Дао физики

Мы уже убедились, что в физике частиц все эти вопросы взаимосвязаны. Поскольку субатомные частицы имеют релятивистскую природу, мы не можем понять их свойства вне их взаимодействий. В силу фундаментальной взаимосвязанности явлений субатомного мира мы не можем понять характер одной частицы, не уяснив характера остальных. Дальнейшие главы посвящены описанию достижений современной физики в исследовании свойств и взаимодействий частиц. Всеобъемлющей квантово-релятивистской теории для описания субатомного мира еще не существует, но в конце XX в. возникло несколько частных теорий и моделей, которые успешно описывают некоторые аспекты мироздания. В процессе знакомства с самыми значительными из них мы увидим, что все они включают философские концепции, которые удивительным образом согласуются с основными представлениями восточных мистиков.

Глава 14. Пустота и наполненность

Классическая механистическая модель мира исходила из представлений о твердых и неделимых частицах, движущихся в пустоте. Современная физика решительно пересмотрела эту картину, изменив наши взгляды не только на частицы, но и на пустоту. Главная роль здесь принадлежит так называемым теориям поля. Всё началось с идеи Эйнштейна об объединении гравитационных полей с пространственной геометрией. Прорыв произошел, когда ученые объединили квантовую теорию и теорию относительности для описания силовых полей субатомных частиц. В квантовых теориях поля традиционное противопоставление частиц и окружающего их пространства теряет свою остроту, и пустота превращается в динамическую величину, имеющую колоссальное значение.

Понятие «поле» было введено Майклом Фарадеем и Джеймсом Максвеллом в XIX в. для описания сил между электрическими зарядами и токами. Электрическое поле — особое состояние пространства, окружающего заряженное тело, которое создает силы, способные воздействовать на любой другой заряд внутри пространства. Следовательно, электрические поля создаются заряженными телами, а их действие могут ощутить на себе только заряженные тела. Магнитные поля порождаются движущимися зарядами, т. е. электрическими токами, и возникающие между ними магнитные силы могут воздействовать на любые другие движущиеся заряды. В классической электродинамике, разработанной Фарадеем и Максвеллом, считается, что поля имеют самостоятельную физическую природу и могут исследоваться вне связи с материальными объектами. Электрические и магнитные поля способны перемещаться в пространстве в виде радиоволн, световых волн и других видов электромагнитного излучения.

Теория относительности сделала модель электродинамики гораздо более элегантной, объединив понятия зарядов и токов и электрических и магнитных полей. Поскольку движение относительно, любой заряд может восприниматься как ток — при условии выбора системы координат, в которой он движется относительно наблюдателя. А значит, его электрическое поле может проявиться и как магнитное. Поэтому в релятивистской формулировке электродинамики понятия электрического и магнитного полей объединяются в общее понятие электромагнитного поля.

Понятие поля связано не только с электромагнитными силами, но и с другой силой макроскопического мира — гравитацией. Гравитационные поля создаются и ощущаются всеми массивными телами и воздействуют на них. Возникающие при этом силы всегда являются силами притяжения, в отличие от ситуации с электромагнитными полями, которые воздействуют только на заряженные тела, порождая как силы притяжения, так и силы отталкивания. Гравитационное поле описывается общей теорией относительности, которая утверждает, что воздействие массивного тела на окружающее пространство распространяется значительно дальше, чем воздействие заряженного тела в электродинамике. При этом пространство вокруг массивного тела меняется так, что находящиеся поблизости от него объекты начинают испытывать действие силы гравитации. Изменения при этом влияют на геометрию, а значит, и саму структуру пространства.

Материя и пустое пространство — наполненность и пустота — фундаментально различные понятия, на которых построен атомизм Демокрита и Ньютона. В общей теории относительности эти понятия уже неразделимы. Массивное тело не может существовать, не создавая гравитационного поля, которое будет искривлять окружающее это тело пространство. Но не стоит считать, что поле «наполняет» пространство и искривляет его. Одно не может быть отделено от другого: поле само по себе является искривленным пространством! В общей теории относительности гравитационное поле и геометрия пространства едины. В уравнениях поля Эйнштейна им соответствует одна и та же математическая величина. В теории Эйнштейна материя не мыслится вне своего гравитационного поля, а гравитационное поле неотделимо от искривленного пространства.