Страница:
Пойдя дальше, Максвелл предсказал также существование электромагнитных волн другой длины, и через несколько лет его предсказание подтвердилось: Генрих Герц открыл в лабораторных условиях радиоволны. Сегодня мы знаем, что гамма-, рентгеновское, инфракрасное, ультрафиолетовое и СВЧ-излучения также представляют собой электромагнитные волны. Небольшая добавка, внесенная Максвеллом в уравнения (носящие ныне его имя) из соображений симметрии, принесла большие результаты.
Открытие электромагнитных волн имело далеко идущие последствия, приведя к появлению радиотехники и в конечном счете к современной революции в электронике. Это великолепный пример, наглядно демонстрирующий не только гигантские возможности математики в описании мира и расширении нашего знания о нем, но и роль симметрии и красоты как путеводного принципа. Но оценить полностью все следствия, вытекающие из симметрии уравнений Максвелла, удалось лишь через пятьдесят лет.
На рубеже XX в. Анри Пуанкаре и Хендрик Лоренц исследовали математическую структуру уравнений Максвелла. Их особенно интересовали симметрии, скрытые в математических выражениях, — симметрии, которые тогда еще не были известны. Оказалось, что знаменитый “дополнительный член”, введенный Максвеллом в уравнения для восстановления равноправии электрического и магнитного полей, соответствует электромагнитному полю, обладающему богатой, но тонкой симметрией, которая выявляется лишь при тщательном математическом анализе. По-видимому, только Эйнштейн с его сверхъестественной интуицией мог предвидеть из физических соображений существование подобной симметрии.
Симметрия Лоренца—Пуанкаре аналогична по своему духу таким геометрическим симметриям как вращения и отражения, но отличается от них в одном важном отношении: никому до этого не приходило в голову физически смешивать пространство и время. Всегда считалось, что пространство — это пространство, а время — это время. То, что в симметрию Лоренца—Пуанкаре входят оба компонента этой пары, было странно и неожиданно.
По существу новую симметрию можно рассматривать наподобие вращения, но не только в одном пространстве. Это вращение затрагивает и время. Если к трем пространственным измерениям добавить одно временное, то получится четырехмерное пространство-время.Симметрия Лоренца—Пуанкаре — это своего рода вращение в пространстве-времени. В результате такого вращения часть пространственного интервала проектируется на время и наоборот. То, что уравнения Максвелла симметричны относительно операции, связывающей воедино пространство и время, наводит на размышления.
Понадобился гений Эйнштейна, чтобы полностью осознать все следствия такой симметрии. Пространство и время не существуют независимо друг от друга, они неразрывно связаны. Хитроумные “вращения” Лоренца и Пуанкаре — не просто абстрактная математика, они могут происходитьв реальном мире, осуществляясь через движение.Ключ к причудливым пространственно-временным “проекциям”, или преобразованиям, лежит в скорости света и других электромагнитных волн, и величина этой скорости также следует непосредственно из уравнений Максвелла. Таким образом, существует глубокая взаимосвязь между распространением электромагнитных волн и структурой пространства и времени. Когда наблюдатель движется со скоростью, близкой к скорости света, пространство и время сильно изменяются, причем симметрично, и это отражено в математических соотношениях, полученных Лоренцем и Пуанкаре. Именно такой необычный эффект, столь противоречащий здравому смыслу, был описан в гл.2. Постижение столь тонкой и ранее не известной симметрии природы послужило толчком к созданию теории относительности Эйнштейна, а та в свою очередь ознаменовала рождение новой физики, потрясшей научный мир и изменившей лицо двадцатого столетия.
Все симметрии, о которых говорилось до сих пор, являются симметриями пространства или пространства-времени. Но понятие симметрии можно расширить, включив в него более абстрактные понятия. Как уже отмечалось, между симметрией и законами сохранения существует тесная связь. Один из наиболее твердо установленных законов сохранения — закон сохранения электрического заряда. Заряд может быть положительным и отрицательным, и закон сохранения заряда утверждает, что сумма положительного и отрицательного зарядов остается неизменной величиной. Если положительный заряд встречается с равным по абсолютной величине отрицательным зарядом, они нейтрализуют друг друга, создавая в сумме нулевой заряд. Аналогично положительный заряд может возникать, если одновременно возникает равный по абсолютной величине отрицательный заряд. Но возникновение или исчезновение результирующего заряда абсолютно исключено.
Но коль скоро электрический заряд сохраняется, естественно возникает вопрос о том, какова природа симметрии, связанной с этим законом сохранения. Тщетно стали бы мы искать геометрическую симметрию, лежащую в основе закона сохранения электрического заряда. Но в природе далеко не все симметрии имеют геометрический характер. Рассмотрим, например, явление инфляции в экономике. Когда реальная стоимость доллара падает, падает и благосостояние лиц с фиксированным доходом. Но если чей-то доход следует индексу цен, то реальная покупательная способность этого лица не будет зависеть от стоимости доллара. Можно сказать, что доход, “привязанный” к уровню цен, симметричен относительно инфляционных процессов.
В физике также существует много симметрий негеометрического характера. Одна из них связана с работой, совершаемой при подъеме тела. Затрачиваемая энергия зависит от разности высот, которую требуется преодолеть при этом (но не зависит от траектории подъема). Однако энергия не зависит от абсолютной высоты: безразлично, измеряются высоты от уровня моря или от уровня суши, — важна только разность высот. Следовательно, существует симметрия относительно выбора начала отсчета высот.
