Глава 13. ДИНАМИЧЕСКАЯ ВСЕЛЕННАЯ

 

Основная цель восточного мистицизма — достижение такого мировосприятия, при котором все явления воспринимаются как манифестации одной и той же высшей реальности. В этой реальности восточные мистики видят первосущность Вселенной, лежащую в основе всего многообразия наблюдаемых нами предметов и явлений. Индуисты называют ее "Брахман", буддисты — "Дхармакайя" ("Тело Сущего") или "Татхата" ("таковость"), а даосы — "Дао"; при этом все они утверждают, что эта реальность лежит за пределами интеллектуального восприятия, и поэтому не может получить более точного определения. В то же время, высшая сущность не может быть отделена от ее многообразных проявлений. В самом сердце его природы заложено стремление постоянно воплощаться в мириадах возникающих, гибнущих и превращающихся друг в друга форм. В своем явленном аспекте космическое Целое динамично по своей природе, и осознание его динамической сущности объединяет все школы восточного мистицизма. Так, Д. Т. Судзуки пишет о школе Кэгон — одном из направлений буддизма Махаяны:

 

"Основная идея Кэгон — достижение динамического мировосприятия этого мира — беспристрастно движущегося, видоизменяющегося, склонного к непрерывному преобразованию, которое и воплощает в себе идею жизни" [71,53].

 

Подчеркнутое внимание к движению, текучести и изменчивости мира характерно не только для восточного мистицизма, но и вообще для мистиков как таковых. Так, Гераклит в древней Греции создал учение о том, что "все течет", и сравнил мир с вечным пламенем, а в Мексике маг из племени яки по имени дон Хуан рассуждает об "исчезающем мире", утверждая, что: "Для того, чтобы стать человеком знания, нужно быть легким и подвижным, как вода" [10, 16].

 

В индийской философии все индийские и буддийские термины имеют смысловой оттенок динамичности. Слово "Брахман", образованное от корня "БРИХ" ("расти"), используется для обозначения динамической и живой реальности. По словам С. Радхакришнана, "слово "Брахман" означает "рост" и наводит на мысль о жизни, движении и совершенствовании" [62, 173]. Упанишады говорят о Брахмане как о "чем-то неоформленном, бессмертном, пребывающем в движении", соотнося его, таким образом, с идеей движения, несмотря на то, что Брахман лежит вне всех форм.

 

"Ригведа" использует для обозначения динамической природы Вселенной другой термин — "РИТА". Это слово образовано от корня "РИ-" ("двигаться"), его первоначальное значение в "Ригведе" было — "природный процесс, миропорядок". Это понятие занимает заметное место во всех Ведах, будучи так или иначе связано со всеми ведическими божествами. Ведические мудрецы воспринимали порядок не как раз и навсегда установившийся закон, а как динамический принцип, общий для всей Вселенной. Эти представления соотносятся с китайскими понятиями "Дао", что значит "Путь" — путь, по которому движется развитие Вселенной, то есть, опять же, миропорядок. Подобно ведическим мудрецам, китайские философы описывают мир в терминах текучести и изменчивости, что придавало их учению о космическом законе в высшей степени динамический характер. Впоследствии оба эти понятия-и "РИТА", и "Дао" — стали употребляться не только на первоначальном космическом уровне, но и по отношению к миру человека и получили этическую интерпретацию; РИТА стала восприниматься как общий закон, которому должны подчиняться как люди, так и божества; Дао превратился в правильный образ жизни.

 

Используемое в Ведах понятие "РИТА" предвосхищает понятие "КАРМА", которым впоследствии стали обозначать динамическую взаимосвязанность всех предметов и явлений. Слово "КАРМА" обозначает "деяние" и описывает "активную", или динамическую, взаимосвязь всех явлений. Говоря словами "Бхагавадгиты", "все деяния проистекают во времени благодаря переплетению сил природы" [54, 8, 3]. Будда придал традиционному понятию кармы новое значение, распространив представления о всеобщей динамической взаимосвязанности на сферу человеческих взаимоотношений и поступков. После этого слово "КАРМА" стало обозначать непрерывную цепь причин и следствий, имеющих место в человеческой жизни, которую самому Будде удалось разорвать в момент просветления.

 

В индуизме динамическая природа Вселенной описывается при помощи мифологических образов. Кришна говорит в "Гите": "Если бы я не участвовал в движении, эти миры прекратили бы свое существование" [54, 3, 24]. Шива, Космический Танцор, представляет собой наилучшее воплощение идеи динамической Вселенной. В процессе танца Шивы получают становление многочисленные явления нашего мира, все сущее объединяется единой пульсацией ритма этого танца и принимает в нем непосредственное участие. Таков величественный образ, иллюстрирующий динамическое единство Вселенной.

 

Индуисты воспринимают мир как гармоничный, растущий и ритмически сокращающийся космос, в котором все подвержено беспрестанным изменениям, и все устойчивые формы представляют собой воплощение "майи", то есть существуют только в качестве иллюзорных понятий. Последняя идея — идея непостоянства всего сущего — стала отправной точкой для буддизма. Будда учил, "что все составные вещи не вечны", и что все страдания на свете продолжаются нашей приверженностью к устойчивым формам — предметам, людям и понятиям, которая заслоняет от нас мир в его истинном облике — в движении и изменчивости. Поэтому динамическая картина мира составляет основу буддистского мировоззрения. По словам С. Радхакришнана,

 

"2500 лет тому назад Будда создал удивительную философию динамизма... Будда сформулировал положения философии перемен, исходя из того, что все вещи преходящи и пребывают в непрестанном становлении и преобразовании. Он стал воспринимать понятия вещества, души, монады, предмета в терминах сил, движений, последовательностей и процессов, и его мировоззрение приобрело динамический характер" [62,367].

 

Буддисты называют этот вечно становящийся мир "САНСАРОЙ" (буквально — "в непрерывном движении"), и утверждают, что ничто в этом мире не заслуживает привязанности. Поэтому просветленная личность для буддистов — это такой человек, который не сопротивляется естественному течению жизненного процесса, а движется вместе с ним. Когда чаньского монаха Юнь-мэня спросили: "Что такое Дао?", его ответ был крайне лаконичным; "Прогуляйся!". Это заставляет нас вспомнить о том, что одно из имен Будды — "Татхагата", или "Тот, кто приходит и уходит таким образом". В китайской философии действительность, вечно пребывающая в процессе текучести и изменений, получила название "Дао" и стала рассматриваться как космический процесс, в котором участвует все сущее. Даосы, как и буддисты, говорят, что нужно не сопротивляться этому движению, а напротив, приноравливать к нему свои поступки. Именно такой подход характерен для китайских мудрецов — просветленных. Если Будда "приходит и уходит таким образом" то даос "течет", по выражению Хуэй Нань-цзы, "вместе с течением Дао" (см. гл. 9).

 

Чем больше мы будем изучать религиозные и философские трактаты индусов, буддистов и даосов, тем более очевидным будет тот факт, что все они описывают мир в терминах движения, текучести и изменчивости. Динамический характер восточной философии представляется нам одной из важнейших ее особенностей. Восточные мистики воспринимают Вселенную как неразрывную сеть, переплетения которой носят не статический, а динамический характер. Эта космическая сеть наделена жизнью, она непрестанно движется, растет и изменяется. Современная физика, в конечном итоге, тоже пришла к восприятию мира в виде своеобразной сети взаимоотношений и, подобно восточному мистицизму, постулирует внутреннюю динамичность этой сети. С динамическим аспектом материи мы сталкиваемся в квантовой теории, описывающей двойственную природу субатомных частиц, одновременно обладающих свойствами частиц и волн, и, в еще большей степени, — в теории относительности, в которой единство пространства и времени, как мы увидим далее, предполагается, что материя не может существовать вне движения. Следовательно, свойства субатомных частиц можно объяснить только в контексте динамической картины мира, то есть в терминах перемещений, взаимодействий и преобразований.

 

Согласно квантовой теории, частицы одновременно считаются волнами, что делает их поведение крайне необычным. Если мы ограничим субатомную частицу внутри небольшого замкнутого пространства, она отреагирует на эти пространственные ограничения тем, что начнет колебательные движения внутри отведенного ей пространства. Этот факт относится к числу типичных "квантовых эффектов", не имеющих аналогов в макроскопическом мире. Для того, чтобы понять механизм этого явления, мы должны помнить, что в квантовой теории частицам соответствуют "пучки", или "пакеты" волн. Как говорилось в гл. 12, длина волны в таком "пакете" представляет неопределенность нахождения частицы. К примеру, изображенный на рис. 26 "пакет" волн соответствует частице, находящейся гдето в районе X; где именно, мы с уверенностью сказать не можем. Если мы хотим более точно определить местонахождения частицы, то есть ограничить ее движение в меньшем объеме пространства, нам нужно сжать ее "пакет" волн (см. рис. 27). При этом, правда, изменится длина волны этого "пакета" волн, а следовательно, и скорость частицы. В результате частица будет продолжать двигаться, и чем ограниченней станет объем пространства, тем выше будет скорость ее движения.

 

Способность частиц реагировать на сжатие путем увеличения скорости движения говорит о фундаментальной подвижности материи, которая становится очевидной при углублении в субатомный мир. В этом мире большинство частиц приковано к молекулярным, атомным и ядерным структурам, а следовательно, они не покоятся, а находятся в состоянии хаотического движения — они подвижны по своей природе. Квантовая теория показывает, что вещество постоянно движется, не оставаясь в состоянии покоя ни на минуту. В макроскопическом мире все тела, окружающие нас, кажутся пассивными и неподвижными, но стоит взять в руки увеличительное стекло, и "мертвый" камень или металл сразу же обнаруживает неопровержимые доказательства своей динамической сущности. Чем больше увеличение, тем более динамический характер приобретает наблюдаемая нами картина. Все материальные предметы, которые мы видим вокруг себя, состоят из атомов, связанных между собой внутримолекулярными связями различного типа и образующих таким образом молекулы, не неподвижны: они находятся в беспрестанном хаотическом колебательном движении, характер которых зависит от термических условий вокруг атомов. Электроны внутри движущихся атомов удерживаются поблизости ядра при помощи электрических сил, причем электроны реагируют на пространственные ограничения, вызванные этими силами, тем, что увеличивают скорость своего движения. Протоны и нейтроны внутри ядра связаны между собой ядерными силами. Ядерные частицы тоже всегда очень быстро движутся.

 

Современные физики представляют материю вовсе не как пассивную и инертную, но как пребывающую в непрестанном танце и вибрации, ритмические паттерны которых определяются молекулярными, атомарными и ядерными структурами. Таков же образ видения материального мира и восточными мистиками. Все они подчеркивают, что Вселенную надо рассматривать в целом динамической, ибо она движется, вибрирует и танцует; что природа пребывает не в статическом, а в динамическом равновесии. Или, словами даосского текста:

 

"Покой в покое не есть истинный покой. Только тогда, когда покой в движении, только тогда и может проявиться духовный ритм, который наполняет собой Небеса и Землю" [50, 229].

 

В физике динамическая природа мироздания становится очевидной для нас не только при углублении в мир бесконечно малого, но и при изучении астрономических явлений. Мощные телескопы помогают ученым следить за непрестанным движением вещества в космосе. Вращающиеся облака газообразного водорода, сгущаясь, превращаются в звезды. При этом их внутренняя температура во много раз возрастает. Достигнув этой стадии, облака продолжают вращаться, время от времени выбрасывая в пространство сгустки вещества. Последние, конденсируясь, превращаются в планеты. Через миллионы лет, когда водородное топливо подходит к концу, звезда начинает увеличиваться в размерах, расширяться, затем процесс расширения резко изменяет свое направление и превращается в процесс сжатия, завершающийся последним аккордом — гравитационным коллапсом. В результате коллапса могут произойти грандиозные взрывы, а звезда может стать "черной дырой". Все эти процессы — от образования звезды из межзвездных газовых облаков до их финального коллапса — происходят в различных уголках Вселенной в тот самый момент, когда Вы читаете эту книгу. Совокупности вращающихся, расширяющихся, сжимающихся и взрывающихся звезд образуют галактики различной формы — плоские диски, сферы, спирали и так далее, которые тоже, в свою очередь, не бывают в неподвижности. Млечный Путь, наша галактика, представляет собой огромный диск, состоящий из звезд и газообразных скопление веществ, вращающихся в пространстве, подобно гигантскому колесу. При этом все входящие в галактику звезды описывают вокруг ее центра окружности разного диаметра. Вселенная состоит из колоссального множества беспорядочно движущихся галактик, рассеянных в бескрайнем пространстве.

 

Изучая Вселенную как единое космическое целое, мы достигаем наивысшего уровня пространства-времени и с удивлением обнаруживаем, что даже здесь вещество не утрачивает своего непреодолимого стремления к движению и изменчивости: мы сталкиваемся с явлениями расширения Вселенной! Это явление было одним из последних открытий современной астрономии. Тщательное изучение данных позволило ученым обнаружить, что совокупность галактик постоянно расширяется, причем скорость удаления галактик от наблюдателя прямо пропорциональна разделяющему их расстоянию: при двукратном увеличении расстояния скорость тоже возрастает в два раза. Это утверждение верно не только для нашей галактики, но и для всех остальных. В какой бы галактике мы ни оказались, остальные — соседние — будут удаляться от нас с большей скоростью, а скорость движения самых дальних галактик приблизится к скорости света. Свет, исходящий от еще более удаленных галактик, просто не мог бы дойти до нас быстрее скорости света. Говоря словами сэра Артура Эддингтона, их свет был бы похож "на бегуна, бегущего по дорожке стадиона, которая постоянно растет, так что финишная черта удаляется от него быстрее, чем может бежать он сам".

 

Для того, чтобы лучше выяснить, что именно понимается под расширением Вселенной, нужно не забывать о том, что явления макромира рассматриваются в общем контексте общей теории относительности Эйнштейна. Согласно последней, пространство является не "плоским", а "искривленным", причем характер искривления зависит от распределения вещества во Вселенной. Эту зависимость описывают выведенные Эйнштейном уравнения поля. Эти уравнения, положенные в основу современной космологии, характеризуют общую структуру Вселенной.

 

Говоря о расширяющейся Вселенной в контексте общей теории относительности, мы имеем в виду расширение в плане более высокого измерения. Эта фраза приобретает более ясный смысл, если мы обратимся к аналогии из двух измерений, как мы делали в случае понятия искривленного пространства. Представим себе воздушный шарик, поверхность которого усеяна множеством точек. Шарик изображает Вселенную, его двухмерная искривленная поверхность изображает двухмерное пространство, а точки на его поверхности — галактики, содержащиеся во Вселенной. Когда мы надуваем шарик, расстояния между всеми точками увеличиваются. Если при этом мы представим, что находимся на одной из них, все остальные точки будут удаляться от нас. Расширение Вселенной очень похоже на приведенный нами пример: в какой галактике ни оказывался бы наблюдатель, все остальные галактики будут удаляться от него (см. рис. 28).

 

Возникает вполне естественный вопрос о том, как началось это расширение. Приняв в расчет зависимость между удаленностью той или иной галактики и теперешней скорости ее удаления от нас (эта зависимость известна под названием закона Хаббла), можно вычислить, в какой момент началось расширение Вселенной или, иными словами, ее возраст. Если мы предположим, что скорость расширения не изменялась, что, впрочем далеко не очевидно, то получим цифру 10.000 миллионов лет. Итак, мы узнали возраст Вселенной. Большинство современных ученых-космологов считают, что наша Вселенная произошла в результате взрыва первичного сгустка вещества, происшедшего более 10.000 миллионов лет тому назад. Зафиксированное в наши дни расширение Вселенной представляет собой "отголосок" этого далекого взрыва. Согласно теории "большого взрыва", последний привел к возникновению Вселенной и появлению пространства и времени. При попытке представить себе, что могло предшествовать этому моменту, мы снова попадаем в затруднительное положение из-за особенностей нашего мышления и языка. По словам сэра Бернарда Ловелла,

 

"Здесь перед нами вырастает непреодолимый психологический барьер, связанный с тем, что мы не знаем, как воспринимать понятия пространства и времени на этом этапе, когда они еще не существовали в нашем традиционном понимании. У меня при этом появляется такое ощущение, как будто я внезапно попал в густой туман, в котором предметы теряют свои привычные очертания" [51,93].

 

Что касается дальнейшего расширения Вселенной, то уравнения Эйнштейна имеют несколько возможных решений, и выбор какого-либо из них определяется нашей моделью Вселенной. Некоторые модели предполагают, что расширение будет продолжаться вечно; согласно другим, оно уже замедляется, чтобы смениться противоположным процессом сжатия. Последние модели описывают "пульсирующую Вселенную", которая сначала в течении биллионов лет расширяется, а потом снова сжимается до тех пор, пока ее масса не станет равна небольшому сгустку огненного вещества, после чего снова начнет расширяться, и так бесконечно. Образ периодически расширяющейся и сокращающейся Вселенной был разработан не только современными физиками. В индийской мифологии такой образ существует в далекой древности. Индусы, считавшие, что мирозданию присущи два происходящих качества — гармоничность и ритмичность всех происходящих процессов, — создали динамическую космологическую модель Вселенной, которая оказывается довольно близкой к современным представлениям. Один из аспектов этой модели связан с индуистским понятием "ЛИЛА", что означает "божественная игра", в процессе которой Брахман преображает себя в мир (см. гл. 5). Лила имеет фазы, которые ритмически сменяют друг друга: космическое Целое дает начало множественности форм, которые вновь сливаются в Целом. Все это происходит с четкой периодичностью. В "Бхагавадгите" бог Кришна использует для описания этой божественной игры творения следующие слова:

 

"Когда завершается ночь времени, все вещи возвращаются к моей природе; при первом же проблеске зари нового дня я снова явлюсь миру света.

 

Так, при присвоении своей сущности я осуществляю акт всеобщего творения, который повторяется с круговращением времени.

 

Тем не менее, дело творения не вовлекает меня в свой круговорот. Я существую, я наблюдаю за драмой становления.

 

Я наблюдаю, и природа, постоянно пребывающая в состоянии творения, порождает все, что движется, и все, что не движется; так продолжается круговращение мира" [54, 9, 7 — 10].

