Мир вокруг нас - "Этэрнус" - Страница 9

Будучи волнами, кванты в то же время являются и частицами (благодаря корпускулярно-волновому дуализму). Т. о. кванты (фотоны, мезоны, W- и Z-бозоны, и т. п.), как возбуждения полей, не имеющие никакой твёрдой (материальной) сердцевины — тем не менее являются частицами, причём в этих частицах — нет материи, а есть одно лишь поле (как материеподобная субстанция). Этот момент, а также наличие у любого поля — энергии, а следовательно, и массы — привели вскоре к закономерному вопросу: не являются ли электрон, протон, нейтрон и т. п. элементарные частицы — устроенными так же, т. е. состоящими чисто из полей? Возможность такого представления частиц действительно имеет место:

Пример: масса протона — т. о. оказывается суммой масс (= энергий) полей, в него входящих (т. е. образующих протон). Поэтому отняв у протона сильное (ядерное (мезонное) и глюонное) поле, получим позитрон — частицу в 1836 раз более лёгкую, чем протон. А отняв у позитрона электрический заряд (и соответствующее поле), получим нейтрино — частицу с (как считалось) нулевой массой.

В общем, в 20-м веке стало ясно, что вся масса и энергия элементарных частиц — содержится в полях. Все элементарные частицы — состоят из полей, и в то же время, сами поля действуют посредством обмена квантами, которые тоже являются элементарными частицами. Даже такие частицы как электрон, протон и т. п., представляемые как не переносящие взаимодействий — представляются в рамках квантовой механики, как кванты особых, т. н. фермионных полей, в отличие от квантов обычных, или бозонных полей (электромагнитного, сильного и т. п.). В целом, по этим причинам, кванты — это все, любые элементарные частицы.

Окончательно потеряв возможность материальной сердцевины, частицы оказались лишёнными поверхностей, геометрической формы, размера и т. п. характеристик, и т. о. лишёнными способности к непосредственным взаимодействиям. Все взаимодействия элементарных частиц, поэтому, в рамках квантовой механики — стали представляться лишь как обмен квантами между полями, входящими в состав элементарных частиц (непосредственные же взаимодействия — оказались невозможны, и были полностью устранены из теории).

Было показано экспериментально, что даже в масштабах 10–18 м нет непосредственных взаимодействий между частицами: Как уже говорилось ранее, известно, что частица или ядро, и пролетающее мимо, на скорости света, нейтрино, при достаточном сближении — могут обмениваться импульсами (энергией), т. е. взаимодействовать. Если непосредственное взаимодействие (прямое столкновение) с нейтрино — отсутствует, это предполагает необходимость наличия промежуточных частиц-переносчиков взаимодействия — W- и Z-бозонов, т. е. квантов соответствующего поля, передающих энергию от (слабого) поля одной частицы — к слабому полю другой. Уверенность в наличии таких квантов-переносчиков взаимодействия — и привела к попыткам увидеть их, в экспериментах — высокоэнергетичных столкновениях частиц в ускорителе, — которые увенчались успехом (открытие W- и Z-бозонов), что показало отсутствие непосредственных взаимодействий даже на масштабах 10–18 м. Это и далее подтвердило уверенность в том, что элементарные частицы не могут просто прямо столкнуться друг с другом, т. е. не способны к непосредственному взаимодействию (из-за своей бесплотности, отсутствия поверхностей / размеров, и т. п.).

«Виртуальные» частицы

В квантовых представлениях о полях, ключевым является ещё следующий момент: кванты любого поля — считаются могущими существовать в двух различных состояниях: т. н. «виртуальном», и реальном. «Виртуальное» состояние кванта — не имеет ничего общего с виртуальной реальностью (это просто неудачное название). «Виртуальный» квант, в отличие от реального — обладает т. н. «виртуальной» энергией, т. е. энергией, которую он «одалживает» (согласно соотношению неопределённостей) у вакуума, на время своего кратковременного существования.

