление о материи, непрерывно распределенной в пространстве, то электроны, наоборот, долгое время рисовались физикам как некие крохотные комочки материи. Это подчеркивалось уже самим названием "частица", постоянно сопровождавшим слово "электрон". Частица, в конечном итоге, - просто ньютоновская материальная точка. Вот как воспринимался электрон большинством исследователей. Надо сказать, что во многих случаях это представление давало возможность разобраться в очень важных явлениях. О некоторых из них мы уже говорили, рассказывая об электромагнитных силах в действии.

И вот постепенно все стали забывать, что многие черты в "классическом портрете" электрона появились, так сказать, авансом. К ним привыкли. Они сделались для многих чуть ли не само собой разумеющимися, и отказ от них протекал очень болезненно. А необходимость в таком отказе делалась все очевидней. Все больше накапливалось фактов, говоривших, что классическая электронная теория, приводя в ряде случаев к хорошему качественному описанию, далеко не безупречна, когда речь заходит об описании количественном. Более того, иногда эта теория вообще приводила к каким-то странным, парадоксальным выводам. Напомним хотя бы уже упомянутую задачу об излучении электромагнитных волн нагретыми телами или фундаментальную проблему строения атомов.

Становилось все яснее, что назревает какой-то радикальный пересмотр старых установившихся представлений.

И вот в 1923 году молодой тогда французский физик Луи де Бройль выступил с идеей, которая была настолько необычной и казалась столь парадоксальной, что нашлось немало людей, воспринявших ее иронически. Де Бройль выдвинул гипотезу, согласно которой и электрон, и любые другие частицы должны иметь волновые свойства наряду с корпускулярными. Другими словами, та ситуация, которая уже создалась для электромагнитных волн, переносилась на все без исключения виды материи.

Скептики не долго иронизировали. Прошло немного времени, и за существование у электрона волновых свойств проголосовал авторитетнейший из арбитров - опыт!

Было доказано, что электроны, отражаясь от кристалла, ведут себя абсолютно так же, как это положено добропорядочным волнам.

Сомневаться в том, что и корпускулярные, и волновые свойства имеются у материи в любом ее проявлении, стало уже невозможно.

В науку вошла идея о так называемом корпускулярно-волновом дуализме.

Что же такое корпускулярно-волновой дуализм? Буквально "дуализм" означает двойственность, единство двух качеств. И у света, и у электронов проявляются, казалось бы, взаимно исключающие друг друга свойства частиц (корпускул) и волн.

Дуализм волн

Но ведь не может же электрон (будем конкретности ради говорить о нем) быть одновременно и частицей, и волной? Ведь мы сами только что подчеркивали несовместимость этих двух образов!

По-видимому, приходится ответить: да, не может. Значит?..

Значит, сказав, что электрон и волна, и частица, мы тем самым признали, что он не является, строго говоря, ни тем, ни другим - не является ни частицей в обычном смысле слова, ни волной. (То же самое относится к фотону.) Все частицы - это, если угодно, кентавры микромира.

И если мы употребляем все же термины "волна" и "частица", то их нужно понимать в том смысле, что электрон лишь приближенно можно описывать, например, как частицу. Что значит "приближенно"?

Соотношение неопределенностей

Когда говорят "частица", "материальная точка", то в воображении рисуется комочек вещества, находящийся в определенном месте (в данный момент времени) и движущийся с определенной скоростью. На более привычном физикам языке это означает, что можно задать координаты и скорости (или импульсы - произведение массы на скорость) частицы абсолютно точно.

Сказав, что электрон лишь приближенно может рассматриваться как материальная точка, мы имели в виду, что координаты и импульсы могут быть заданы только приближенно, с некоторой ошибкой. Количественно это выражается знаменитым гейзенберговским соотношением неопределенностей.

