Как поля становятся частицами

Наше изучение идей физики и психологии позволяет мне объяснять, как из энергии можно было бы создавать материальные частицы. Вы, вероятно, помните уравнение атомной энергии E = mc2. На основании наших знаний о том, как энергия может создавать материю, нашим следующим шагом будет изучение смысла физических полей, например, тех, что создаются электричеством.

Ранее мы уже рассматривали электрические поля. Мы видели, как они связаны с магнетизмом, но по-настоящему не исследовали, что такое поле. Одна из причин состоит в том, что никому не известна точная природа электрического поля. По мере развития физики развиваются и такие понятия как поля. Вы знаете, что электрические поля могут создаваться электрическими зарядами, которые переносят такие частицы, как электроны или позитроны. Электрическими зарядами обладают атомы; этим отчасти объясняется то, как они притягиваются друг к другу, образуя молекулы. Электрические поля, окружающие атомы, притягивают частицы и другие атомы. Именно полями вокруг атомов объясняется большая часть молекулярной химии: это старая история взаимного притяжения и отталкивания.

Поля очень интересны, но очень абстрактны. Как в точности они действуют? Как одни вещи притягивают или отталкивают другие на расстоянии? Что это, магия? Непонятны даже поля пространства-времени. Каким образом кривизна пространства-времени создает поля тяготения? Многие физики не обладали такой даосской или полевой ориентацией как Эйнштейн и хотели больше знать о механике полей. На самом деле, многих квантовых физиков, которые были современниками Эйнштейна (равно как и более современны) никогда полностью не удовлетворяла идея, что кривизна пространства-времени эквивалентна тяготению. Теоретически, материю и тяготение можно заменять искривленным пространством-временем, но что это означает? Сколь бы полезным и важным ни было понятие пространства-времени для объяснения природы материи, поле пространства-времени кажется слишком мистическим и слишком математическим некоторым физикам, которые хотели бы больше знать о том, как поля могут проявлять физические свойства.

Многие ученые полагали, что идея воображаемых частиц была бы ближе к повседневной реальности. Даже если такие воображаемые частицы было невозможно увидеть, многим людям частицы казались более естественными, чем поля. Так начиналась невероятная история «виртуальных частиц» – области физики, где соединяются квантовая механика и теория относительности.

Кое-какую информацию о виртуальных частицах лучше всего понимать как рассказ. Если вы будете относиться к тому, что говорится далее, как к рассказу, то, быть может, сумеете следить за его содержанием и принимать его. В ином случае, ваш рациональный ум будет возражать. Я обещаю дать для этой истории более рациональные основания, но здесь я лишь постараюсь, чтобы она выглядела разумной2.

С 1700-х гг. люди привыкли думать, что вокруг материи имеются различные физические поля – электрические поля, магнитные поля, и поля тяготения. Материальные поля можно было описывать математически. Но никто точно не знал, что на самом деле представляют собой эти поля, или как они действуют с точки зрения механических аналогий. Как им удается порождать силы, действующие на объекты? Как может магнит на расстоянии влиять на железные опилки? Это что, магия?

Эйнштейн утверждал, что пространства Вселенной, измерения пространства-времени, подобны субстанции, поскольку кривизна пространства-времени эквивалентна идее тяготения. Он связывал понятия материи и поля. Это заставляло физиков подозревать, что даже такие более осязаемые вещи, как частицы, тоже могут быть выражениями полей.

Мы знаем, что вокруг электрона или протона или любой заряженной частицы имеется электрическое поле. Это поле излучается вовне и даже на расстоянии воздействует на другие частицы. Физики могут определять силу поля, измеряя, какую силу необходимо приложить, чтобы столкнуть два электрона. Когда два электрона подходят очень близко друг к другу, они взаимно отталкиваются вследствие имеющегося между ними электрического поля. Но что там происходит на самом деле? Вот как люди отвечали на этот вопрос.

Физики, противившиеся идее, что за это отталкивание ответственно электрическое поле, говорили: давайте объяснять это поле в терминах механических частиц – крохотных кусочков материи. Этим физикам не нравилась идея поля, создающего отталкивание, магическим образом действуя на расстоянии. Они считали, что вещи отталкивают другие вещи только в результате столкновения.