Если к «виртуальному» кванту добавить энергию извне (реальную), то квант перейдёт из «виртуального», в реальное состояние, в котором его можно обнаружить приборами, т. е. наблюдать. Такой квант — обладает энергией, которую не нужно возвращать вакууму, а поэтому существование кванта в реальном состоянии — не ограничено временем (хотя почти все реальные кванты — всё равно вскоре распадаются, превращаясь в другие элементарные частицы (все мезоны, W- и Z-бозоны, и вообще, большинство элементарных частиц — нестабильны)).

Кванты полей в реальном состоянии — получают при столкновениях элементарных частиц в ускорителе: при этом, кинетическая энергия (энергия столкновения), будучи реальной — побуждает «виртуальные» частицы перейти в реальное состояние. Т. о. были обнаружены кванты всех полей (за исключением гравитонов).

Кванты в реальном состоянии — играют малую роль во взаимодействиях объектов. Зато кванты в «виртуальном» состоянии (невидимые, и необнаружимые (напрямую) приборами, постоянно рождающиеся и исчезающие в полях, и обладающие «виртуальной» энергией) — составляют основу действия полей, согласно квантовым представлениям о полях (т. н. квантовой теории поля). Обмен «виртуальными» квантами — как раз и приводит к притяжению или отталкиванию частиц.

Наличие «виртуальных» квантов — следствие того, что физический вакуум неотъемлемо обладает энергией, которая, вследствие квантовой неопределённости собственной величины, в каждой точке пространства, и приводит к ряби («виртуальным» квантам = волнам) «на поверхности» любого поля.

В вакууме — постоянно идут процессы возникновения, кратковременного существования, и исчезновения всевозможных «виртуальных» частиц — «виртуальных» квантов различных полей, а также «виртуальных» электронов (вернее, электрон-позитронных пар, т. к. любые частицы, даже «виртуальные» — рождаются парами (если не являются античастицами = частицами антивещества, по отношению к самим себе)), «виртуальных» протон-антипротонных пар, и даже «виртуальных» атомов и молекул (теоретически). Все эти образования — возникают на очень короткие промежутки времени («подобно пузырям в кипящей жидкости»).

Чем больше «виртуальной» энергии берёт у вакуума «виртуальная» частица (квант), для своего существования — тем более кратковременна её жизнь. Поэтому самые массивные кванты, W- и Z-бозоны («виртуальные») — должны существовать самое ничтожное время, что объясняет, почему слабое поле, квантами которого они являются — самое короткодействующее из всех видов полей (как уже отмечалось, оно эффективно действует лишь в масштабах 10–16 см).

Кванты сильного (ядерного) поля («виртуальные» мезоны) — на порядки менее массивны, поэтому радиус (значительного) действия этого поля — на порядки (примерно в тысячу раз) больше, хотя всё равно — практически не выходит за масштабы атомного ядра.

Другие «виртуальные» кванты — гравитоны (гипотетические), и «виртуальные» фотоны (кванты электромагнитного поля) — лишены массы покоя. Поэтому в отличие от всех других «виртуальных» частиц — они могут существовать неограниченно, по времени. Поэтому гравитационное и электромагнитное поля убывают в пространстве очень медленно, а именно — лишь из-за увеличения покрываемого пространства, а не из-за исчезновения своих «виртуальных» квантов, возвращающих энергию вакууму.

Итак, кванты полей, и различия в их массах (= энергиях) — позволяют объяснить различия в масштабах, на которых действуют разные виды полей, а также увидеть в действии полей — определённый механизм (как обмен «виртуальными» квантами).

Это — основы квантовой механики, относящиеся к объяснению полей. (Других вопросов квантовой механики — будем касаться позже).

Переходим теперь к теории относительности, в которой также можно видеть более продвинутые представления о полях, чем то было в теории поля.

Теория относительности

Основы теории относительности, как фундаментальной научно-философской дисциплины — были заложены Эйнштейном в начале 20-го века, т. е. уже более ста лет назад. Первая часть этой теории — была опубликована в 1905-м году, и известна как специальная теория относительности (СТО), а вторая часть, обобщающая — появилась в 1916-м году — т. н. общая теория относительности (ОТО).