Мир вокруг нас - "Этэрнус". Страница 8

(Ещё до этого (и до теории поля), = более ранним примером объединения сил — явилась сила всемирного тяготения (впоследствии — гравитационное поле): Ньютон обнаружил связь между разными, на первый взгляд, силами (ускорением свободного падения, и силой, связывающей планеты), которые оказались разными проявлениями единой силы, названной силой всемирного тяготения (гравитацией)).

Также, впоследствии, были объединены ядерное (сильное) и глюонное поля: в рамках квантовой хромодинамики (теории, описывающей глюонное поле при помощи квантовой механики), ядерное поле оказалось остаточным взаимодействием, выводимым из глюонного поля (в некоторой аналогии с тем, как силы притяжения, действующие между молекулами (силы Ван-дер-Ваальса) — остаточны по отношению к электромагнитным взаимодействиям внутри молекул). Глюонное поле, оказавшись т. о. первичным, фундаментальным, по отношению к ядерному, переняло у последнего название сильного поля (глюонное и ядерное поля — стали т. о. разными его проявлениями).

В современности, в целом, т. о. имеются следующие объединённые взаимодействия (поля): гравитационное (объединённое Ньютоном), электрослабое поле (магнитное, электрическое и слабое) и сильное поле (ядерное и глюонное).

Ныне, теоретики работают над дальнейшим объединением электрослабого поля с сильным полем, и далее — с полем гравитационным, что пока остаётся в рамках теории (или гипотез, т. е. пока не доказано экспериментально), и будет рассматриваться — несколько позже.

Далее: В целом, теория поля — преимущественно описывает (констатирует) свойства полей, но не объясняет их. Более продвинутые и глубокие представления о полях (и о физическом вакууме) — были созданы уже в рамках других неклассических дисциплин: в квантовой механике и теории относительности. Там возникли более сложные (квантовые и пространственно-временные) представления о полях.

Сама же теория поля, после этого, впрочем — не сошла в историю, а осталась действующей дисциплиной. Занимается она теперь изучением, как и раньше, более поверхностной сути (и свойств) полей, не касаясь более продвинутых (квантовых и пространственно-временных) представлений о них. Т. е. теория поля рассказывает о полях то, что нужно узнать прежде, чем приступать к изучению более сложных представлений.

Так и мы — рассмотрели представления об известных полях сперва в рамках теории поля, а теперь — переходим к рамкам квантовой механики, в которой, помимо более глубокого рассмотрения полей, изучается также поведение элементарных частиц, и т. п. вопросы, касающиеся фундамента окружающего Мира.

Квантовая механика

Как и теория поля, квантовая механика — это неклассическая научно-философская дисциплина, занимающаяся изучением т. н. микромира. Прежде всего, в микромире, квантовая механика — изучает механику (поведение) элементарных частиц, которое радикально отличается от поведения макрообъектов (= предметов повседневного, видимого Мира, вполне удовлетворительно описывавшегося в рамках классической механики).

На уровне элементарных частиц и вакуума — законы макромира перестают действовать, уступая место законам микромира = законам квантовой механики. В микромире имеют место квантовые эффекты, в т. ч. различные странности в поведении объектов, невообразимые с т. зр. классической механики, но описываемые квантовой механикой.

Например, классическая механика — не способна объяснить движение электрона в атоме, но для этого — применимы законы квантовой механики, согласно которым, электрон, из-за (квантовой) неопределённости координат и импульса, а также благодаря корпускулярно-волновому дуализму — размазывается, и находится во многих местах одновременно, образуя электронную орбиталь, или электронное «облако». Оно может иметь сферическую, гантелеобразную, бубликовидную и другие причудливые формы (которые вычисляются согласно уравнению Шрёдингера, о чём подробнее — позже). Электрон не падает на протон (несмотря на электромагнитное притяжение между ними), и не излучает электромагнитных волн, хотя согласно классическим представлениям — при движении он должен их излучать, и т. о. теряя энергию, упасть на протон. Движение электрона, образующее орбиталь, в общем — совершенно несравнимо с движением планет в Солнечной системе, т. е. не может быть описано с помощью законов классической механики, но было одной из первых задач, решённых при помощи квантовой механики, показав её эффективность.

Что такое квант?

В классической науке считалось, что процессы в природе — происходят плавно, непрерывно. В т. ч. нагретые тела, поэтому — должны излучать энергию непрерывным потоком. Но это — оказалось противоречащим экспериментальным фактам: анализ спектров излучения нагретых тел — приводил, в рамках классических представлений, к необъяснимым результатам (т. н. «ультрафиолетовая катастрофа»).

Развитие науки — потребовало пересмотра фундаментальных представлений. Одним из первых, в поиске новых представлений — оказался Планк, который предложил считать, что любые изменения энергии в процессах, связанных с излучением — происходят скачкообразно (что было радикальной идеей, на то время). Всякое изменение энергии — должно было быть т. о. кратно какой-то минимальной величине (что совершенно немыслимо с т. зр. классических представлений).

Эта идея — оказалась верной и крайне плодотворной, и положила начало квантовой механике (1900-й год). Потеря энергии нагретыми телами, согласно квантовым представлениям — происходит порциями, т. н. квантами. Вскоре, эти гипотетические порции энергии (электромагнитные кванты) — были обнаружены, и в дальнейшем, стали пониматься как элементарные частицы, фотоны. Это открытие было сделано в 1905-м году (Эйнштейном, при объяснении явления фотоэффекта). Далее, квантами, точнее, квантами полей, по веским причинам — стали называться и другие (в конечном итоге, все) элементарные частицы. Это было связано с новыми представлениями о полях, и их связи с элементарными частицами:

Квантовые представления о полях

Обнаружение кванта электромагнитного поля, или элементарной частицы, фотона — привело к значительному усложнению представлений о полях. Оказалось, что поле — каким-то фундаментальным образом связано с соответствующими квантами (элементарными частицами): например, электромагнитное поле — связано с электромагнитными квантами (фотонами). Вскоре, подобным стало представляться устройство и всех остальных видов полей, в т. ч. новооткрываемых (полей 20-го века). Квантами в них — оказались, соответственно: мезоны — для ядерного поля, W- и Z-бозоны — для слабого поля, глюоны — для глюонного поля, и гравитоны — для поля гравитационного.

Из них, только глюоны и гравитоны — пока экспериментально не обнаружены (вернее, глюоны — обнаружены косвенно, в результате интерпретации процессов столкновения частиц в ускорителе, т. е. не получены в свободном состоянии, в котором они, как считается, не существуют). А мезоны и W- и Z-бозоны — найдены и изучены достаточно хорошо (примечательно, что все эти частицы-кванты полей, сперва были предсказаны теоретически, и лишь затем обнаружены экспериментально).

Что же такое квант, по отношению к полю? Возможно два варианта: либо поле — состоит из квантов, либо поле — не состоит из квантов, но является причиной наличия квантов. В последнем случае, который будем рассматривать далее как предпочтительный, любой квант — можно представить как изменение (возбуждение) соответствующего поля, распространяющееся в виде волны по данному полю (и переносящее энергию). Например, электромагнитные кванты (фотоны) — это волны, бегущие по электромагнитным полям, окружающим частицы.

Согласно квантовым представлениям, взаимодействия элементарных частиц — осуществляются путём обмена квантами, между соответствующими полями, входящими в состав элементарных частиц, или окружающими частицы. Возможность же непосредственных взаимодействий элементарных частиц, или их материальных сердцевин — обсуждалась лишь на начальных этапах развития теории (слабое взаимодействие первоначально рассматривалось как контактное (Ферми)).