Соотношение Гейзенберга отражает то важное обстоятельство, что чем точнее определен, например, импульс, тем большая неточность будет в определении координаты. Нам удобно будет записать это в виде простого соотношения. Обозначим через Ах неопределенность координаты, а через Ар - неопределенность, с которой задается импульс. Тогда соотношение неопределенностей запишется в виде

где h - постоянная Планка.

Сходное соотношение связывает неточность энергии и неопределенность промежутка времени, в течение которого протекает процесс:

Мы привели соотношения неопределенностей без детального вывода. Такой вывод потребовал бы от нас слишком глубокого рейда в теорию микроявлений, который мы не станем предпринимать.

Волны вероятности

Итак, частица в квантовой механике - это совсем не обычный шарик, пусть даже сверхмалых размеров. Она не имеет одновременно определенных значений координат и импульсов; она обладает волновыми свойствами.

Что же это за волны? Надо ожидать, что они не могут быть волнами классической механики, такими, например, как звуковые волны. Волна, связанная с электронами или фотонами, не состоит из множества частиц. Об этом уже говорилось.

Может быть тогда сама частица состоит из волны? Может быть материя, слагающая электрон, распределена в пространстве в виде волны: образует некоторый волновой пакет?

Нет, это тоже не так. Волна при встрече с препятствиями раздробляется на отдельные пучки, которые обратно уже не собираются вместе. А электрон-то ведь не дробится ни при каких условиях и всегда обнаруживается как целое.

Решение проблемы, причем решение неожиданное для всех физиков, было найдено Максом Борном. Связанная с электроном волна не есть обычная материальная волна классической физики. Это волна вероятности! Амплитуда волны (точнее - ее квадрат) определяет не плотность материи электрона в данном месте пространства, а вероятность того, что электрон будет здесь найден, если провести соответствующий эксперимент. В микромире мы поразительным образом сталкиваемся с вероятностными законами движения отдельных частиц.

В мире больших тел действуют законы механики Ньютона, однозначно определяющие малейшие детали поведения тел. А вот электрон и другие элементарные частицы, как выяснилось, в своем движении управляются иными законами. Эти законы не диктуют электрону строго однозначное поведение.

Например, если электрон пролетает сквозь щель, то из теории нельзя однозначно определить, полетит ли он налево или направо. Можно только найти сравнительное значение вероятностей этих событий.

Открытие вероятностных (или статистических) законов движения отдельных элементарных частиц - один из самых удивительных результатов, когда-либо полученных наукой. До сих пор были уверены, что статистические законы относятся только к описанию систем из очень большого числа частиц.

Мы, конечно, хорошо понимаем, что столь непривычные факты требуют гораздо более подробного рассказа. Но наша цель, как уже неоднократно подчеркивалось ранее, - рассказ о силах в природе, а не о законах движения. Поэтому ограничимся сказанным.

Вернемся теперь к соотношению неопределенностей и остановимся на некоторых его следствиях, бросающихся в глаза.

Некоторые следствия

Прежде всего постараемся рассеять недоумение, которое, должно быть, возникло уже у многих. Если любой частице, любому куску вещества присущи волновые свойства, то почему мы не обнаруживаем таких свойств у стола, за которым сидим, у книги, которую читаем, вообще ни у одной из вещей, с которыми встречаемся постоянно?

Ответ прост: потому что они тяжелые. Их масса велика - и, значит, при абсолютно ничтожной неопределенности скорости, неопределенность координаты можно практически считать равной нулю. Кусок вещества не приближенно, а точно можно считать телом, не обнаруживающим никаких волновых свойств.

И только в случае малых масс, т. е. когда объектом исследования являются отдельные элементарные частицы (или их небольшие совокупности), неопределенность становится принципиальной и игнорировать ее нельзя.

Нельзя игнорировать, что теряет смысл такое понятие, как траектория: нельзя одновременно задавать и положение, и скорость. Нельзя, следовательно, игнорировать, что теряет смысл и понятие ускорения.

