Андронов Г.Ф.

Сложность элементарных частиц:
Структура и природа происхождения микромира Изд. стереотип.

Oglavlenie

Vvedenie

Slozhnost' i mnogoobrazie zadach, stoyaschikh pered teoreticheskoj fizikoj, podrobno opisano v dvukh poslednikh obzorakh akademika V.D.Ginzburga. Tam zhe otmechaetsya, chto mnogie problemi fiziki, na reshenie kotorikh vozlagalis' bol'shie nadezhdi, tak i ne bili resheni za poslednee tridtsatiletie. Bolee togo, nakopilos' ogromnoe kolichestvo vnov' voznikshikh problem i zadach kak v oblasti mikromira, tak i makromira.

Pri etom mnogie uchenie uvereni, chto, tol'ko poznav rannyuyu Vselennuyu, mozhno otvetit' na mnogochislennie voprosi, stoyaschie pered fizikami razlichnikh spetsial'nostej. Prichina takogo predpolozheniya sostoit v tom, chto tol'ko v rannej Vselennoj, soglasno teorii "velikogo ob'edineniya", mogli suschestvovat' chastitsi visokikh energij, soizmerimikh s energiej kosmicheskikh luchej, dostigayuschej velichini 3 × 10¹¹ GeV. V to zhe vremya v uskoritele LHC mozhet bit' poluchena energiya ne bolee 1,4 × 10⁴ GeV. Poetomu eksperimental'noe modelirovanie protsessov, proiskhodivshikh v rannej Vselennoj v blizhajshie godi, prosto nedostizhimo.

Krizis fizicheskikh nauk ocheviden. Do nastoyaschego vremeni ne dano ob'yasnenie ni fizicheskoj suschnosti nedelimosti kvantovogo sostoyaniya, ni prirodi tak nazivaemoj "temnoj materii", ni fizicheskoj suschnosti dualizma fotonov i drugikh elementarnikh chastits, ni prirodi nedavno otkritikh gamma-vspleskov, ni krupnomasshtabnoj strukturi Vselennoj, ni dejstvitel'noj fizicheskoj suschnosti gravitatsii. No ved' i net nikakoj perspektivi otkritiya tajni proiskhozhdeniya Vselennoj iz sostoyaniya singulyarnosti (sostoyaniya otsutstviya fizicheskogo smisla) v ramkakh teorii otnositel'nosti.

Dlya uchenikh prikladnikh nauk ponyatno, chto nalichie singulyarnosti svidetel'stvuet lish' o nesovershenstve matematicheskoj modeli. Naprashivaetsya vivod: strategicheskoe napravlenie uchenikh, rabotayuschikh na perednem krae fizicheskikh nauk, vibrano neverno. Ved' dazhe formulu A.Ejnshtejna dlya yadernoj energii chastitsi massi M

E = MS²,

v kotoroj S -- skorost' sveta, v ramkakh teorii otnositel'nosti ob'yasnit' nevozmozhno, poskol'ku nevozmozhno razognat' do skorosti sveta chastitsu samoj nichtozhnoj massi.

Nesmotrya na mnogochislennie kriticheskie otzivi o teorii otnositel'nosti (TO), ona do sikh por okazivaet bol'shoe vliyanie na mirovozzrenie uchenikh, nakhodyaschikhsya na perednem krae nauk. I eto nesmotrya na to, chto TO ne opravdala vozlozhennikh na nee nadezhd, porodila mnozhestvo nedorazumenij i sposobstvovala razvitiyu raznoobraznikh singulyarnikh reshenij v razlichnikh oblastyakh nauki o prirode. Slozhivshayasya situatsiya voznikla ne sluchajno, a porozhdena ob'ektivnimi prichinami.