Аналогичная симметрия существует и для электрических полей. Роль высоты в этом случае играет напряжение (электрический потенциал). Если электрический заряд движется в электрическом поле от одной точки к другой, то затрачиваемая энергия зависит только от разностипотенциалов между конечной и начальной точками. Если к системе приложить Дополнительное постоянное напряжение, то энергия, затрачиваемая на перемещение электрического заряда в поле, не изменится. Это еще одна скрытая симметрия уравнений Максвелла для электромагнитного поля!
Все три приведенных выше примера могут служить иллюстрациями того, что физики называют калибровочными симметриями.Все три указанные симметрии включают' в тебя “калибровку”, т.е. изменение масштаба, соответственно — денег, высоты и напряжения. Все три симметрии — абстрактные в том смысле, что они по своему характеру не геометрические. Мы не сможем, взглянув на соответствующие явления, увидеть симметрию. Однако все три скрытые симметрии являются важными характеристиками рассматриваемой системы. Именно калибровочная симметрия напряжений обеспечивает сохранение электрического заряда.
Тесное сходство протона и нейтрона наводит на мысль, что здесь существует симметрия. Действительно, на ядерных процессах никак не отразится, если бы мы каким-то образом смогли заменить все протоны нейтронами и наоборот. Можно пойти и дальше. Представим себе, что у нас есть волшебная ручка с указателем, поворачивая которую, мы можем превращать протоны в нейтроны. Предположим, когда указатель находится в верхнем положении, все рассматриваемые частицы — протоны; если же ручку повернуть на пол-оборота, так чтобы указатель был направлен вниз, все протоны превратятся в нейтроны (рис. 8). Разумеется, это чисто мысленный эксперимент, так как в действительности мы не можем превращать протоны в нейтроны, а нейтроны в протоны. Эта абстрактная модель позволяет нам обнаружить абстрактную симметрию, но она очень полезна, поскольку помогает понять природу сильного взаимодействия.
Рис.8
Волшебная ручка. Ее вращение позволяет постепенно изменять природу ядерных частиц. Когда указатель ручки находится в верхнем положении, частицы на 100 % представляют собой протоны (р). При повороте ручки частицы переходят в смешанное состояние — отчасти протон, отчасти нейтрон. Когда же Указатель направлен вниз, все протоны превращаются в нейтроны (n). Описанный процесс, несмотря на всю его условность, отражает фундаментальную симметрию ядерных сил.
Предположим теперь, что превращение протона в нейтрон происходит не скачком, а плавно по мере поворота волшебной ручки. Когда указатель находится в промежуточном положении, частицы не являются в чистом виде ни протонами, ни нейтронами, а представляют собой своего рода гибрид того и другого. По мере удаления указателя от положения, соответствующего на циферблате 12 ч, сродство с протоном у частиц убывает, а сродство с нейтроном растет. Возможно, не так-то просто представить себе, что такое сродство с протоном и о нейтроном или гибрид протона и нейтрона. Можно предложить другую интерпретацию промежуточного положения указателя: при наблюдении данная частица оказывается то протоном, то нейтроном. Частица утрачивает свою индивидуальность и хаотически переходит из одного состояния (например, “протон”) в другое (“нейтрон”). Когда указатель стоит в положении, близком к “12ч”, частица в основном находится в состоянии “протон”, и вероятность обнаружить при ее наблюдении протон близка к единице. По мере того как указатель приближается к “6ч”, вероятность обнаружить при наблюдении частицы нейтрон все возрастает. Когда указатель направлен строго вниз, вероятность обнаружить протон падает до нуля, и все 100% приходятся на нейтрон.
Если волшебная ручка снабжена двумя указателями, один из которых смотрит вверх, а другой — вниз (рис. 9), то вращая ручку, мы будем одновременно наблюдать превращение протонов в нейтроны, а нейтронов в протоны. Положение ручки, изображенное на рис. 9, а,соответствует нынешнему состоянию Вселенной. При повороте ручки (рис. 9, б) протоны начинают превращаться в нейтроны, а нейтроны — в протоны, и степень сродства с нейтронами у протонов равна степени сродства с протонами нейтронов. Когда же ручка совершит пол-оборота, все протоны превратятся в нейтроны, а нейтроны — в протоны.
Ручка с указателями — это не более чем удобный прием, позволяющий наглядно проиллюстрировать свойство симметрии ядерных сил. Применительно к рассматриваемой модели можно сказать, что в сущности ядерные силы не зависят от положения указателя.Направлен ли он вверх, вниз, вбок или под любым про” межуточным углом, ядерные 'силы останутся неизменными. Это свойство получило довольно громоздкое название — симметрия изотопического спина, или изотопическая симметрия. Слово “изотопический” здесь связано с тем, что ядра, отличающиеся только числом нейтронов, называются изотопами, а свойства симметрии, о которой идет речь, аналогичны свойствам собственного спина, упоминавшегося в гл. 2.
Рис.9 Волшебная ручка с двумя указателями позволяет описать взаимное превращение протонов и нейтронов. Черный указатель действует, как и на рис. 8, а светлый — описывает превращение всех нейтронов в протоны. Случай а соответствует реально наблюдаемому соотношению числа протонов и нейтронов. В случае б протоны частично переходят в нейтроны, а нейтроны — в равной степени в протоны. Когда ручка перейдет в положение в, все исходные протоны превратятся в нейтроны, а все нейтроны—в протоны. Вследствие фундаментальной симметрии ядерные силы не зависят от положения волшебной ручки.