Короче говоря, нельзя игнорировать фундаментальный факт: ньютоновское описание движения становится невозможным. Для нас это особенно важно и вот с какой стороны: определение понятия "сила", как было подчеркнуто, является строгим только в ньютоновской механике. Если же теперь мы убедились, что в микромире ньютоновское описание движения становится невозможным, то нельзя не сделать и следующего логически неизбежного вывода: изучая явления микромира, нужно отказаться от сил, как от мерила взаимодействия. Мы это отмечали уже во введении.

А что же остается? Остается энергия взаимодействия. Энергия оказалась (здесь проявляется глубина и универсальность закона сохранения энергии) куда более живучей, чем сила, и энергия принимает на себя всю нагрузку при описании взаимных влияний, имеющих место в микроявлениях.

Принцип неопределенностей и книга на столе

Множество самых разнообразных явлений помогает понять соотношение неопределенностей, причем понять, не вникая в механизм явлений, не рассматривая в деталях характер строения вещества и действующие внутри него силы. Вот, например, наш старый и довольно подробно обсужденный вопрос о книге, которая не проваливается сквозь стол. Спрашивается, почему?

Как только вы выпустили книгу из рук, она начинает падать под действием притяжения Земли. На пути встречается стол. Атомы стола начинают сминаться, электроны приближаются к ядрам атомов и начинают концентрироваться в меньших объемах. По принципу неопределенностей импульсы их увеличиваются и, следовательно, энергия также возрастает. Возникает сила, препятствующая движению книги вниз.

"Сопротивление атомов сжатию, - замечает по этому поводу Р. Фейнман, - это не классический, а квантовомеханический эффект. По классическим понятиям следовало ожидать, что при сближении электронов с протонами энергия уменьшится; наивыгоднейшее расположение положительных и отрицательных зарядов в классической физике - это когда они сидят верхом друг на друге. Классической физике это было хорошо известно и представляло загадку: атомы-то все же существовали! Конечно, ученые и тогда придумывали разные способы выхода из тупика, но правильный (будем надеяться!) способ стал известен только нам!"

Взаимодействие и волейбол

С появлением квантовой теории изменилось не только мерило взаимодействий - самый их механизм предстал в новом свете. Вы помните, как долго и настойчиво искали посредника во взаимодействиях тел. Эти поиски в конце концов привели к утверждению понятия поля - электромагнитного поля, в частности. Однако, как мы только что говорили, корпускулярно-волновой дуализм заставляет искать черты прерывного в непрерывном. Поле имеет и корпускулярное лицо. С корпускулярной точки зрения можно, следовательно, осмыслить и взаимодействие. Если раньше мы говорили: один заряд создает поле, которое действует на второй заряд, то теперь о том же мы имеем основание сказать и так: первым зарядом создаются (испускаются) кванты, т. е. частицы-посредники, которые затем поглощаются вторым зарядом. Этот обмен промежуточными частицами, как механизм взаимодействия, и является "переводом на квантовый язык" прежней классической картины. Если раньше воздействие тел друг на друга вызывало ассоциации с какими-то нитями, протянутыми от одного из них к другому, то теперь более уместно представлять себе нечто вроде игры в волейбол между частицами.

Однако новое описание взаимодействия - это не просто переливание старого вина в новые меха. Квантовое истолкование вскрывает целые пласты новых возможностей. Мы увидим дальше, что это буквально переворот в понимании взаимодействия. Но прежде чем начинать разговор о новых возможностях, хочется на минуту вернуться к началу нашей книги. Вы помните спор о близкодействии и действии на расстоянии? Еще сравнительно недавно - в начале прошлого века - сама необходимость поисков "посредника" взаимодействия многим казалась сомнительной. Потом в науку вошло понятие о поле, как о переносчике взаимодействия. Но и поле многим долгое время представлялось каким-то эрзац-посредником - уж очень глубока была пропасть, отделявшая его от "настоящей" материи, описываемой законами механики Ньютона. Наконец, мы сделали еще один важнейший шаг: убедились, что посредник не только материален - обладает энергией, импульсом и т. д., но может - с таким же правом (и точностью), как и самые источники, взаимодействие между которыми он осуществляет, - рассматриваться как частицы. Никакой пропасти не оказалось. И то, что взаимодействует, и то, что переносит взаимодействие, предстало перед нами как обычная материя, в конечном итоге - как элементарные "частицы". И только кавычки у слова "частицы" заставляют нас вспоминать тот огромный путь, который прошла наука от ньютоновского описания движения до появления идеи о корпускулярно- волновом дуализме.

