Свет - в конце тоннеля.

Сорри, но тоннель большого адронного коллайдера - круговой.

            Предмет этой статьи знаком каждому из нас с малых лет. Его любой узнает даже с закрытыми глазами, он окружает нас со всех сторон, пронизывает все насквозь, и нет ни одной вещи, которая его не содержала бы, — вернее сказать, не содержалась бы им в целости и порядке. По данным современной науки, он возник первым в нашей вселенной, и все что мы знаем, мы знаем благодаря ему, — а между тем он сам до сих пор остается загадкой. Да, речь пойдет об излучении, или, в просторечии, — о свете.

            Если быть точнее, не одной загадкой, а множеством, — из которых, даже не знаешь, с какой начать рассказ. Поэтому для простоты начнем наобум с первого, что пришло в голову, — с глубокой двойственности природы света.

            Во-первых, с одной стороны, свет есть излучение, или энергия в чистом виде. Частицы света, фотоны, не обладают массой, а потому и двигаются с наибольшей из возможных скоростей, — со скоростью таки света. С другой стороны, согласно общей теории относительности Эйнштейна, световой луч отклоняется от прямой линии гравитационным полем массивных объектов. И это не просто гипотеза, такое отклонение наблюдалось в реальном мире: во время солнечных затмений световые лучи, идущие от звезд, расположенных на небосводе близко к солнечному диску, искривляются в соответствии с предсказаниями теории. Вот такое двойственное отношение к массе.

            Во-вторых, свет одновременно является и волной, и частицей. Великие ученые нового времени с десятилетиями с немалым напряжением спорили о том, состоит ли свет из волн или корпускул.  Но никому из них и в страшном сне не могло бы привидеться, что в конце концов его признают и тем и другим одновременно.

            Действительно, частица – это просто кусочек вещества, совсем как привычные нам предметы, только очень маленький. Она находится в одном определенном месте и движется в одном определенном направлении. При встрече с препятствием она сталкивается с ним в одном определенном месте.

            Волна – это целый процесс распространения колебаний, или периодически повторяющихся изменений в свойствах вещества. Уже из этого очевидно, что нельзя указать одного конкретного места, в котором бы она находилась в данный момент. Чтобы описать ее расположение, нужно указать распределение ее характеристик в пространстве. То же самое относится к скорости волны, — лишь теоретически в редких случаях (не встречающихся в реальном мире) можно указать для всей волны некую скорость, везде одинаковую по величине и направлению. При встрече с препятствием волна налетает на него целым фронтом, на всем доступном ей протяжении. При этом она легко может его обогнуть и оказаться с другой стороны. Самые простые примеры здесь – волны на поверхности воды и звук.

            Теперь представим себе, что океанская волна, набегая на берег, ударяет материк в одной конкретной точке, напротив одного конкретного загорающего человека. Или, что звук, расходясь во все стороны от сирены, полностью поглощается в левом ухе одного человека из толпы. Примерно так обстоит дело, когда световая волна ведет себя, как частица. С другой стороны, и частицы света могут вести себя, как волна. Чтобы проиллюстрировать, насколько это странно, можно предложить следующие аналогии.  Представим себе, что пуля, выпущенная в сторону многоэтажного здания, влетает сквозь все открытые окна одновременно, просачивается сквозь все открытые двери комнат, двигаясь дальше, равномерно распределяется по всем коридорам и, наконец, вылетает через все открытые форточки с другой стороны здания. И все это — чтобы покрыть замысловатыми узорами из тонкого слоя свинца огромный рекламный щит, стоящий сзади. Или, что снаряд, попадая в танк, огибает его со всех сторон, чтобы ударить в человека, стоящего прямо за ним.

            Такова двойственность света в отношении пространства-времени, удостоенная в физике специального термина – корпускулярно-волновой дуализм.

            В-третьих, свет с точки зрения науки двойственен и в наиболее глубоком смысле. Действительно, излучение есть одна из важнейших частей материального мира. Как переносчик электромагнитного взаимодействия, частицы света — фотоны отвечают за невообразимое количество связей, объединяющих протоны и электроны, атомы и молекулы между собой. Таким образом, свет реально содержит весь наш мир в том порядке, к которому мы привыкли.