Разве нельзя ограничиться исключительно наблюдаемыми величинами? Ведь в конце концов теорию можно проверить только при конкретном наблюдении, и умозрительные особенности модели никогда не входят явно в предсказания теории, относящиеся к реальным наблюдениям. Так стоит ли вообще прибегать к чистому вымыслу?
Включение умозрительных понятий в физические теории — обычная практика, которую труднее всего объяснить неспециалисту. Разумеется, когда какой-нибудь конкретный “вымысел”, например изотопическая симметрия, приносит теории блестящий успех, физик может ответить: “Я воспользовался этой идеей потому, что она работает!”.
Поразительно, каким же образом физик догадывается, какую именно абстракцию в духе кэрролловской “Алисы в Стране Чудес” следует ввести в теорию? Поскольку речь идет о чисто воображаемых понятиях, скептику может показаться, что годится любой вымысел: “Зачем выбирать то, что действительно встречается во внешнем мире, если можно придумать что угодно?”. Диапазон выбора ничем не ограничен. Но как выбрать “то, что нужно”?
Дойдя в беседе с неспециалистом до этого момента, физик обычно начинает прибегать к таким словам, как красота, математическое изящество и симметрия. Хотя включение умозрительных, абстрактных идей, например калибровочной симметрии, логически не обязательно для построения удачной теории (в принципе все теории можно было бы формулировать, целиком основываясь на наблюдаемых величинах), использование абстрактных понятий позволяет иногда значительно упростить теорию, сделав ее более привлекательной.
Взять хотя бы представление о поле, оказавшееся столь результативным для физики и техники. Оно было введено Фарадеем и Максвеллом как некая абстракция. Мы не можем непосредственно ни увидеть электромагнитное поле, ни прикоснуться к нему. О том, что оно существует, мы знаем только по его действию на электрические заряды. Вместе с тем, так как поле порождается только другими электрическими зарядами, в действительности мы имеем дело с взаимодействием электрических зарядов. Но коль скоро наблюдаемы именно заряды, то зачем вообще вводить поле? Почему бы нам не говорить просто о том, каким образом заряды взаимодействуют между собой через пространство, и не сформулировать все уравнения теории электричества, пользуясь только понятием зарядов?
Ничего невозможного здесь действительно нет. Различие состоит лишь в том, что при этом получится громоздкая и сложная теория. Строго говоря, эти качества, по-видимому, невозможно оценить, но физик немедленно распознает их. Теория поля гораздо изящнее. Ее математический аппарат более естествен, гармоничен, взаимосвязан и более экономичен. И дает больше пищи для размышлений.
Последнее обстоятельство очень важно. Изящная, продуманная в деталях, абстрактная теория часто подсказывает новые пути развития физики, которые просто невозможно было бы увидеть, придерживаясь моделей, основанных исключительно на конкретных наблюдаемых величинах. Например, квантовая теория поля, столь важная для суперсилы и ряда последних достижений в области фундаментальных исследований, не смогла бы возникнуть, не получи понятие поля такого широкого распространения в физике.
Когда абстрактное понятие оказывается столь эффективным, что становится достоянием широких кругов неспециалистов, различие между реальным и умозрительным постепенно исчезает. Понятие, возникшее в воображении физика, становится привычным настолько, что как бы обретает реальность. Именно так произошло с энергией. Понятие энергии первоначально выглядело в физике абстрактной идеей. Популярность она обрела благодаря закону сохранения, согласно которому энергия не возникает из ничего и не уничтожается. Но что такое энергия? Разве можно ее видеть или осязать?
Когда груз поднимается над землей, совершается определенная работа. Мы говорим, что при совершении этой работы затрачивается энергия, но закон сохранения энергии утверждает, что энергия не исчезает бесследно, а только переходит в другую форму. Мы видим, как напрягаются мышцы человека, поднимающего тяжесть. Можно считать, что мы действительно наблюдаем энергию в действии, когда видим искаженные от напряжения черты лица и вздувшиеся бицепсы. Но вот вес поднят и спокойно лежит на платформе. Куда же девалась энергия? Можно ли по-прежнему видеть ее?
Физик скажет, что энергия запасенагрузом, так как он находится теперь на некоторой высоте. В таком ответе скрыто представление о потенциальной энергии. Энергия в этом случае хотя и невидима, но может легко высвобождаться — стоит выбить опору из-под груза, как он тотчас рухнет вниз. Звук от удара груза о землю унесет часть энергии, высвободившейся при падении груза.
Итак, энергия — умозрительное, абстрактное понятие, но настолько вошедшее в наш обыденный лексикон, что мы приписываем ему реальное существование. “У меня не хватит энергии вскопать сад”, — утверждение такого рода не вызовет недоуменных взглядов. Никто не спросит у вас, какого цвета ваша энергия, не посоветует заполнить ею сосуд, чтобы измерить ее объем. Принято считать, что каждый обладает энергией, точно так же, каку каждого есть кожа и кости. Энергия — одно из наиболее устойчивых абстрактных понятий в физике. Оно необычайно упрощает описание широкого круга физических процессов. Закон сохранения энергии охватывает огромное множество экспериментальных фактов, которые, не будь понятия энергии, пришлось бы рассматривать по отдельности. Понятие энергии позволяет нам связать воедино многие идеи и поэтому не может не быть красивым.