Однако, на какие новые возможности мы намекаем?

Спросим себя, можно ли оставлять монополию на перенос взаимодействия только за частицами электромагнитного поля? Нельзя ли и другим частицам (или их группам) также взять на себя роль переносчиков взаимодействия?

Идея оказалась очень интересной и плодотворной, - мы еще вернемся к ней, в частности, в следующей главе. А пока отметим только два важных момента.

Новое лицо заряда

Первый из них касается заря- да. Нашего старого знакомого - электрического заряда. Чем он больше, тем сильнее его действие на окружающие заряженные частицы. На "квантовом языке" это означает, что чем больше заряд, тем больше квантов, переносчиков взаимодействия, посылается источником во все стороны. Значит, мы можем теперь сказать, что заряд является мерилом активности, интенсивности испускания (и поглощения), источником промежуточных квантов.

Если эти последние - кванты электромагнитного поля, то соответствующий заряд - электрический. Но, как уже отмечалось, кванты-посредники могут быть и другими частицами. Отсюда следует, что необходимо вводить и другие типы зарядов. Для каждого типа посредников - свой заряд, своя константа связи.

Это важнейший вывод!

Перебирая таблицу элементарных частиц, мы можем по очереди пробовать, подходит ли каждая данная частица (или их группа) на роль посредника. Критерии здесь сводятся к тому, чтобы не вступить в конфликт с законами сохранения. Однако природа накладывает и дополнительные запреты, так что большого разнообразия типов взаимодействия, какого можно было бы на первый взгляд ожидать, в действительности нет. Число возможных разновидностей "зарядов" совсем не велико. Задача нашей книги, в частности, и состоит в том, чтобы перебрать все известные нам разновидности. Мы вернемся к этому вопросу подробнее в главе о слабых взаимодействиях.

Перевоплощения в мире бесконечно малого

Разговор о различных зарядах заставил нас задеть тему, которая сама по себе имеет огромную важность. Несколькими строчка ми выше мы написали: частица (речь шла о частице, переносящей взаимодействие) испускается источником. Но что значит "испускается"? Ведь нельзя же представлять себе, что дело обстоит так же, как если бы мы открыли дверцу и выпустили птицу из клетки. Частицы до испускания не было внутри источника, она не хранилась в каком-то потайном сундучке. Фотон не прячется в атоме - он рождается, возникает в самом акте излучения.

Рождается!

Следовательно, возможно появление (и уничтожение, добавим) частиц? Да, именно к такому выводу привела нас цепочка рассуждений. Но не поспешили ли мы с выводами? Может быть, фотон - какая-то аномалия, нетипичная частица? (Ведь не даром из фотонов нельзя построить то, что в обыденном повседневном смысле называется веществом.)

Такие сомнения имели почву до 1927 года. В памятном для физиков году появилась работа молодого английского теоретика Дирака. Начал он с того, что попытался записать для электрона такое уравнение движения, которое бы находилось в соответствии с требованиями теории относительности. Как видите, довольно формальная на первый взгляд задача. Однако очень скоро (правда, не без трений и не без импульсов со стороны эксперимента) стало ясно, что сделать это можно, только предполагая, что у электрона есть "двойник" - частица, во всем подобная электрону, но с противоположным знаком заряда. Такая частица действительно была обнаружена в камере Вильсона. Назвали ее позитроном.

