Дао физики

Рис. 44. Дождь из примерно 100 частиц, образовавшийся в космических лучах, случайно попадает в пузырьковую камеру. Прямые следы принадлежат частицам, которые попали в камеру из ускорителя

В мире частиц могут происходить не только такие процессы их рождения и гибели, которые обнаруживаются на фотографиях пузырьковых камер. Важное место среди явлений субатомного мира занимают процессы возникновения и аннигиляции виртуальных частиц, участвующих в обменных процессах и существующих недостаточно долго, чтобы быть обнаруженными. Возьмем, например, возникновение двух пионов в результате столкновения протона и антипротона. Пространственно-временная диаграмма данного процесса будет выглядеть так (рис. 45). (Не забывайте, что время на этих графиках имеет направление снизу вверх!)

Рис. 45. Пространственно-временная диаграмма столкновения

На этой диаграмме изображены мировые линии протона (р) и антипротона (), которые сталкиваются в некоторой точке пространства-времени, уничтожая друг друга и образуя два пиона (π⁺ и π^—). Но это не полная картина. Взаимодействие между протоном и антипротоном можно представить в виде обмена виртуальным нейтроном, как показано на рис. 46.

Рис. 46. Взаимодействие протона и антипротона

Точно так же процесс, зафиксированный на рис. 46 (нижний рисунок), приводящий к образованию четырех пионов в результате столкновения протона и антипротона, тоже может быть представлен в виде более сложного обменного процесса, в ходе которого происходит образование и аннигиляция трех виртуальных частиц: двух нейтронов и одного протона (рис. 47).

Рис. 47. Обменный процесс с образованием и аннигиляцией трех частиц

Соответствующая фейнмановская диаграмма будет выглядеть так (рис. 48)[218].

Рис. 48. Фейнмановская диаграмма процесса

Все эти примеры показывают, что следы на фотографиях пузырьковой камеры могут дать только общее представление о взаимодействиях частиц. Реальные процессы включают более сложную последовательность обменов. Если же мы вспомним о том, что каждая из частиц, принимающих участие во взаимодействии, постоянно испускает и поглощает виртуальные частицы, картина станет бесконечно сложной. Так, протон периодически испускает и поглощает нейтральные пионы, иногда испускает π⁺ и превращается в нейтрон, который через некоторое время снова поглощает π⁺ и вновь превращается в протон. На графиках Фейнмана это выражается в том, что мировая линия протона заменяется другой (рис. 49).

Рис. 49. Диаграммы Фейнмана, показывающие, как протон испускает и вновь поглощает виртуальный пион

В ходе этих виртуальных процессов исходная частица может на короткое время совсем исчезнуть, как на диаграмме (см. рис. 49 b). Возьмем другой пример: процесс, в котором отрицательный пион распадается на нейтрон (n) и антипротон (), аннигилирующиеся при последующем столкновении и превращающиеся в исходный пион (рис. 50).

Рис. 50. Возникновение виртуальной пары нейтрон-антипротон

Важно понимать, что все эти процессы подчиняются законам квантовой теории, а следовательно, являются тенденциями или вероятностями, а не реальностью. Каждый протон может быть охарактеризован с точки зрения вероятности его существования в форме различных пар: «протон плюс π⁰», «нейтрон плюс π⁺» и т. д. Перечисленные выше процессы — простейшие примеры виртуальных взаимодействий. Гораздо более сложные паттерны возникают, когда виртуальные частицы порождают другие виртуальные частицы, создавая целую сеть виртуальных взаимодействий[219]. В книге «Мир элементарных частиц» Кеннет Форд приводит сложный пример такого процесса, в ходе которого происходит образование и аннигиляция 11 виртуальных частиц. По его словам, эта диаграмма — изображение одной из подобных цепочек явлений, на первый взгляд ужасное, но соответствующее действительности. Каждый протон время от времени принимает участие в этом танце творения и разрушения (рис. 51)[220].

Рис. 51. Цепочка виртуальных взаимодействий по Форду

Форд — не единственный физик, использовавший выражения «танец творения и разрушения», «танец энергии». Представления о танце и ритме приходят в голову при попытке представить себе поток энергии, преобразующейся в различные динамические структуры, или частицы. Современная физика показала, что движение и ритмичность принадлежат к числу основных свойств материи, и вся материя, независимо от того, где она находится — на Земле или в космосе, — всегда участвует в непрекращающемся космическом танце.

Представления восточных мистиков о постоянно меняющейся Вселенной имеют много общего с теориями современной физики, и неудивительно, что для выражения своего интуитивного восприятия природы мистики тоже используют картину танца. Прекрасный пример такого рода мы находим в книге Александры Давид-Неель[221] «Путешествие в Тибет», в описании встречи автора с ламой, говорившим о себе как о «властелине звука» и изложившим свои взгляды на природу материи.