 

Индуистские мудрецы не останавливались перед тем, чтобы распространить сферу существования этой божественной игры на все мироздание. Они считали, что Вселенная претерпевает периодические, чередующиеся друг с другом процессы сжатия и расширения, и называли промежутки времени между началом и концом одного сотворения Вселенной КАЛЬПАМИ. Масштабность картины, нарисованной древними индуистами, представляется воистину впечатляющей. Для того, чтобы придти к сходным концепциям научным путем, человечеству понадобилось больше двух тысячелетий. Вернемся из бездонного космоса в мир бесконечно малого. В двадцатом веке ученые все глубже проникаются в мир субмикроскопических измерений, основными действующими лицами которого являются атомы, ядра и нуклоны. Главным стимулом для подобных вопросов служил вопрос, занимавший величайшие научные умы на протяжении столетий: "Из чего состоит вещество?". Люди задались этим вопросом с момента возникновения натурфилософии, но только в наше время для него удалось получить экспериментальные данные. Сложнейшие приборы позволили ученым заглянуть сначала во внутренний мир атома, узнав, что атом состоит из ядер и электронов, а затем исследовать строение атомных ядер, компонентами которых оказались протоны и нейтроны, получившие общее наименование нуклонов. За последние двадцать лет наука еще сделала шаг вперед, добившись значительных успехов в изучении строения нуклонов — компонентов атомного ядра, — которые, в свою очередь, тоже не являются последним уровнем строения вещества и тоже состоят из более мелких частиц.

 

Первое же знакомство с миром атомов привело к тому, что представление физиков об устройстве мироздания изменилось кардинальнейшим образом, что уже отмечалось в предыдущих главах. Второй шаг — проникновение в мир атомных ядер и их компонентов-имел ничуть не меньшее значение. В этом мире нам приходится иметь дело с частицами, размеры которых в сотни тысяч раз меньше, чем размеры атома, что обуславливает их более высокую скорость по сравнению с атомами. Они движутся так быстро, что для их описания необходима специальная теория относительности.

 

Поэтому для понимания свойств субатомных частиц и характера их взаимодействий используется такой подход, который сочетает квантовую теорию с теорией относительности, причем главная роль изменения наших представлений о мироздании принадлежит теории относительности.

 

Как уже говорилось выше, самая характерная особенность релятивистского подхода заключается в том, что он выявляет связи между такими фундаментальными понятиями, которые до этого представлялись ученым совершенно самостоятельными. Один из наиболее важных примеров — это эквивалентность понятий энергии и массы, сформулированная Эйнштейном в виде знаменитого уравнения "Е=mc^2". Для того, чтобы уяснить фундаментальное значение их эквивалентности, рассмотрим сначала понятия массы и энергии по отдельности.

 

Энергия — одно из важнейших понятий, используемое для описаний природных явлений. Как и в повседневной жизни, в физике мы говорим, что тело обладает некоторой энергией, если оно способно совершить какую-либо работу. Энергия имеет множество разнообразных воплощений. Среди них энергия движения, тепловая энергия, энергия гравитации, электрическая энергия, химическая энергия и другие. Независимо от формы, энергия означает способность совершать работу. Например, камень, поднятый на некоторую высоту над землей, обладает гравитационной энергией. Если отпустить его, гравитационная энергия перейдет в энергию движения (кинетическую энергию), при падении же на землю камень может совершить механическую работу, разбив что-нибудь. Еще один пример — преобразование электрической или химической энергии в тепловую в бытовых приборах. В физике энергия всегда связана с протеканием тех или иных процессов, с теми или иными видами деятельности, и фундаментальное значение этого понятия заключается в том, что общее количество энергии, принимающей участие в процессе, подчиняется закону сохранения. Энергия может изменить свою форму, но не может прекратить свое существование вообще. Закон сохранения энергии принадлежит к числу важнейших законов физики. Ему подчиняются абсолютно все законы природы, и до сих пор не было обнаружено никаких свидетельств его несоответствия действительности.

 

Масса тела является мерой его собственного веса, то есть мерой гравитационного воздействия на него. Помимо этого, масса характеризует энергию тела, его сопротивления ускорениям, направленным извне. Тяжелые тела сложней привести в движение, чем легкие. Для того, чтобы убедиться в этом, попробуйте сдвинуть с места нагруженный грузовик. В классической физике понятие массы обычно ассоциируется с представлениями о некоей неуничтожаемой материальной субстанции — о материале, из которого, как тогда считалось, должны состоять все вещи. Масса, как и энергия, подчиняется закону сохранения и не может исчезать и появляться из ничего. Так утверждала классическая физика.

 

Однако теория относительности говорит, что масса — не что иное, как одна из форм энергии. Энергия не только может принимать разнообразные формы, которые стали известны еще в древности, но также может быть "законсервирована" в массе тела. Количество энергии, содержащееся, например, в частице, эквивалентно массе частицы, т, помноженной на скорость света в квадрате, то есть Е=мс^2.

 

Если масса тела становится мерой энергии, она теряет свойство неуничтожимости и может свободно преобразовываться в другие формы энергии. Последнее имеет место при столкновениях субатомных частиц. Во время таких столкновений некоторые частицы могут прекратить свое существование, а энергия, содержащаяся в их массе, может преобразоваться в кинетическую энергию и перераспределиться между другими частицами, принимающими участие при столкновении, и наоборот, при столкновении частиц, движущихся с очень большими скоростями, их кинетическая энергия может перейти в массу других частиц.

 

Создание и уничтожение материальных частиц — одно из самых впечатляющих явлений эквивалентности энергии и массы, В процессе столкновений, использующихся в физике высоких энергий, масса уже не сохраняется. Сталкивающиеся частицы могут быть уничтожены, а энергия, заключенная в их массах, может преобразоваться частично в кинетическую энергию других участников столкновения, а частично — в массы новых частиц. Приводя субатомные частицы к столкновению друг с другом, мы получаем возможность исследовать их свойства, которые не могут быть описаны без учета эквивалентности массы и энергии. Это подтверждалось много раз, а для ученых, занимающихся физикой частиц, это настолько очевидно, что они измеряют массы частиц в соответствующих количествах энергии. Открытие, что масса — ни что иное, как разновидность энергии, заставило нас кардинально пересмотреть наши взгляды на понятие частицы. В современной физике масса не рассматривается уже в качестве величины, определяющей наличие в том или ином объекте определенного количества некоторого материального вещества, или "материала", но в качестве величины, характеризующей наличие у того или иного обьекта определенного количества энергии. Поскольку, энергия неразрывно связана с работой, процессами, субатомные частицы имеют в высшей степени динамическую природу. Для более глубокого понимания этого положения мы не должны забывать, что эти частицы следует рассматривать только в релятивистских терминах, которые предполагают, что пространство и время представляют собой неразрывный четырехмерный континуум. Частицы должно воспринимать не как неподвижные трехмерные объекты, похожие на бильярдные шары или крупинки песка, а как четырехмерные структуры в пространстве-времени. Их формы нужно понимать динамически — как формы пространства и времени. Субатомные частицы — это динамические структуры, каждая из которых имеет пространственный аспект и временной аспект. Пространственный аспект придает им характеристики объектов, обладающих некоторой массой, а временной аспект — характеристики процессов, в которых существует количество энергии, равное их массе.

 

Эти динамические паттерны, или "энергетические пучки", формируют стабильные ядерные, атомарные и молекулярные структуры, которые и образуют материю, придавая ей ее макроскопический твердый аспект. Это заставляет нас думать о том, что окружающие нас предметы состоят из некоей материальной субстанции. На макроскопическом уровне понятие материальной субстанции вполне уместно в качестве упрощения реального положения дел, но на уровне атома оно лишено всякого смысла. Атомы состоят из частиц, в которых нет никаких признаков материальной субстанции. При наблюдении за ними мы не находим никаких доказательств того, что перед нами — нечто вещественное, напротив, все говорит о том, что мы имеем дело с динамическими паттернами, постоянно преобразующимися и видоизменяющимися — с непрекращающимся танцем энергии.

 

Квантовая теория обнаружила, что частицы — это не изолированные крупицы вещества, а вероятностные модели — переплетения в неразрывной космической сети. Теория относительности вдохнула жизнь в эти абстрактные паттерны, пролив свет на их динамическую сущность. Она показала, что материя не может существовать вне движения и становления. Частицы субатомного мира активны не только потому, что они очень быстро движутся; они являются процессами сами по себе! Мы не можем отделить существование материи от производимой ею работы, эти понятия представляют собой только различные аспекты одной и той же пространственно-временной действительности.

 

В предыдущей главе мы рассуждали о том, что знания о "взаимопроникновении" времени и пространства привело восточных мистиков к выработке в высшей степени динамического мировосприятия. Сочинения мистиков доказывают, что они не только воспринимают мир в терминах становления и изменения, но также интуитивно ощущают "пространственно-временную" сущность всех материальных объектов, описанию которой посвящены все важнейшие теории современной физики. Физикам приходится учитывать единство времени и пространства при изучении субатомного мира, то есть частицы в терминах энергии, работы и процессов. Как представляется автору, необычные состояния сознания обнаруживают для мистиков связь между пространством и временем на макроскопическом уровне, вследствие чего их восприятие макроскопических объектов оказывается весьма близким к представлениям физиков о субатомных частицах. Особенно это бросается в глаза в буддизме. Одно из важнейших наставлений Будды звучит следующим образом: "Все составные вещи не вечны". В оригинальном тексте этого изречения на языке пали для выражения понятия "вещь" используется слово "САНКХАРА" (на санскрите — "САМСКАРА"), которое, в первую очередь, имеет значение "событие" или "происшествие", а также "деяние" или "свершение", и только потом — значение "существующая вещь". Это доказывает, что буддисты воспринимают мир динамически и видят в каждой вещи единичное проявление процесса вечного становления. По словам Д. Т. Судзуки,

 

"Буддисты воспринимают объект как событие, а не как вещь или материальную субстанцию... Буддийское представление о вещи, как о "самскаре" (или "санкхара"), то есть как о "деяниях" или "событиях", ясно указывает, что буддисты рассматривали восприятие человека в терминах времени и движения" [71,55].

 

Так же, как современные физики, буддисты видят во всех материальных объектах не вещи, а процессы, отрицания существования материальной субстанции. Этот подход является общим для всех школ и направлений буддизма. Китайские философы тоже близки к подобному пониманию материального мира. Они воспринимают все его объекты как переходящие этапы бесконечного течения Дао. Их гораздо больше интересуют законы, регулирующие взаимоотношения отдельных объектов, а не решение проблемы мельчайших составляющих материи.

 

"В то время, как европейская философия склонна находить реальность в веществе, — пишет Джозеф Нидэм, — китайские философы склонны находить ее во взаимосвязях" [60, 478].

 

Динамическое мировоззрение восточных мистиков и современных физиков исключает возможность существования каких-либо устойчивых форм, а также какой бы то ни было материальной субстанции. Основными составляющими Вселенной являются динамические паттерны — преходящие этапы "нескончаемого тока преобразований и видоизменений", как говорил Чжуанцзы.

 

Согласно нашему современному представлению о материи, базовыми паттернами вещества являются субатомные частицы, и основная цель теоретической физики заключается сегодня в исследовании свойств и взаимодействий последних. Сейчас известно более двухсот частиц, большинство из которых создаются искусственно во время научных экспериментов и существуют в течении крайне непродолжительного отрезка времени — меньше одной миллионной доли секунды. Совершенно очевидно, что эти недолговечные частицы представляют собой лишь преходящие паттерны динамических процессов. Перечислим основные вопросы, которые могут быть поставлены по отношению к этим паттернам или частицам: Чем они отличаются друг от друга? Имеют ли они более мелкие составные части, а если имеют, то какие именно, или, если говорить более точно — какие еще паттерны принимают участие в их существовании? И наконец, если частицы являются процессами, то каковы эти процессы?

 

Мы уже убедились в том, что в физике частиц все эти вопросы переплетаются друг с другом. Поскольку все субатомные частицы имеют релятивистскую природу, мы не можем понять их свойства вне их взаимодействий. В результате основополагающего взаимопереплетения явлений субатомного мира мы не можем понять сущность одной частицы, не уяснив сущности всех остальных. Последующие главы посвящены описанию тех достижений, которые были сделаны современной физикой в исследовании свойств и взаимодействий частиц. Хотя всеобъемлющей квантовой теории относительности для описания субатомного мира еще не существует, за последние годы возникло несколько теорий и моделей, которые вполне успешно характеризуют некоторые аспекты мироздания. В процессе знакомства с наиболее значительными из этих теорий и моделей мы увидим, что все они прибегают к использованию философских понятий, которые удивительным образом гармонируют с основными представлениями восточных мистических учений.

 

Глава 14. ПУСТОТА И ФОРМА

 

Классическая механика исходила из представлений о твердых и неделимых частицах, движущихся в пустоте. Современная физика пересмотрела эту картину самым кардинальным образом, существенно изменив наши взгляды не только на частицы, но и пустоту. Главная роль в этом принадлежит так называемым теориям поля. Все началось с того, что Эйнштейн обратил внимание на связь между гравитационными полями и геометрией пространства, и получило дальнейшее развитие после того, как ученые объединили квантовую теорию и теорию относительности для описания силовых полей вокруг субатомных частиц. В "теориях квантового поля" традиционное противопоставление между частицами и окружающим их пространством теряет свою очевидность, и пустота превращается в динамическую величину, имеющую колоссальное значение для физики.

 

Понятие "поле" было введено Фарадеем и Максвеллом в девятнадцатом веке для описания сил, взаимодействующих между электрическими зарядами и токами. Электрическое поле — это особое состояние пространства, окружающего заряженное тело, склонное воздействовать на любой другой заряд внутри пространства. Следовательно, электрические поля порождаются заряженными телами, и их действия могут ощутить на себе только заряженные тела. Магнитные поля порождаются движущимися зарядами, то есть 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 рассматриваться вне связи с материальными объектами. Колеблющиеся электрические и магнитные поля могут перемещаться в пространстве в виде радиоволн, световых волн и различных других типов электромагнитного излучения.

 

Теория относительности сделала построение электродинамики гораздо более изящным, объединив понятия зарядов и токов, а следовательно, и электрических, и магнитных полей. Так как все движение относительно, любой заряд может восприниматься как ток — при условии выбора той системы координат, в которой он движется относительно наблюдателя, а значит, его электрическое поле может также 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 электромагнетизмом, но и с другой силой макроскопического мира — силой гравитации. Гравитационные поля подтверждаются всеми массивными телами и воздействуют на них же. Возникающие при этом силы всегда являются силами притяжения, в отличие от ситуации с электромагнитными полями, которые оказывают воздействия только на заряженные тела, порождая и силы притяжения, и силы отталкивания. Подходящей теорией поля для рассматриваемого гравитационного поля будет общая теория относительности, которая утверждает, что воздействие массивного тела на окружающее пространство имеет гораздо более далеко идущие последствия, чем аналогичное последствие заряженного тела в электродинамике. В данном случае пространство вокруг массивного тела тоже "упорядочивается" таким образом, что находящиеся поблизости тела начинают испытывать действие силы гравитации, но важнейшее отличие от электродинамики заключается в том, что это упорядочивание затрагивает геометрию пространства, то есть структуру.

 

Вещество и пустое пространство — наполненное и пустота — представляют собой два фундаментально различающихся понятия, на которых построен атомизм Демокрита и Ньютона. В общей теории относительности эти два понятия превращаются в одно. Массивное тело не может существовать, не создавая гравитационного поля, проявляющего себя в искривлении окружающего это тело пространства. Не следует, тем не менее, считать, что поле "наполняет" пространство, и тем самым искривляет его. Одно не может быть отдельным от другого: поле само по себе является искривленным пространством! В общей теории относительности гравитационное поле и структура, или геометрия, пространства воспринимается как одно и то же понятие. В уравнениях поля Эйнштейна им соответствует одна и та же математическая величина. Следовательно, в теории Эйнштейна вещество не мыслится вне этого гравитационного поля, а гравитационное поле не мыслится без искривленного пространства. Таким образом, вещество и пространство воспринимаются как непрерывно связанные понятия и даже более того, — как взаимосвязанные частицы единого целого.

 

Массивные тела не только определяют структуру окружающего пространства, но и, в свою очередь, испытывают воздействие со стороны среды. Согласно представлениям физика и философа Эрнста Маха, инерция материального тела, то есть его сопротивление направленным извне ускорениям является не неотъемлемым свойством материи, а мерой ее взаимодействия со всей остальной Вселенной. По Маху, вещество обладает инерцией только потому, что во Вселенной есть другое вещество. Когда тело вращается, его инерция порождает центробежную силу (которая используется, в частности, в центрифуге для отжимки мокрого белья), одна эта сила получает проявление только потому, что тело вращается "относительно неподвижных звезд", как выражается Мах. Если бы неподвижные звезды неожиданно исчезли, вместе с ними исчезла бы и инерция, и центробежная сила внутри вращающегося тела.

 

Такое понимание инерции, получившее известность под названием принципа Маха, оказало глубокое воздействие на Альберта Эйнштейна и явилось для него первым стимулом для создания теории относительности. Поскольку теория Эйнштейна очень сложна в математическом отношении, физики до сих пор не пришли к какому-либо определенному выводу относительно того, может ли принцип Маха считаться частным случаем теории Эйнштейна. Тем не менее, большинство физиков уверено в том, что принцип Маха должен быть непременно включен в общую теорию гравитации.

 

Итак, современная физика снова (на этот раз на макроскопическом уровне) демонстрирует нам, что материальные тела не имеют собственной сущности, но являются неразрывно связанными со своим окружением; и их свойства могут восприниматься только в терминах их воздействий с окружающим миром. Согласно принципу Маха, взаимодействие тел распространяется на всю Вселенную в целом, включая наиболее удаленные звезды и галактики. Неразрывное единство мироздания проявляется не только в мире бесконечно малого, но и в мире сверхбольшого; этот факт получает признание в современной физике и космологии. По словам астронома Фреда Хойла,

 

"Современные исследования довольно убедительно свидетельствуют о том, что условия нашей повседневной жизни не могли бы существовать в отрыве от далеких частей Вселенной, и, если бы эти части каким-то чудесным образом были изъяты из нашего мира, то все наши представления о пространстве и геометрии моментально утратили бы свой смысл. Наши повседневные впечатления до самых мельчайших деталей настолько тесно связаны с крупномасштабной характеристикой Вселенной, что сложно даже проставить себе, что одно может быть отделено от другого" [38, 304].