Перевоплощения

Как и электрон, эта частица, взятая в отдельности, вполне устойчива - она может существовать как угодно долго. Однако теория предсказала, что стоит им встретиться, как электрон и позитрон должны исчезать (аннигилировать), порождая фотоны высокой энергии (γ-кванты). Может протекать и обратный процесс - рождение электронно-позитронной пары^*. Например, при столкновении γ-кванта достаточной энергии с ядром.

^*(Ясно, что поодиночке электроны, например, рождаться не могут - хотя бы из-за того, что при этом нарушался бы закон сохранения заряда.)

В камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, пара оставляет характерный след в виде двурогой вилки.

Электрон, "старейшая" из частиц, важнейший строительный материал для бесчисленных атомов, надежный, испытанный электрон оказался не вечным. Он мог исчезать! Он мог появляться! Это потрясло физиков, и - после того как эксперимент блестяще подтвердил предсказания теории - "породило (по словам одного известного теоретика) чудовищное ощущение благополучия".

Давно уже, вероятно, теория не казалась такой всемогущей, а все секреты природы - такими доступными.

Работы Дирака действительно занимают исключительное место в современной физике. Не удивительно, что имя их автора было окружено особым ореолом.

В годы, когда авторы были студентами, физики на своих вечерах часто читали "Песнь об электроне".

 О Аполлон, покровитель прекрасный искусства,
 В сердце певца огонь вложив вдохновенья,
 Дай мне воспеть во имя великого сына Латоны 
                           и Зевса любовь - 
 Мать красоты и бессмертья сестру! 
    Эроса юного вечно и Афродиту, из пены 
                                  рожденную. 
    Песня моя пусть прославит правду словами 
                                      о том, 
    Как летел, эфир возмущая,
    С скоростью, меньшею скорости света,
    И равномерно в отсутствие внешнего поля
    Тот, кто волею славных богов Электроном 
                                      зовется. 
 Много таких же, как он, электронов летало,
 Но, Кулону покорны, едва подошедши друг 
                                     к другу, 
 Быстро они расходились. И было причиной
 То, что отталкивать лишь, покоясь, друг друга 
                                       могли, 
    Но не притягивать! 
    И возроптал тот электрон, что летел, эфир 
                                     возмущая, 
    С скоростью, меньшею скорости света,
 И равномерно в отсутствие внешнего поля!
 К богу Дираку с молитвою жаркою вдруг
 Он обратился, такие слова говоря:
 "Бог всемогущий, бог инвариантно1 великий,
 Ты, что поставил в моем уравнении третью 
                                        точку2,  
 О почему ты, законы вселенной презревши беспечно,
 Мне повелел скитаться, любви не ведая счастья? 
                            Дай мне подругу!"
    Так страстно молил электрон грозного бога 
                                       Дирака. 
    И, брови нахмурив, важно ответствовал он: 
                              "Так да будет!" 
 И поразивши ядро фотоном с hν3
 Больше 2mс2, 
 Первой пары рожденьем зарю новой эры отметил!
    И с этих пор каждому, самому внешнему даже
    Где-нибудь в атоме мчащемуся электрону
    Так же, как мне и тебе, благородный 
                               читатель, 
    Нет для печали причины - и у него есть 
                                  подруга! 
 Как у твоей, у нее, у прекрасной, энергии уровень 
                                       меньше нуля, 
 Постоянством 
 Также характер ее попрекнуть никак невозможно, 
 Главное ж, положительностью своею
 Выше она электрона пребудет вовеки! 
    Песню кончая, хочу, чтоб она прозвучала
    Гимном Эросу, прекрасному богу любви 
                              вездесущей, 
    Что обитает в жилище богов и в пастушьей 
                                     лачуге, 
    В ветра дыханьи живет и в цветении малой 
                                     былинки, 
    Вечный, прекрасный закон утверждая в 
                               вселенной: 
 Каждое ψ свое ψ встретит!4

¹(Инвариантный значит одинаковый во всех системах отсчета.)

²(Имеется в виду упоминавшаяся ранее сила радиационного трения, обусловленная взаимодействием точечного заряда с собственным электромагнитным полем. Эта сила выражается через третью производную координат по времени.)