Vo-pervikh, issledovanie protsessov, skorost' kotorikh priblizhaetsya k skorosti sveta, kak i issledovanie povedeniya fotonov i material'nikh chastits v sil'nikh gravitatsionnikh polyakh -- zadacha chrezvichajno slozhnaya. A ved' etim problemam i posvyascheni spetsial'naya teoriya otnositel'nosti (STO) i obschaya teoriya otnositel'nosti (OTO). Vot chto po povodu slozhnosti poznaniya nazvannikh protsessov govorit vidnij astrofizik Pol Devis. On soobschaet, chto u uchenikh, nakhodyaschikhsya na perednem krae nauk, nachinaet prosto otkazivat' voobrazhenie, teryaetsya fizicheskij smisl proiskhodyaschego i, v kachestve utesheniya, oni nachinayut obraschat'sya k bessmislennomu naboru formul, imeyuschikh lish' logicheskuyu soglasovannost' mezhdu soboj.

Vo-vtorikh, eksperimental'naya proverka nazvannikh vishe protsessov sopryazhena s chrezvichajnimi trudnostyami. Dlya izucheniya skorostnikh (relyativistskikh) protsessov v nastoyaschee vremya ne khvataet moschnosti v sovremennikh uskoritelyakh, a dlya izucheniya sil'nikh gravitatsionnikh polej ne khvataet tochnosti u sovremennikh atomnikh chasov.

I, v-tret'ikh, bol'shinstvo statej, kritikuyuschikh TO, libo zanimayutsya poverkhnostnim analizom TO, libo uvlekayutsya nesuschestvennimi chastnostyami, libo ne konstruktivni. Poetomu bol'shinstvo solidnikh uchenikh perestalo zrya tratit' vremya i chitat' kriticheskie publikatsii v adres TO. No ved' sami uchenie, nakhodyaschiesya na perednem fronte nauk, povinni v etoj situatsii. Imenno oni ogranichivayutsya stereotipnim mishleniem i, opirayas' na TO, ignoriruyut mnogochislennij fakticheskij material, poluchennij eksperimentatorami posle sozdaniya TO. Doshlo do togo, chto krupnejshij uchenij, laureat Nobelevskoj premii V.D.Ginzburg prizivaet prekratit' vse popitki kritiki teorii otnositel'nosti. Sovershenno nekonstruktivnoe predlozhenie.

No samoe porazitel'noe sostoit v tom, chto sam A.Ejnshtejn sozdal vnutri OTO nerazreshimoe protivorechie. Eto protivorechie privelo k tomu, chto bol'shinstvo mastitikh uchenikh neverno traktuyut OTO. Eto ubeditel'no dokazal s pozitsij kvantovoj mekhaniki V.L.Yanchilin. Podrobnee ob etom mi pogovorim pozdnee.

Ejnshtejn postuliroval fakt ravenstva gravitatsionnoj i inertsionnoj mass, osnovivayas' na eksperimental'nikh dannikh. Poetomu on provel polnuyu analogiyu mezhdu protsessom svobodnogo padeniya tela v gravitatsionnom pole i protsessom dvizheniya tela s tem zhe uskoreniem -- protsess, sootvetstvuyuschij dvizheniyu inertsionnoj massi. No esli dlya massovikh chastits eta analogiya spravedliva, to dlya fotonov, ne imeyuschikh inertsionnoj massi (massi pokoya), takaya analogiya vedet v tupik. Izvesten fakt, chto foton, pokidaya Zemlyu, "krasneet", teryaya energiyu na preodolenie polya gravitatsii Zemli. I mnogie uchenie schitayut etot fakt podtverzhdeniem TO! Nedopustimaya oshibka. Ved' po TO fotonam, ne imeyuschim inertsionnoj massi, zaprescheno imet' gravitatsionnuyu massu. Imenno poetomu A.Ejnshtejn ob'yavil gravitatsiyu "beloj voronoj" i podmenil eto slozhnoe ponyatie bolee prostim -- iskrivleniem kontinuuma "prostranstvo-vremya".