 

Единство и взаимосвязь материального тела и его окружения, проявляющиеся на макроскопическом уровне в общей теории относительности, становятся еще более очевидными на субмикроскопическом уровне. В последнем случае положения классической теории поля объединяются с положениями квантовой теории в целях описания взаимодействий субатомных частиц. Гравитационные взаимодействия еще не могут быть описаны аналогичным образом вследствие того, что теория гравитации Эйнштейна очень сложна в математическом отношении, однако ученым удалось объединить квантовую теорию с общей теорией поля, а именно: электродинамикой, в рамках так называемой "теории квантовой электродинамики", которая описывает все электромагнитные взаимодействия между субатомными частицами. Эта теория включает в себя положения квантовой теории и теории относительности. Она была первой квантово-релятивистской теорией современной физики и до сих пор остается самой последовательной из аналогичных моделей.

 

Необычным в квантовой электродинамике является прежде всего сочетание понятия электромагнитного поля с представлениями о фотонах как об электромагнитных волнах, воплощенных в частицах. Поскольку фотоны — это электромагнитные волны, то есть колеблющиеся поля, фотоны должны одновременно быть и воплощением электромагнитных полей. Так возникает понятие квантового поля, то есть поля, способного принимать форму квантов, или частиц. Безусловно, это понятие является новым. Оно используется при описании всех субатомных частиц и их взаимодействий и получает дальнейшую разработку, выражающуюся в том, что каждому типу частиц ставится в соответствие определенный тип поля. Эти "теории квантового поля" преодолевают унаследованное от классической физики противопоставление между твердыми материальными частицами и окружающим их пространством. Квантовому полю приписывается самостоятельная физическая природа — природа протяженной среды, пронизывающей или наполняющей все пространство. Частицы представляют собой лишь точки "сгущения" этой среды, возникающие и исчезающие энергетические узлы. Частицы утрачивают свою независимость и растворяются в окружающем пространстве. По словам А. Эйнштейна,

 

"Итак, мы можем считать, что вещество состоит из таких участков пространства, в которых поле достигает особой интенсивности... В новой физике нет места как понятию поля, так и понятию вещества, поскольку единственная существующая реальность включает в себя понятие поля" [8,319].

 

Представление о физических объектах и явлениях как о преходящих проявлениях лежащей в их основе фундаментальной сущности, есть не только основной элемент квантовой теории поля, но и основной элемент восточного мировоззрения. Подобно Эйнштейну, восточные мистики рассматривали эту фундаментальную сущность в качестве единственной реальности: ВСЕ ее проявления рассматривались как преходящие и иллюзорные. Мы не можем приравнивать друг к другу представления физиков и мистиков о первосущности мироздания по той причине, что мистическая первосущность трактуется как сущность всех явлений этого мира, то есть помещается, по сути дела, вне области интеллектуальных понятий и мышления. Квантовое поле, с другой стороны, является достаточно точно определенным понятием, которое применимо только для некоторых физических явлений. Однако интуитивное восприятие помогает физику правильно интерпретировать факты субатомного мира в теориях квантового поля, имеет много общего с интуитивным восприятием восточного мистика, который истолковывает факты окружающего мира в терминах высшей реальности, составляющей основу всего сущего.

 

После возникновения понятия поля физики стали стремиться к тому, чтобы выработать единую концепцию поля, в рамках которой могли бы получить объяснение все частные разновидности полей. Так, Эйнштейн потратил последние годы своей жизни на поиск такой концепции. Такие понятия, как "Брахман" в индуизме, "Дхармакайя" в буддизме и "Дао" в даосизме могут рассматриваться в качестве эквивалента наивысшей степени абстракции понятия поля — поля, в котором берут начало не только физические явления, но и все явления вообще.

 

Согласно восточным представлениям, реальность, лежащая в основе всех явлений, лишена какой бы то ни было оформленности и не может быть описана или определена. Поэтому ее часто называют бесформенной и пустой. Однако слово "пустота" не означает в данном случае "незаполненность" или "несуществование". Напротив, пустота является сущностью всех форм и источником всякого существования. Так в Упанишадах говорится:

 

"Брахман есть жизнь. Брахман есть наслаждение. Брахман есть пустота... Наслаждение, воистину, — то же, что Пустота. Пустота, воистину, — то же, что наслаждение". "Чхандогья Упанишада", 4, 10, 4

 

То же самое имеют в виду и буддисты, называя высшую реальность "ШУНЬЯТОЙ", то есть "Пустотой", и утверждая, что эта наделенная жизнью Пустота порождает все формы феноменального бытия. Даосы приписывают Дао аналогичные свойства быть вечным источником творения и тоже называют Дао пустым. "Дао Небес — пустое и бесформенное", — говорит Гуань-цзы [47]. Лао-цзы же использует для объяснения пустоты Дао несколько метафор. В частности, он сравнивает Дао с долиной между гор или с сосудом, который всегда остается пустым, сохраняя таким образом способность содержать внутри себя всю бесконечную множественность вещей.

 

Используя термины "пустота", "пустое", восточные мудрецы обращают внимание СВОИХ последователей на то, что под Брахманом, Шуньятой и Дао понимается не обычная пустота, а Пустота с большой буквы — Пустота, являющаяся неисчерпаемым источником творения. Поэтому мы можем сравнить Пустоту в понимании восточных мистиков с квантовым полем современной физики. Точно так же, как и квантовое поле, она порождает бесчисленное множество форм, питая их своей энергией до тех пор, пока они снова не растворятся в исходной безначальной Пустоте. Как говорится в Упанишадах,

 

"Спокойную, пусть каждый почитает ее

Как то, откуда он пришел,

Как то, с чем ему предстоит слиться,

Как то, чем он дышит".

 

"Чхандогья Упанишада", 3, 14, I

 

Как и субатомные частицы, феноменальные воплощения мистической Пустоты имеют не статическую а неподвижную, но динамическую и преходящую сущность. Они постоянно появляются и исчезают в процессе бесконечного танца движения и энергии. Как и субатомный мир для физика, так и для восточного мистика феноменальное существование представляет собой САНСАРУ — мир беспристрастных рождений и смертей. Будучи временными воплощениями Пустоты, предметы этого мира не имеют фундаментальной, устойчивой сущности. В особенности это характерно для буддийской философии, которая отрицает существование какой бы то ни было материальной субстанции и находит иллюзорными представления о постоянном "я", последовательно претерпевающем различные ощущения. Буддисты нередко сравнивают иллюзию существования материальной субстанции и постоянного "я" с волнами на поверхности воды. В последнем случае движение молекул воды "вверх-вниз внушает нам, что по ее поверхности в горизонтальном направлении перемещается некоторое "количество воды" (см. рис. 13). Интересно, что к тому же самому сравнению прибегали и физики, стремившиеся проиллюстрировать иллюзорность понятий материальной субстанции, порожденной движением частиц, в рамках теории поля. Так, Герман Уэлль пишет:

 

"Согласно (представлениям о строении вещества и теории поля), материальная частица — такая, как, скажем, электрон, представляет не что иное, как небольшой участок энергетического поля, в пределах которого мощность поля достигает фантастических величин, что свидетельствует о сосредоточении большого количества энергии в очень малом объеме пространства. Такой сгусток энергии, вне всякого сомнения, четко проступает на фоне всего остального поля, подобно волнам на поверхности водоема, перемещается в пустом пространстве; поэтому мы не можем утверждать. что электрон все время состоит из какой-то определенной субстанции" [81,171].

 

В китайской философии идея поля имплицитно присутствует уже в самом понятии Дао, которое, будучи пустым и бесформенным, тем не менее, порождает все формы. Кроме того, идея поля получила эксплицитное выражение в понятии "ЦИ". Этот термин занимал значительное место в концепциях практически всех школ китайской натурфилософии, играя особенно важную роль в философии неоконфуцианства, стремившейся объединить учения конфуцианства, даосизма и буддизма (см. гл. 7). Само слово "ци" буквально обозначает "газ" или "эфир". В древнем Китае оно использовалось для обозначения жизненной энергии, или энергии, одушевляющей космос. Представления о "каналах" ци, пролегающих в теле человека, стали основой традиционной китайской медицины. Цель акупунктуры — стимуляция движения ци по этим каналам. Поток ци — это основное понятие, использовавшееся китайскими мастерами гимнастики Тай Цзи — даосского Танца Воина — для теоретического обоснования плавных движений этого направления боевого искусства.

 

Неоконфуцианцы развили понятие "ци" таким образом, что оно сблизилось по смыслу с понятием квантового поля в современной физике. Подобно квантовому полю, ци воспринимается как нематериальная, ускользающая от человеческого восприятия форма существования материи, присутствующая одновременно во всем пространстве и способная конденсироваться в виде твердых материальных тел. По словам Цзая Цая,

 

"Когда ци конденсируется, оно становится видимым, в результате чего появляются очертания (отдельных вещей). Рассеиваясь, ци перестает быть видимым, и очертания исчезают. Когда ци конденсируется, разве можно утверждать, что оно не есть что-то преходящее? Но в тот момент, когда ци рассеивается, разве можно с поспешностью утверждать, что оно прекратило свое существование?" [29. 279].

 

Таким образом, ци конденсируется и рассеивается с ритмической периодичностью, порождая формы, которые, в конечном итоге, снова растворяются в Пустоте. Как говорит Цзан Цай,

 

"Великая Пустота не может не состоять из ци; ци не может не конденсироваться, чтобы породить все вещи;эти вещи не могут не рассеиваться, чтобы (снова) породить Великую Пустоту" [29,280].

 

Как и теории квантового поля, это поле, или ци, не только лежит в основе всех материальных объектов, но и осуществляет их взаимосвязи, принимая форму волн. При сравнении описания понятия поля в современной физике, данное Вальтером Тиррингом, и китайского подхода к объяснению физического мира, описанного Джозефом Нидэмом, становится вполне очевидным близкое родство этих двух концепций,

 

"Современная физика... поместила наши размышления о природе Mатерии в совершенно новый контекст. Она заставила нас перевести взгляд с видимого, то есть частиц, на невидимое, то есть поле. Присутствие Mатерии есть всего лишь возбужденное состояние поля в данной точке, нечто случайное, непостоянное, своеобразный "изъян" в пространстве, если так можно выразиться. Соответственно, простых знаков, которые описывали бы силы, действующие между элементарными частицами, не существует... Упорядоченность и гармонию должно искать на уровне поля, лежащего в основе всего сущего" [77, 160].

 

"В древние времена и средневековье китайцы воспринимали физический мир как протяженное целое. Согласно их представлениям, ци, конденсирующееся в виде осязаемого вещества, не имеет какой бы то ни было самостоятельной сущности и отдельности, напротив, — все отдельные предметы взаимодействуют друг с другом... при помощи волн, или колебаний, характер которых, в конечном счете, зависит от ритмического чередования двух основополагающих начал на всех уровнях мироздания. Следовательно, отдельные предметы обладают своими собственными ритмическими характеристиками, которые вплетаются... в общий узор мировой гармонии" [60, 8].

 

Придя к понятию квантового поля, физика нашла неожиданный ответ на старый вопрос о том, из чего же состоит вещество — из неделимых атомов или фундаментального континуума, лежащего в основе всего. Поле есть континуум, пронизывающий все пространство, который, тем не менее, имеет протяженную, как бы "гранулярную", структуру в одном из своих проявлений, то есть в форме частиц. Таким образом, два самостоятельных понятия объединяются в одно, приобретая характер двух различных аспектов одной и той же реальности. Как всегда в теории относительности, объединение двух противоположных понятий носит динамический характер: два аспекта вещества непрестанно преобразуются друг в друга. Восточные мистики подчеркивают тот факт, что между Пустотой и порождаемыми ею формами существует аналогичное динамическое единство. По словам Ламы Говинды,

 

"Соотношение формы и пустоты нельзя рассматривать как противопоставление взаимоисключающих противоположностей; напротив, форма и пустота представляют собой два аспекта одной и той же реальности, сосуществующие друг с другом и пребывающие в постоянном взаимодействии" [31,223].

 

Слияние этих противоположностей в рамках единого целого одна из буддийских сутр описывает в следующих словах, ставших довольно известными:

 

"Форма есть пустота, а пустота, в свою очередь, есть форма. Пустота не отличима от формы; форма не отличима от пустоты. Что есть форма — есть пустота; что есть пустота — есть форма" [58].

 

Теории поля современной физики не только выработали новый взгляд на субатомные частицы, но и существенно изменили наши представления о силах, действующих между ними. Первоначальное понятие поля связывалось с понятием силы, и даже в теории квантового поля оно сохраняет связь с силами взаимодействующих частиц. Так, электромагнитное поле может представляться в виде "свободного поля", то есть перемещающихся волн, или фотонов, а также может играть роль силового поля, возникающего в пространстве между заряженными частицами. В последнем случае наличие поля проявляется в обмене фотонами между заряженными частицами. Взаимное отталкивание двух электронов опирается на механизм фотонных обменов между электронами.

 

На первый взгляд, такая трактовка понятия силы может показаться чересчур мудреной и сложной, однако стоит взглянуть на пространственно-временной график, как все сразу же становится гораздо более понятным. На графике [рис. 29] изображены два электрона,* сближающиеся друг с другом, один из которых испускает фотон (гамма) в точке А, а второй поглощает этот фотон в точке В. Испустив фотон, первый электрон изменяет скорость и направление своего движения, что проявляется в изменении наклона его мировой линии. Второй электрон делает то же самое, поглощая фотон. В результате электроны разлетаются в разные стороны. Их взаимное отталкивание выражается в обмене фотонами. Полное взаимодействие электронов включает в себя обмен несколькими фотонами, вследствие чего отталкивание происходит не резко, как на нашем графике, а постепенно и плавно, так как электроны будут двигаться по изогнутым дугам.

 

Классическая физика объяснила бы эту ситуацию действием отталкивающей силы. Сейчас такой подход представляется крайне неадекватным. При сближении электронов ни один из них не ощущает воздействия какой бы то ни было силы. Все, что происходит между ними, — это обмен фотонами. Следовательно, понятие силы не может быть применено по отношению к явлениям субатомного мира. Это понятие из арсенала классической физики, ассоциирующейся (пусть даже только подсознательно) с ньютоновскими представлениями о силах, действующих на расстоянии. В субатомной физике таких сил уже нет: их заменяют взаимодействия между частицами, происходящие через посредство полей, то есть каких-то других частиц. Поэтому физики избегают употреблять слово "сила", заменяя его словом "взаимодействие".*

 

Согласно теории квантового поля, все взаимодействия сводятся к обмену частицами. В случае электромагнитного взаимодействия в обмене участвуют фотоны; при более сильных взаимодействиях между нуклонами — в обмене участвуют частицы новой разновидности: "мезоны". Мезоны бывают разного типа. Чем ближе друг к другу расположены нуклоны, тем больше количество и вес мезонов, которыми они обмениваются. Взаимодействия нуклонов и свойства мезонов отчетливо связаны друг с другом. Поэтому фундаментальное понимание природы невозможно без понимания природы всего спектра субатомных частиц.

 

В теории квантового поля все взаимодействия частиц можно представить в виде пространственно-временных графиков, сопроводив каждый из последних математических формулой, помогающей вычислить вероятность соответствующего процесса. Точное, соответствие между графиками и математическими формулами было установлено в 1949 году Ричардом Фейнманом, после чего эти графики получили название графиков Фейнмана. Важнейшая составная часть теории квантового поля — это объяснение процессов возникновения и уничтожения частиц. Например, фотон (рис. 30) создается в процессе эмиссии в точке А, а уничтожается при его поглощении в точке В. В релятивистской теории при рассматривании такого процесса необходимо учитывать, что частицы представляют собой не неделимые тела, а динамические паттерны, сущность которых определяется наличием того или иного количества энергии, которая может перераспределяться при образовании новых паттернов.

 

Возникновение частицы, обладающей массой, возможно только при условии наличия такого количества энергии, которое эквивалентно массе этой частицы, как, например, в процессе столкновения. В случае сильных взаимодействий, которые могут происходить внутри атомного ядра, обмен тяжелыми мезонами представляется маловероятным, и все же процессы обмена имеют место. Так, два протона могут обменяться "пи-мезоном", или "пионом", масса которого составляет около одной седьмой массы протона (см. рис. 31 и 32).

 

Обменные процессы такого рода происходят, несмотря на недостаточное количество энергии для возникновения мезона. Причина этого заключается в "квантовом эффекте", связанном с принципом неопределенности. Как уже говорилось в гл. II, субатомные явления, происходящие в течение небольшого промежутка времени, характеризуются значительной неопределенностью в энергетическом отношении. Мезонные обмены, то есть возникновение и последующее уничтожение мезонов тоже относится к таким процессам. Их течение столь кратковременно, что неопределенность энергии достаточно велика для возникновения мезонов. Такие мезоны называются "виртуальными" частицами. Они отличаются от "настоящих" частиц тем, что могут существовать только на протяжении небольшого отрезка времени, обусловленного принципом неопределенности. Чем тяжелее мезоны (то есть чем больше энергии необходимо для их возникновения), тем быстротечнее процесс обмена. Поэтому нуклоны могут обмениваться тяжелыми мезонами лишь в том случае, когда их разделяет небольшое расстояние. С другой стороны, обмен виртуальными частицами может иметь место и на очень большом удалении, так как фотоны, по причине своей невесомости (нулевой массы покоя), не нуждаются в больших количествах энергии для своего возникновения. Проведя аналогичный анализ ядерных и электромагнитных сил, Хидэки Юкава в 1935 году не только предсказал существование пиона за двенадцать лет до его экспериментального обнаружения, но и приблизительно оценил его массу, исходя из величины ядерной силы.