            Вообще говоря, все, что ученые узнают о мире, они узнают благодаря излучению. Особенно это справедливо в отношении микромира, ведь неизлучающие частицы вообще принципиально ненаблюдаемы. К примеру, строение атомов разных элементов определяется по их спектрам, — по частотам излучения, испускаемого ими. И это единственный способ проверить насколько какая-нибудь теория строения атома соответствует действительности: посмотреть, насколько хорошо она предсказывает спектры. Кто-нибудь возразит, что есть еще детекторы, показывающие треки, то есть пути элементарных частиц, по которым можно определить их массу и заряд. Но и все такие детекторы работают на свете, который излучается в результате столкновений движущейся частицы с частицами рабочего вещества самого детектора.

            Таким образом, с одной стороны, свет, пожалуй, – самая материальная материя в этом материальном мире. Материя, единственно наблюдаемая и доступная органам наших чувств и техническим средствам измерений, самая физическая часть физической реальности. С другой стороны, как нетрудно заметить из предыдущего абзаца, свет – главный носитель информации во вселенной. Само слово «свет» стало синонимом знания, информации, как таковой. Филологи могли бы пролить больше света на эту проблему, ну, а в физике свет признан универсальным переносчиком сигналов, так что даже причинно-следственные связи в нашем мире все оказались «завязанными» на свет: два события не могут быть причиной и следствием, если между ними не успеет пройти луч света.

            Таким образом, и физический и логический уровни (говоря на компьютерном жаргоне — и хард, и софт) нашего мира имеют свет в качестве своей материальной основы.

            Немудрено, поэтому, что слегка поколебавшись в начале, физики с восторгом приняли идею Эйнштейна о скорости света, как универсальной константе, наибольшей скорости распространения сигналов во вселенной. И это несмотря на то, что ради абсолютности этой константы пришлось сделать относительным почти всё остальное в этом мире (ну, например, длины и массы предметов, одновременность событий, да и вообще пространство там, время). Эта идея стала настолько естественной в современной физике, что право, не хочется верить ни в какие нейтринные басни о том, что скорость света можно превзойти хоть на чуть-чуть.

            Одной из причин, почему идеи Эйнштейна были восприняты с таким энтузиазмом, является возможность заглянуть в отдаленное будущее. Разгоняясь до скорости, близкой к скорости света, можно добиться замедления течения времени, и прожив несколько лет на звездолете, вернуться на Землю, где к тому моменту пройдут века. Это следствие специальной теории относительности вдохновляло не одно поколение фантастов.

            Менее экзотичным следствием свойств света, а именно, ограниченности скорости его распространения, является возможность заглянуть в прошлое. Чем дальше источник света, тем больше времени требуется излучению, чтобы дойти до наблюдателя. Скажем, от Солнца до Земли свет идет около 8 минут, а от ближайшей к Солнцу звезды, альфы Центавра, — около четырех лет. В результате, глядя на небо, мы видим то, что происходило многие годы назад.

              Два этих феномена помогут нам понять, какие изменения в современной физике могут последовать, если нейтрино все-таки может двигаться со сверхсветовой скоростью (в чем, после написания вышеизложенной рекламы света, автор уже сильно сомневается). Ведь именно ограниченность скорости света, тот факт, что она принимает конкретное небесконечное значение, и приводит к разделению физики на релятивистскую (учитывающую следствия специальной теории относительности) и нерелятивистскую, доэйнштейновскую. Действительно, будь скорость света бесконечной, — специальной теории относительности просто не понадобилось бы. К бесконечности сколько ни прибавляй, сколько от нее не убавляй, — она останется той же бесконечностью. В результате, и в механике Ньютона-Галилея скорость света оставалась бы одинаковой относительно любых предметов, независимо от системы отсчета. И все электромагнитные процессы совершались бы во всех этих системах отсчета одинаково.