S momenta publikatsii OTO i STO moschnoe razvitie poluchila kvantovaya mekhanika. Kvantovoj mekhanike, za schet matematicheskogo formalizma i veroyatnostnogo podkhoda, udalos' dostich' suschestvennikh uspekhov v ponimanii strukturi elementarnikh chastits (v masshtabakh 10^-7-10^-13 sm.). No do sikh por sil'na traditsiya otsutstviya vzaimosvyazi mezhdu TO i kvantovoj mekhanikoj, poskol'ku A.Ejnshtejn s bol'shim nedoveriem otnosilsya k kvantovoj mekhanike. No imenno otsutstvie vzaimodejstviya mezhdu kvantovoj mekhanikoj i TO i porodilo okhvativshie vse fizicheskie nauki glubokij krizis. I vot chto primechatel'no. I STO i TO, i kvantovaya mekhanika, i elektrodinamika, i astrofizika, i astronomiya, i kosmologiya, i biofizika, i sinergetika, i ryad drugikh nauk zanimayutsya fakticheski odnim i tem zhe -- poznaniem mikro- i makrostrukturi veschestva Vselennoj.

Takoe obilie otraslej nauk po odnoj probleme govorit o chrezvichajnoj slozhnosti etoj problemi. No v svyazi s uslozhneniem vsekh otraslej nauk uchenie dazhe smezhnikh otraslej teryayut svyazi mezhdu soboj i, zachastuyu, prosto perestayut ponimat' drug druga. I protsess uglubleniya uchenikh v svoyu uzkuyu spetsializatsiyu vse bolee usilivaetsya. Privedu tol'ko odin, gluboko porazivshij menya primer. Redkoj printsipial'nost'yu i beskompromissnost'yu na fone drugikh uchenikh otlichaetsya upomyanutij ranee anglijskij astrofizik Pol Devis. Ya viyasnil, chto bol'shinstvo astrofizikov i uchenikh smezhnikh spetsial'nostej libo ne obraschayut vnimaniya, libo prosto ne znayut fundamental'nij printsip, viskazannij Polom Devisom po povodu otkritogo v 1965 g. reliktovogo izlucheniya. Uchenie s bol'shoj tochnost'yu opredelili temperaturu veschestva v moment Bol'shogo Vzriva (BV), iz kotorogo, veroyatnee vsego, i proizoshla nasha Vselennaya. Eta temperatura otsenivaetsya chudovischnoj velichinoj 1032 K.

U uchenikh net somnenij, chto s momenta BV kharakternaya dlina volni izlucheniya, doshedshego do nas v vide reliktovogo, uvelichivalas' proportsional'no padeniyu temperaturi (na samom dele eto ne tak). Temperatura reliktovogo izlucheniya otsenivaetsya velichinoj 3 K. Sledovatel'no, s momenta BV temperatura umen'shilas' na 32 poryadka i dlina volni reliktovogo izlucheniya dolzhna uvelichit'sya na te zhe 32 poryadka. No v ramkakh vsekh suschestvuyuschikh modelej BV, baziruyuschikhsya na plankovskoj dline volni Lp = 1,62 × 10^-35 m, ot reliktovogo izlucheniya trebuetsya rost dlini volni na 61 poryadok! Vopiyuschee nesootvetstvie. Ono ob'yasnyaetsya tem, chto s momenta Bol'shogo vzriva Vselennaya dostigla razmera poryadka 10²⁶ m.

Oshibka vsekh teorij BV ochevidna. I ob'yasnyaetsya ona nalichiem uzkikh ramok TO, privodyaschikh k uzakonennoj singulyarnosti v moment BV, poskol'ku vse teorii uporno priderzhivayutsya etikh ramok, nesmotrya na polnuyu besperspektivnost' etikh popitok. Na segodnya u fizikov, zanimayuschikhsya problemami kvantovoj mekhaniki, slozhilos' mnenie, chto singulyarnost' (poterya fizicheskogo smisla proiskhodyaschego) yavlyaetsya dejstvitel'nim smislom protsessov, proiskhodyaschikh v mikromire. Nado priznat', chto paradoksal'nost' problem kvantovoj mekhaniki ne yavlyaetsya nadumannim faktom. Eta slozhnejshaya problema trebuet podrobnogo razgovora.

Vot chto pishet po povodu situatsii s reliktovim izlucheniem Pol Devis: "Itak, mozhno sformulirovat' fundamental'nuyu tajnu tonkoj podstrojki Vselennoj sleduyuschim obrazom: pochemu kharakternij razmer Vselennoj stol' neimoverno velik po sravneniyu s tipichnoj dlinoj ee reliktovogo izlucheniya?" Otvet na etot vopros mozhno najti, tol'ko vijdya iz ramok TO. No eta tema otdel'nogo razgovora, tak kak snachala neobkhodimo raskrit' real'nuyu strukturu kvantovikh chastits. Analiz kvantovikh chastits mi provedem na primere elektronov i fotonov.