 

Теория квантового поля изображает все взаимодействия как процессы обмена виртуальными частицами. Чем сильнее взаимодействие, то есть чем мощнее "сила" взаимодействия между частицами, тем выше вероятность соответствующего процесса и тем чаще происходит обмен виртуальными частицами. Однако роль виртуальных частиц не ограничивается участием в подобных взаимодействиях. Виртуальную частицу может испускать любой отдельно взятый нуклон, который потом ее поглотит. Это вполне обычный процесс, и единственная оговорка заключается в том, что время существования образовавшегося мезона ограничено принципом неопределенности. На рис. 32 помещен график Фейнмана, на котором изображен процесс испускания и уничтожения пиона.

 

Вероятность таких процессов, получивших название процессов "взаимодействия", для нуклонов очень велика, так как они часто вступают во взаимодействия. Это означает, что в действительности нуклоны постоянно испускают и поглощают виртуальные частицы. Теория поля рассматривает нуклоны в качестве центров постоянной активности, окруженных "облаками" виртуальных частиц. Виртуальные мезоны вскоре после своего испускания исчезают, что означает, что они не могут удалиться на большое расстояние от нуклона. Поэтому мезонное облако имеет очень небольшие размеры. Внешние области облака заполнены легкими мезонами (главным образом, пионами), а более тяжелые мезоны поглощаются нуклоном быстрее, и могут поэтому находиться вблизи от центра атома.

 

Каждый нуклон окружен такими облаками мезонов, которые существуют очень недолго. Тем не менее, при некоторых обстоятельствах виртуальные мезоны могут превратиться в нуклоны. Если нуклон сталкивается с какой-либо другой частицей, движущейся с большой скоростью, кинетическая энергия этой частицы может перейти к виртуальному мезону и оторвать его от облака.

 

Таков механизм образования настоящих мезонов при столкновении частиц с участием высоких энергий. С другой стороны, два нуклона могут сблизиться друг с другом, так что их мезонные облака частично належатся друг на друга, и тогда некоторые виртуальные частицы могут не возвращаться к тому нуклону, который их испустил, а "перепрыгнуть" в соседнее облако и быть поглощенными другим нуклоном. Это механизм процессов обмена частицами во время сильных взаимодействий.

 

Становится ясно, что взаимодействия частей, а следовательно, и силы, действующие между ними, зависят от состава виртуальных облаков этих частиц. Радиус взаимодействия, то есть расстояние между частицами, при котором происходят взаимодействия, определяется свойствами частиц, составляющих облака. По этой причине электромагнитные силы зависят от наличия виртуальных фотонов "внутри" заряженных частиц, в то время как сильные взаимодействия между нуклонами происходят в результате присутствия фотонов "внутри" нуклонов виртуальных пионов и других мезонов. Теория поля воспринимает силы, действующие между частицами, как свойства (которые так четко разграничивались в греческом и ньютоновском атомизме), имеющие одну и ту же физическую природу — природу динамических паттернов, которые мы называем частицами.

 

Такой подход к пониманию силы характерен для восточного мистицизма, в учениях которого движение и изменение рассматриваются в качестве основных неотъемлемо присущих свойств всех вещей. "Все вращающиеся предметы, — говорит Цзан Цай о небесах, — обладают спонтанной силой. Поэтому их движение не является навязанным извне" [60,62]. В "И цзин" мы читаем:

 

"(Природные) законы не являются внешними силами по отношению к вещам; они воплощают гармонию движения, свойственную самим вещам" [86, 68].

 

Это древнее китайское определение силы как воплощение "гармонии движения, свойственной самим вещам" представляется особенно уместным в свете положений теории квантового поля, которые характеризуют силы взаимодействия между собой как проявления динамических паттернов (виртуальных облаков), присущих частицам.* Теория поля современной физики побуждает нас отказаться от традиционного противопоставления между материальными частицами и пустотой. И гравитационная теория поля Эйнштейна, и теория квантового поля утверждают, что частицы неразрывно связаны с окружающим пространством и не могут рассматриваться в отрыве от него. С одной стороны, частицы оказывают воздействие на структуру пространства, с другой — они являются не самостоятельными частицами материальной субстанции, а, скорее, сгустками в беспредельном поле, пронизывающем все пространство. Теория квантового поля видит в этом поле основу для существования и взаимодействия всех частиц.

 

"Поле существует всегда и везде; оно не может исчезнуть. Поле есть проводник для всех материальных явлений. Это "пустота", из которой протон создает п-мезоны (пи-). Возникновение и исчезновение частиц — лишь формы движения поля" [77, 159].

 

Мы можем окончательно убедиться в неразрывном единстве понятий вещества и пустого пространства, узнав о том, что виртуальные частицы могут спонтанно возникать "из пустоты" и снова растворяться "в пустоте" даже в том случае, если поблизости нет нуклонов или каких-либо других частиц, которые могут участвовать в сильных взаимодействиях. На рис. 33 представлен так называемый "вакуумный график", на котором изображен один из подобных процессов: три части-протон (Р), антипротон (Р-) и пион (пи) — образуются из вакуума, а потом снова превращаются в вакуум. Теория поля утверждает, что события такого рода происходят постоянно. Поэтому вакуум не может считаться пустым, напротив, он содержит бесчисленное множество беспорядочно возникающих и исчезающих частиц.* Здесь материал современной физики заставляет нас вспомнить о понятии Пустоты в восточном мистицизме. Подобно восточной Пустоте, "физический вакуум", как он именуется в теории поля, не является просто состоянием абсолютной незаполненности и отсутствия всякого существования, но содержит в себе возможность существования всех возможных форм мира частиц. Эти формы, в свою очередь, представляют собой не самостоятельные физические единицы, а всего лишь переходящие воплощения Пустоты, лежащей в основе всего бытия. Как говорится в известной нам сутре, "форма есть пустота, а пустота, в свою очередь, есть форма".

 

Соотношение между виртуальными частицами и вакуумом имеет в высшей степени динамическую природу; вакуум — это "живая пустота" в полном смысле этого слова, в пульсации которой берут начало бесконечные ритмы рождений и разрушений. Большинство физиков считают открытие динамической сущности вакуума одним из важнейших достижений современной физики. Из пустого вместилища всех физических явлений пустота превратилась в динамическую величину первой важности. Таким образом, результаты исследований современной физики подтверждают правоту высказываний великого мыслителя Цзая Цая:

 

"Для того, кто знает, что Великая Пустота наполнена ци, нет такого понятия, как несуществование" [60, 33].

 

Глава 15. КОСМИЧЕСКИЙ ТАНЕЦ

 

В ходе изучения субатомного мира в двадцатом веке физики обнаружили, что вещество имеет динамическую природу, а составные части атома, субатомные частицы представляют собой динамические структуры, существующие не в виде самостоятельных единиц, а в виде неотъемлемых компонентов неразрывной сети взаимодействий. Эти взаимодействия питает бесконечный поток энергии, воплощающийся в обменах частицами, динамическом чередовании стадий созидания и разрушения, а также в беспрестанных изменениях энергетических паттернов. В результате взаимодействий образуются все более устойчивые единицы, из которых и состоят материальные тела. Эти единицы, в свою очередь, тоже не остаются неподвижными, но ритмически колеблются. Таким образом, вся Вселенная оказывается вовлеченной в бесконечный процесс движения и деятельности — в постоянный космический танец энергии.

 

В этом танце принимает участие бесчисленное множество паттернов, которые, как это ни странно, мы можем разделить на несколько основных разновидностей. Изучение субатомных частиц и их взаимодействий открывает нашему взору не мир хаоса, а в высшей степени упорядоченный мир. Все атомы, а значит, и все материальные тела вокруг нас представляют собой сочетания всего лишь трех материальных частиц, обладающих массой: протона, нейтрона и электрона. Четвертая частица, фотон, не имеет массы и является единицей электромагнитного излучения. Протон, электрон и фотон представляют собой устойчивые частицы, что означает, что их существование не прерывается до тех пор, пока они не принимают участия в столкновениях с другими частицами, угрожающими им аннигиляцией. Распад нейтрона, напротив, может с легкостью произойти в любой момент. Этот процесс, получивший название "бета-распада", представляет собой обычный механизм одной из разновидностей радиоактивных явлений.* Он состоит из преобразования нейтрона в протон и возникновения электрона и нейтрино. Нейтрино — еще одна частица, не имеющая массы, но характеризующаяся устойчивостью, подобно протону, электрону и фотону. Обычно нейтрино обозначают греческой буквой u ("ню"), в результате чего символическая запись процесса бетараспада приобретает следующий вид:

 

n — > p + e+ u (ню)

 

Преобразование нейтронов в протоны влечет за собой преобразование атомов радиоактивного вещества в атомы другого элемента. Возникающие в ходе этого химического процесса электроны испускаются атомами в виде мощного излучения, которое находит широкое применение в биологии, медицине и промышленности. Установить факт возникновения нейтрино гораздо сложнее, так как эти частицы не имеют ни массы, ни электрического заряда.

 

Как уже говорилось выше, для каждой частицы существует аналогичная античастица с такой же массой и противоположным зарядом. Античастицей для фотона является сам фотон, античастица электрона называется позитроном; помимо них, нам известны антипротон и антинейтрино. На самом деле, та не имеющая веса частица, которая возникает в процессе бета-распада, представляет собой не нейтрино, а его античастицу, антинейтрино (u-), вследствие чего наша запись приобретает вид:

 

n — > р + е+ u-

 

Упоминавшиеся до сих пор частицы — — лишь малая часть всех субатомных частиц, известных современной науке. Все остальные персонажи субатомного мира неустойчивы; они очень быстро распадаются на другие частицы, которые, в свою очередь, могут тоже подвергаться распаду до тех пор, пока не образуются устойчивые частицы. Исследование неустойчивых частиц очень дорогостоящее, так как для каждого эксперимента эти частицы приходится создавать заново, что невозможно без огромных ускорителей частиц, пузырьковых камер и других устройств для детекции частиц.

 

Самые неустойчивые частицы существуют на протяжении очень небольшого промежутка времени по сравнению с нашими временными масштабами — меньше миллионной доли секунды. Однако следует учитывать, что продолжительность их жизни должна рассматриваться в сочетании с их размерами, которые тоже очень невелики. При таком подходе сразу становится очевидно, что на самом деле продолжительность существования этих частиц — довольно большая величина, и что одна миллионная доля секунды фактически — огромная продолжительность жизни в мире частиц. Человек за одну секунду может преодолеть расстояние, которое в несколько раз превышает его собственные размеры. Для частицы аналогичной единицей времени будет тот промежуток времени, в течение которого частица преодолевает расстояние, которое тоже превышает ее размеры в несколько раз; эту единицу времени логично назвать "частице-секунда". Физики оценивают продолжительность этой единицы времени в 1.0е-23 доли обычной секунды.

 

Для того, чтобы преодолеть расстояние, равное диаметру среднестатистического ядра атома, частице, движущейся со скоростью, близкой к скорости света (как это происходит, скажем, вовремя экспериментов по столкновению частиц), необходимо примерно десять таких частице-секунд. Около двух дюжин из всего множества неустойчивых частиц, прежде чем подвергнуться распаду, преодолевают расстояния, равные размерам нескольких атомов. Это расстояние превышает их собственные размеры примерно в сто тысяч раз, и для его преодоления требуется несколько сот "частице-часов". Эти частицы, наряду с уже упоминавшимися устойчивыми, перечислены в таблице на рис. 34. Большинство неустойчивых частиц из этой таблицы могут до своего распада переместиться на целый сантиметр или даже на несколько сантиметров, а неустойчивые частицы с наибольшей продолжительностью существования могут преодолеть расстояние даже в несколько сотен метров, которое кажется воистину огромным по сравнению с их собственными размерами.*

 

Таблица на рис. 34 включает тринадцать различных видов частиц, многие из которых могут существовать в нескольких "зарядовых состояниях". Так пионы могут иметь положительный заряд (п+), отрицательный заряд (п-) или быть электрически нейтральными (п0). Существует две разновидности нейтрино, различающиеся тем, что каждая из них может взаимодействовать только с определенным типом частиц: первая — с электронами (Ve), вторая — с мюонами (ui). Античастицы тоже включены в таблицу, причем три частицы могут быть своими собственными античастицами (гамма, Л, i). Все частицы расположены в порядке возрастания массы атомов: фотоны и нейтрино не имеют массы, электрон представляет собой легчайшую частицу из обладающих массой, мюоны, пионы и каоны в несколько сот раз тяжелее электрона; Остальные частицы тяжелее электрона в 1000-3000 раз.

 

Все остальные известные к настоящему времени частицы относятся к числу так называемых "резонансов". Им посвящена следующая глава. Резонансы еще менее долговечны, их распад происходит за несколько частицесекунд, вследствие чего они не могут преодолевать расстояния, превышающие их размеры больше, чем в несколько раз. Это означает, что пузырьковая камера оказывается беспомощной и не может обнаружить присутствие этих частиц. Поэтому свидетельства их существования могут быть только косвенными. Следы из пузырьков в пузырьковых камерах оставляют только те частицы, которые перечислены в нашей таблице.

 

В процессе столкновения все эти частицы могут возникать и аннигилировать, а также участвовать в виртуальных обменах, осуществляя таким образом взаимодействия между другими частицами. Казалось бы, при таком раскладе итоговое количество возможных типов взаимодействий между частицами может быть очень большим, однако по какой-то причине, которая остается неизвестной, все взаимодействия делятся на четыре разновидности, характеризующиеся различной степенью взаимодействия. Перечислим эти разновидности:

 

— Сильные взаимодействия. — Электромагнитные взаимодействия. — Слабые взаимодействия. — Гравитационные взаимодействия.

 

Наиболее известными из них являются электромагнитные и гравитационные взаимодействия, наблюдающиеся в макроскопическом мире. Гравитационные взаимодействия наличествуют между всеми существующими частицами, однако при этом они настолько слабы, что не подвергаются экспериментальной детекции. В макроскопическом мире гравитационные взаимодействия большого количества частиц, составляющих массу тела, складываются и порождают макроскопическую силу гравитации, которая является основной силой во Вселенной. Электромагнитные взаимодействия происходят между всеми заряженными частицами. Именно они ответственны за все химические реакции, а также за образование и всех атомных и молекулярных структур. Сильные взаимодействия удерживают вместе протоны и нейтроны внутри ядра. Они порождают ядерную силу — самую мощную из всех известных современной науке сил. Так, например, электроны удерживаются поблизости от атомного ядра при помощи электромагнитной силы, обладающей энергией примерно в десять электрон-вольт, в то время как ядерная сила, связывающая нейтроны внутри ядра, использует энергию, равную десяткам миллионов электрон-вольт — особых единиц для измерения энергии на субатомном уровне.

 

Нуклоны — не единственные частицы, которые принимают участие в сильных взаимодействиях. Как ни странно, к сильновзаимодействующим частицам относится подавляющее большинство всех известных частиц. Из всех частиц только пять не могут принять участия в сильных взаимодействиях, как, впрочем, и их античастицы. Это фотон и четыре лептона, перечисленные в верхней части таблицы. Недавно был обнаружен пятый лептон, получивший обозначение "тау" (греческая буква т). Также, как электрон и мюон, он может существовать в двух зарядовых состояниях, соответственно ти т+, а поскольку его масса превосходит массу электрона почти в 3500 раз, он получил название тяжелого лептона. Существование нейтрино, который принимал бы участие только во взаимодействиях с тау, было только постулировано и остается до сих пор недоказанным экспериментально.

 

Таким образом, мы можем разделить все частицы не две большие группы — лептоны и адроны, или сильновзаимодействующие частицы. Адроны, в свою очередь, делятся на мезоны и барионы, между которыми существует довольно много различий. Важнейшее из них заключается в том, что все барионы имеют античастицы, в то время как мезоны могут сами выступать в роли своих античастиц.

 

Лептоны принимают участие во взаимодействиях четвертого типа — в слабых взаимодействиях. Последние настолько слабы и действуют на таком коротком расстоянии, что не могут удерживать частицы друг подле друга, в то время как три остальные разновидности взаимодействий порождают силы притяжения: сильные взаимодействия — внутри атомных ядер, электромагнитные взаимодействия — внутри атомов и молекул, а гравитационные взаимодействия — между планетами, звездами и даже целыми галактиками. Слабые взаимодействия проявляются в единственной форме — в форме некоторых столкновений частиц, а также их распада. К числу последних относится и бета-распад, упоминавшийся выше.

 

Все взаимодействия между адронами проявляются в обмене другими адронами. Сильные взамодействия действуют только на очень небольших расстояниях из-за того, что в соответствующих им обменных процессах участвуют тяжелые адроны. Сильные взаимодействия могут происходить только при том условии, что расстояние между частицами не превышает нескольких диаметров частицы. Поэтому они не могут создать силу, воздействие которой сказалось бы на нашем макроскопическом окружении. В противоположность сильным, электромагнитные взаимодействия, воплощающиеся в обменах не имеющими массы фотонами, могут происходить между сколь угодно далекими частицами, вследствие чего электрические и магнитные силы хорошо известны в мире больших измерений. Считается, что гравитационные взаимодействия тоже осуществляются при помощи обмена особыми частицами — "гравитонами", однако слабость этих взаимодействий настолько велика, что гравитоны до сих пор не были обнаружены учеными, хотя никаких серьезных поводов сомневаться в их существовании нег.

 

Наконец, поскольку слабые взаимодействия становятся возможными только при том условии, что расстояние между частицами предельно невелико — гораздо меньше, чем при сильных взаимодействиях, физики считают, что эти взаимодействия осуществляются при помощи обмена очень тяжелыми частицами. По всей видимости, эти частицы выполняют роль, аналогичную роли фотона при электромагнитных взаимодействиях, и единственное их отличие от последнего заключается в том, что они гораздо тяжелее. По сути дела, именно аналогия с фотоном легла в основу последних модификаций теории квантового поля, получивших название "теории приборов" и позволивших построить единую теорию поля для электромагнитных и слабых взаимодействий.

 

Во многих процессах столкновений, находящих применение в физике высоких энергий, часто имеют место и сильные электромагнитные, и слабые взаимодействия, в результате чего возникают длинные цепочки последовательных превращений частиц. Частицы, первоначально принимавшие участие в столкновении, аннигилируют, образуя несколько новых частиц, которые тоже проходят несколько стадий распада, прежде чем превратиться в устойчивые частицы.

