Существует ли пустота?

Что останется, если идеальный насос удалит из-под воздушного колокола все частицы? Что находится в межзвездном пространстве, где почти нет вещества? Что такое пустота — ничто, ящик для физических тел?

Развитие физики последних десятилетий показало, что пустота — вакуум — обладает интереснейшими свойствами, непохожими на свойства твердой среды, жидкости или газа; его изучение связано с самыми глубокими понятиями, такими, как причинность, связь геометрии с материей, свойства симметрии пространства и времени, связь симметрии с законами сохранения...

Нельзя толкнуть, не прикасаясь

Мы знаем, что тела действуют друг на друга при соприкосновении. Бросим в воду камень, от него побежит волна и всколыхнет плавающие ветки — воздействие в волне передается от точки к точке. Звук распространяется, потому что давление передается от одного объема среды к соседнему. Все вы видели на уроках физики, что, если выкачать из-под стеклянного колпака воздух, электрический звонок под колпаком продолжает работать, но перестает звучать — звук передается по воздуху. Электрические и магнитные силы, силы тяжести действуют и в пустоте; в пустоте распространяется свет, поэтому мы видим Солнце и звезды.

Почему железные опилки в пустоте притягиваются к магниту, а камень — к Земле? Физики объясняют это тем, что в пространстве вблизи магнита или вблизи Земли состояние пустоты изменяется — возникает поле. Электрическое поле действует на заряженное тело, магнитное — на магнит, поле силы тяжести — на камень, заставляя их двигаться. И каждый раз сила передается через пустоту от точки к точке как через невидимую жидкость. Этот механизм передачи воздействия называется близкодей-ствием. Но существовало и другое представление — дальнодействие: сила мгновенно передается на расстоянии от одного тела к другому. На основе этой идеи Ньютон построил свою теорию тяготения.

Идея дальнодействия противоречила распространению света, ведь свет имеет конечную скорость и проходит все промежуточные точки на линии светового луча — это хорошо видно в тумане. Как мы уже говорили, чтобы объяснить это, Ньютон предположил, что светящееся тело испускает частицы — корпускулы, — передающие свет. Тогда конечная скорость распространения света не противоречит идее дальнодействия, зато остаются без объяснения волновые свойства света. Разрешить это противоречие Ньютон не смог.

Если мы быстро сдвинем тело, изменится сила тяжести, действующая на другое тело. Но если оно далеко, то пройдет время, прежде чем оно получит толчок. Где же в это время находится возмущение? И на этот вопрос теория дальнодействия не смогла ответить. Поэтому многие физики от нее отказались.

Они предположили, что существует особая среда — эфир, — заполняющая пространство, и воздействие передается через нее. Вокруг заряженных и намагниченных тел эфир деформируется, и возникает сила, действующая на другое заряженное или намагниченное тело. Все было правильно, кроме одного — эфир пытались строить по образу и подобию твердых и жидких тел, а его нужно было изучать сам по себе.

Свойства пустоты

Если в проволочном кольце, окружающем магнитный поток, изменять магнитное поле, в нем возникает электрический ток. В пространстве вокруг потока возникло кольцевое электрическое поле. Оно заставляет двигаться заряды в проводнике и создает ток. Значит, переменное магнитное поле рождает в пустоте переменное электрическое.

В 1820 г. Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что ток, текущий по проводнику, создает вокруг себя кольцевое магнитное поле, вызванное движением зарядов. Джеймс Максвелл высказал гениальную догадку о том, что магнитное поле создают не только движущиеся заряды, но и само переменное электрическое поле, так же как электрическое поле создается переменным магнитным.

Обнаружились два замечательных свойства пустоты, а из них третье, не менее важное, — в пустоте распространяются электромагнитные волны.

Свойства пустоты

Когда вблизи антенны радиопередатчика возникает переменное электрическое поле, оно образует вокруг себя переменное магнитное поле такой же частоты, а магнитное — по закону Фарадея — создает уже в соседнем месте переменное электрическое... Так возмущение передается по всем направлениям.

Согласно уравнениям Максвелла, электромагнитные колебания должны распространяться со скоростью света. Естественно было прийти к заключению, что свет тоже электромагнитная волна. Открытия Максвелла были триумфом близкодействия — все электромагнитные воздействия передаются через среду, эфир.

Но вот новая загадка: когда в эфире движется тело, движется ли с ним сам эфир? Эксперименты дали противоречивые результаты. В 1851 г. французский физик Арман Физо измерил скорость света в текущей воде и доказал, что свет частично захватывается движущейся средой. А об опыте Альберта Майкельсона мы уже рассказывали — он измерил скорость света вдоль и поперек движения Земли и доказал, что скорость света не зависит от движения источника и, если свет распространяется в эфире, эфир полностью увлекается Землей...

