Заключение

Которое, вопреки обыкновению, ничего не заключает

Заключение

 Я пишу без фальши,
 Правду сочиняю,
 Что случилось дальше,
 Я сама не знаю.

М. Архангельский, "Литературные пародии"

Величественная и гармоническая картина взаимодействий рисуется исследователю. Четыре основных типа сил дают ключ к пониманию бесконечно разнообразных процессов. Они очень непохожи друг на друга, эти четыре фундаментальных вида взаимодействия - и в то же время их связывают узы глубокого единства.

Непохожи. Да, действительно, велико отличие гравитационных, скажем, сил от ядерных. Даже сферы их действия резко отличаются друг от друга. Эти "сферы влияния" можно, как кажется на первый взгляд, очень отчетливо очертить для каждого типа сил. Гравитационные силы господствуют в мире космических объектов. Сфера, где основными становятся электромагнитные силы,- атомы, молекулы и куски вещества, которые из них слагаются. Область, где действуют ядерные силы, еще теснее: ядра атомов. И, наконец, о слабых взаимодействиях больше, чем о любом другом типе сил, хочется сказать, что они определяют процессы, протекающие в интимной сфере самих частиц, из которых складывается все вещество, в том числе и атомные ядра.

Итак, первая, самая грубая классификация сил по сферам их действия выглядит так:

Второй признак - величина сил, или, более точно, энергий, соответствующих разным взаимодействиям. Ядерное взаимодействие примерно в сто раз превосходит электромагнитное и в 100 000 миллиардов - "слабое". Гравитационное же взаимодействие двух электронов меньше кулоновского во столько раз, что нам пришлось бы писать число с сорока двумя нулями.

Можно было бы многое добавить к рассказу о том, в чем несхожи фундаментальные силы. Но сколько бы мы ни говорили об их различии, ничто не может заслонить и другую принципиальную сторону дела - единство всех сил.

Взять хотя бы тот же вопрос о делении "сфер влияния". Так ли уж абсолютно это деление? Разве можно, говоря о космических объектах, например, сбросить со счетов ядерные силы? Или электромагнитные? Или, наконец, слабые взаимодействия? Нет, разумеется, нет! Ведь поступить так - это значит зачеркнуть всю физику звезд.

Или другое. Разве в ядре существенны одни ядерные силы? Опять-таки приходится давать отрицательный ответ. И электромагнитные, и слабые взаимодействия существенно сказываются и здесь. Даже гравитационные силы, "классической ареной действия" которых являются космические объекты, по мнению ряда исследователей могут вторгаться в "микромир" и играть существенную роль в формировании самих частиц.

Следовательно, "разложив по полочкам" основные типы взаимодействия, мы тут же убеждаемся, что "лицо мира" определяется всей их совокупностью, их наслоением и глубоко гармоническим сочетанием.

Мир един. Это относится и к миру взаимодействий. И, наконец, еще одно.

Уже сейчас мы почти уверены, что сверх указанных четырех типов сил есть еще и другие. Знаем мы о них еще очень мало. Введение таких сил связывается с проблемой строения самих элементарных частиц. Все здесь - и, в частности, взаимодействия, - до совсем недавнего времени было непроницаемой загадкой. Было и остается в значительной степени и сегодня. Если действительно существуют кварки, то каково взаимодействие между ними? Если действительно есть в природе умеренно сильное взаимодействие, то каковы его особенности? Какие еще тайные пружины скрываются в недрах частиц? Не нужно ли будет через десять - двадцать лет писать новые главы в книге о силах в природе и не станут ли эти главы основными? Не приходится сомневаться, что наши представления будут углубляться. И это, конечно, должно коснуться не только "интерьера" частиц, но и их взаимодействий друг с другом. Уже и в том, что говорилось о сравнительно очень хорошо изученных четырех фундаментальных типах взаимодействия, проскальзывали намеки на необходимость дальнейшего углубления наших знаний о фундаментальных взаимодействиях. Вспомнить хотя бы о том, что количественное описание взаимодействий в ядрах все еще базируется на феноменологических построениях. Проблема "микроописания" здесь остается.

Или проблема μ-мезона - одной из самых загадочных, как многим кажется, частицы - близки ли мы к ее решению? Ведь если согласиться, что различие в массах частиц всегда обусловлено различием в их взаимодействиях, то μ-мезон и электрон, взаимодействие которых со всеми остальными частицами представляется нам сейчас совершенно одинаковым, должны были бы иметь равные массы, что убедительно опровергается опытом.

Но и это еще не все. В ряде работ настойчиво высказывается мысль о существовании и других сил новых типов, например, специфических прямых (т. е. происходящих без "посредников") взаимодействий мезонов, да и ряда других частиц друг с другом. Может быть, и эти силы в недалеком будущем обогатят список сил, которым мы располагаем сегодня.