В этом же кроется его привлекательность и полезность. Природа красива.Мы не знаем, почему, но опыт учит нас, что красота влечет за собой полезность. Эффективные теории всегда красивы. Но красивы они не потому,что эффективны, а потому, что наделены внутренней симметрией и экономичны с точки зрения математики. Красота в физике — представление, включающее в себя профессиональную интуицию, и объяснить суть его неспециалисту трудно, так как оно наилучшим образом выражается на языке, не знакомом непосвященному, — на языке математики. Но для того, кто владеет этим языком, красота теории столь же очевидна, как красота поэзии.
Сказанное возвращает меня к тому, с чего я начал. Математика — это язык, язык природы. Не зная языка, вы не можете понять красоту поэзии. Всегда найдутся скептики, которые скажут: “Что это за загадочная математическая красота, о которой вы толкуете? Мы не усматриваем ничего красивого в мешанине символов. Вы, физики, просто занимаетесь самообманом”. Тем, кто так думает, я хотел бы ответить, сравнив математику с музыкой. Невозможно объяснить красоту симфонии тому, кто слышал лишь отдельные музыкальные звуки. Но кто станет отрицать, что в симфонии скрыта подлинная красота, хотя и отвлеченная, не поддающаяся строгому определению? Аналогичным образом обстоит дело и с математической красотой. Как объяснить восхищение, которое вызывают у физика уравнения Максвелла, их неотразимую, исполненную глубокого смысла привлекательность тому, чье знакомство с математикой ограничивается знанием натуральных чисел? И, тем не менее, эстетическое достоинство — качество вполне определенное. Физики, обладающие развитым математическим вкусом, как и их собратья-композиторы, создают более совершенные теории, чем обыватели.
Одна из величайших трагедий нашего общества состоит в том, что в силу страха перед премудростью, плохого преподавания или просто без всяких причин поэзия математики и музыка природы скрыты от большинства людей. Великолепные перспективы, которые открывает математика, недоступны для них. Они могут восхищаться ароматом розы или буйством красок заката, но ощутить всю полноту эстетического переживания им, увы, не дано.
5. Четыре взаимодействия
Но какая причина вызывает все эти изменения и движение? Одни объекты, такие, как живые существа, содержат источник движения внутри себя, другим, подобным камням, стрелам, топорам, чтобы прийти в движение, требуется внешнее воздействие. Сначала между движением тела в пространстве и изменениями более общего характера не проводилось четкого различия. Точные понятия скорости и ускорения еще не были сформулированы. Наши далекие предки, безусловно, размышляли о силах, сотворивших мир и вызывающих его изменение, но в их представления это были силы магического свойства, не отделимые от веры в богов и злых духов, правящих миром.
Древнегреческие философы предприняли более систематическое изучение процессов изменения и движения, но так и не смогли до конца разобраться в причинах, порождающих то и другое. Аристотель считал, что ключом к пониманию движения служит понятие сопротивления. Он заметил, что в разреженной среде, например в воздухе, тело движется свободнее и, следовательно, быстрее, чем в плотной среде, скажем в воде; в обоих случаях для преодоления сопротивления среды необходима движущая сила. Аристотель отверг идею атомистов о частицах, свободно движущихся в пустоте, ибо пустота, лишенная субстанции, не могла бы оказывать сопротивление движению. Поэтому частицы в пустоте должны были бы двигаться с бесконечной скоростью, что абсурдно.
Современное (техническое) представление о силе полностью сложилось лишь в XVII в. вслед за признанием законов движения Ньютона. Великим достижением Ньютона стало осознание того, что движение как таковое отнюдь не требует приложения силы. Материальное тело будет двигаться с постоянной скоростью в заданном направлении без какого бы то ни было внешнего воздействия. Только отклонение от равномерного прямолинейного движения требует объяснения, т.е. наличия силы. Ньютон установил, что сила вызывает ускорение и вывел точную математическую формулу, связывающую эти величины.
Теория Ньютона позволила объяснить загадку движения Земли вокруг Солнца. Нет никакой видимой причины, вынуждающей Землю двигаться по орбите. В теории Ньютона такая причина и не требуется. Само движение Земли не требует объяснений, в объяснении нуждается только отклонение от равномерного прямолинейного движения. Траектория Земли в пространстве искривляется относительно направления на Солнце, что легко объяснить солнечным притяжением.
Открытие электромагнитных волн имело далеко идущие последствия, приведя к появлению радиотехники и в конечном счете к современной революции в электронике. Это великолепный пример, наглядно демонстрирующий не только гигантские возможности математики в описании мира и расширении нашего знания о нем, но и роль симметрии и красоты как путеводного принципа. Но оценить полностью все следствия, вытекающие из симметрии уравнений Максвелла, удалось лишь через пятьдесят лет.
На рубеже XX в. Анри Пуанкаре и Хендрик Лоренц исследовали математическую структуру уравнений Максвелла. Их особенно интересовали симметрии, скрытые в математических выражениях, — симметрии, которые тогда еще не были известны. Оказалось, что знаменитый “дополнительный член”, введенный Максвеллом в уравнения для восстановления равноправии электрического и магнитного полей, соответствует электромагнитному полю, обладающему богатой, но тонкой симметрией, которая выявляется лишь при тщательном математическом анализе. По-видимому, только Эйнштейн с его сверхъестественной интуицией мог предвидеть из физических соображений существование подобной симметрии.
