С. Хокинг

С древних времён человек осознал: мир изменчив. Движется Солнце, дует ветер, парят птицы, текут реки, меняются Вр года. Но какая причина вызывает изменения? Одни объекты содержат источник движения в себе (живые существа, человек), другим требуется “внешнее” воздействие. Наши предки размышляли о силах, сотворивших мир и вызывающих его изменение, но в представлениях первобытного человека это были магические силы, силы богов или духов. Начиная с Гераклита, которому принадлежит знаменитое изречение: всё течёт, всё изменяется, древнегреческие философы выстраивали различные концепции изменения и движения всего сущего.

Современное представление о силе возникает вслед за признанием законов движения И. Ньютона. Достижением Ньютона считается осознание того, что движение не требует приложения силы, только отклонение от равномерного прямолинейного движения требует объяснения, наличия силы. Ньютон установил: сила вызывает ускорение, и вывел точную математическую формулу, связывающую эти величины. Но механика Ньютона ничего не говорит о происхождении сил, вызывающих ускорение тел.

С позиций современной физики всё, что происходит в природе, многообразие проявления сил (давление металла, взрыв химических веществ и усилие растянутого жгута, мускульная сила человека и вес тяжёлого тела, ядерный реактор и сила тока) можно свести к 4 фундаментальным взаимодействиям (силам). Эти силы являются источником всех изменений. Каждое взаимодействие имеет свои отличия и сходство с тремя остальными. Одни силы действуют непосредственно, другие на расстоянии. Популярное изложение действия сил можно найти в книгах Силы в природе и Суперсила (Григорьев, Мякишев 1969; Девис 1989: 79-89).

Общая схема действия сил такова: электрон, Солнце, Луна, кварк испускают частицу-переносчицу силы. Переносчик взаимодействия, например фотон, поглощается другим объектом, скорость обоих объектов изменяется. Частицы-переносчики сил не подчиняются принципу запрета Паули, это означает, что сила может быть любой. Эти частицы называют виртуальными, так как их нельзя непосредственно наблюдать, но можно обнаружить эффекты, которые они вызывают.

1. Гравитация (сила тяготения) первой из 4 сил стала предметом исследования науки, после появления в ХVII в. теории гравитации Ньютона (закон всемирного тяготения). Гравитация, по Ньютону, действует на любых расстояниях (принцип дальнодействия), сила тяготения зависит от массы и удалённости от источника силы.

Гравитация – сила притяжения, выполняет разнообразные функции:

§ не позволяет Вселенной распадаться на части, удерживает планеты на орбитах, звёзды в галактиках;

§ приливы океанов вызваны гравитационным притяжением Луны;

§ притягивает к Земле и вызывает вращение Земли вокруг Солнца.

Каждая частица Вселенной испытывает действие гравитации, и сама является источником этой силы притяжения. Несмотря на всеобщий характер гравитационного взаимодействия, это самая слабая сила природы, она не проявляется в мире микрочастиц, незаметна на уровне макроскопических объектов. Возрастает же гравитация по мере образования всё больших скоплений вещества.

В 1915 г. А. Эйнштейн построил новую (после теории Ньютона) теорию гравитации – общую теорию относительности. По Ньютону гравитационное взаимодействие передаётся через Пр мгновенно, согласно же теории относительности, невозможно распространение сигнала со скоростью выше скорости света. Эйнштейн рассматривал гравитацию как поле, в котором могут зарождаться волны, подобно волнам электромагнитного поля.

По Эйнштейну тяготение связано не только с массой, но и с геометрией Пр, Пр испытывает воздействия масс, Þ, если изменяется гравитационное поле, то изменяется и Пр (искривляется). Геометрия мира должна быть подобной геометрии искривлённых поверхностей. В искривлённом Пр законы евклидовой геометрии не действуют, так же как 2-хмерная плоскостная геометрия не может быть применена на поверхности сферы[33]. 3-хмерное Пр искривлено под воздействием гравитационного поля тел с большой массой (планеты, звёзды). А поскольку в теории относительности Пр не может быть отделено от Вр, присутствие вещества оказывает воздействие и на Вр. В разных частях Вселенной Вр течёт с разной скоростью.