Противоречие было снято в начале XX в. теорией относительности Эйнштейна — скорость света складывается в опыте Физо со скоростью движения воды не арифметически, а по более сложной формуле. Скорость света вошла в механику и в теорию тяготения. Еще раз подтвердилась и была обоснована теория близкодействия: все воздействия—электромагнитное, гравитационное, ядерное — передаются от точки к точке с помощью соответствующих полей, со скоростью, не превышающей скорости света.

Эфир стал совершенно не нужен, его заменило новое непротиворечивое понятие — вакуум.

Ядерные силы, удерживающие в ядре нейтроны и протоны, с точки зрения близкодействия, тоже результат напряженного состояния вакуума — прибавилось еще одно свойство! А когда были созданы ускорители заряженных частиц, физики увидели, что при столкновениях нуклонов из пустоты рождается целый сноп различных частиц. Оказалось, что вакуум — пустое пространство — кишит частицами...

Но когда к электромагнитному полю и к полям, описывающим пары частиц — античастиц, применили квантовую механику, открылись новые, еще более странные и удивительные свойства вакуума.

Виртуальные частицы

Вспомним мудрое древнее правило: «Повторение — мать учения» и коротко повторим: электромагнитное поле в ящике с отражающими стенками можно представить себе как набор осцилляторов — стоячих электромагнитных колебаний с разными длинами волн. Согласно принципу неопределенности, координата и импульс осциллятора не имеют определенных значений. Роль кинетической энергии этих осцилляторов будет играть энергия магнитного поля, а потенциальной — электрического. Волновая функция обычного осциллятора позволяет найти вероятность того или иного значения координаты или скорости, а волновая функция осциллятора электромагнитного поля дает вероятность того или иного значения электрического или магнитного поля.

Даже если в пространстве нет ни одной частицы, ни одного кванта, электрические и магнитные поля совершают нулевые колебания. Нулевые колебания заставляют дрожать электрон, движущийся в атоме,— он как бы превращается в шарик с радиусом, равным амплитуде дрожания, и слабее взаимодействует с ядром, чем точечный электрон. Это предсказание теории с большой точностью подтвердилось опытом.

Нулевые колебания в вакууме полей, описывающих частицы со спином 1/2. проявляются во временном рождении и уничтожении пар электрон — позитрон, нуклон — антинуклон... Вакуум наполнен такими не вполне родившимися частицами, которые появляются и тут же исчезают,— их называют виртуальными. И оказывается, что стоит в вакууме столкнуться двум нуклонам или электрону с позитроном, как виртуальные частицы могут превратиться в реальные, так при столкновениях рождаются новые частицы. При сверхбольших энергиях сталкивающихся частиц из вакуума рождаются снопы различных частиц и античастиц. Когда сталкиваются два протона с большой энергией, возникают два снопа частиц, летящих в направлении каждого из протонов. Чем больше энергия сталкивающихся протонов, тем больше частиц в снопах. Эти снопы в большом количестве можно наблюдать на фотопластинках при изучении космических лучей и в лабораториях на ускорителях большой энергии.

Когда частицы сталкиваются друг с другом, они отклоняются под разными углами. Чтобы сосчитать количество отклоненных частиц, достаточно знать, какую площадь затеняет каждый отдельный нуклон. Эта площадь называется поперечным сечением. Но длина волны сталкивающихся частиц мала, — значит, сечение должно определяться геометричеескими размерами области взаимодействия частиц. А на опыте оно гораздо больше, сечение растет с энергией и может как угодно превысить геометрическое сечение! В чем же дело?

Оказывается, что реальная частица с большой энергией окружена облаком виртуальных частиц. Чем больше энергия частицы, тем больше размеры облака и тем легче виртуальные частицы в облаке сделать реальными. Достаточно краем облака задеть другую реальную частицу, как все виртуальные частицы в облаке превратятся в реальные, поэтому сечение растет с энергией.

Мерцание геометрии

А что же будет с гравитационным полем? И оно совершает нулевые колебания, и связанная с ним геометрия... тоже совершает нулевые колебания! Отношение длины окружности к радиусу в вакууме колеблется около евклидова значения. Чем меньше масштаб, тем больше отклонения от 2л. Конечно, эти колебания малы даже для самых малых размеров. Но физики все же нашли длину волны нулевых гравитационных колебаний, при которой не остается ничего похожего на нашу обычную геометрию. Эта длина (ее называют планковской) равна 210^-33см.