 

На рис. 35 представлена сложная последовательность столкновений и распадов частиц: отрицательно заряженный пион (п-) проникает в пузырьковую камеру слева, сталкивается с протоном, то есть с ядром атома водорода, который уже находился внутри камеры; обе частицы аннигилируют, в результате чего образуется нейтрон (n) или два каона (Ки К+); нейтрон улетает, не оставляя следа; каон сталкивается с другим, находящимся в камере протоном, обе частицы аннигилируют, образуя ламбду (Л) и фотон (гамма). Ни одна из вновь образовавшихся частиц не оставляет видимых следов в камере, однако ламбда через некоторе время распадается на протон (р) и (п-), каждый из которых оставляет видимый след. На рисунке хорошо видно небольшое расстояние между возникновением ламбды и ее распадом. Наконец, К-, возникший еще при самом первом столкновении, некоторое время продолжает двигаться, а потом распадается на три пиона.*

 

Здесь изображена одна из таких цепочек возникновений и исчезновений частиц. Обратите внимание на тот факт, что следы в пузырьковой камере могут оставлять только заряженные частицы; под воздействием магнитного поля они отклоняются в различных направлениях, в зависимости от знака заряда: положительные — по часовой стрелке, а отрицательные — против часовой стрелки. Этот график представляет собой прекрасное доказательство того факта, что на уровне частиц материя характеризуется колоссальной слитностью и взаимопроницаемостью, а также достоверное и наглядное изображение энергетических каскадов, сопровождающих образование и уничтожение различных структур, или, говоря другими словами, различных частиц.

 

Особенно поразительными представляются такие случаи, когда лишенный массы, но наделенный большим количеством энергии фотон, который никак не обнаруживает своего присутствия в пузырьковой камере, внезапно взрывается, образуя пару заряженных частиц (позитрон и электрон), которые тут же начинают двигаться по расходящимся дугам. На рисунке 36 запечатлен процесс, в котором образование пары противоположно заряженных частиц из электрически нейтрального фотона происходит целых два раза.

 

На рис. 36 представлена последовательность событий, приводящих к образованию двух электронно-позитронных пар: антипротон (р-) снизу проникает в пузырьковую камеру, сталкивается с одним из протонов и образует я+ (след, уходящий влево) и я (след, уходящий вправо), а также два фотона (гамма), каждый иэ которых, в свою очередь, распадается на электронно-позитронную пару: позитроны (е+), улетающие направо, и электроны (е-) — влево.*

 

Чем значительнее объем энергии, изначально принимающей участие в процессе столкновения, тем больше частиц может образоваться. На рис. 37 изображено столкновение между антипротоном и протоном, в результате которого возникает восемь пионов.

 

Для того, чтобы разогнать частицы до достаточно большой скорости, то есть, иными словами, для того, чтобы сообщить им достаточно большое количество энергии, используются мощные ускорители частиц. В большинстве случаев природные явления, происходящие на Земле, имеют более низкие энергетические характеристики, вследствие чего тяжелые частицы редко образуются на Земле в естественных условиях. В открытом космосе нас ждет совершенно иное положение дел: в центре звезд сосредоточены крупные скопления субатомных частиц, между которыми постоянно происходят естественные столкновения, аналогичные столкновениям внутри ускорителей современной экспериментальной физики. В некоторых звездах эти процессы порождают чрезвычайно мощное электромагнитное излучение, которое может принимать форму радиоволн, световых волн и рентгеновских лучей. Для астрономов это излучение представляет собой основной источник знаний и информации о Вселенной. Таким образом, межзвездное, как впрочем, и межгалактическое, пространство оказывается насыщенным электромагнитными излучениями различных частот, то есть фотонными потоками, обладающими различными запасами энергии. Тем не менее, фотоны — не единственные частицы, которые постоянно бороздят просторы космоса. "Космическое излучение" состоит не только из фотонов, но также и из тяжелых частиц, механизм образования которых до сих пор не вполне ясен. Большинство этих частиц составляют протоны; некоторые из них обладают очень большими запасами энергии, намного превышающими те предельные показатели, которые позволяют достичь самые мощные ускорители частиц.

 

Попадая в атмосферу Земли, эти высокоэнергетические "космические лучи" сталкиваются с ядрами атомов, составляющих молекулы различных атмосферных веществ, образуя огромное множество вторичных частиц, которые либо подвергаются независимому распаду, либо вступают в дальнейшие взаимодействия — столкновения. Превращения частиц продолжаются до тех пор, пока очередные из них не достигнут Земли. Так, один-единственный протон, попавший в атмосферу Земли, может породить целый каскад явлений, в ходе которых его исходная кинетическая энергия превратится в целый ливень разнообразных частиц и будет постепенно поглощаться по мере продвижения претерпевающих непрестанные изменения частиц к поверхности Земли. То же самое явление, наблюдаемое в ходе экспериментов физики высоких энергий по столкновению частиц, происходит естественным путем в атмосфере нашей планеты, И причем в последнем случае его протекание характеризуется гораздо большей интенсивностью, чем во время экспериментов. Непрерывный поток энергии претерпевает на своем пути к Земле множество изменений, частицы непрерывно возникают и исчезают в ритмическом танце творения и разрушения.

 

В мире частиц могут происходить не только такие процессы возникновения и уничтожения частиц, которые поддаются детекции при помощи фотографий пузырьковых камер. Важное место среди явлений субатомного мира занимают и процессы возникновения и аннигиляции виртуальных частиц, участвующих в обменных процессах, опосредующих взаимодействия между частицами. Виртуальные частицы существуют не настолько долго, чтобы можно было подтвердить их присутствие экспериментальным путем. Возьмем, к примеру, возникновение двух пионов в результате столкновения протона и антипротона. Пространственно-временной график для данного процесса будет выглядеть следующим образом (см. рис. 38). Не забывайте о том, что время на этих графиках имеет направленность снизу вверх. На этом графике изображены мировые линии протона (р) и антипротона (р-) которые сталкиваются друг с другом в некоторой точке пространства — времени, аннигилируя и образуя два пиона (п+ и п-). И все же этот график не вполне соответствует действительности. Взаимодействие между протоном и антипротоном можно представить в виде процесса обмена виртуальным нейтроном, изображенного на рис. 39.

 

Точно таким же образом процесс, зафиксированный на рис. 40, приводящий к образованию четырех пионов и 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.

 

Нужно учитывать тот факт, что графики в этой части главы довольно схематичны и не дают представления о точных величинах углов между линиями движения частиц.

 

Соответствующая фейнмановская диаграмма будет выглядеть примерно так (см. рис. 41):

 

Эта диаграмма чисто схематическая, и не показывает точных углов разлета частиц. Отметим также, что изначальный протон, находящийся в пузырьковой камере, не виден на фотографии (и, соответственно, диаграмме), но имеет свою мировую линию на этой пространственновременной диаграмме, поскольку он движется во времени.

 

Все эти примеры демонстрируют нам, что следы частиц на фотографиях пузырьковой камеры могут дать только самое общее представление о взаимодействиях частиц. Реальные же процессы состоят из целой последовательности обменов частицами. Если мы вспомним о том, что каждая из частиц, принимающих участие во взаимодействии, постоянно испускает и поглощает виртуальные частицы, картина станет еще более сложной. Так, протон обычно периодически испускает и поглощает нейтральные пионы, иногда он испускает (п+) и превращается в нейтрон, который через некоторое время поглощает этот (п-) и снова превращается в протон. На графиках Фейнмана это отражается в том, что обычная линия протона заменяется на более сложное изображение (см. рис. 42). В ходе этих виртуальных процессов первоначальная частица может на некоторое время исчезнуть, как скажем, на графике "в". Возьмем другой пример — скажем, процесс, в котором отрицательный пион распадается на нейтрон (n) и антипротон (р-), аннигилирующие при последующем столкновении и превращающиеся в исходный пион (см. рис. 43).*

 

Важно принимать во внимание, что все эти процессы подчиняются законам квантовой теории, а следовательно, имеют вероятную, а не действительную природу. Каждый протон может быть охарактеризован с точки зрения вероятности его существования в форме различных пар: "протон плюс пи0", "нейтрон плюс пи+" и так далее. Перечисленные выше процессы являются простейшими примерами виртуальных взаимодействий. Гораздо более сложные, запутанные паттерны возникают тогда, когда виртуальные частицы порождают другие виртуальные частицы, умножая таким образом число виртуальных взаимодействий (не будем забывать при этом, что вероятности имеют отнюдь не произвольный характер, но подчиняются некоторым общим закономерностям, которым будет посвящена отдельная глава).

 

В своей книге "Мир элементарных частиц" Кеннет Форд приводит сложный пример такого процесса (см. рис. 44), в ходе которого происходит образование и аннигиляция десяти виртуальных частиц, сопровождая график следующим замечанием: "Этот график представляет собой изображение одной из подобных цепочек явлений, на первый взгляд производящее довольно устрашающее впечатление, но, тем не менее, вполне соответствующее действительности. Каждый протон время от времени принимает участие в этом танце творения и разрушения" [28,209].

 

Форд — не единственный физик, использовавший выражение типа "танец творения и разрушения", "танец энергии". При попытке представить себе поток энергии, преобразующейся в различные динамические структуры, или частицы, мы естественным образом начинаем сравнивать это с ритмичным танцем. Современная физика обнаружила, что подвижность и изменчивость принадлежат к числу основных свойств материи, и вся материя, независимо от того, где она находится — у нас, на Земле, или в космосе, — всегда принимает участие в непрекращающемся космическом танце.

 

Динамическое мировоззрение восточных мистиков имеет много общего с мировоззрением современной физики, поэтому неудивительно, что для выражения своего интуитивного восприятия природы мистики тоже используют образ танца. Прекрасный пример такого рода мы находим в книге Александры Дэвид-Неел "Путешествие в Тибет", в описании встречи автора с ламой, представившемся как "властелин звука" и изложившим свои взгляды на природу материи следующим образом: "Все вещи... суть скопления атомов, которые танцуют, и посредством своего движения рождают звуки. Когда ритм их танца изменяется, рождаемый ими звук тоже претерпевает изменения... Каждый атом непрерывно поет свою собственную песню, а звук рождает в этот момент времени плотные и тонкие формы" [22, 186].

 

Сходство этого подхода с мировоззрением современной физики становится еще более очевидным, если мы вспомним о том, что звук — это волна с определенной частотой, которая изменяется вместе с изменением звука, и что частицы — современный эквивалент старого понятия "атомы" — тоже представляет собой волны, частота колебания которых пропорциональна их запасу энергии. Согласно теории поля, действия каждой частицы сводятся к тому, что она "непрерывно поет свою собственную песню", ритмически порождая энергетические паттерны (виртуальные частицы) в виде "плотных и тонких форм".

 

Метафора космического танца нашла наибольшее воплощение в индуизме в образе танцующего бога Шивы. Шива, один из древнейших и наиболее почитаемых божеств Индии, обладающих множеством перерождений, является Королем Танцоров. Согласно представлениям индуистов, любая человеческая жизнь представляет собой составную часть всеобщего ритмического процесса творения и разрушения, смерти и воскрешения, а танец Шивы символизирует ритм вечной пульсации между жизнью и смертью, характеризующийся безначальной и бесконечной цикличностью. По словам Ананды Кумарасвами: "Во время ночи Брахмана природа сохраняет неподвижность и не может танцевать до тех пор, пока этого не захочет Шива: он восстает из своего экстаза и, танцующий, пронизывает неподвижную материю волнами несущего пробуждения звука, и — чу! — материя тоже начинает танцевать, окружая Его в своей вечной славе. Танцуя, он поддерживает существование многообразных явлений природы. По истечении времени, все еще продолжая танцевать, Он уничтожает в огне все формы и имена, и снова дает Природе отдых. Это поэзия, и в То же время — наука" [20, 78].

 

Танец Шивы символизирует не только последовательные циклы творения и разрушения, но и ритм повседневных рождений и смертей, который в индуизме считается основой всякого бытия. В то же время Шива, творящий разнообразные формы материального мира и вновь растворяющий их в плавном течении своего танца, напоминает нам о том, что все формы есть майя, что они не имеют фундаментальной сущности, являясь преходящими и иллюзорными. Генрих Циммер описывает это положение индуистской философии в следующих выражениях: "Его движения — одновременно резкие и исполненные грации — порождают космическую иллюзию; его стремительно движущиеся руки, ноги, и изгиб торса порождают беспрестанное сотворение — уничтожение Вселенной, а точнее — являются таковыми, причем смерть полностью уравновешивает жизнь, и исчезновение полагается закономерным исходом всякого возникновения" [89,155].

 

Индийские скульпторы десятого — — двенадцатого веков создали много бронзовых изображений танцующего Шивы с четырьмя руками, удивительная симметричность и, в то же время, динамичность расположения которых в пространстве передает идею ритмичности и единства проявлений жизни. Каждому жесту Шивы индуистская традиция приписывает особое символическое значение. В правой верхней руке бог держит бубен, символизирующий первозданный звук творения; на его левой верхней ладони мы видим пламя, символизирующее разрушение. Уравновешенность двух верхних рук символизирует динамическое равновесие процессов созидания и разрушения в нашем мире, которое становится еще более очевидным при взгляде на отрешенное лицо Шивы, находящееся на одинаковом удалении от обеих рук и воплощающее идею трансцендирования противопоставления между сотворением и разрушением. Вторая правая рука воздета в успокаивающем жесте, символизирующем состояние защищенности и умиротворения, тогда как вторая левая рука указывает на приподнятую ступню, что означает освобождение от чар майи. Шива изображается танцующим на теле поверженного демона, олицетворяющего человеческое невежество, которое стоит на пути тех, кто стремится к освобождению.

 

Танец Шивы, по словам Кумарасвами, представляет собой "яснейший образ божественной деятельности, которым по праву могла бы гордиться любая религия и любое искусство" [20, 67]. Поскольку божество является одной из персонификаций Брахмана, его деятельность сводится к порождению и уничтожению мириадов материальных воплощений последнего. Танец Шивы — это танцующая Вселенная, бесконечный поток энергии, принимающий бесчисленное множество рисунков, которые склонны плавно переливаться друг в друга.

 

Современная физика пришла к выводу, что ритм сотворения и разрушения присутствует не только в чередовании времен года и физическом рождении и гибели живых существ, но и выступает в качестве основной сущности неорганической материи. Согласно теории квантового поля, все взаимодействия между составными частями материи осуществляются посредством испускания и поглощения виртуальных частиц. Более того, танец творения и разрушения представляет собой единственно возможную форму существования самого вещества, так как все материальные частицы "самовзаимодействуют", испуская и поглощая виртуальные частицы. Таким образом, современная физика постулирует то положение, согласно которому, каждая частица принимает участие в танце энергии, одновременно ЯВЛЯЯСЬ этим танцем, пульсирующим процессом творения и разрушения.

 

Рисунки этого танца характеризуют сущность каждой частицы и ее свойства. Так, например, запас энергии, необходимый для испускания и поглощения виртуальной частицы, эквивалентен определенному количеству массы, которое добавляется к массе самовзаимодействующей частицы. Различные частицы принимают разное участие в этом танце; каждая из них имеет своя параметры энергии и массы. Наконец, виртуальные частицы не только представляют собой единственное средство осуществления взаимодействий между частицами, а, соответственно, и объяснение их свойств, но могут порождаться вакуумом и черпать свою энергию из него. Таким образом, в космическом танце принимает участие не только материя, но и Пустота, бесконечно творя и разрушая энергетические паттерны.

 

Современные физики воспринимают танец Шивы как танец субатомной материи. Как и в индуистской мифологии, последний представляет собой бесконечный танец сотворения и разрушения, в котором принимает участие весь космос; основу всякого бытия и всех явлений природы. Столетия тому назад индийские скульпторы создавали величественные бронзовые изваяния танцующего Шивы. В наше время физики разработали сложнейшие приборы для того, чтобы получить портрет Вселенной в ее космическом Танце. Фотографии пузырьковой камеры, на которых запечатлены взаимодействия частиц, тоже являются изображениями рисунка танца Шивы, которые не уступают по красоте и значению своим индуистским аналогам. Эти фотографии доказывают, что Вселенная постоянно претерпевает процессы ритмического сотворения и разрушения. Таким образом, метафора космического танца объединяет древнюю мифологию, религиозное искусство и современную физику. Как говорит Кумарасвами, эта метафора представляет собой "поэзию, и в то же время — науку".

 

 

Глава 16. СИММЕТРИЯ В МИРЕ КВАРКОВ — "ЕЩЕ ОДИН КОАН?"

 

В субатомном мире безраздельно властвуют ритм, движение и непрестанное изменение. Все изменения не случайны и не произвольны. Они следуют очень четким и ясным паттернам. Начнем с того, что все частицы той или иной разновидности абсолютно идентичны по массе, величине электрического заряда и другим характерным показателям. Далее, все заряженные частицы имеют электрический заряд, который либо равен заряду электрона, либо противоположен ему по знаку, либо превышает его в два раза. То же относится к остальным характеристикам частиц; они могут принимать не любые произвольные значения, а только ограниченное их количество, что позволяет нам разделить частицы на несколько групп, которые могут быть также названы "семьями". Это подводит нас к вопросу: каким образом такие определенные паттерны возникают в динамическом и изменчивом мире частиц?

 

Возникновение четких паттернов в структуре материи — вовсе не новое явление. Оно уже хорошо известно в мире атомов. Как и субатомные частицы, все атомы, принадлежащие к одной и той же разновидности, характеризуются идентичным строением. В периодической таблице все разновидности атомов, или элементы, объединены в несколько больших групп. В наше время ученые хорошо представляют себе основания для такой классификации: она зависит от количества протонов и нейтронов в их ядрах и от распределения электронов по сферическим орбитам вокруг ядер, или "оболочкам". Как уже говорилось ранее, электроны имеют свойства волн (см. гл. 4). Поэтому расстояние между электронными орбитами и количество вращения, которым может обладать электрон, характеризуется несколькими устойчивыми значениями, которые зависят от колебаний электронных волн. Соответственно, в структуре атома возникают определенные паттерны, которые характеризуются набором "квантовых чисел" и которые отражают колебательные паттерны электронных волн на орбитах внутри атома. Эти колебания определяют "квантовые состояния" атома. Поэтому два атома, находящихся в "основном состоянии" или же в одном из "возбужденных состояний", имеют одну и ту же внутреннюю структуру.