³(Читается: "аш ню" - произведение постоянной Планка на частоту, что равно энергии фотона.)

⁴(Читается "пси" и "пси сопряженное". Этими буквами обозначается обычно "волновая функция" - величина, с помощью которой в квантовой ваеханике описываются частицы.)

Один из экземпляров песни хранит автограф Поля Адриена Мориса Дирака.

Автограф Поля Адриена Мориса Дирака

Идея частиц и античастиц оказалась чрезвычайно плодотворной. "Двойники" нашлись у всех частиц (правда, в исключительных случаях вроде фотона частица и античастица совпадают). Обнаружены экспериментально антипротон, антинейтрон и т. д. Сейчас мы знаем, что рождение пар и аннигиляция не составляют монополии электронов и позитронов.

Стало понятным и другое. Взаимные превращения, т. е. уничтожение одних частиц и появление других, вовсе не обязательно идут по пути рождения пар частиц - античастиц и их аннигиляции. Реакции с элементарными частицами (термин позаимствован у химиков, он очень удачен) весьма многообразны. Но в них можно уловить и общие черты. Столкновения частиц напоминают удар огнива по кремню. "Огниво" - это частица-снаряд, обладающий достаточно большой энергией. Мишенью или "кремнем" также служат частицы или группы частиц. Удар "высекает" новые частицы - "искры". Он же разрушает кремень и огниво. Чем удар сильнее, тем больше может образоваться "искр" - частиц. Количество их порой достигает нескольких сотен. Сейчас уже накопился огромный экспериментальный материал о рождении частиц. Все эти данные не оставляют ни малейших сомнений: частицы (причем все без исключения) могут как появляться, так и исчезать.

Появляться? Исчезать? Но не противоречит ли это фундаментальнейшему из законов природы - закону сохранения материи? Разве материя может обращаться в ничто и возникать из ничего?

Разумеется, ничего подобного мы не утверждаем. Когда весной голые ветки деревьев в саду покрываются почками, а затем листьями, когда потом осенью на них повисают тяжелые плоды - разве кому-нибудь приходит в голову заподозрить здесь какое-то противоречие с законом сохранения материи? И почки, и листья, и плоды появляются не "из ничего". Здесь перед нами одно из бесчисленных звеньев извечного круговорота и взаимных превращений вещества, материи в природе.

С очень непохожим по внешнему виду, но, в конце концов, глубоко родственным переходом материи из одной формы в другую мы сталкиваемся, когда исследуем рождение и уничтожение частиц. Здесь тоже можно говорить о переходе материи из одного состояния в другое.

При аннигиляции электрона и позитрона материя переходит из электронно-позитронной формы в электромагнитную. Никакого "исчезновения", конечно, нет. Кстати, при этом (и при всех других процессах) сохраняются заряд, энергия, импульс и т. д., что лишний раз показывает необходимость смотреть на все эти явления именно как на превращения.

Явное и сокровенное

Все сказанное наводит на мысль, что материю нужно описывать как нечто единое, а разные частицы рассматривать как различные проявления этой единой материи. Заманчивый путь! Но хотя попытки строить такую универсальную теорию и предпринимаются, говорить о радикальном успехе пока трудно. Мы не имеем еще возможности "строить" частицы. Приходится поэтому ограничиваться, так сказать, внешним описанием. Наше положение сейчас напоминает то, в каком оказался бы ботаник, если бы изучал жизнь растения по нескольким фотографиям: на одной зерно, на следующей - росток, потом - цветок и, наконец, снова зерно. Такой ботаник твердо усвоил бы, что существуют разные состояния растения - зерно, росток, цветок. Он знал бы также, что они следуют друг за другом в определенной последовательности. Это позволило бы ему говорить о закономерностях превращений. Но вряд ли фотографии позволили бы установить внутреннюю динамику явления.