Мерцание геометрии

Несмотря на свою невероятную малость, эта величина, которую, даже неудобно называть величиной, может сыграть очень важную роль в будущей теории, призванной объединить все известные физические взаимодействия.

Элементарные частицы

Из чего же состоит вещество? — Из молекул. А молекулы? — Из атомов.— А атомы? — Из ядер и электронов. — А ядра? — Из нейтронов и протонов... Ну, кажется, дальше некуда — протоны, нейтроны и электроны были названы элементарными частицами. И вот то, что считалось концом истории, оказалось только предисловием к ней...

Не слишком ли их много?

Первым был открыт электрон. В 1897 г. его обнаружили независимо друг от друга английский физик Джеймс Томсон и немецкий ученый Эмиль Вихерт.

Элементарные частицы

В 1905 г. Альберт Эйнштейн объяснил законы фотоэффекта на основании существования квантов электромагнитного поля — фотонов. Это элементарные частицы с нулевым зарядом и массой.

В 1913 г. Эрнест Резерфорд предсказал существование протона, а в 1920 г. он, одновременно с американским химиком Уильямом Харкинсом, выдвинул гипотезу о существовании нейтрона. Первая фотография следа протона была получена в 1925 г. англичанином Патриком Блэкеттом, а в 1932 г. Джеймс Чэдвик открыл нейтрон и вычислил его массу.

В 1928 г. Поль Дирак предсказал существование антиэлектрона — позитрона, и в 1932 г. его экспериментально открыл Карл Андерсон. Оказалось, что все элементарные частицы, кроме абсолютно нейтральных, вроде фотона, имеют античастицы, отличающиеся от них только знаком зарядов.

В 1930 г. Вольфганг Паули предположил существование еще одной элементарной частицы — нейтрино. В 1935 г. японский физик-теоретик Хидэ-ки Юкава выдвинул гипотезу об элементарных частицах — переносчиках ядерных сил, которые были названы мезонами; в 1938 г. в космических лучах был обнаружен мюон, в 1947 г. открыт пи-мезон, в 1949 г.— К-мезон, или каон...

Внутренняя симметрия элементарных частиц

Бросается в глаза необыкновенное сходство некоторых частиц, например нейтрона и протона или положительного, отрицательного и нейтрального пи-мезонов. Масса нейтрона и протона совпадает с точностью до одной десятой процента, спин обеих частиц 1/2. они одинаково взаимодействуют с другими частицами. Недаром их объединили одним названием — нуклон, — и, значит, протон и нейтрон можно считать двумя состояниями одной частицы, отличающимися зарядами.

Три пи-мезона — это тоже как бы одна частица, которая может находиться не в двух, а в трех состояниях. Такие состояния называются изотопическими от слова «изотоп», которое обозначает разновидности одного и того же элемента, отличающиеся числом нейтронов в ядре.

Изотопические состояния характеризуются изотопическим спином, или изоспином. Его свойства напоминают свойства обычного спина, хотя это физически разные величины. Предположим, что изоспин 1 имеет, как и спин, три проекции, а изоспин 1/2 — две. Нуклон имеет два изотопических состояния— его изоспин равен 1/2. а протон и нейтрон соответствуют двум проекциям: 1/2 и —1/2. Изоспин пи-мезона 1, а положительный, отрицательный и нейтральный пи-мезоны соответствуют трем проекциям: положительный 1, нейтральный 0 и отрицательный —1.

Существует закон сохранения изоспина: во всех сильных взаимодействиях элементарных частиц полный изоспин сохраняется. Ну а это верный признак того, что существует симметрия, и, действительно, сильные взаимодействия обладают изотопической инвариантностью: они не зависят от того, в каком изотопическом состоянии находятся взаимодействующие частицы. Симметрия эта неточная, ведь частицы разных зарядов имеют хоть и очень близкие, но все же неравные массы.

Когда обнаружилась еще одна группа элементарных частиц — гипероны — лямбда-частица, сигма, кси, омега, у них оказалась особая внутренняя характеристика, «странность».

Она проявляется в том, что эти частицы рождаются вместе с другими странными партнерами, так, чтобы суммарная странность равнялась нулю. Лямбда-частица очень похожа на нуклон, только у нуклона странность равна нулю, у лямбды —1, у антилямбды +1. Если предположить, что странность сохраняется, станет ясно, что в реакциях с участием нуклонов и пи-мезонов может родиться пара лямбда — антилямбда, или другая комбинация; странность которой равна нулю, как у нуклонов.

Элементарных частиц оказалось так много и свойства их оказались настолько разными, что их пришлось распределить по семействам, используя основные характеристики — массу, электрический заряд и спин частиц.