Теория Эйнштейна связывает 4-хмерное Пр-Вр и распределение масс во Вселенной, поднимает “старые” философские вопросы: конечно или бесконечно Пр-Вр? Может оказаться, что Пр Вселенной конечно. Но это не значит, что где-то есть граница, Пр замкнуто на себя: “откуда вышел, туда и придёшь”. Во Вр же мир что-то вроде начала имеет, или, во всяком случае, 12-15 млрд. лет назад материя Вселенной была сконцентрирована в бесконечно малом объёме (Гейзенберг 1989: 72-75; Девис 1989: 83; Капра 1994: 55-56).

Сегодня считается, что сила гравитации между двумя частицами материи переносится безмассовой частицей со спином 2, которая называется гравитоном. Гравитоны распространяются в виде волн, но ещё не удалось зарегистрировать эти волны (Хокинг 1990: 65-66).

2. Между электрически заряженными частицами (электроны, кварки, ионы) действуют электромагнитные силы. Электромагнитные взаимодействия сильнее гравитационных взаимодействий в 10⁴² раз и проявляются как притяжение (разные заряды) или отталкивание (одинаковые заряды).

Если количество положительных и отрицательных зарядов одинаково, то они компенсируют друг друга. Электромагнитное притяжение есть результат обмена виртуальных частиц со спином 1, которые называются фотонами. Электромагнитные взаимодействия ответственны за химические реакции, образование атомных и молекулярных структур, притяжение Fe к магниту. Магнитными силами обусловлены сложная игра света и красок в полярных сияниях, действие компаса, магнитных полей Земли, Солнца и даже галактики, электрические силы проявляются при вспышках молний (Хокинг 1990: 66-67; Капра 1994: 205).

Хотя гравитация первой получила научное объяснение, электромагнетизм очень давно известен людям. Существование электричества впервые установил Фалес: если кусок янтаря потереть о шёлк, янтарь притягивает мелкие предметы. Работы М. Фарадея навели на мысль: электричество скрыто в атоме, что и подтвердилось открытием электрона. Но не все микрочастицы являются носителями заряда, например, фотон, нейтрино, нейтрон нейтральны. Все материальные частицы создают гравитационное поле, с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы. Первую единую теорию поля создал Дж. Максвелл, его теория, с учётом квантовых эффектов продержалась до 1967 года, когда в объединении взаимодействий был сделан следующий шаг (Девис 1989: 84-86).

3. Третий тип взаимодействия называется слабым (сильнее гравитации, слабее электромагнитного, ядерного взаимодействий). Эта сила прекращается на расстоянии большем 10^-16см. от источника и не влияет на макроскопические объекты, действуя между всеми субатомными частицами.

Физики долго не понимали, откуда берутся из ядер атомов частицы, которых там нет (например, из нейтрона – протон, электрон и нейтрино)? Превращение одних частиц в другие – главное проявление этого взаимодействия. При взрывах, коллапсах звёзд испускается огромное количество нейтрино. Слабовзаимодействующие нейтрино, тем не менее, разрывают наружные слои звезды и образуются клочья облаков расширяющегося газа. Слабое взаимодействие проявляется при испускании некоторыми атомами ядер Не, электронов (радиоактивность) (А. Беккерель, Э. Резерфорд).

В 1967 г. А. Салам и С. Вайнберг предложили объединить электромагнитное и слабое взаимодействия: кроме фотона, кванта электромагнитного взаимодействия, существуют ещё 3 частицы со спином 1, так называемые тяжёлые векторные бозоны (W+, W– и Z⁰) или W– и Z-мезоны, которые и переносят слабое взаимодействие.

