Гений природы

Существует легенда, что Ньютон изготовил сложный часовой механизм, моделирующий Солнечную систему. Когда кто‑то заметил, что для этого надо обладать недюжинным умом, Ньютон будто бы ответил, что Господу богу пришлось быть гораздо более мудрым, чтобы сконструировать реальную вещь. Разве может кого‑либо оставить равнодушным изобретательность самой природы? Природа поразительно искусна в своих деяниях. Классическим примером ее изобретательности служит вся история Суперсилы. Обратимся к роли калибровочных симметрий и возникновению взаимодействий из требования поддержания симметрий в природе при произвольных калибровочных преобразованиях. Будь мать‑природа менее изобретательной, эти силы пришлось бы вводить искусственно.

Рассмотрим с этой точки зрения объединение взаимодействий. Все взаимодействия, необходимые для создания сложного и разнообразного окружающего нас мира, можно получить из одной Суперсилы – это ли не яркое проявление изобретательности и изящества природы! Ведь природа могла избрать куда более грубый способ даровать нам четыре самостоятельных взаимодействия. Как будто бы всего этого недостаточно! Вся структура калибровочных полей представляет собой именно то, что с математической точки зрения необходимо для описания мира на основе чистой геометрии с одиннадцатью измерениями, что само по себе является уникальной структурой с неожиданными и весьма специфическими математическими свойствами. Все это производит впечатление чуда!

Столь же удивительно не только все созданное природой, но и то, что «упущено» ею. Четырех взаимодействий достаточно для построения мира средней сложности. Например, без гравитации не только не было бы галактик, звезд и планет, но и Вселенная не могла бы возникнуть – ведь сами понятия расширяющейся Вселенной и Большого взрыва, от которого берет начало пространство‑время, основаны на гравитации.

Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни химии или биологии, а также солнечного тепла и света. Без сильных ядерных взаимодействий не существовали бы ядра, а, следовательно, атомы и молекулы, химия и биология, а звезды и Солнце не могли бы генерировать за счет ядерной энергии теплоту и свет. Даже слабые ядерные взаимодействия играют определенную роль в образовании Вселенной. Без них невозможны были бы ядерные реакции в Солнце и звездах, по‑видимому, не происходили бы вспышки сверхновых и необходимые для жизни тяжелые элементы не могли бы распространиться во Вселенной. Жизнь вполне могла бы и не возникнуть. Если вспомнить, что все эти четыре совершенно различных взаимодействия, каждое из которых по‑своему необходимо для возникновения сложных структур, делающих Вселенную столь активной и интересной, порождаются единственной простой суперсилой, то изобретательность природы поистине поражает воображение.

Не менее значительно и то, что, хотя все четыре взаимодействия необходимы для возникновение сложного и интересного мира, природа почему‑то не решилась действовать наверняка, подкинув «для ровного счета» еще несколько сил. Такая поразительная экономия – ровно столько, сколько надо и ни на йоту больше – дала повод британскому специалисту в области математической физики Юану Сквайрсу поставить вопрос: «Живем ли мы в самом простом из возможных интересных миров?» Сквайре пришел к выводу, что Вселенную, в которой имеется в том или ином виде химия (а следовательно, и жизнь), нельзя построить на основе взаимодействий и полей с более простыми свойствами, нежели у тех, которые известны нам.

Физика полна примеров подобных тонких и остроумных совпадений, описаниями которых можно заполнить не один том. На мой взгляд, достаточно лишь одного последнего примера, чтобы окончательно убедить читателя в редкостных способностях природы. Этот пример служит также одновременно иллюстрацией цельности, порядка и гармонии.

Для представления об упорядоченном мире существенна степень его постоянства. Если бы весь мир произвольно изменялся от случая к случаю, в нем царил бы хаос. Мы хотим быть уверены, что наш автомобиль останется на том месте, где его припарковали, мебель не сдвинется со своих мест, Земля не улетит в межзвездное пространство и т.д. Свойство вещества «оставаться на месте» неотделимо от нашего жизненного опыта, и мы редко сомневаемся в нем. Мир стал бы ужасающим, если бы тела сами по себе срывались со своих мест без всякой видимой причины.

