4.6. Квантово-механическая концепция на современном уровне. Фундаментальные взаимодействия

С учетом фактора неопределенности, дополнительности и вероятности Н. Бор дал так называемую копенгагенскую интерпретацию сути квантовой теории. «Раньше было принято считать, что физика описывает Вселенную. Теперь мы знаем, что физика описывает лишь то, что мы можем сказать о Вселенной». Сторонники копенгагенской интерпретации квантовой механики не признавали причинность, или детерминизм, в микромире и считали, что в основе физической реальности лежит фундаментальная неопределенность – индетерминизм. А. Эйнштейн выступал против принципа неопределенности, против той роли, которую в квантовой механике отводят акту наблюдения. Дальнейшее развитие физики его показало правоту, считавшего, что квантовая теория в существующем виде является незаконченной. То, что физики пока не могут избавиться от неопределенности, свидетельствует не об ограниченности научного метода, на чем настаивал Н. Бор, а лишь о незавершенности квантовой механики, что наиболее ярко доказывает так называемый парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена, или ЭПР-парадокс. Парадокс представляет собой мысленный эксперимент: что случится, если состоящая из 2 протонов частица распадется так, что протоны разлетятся в противоположные стороны? Из-за общности происхождения их свойства связаны, коррелируют друг с другом. По закону сохранения импульса, если один протон полетит вверх, то второй – обязательно вниз. Измерив импульс одного протона, мы обязательно узнаем и импульс другого, даже если он улетел на конец Вселенной. Между частицами существует нелокальная связь, которую А. Эйнштейн назвал «действием призраков на расстоянии», при котором каждая частица в каждый момент времени знает, где находится другая и что с ней происходит. ЭПС – парадокс несовместим с неопределенностью, постулируемой в квантовой механике. А. Эйнштейн считал, что есть какие-то скрытые параметры, которые не учтены. Все эти противоречия нашли свое разрешение на теоретическом уровне только во второй половине XX в. В 1964 г. Дж. С. Белл обосновал положение, согласно которому квантовая механика предсказывает более сильную корреляцию между взаимосвязанными частицами, чем та, о которой говорил А. Эйнштейн. Суть теоремы Дж. С. Белла заключается в том, что не существует изолированных систем: каждая частица Вселенной находится в «мгновенной» связи со всеми остальными частицами. Вся система, даже если ее части разделены огромными расстояниями и между ними отсутствуют сигналы, поля, механические силы, энергия и т.д., функционирует как единое целое. В середине 80-х годах XX столетия А. Аспект проверил эту связь экспериментально, изучая поляризацию пар фотонов, испускаемых одним источником в направлении изолированных детекторов. При сравнении результатов 2 серий измерений между ними обнаруживалась согласованность. В настоящее время наиболее распространенным является предположение, что связь всех частиц во Вселенной осуществляется через передачу информации, носителями которой выступают особые поля, пока не изученные человеком.

Вслед за рождением квантовой механики последовал целый каскад принципиальных изменений в областях естествознания, в основу которых были заложены новые представления о структуре микромира. В химии это, прежде всего, квантовая химия, в биологии – новый виток в развитии молекулярной биологии и, в частности, молекулярной генетики, а также представлений о квантованном многообразии форм живого. Благодаря квантовой механике на новую ступень поднялась ядерная физика, что имеет огромное значение для жизни человечества: это возможности использования энергии ядра, поиски путей получения энергии за счет термоядерных реакций. Но у достижений квантовой механики есть и другая сторона. Ее исследования напрямую способствовали разработке ядерного и термоядерного оружия такой разрушительной силы, которая в один момент способна разрушить мировую цивилизацию.

Фундаментальные взаимодействия

В современной научной картине мира существует еще одно важное представление – взаимодействие.

Развитие представлений о взаимодействии

Аристотель представлял взаимодействие как одностороннее воздействие движущегося на движимое. Он сформулировал первоначальную концепцию близкодействия. Передача воздействия осуществляется только через посредников, при непосредственном контакте.

В механи(сти)ческой картине мира И. Ньютон сформулировал концепцию взаимодействия в третьем законе механики и открыл фундаментальный вид взаимодействия в законе всемирного тяготения. Основополагающей в этой картине мира стала концепция дальнодействия – мгновенная передача взаимодействия через пустоту на любые расстояния.

В электромагнитной картине мира было открыто второе фундаментальное взаимодействие – электромагнитное, и произошел возврат к концепции близкодействия – взаимодействие передается только через материального посредника – физическое поле – с конечной скоростью. Полевой механизм передачи взаимодействия заключался в том, что заряд создавал соответствующее поле, которое действовало на соответствующие заряды.