            При этом не пришлось бы, как в теории Эйнштейна, вводить специальное правило сложения скоростей, запрещающее превышение скорости света, — просто потому, что превысить бесконечность и так математически невозможно. Если заменить в формулах специальной теории относительности скорость света на бесконечность, все эти формулы примут форму обычной ньютоновской механики. Поэтому, когда все скорости в задаче значительно меньше скорости света, и возможен такой предельный переход (скорость света принять за бесконечную в сравнении с остальными скоростями), — ученые с легким сердцем пользуются обычной механикой, без релятивистских дополнений.

            В итоге, из эйнштейновской научной революции был выведен один из основополагающих принципов для любых последующих переворотов в науке: новая теория должна включать в себя старую, как частный случай. И желательно, конечно, чтобы к ней можно было перейти в результате какого-нибудь простого предельного перехода, как в случае специальной теории относительности. Можно принять скорость света за бесконечную – пользуемся ньютоновской механикой, нельзя – эйнштейновской.

            Руководствуясь этим правилом, можно попробовать представить себе, какой должна быть новая механика, если световой барьер окажется преодолен. Она не должна совсем отменять эйнштейновской, а включать ее в себя, как частный случай, при выполнении определенного условия. Но при других условиях эйнштейновская теория должна терять свою силу, уступая место новой, скажем так, «пост-релятивистской».

            Каким именно будет это условие, конечно, сейчас нельзя предугадать. Но высказать некоторые догадки просто необходимо (иначе, какой смысл было писать здесь последние шесть статей по поводу «сверхсветовых» нейтрино?). Это должно быть что-то связанное с до сих пор неразрешенной загадкой массы. Да-да, мы до сих пор не знаем, что это такое.

            Почему одни частицы обладают массой, а другие нет? В стандартной модели физики элементарных частиц было предложено объяснение на основе так называемого поля Хиггса. Но вот уже два года на 6-гигадолларовом большом адронном коллайдере пытаются найти следы связанной с этим полем частицы – бозона Хиггса, и результаты пока не слишком радуют .

            Почему инертная масса, стоящая во втором законе Ньютона, оказывается одинаковой с гравитационной массой, стоящей в законе всемирного тяготения того же Ньютона? Сам Ньютон не стал отвечать на этот вопрос, вообще предоставив читателям своих сочинений решать, каким образом гравитационное взаимодействие передается от одного тела к другому.

            Эйнштейн попытался ответить на этот вопрос в общей теории относительности. Но гравитация так до сих пор и стоит особняком среди остальных трех видов взаимодействий. Электромагнитное, сильное и слабое, — все они удовлетворительно описываются в рамках квантовых представлений, но квантовой теории гравитации все никак не удается создать. А ведь инертность, или способность массивных тел сопротивляться попыткам их разогнать или затормозить, — это одна из основных характеристик движения. Именно потенциально бесконечный рост инертной массы при разгоне до околосветовых скоростей является основным препятствием для достижения скорости света. Объяснив природу массы, ученые сумели бы понять,   и как этот запрет можно обойти, если это вообще возможно.

            С массой связан и еще один из «больших вопросов» современной физики: масса вселенной оказалась заметно больше, чем масса наблюдаемой в ней материи. Озадаченным ученым, чтобы объяснить этот дефицит, пришлось ввести некую «темную материю», которой никто никогда не видел. И здесь мы можем замкнуть круг неразрешенных загадок, и вернуться к тому с чего начали. Нейтрино – один из кандидатов на роль этой самой темной материи. У нейтрино тоже пока проблемы с массой – мы не знаем, есть ли она у этих частиц.

            Вообще, проблема массы, рассмотренная под этим углом, достойна отдельной статьи. А пока отметим, что нейтрино (и нейтринные эксперименты ) сейчас, пожалуй, — ключевая фигура в создании новой науки, идущей на смену физике ХХ века. Если конечно, они действительно могут лететь быстрее скорости света…

            Итак, попробуем ответить на вопрос из названия статьи: есть ли свет в конце тоннеля у современной физики? Трудно сказать, ведь, к сожалению, тоннель большого адронного коллайдера — круговой.

GD Star Rating
loading...
Механика в ХХI веке: есть ли свет в конце тоннеля?, 10.0 out of 10 based on 2 ratings

Добавить комментарий