Перед физиком тоже ряд "фотографий". На них то, что мы несколько условно называли элементарными частицами. Это название оправдывается тем, что сегодня о структуре таких частиц мы ничего (или почти ничего) не знаем.

Все эти частицы вносятся в теорию как нечто взятое непосредственно из опыта. Это не нужно, разумеется, понимать слишком узко: сюда входят не только значения зарядов, масс, спинов и т. д., но и тонкие детали законов движения. Такое положение не случайно. Ведь теория возникает на почве эксперимента. Эксперимент же в общих чертах выглядит так: в регистрирующем устройстве (им может быть камера Вильсона, фотопластинка, система счетчиков и т. д.) видны один или несколько следов пучков первичных частиц. Все интимные детали взаимодействия скрыты от наблюдателя. Он обнаруживает только результат взаимодействия: опять-таки в виде следов вторичных частиц. Не все, разумеется, укладывается в такую простую схему - некоторые из действующих лиц не имеют зарядов и не дают даже следов. Однако основное мы все-таки уловили: опыт дает только косвенные данные, по которым нужно разгадать картину взаимодействий.

Сравнение. Не слишком ли смелое!

Поскольку мы видим не самые взаимодействия, а лишь их результат - превращение одних частиц в другие (либо в те же, но в другом состоянии), появляется естественное - и вполне оправданное, добавим, - стремление отразить это положение и в теории. И как следствие такой теории возникает физическая картина, в которой центральное место отводится частицам, как чему-то, данному непосредственно опытом. Чтобы пояснить нашу мысль, представим себе на минуту, что мы ничего не знаем о молекулярном строении веществ. Тогда даже такая, как нам сейчас кажется, простая задача, как таяние льда, выглядела бы, вероятно, так. Исследователи могли бы подробно изучить свойства льда и свойства воды. Изучить на опыте, подчеркнем. Может быть, они даже назвали бы лед одной "элементарной сущностью", а воду - другой. Далее, опираясь опять-таки на эксперимент, они сформулировали бы закон: при определенных условиях (т. е. в данном случае при определенных температурах и давлении) лед переходит в воду.

Переходит - но как? За счет каких внутренних, сокровенных изменений? Этого без молекулярной картины не выяснить. И вот наши воображаемые ученые оказались бы в том положении, о котором мы говорили, что оно не дает возможности понять внутреннюю динамику процесса. В конечном итоге и в фундаментальной проблеме элементарных частиц дело сводится к тому, что мы не знаем, каково строение, т. е. внутренние законы, этих частиц. Это-то и заставляет нас принимать их сейчас, так сказать, в готовом виде и описывать все многообразие процессов в микромире только как исчезновение "готовых" частиц и рождение новых.

Не нужно думать, что такой подход из рук вон плох. Физики - опытные следопыты, и им удалось, расшифровывая следы-треки, разобраться в очень тонко замаскированных эффектах, выдающих повадки частиц. Мы не только умеем сейчас разбираться в законах движения свободных частиц, ко знаем многое и об их взаимодействии. Как уже говорилось, оно, по современным представлениям, сводится к тому, что частица обменивается или перебрасывается с соседями квантами поля-посредника, т. е. обменивается тоже частицами, но другой природы.

Природа испускаемых и поглощаемых частицей квантов определяется тем, какой у этой частицы заряд. Если она заряжена электрически, то ей "дозволяется" испускать и поглощать фотоны; если у нее есть так называемый ядерный заряд (о нем речь будет дальше), то π-мезоны, и т. д.^*.

^*(Никаких конфликтов с законом сохранения энергии это не вызывает: длительность процессов Δt очень мала, и, согласно соотношению неопределенностей, "размазывание" энергии соответственно должно быть велико.)

Каждый такой акт испускания или поглощения переводит частицу из одного состояния в другое.