Рис. 32. Как частица «узнает» какой именно путь из точки Л в точку В будет прямолинейным? Квантовая теория отвечает на этот вопрос. Частица «обследует» одновременно все возможные пути между точками А и В, Вследствие волновой природы квантовых частиц во всем пространстве – кроме области вблизи прямолинейной траектории (обозначенной пунктиром) – волны гасят друг друга в результате интерференции. Следовательно, в соответствии с вероятностной интерпретацией наиболее вероятными будут пути, проходящие вблизи прямолинейной траектории. Сколько‑нибудь заметное отклонение от прямолинейной (классической) траектории можно заметить лишь в атомных масштабах.

Это рассуждение можно несколько обобщить, поскольку тело может покоиться только в одной системе отсчета. В более общем случае, в отсутствие приложенной силы тело будет двигаться прямолинейно без ускорения. Этот элементарный факт воплощен в законах движения Ньютона. По словам самого Ньютона, «описание прямых линий... на которых основана геометрия, принадлежит механике». Здесь мы хотели бы поставить вопрос: каким образом реализуется это чудо, столь важное для упорядочения мира? Откуда телу известно, по какой траектории ему следует двигаться? Каким образом возникает эта прямая линия?

Верим мы в это или нет, но причина обусловлена квантовыми эффектами, в частности волновой природой микрочастиц. Мы уже касались этого вопроса в гл.4. В оптике давно было известно, что свет распространяется прямолинейно. В действительности существует тесное соответствие между движением материального тела и распространением света даже в гораздо более сложных условиях – при наличии сил и искривлении траекторий. По существу эти движения подчиняются так называемому «принципу лености», утверждающему, что материальные тела и световые лучи следуют вдоль путей, которым соответствует минимальная активность. (Уровню активности можно дать достаточно строгое математическое определение, однако здесь нет необходимости заниматься этим). В определенном смысле световой луч и материальное тело следуют наиболее легким из всех возможных путей. Напомним, что кратчайшему расстоянию между двумя точками соответствует отрезок прямой. Однако свет представляет собой волну, тогда как материальное тело – это отдельная частица или совокупность частиц.

Подобная общность принципов, лежащая в основе движения волн и частиц, наводит на мысль о том, что движению в природе присуща глубокая гармония. Однако способ, которым в природе реализуется прямолинейное движение материального тела, изумительно прост. У микрочастицы вообще нет, строго говоря, траектории, тем более прямолинейной. Напротив, движение микрочастицы хаотично и расплывчато. Каким образом можно прийти к упорядоченному прямолинейному движению макроскопического тела, если движение составляющих его атомов имеет случайный квантовый характер? Похоже, что в этом случае природа стремится обратить порок в добродетель. Как объяснялось в гл.2, квантовая частица попадает из точки А в точку В, как бы пробуя одновременно все возможные пути; здесь уместно напомнить, как в опыте Юнга по интерференции отдельный фотон каким‑то образом проходит сразу через две щели. В более общем случае можно считать, что частица, например электрон, пробует все возможные пути, соединяющие точку отправления А с точкой прибытия В (рис.32). В соответствии с «принципом равноправия» каждому из путей соответствует один и тот же вклад в полную волну, представляющую электрон и характеризующую вероятность прибытия электрона в определенный пункт назначения.

Именно на этой стадии проявляется столь важная волновая природа электрона. Как уже отмечалось в гл.2, при наложении волн происходит интерференция. Если волны приходят в фазе, они усиливают друг друга, если в противофазе – гасят. При случайном наложении сразу очень большого числа волн происходит их общее гашение. Именно это осуществляется на всех криволинейных путях электрона. Волны, соответствующие таким траекториям, гасят друг друга в результате интерференции. Единственные траектории, на которых этого не происходит, – те, по которым волны приходят в фазе и, следовательно, не гасят, а усиливают друг друга. Строго говоря, усиление происходит только вдоль прямолинейной траектории и в ограниченной степени на близких траекториях. Поэтому наиболее вероятно, что частица следует по кратчайшему из возможных путей. Вероятность неопределенного блуждания частицы вместо движения по прямолинейному узкому пути зависит от массы частицы. Движение электрона оказывается крайне неустойчивым и плохо определенным, однако более тяжелые частицы движутся более устойчиво. В пределе больших тел – например, в случае бильярдного шара – отклонение от прямолинейной траектории будет бесконечно малым. Таким образом, мы вновь приходим к точно определенной прямолинейной траектории в классической механике. Итак, упорядоченное поведение макроскопических тел обязано своим происхождением квантовой физике, которая в конечном счете лежит в основе всех объектов.

Date: 2015-08-24; view: 364; Нарушение авторских прав