Dlya raskritiya etoj tajni nam neobkhodimo uglubit'sya v fizicheskij smisl STO, o chem v dal'nejshem i pojdet rech'. Delo v tom, chto STO, nesmotrya na pravil'nij konechnij vivod formuli dlya energii relyativistskoj chastitsi, polnost'yu iskazila fizicheskij smisl protsessov, proiskhodyaschikh s relyativistskimi chastitsami. No samoe slozhnoe polozhenie s ponimaniem fizicheskogo smisla proiskhodyaschego slozhilos' v kvantovoj mekhanike. Problema eta nastol'ko slozhna, chto bol'shinstvo fizikov vinuzhdeno otkazat'sya ot ponimaniya fizicheskogo smisla proiskhodyaschego. Skeptitsizm fizikov po etomu povodu ponyaten. Tem ne menee, v nastoyaschee vremya neobkhodimo popitat'sya maksimal'no sblizit' nashi predstavleniya s fizicheskim smislom proiskhodyaschego. Imenno etoj probleme, probleme priblizheniya nauchnogo mirovozzreniya k fizicheskomu smislu proiskhodyaschego i posvyaschena dannaya publikatsiya.

V chem sostoit glavnaya problema sovremennoj kvantovoj mekhaniki? Ob etoj probleme podrobno govoritsya v rabote laureata Nobelevskoj premii astrofizika Stivena Vajnberga. On govorit o tom, chto v poslednee stoletie vozniklo protivorechie mezhdu pozitivistami i storonnikami teoreticheskikh metodov poznaniya. Pozitivisti tverdo stoyat na pozitsii priznaniya tol'ko tekh faktov, kotorie mogut bit' podtverzhdeni eksperimental'no. Teoretiki utverzhdayut, chto na kazhdom etape poznaniya prirodi suschestvuyut znaniya, kotorie s pomosch'yu eksperimentov podtverdit' nevozmozhno.

Yarkim primerom takoj bor'bi yavilsya protsess priznaniya suschestvovaniya atomov. Pozitivisti ne priznavali atomarnuyu strukturu veschestva do tekh por, poka nalichie atomov ne bilo dokazano eksperimental'no. Tol'ko posle etogo oni vinuzhdeni priznat' svoe porazhenie. V nastoyaschee vremya situatsiya v kvantovoj mekhanike slozhilas' esche bolee slozhnaya. Slozhnost' problemi dlya vsekh elementarnikh chastits naibolee rel'efno nablyudaetsya na primere elektrona. Pri vozdejstvie na elektron izmeritel'noj apparaturi, on sovershenno menyaet svoyu konfiguratsiyu, prakticheski lokalizuyas' v material'nuyu tochku.

Imenno poetomu kvantovaya mekhanika rassmatrivaet v nastoyaschee vremya elementarnie chastitsi kak sovershenno neob'yasnimij ob'ekt -- material'nuyu tochku, obladayuschuyu korpuskulyarno-volnovim dualizmom. Ponyatno, chto takoj podkhod obuslovlen pozitsiej pozitivizma, s kotoroj i podkhodyat k problemam kvantovoj mekhaniki spetsialisti. U menya net nikakogo somneniya, chto dlya ponimaniya fizicheskoj prirodi mikromira neobkhodimo perejti k ponimaniyu elementarnoj chastitsi kak slozhnoj sistemi, imeyuschij volnovuyu prirodu.

Tol'ko takoj podkhod pozvolyaet priblizit' nas k ponimaniyu fizicheskoj prirodi mikromira i ob'yasnit' mnogie, ne reshennie do sikh por kvantovoj mekhanikoj problemi. Podrobnij razgovor ob etom pojdet v dal'nejshim. No vnachale ostanovimsya na probleme zakonomernosti i poleznosti periodicheskikh krizisov v nauke.

Opechatki