Симметрия Лоренца—Пуанкаре аналогична по своему духу таким геометрическим симметриям как вращения и отражения, но отличается от них в одном важном отношении: никому до этого не приходило в голову физически смешивать пространство и время. Всегда считалось, что пространство — это пространство, а время — это время. То, что в симметрию Лоренца—Пуанкаре входят оба компонента этой пары, было странно и неожиданно.
По существу новую симметрию можно рассматривать наподобие вращения, но не только в одном пространстве. Это вращение затрагивает и время. Если к трем пространственным измерениям добавить одно временное, то получится четырехмерное пространство-время.Симметрия Лоренца—Пуанкаре — это своего рода вращение в пространстве-времени. В результате такого вращения часть пространственного интервала проектируется на время и наоборот. То, что уравнения Максвелла симметричны относительно операции, связывающей воедино пространство и время, наводит на размышления.
Понадобился гений Эйнштейна, чтобы полностью осознать все следствия такой симметрии. Пространство и время не существуют независимо друг от друга, они неразрывно связаны. Хитроумные “вращения” Лоренца и Пуанкаре — не просто абстрактная математика, они могут происходитьв реальном мире, осуществляясь через движение.Ключ к причудливым пространственно-временным “проекциям”, или преобразованиям, лежит в скорости света и других электромагнитных волн, и величина этой скорости также следует непосредственно из уравнений Максвелла. Таким образом, существует глубокая взаимосвязь между распространением электромагнитных волн и структурой пространства и времени. Когда наблюдатель движется со скоростью, близкой к скорости света, пространство и время сильно изменяются, причем симметрично, и это отражено в математических соотношениях, полученных Лоренцем и Пуанкаре. Именно такой необычный эффект, столь противоречащий здравому смыслу, был описан в гл.2. Постижение столь тонкой и ранее не известной симметрии природы послужило толчком к созданию теории относительности Эйнштейна, а та в свою очередь ознаменовала рождение новой физики, потрясшей научный мир и изменившей лицо двадцатого столетия.
Более абстрактные симметрии
Урок, преподнесенный работами Лоренца и Пуанкаре, состоит в том, что математическое исследование, в особенности на основе анализа симметрии, может стать источником выдающихся достижений в физике. Даже если заложенные в математическом описании симметрии трудно или невозможно представить себе наглядно физически, они могут указать путь к выявлению новых фундаментальных принципов природы. Поиск новых симметрий стал главным средством, помогающим физику в наши дни продвигаться к пониманию мира. Как мы увидим далее, суперсила — это высшее проявление симметрии в природе.Все симметрии, о которых говорилось до сих пор, являются симметриями пространства или пространства-времени. Но понятие симметрии можно расширить, включив в него более абстрактные понятия. Как уже отмечалось, между симметрией и законами сохранения существует тесная связь. Один из наиболее твердо установленных законов сохранения — закон сохранения электрического заряда. Заряд может быть положительным и отрицательным, и закон сохранения заряда утверждает, что сумма положительного и отрицательного зарядов остается неизменной величиной. Если положительный заряд встречается с равным по абсолютной величине отрицательным зарядом, они нейтрализуют друг друга, создавая в сумме нулевой заряд. Аналогично положительный заряд может возникать, если одновременно возникает равный по абсолютной величине отрицательный заряд. Но возникновение или исчезновение результирующего заряда абсолютно исключено.
Но коль скоро электрический заряд сохраняется, естественно возникает вопрос о том, какова природа симметрии, связанной с этим законом сохранения. Тщетно стали бы мы искать геометрическую симметрию, лежащую в основе закона сохранения электрического заряда. Но в природе далеко не все симметрии имеют геометрический характер. Рассмотрим, например, явление инфляции в экономике. Когда реальная стоимость доллара падает, падает и благосостояние лиц с фиксированным доходом. Но если чей-то доход следует индексу цен, то реальная покупательная способность этого лица не будет зависеть от стоимости доллара. Можно сказать, что доход, “привязанный” к уровню цен, симметричен относительно инфляционных процессов.
В физике также существует много симметрий негеометрического характера. Одна из них связана с работой, совершаемой при подъеме тела. Затрачиваемая энергия зависит от разности высот, которую требуется преодолеть при этом (но не зависит от траектории подъема). Однако энергия не зависит от абсолютной высоты: безразлично, измеряются высоты от уровня моря или от уровня суши, — важна только разность высот. Следовательно, существует симметрия относительно выбора начала отсчета высот.
Аналогичная симметрия существует и для электрических полей. Роль высоты в этом случае играет напряжение (электрический потенциал). Если электрический заряд движется в электрическом поле от одной точки к другой, то затрачиваемая энергия зависит только от разностипотенциалов между конечной и начальной точками. Если к системе приложить Дополнительное постоянное напряжение, то энергия, затрачиваемая на перемещение электрического заряда в поле, не изменится. Это еще одна скрытая симметрия уравнений Максвелла для электромагнитного поля!