В настоящее время различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии порядка 10^-13 см. При определенных условиях сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего образуются материальные системы с высокой энергией связи – атомные ядра. Энергия связи определяется работой, которую необходимо совершить, чтобы разделить нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодействие становится равным нулю. Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить. Однако с возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Так, ядра элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы и могут распадаться. Такой процесс называется радиоактивным распадом. Ядерные реакции, связанные с сильными взаимодействиями, происходят в течение 10^-24-10^-23 с. Это приблизительно тот кратчайший интервал времени, за который частица, ускоренная до высоких энергий, до скорости, близкой к скорости света, проходит через элементарную частицу размером порядка 10^-13 см. В соответствии с современными представлениями нуклоны непрерывно обмениваются π-мезонами, превращаясь друг в друга. Превращение протонов (р) и нейтронов (n) друг в друга протекает в соответствии с реакциями:

n → p + π;

n → n + π⁰;

р → n + π^-+;

р → р + π⁰.

Переносчиками сильных взаимодействий являются глюооны.

Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее электромагнитного, но более дальнодействующее. Взаимодействие такого типа свойственно движущимся электрически заряженным частицам. Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле – при их движении. В природе существуют как положительные, так и отрицательные заряды, что и определяет характер электромагнитного взаимодействия. Например, электростатическое взаимодействие между заряженными телами в зависимости от знака заряда сводится либо к притяжению, либо к их отталкиванию. При движении зарядов в зависимости от их знака и направления движения между ними возникает либо притяжение, либо отталкивание. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и ядра соединяются в атомы, атомы – в молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий, являются результатом перераспределения связей между атомами в молекулах, перестройки электронных оболочек и, как следствие, состава атомов в молекулах разных веществ. Последние процессы составляют содержание химической формы движения. Различные агрегатные состояния вещества, явление трения, упругие и другие его свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которые по своей природе являются электромагнитными. Таким образом, электромагнитное взаимодействие имеет решающее значение в макромире. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и др. Его наиболее общее описание дает электромагнитная теория Максвелла, основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон или квант электромагнитного поля. Все электромагнитные взаимодействия фотонов и других элементарных частиц подчиняются законам сохранения энергии, импульса, момента импульса, заряда, пространственной четности, странности, «очарования» и др. Изменения, обусловленные электромагнитными взаимодействиями, осуществляются в течение 10^-19-10^-21 с.

Гравитационное взаимодействие – самое слабое, не учитываемое в теории элементарных частиц. Однако на ультрамалых расстояниях (порядка 10^-33 см) и при сверхбольших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение, поскольку гравитационное взаимодействие по своей силе становится сравнимым с остальными видами взаимодействия. Оно характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. В космических масштабах гравитационное взаимодействие (тяготение) имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен. Оно заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения. Предполагается, что гравитационное взаимодействие обусловливается некими элементарными частицами – гравитонами, существование которых к настоящему времени экспериментально не подтверждено.

Слабое взаимодействие, представляющее всевозможные микропроцессы с излучением нейтрино и антинейтрино, менее универсально по сравнению с гравитационным и электромагнитным. Оно присуще всем адронам и лептонам, но не свойственно фотонам. Это взаимодействие распространяется на расстояние порядка 10^-15-10^-22 см и связано главным образом с распадом частиц, например, происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. Согласно современному уровню знаний, большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию. Переносчиками слабого взаимодействия являются заряженные W-бозоны (векторные). Создание единой теории электромагнитного и слабого взаимодействия, развитой в 1967-1968 гг. С. Вайнбергом (1933-1996) и А. Саламом (1926-1996), явилось крупным шагом в познании материального единства микропроцессов. Слабые взаимодействия ответственны за многие микропроцессы, являются необходимой стороной термоядерных реакций в звездах. Возникающие при этом нейтрино уносят значительную часть энергии излучения звезд (до 7%). Обладая огромной проникающей способностью, они слабо поглощаются веществом, постоянно накапливаются в космосе и через создаваемые ими поля тяготения оказывают весьма существенное влияние на пространственно-временные отношения в гигантских космических масштабах.

Перед физикой стоит важнейшая задача создания единой теории взаимодействий, включающих в себя все четыре. Такое «великое объединение» потребует синтеза теории элементарных частиц, квантовой хромодинамики и научной космологии, релятивистской астрофизики. Только в сверхплотных состояниях вещества, в процессах гравитационного коллапса или, напротив, взрывного расширения черных дыр, в недрах квазаров и ядер галактик могут проявляться те физические условия, в которых возможны синтез и взаимное превращение четырех фундаментальных видов взаимодействий. Разработка единой теории всех известных фундаментальных взаимодействий позволит обеспечить концептуальную интеграцию современных данных о природе, хотя на этом физическая наука не закончится, ибо материя неисчерпаема и бесконечна в своей структуре, как практически необозримы пути теоретического применения физики и развития прикладных физических дисциплин.