В основе гипотезы Вайнберга-Салама лежала идея о спонтанном нарушении симметрии: частицы, разные при низких энергиях, при высоких энергиях оказываются одной частицей в разных состояниях. Гипотеза предсказывала, что при высоких энергиях фотоны и бозоны ведут себя одинаково, а при низких энергиях в обычных ситуациях эта симметрия нарушается. В 1979 г. физикам была присуждена Нобелевская премия, а в 1983 г. их гипотеза подтвердилась экспериментально: бозоны были открыты.

В 1984 г. Нобелевская премия была вручена К. Руббиа за экспериментальное обнаружение W– и Z-мезонов. Успехи стали возможны благодаря тому, что в теорию были введены особые поля – скалярные поля j (СП). Наряду с электромагнитным, гравитационным и другими полями СП служит одним из составных элементов единых теорий (Вайнберг 1981: 133; Линде 1987: 6; Девис 1989: 128-136; Хокинг 1990: 67-68).

В отсутствии СП электромагнитные и слабые силы почти не отличаются. Разница между ними возникает тогда, когда в Пр появляется это поле. W– и Z-мезоны приобретают массу в результате спонтанного нарушения симметрии: на некотором уровне все частицы – переносчики электрических и слабых сил – безмассовые и равноправные члены одного семейства.

Только благодаря участию СП электрические, слабые силы начинают отличаться. W– и Z-мезоны – это ближайшие родственники фотона, потяжелевшие вследствие взаимодействия с СП. СП не отличается от обычного состояния вакуума, именно существование в Пр разных типов СП приводит к разделению всех типов взаимодействий на слабые, сильные, электромагнитные. Введение СП позволило по-новому объяснить Э ранней Вселенной (Линде1987:7-8).

Открытие нейтрона обнаружило факт: ядра всех химических элементов состоят из протонов и нейтронов, а сила, связывающая частицы внутри ядра, совершенно новое явление. Она не могла иметь электромагнитной природы, поскольку нейтроны электрически нейтральны. Новая сила не существует вне ядра.

Ядерное вещество обладает необычными свойствами:

b необычайно высокая плотность: если бы тело человека обладало бы плотностью ядра, то оно было бы величиной с булавочную головку;

b в ограниченном объёме нуклоны двигаются с очень высокой скоростью – около 40000 миль в сек., ядерное вещество можно сравнить с микрокаплями предельно плотной жидкости, которые “бурно кипят и булькают”;

b сильное взаимодействие обладает свойством ограничения, удерживания в связном состоянии: кварки не могут существовать сами по себе, так как 99% энергии-массы кварка – это энергия связи (1кварк=10протонам), природа, удерживающих кварки сил не до конца понятна.

4. Сильное ядерное взаимодействие удерживает кварки внутри адронов, протоны и нейтроны внутри атомного ядра, действует на расстоянии не больше 10^-13см. Ядерная сила, удерживающая протоны и нейтроны – самая мощная из всех известных современной науке сил[34]. Сильное взаимодействие является источником энергии Солнца, энергии водородной бомбы. Внутри протона и нейтрона порог энергии выше, чем в центре звёзд. С. Хокинг допускает, возможность того, что, выходя на ещё более высокие энергии, мы можем себя взорвать (Хокинг 1990: 142).

Переносчиком ядерных сил считается ещё одна частица со спином 1, которая называется глюон. На мощных ускорителях, при высоких энергиях сильное взаимодействие ослабевает и кварки, глюоны ведут себя почти как свободные частицы. При столкновениях протона и антипротона высокой энергии рождаются кварки, “струи” треков которых можно наблюдать.

П. Девис считает, что изучение свойств 4 фундаментальных взаимодействий составляет основную задачу физики и важную ступень к пониманию единства мира, на пути к суперсиле (Девис 1989: 80; Хокинг 1990: 68-69; Капра 1994:64-66).