 

Паттерны в мире частиц во многом схожи с паттернами в мире атомов. Так, большинство частиц вращается вокруг своей оси, подобно юле. Их спины могут принимать только некоторые определенные значения, представляющие собой интеграл, помноженный на какую-то базовую единицу. Барионы, например, могут иметь спин, равный 1/2, 3/2, 5/2 и т. д., тогда как мезоны могут иметь спин, равный 0, 1, 2, и т.д. Спин субатомной частицы напоминает нам о количествах вращений электронов на орбитах внутри атома. Спин электрона тоже может быть только целым числом.*

 

Сходство с атомными паттернами усиливается после знакомства с тем фактом, что все сильно взаимодействующие частицы, иначе именуемые адронами, могут быть расположены в четкой последовательности друг за другом. Адроны обладают очень схожими свойствами, и единственное различие между ними вызвано различием их масс и спинов. Частицы с наибольшим порядковыми номерами внутри этой последовательности характеризуются чрезвычайной недолговечностью и носят наименование резонансов. За последнее десятилетие ученым удалось обнаружить много таких резонансов. Масса и спин резонансов увеличивается четко определенным образом, и их последовательность, судя по всему, заканчивается в бесконечности. Четкие закономерности построения этой последовательности чем-то напоминает закономерности перехода атома в различные возбужденные состояния, вследствие чего физики рассматривают частицы с большим порядковым номером внутри этой последовательности не в качестве самостоятельных частиц, а в качестве возбужденных состояний частицы с наименьшей массой. Таким образом, адрон, как и атом, может на какое-то время существовать в различных возбужденных состояниях, которые отличаются от его обычного состояния большим количеством вращений (или спин), и большей энергией (или массой).

 

Сходство квантовых состояний атомов и адронов наводит на мысль о том, что адроны тоже представляют собой сложные объекты, имеющие внутреннюю структуру и способные "возбуждаться", то есть поглощать энергию для образования различных паттернов. Однако, сегодня мы еще не понимаем, как образуются эти паттерны. В атомной физике их можно объяснить в терминах свойств и взаимодействий компонентов атома (протонов, нейтронов и электронов), однако, это объяснение пока не может быть применено для описания явлений мира частиц. Паттерны, обнаруженные в мире частиц, были определены и классифицированы чисто эмпирическим путем, и их невозможно еще исчислить из составляющей частицы структуры.

 

Главная сложность, с которой сталкиваются исследователи, занимающиеся физикой частиц, заключается в том, что классические представления о сложных "объектах", состоящих из "составных частей", оказываются бесполезными при описании субатомных частиц. Узнать, из каких "составных частей" состоят частицы, можно только одним путем — путем наблюдения за их столкновениями. Однако результаты подобных экспериментов по столкновению частиц отнюдь не подтверждают гипотезу "составных частей": более мелких единиц вещества получить не удается. Например, два протона могут после столкновения разлететься на множество "осколков", но среди них никогда не будет "кусочков протона". Эти осколки всегда будут представлять собой целые адроны, образующиеся из кинетических энергий и масс сталкивающихся протонов. Поэтому распад на "составляющие" носит не очень очевидный характер и зависит от количества энергии, принимающего участие в процессе. В данном случае мы имеем дело с типично релятивистской ситуацией чередования и переплетения энергетических узоров, которые не могут рассматриваться в терминах статических сложных объектов и составных частей. О "структуре" атомной частицы можно говорить только в одном смысле — — в смысле ее способности принимать участие в различных процессах и взаимодействиях.

 

Способы преобразования частиц во время высокоэнергетических столкновений подчиняются определенным законам, которые могут быть использованы для описания мира частиц. В шестидесятые годы, когда было открыто основное большинство частиц, известных современной науке, многие физики уделяли внимание, главным образом, изучению и сопоставлению закономерностей этих преобразований, а не попыткам решить, что же лежит в основе таких динамических паттернов, которые мы называем частицами. Это было вполне естественно, и наука добилась на этом пути больших успехов. Важную роль в исследованиях того периода играло понятие симметрии. Придав понятию геометрической симметрии более общий и абстрактный характер, физики приобрели очень ценный критерий для классификации частиц.

 

В повседневной жизни самым наглядным примером симметрии является отражение в зеркале; мы говорим о фигуре, что она симметрична, в том случае, если через центр этой фигуры можно провести прямую (рис. 45), которая разделит ее на две части, являющиеся зеркальными отражениями друг друга. Более высокий уровень симметрии предусматривает наличие нескольких линий, или осей симметрии, как, например, в одном из символических изображений, использующихся в буддизме (см. рис. 46).

 

Однако отражение — не единственная операция, позволяющая достичь симметрии. Мы называем симметричной и такую фигуру, которая не изменяет своего облика, будучи повернута на определенный угол вокруг. своей оси. Симметрия вращения используется, в частности, в знаменитом китайском символе Тайцзи, или Великого предела, выражающем идею объединения двух начал — ИНЬ и ЯН (см. рис. 47).

 

В физике частиц явления симметрии зачастую связаны не только с процессами отражения и вращения, а последние могут происходить не только в обычном пространстве (и времени), но и в абстрактных математических пространствах. Симметричными могут быть отдельные частицы или их группы, а поскольку свойства частиц определяются их способностью участвовать во взаимодействиях, или процессах, все операции, позволяющие достичь симметрии, связаны здесь с "законами сохранения". Если какой-либо субатомный процесс характеризуется симметрией, можно с уверенностью утверждать, что в нем принимает участие некая константа, или постоянная величина. Константы являются маленькими островками стабильности в сложном танце субатомной материи и могут помочь нам в описании взаимодействий частиц. Некоторые величины остаются константами, или "сохраняются", во всех взаимодействиях, некоторые — только в их части. В результате в каждом процессе принимает участие определенное количество констант. Поэтому симметричность частиц и их взаимодействий воплощается в законах сохранения. Физики используют обе эти формулировки, говоря то о симметрии процесса, то о соответствующем законе сохранения.

 

Существуют четыре основные разновидности законов сохранения, представляющихся общими для всех процессов. Три из них связаны с простыми операциями, позволяющими достичь симметрии в обычном пространстве и времени. Все взаимодействия частиц характеризуются симметричностью в отношении пространственных перемещений: в Лондоне они происходят точно таким же образом, как и в Нью-Йорке. Они обладают симметричностью и в отношении перемещений во времени, протекая во вторник точно так же, как и в четверг. Одна из симметрий связана с сохранением импульса, вторая-с сохранением энергии. Это означает, что суммарная величина импульса, принимающего участие в каком-либо взаимодействии, а также суммарное количество энергии частиц, включающей их массы, остаются постоянными до начала реакции и после ее завершения. Третий основополагающий тип симметрии связан с расположением в пространстве. Смысл этой симметрии заключается в том, что направление движения частиц, принимающих участие во взаимодействии (скажем, вдоль оси север-юг или запад-восток), не оказывает никакого влияния на результаты взаимодействия. Как следствие этой закономерности, суммарное количество вращения не должно изменяться во время процесса. Наконец, четвертым законом является закон сохранения электрического заряда. Он связан с более сложной операцией симметрии. однако его формулировка в качестве закона сохранения предельно проста: суммарный электрический заряд, присущий всем участвующим в столкновении частицам, остается неизменным.

 

Существует еще несколько законов сохранения, связанных с операциями симметрии, в абстрактных математических пространствах, как и закон сохранения электрического заряда. Некоторые из них соблюдаются во всех процессах, некоторые — только в определенных их разновидностях (как, например, при сильных электромагнитных, но не при слабых воздействиях). Соответствующие константы можно рассматривать как "абстрактные заряды" частиц. По той причине, что эти "заряды" всегда принимают целые или "полуцелые" значения, они получили название "квантовые числа", по аналогии с квантовыми числами атомной физики. Следовательно, каждая частица соотносится с определенным набором квантовых чисел, которые зависят от ее массы и полностью характеризуют все ее свойства.

 

Например, адроны характеризуются такими величинами, как "изоспин" и "гиперзаряд". Эти два квантовых числа являются константами во всех сильных взаимодействиях. Если мы расположим восемь мезонов, перечисленных в таблице в предыдущей главе, в соответствии со значениями этих двух квантовых чисел, то получим гексагональный паттерн, известный в современной физике под названием "мезонный октет". При таком расположении мы наблюдаем несколько осей симметрии: так, частицы и античастицы занимают в шестиугольнике противоположные позиции, а две частицы в центре являются античастицами друг для друга. Аналогичный паттерн образуют восемь наиболее легких барионов. Он носит название "барионный октет". Отличие заключается в том, что в последнем случае античастицы не входят в нее, а образуют идентичный ей энтиоктет. Последний, девятый барион из нашей таблицы — омега, вместе с девятью резонансами принадлежат к другому паттерну — "барионная десятка". Все частицы, принадлежащие тому или иному симметричному паттерну, имеют одинаковые квантовые числа, за исключением изоспина и гиперзаряда, от которых зависит их расположение внутри паттерна. Так, все мезоны в октете имеют нулевой спин (то есть не вращаются совсем): барионы в октете имеют спин, равный 1/2 (??? — сбой сканнера), а в барионной десятке — 3/2 (см. рис. 49).

 

Квантовые числа используются не только для классификации частиц и разделения их на "семьи", формирующие четкие симметрические паттерны, и для определения положения каждой частицы внутри соответствующего паттерна, но и для классификации взаимодействий частиц в зависимости от присущих им законов сохранения. Таким образом, два взаимосвязанных понятия — понятия симметрии и сохранения — оказываются чрезвычайно полезными при описании закономерности мира частиц.

 

Поразительно то, что все эти закономерности приобретают гораздо более простой вид, если мы придерживаемся той точки зрения, что адроны состоят из небольшого количества элементарных единиц, которые до сих пор ускользали от непосредственного наблюдения. Эти единицы получили название "кварков". Этот термин был впервые использован Мюрреем Гелл-Манном, который заимствовал это слово из романа Джеймса Джойса "Поминки по Финнегану", содержащего такую строку: "Три кварка для Мастера Марка", и применил его для обозначения постулированных им частиц. Гелл-Манну удалось объяснить большое количество таких адронных паттернов, как описанные выше октеты и барионные десятки, приписав трем своим кваркам и их антикваркам соответствующие значения квантовых чисел и составляя из них различные сочетания для того, чтобы получить барионы и мезоны, квантовые числа которых складываются из квантовых чисел составляющих их кварков. При этом предполагается, что барионы "состоят" из трех кварков, их античастицы — из соответствующих антикварков, а мезоны — из сочетания кварка и антикварка.

 

Простота и эффективность этой модели совершенно очевидны, но, считая кварки реальными физическими составляющими адронов, мы неизбежно столкнемся с непреодолимыми трудностями. До сих пор, несмотря на самые активные старания физиков обнаружить кварки при помощи бомбардировки адронов наиболее "скоростными" частицами — "снарядами", все их попытки были обречены на неудачу. Этот результат может, по всей видимости, означать только одно, а именно: то, что кварки должны быть связаны между собой очень мощными силами притяжения. Наши нынешние представления о частицах и их взаимодействиях предполагают, что за всеми силами в действительности стоит обмен более мелкими частицами, то есть, что кварки имеют некую внутреннюю структуру, подобно всем остальным сильновзаимодействующим частицам. Но в модели Гелл-Мапна кварки рассматриваются в качестве точечных лишенных структуры единиц. Из-за этого несоответствия физикам до сих пор не удается сформулировать кварковскую модель таким образом, чтобы одновременно учесть и симметрию, и силы притяжения.

 

За последнее десятилетие ведущие специалисты по экспериментальной физике предприняли настоящую "охоту за кварком", которая до сих пор не увенчалась успехом. Если отдельные кварки могут существовать самостоятельно, сами по себе, их детекция не должна представлять больших затруднений, так как модель ГеллМанна приписывает им ряд очень необычных свойств, как, в частности, обладание электрическим зарядом, равным одной или двум третям заряда электрона, что принципиально невозможно в мире частиц. До сих пор таких частиц обнаружить не удавалось. Невозможность обнаружить кварки экспериментальным путем, в сочетании с серьезными теоретическими возражениями против их существования, сделали вероятность их существования довольно проблематичной.

 

С другой стороны, кварковая модель продолжает оставаться в высшей степени уместной для описания закономерностей мира частиц, хотя она уже давно не используется в своей первональной форме. Согласно формулировке Гелл-Манна, все адроны могут состоять из кварков трех типов и их антикварков, однако к настоящему времени физикам пришлось постулировать существование дополнительных кварков для того, чтобы объяснить все многообразие адронных паттернов. Три кварка Гелл-Манна получили довольно условные обозначения: u (от английского слова "up" — "вверх"), d (от английского слова "down" — "вниз) и s (от английского слова "strange" — "странный). Первым дополнением к первоначальной концепции, возникшем в результате применения кварковой гипотезы ко всему массиву данных о мире частиц, было положение, согласно которому каждый кварк должен обладать тремя потенциальными состояниями, или цветами. Слово "цвет" используется здесь довольно произвольно и не имеет ничего общего с нашим понятием цвета. Согласно модели разноцветных кварков, барионы состоят из трех кварков разных цветов, а мезоны — из пары кварк-антикварк одного и того же цвета.

 

Введение понятия цвета увеличило количество кварков до девяти, а недавно было постулировано существование еще одного, уже четвертого, кварка, который тоже может появляться в любом из трех цветов. Из-за любви физиков к необычным названиям этот новый кварк был обозначен при помощи буквы "с" (от английского слова "charm" — "очарование"). В результате кварков стало двенадцать — четыре разновидности, каждая из которых может существовать в трех цветах. Для того, чтобы разграничить понятия разновидности и цвета, физики ввели понятие "аромата", и говорят теперь о кварках различных цветов и ароматов.

 

Многообразие закономерностей, находящих объяснение при помощи этой "двенадцатикварковой" модели, представляется воистину впечатляющим (в послесловии разговор о кварках продолжается с учетом более современных исследований в этой области). Нет никакого сомнения в том, что для всех адронов характерны "кварковые симметрии", и, хотя наше сегодняшнее понимание частиц и их взаимодействий плохо соотносится с возможностью сосуществования физических кварков, адроны очень часто ведут себя таким образом, как если бы они в самом деле состояли из точечных элементарных компонентов. Парадоксальная ситуация вокруг кварковой модели очень похожа на ситуацию, сложившуюся накануне возникновения атомной физики, когда настолько же очевидная парадоксальность физической действительности побудила ученых осуществить радикальный переворот в понимании атомов. Загадка кварков обладает всеми признаками нового Коана, решение которого тоже может повлечь существенное изменение наших воззрений на природу субатомных частиц. По сути дела, это изменение уже происходит на наших глазах. Его описанию посвящены следующие главы. Некоторые физики приблизились к решению кваркового коана уже сегодня, что позволяет им соприкоснуться с наиболее удивительными сторонами физической действительности.

 

Обнаружение симметричных паттернов в мире частиц привело физиков к выводу о том, что эти паттерны являются отражением фундаментальных законов природы. За последние пятнадцать лет усилия многих исследователей были посвящены поиску высшей, наиболее "фундаментальной симметрии", которая была бы характерна для всех частиц, и могла бы поэтому помочь ученым понять принципы строения материи. Подобный подход был характерен для европейской науки со времен Древней Греции. Греческая наука, философия и искусство придавали очень большое значение симметрии, вкупе с геометрией, и видели в ней воплощение красоты, гармонии и совершенства. Так, например, пифагорейцы считали, что сущность всех вещей определяется симметричным числом паттернов; Платон был уверен в том, что атомы четырех элементов представляют собой твердые тела; большинство греческих астрономов придерживались концепции, согласно которой все небесные тела движутся по окружностям, поскольку круг — — самая симметричная геометрическая фигура.

 

Восточные философы отводили симметрии совершенно другое место. Последователи дальневосточных мистических традиций часто используют симметричные паттерны при медитации или в качестве символов, однако понятие симметрии не играет заметной роли в их философии. Напротив, оно, как и все понятия, считается продуктом мыслительной деятельности человека, а не свойством, присущим самой природе. Поэтому восточные мудрецы не придают симметричности большого значения. В соответствии с этим философским подходом восточное искусство часто использует асимметричные очертания и последовательности и избегает всех правильных и геометрических форм. Во вдохновленной учением дзэн живописи Китая и Японии мы нередко встречаем изображения в так называемом "стиле одного угла": расположение камней в японских садах не подчиняется правилам симметрии, что еще раз подтверждает, что роль симметрии в восточной культуре сильно отличается от ее роли в культуре Европы.

 

По всей видимости, стремление к поиску фундаментальной симметрии в физике частиц является частью нашего эллинического наследия, которое, тем не менее, плохо соотносится с общим мировоззрением современной науки. Однако подчеркнутое внимание к симметриям характерно не для всех направлений физики частиц. Наряду со статическим, "симметрическим" направлением в ней представлена и "динамическая" школа, которая стремится рассматривать паттерны частицы не как конечный уровень устройства мира, а как нечто вторичное, своего рода проявление динамической природы субатомной действительности и принципиальной взаимосвязанности и нераздельной слитности всех происходящих в ней явлений. В последних двух главах повествуется о том, как в течение десяти последних лет в рамках этого динамического направления возник совершенно новый подход к рассмотрению симметрий и законов природы, который вполне гармонирует как с мировоззрением современной физики, так и с восточными мистическими учениями.

 

Глава 17. МОДЕЛИ ПЕРЕМЕН

 

Одна из основных задач современной физики — объяснение симметрий мира частиц при помощи динамической модели, то есть в терминах взаимодействий между частицами. Сложность, собственно говоря, заключается в том, чтобы одновременно принять во внимание теорию относительности и квантовую теорию. Паттерны частиц, вероятно, отражают "квантовую природу" этих частиц, поскольку сходные паттерны встречаются и в мире атомов. В физике частиц, однако, их невозможно объяснить как волновые паттерны, в рамках квантовой теории, поскольку вовлекаемые в эти процессы энергии столь велики, что необходимо применять теорию относительности. Поэтому для рассмотрения симметрий необходима "квантово-релятивистская" теория частиц.