Все три приведенных выше примера могут служить иллюстрациями того, что физики называют калибровочными симметриями.Все три указанные симметрии включают' в тебя “калибровку”, т.е. изменение масштаба, соответственно — денег, высоты и напряжения. Все три симметрии — абстрактные в том смысле, что они по своему характеру не геометрические. Мы не сможем, взглянув на соответствующие явления, увидеть симметрию. Однако все три скрытые симметрии являются важными характеристиками рассматриваемой системы. Именно калибровочная симметрия напряжений обеспечивает сохранение электрического заряда.
Нуклоны теряют свою индивидуальность
Последней пример абстрактной симметрии, которому отводится главная роль в последующих главах, демонстрирует сильное ядерное взаимодействие между протонами и нейтронами. Эксперименты показывают, что величина и другие свойства этого взаимодействия не зависят от того, о каких частицах идет речь — протонах или нейтронах. Действительно, протоны и нейтроны удивительно похожи друг на друга. Их массы отличаются всего лишь на 0,1%. У них одинаковые спины и на них одинаково действуют ядерные силы. Единственно, чем они отличаются, — это наличием у протона электрического заряда, но поскольку при ядерных взаимодействиях электрический заряд не имеет значения, он служит лишь меткой протона. Заряд позволяет распознавать протон и отличать его от нейтрона, но никак не сказывается на ядерном взаимодействии, связывающем протоны и нейтроны. Если протон лишить электрического заряда, то он утратит свою индивидуальность.Тесное сходство протона и нейтрона наводит на мысль, что здесь существует симметрия. Действительно, на ядерных процессах никак не отразится, если бы мы каким-то образом смогли заменить все протоны нейтронами и наоборот. Можно пойти и дальше. Представим себе, что у нас есть волшебная ручка с указателем, поворачивая которую, мы можем превращать протоны в нейтроны. Предположим, когда указатель находится в верхнем положении, все рассматриваемые частицы — протоны; если же ручку повернуть на пол-оборота, так чтобы указатель был направлен вниз, все протоны превратятся в нейтроны (рис. 8). Разумеется, это чисто мысленный эксперимент, так как в действительности мы не можем превращать протоны в нейтроны, а нейтроны в протоны. Эта абстрактная модель позволяет нам обнаружить абстрактную симметрию, но она очень полезна, поскольку помогает понять природу сильного взаимодействия.
Предположим теперь, что превращение протона в нейтрон происходит не скачком, а плавно по мере поворота волшебной ручки. Когда указатель находится в промежуточном положении, частицы не являются в чистом виде ни протонами, ни нейтронами, а представляют собой своего рода гибрид того и другого. По мере удаления указателя от положения, соответствующего на циферблате 12 ч, сродство с протоном у частиц убывает, а сродство с нейтроном растет. Возможно, не так-то просто представить себе, что такое сродство с протоном и о нейтроном или гибрид протона и нейтрона. Можно предложить другую интерпретацию промежуточного положения указателя: при наблюдении данная частица оказывается то протоном, то нейтроном. Частица утрачивает свою индивидуальность и хаотически переходит из одного состояния (например, “протон”) в другое (“нейтрон”). Когда указатель стоит в положении, близком к “12ч”, частица в основном находится в состоянии “протон”, и вероятность обнаружить при ее наблюдении протон близка к единице. По мере того как указатель приближается к “6ч”, вероятность обнаружить при наблюдении частицы нейтрон все возрастает. Когда указатель направлен строго вниз, вероятность обнаружить протон падает до нуля, и все 100% приходятся на нейтрон.
Если волшебная ручка снабжена двумя указателями, один из которых смотрит вверх, а другой — вниз (рис. 9), то вращая ручку, мы будем одновременно наблюдать превращение протонов в нейтроны, а нейтронов в протоны. Положение ручки, изображенное на рис. 9, а,соответствует нынешнему состоянию Вселенной. При повороте ручки (рис. 9, б) протоны начинают превращаться в нейтроны, а нейтроны — в протоны, и степень сродства с нейтронами у протонов равна степени сродства с протонами нейтронов. Когда же ручка совершит пол-оборота, все протоны превратятся в нейтроны, а нейтроны — в протоны.
Ручка с указателями — это не более чем удобный прием, позволяющий наглядно проиллюстрировать свойство симметрии ядерных сил. Применительно к рассматриваемой модели можно сказать, что в сущности ядерные силы не зависят от положения указателя.Направлен ли он вверх, вниз, вбок или под любым про” межуточным углом, ядерные 'силы останутся неизменными. Это свойство получило довольно громоздкое название — симметрия изотопического спина, или изотопическая симметрия. Слово “изотопический” здесь связано с тем, что ядра, отличающиеся только числом нейтронов, называются изотопами, а свойства симметрии, о которой идет речь, аналогичны свойствам собственного спина, упоминавшегося в гл. 2.
Рис.9 Волшебная ручка с двумя указателями позволяет описать взаимное превращение протонов и нейтронов. Черный указатель действует, как и на рис. 8, а светлый — описывает превращение всех нейтронов в протоны. Случай а соответствует реально наблюдаемому соотношению числа протонов и нейтронов. В случае б протоны частично переходят в нейтроны, а нейтроны — в равной степени в протоны. Когда ручка перейдет в положение в, все исходные протоны превратятся в нейтроны, а все нейтроны—в протоны. Вследствие фундаментальной симметрии ядерные силы не зависят от положения волшебной ручки.