Так, большой интерес вызывают исследования, в которых выдвигается идея единого рассмотрения электромагнитных и слабых взаимодействий. Кто знает, не начало ли это пути, который приведет нас к пониманию различных (и в том числе пока еще не изученных) типов взаимодействий как проявления неких общих законов, управляющих материй. И кто знает, не позволит ли установление этого единства истолковать, например, ядерные и слабые взаимодействия (и вместе с ними и какие-то другие силы, которых мы пока не знаем) как проявление неких общих законов, управляющих материй.

Однако есть еще более привлекательные возможности. Для того чтобы объяснить любой процесс, любое физическое явление, мы должны в принципе знать, как уже упоминалось выше, строение вещества, уравнения движения и силы, причем обнаруживаются определенные черты глубокого единства внутри этих основных элементов физической теории.

Единство в строении вещества прежде всего состоит в том, что весь мир построен из сравнительно небольшого числа элементарных частиц. О единстве сил уже говорилось достаточно. Этому посвящена книга. Наконец, имеется определенное единство уравнений движения.

Несомненно, что высшей формой единства природы, какую только мы можем себе представить, является объединение (слияние) всех трех основных элементов физической теории. Подобное объединение возможно, и это видно на примере общей теории относительности Эйнштейна. В этой теории уравнения для гравитационного поля одновременно определяют и траекторию движения в этом поле любой точечной массы.

В единой квантовой теории поля, попытки построения которой предпринимаются в настоящее время, в основе лежит уравнение движения нового типа. Это уравнение записывается для единого поля (материи), возможными формами существования которого являются различные элементарные частицы.

Что же мы можем сказать сейчас о том, какова эта единая "праматерия", как ее порой называют. Казалось бы, ничего определенного, - ведь мы даже не имеем уверенности в том, что она вообще существует. Однако если поверить в то, что "праматерия" - реальность, то о некоторых ее свойствах можно догадываться уже сейчас. Прежде всего это должно быть поле полуцелого спина (конкретно принимается спин ¹/₂). Почему? Да ведь нам хочется верить, что все наблюдаемые нами частицы - это различные состояния возбуждения "праматерии", различные ее проявления. Но ведь у некоторых известных частиц спин равен 0, у других ¹/₂, у третьих 1 и т. д. Из чего можно составить эти нули, единицы, половинки и т. д.? Только из половинок. Потому-то "праполю" естественно приписать именно такой спин.

Далее, чтобы "праматерия" могла конденсироваться (если позволить себе этот образный термин) в элементарные частицы, необходимо, чтобы она каким-либо образом сама с собой взаимодействовала (ведь кроме как с самой собой ей взаимодействовать не с чем - кроме нее, согласно основной идее, ничего не существует). Это накладывает определенные условия на уравнения, которые описывают такую материю: эти уравнения, говоря языком математиков, должны быть нелинейными. Вопрос о нелинейности сам по себе настолько интересен, что о нем стоит сказать подробнее.

Начнем с простого примера: пусть имеются два скрещивающихся световых луча. Здесь проявляется известный, вероятно, многим читателям принцип суперпозиции, т. е. принцип наложения без взаимных искажений. Каждый из лучей остается таким же, как если бы другого не было. В любой из точек электрические (и магнитные) поля в первой и второй электромагнитной световой волне просто складываются.

Здесь, однако, нужно сделать одну важную оговорку. Мы пока говорили о волнах в пустом пространстве. А что будет, если в области, где пересекаются лучи, находится хотя бы один электрон? Каждая из волн будет, конечно, рассеиваться на этом электроне, причем рассеяние каждой волны порознь оказывается иным, чем в случае, когда обе волны налетают на заряд одновременно. Можно, следовательно, сказать, что волны через посредство заряда влияют друг на друга.

В квантовой теории нельзя говорить об "абсолютно пустом" пространстве. Даже когда отсутствуют свободные заряды, происходит самопроизвольное порождение пар частиц - античастиц (например, электронов и позитронов), которые затем вскоре аннигилируют. Этих, виртуальных, как их называют, пар достаточно, чтобы можно было говорить о посредниках во взаимодействии даже "свободных" электромагнитных волн, или, если выражаться на квантовом языке, фотонов.

Таким образом, квантовая теория предсказывает рассеяние света на свете даже в пустом, т. е. свободном от реальных зарядов пространстве^*.

^*(Обсуждается также вопрос о рассеянии света на свете, обусловленном гравитационными взаимодействиями.)

И пусть этот эффект настолько мал, что он сегодня ускользает от возможностей экспериментальной проверки. В реальности таких, пусть очень малых, нарушений принципа суперпозиции вряд ли приходится сомневаться.

Указанная нелинейность относится к числу тех, которые можно назвать вторичными. Когда говорят об "истинно-нелинейной" теории, имеют в виду другое: здесь нелинейность выступает как нечто изначальное, как "врожденное" свойство фундаментального поля, а не как следствие каких-то более простых взаимодействий. Уравнения для "праматерии" с самого начала записываются в виде нелинейных. К этому добавляется еще ряд требований, связанных с так называемыми симметриями (но мы не будем здесь говорить об этом подробнее), которые должны определить вид уравнения для "праматерии".