Нельзя сказать, чтобы связь между полями и частицами была для нас непривычной. Вы, вероятно помните о связи между полями и числами, которую мы обсуждали ранее. Во-первых, мы допускали, что существует нечто вроде недифференцированного поля, которое мы называли «процессом». Мы называли процесс, который невозможно описать, «несказанным Дао». Поскольку несказанное Дао – это идея поля, которое трудно вообразить, оно имеет тенденцию развертываться в терминах вещей, о которых мы можем думать, и которые мы можем соотносить друг с другом. Для описания этого Дао или процесса появились числа. Дао развертывалось в терминах 1, 2 и 3. Числа – это части или частицы, количества, описывающие поле. Однако с числами было связано много неопределенности, поскольку их использование имеет тенденцию маргинализировать опыт НОР. Числа, как и частицы, носят определяющий характер и создают общепринятую реальность, которую люди могут разделять друг с другом.

Сегодняшние физики находятся в сходном затруднении. Чтобы описывать поля, они решили придерживаться общепринятого понятия частиц, даже хотя неопределенности измерения в квантовой теории уже делали это понятие неопределенным или даже несостоятельным. Тем не менее, несмотря на неопределенность понятия частицы, физики решили использовать одно неизвестное – частицу – для описания другого неизвестного – силового поля.

Мои учителя подходили к попытке объяснять поля в терминах частиц, начиная с вопроса: «Что означает само объяснение? Как мы можем объяснять неизвестное поле еще одни неизвестным – невидимой частицей? Что означает термин ''объяснять''?»

Существует много разных мнений относительно того, что значит объяснять что-либо. Согласно одному из них: «Объяснять – значит давать описание полей в терминах опыта». Согласно другому: «Объяснять – значит относиться к спрашивающему в терминах его первичного процесса, его общепринятой реальности, его личной идентичности». Согласно третьему: «Объяснять означает использовать понятие, согласующееся с остальным опытом человека». Многие из моих студентов соглашаются с этим третьим мнением, говоря, что личный опыт и идентичность большинства людей основываются на том, что у вещей должны быть причины.

Как мы можем видеть, то, что объясняет что-либо одному человеку, может не объяснять это другому человеку. До сих пор физике удавалось обходиться использованием, главным образом, таких понятий общепринятой реальности, как частица, энергия, работа, время, пространство, материя и число, которые имеют определенное значение для большинства людей. Детальное изучение этих терминов показывает, что они не слишком точны, что все они взаимосвязаны и являются в большей степени процессуально-ориентированными, нежели постоянными и разделимыми. Тем не менее, чтобы вещи оставались понятным, физика продолжала использовать этот язык.

Очевидно, что общепринятым считается объяснение, описывающее события в терминах общепринятой реальности. Например, если все люди соглашаются говорить о переживаниях в терминах химии мозга и сновидений, мне нужно говорить на этом языке, чтобы понимать их и объяснять им нечто новое. Я не знаю, что такое химия мозга или сновидения, но это не так важно, как тот факт, что для некоторых людей эти переживания имеют смысл.

Коллективно принимаемые объяснения имеют дело с терминами и понятиями общепринятой реальности. В настоящее время использование инопланетных существ для объяснения того, что происходит у нас в умах не было бы принятым объяснением для ученых, в то время как химия мозга вполне подходит на эту роль.

То же самое справедливо для физики. Сейчас, в начале нового столетия причинность и частицы по-прежнему остаются более принятыми терминами, чем поля и действие на расстоянии. Таким образом, даже хотя частицы не существуют, они «объясняют» людям различные вещи. Понятие частицы позволяет нам соотноситься с событием и даже разрабатывать полезные теории, которые могут быть проверены и позднее использованы для развития технологии. Возможно, в другом столетии более общепринятую роль, чем частицы, будут играть духи. Тогда мы будем говорить о духах или о чем угодно еще, что будет приемлемым в общепринятой реальности.

Сегодня предпочитаемые объяснения содержат причинные элементы. Например, одна воображаемая частица сталкивается с другой видимой частицей, заставляя ее двигаться. В физике объяснения не только должны формулироваться в коллективно приемлемых терминах; на них также налагают ограничения экспериментальные результаты. Единственно приемлемые объяснения – это те, что содержат части, допускающие проверку.

В случае «виртуальных» частиц, их сами невозможно измерит, однако можно измерять другие вещи, связанные с понятием виртуальной частицы. Чтобы понятие виртуальной частицы было приемлемым в физике, оно должно соответствовать известным законам и принципам, например, теории относительности и квантовой механике, то есть закону Эйнштейна «Е = mc 2» и принципу неопределенности Гейзенберга. Короче говоря, приемлемое объяснение в физике использует термины ОР, содержит элементы, поддающиеся проверке, и согласуется с другими известными законами физики.