 

Первая модель такого типа — теория квантового поля. Она прекрасно подходит для описания всех элементарных взаимодействий между электронами и фотонами, но не может помочь при рассмотрении сильных взаимодействий (в Послесловии эта сторона проблемы раскрыта более полным образом). По мере открытия новых частиц физики все больше убеждались в том, что концепция, согласно которой каждому типу частиц соответствует особая разновидность поля, является непродуктивной. Когда ученым стало ясно, что мир частиц представляет собой сложное переплетение взаимосвязанных процессов, они начали искать новые модели для объяснения этой динамической, непрестанно изменяющейся действительности. Им хотелось описать математическим языком все сложные закономерности адронных преобразований: их постоянные превращения друг в друга, взаимодействия между адронами через посредство других частиц, возникновение "связанных состояний" двух или большего количества адронов и их последующий распад на различные сочетания частиц. Все эти процессы, характерные для сильных взаимодействий и получившие общее наименование "реакций частиц", должны рассматриваться в контексте единой квантоворелятивистской адронной модели.

 

На сегодняшний день для описания адронов наилучшим образом подходит так называемая "теория S-матрицы". Ключевое понятие теории, S-матрица, было впервые предложено Гейзенбергом в 1943 году. За последующие два десятилетия ученые построили на его основе стройную математическую модель для описания сильных взаимодействий. S-матрица представляет собой набор вероятностей для всех возможных реакций с участием адронов. S-матрица получила такое наименование благодаря тому обстоятельству, что вся совокупность возможных адронных реакций может быть представлена в виде бесконечной последовательности ячеек, которая в математике называется матрицей. Буква "s" сохранилась от полного названия этой матрицы, которая звучит как "матрица рассеивания" (англ. "рассеивание" "scattering") и используется для обозначения процессов столкновений, или "рассеиваний", численно преобладающих среди всех реакций частиц.

 

Впрочем, на практике ни у кого обычно не возникает необходимости использовать S-матрицу целиком, то есть рассматривать всю совокупность адронных процессов в целом. Поэтому физики, как правило, имеют дело только с отдельными частями, или "элементами", S-матрицы, имеющими отношение к той разновидности реакций, которая является предметом исследования того или иного ученого. Эти элементы изображаются в виде графиков (см. рис. 50). На этом рисунке мы видим одну из самых обычных реакций частиц: две частицы, А и В, сталкиваются друг с другом, превращаясь в две другие частицы — С и D. Более сложные процессы имеют больше частиц-участников и изображаются при помощи следующих графиков (рис. 51).

 

Очень важно учесть тот факт, что графики S-матрицы значительно отличаются от графиков Фейнмана, использующихся в теории поля. Они не изображают механизм реакции подробно, а лишь обозначают ее первоначальных и конечных участников. В теории поля тот же самый обычный процесс А+В — C+D будет изображаться в виде обмена виртуальной частицей V (см. рис. 52). В теории S-матрицы мы просто нарисуем кружок в месте пересечения линий двух частиц, не уточняя, что именно происходит внутри него. Поэтому графики S-матрицы не относятся к разряду пространственно-временных, представляя собой более обобщенные символические изображения реакций частиц. Эти реакции не принято характеризовать тем или иным положением в пространстве и времени. Их единственными характеристиками являются скорости, или, точнее, импульсы, частиц на входе ячейки S-матрицы и на выходе из них.

 

Из этого, безусловно, следует, что график S-матрицы содержит гораздо меньше информации, чем соответствующий график Фейнмана. С другой стороны, теория S-матрицы позволяет избежать той трудности, которая не может быть преодолена в рамках теории поля. Совокупное влияние теории относительности и квантовой теории заключается в том, что взаимодействие тех или иных частиц не может быть точно локализовано в пространстве и времени. Согласно принципу неопределенности, при более четкой пространственной локализации взаимодействия частиц возрастает неопределенность их скоростей (глава II), а следовательно, и неопределенность их кинетической энергии. Рано или поздно запас кинетической энергии окажется достаточным для образования новых частиц, после чего нельзя с уверенностью утверждать, что мы имеем дело с тем же самым процессом. Поэтому теория, объединяющая квантовую теорию с теорией относительности, должна отказаться от точного местонахождения отдельных частиц. Если это условие останется невыполненным, как в теории поля, мы неизбежно столкнемся с колоссальными математическими трудностями. Именно в этих трудностях заключается головная боль всех ученых, занимающихся разработкой теорий квантового поля. Теория S-матрицы решает эту проблему, указывая точные значения только для импульсов частиц и умалчивая о том участке пространства, в котором происходит соответствующая реакция.

 

Одно из важнейших нововведений теории S-матрицы заключается в том, что она переносит акценты с объектов на события; предмет ее интереса составляют, таким образом, не частицы, а реакции между ними. Такое смещение акцентов вытекает из положений квантовой теории и теории относительности. С одной стороны, квантовая теория утверждает, что субатомная частица может рассматриваться только в качестве проявления взаимодействия различными процессами измерения. Она представляет собой не изолированный объект, а своего рода происшествие, или событие, которое особенным образом реализует связь между двумя другими событиями. По словам Гейзенберга.

 

"[В современной физике] мир делится не на различные группы объектов, а на различные группы взаимоотношений...

 

Единственное, что поддается выделению,-это тип взаимоотношений, имеющих особенно важное значение для того или иного явления... Мир, таким образом, представляется нам в виде сложного переплетения событий, в котором различные разновидности взаимодействий могут чередоваться друг с другом, накладываться или сочетаться друг с другом, определяя посредством этого текстуру целого" [34, 107].

 

С другой стороны, теория относительности побуждает нас говорить о частицах в терминах пространства-времени, понимая их как четырехмерные паттерны — не столько объекты, сколько процессы. S-матричный подход объединяет обе эти точки зрения. Используя четырехмерный математический формализм теории относительности, такой подход описывает все свойства адронов в форме реакций (или, что более точно, в терминах вероятностей реакций), устанавливая, таким образом, тесную взаимосвязь между частицами и процессами. В каждой реакции принимают участие различные частицы, которые связывают ее с остальными реакциями, формируя единую сеть процессов.

 

Нейтрон, например, может участвовать в двух последовательных реакциях, включающих различные частицы: в первой — протон и п-, во второй — Sи К-. Таким образом, нейтрон оказывается звеном, соединяющим две реакции в рамках более масштабного процесса (см. рис. 53, график "а"). Каждая из "входных" и "выходных" частиц в этом процессе может принимать участие и в других реакциях; так, протон может возникнуть благодаря взаимодействию между К+ и Л (см. график "в"). К+ вступит в реакцию с Ки п+, а п — с еще тремя пионами.*

 

В результате наш нейтрон оказывается звеном в огромной сети взаимодействий, сети "переплетения событий", если говорить языком S-матрицы. Взаимодействия внутри такой сети не могут быть определены со стопроцентной точностью. Им можно приписать только вероятностные характеристики. Для каждой реакции характерна та или иная вероятность, зависящая от запаса энергии и других параметров реакции, и все эти вероятности определяются различными элементами S-матрицы. При этом мы можем дать в высшей степени динамическое описание структуры адрона (см. рис. 54). В этом новом контексте нейтрон из нашей сети может рассматриваться в качестве "связанного состояния" протона и п-, из которых он образовался, а также в качестве связанного состояния Sи К-, которые образуются в результате его распада. Каждое из этих двух сочетаний адронов, как, впрочем, и многие другие, может преобразоваться в нейтрон, а следовательно, они могут быть названы компонентами его "структуры". Тем не менее, структура адрона понимается в данном случае не в качестве некоего соединения составных частей, а в качестве соотношения вероятностей участия различных частиц в образовании того или иного адрона. При таком подходе протон потенциально присутствует внутри пары нейтрон-пион, каон-ламбда и т. д. Помимо этого, протон обладает потенциальной способностью распадаться на каждое из этих сочетаний при наличии достаточного количества энергии. Склонность адрона к существованию в различных проявлениях определяется вероятностями соответствующих реакций, каждая из которых может рассматриваться в качестве одного из аспектов внутренней структуры адрона.

 

Понимая под структурой адрона его склонность подвергаться различным реакциям, теория S-матрицы придает понятию структуры динамический характер. Такая трактовка структуры прекрасно соотносится с экспериментальными данными. Участвуя в высокоэнергетических столкновениях, адроны всегда распадаются на другие адроны, и поэтому мы можем утверждать, что они потенциально "состоят" из этих сочетаний адронов. Каждая из образующихся при этом частиц будет подвергаться дальнейшим преобразованиям, соединяя, таким образом, наш исходный адрон с целой сетью событий, которую можно запечатлеть внутри пузырьковой камеры при помощи фотоаппарата. Примеры таких сетей реагирования изображены на рисунках в главе 15 и на рис. 55.

 

Хотя проявление той или иной сети во время конкретного эксперимента определяется одной лишь случайностью, каждая сеть обладает вполне предсказуемой структурой. Причина — в действии уже упоминавшихся законов сохранения, согласно которым могут происходить только такие реакции, в которых сохраняется неизменным определенный набор квантовых чисел. Прежде всего, константой должно быть суммарное количество энергии. Это означает, что в ходе реакции могут возникать только те частицы, для образования массы которых окажется достаточным имеющийся запас энергии. Далее, возникшие частицы должны в совокупности обладать тем же квантовыми числами, что и первоначальные частицы. Возьмем, к примеру, взаимодействие протона и пи-. Суммарный электрический заряд этих частиц равен нулю. В результате их столкновения могут образоваться нейтрон и пи-0 но не нейтрон и пи+, так как суммарный электрический заряд второго сочетания равен +1. Следовательно, адронные реакции представляют собой поток энергии, в котором возникают и исчезают частицы, но эта энергия может "течь" только по некоторым определенным "каналам", характеристиками которого и являются квантовые числа, сохраняющиеся во время сильных взаимодействий в качестве констант.

 

В теории S-матрицы понятие канала реакции имеет более фундаментальное значение, чем понятие частицы. Оно определяется как набор квантовых чисел, присущий различным адронным сочетаниям, а нередко — и отдельным адронам. Какое именно сочетание пройдет через тот или иной канал, определяется вероятностью и зависит, в первую очередь, от имеющегося количества энергии. График на рис. 56 соответствует взаимодействию между протоном и п-, на промежуточной стадии которого образуется нейтрон. Таким образом, канал реакции состоит сначала из двух адронов, потом — из одного, а в конце концов — снова из первоначальной пары адронов. При наличии большого количества энергии тот же самый канал мог бы состоять из пар Л — К, 2 — Ки т. д.*

 

Еще более уместно рассматривать в терминах каналов реакций резонансы — эти крайне недолговечные состояния адронов, которые характерны для всех сильных взаимодействий. Они представляют собой настолько эфемерные явления, что физики сначала даже не хотели рассматривать их в качестве частиц, да и до сих пор одна из важнейших задач, стоящих перед современной экспериментальной физикой высоких энергий, заключается в том, чтобы более точно определить свойства резонансов. Резонансы образуются во время столкновений между адронами и почти сразу же распадаются. В пузырьковой камере они никак не обнаруживают своего присутствия, и обнаружить их можно только благодаря характерному изменению вероятностных характеристик реакций. Вероятность прохождения реакции при столкновении двух адронов зависит от количества энергии, принимающей участие в столкновении. При изменении количества энергии вероятность тоже изменяется; причем при увеличении запаса энергии она может не только возрасти, но и снизиться, что определяется другими особенностями реакции. Однако при некоторых значениях запаса энергии вероятность реакции возрастает довольно резко; при таких значениях реакция будет происходить гораздо чаще, чем при всех остальных. Резкий рост вероятности связан с образованием недолговечного промежуточного адронного состояния с массой равной тому количеству энергии, при котором отмечается резкое увеличение вероятности.

 

Причина, по которой эти недолговечные адронные состояния получили название резонансов, имеет отношение к аналогии из механики, связанной с хорошо известным явлением резонанса при колебаниях. Возьмем, к примеру, звук, то есть колебания воздуха. Мы знаем, что воздух, находящийся внутри какого-либо полого предмета, обладает способностью слабо реагировать на приходящие извне звуковые волны, но если волны достигнут определенной частоты, называющейся частотой резонанса, воздух внутри полости тоже начнет совершать колебания, или "резонировать". Канал адронной реакции тоже можно уподобить такому резонирующему предмету, поскольку энергия столкновения адронов связана с частотой соответствующей вероятности волны. Когда эта энергия, или, что то же самое, частота, достигает определенного значения, канал начинает "резонировать", колебания вероятностной волны внезапно усиливаются, что вызывает резкий скачок вероятности реакции. Большинство каналов реакции имеют несколько резонансных значений энергии, каждое из которых соответствует недолговечному адронному состоянию, реализующемуся при приближении энергии столкновения к резонансному значению. В контексте теории S-матрицы вопрос о том, являются ли резонансы "частицами", теряет свой смысл. Все частицы воспринимаются как промежуточные стадии в сети реакций, и тот факт, что продолжительность существования резонансов гораздо меньше, чем продолжительность существования других адронов, не имеет решающего значения. "Резонанс" — и в самом деле очень удачное название. Оно относится одновременно и к событиям в канале реакции, и к адрону, образующемуся в процессе этих событий, обнаруживая, таким образом, неразрывную связь между частицами и реакциями. Резонанс — это частица, но не объект. Гораздо более уместно назвать его событием, процессом или чем-нибудь в этом роде.

 

Это описание адронов в физике вызывает в памяти уже цитировавшееся выше высказывание Д. Т. Судзуки:

 

"Буддисты воспринимают объект как событие, а не как вещь или материальную субстанцию".

 

То, что открылось буддистам благодаря мистическому интуитивному прозрению, было документально подтверждено экспериментами и математическими теориями современной науки.

 

Для того, чтобы описать все адроны как промежуточные состояния в сети реакций, мы должны иметь возможность охарактеризовать силы взаимодействия между ними. Последние принадлежат к числу сил, действующих при сильных взаимодействиях, и отражают, или "рассеивают" адроны, участвующие в столкновениях, уничтожая их или преобразуя в другие структуры, а также объединяя их в группы, служащие для последующего образования промежуточных связанных состояний. В теории S-матрицы, как и в теории поля, силы взаимодействий ассоциируются с частицами, однако понятие виртуальной частицы не используется. Вместо этого соотношения между силами и частицами основываются на особом свойстве S-матрицы, известном под названием "кроссинг". Рассмотрим его на примере следующего графика, изображающего взаимодействие между протоном и пи(рис. 57).

 

Если мы перевернем этот график на 90 градусов, придерживаясь принятого ранее допущения (глава 12), согласно которому стрелки, направленные вниз, означают античастицы, мы увидим на графике взаимодействие антипротона (р-) и протона (р), в результате которого образуется пара пионов, причем п+ представляет собой античастицу для писходного взаимодействия (рис. 58).

 

Свойство "кроссинга", то есть пересечения, перекрестка, характерное для S-матрицы, в данном случае заключается в том, что оба эти процесса могут быть изображены при помощи одного и того же элемента S-матрицы (рис. 59), то есть два наших графика соответствуют только различным аспектам, или "каналам", одной и той же реакции. (Мы можем продолжать вращать график, получая новые и новые варианты реакций, описываемые, тем не менее, при помощи все того же графика. Каждый элемент S-матрицы изображает шесть различных процессов, однако для нашего рассказа о силах взаимодействия достаточно упомянуть только о двух из них, которые названы выше). Для специалистов в области физики частиц переходы от одного канала к другому являются обычными, и вместо того, чтобы переворачивать график, они просто читают его снизу вверх или слева направо, говоря при этом о "прямом канале" или "кросс-канале". Таким образом, реакция в нашем примере будет прочитана как р+(пи-) — >р+(пи-) в прямом канале, и как (р-)+(р) — > (пи-)+(пи+) — в кросс-канале.

 

Связь между силами и частицами осуществляется при помощи промежуточных состояний двух каналов. В нашем случае в прямом канале протон и пимогут образовать промежуточный нейтрон, а кросс-канал может состоять из промежуточного нейтрального пиона (пи0). Этот пион, промежуточное состояние кросс-канала, будет рассматриваться как воплощение сил, действие которых в прямом канале выражается в связывании протона и пив единое целое для образования нейтрона. Таким образом, для установления связи между силами и частицами нам необходимы оба канала: то, что в одном из них является силой, в его кросс-канале будет уже промежуточной частицей (рис. 60).

 

Хотя переключение с одного канала на другой не представляет больших трудностей математического порядка, получить четкое интуитивное ощущение того, что при этом происходит, очень сложно, если вообще возможно. Дело в том, что "кроссинг" представляет собой типично релятивистское явление, рассматривающееся в контексте четырехмерного формализма теории относительности и с трудом поддающееся визуализации. С похожим положением дел мы сталкиваемся в теории поля, где силы взаимодействия рассматриваются в виде обменов виртуальными частицами. И в самом деле, график, на котором изображен промежуточный пион в кросс — канале, чем-то напоминает графики Фейнмана, использующиеся для описания обменов виртуальными частицами (не следует, однако, забывать о том, что графики S-матрицы не являются пространственно-временными и имеют характер приблизительных, символических изображений реакции частиц, а также о том, что переключение от одного канала к другому происходит в абстрактном математическом пространстве). В этой связи можно условно говорить о том, что протон и пивзаимодействуют посредством обмена пи0. Такие выражения нередко встречаются в речи физиков, однако они не вполне точны. Более адекватное толкование происходящего требует обязательного использования абстрактных понятий прямого и кросс-каналов, которые практически невозможно представить себе зрительно.

 

Несмотря на различные математические подходы, общее понимание сил взаимодействия в теории S-матрицы мало отличается от теории поля. Согласно обеим теориям, силы проявляются в форме частиц, масса которых определяет радиус действия силы. Обе теории видят в силах имманентные свойства взаимодействующих частиц: в теории поля силы являются отражением структуры виртуальных облаков частиц, а в теории S-матрицы они порождаются связанными состояниями взаимодействующих частиц. Обоснованная нами параллель с восточным толкованием понятия силы, характерна, таким образом, для обеих этих теорий (см. главу 14). Из такого подхода к рассмотрению сил взаимодействия вытекает важный вывод о том, что все известные частицы должны иметь некую внутреннюю структуру, поскольку только в последнем случае они смогут вступать во взаимодействие с наблюдателем и быть замеченным им. По словам Джеффри Чу, одного из создателей теории S-матрицы.