По идее это уравнение должно определять, какие именно элементарные частицы могут существовать в природе, давать спектр масс элементарных частиц, причем уравнение должно описывать сразу взаимодействующие частицы. Не взаимодействующих ни с чем частиц в теории быть не должно, как нет их в реальной действительности.

Эта обширная программа, развиваемая усилиями большого числа ученых, одно время, казалось, уже привела к определенным достижениям. Но впоследствии выяснилось, что говорить о решающем успехе еще рано. Предпринимаются попытки несколько изменить вид теории. Так, вместо одного "праполя" вводят порой три отличающихся по природе, но взаимодействующих друг с другом, и т. д.

Читателю, возможно, придет здесь на память квар- ковая модель. Действительно, почему бы не сопоставить трем типам фундаментальных полей эти три "пра- частицы"?

Точки соприкосновения здесь, действительно, имеются, но есть и существенные различия.

Модель кварков в первую очередь касается вопроса о том, из чего состоят частицы. Состав - вот что здесь на первом плане. И лишь на втором - вопрос о взаимодействии кварков, о законах их движения - короче, о динамике. Следует признать, что все касающееся "кваркодинамики" в значительной мере проблематично.

В нелинейной теории динамика является основой. Исходное уравнение, описывающее "праматерию", представляет собой именно концентрированное выражение как законов движения, так и неразрывно спаянных с ними в этой теории законов взаимодействия. Наглядная, модельная сторона перестает здесь играть ведущую роль. Если в этой теории и появится возможность наглядного истолкования в духе моделей, то в конечном итоге это следует рассматривать как нечто, обусловленное динамикой.

Возможно, на каком-то высшем этапе оба подхода, модельный и динамический, сомкнутся. Пока об этом говорить еще рано.

Программа единой теории поля привлекательна со многих точек зрения, хотя бесспорного успеха здесь никто не может гарантировать. В науке никакие гарантии невозможны.

Если построение единой теории поля в какой-либо форме будет осуществлено, то книга о силах природы будет выглядеть совершенно иначе, чем сейчас. Как именно - об этом можно только догадываться.

По мнению ряда исследователей, построение новой теории потребует существенного пересмотра многих фундаментальных положений, в частности, взглядов на пространство и время.

В главе о гравитационных силах мы рассказывали о том, как изменение динамики повлекло за собой пересмотр физической геометрии. Когда стало очевидным, что электромагнитное поле описывается иными законами, чем "механическая" материя, пришлось заново проанализировать вопрос, в какой мере правомерны представления Ньютона о пространстве и времени. Этот анализ, как вы уже знаете, завершился созданием новой геометрии - геометрии теории относительности.

Казалось бы, следующий важный шаг - переход от классической теории к квантовой - должен был бы ознаменоваться новыми взглядами на пространство и время. Однако ничего подобного не произошло. Геометрия квантовой теории осталась сугубо классической. Более того, неквантовая по своему происхождению и существу теория относительности играла и продолжает играть в квантовой теории важнейшую роль; достаточно хотя бы вспомнить, что уже самые первые шаги в "релятивизации" квантовой механики позволили понять природу античастиц. Квантовая теория сегодня - это существенно релятивистская теория.

Что же в таком случае может оправдать поиски новой геометрии?

Дело в том, что как ни велики успехи квантовой релятивистской теории, в ней есть и серьезные трудности. Их аналог появляется уже в классической электродинамике. Если считать заряженные частицы точечными, то энергия кулоновского поля таких частиц оказывается бесконечно большой. Казалось бы, от этой бесконечности (или, как еще принято говорить, расходимости) легко избавиться, отказавшись от утверждения, будто частицы являются точечными. Однако построить теорию протяженной частицы так, чтобы были выполнены требования теории относительности и в то же время, чтобы движение этой частицы соответствовало обычным представлениям о причинности, т. е. чтобы на состояние в настоящем влияло лишь прошлое, оказалось не просто: эта программа, как выяснилось, наталкивается на принципиальные трудности. В квантовой теории положение еще сложнее. Расходимостей здесь становится больше - в ряде случаев их бесконечное число. Именно это и толкает на поиски каких-то общих методов решения проблемы. Может быть, один из этих методов - пересмотр геометрии "в малом", т. е. на сверхмалых расстояниях и для сверхмалых промежутков времени.

Может быть. О том, какой будет новая теория, сегодня можно только спорить. И искать.

Очевидно только одно: эта теория позволит нам еще лучше понять природу.

"Мы сообщаем о новых открытиях не для того, чтобы посеять смуту в умах, а чтобы просветить их, не для того, чтобы разрушить науку, а чтобы поистине обосновать ее". Это сказал Галилей три с половиной столетия назад. Ему же принадлежат слова: "Здесь скрыты столь глубокие тайны и столь возвышенные мысли, что, несмотря на старания сотен остроумнейших мыслителей, трудившихся в течение тысяч лет, еще не удалось проникнуть в них и радость творческих исканий и открытий все еще продолжает существовать".