Предсказанный Эйнштейном фотон — сам по себе семейство, его масса и заряд равны нулю, спин 1.

Вторая группа частиц называется лептонами (от греч. leptos — легкий), сюда входят электрон, мюон, нейтрино — их спин равен 1/2.

Еще одно семейство — сильновзаимодействующие частицы — адроны, «массивные». Внутри семейства существуют две ветви — мезоны и барионы. Спин мезона целый. Мезоны со спином 0 образуют семейство из восьми частиц. К барионам относятся нуклоны и гипероны с полуцелым спином: восемь барио-нов со спином 1/2 и десять со спином 3/2.

Все сильновзаимодействующие частицы обладают еще одним свойством: число барионов не изменяется при их столкновениях, они могут только переходить друг в друга; точнее, не изменяется разность барионов и антибарионов. Это свойство можно назвать законом сохранения барионного заряда. Для этого достаточно приписать каждому бариону бари-онный заряд 1, а антибариону —1. Барионный заряд пи-мезонов, которые могут рождаться в любом количестве, следует считать равным нулю.

Создание мощных ускорителей и чувствительных методов обнаружения привело к открытию громадного количества новых частиц. Чтобы классифицировать их, приходилось предполагать новые, более широкие симметрии, которые включили бы все новые свойства. Изобилие частиц уже не радовало, а только озадачивало теоретиков.

И они стали пытаться найти праматерию или прачастицы, чтобы все обилие вновь открытых частиц получалось из комбинаций нескольких — элементарных.

Кварки — составные части протонов и нейтронов

Как ни пытались теоретики составить мезоны и барионы из частиц с целым электрическим и барион-ным зарядом, ничего не получалось.

Кварки - составные части протонов и нейтронов

Тогда американские теоретики Марри Гелл-Ман и, независимо, Джордж Цвейг предположили, что все адроны состоят из частиц с барионным зарядом, равным ¹/₃ нуклонного, и с электрическим, равным ²/₃ или ^-1/₃ заряда протона. Идея показалась настолько дикой, что статью Гелл-Мана отказались печатать журналы! Он назвал частицы с дробным зарядом кварками.

Произошло то, чего никто не ожидал: все адроны, как по мановению волшебной палочки, улеглись в найденные раньше группы с одинаковыми свойствами.

Барионы можно составить из троек кварков, тогда барионный заряд будет равен 1. Спин кварков равен ¹/₂, из тройки кварков можно составить две комбинации: одну со спином ¹/₂ и вторую со спином ³/₂, поэтому и возникают две группы барионов со спином ¹/₂ и ³/₂.

Понадобилось ввести кварки трех типов: u, d, s — «верхний» (по-английски up), «нижний» (down) и «странный» (strange). Электрический заряд u-кварка ²/₃, d- и s-кварков ^-1/₃; У s-кварка, который входит только в странные адроны, странность 1, у d- и u-кварков странность 0.

В десятке барионов со спином ³/₂ есть частица дельта-барион. При рассеянии пи-мезонов на нуклоне пи-мезон и нуклон на время объединяются в дельта-барион. Эту частицу трудно увидеть в свободном состоянии, она быстро распадается, но отчетливо проявляется в рассеянии пи-мезонов на нуклонах. Раз нуклон и пи-мезон не странные частицы, то и странность дельты равна нулю, она состоит из и- и d-кварков. Было обнаружено четыре разновидности дельта-бариона, которые отличаются знаком заряда.

Все их можно построить из троек кварков, и заряды у этих дельта-барионов будут —1, 0, 1, 2. Вот и все возможности, значит, других дельта-барионов нет.

Посмотрим внимательно на дельта плюс-плюс барион. Он состоит из трех ц-кварков, чтобы полный заряд был 2 = З*³/₂. Но ведь спин дельты ³/₂, значит, проекции спинов всех трех и должны быть одинаковы и равны ¹/₂.

А как же быть с принципом Паули, о котором мы рассказывали в главе о симметриях? Ведь, согласно этому правилу, частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же состоянии. Как обойти запрет?

Тщательный анализ показал, что бывают разные u- и d-кварки! Наши кубики — кварки — надо раскрасить! Разноцветные кварки могут находиться в одном состоянии, и все остается на своих местах: кварк может иметь один из трех цветов, красный, синий или желтый... Конечно, можно было бы просто пронумеровать кварки, но это было бы скучно, мы уже знаем, как ценят физики красоту и изящество.

И вот дробные заряды и трехцветность кварков подтвердились многочисленными экспериментальными и теоретическими исследованиями, только все же найти кварки не удалось! Придется принять как закон природы, что кварки не вылетают из адронов даже при энергичных столкновениях. В свободном состоянии могут находиться только «белые» частицы — адроны и лептоны, а цветные нельзя удалять друг от друга.