Взаимодействие с вакуумом

Мы говорили, что взаимодействие - это результат того, что одна частица испускает кванты, а другая их поглощает. А может ли частица сама поглотить испущенные ею кванты? Почему же нет - конечно, может. Такие процессы приводят к взаимодействию частицы с самой собой. О том же говорят иногда иначе: говорят о взаимодействии частицы с вакуумом. Как это ни парадоксально звучит, такое выражение совершенно оправдано. Ведь когда мы говорим о самовоздействии, то имеется в виду, что существует какое-то воздействие на частицу, даже когда она одна, когда вокруг нет (или может не быть) ни одной другой реальной частицы. Другими словами, когда кругом - вакуум, пустота.

Вакууму отводится сейчас очень почетное место в физике. В книгах пестрят такие словосочетания, как "поляризация вакуума", "вакуумные поправки", "вакуумные колебания" и многие другие. А ведь еще недавно считалось нелепым говорить о "свойствах вакуума". Какие "свойства" могут быть у пустого места? Ведь свойства - это нечто присущее материи. Там же, где материи нет...

Стоп! Здесь-то и таится корень дела. Что значит "нет материи"?

"Ну, просто нет ни одной частицы", - ответите вы. Не так-то это просто! Когда весной начинает расти трава, как ответить на вопрос: есть она или еще нет? "Когда она зазеленеет, когда росточки выглянут из-под земли - тогда есть", - могут нам ответить. А до этого? Когда росточки еще не пробились, когда они еще ведут "подземное существование"?

После такого вопроса наши воображаемые собеседники могут, возмутившись, заявить, что мы занимаемся схоластикой, споря о том, что называется "уже травой", а что "еще не травой". В чем-то они будут правы. Но в чем-то и нет. Проросшую траву мы видим, воспринимаем непосредственно органами чувств. А там, где ростки еще не пробились, глаз видит голое поле, - тоже "вакуум", пустота в определенном смысле этого слова.

Эту аналогию мы не притянули за уши. Оказывается, и в теории элементарных частиц вакуум можно понимать не как "абсолютное ничто", а как особое состояние всех частиц, когда они имеют такую маленькую энергию, что непосредственно не воспринимаются не только глазом, но и любыми тончайшими приборами. Но вакуумные частицы "чувствуют" влияние "реальных" частиц, как-то перегруппировываются под их воздействием (что приводит, кстати, к экспериментально наблюдаемым эффектам). Если воздействие достаточно энергично, то частица переводится из "невидимого вакуумного состояния" в самое обычное, реальное. Внешне это выглядит как рождение частицы. Точно так же уничтожение частиц можно рассматривать как их переход в вакуумное состояние.

Такой способ описания не только возможен, но даже вполне естествен в нынешней теории, так как он позволяет, в соответствии со сказанным выше, не вдаваясь во внутреннюю динамику, просто описывать процессы рождения и уничтожения частиц, сведя их к переходам из одного состояния в другое (правда, одно из состояний несколько экзотическое). Вводя представление о вакууме и даже построив "теорию вакуума", физики добились больших успехов не только в упорядочении своего теоретического хозяйства, но, что, конечно, всего важнее, и в описании опытных фактов. Более точно, чем раньше, вычисляются теперь энергетические уровни в атомах, найдены существенные поправки к значениям магнитных моментов электронов и т. д.

Но "проблема вакуума" заставила снова со всей четкостью почувствовать и трудности теории. Целый ряд величин, таких как энергия взаимодействия частицы с самой собой (или, что то же самое, с вакуумом), вакуумные поправки к зарядам и т. д., получаются бесконечно большими - результат, конечно, удручающе нелепый. Ясно, что припарками положения здесь не исправишь. Новое понимание природы элементарных частиц, по-видимому, заставит нас пересмотреть многое, что кажется нам сейчас таким (уже!) привычным и естественным.

А пока... Как океан, заполняющий все вокруг, рисуется нам "вакуум", из которого, подобно "чудищам", выныривают там и здесь частицы.

Можете считать, что это - океан неизведанного.

Глубина его бесконечна.

Конечно, не вставка, а главы и даже, повторяем, новая книга потребовалась бы нам, чтобы заглянуть в него чуть глубже.