Физика и фантазия
Понятие изотопического спина — великолепный пример роли абстрактного мышления в физике. Как мы увидим, введение этого понятия имело глубокие последствия. В реальном мире нет “волшебных ручек с указателями”, нет и устройств для измерения сродства с протонами у нейтронов и с нейтронами у протонов. Идея смешения индивидуальности протонов и нейтронов — плод чисто теоретической мысли, своего рода фантазия. Но логически она вполне допустима. Мы можем мысленно представить себе подобное, даже если в реальном мире это исключено. То, что воображаемый процесс может иметь самое непосредственное отношение кфизике реального мира, возможно, покажется удивительным, но таким приемом очень эффективно пользуется современный физик. Свою науку он рассматривает как модель, описывающую реальный мир наблюдений. Эта модель может включать множество Дополнительных особенностей, которые, хотя сами по себе и не отражают реального опыта, играют важную роль в теории. Почему физикам приходится придумывать чисто умозрительные, абстрактные понятия для моделирования реального мира?Разве нельзя ограничиться исключительно наблюдаемыми величинами? Ведь в конце концов теорию можно проверить только при конкретном наблюдении, и умозрительные особенности модели никогда не входят явно в предсказания теории, относящиеся к реальным наблюдениям. Так стоит ли вообще прибегать к чистому вымыслу?
Включение умозрительных понятий в физические теории — обычная практика, которую труднее всего объяснить неспециалисту. Разумеется, когда какой-нибудь конкретный “вымысел”, например изотопическая симметрия, приносит теории блестящий успех, физик может ответить: “Я воспользовался этой идеей потому, что она работает!”.
Поразительно, каким же образом физик догадывается, какую именно абстракцию в духе кэрролловской “Алисы в Стране Чудес” следует ввести в теорию? Поскольку речь идет о чисто воображаемых понятиях, скептику может показаться, что годится любой вымысел: “Зачем выбирать то, что действительно встречается во внешнем мире, если можно придумать что угодно?”. Диапазон выбора ничем не ограничен. Но как выбрать “то, что нужно”?
Дойдя в беседе с неспециалистом до этого момента, физик обычно начинает прибегать к таким словам, как красота, математическое изящество и симметрия. Хотя включение умозрительных, абстрактных идей, например калибровочной симметрии, логически не обязательно для построения удачной теории (в принципе все теории можно было бы формулировать, целиком основываясь на наблюдаемых величинах), использование абстрактных понятий позволяет иногда значительно упростить теорию, сделав ее более привлекательной.
Взять хотя бы представление о поле, оказавшееся столь результативным для физики и техники. Оно было введено Фарадеем и Максвеллом как некая абстракция. Мы не можем непосредственно ни увидеть электромагнитное поле, ни прикоснуться к нему. О том, что оно существует, мы знаем только по его действию на электрические заряды. Вместе с тем, так как поле порождается только другими электрическими зарядами, в действительности мы имеем дело с взаимодействием электрических зарядов. Но коль скоро наблюдаемы именно заряды, то зачем вообще вводить поле? Почему бы нам не говорить просто о том, каким образом заряды взаимодействуют между собой через пространство, и не сформулировать все уравнения теории электричества, пользуясь только понятием зарядов?
Ничего невозможного здесь действительно нет. Различие состоит лишь в том, что при этом получится громоздкая и сложная теория. Строго говоря, эти качества, по-видимому, невозможно оценить, но физик немедленно распознает их. Теория поля гораздо изящнее. Ее математический аппарат более естествен, гармоничен, взаимосвязан и более экономичен. И дает больше пищи для размышлений.
Последнее обстоятельство очень важно. Изящная, продуманная в деталях, абстрактная теория часто подсказывает новые пути развития физики, которые просто невозможно было бы увидеть, придерживаясь моделей, основанных исключительно на конкретных наблюдаемых величинах. Например, квантовая теория поля, столь важная для суперсилы и ряда последних достижений в области фундаментальных исследований, не смогла бы возникнуть, не получи понятие поля такого широкого распространения в физике.
Когда абстрактное понятие оказывается столь эффективным, что становится достоянием широких кругов неспециалистов, различие между реальным и умозрительным постепенно исчезает. Понятие, возникшее в воображении физика, становится привычным настолько, что как бы обретает реальность. Именно так произошло с энергией. Понятие энергии первоначально выглядело в физике абстрактной идеей. Популярность она обрела благодаря закону сохранения, согласно которому энергия не возникает из ничего и не уничтожается. Но что такое энергия? Разве можно ее видеть или осязать?
Когда груз поднимается над землей, совершается определенная работа. Мы говорим, что при совершении этой работы затрачивается энергия, но закон сохранения энергии утверждает, что энергия не исчезает бесследно, а только переходит в другую форму. Мы видим, как напрягаются мышцы человека, поднимающего тяжесть. Можно считать, что мы действительно наблюдаем энергию в действии, когда видим искаженные от напряжения черты лица и вздувшиеся бицепсы. Но вот вес поднят и спокойно лежит на платформе. Куда же девалась энергия? Можно ли по-прежнему видеть ее?
Физик скажет, что энергия запасенагрузом, так как он находится теперь на некоторой высоте. В таком ответе скрыто представление о потенциальной энергии. Энергия в этом случае хотя и невидима, но может легко высвобождаться — стоит выбить опору из-под груза, как он тотчас рухнет вниз. Звук от удара груза о землю унесет часть энергии, высвободившейся при падении груза.