В ускорителе на встречных пучках при больших энергиях сталкиваются электрон и позитрон. Рождается пара кварк — антикварк, и тут же возникают другие цветные пары и группируются в белые комбинации — барионы и мезоны. До того как кварк и антикварк превратятся в белые частицы, они связаны силовыми взаимодействиями. Но если сила, с которой в электродинамике притягиваются два противоположных заряда, убывает с расстоянием, то сила, скрепляющая кварк и антикварк, не убывает, а остается постоянной. Рождаясь, кварк и антикварк разлетаются, кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию их притяжения, как у двух шаров, скрепленных пружиной. С ростом потенциальной энергии пружина рвется, и система превращается в два летящих в разные стороны снопа белых частиц.

Типы кварков красиво назвали ароматами — верхний, нижний и странный мы уже знаем, пришлось ввести еще «очарованный» и «красивый»; теория предсказывает еще один аромат — «высший».

Глюонное поле

Что же это за поле, удерживающее кварки внутри адронов? Его назвали глюон-ным от английского слова glue — «клей». Оно подобно электромагнитному полю, удерживающему внутри атома электрон: согласно квантовой механике, энергия глюонного поля также изменяется скачкообразно, уравнения глюонного поля находят по образу и подобию уравнений электродинамики, порция его энергии называется глюоном, подобно порции энергии электромагнитного поля — фотону... Но есть и важное отличие: если электрон нисколько не меняется от взаимодействия с электромагнитным полем, то кварки, взаимодействуя с глюонным, могут изменять цвет.

Глюонное поле

Не так уж много лет прошло — в историческом масштабе — с открытия первой элементарной частицы, и как много сделано за это короткое время! Но и этого всего недостаточно, нужно еще найти уравнения, описывающие глюонные поля и их взаимодействие с кварками, эти уравнения предстоит решить, выразить массы всех адронов и их взаимодействия через свойства новых частиц, которые пока считаются элементарными,— глюонов и кварков... Все эти задачи еще ждут своих исследователей.

Поиски единства

На протяжении всей своей истории физика ищет единые причины для самых разных явлений, пытается объединить свои области. «Чем сложнее обилие новых фактов, чем пестрее разнообразие новых идей, тем повелительней звучит призыв к объединяющему мировоззрению». В этих словах Германа Гельмгольца выражена суть главной тенденции в развитии науки.

Еще древние догадывались, что великое многообразие веществ в природе объясняется различными комбинациями гораздо меньшего числа первичных частиц — атомов. Ньютон доказывает, что падение тел на Земле и движение небесных тел определяются одной причиной — притяжением с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния; Максвелл получает уравнения, обьединяющие все явления электричества, магнетизма, оптики; в наше время ученые пытаются объединить все известные физические взаимодействия...

Самые первые исследования атомных ядер добавили к известным взаимодействиям — электромагнитному и гравитационному — еще одно, «сильное». Сильное взаимодействие в десятки раз больше электромагнитного, оно удерживает нейтроны и протоны в ядре. К тому же были обнаружены силы между электронами, нейтрино и нуклонами. Эти силы — «слабые взаимодействия» — меньше электромагнитных, но больше гравитационных, они ответственны за радиоактивный распад. Итак, взаимодействий — четыре. И оказалось, что электромагнитное и слабое взаимодействия есть проявления более общего, единого взаимодействия — «электрослабого». Неожиданные связи, новые предсказания, объяснения загадочных явлений принесло такое объединение науке. Недавно теория электрослабого взаимодействия получила блестящее подтверждение: в ЦЕРНе, Европейской организации ядерных исследований, открыты предсказанные теорией частицы — «промежуточные» бозоны.

«Великим объединением» назвали физики теорию, которая должна дать единое объяснение трем взаимодействиям: электромагнитному, слабому и сильному. Эта теория еще далека от завершения, но ее предсказания уже проверяются на опыте. Великое объединение предсказывает, что протон за 1030 — 1033 лет распадается на позитрон и нейтральный пи-мезон или на нейтрино и положительный пи-мезон. Проверка уже началась в нескольких лабораториях, и, если опыт подтвердит распад протона, значит, теория на верном пути.

А что же четвертое взаимодействие? Его не забыли, и в последнее время многие теоретики уже пытаются создать теорию суперобъединения, которая включила бы в единую картину все четыре взаимодействия — электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное.

Задача невероятно сложная, и, наверно, пройдет немало времени, прежде чем откроется та величественная простота и стройность, что скрыта во Вселенной.