 

"Воистину, элементарная частица — полностью лишенная внутренней структуры — не была бы подвержена действию каких-либо сил, которые могли бы помочь нам обнаружить ее существование. Уже из того самого факта, что нам известно о существовании частицы, следует сделать вывод о том, что эта частица обладает внутренней структурой!"* [15.99].

 

Особое преимущество математического языка теории S-матрицы заключается в том, что при его помощи можно описать "обмен" целой адронной семьей. Как говорилось в предыдущей главе, все адроны можно разделить на последовательности, для членов каждой из которых характерна полная идентичность всех свойств, за исключением массы и спина. Математическая формулировка, впервые предложенная Туллио Редже, позволяет рассматривать каждую из этих последовательностей в качестве множества возбужденных состояний одного и того же адрона. За последние годы ученым удалось объединить формулировку Редже с теорией S-матрицы, в которой ее стали очень успешно применять для описания адронных реакций. Введение в научный обиход этой формулировки является одним из наиболее важных усовершенствований теории S-матрицы, и может расцениваться как первый шаг к динамическому объяснению паттернов частиц.

 

Таким образом, теория S-матрицы позволяет физикам описывать строения адронов, силы взаимодействия между ними и некоторые из паттернов, которые они образуют, принципиально динамическим образом, так, что каждый адрон понимается как неотделимая часть неразрывной сети реакций. Основная задача, стоящая перед теорией S-матрицы, заключается в том, чтобы применить это динамическое описание для объяснения симметрий, порождающих адронные паттерны и законы сохранения, которым была посвящена предыдущая глава. В новой формулировке этой теории адронные симметрии должны отразиться на математической структуре S-матрицы таким образом, чтобы она содержала только те элементы, которые соответствуют реакциям, допустимым с точки зрения законов сохранения. Тогда эти законы утратили бы свой теперешний статус чисто эмпирических закономерностей и стали бы логическим следствием динамической природы адронов.

 

В настоящее время физики пытаются решить эту задачу при помощи постулирования нескольких общих принципов, которые ограничивают математические вероятности построения элементов S-матрицы, придавая последней, таким образом, более определенную структуру. До сих пор было постулировано три таких принципа. Первый из них является следствием из теории относительности и наших макроскопических представлений о времени и пространстве. Он гласит, что вероятности реакций (а следовательно, и элементы S-матрицы) не зависят от расположения экспериментального оборудования в пространстве и времени, его пространственной ориентации и состояния движения наблюдателя. Как говорилось в предыдущей главе, из факта независимости реакций частиц от изменений ориентации и местонахождения в пространстве и времени следует вывод о сохранении суммарного количества вращения, импульса и энергии, принимающих участие в реакции. Эти "симметрии" имеют колоссальное значение для нашей научной работы. Если бы результаты эксперимента менялись в зависимости от времени и места его проведения, наука в ее современном понимании попросту прекратила бы свое существование. Наконец, последнее утверждение относительно того, что результаты эксперимента не зависят от состояния движения наблюдателя, представляет собой сформулированный принцип относительности, лежащий в основе теории с аналогичным названием (см. главу 12).

 

Второй основополагающий принцип вытекает из квантовой теории. Согласно нему, исход той или иной реакции можно предсказать только в терминах вероятностей, то есть сумма вероятностей всех возможных исходов — включая тот случай, когда взаимодействия между частицами не происходят вообще — должна равняться единице. Другими словами, можно считать доказанным, что частицы либо взаимодействуют друг с другом, либо нет. Это казалось бы, тривиальное положение представляет собой очень важный принцип, получивший название "принципа унитарности", который тоже значительно ограничивает возможности построения элементов S-матрицы.

 

Наконец, третий и последний принцип имеет отношение к нашим представлениям о причине и следствии и называется принципом причинности. Согласно нему, энергия и импульсы могут совершать пространственные перемещения только при помощи частиц, и при подобных перемещениях частица может возникнуть во время одной реакции и исчезнуть во время другой при том условии, что последующая реакция происходит позже, чем предыдущая. Из математической формулировки принципа причинности следует, что S-матрица обнаруживает непосредственную зависимость от энергий и импульсов частиц, принимающих участие в реакции, за исключением величин, при которых становится возможным возникновение новых частиц. При этих значениях математическая структура S-матрицы резко изменяется: она начинает характеризоваться явлением, которое математики называют особенностью. Каждый канал реакции содержит несколько таких особенностей, то есть несколько значений энергии и импульса, при которых могут образоваться новые частицы. Примером особенностей являются упоминавшиеся выше "резонансные энергии". Принцип причинности предполагает, что S-матрица имеет особенности, но не указывает их точного расположения. Значения энергии и импульса, при которых могут возникать новые частицы, варьируются в зависимости от масс и других характеристик образующихся частиц, а также в зависимости от канала реакции. Таким образом, локализация особенностей отражает свойства этих частиц, а поскольку во время реакций частиц могут возникать любые адроны, особенности S-матрицы заключают в себе информацию обо всех закономерностях классификации адронов и их симметриях. Поэтому главная цель теории S-матрицы заключается в том, чтобы свести структуру особенностей S-матрицы к общим принципам. До сих пор модели, которая могла бы удовлетворить требованиям всех трех принципов, создать не удалось; вообще, вполне возможно, что этих трех принципов вполне достаточно для исчерпывающего описания всех свойств S-матрицы, а значит, и всех свойств адронов. (Это предположение, получившее свою известность под названием гипотезы бутстрапа, будет более подробно рассматриваться в последней главе книги). Если дело обстоит именно так, то философские следствия такой теории будут иметь просто колоссальное значение. Каждый из трех принципов связан с нашими методами организации наблюдений и измерений окружающего мира, то есть с нашим научным подходом. Если структура адронов определяется только этими принципами и ничем иным, это значит, что основные структуры физического мира, в конечном счете, определяются только нашим взглядом на мир. Любое существенное изменение в наших методах наблюдения приведет к изменению основополагающих принципов, что повлечет за собой изменение структуры S-матрицы, а значит, и структуры адронов.

 

Такая теория субатомных частиц отражает принципиальную невозможность отделения наблюдателя от наблюдаемого им мира, о чем мы уже упоминали в связи с квантовой теорией. Из нее следует, что все структуры и явления, наблюдаемые нами в окружающем мире, представляют собой не что иное, как порождения нашего измеряющего и классифицирующего сознания. К аналогичному утверждению сводится одно из важнейших положений восточной философии. Восточные мистики не устают повторять, что воспринимаемые нами вещи и события суть порождения сознания, берущие начало в одном из его состояний и исчезающие при преодолении этого состояния. Индуизм утверждает, что все формы и структуры вокруг нас порождаются сознанием, скованным чарами майи, и рассматривает нашу склонность придавать им большое значение в качестве проявления одной из основных иллюзий, присущих человеку. Буддисты называют эту иллюзию "авидья", то есть "невежество", и видят в ней состояние "загрязнения" сознания. Как говорит Ашвагхоша,

 

"Если не признавать единство всеобщности вещей, возникает невежество, а также партикуляризирующая склонность обращать внимание на частности, и вследствие этого развиваются все стадии загрязненного сознания... Все явления в этом мире представляют собой не что иное, как иллюзорные отражения сознания, и не имеют собственной реальности" [2, 79, 86].

 

К этой теме часто возвращаются и представители буддийской школы йогачаров, которые считают, что все воспринимаемые нами формы суть "только сознание", проекции или "тени" разума:

 

"В нашем сознании берут начало бесчисленные вещи, обусловленные разграничением... Эти вещи люди воспринимают как внешний мир... То, что кажется внешним, не существует в действительности: то, в чем мы видим множественность, на самом деле — не что иное, как сознание; тело, имущество и все упоминавшееся выше — все это, говорю я, одно лишь сознание" [75,242].

 

В физике частиц построение модели, выводящей все свойства адронов из основополагающих принципов теории S-матрицы, представляет собой сложнейшую задачу, и до сих пор в этом направлении удалось сделать лишь несколько маленьких шагов. Тем не менее, мы должны считаться с возможностью того, что когда-нибудь все свойства субатомных частиц будут восприниматься как следствия этих принципов, а значит, как часть нашего научного мировоззрения. Предположение относительно того, что именно этому обстоятельству предстоит в дальнейшем стать фундаментальным положением физики частиц, неизбежно должно будет отразиться на более частных теориях электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействий, и это не может не казаться нам в высшей степени удивительным и парадоксальным. Если данное предположение будет обосновано и доказано, современная физика придет к тем же выводам, что и восточные мудрецы, и признает, что все структуры физического мира — не что иное, как майя, или "одно лишь" сознание.

 

Теория S-матрицы обнаруживает большое сходство с восточной философией не только в своих конечных выводах, но и в общем подходе к рассмотрению вещества. Она описывает мир субатомных частиц как сеть взаимосвязанных событий и уделяет основное внимание не фундаментальным структурам или единицам, а изменениям и преобразованиям. На Востоке такой подчеркнутый интерес к изменениям и превращениям характерен прежде всего для буддийской философии, которая рассматривает все вещи как нечто динамическое, непостоянное и иллюзорное. Так, С. Радхакришнан пишет:

 

"Почему мы размышляем о вещах, а не о процессах в этом абсолютном, ничем не связанном потоке? Потому что мы закрываем глаза на последовательные, перетекающие друг в друга события. Благодаря искусственности подхода мы расчленяем поток изменений на отдельные фрагменты и называем последние вещами... Если мы хотим познать истинную сущность вещей, мы должны осознать всю абсурдность нашего подхода, при котором отдельным продуктам непрерывного процесса уделяется такое внимание, как если бы они были чем-то вечным и действительно существующим. Жизнь — это не вещь и не состояние вещи, а непрерывное движение, или изменение" [62, 369].

 

И современный физик, и восточный мистик приходят к выводу о том, что все явления в этом мире перемен и преобразований динамически связаны между собой. Индуисты и буддисты придают этой взаимосвязи характер космического закона, закона КАРМЫ, но, как правило, не соотносят ее с какими-либо конкретными структурами во всеобщей сети событий. Китайская философия, которая тоже уделяет большое внимание движению и изменениям, характеризуется иным подходом. Она разрабатывала понятие динамических паттернов, которые постоянно образуются и вновь разрушаются, возвращаясь к космическому течению Дао. В "И цзин", или "Книге Перемен", эти паттерны объединены в систему архетипических символов, или так называемых гексаграмм.

 

Основной принцип построения этих паттернов в "И цзин" (см. главу 7) — чередование противоположных начал, ИНЬ и ЯН. ЯН изображается при помощи сплошной линии ( — ), а ИНЬ — при помощи разорванной (-), и вся система гексаграмм состоит из естественного чередования этих двух типов линий. Расположив их попарно, мы получим четыре комбинации. Добавив третью линию, мы получим восемь триграмм:

 

В древнем Китае триграммы рассматривались в качестве символических изображений различных ситуаций, имеющих место в космосе и жизни людей. Они получили названия, отражающие их основные характеристики: "Созидание", "Самоотдача", "Энтузиазм" и так далее. Каждая триграмма соотносилась с различными образами из мира природы и общественной жизни. Они, к примеру, могли обозначать небо, землю, гром, воду и т. д., а также семью, состоящую из отца, матери, трех сыновей и трех дочерей. Помимо этого, триграммы соотносились с основными направлениями, или сторонами света, и временами года, располагаясь при этом следующим образом: (см. рис. 63).

 

При таком расположении восьми триграмм они следуют друг за другом по окружности в том "естественном порядке", в котором они были начертаны. Первая из них помещается вверху, где, по представлениям китайцев, находится юг, первые четыре триграммы расположены в левой части круга, а последние четыре — в его правой части. Такое расположение характеризуется замечательной симметричностью, и триграммы, находящиеся друг против друга, имеют чередующийся порядок черт ИНЬ и ЯН.

 

Для того, чтобы количество возможных комбинаций возросло, китайцы стали объединять триграммы в сочетания по две в каждом, размещая их друг над другом. Таким образом они получили шестьдесят четыре гексаграммы, каждая из которых состоит из шести линий — сплошных или разорванных. Гексаграммы могут быть сгруппированы в ряд правильных узоров; два варианта изображены в нашей книге на рисунке 64. Это квадрат, каждая сторона которого состоит из восьми гексаграмм, и круг, составленный из шестидесяти четырех комбинаций шести линий и обнаруживающий те же признаки полной симметричности, что и круг из восьми триграмм.

 

Шестьдесят четыре гексаграммы — это космические архетипы, на которых основывается использование "И цзин" в качестве гадательной книги. Для истолкования той или иной гексаграммы нужно знать значение входящих в нее триграмм. Так, если триграмма "Возбуждение" находится над триграммой "Самоотдача", итоговая гексаграмма истолковывается как движение, встречающееся с привязанностью и порождающее вольность. Отсюда и название этой гексаграммы — "Энтузиазм" (см, рис. 65).

 

Приведем еще один пример, на этот раз с триграммами "Сцепление" и "Самоотдача", сочетание которых интерпретируется как Солнце, поднимающееся над землей, то есть как символ быстрого, ничем не остановленного прогресса, и поэтому носит название "Прогресс" (см. рис. 66).

 

В "И цзин" триграммы и гексаграммы представляют те паттерны Дао, которые порождаются динамическим чередованием ИНЬ и ЯН в различных ситуациях, как в космосе, так и в жизни людей. Эти ситуации бесконечного протекания и видоизменения. Все вещи в этом мире подвержены изменчивости и текучести. То же самое характерно и для их символических изображений — триграмм и гексаграмм. Последние постоянно пребывают в состоянии преобразования и становления: одна фигура перетекает в другую, сплошные линии прогибаются и разрываются пополам, а два фрагмента разорванной линии стремятся сблизиться и срастись друг с другом. "И цзин", с ее учением о динамических паттернах, порождаемых изменениями и преобразованиями, представляет собой наиболее близкую аналогию восточного мышления и теории S-матрицы. Обе эти системы взглядов уделяют первоочередное внимание процессам, а не объектам. В теории S-матрицы в качестве процессов выступают реакции частиц, лежащие в основе всех явлений мира адронов. В "И цзин" процессы носят название "перемен" и рассматриваются в качестве понятия, необходимого для описания и объяснения всех явлений природы:

 

"Перемены — это то, что позволило святым мудрецам проникнуть во все глубины и овладеть семенами всех вещей"* [86, 315].

 

Перемены — это не фундаментальный закон, которому должны подчиняться все явления физического мира, а скорее, — если говорить словами Гельмута Вильгельма — "внутренняя тенденция, согласно которой, всякое развитие происходит естественным и спонтанным образом" [85, 19]. То же самое можно сказать и о "переменах", свойственных миру частиц. Эти перемены тоже являются воплощением внутренне присущих частицам тенденций, выражающихся в теории S-матрицы в терминах вероятностных характеристик реакций.

 

Изменения в мире адронов порождают структуры и симметричные паттерны, которые могут быть символически изображены в виде каналов реакций. Физика не склонна придавать фундаментальное значение ни этим структурам, ни их симметрии, воспринимая их как логическое следствие динамической природы частиц из их тенденции к преобразованиям и изменениям.

 

В "И цзин" мы тоже имеем дело с порождениями перемен — особыми структурами, триграммами и гексаграммами, которые, как и каналы частиц, представляют собой символические изображения возможных направлений перемен. Если каналы реакции наполнены течением энергии, то между линий, из которых состоят гексаграммы, струится поток "перемен":

 

"Изменение, безостановочное движение,

Текущее по шести пустым местам,

Поднимающееся и опускающееся без четкой закономерности,

Действуют здесь лишь перемены" [86, 348].

 

Согласно представлениям китайцев, все вещи и явления вокруг нас возникают благодаря этим моделям осуществления перемен и отражаются в них при помощи выбора различных сочетаний линий внутри триграмм и гeкcaгpaмм. Таким образом, предметы физического мира рассматриваются не как статические, абсолютно независимые друг от друга объекты, а как сменяющие друг друга этапы единого космического процесса, или Дао:

 

"Дао имеет перемены и движения. Поэтому эти линии называются изменяющимися линиями. Линии имеют градации: поэтому они представляют вещи" [86,352].

 

Как и в мире частиц, мы найдем здесь возможность объединить структуры, порожденные переменами, в различные симметричные паттерны, как, например, в восьмиугольник из восьми триграмм, в котором противоположные триграммы характеризуются чередующимся расположением черт ИНЬ и ЯН. Интересно, что этот паттерн чем-то напоминает мезонный октет, о котором рассказывалось в предыдущей главе, противоположные позиции внутри которого занимают частицы и соответствующие им античастицы. Однако наибольший интерес для нас представляет не это более или менее случайное совпадение, а тот факт, что и современная физика, и древняя китайская философия сходятся в том, что перемены и преобразования представляют собой ПЕРВИЧНЫЙ аспект природы, а структуры и симметрии, порожденные переменами, рассматривают как нечто вторичное. Рихард Вильгельм считает, что эта идея воплощает в себе основное содержание "Книги Перемен". Обратимся к предисловию Р.Вильгельма к выполненному им переводу "И цзин":

 

"Считалось, что восемь триграмм... пребывают в состоянии непрестанного видоизменения; одна преобразуется в другую подобно тому, как в физическом мире мы имеем дело с постоянными преобразованиями одних явлений в другие. В данном случае перед нами фундаментальная концепция "Книги Перемен". Восемь триграмм — это символы, олицетворяющие изменяющиеся, преходящие состояния; образы, которые постоянно подвергаются изменениям. Главное внимание уделяется не вещам в их состоянии существования — что типично для Запада, — а движениям вещей при изменении. Поэтому восемь триграмм представляют собой не изображения вещей как таковых, а изображения их тенденций к движению" [86, 1].

 

Современная физика выработала аналогичный подход по отношению к "вещам" субатомного мира, рассматривая частицы как преходящие образы непрекращающегося космического процесса и перенося центр тяжести на понятия движения, перемен и преобразований.*

---

Дата добавления: 2018-09-20; просмотров: 232; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!