Итак, энергия — умозрительное, абстрактное понятие, но настолько вошедшее в наш обыденный лексикон, что мы приписываем ему реальное существование. “У меня не хватит энергии вскопать сад”, — утверждение такого рода не вызовет недоуменных взглядов. Никто не спросит у вас, какого цвета ваша энергия, не посоветует заполнить ею сосуд, чтобы измерить ее объем. Принято считать, что каждый обладает энергией, точно так же, каку каждого есть кожа и кости. Энергия — одно из наиболее устойчивых абстрактных понятий в физике. Оно необычайно упрощает описание широкого круга физических процессов. Закон сохранения энергии охватывает огромное множество экспериментальных фактов, которые, не будь понятия энергии, пришлось бы рассматривать по отдельности. Понятие энергии позволяет нам связать воедино многие идеи и поэтому не может не быть красивым.
В этом же кроется его привлекательность и полезность. Природа красива.Мы не знаем, почему, но опыт учит нас, что красота влечет за собой полезность. Эффективные теории всегда красивы. Но красивы они не потому,что эффективны, а потому, что наделены внутренней симметрией и экономичны с точки зрения математики. Красота в физике — представление, включающее в себя профессиональную интуицию, и объяснить суть его неспециалисту трудно, так как оно наилучшим образом выражается на языке, не знакомом непосвященному, — на языке математики. Но для того, кто владеет этим языком, красота теории столь же очевидна, как красота поэзии.
Сказанное возвращает меня к тому, с чего я начал. Математика — это язык, язык природы. Не зная языка, вы не можете понять красоту поэзии. Всегда найдутся скептики, которые скажут: “Что это за загадочная математическая красота, о которой вы толкуете? Мы не усматриваем ничего красивого в мешанине символов. Вы, физики, просто занимаетесь самообманом”. Тем, кто так думает, я хотел бы ответить, сравнив математику с музыкой. Невозможно объяснить красоту симфонии тому, кто слышал лишь отдельные музыкальные звуки. Но кто станет отрицать, что в симфонии скрыта подлинная красота, хотя и отвлеченная, не поддающаяся строгому определению? Аналогичным образом обстоит дело и с математической красотой. Как объяснить восхищение, которое вызывают у физика уравнения Максвелла, их неотразимую, исполненную глубокого смысла привлекательность тому, чье знакомство с математикой ограничивается знанием натуральных чисел? И, тем не менее, эстетическое достоинство — качество вполне определенное. Физики, обладающие развитым математическим вкусом, как и их собратья-композиторы, создают более совершенные теории, чем обыватели.
Одна из величайших трагедий нашего общества состоит в том, что в силу страха перед премудростью, плохого преподавания или просто без всяких причин поэзия математики и музыка природы скрыты от большинства людей. Великолепные перспективы, которые открывает математика, недоступны для них. Они могут восхищаться ароматом розы или буйством красок заката, но ощутить всю полноту эстетического переживания им, увы, не дано.
5. Четыре взаимодействия
Источник всех изменений
Едва начав размышлять над окружающим миром, человек осознал, что этот мир изменчив. Он преисполнен активности — движется Солнце, дует ветер, парят птицы, струятся водные потоки. Еще в древности человек заметил, что происходит смена времен года, стареют люди, изнашиваются орудия труда.Но какая причина вызывает все эти изменения и движение? Одни объекты, такие, как живые существа, содержат источник движения внутри себя, другим, подобным камням, стрелам, топорам, чтобы прийти в движение, требуется внешнее воздействие. Сначала между движением тела в пространстве и изменениями более общего характера не проводилось четкого различия. Точные понятия скорости и ускорения еще не были сформулированы. Наши далекие предки, безусловно, размышляли о силах, сотворивших мир и вызывающих его изменение, но в их представления это были силы магического свойства, не отделимые от веры в богов и злых духов, правящих миром.
Древнегреческие философы предприняли более систематическое изучение процессов изменения и движения, но так и не смогли до конца разобраться в причинах, порождающих то и другое. Аристотель считал, что ключом к пониманию движения служит понятие сопротивления. Он заметил, что в разреженной среде, например в воздухе, тело движется свободнее и, следовательно, быстрее, чем в плотной среде, скажем в воде; в обоих случаях для преодоления сопротивления среды необходима движущая сила. Аристотель отверг идею атомистов о частицах, свободно движущихся в пустоте, ибо пустота, лишенная субстанции, не могла бы оказывать сопротивление движению. Поэтому частицы в пустоте должны были бы двигаться с бесконечной скоростью, что абсурдно.
Современное (техническое) представление о силе полностью сложилось лишь в XVII в. вслед за признанием законов движения Ньютона. Великим достижением Ньютона стало осознание того, что движение как таковое отнюдь не требует приложения силы. Материальное тело будет двигаться с постоянной скоростью в заданном направлении без какого бы то ни было внешнего воздействия. Только отклонение от равномерного прямолинейного движения требует объяснения, т.е. наличия силы. Ньютон установил, что сила вызывает ускорение и вывел точную математическую формулу, связывающую эти величины.
Теория Ньютона позволила объяснить загадку движения Земли вокруг Солнца. Нет никакой видимой причины, вынуждающей Землю двигаться по орбите. В теории Ньютона такая причина и не требуется. Само движение Земли не требует объяснений, в объяснении нуждается только отклонение от равномерного прямолинейного движения. Траектория Земли в пространстве искривляется относительно направления на Солнце, что легко объяснить солнечным притяжением.