Концепции фундаментальных полей

Основное содержание главы

Классическое естествознание при описании полей базируется па концепции близкодействия, в рамках которой поле является некой средой, передающей действие одного материального объекта на другой от точки к точке с ограниченной скоростью. В рамках квантовой концепции дальнодействия полагается, что частицы вещества взаимодействуют между собой посредством обмена частицами полей. Микрочастицы полей образуют в мире элементарных частиц самостоятельную группу бозонов — частиц, имеющих целое значение спинового числа и передающих взаимодействия между фермионами (лептонами и кварками), которые имеют дробное значение спинового числа.

Концепции близкои дальнодействия полей

В настоящее время в качестве основных в современном естествознании выделяют следующие физические поля, передающие взаимодействия частиц вещества (табл. 10).

Таблица 10.

Фундаментальные взаимодействия и переносчики

Знаком вопроса в табл. 10 отмечена частица, существование которой еще не подтверждено в эксперименте.

По определению, в классическом естествознании полем называют область пространства, в каждой точке которого на помещенное туда пробное тело (имеющее свойства т, q, s) действует однозначно определенная сила. Здесь поле понимается как область физически измененного пространства, чем-то заполненного. Поле начинается от его непосредственного источника и может простираться до бесконечности (дальнодействие!). Полагается, что при удалении на бесконечность от источника его действие на пробное тело убывает до нуля.

Считается также очевидной материальность поля. Иначе как бы передавалось действие одной материальной частицы вещества на другую через нечто нематериальное? Таким образом, в концепции близкодействия классического естествознания выделяются две противоположности (вспомним Аристотеля!). Им соответствуют принципиально различные понятия нашего сознания.

Квантовая механика (основа неклассического естествознания) показала неправильность бинарной логики выбора — либо частица-точка, либо неограниченная волна. Действительно, опыты показали, что, при уменьшении массы объектов до значения масс микрочастиц, такие «материальные точки» проявляют свойства протяженности, свойства делокализации по пространству. В частности, проявлением таких свойств является дифракция микрочастиц па решетках кристаллов.

С другой стороны, при уменьшении длины волны электромагнитных излучений, А,—> 0, излучения проявляют корпускулярные свойства. Проявлением таких свойств является эффект Комптона и фотоэффект (о них позднее скажем подробнее). Поэтому образом квантовой физики является «кентавр» — частица-волна. Уместно будет привести здесь цитату из работы А. Эйнштейна «Эволюция физики»:

Поле представляет энергию, вещество представляет массу. Но мы уже знаем, что такой ответ в свете новых знаний недостаточен. Из теории относительности мы знаем, что вещество представляет собою огромные запасы энергии и что энергия представляет вещество. Мы не можем таким путем провести качественное различие между веществом и полем, так как различие между массой и энергией не качественное. Гораздо большая часть энергии сосредоточена в веществе, но поле, окружающее частицу, также представляет собой энергию, хотя и в несравненно меньшем количестве. Поэтому мы могли бы сказать: вещество — там, где концентрация энергии велика, поле — там, где концентрация энергии мала. По если это так, то различие между веществом и полем скорее количественное, чем качественное. Нет смысла рассматривать вещество и поле как два качества, совершенно отличные друг от друга. Мы не можем представить себе определенную поверхность, ясно разделяющую поле и вещество.

Электромагнитные взаимодействия передаются путем обмена фотонами, схема этого процесса представлена диаграммой Фейнмана (см. рис. 38). Для гравитационного поля теоретики предполагают существование гравитона, как аналога фотона. Если поиски гравитационных волн приведут к успеху, гравитон обретет права «физического гражданства» в сообществе элементарных частиц. Кварки взаимодействуют посредством глюонов (см. рис. 38). Глюонное поле имеет парадоксальные свойства, даже с точки зрения квантовой механики. В отличие от гравитационного и электромагнитного полей, действие глюонного поля возрастает при увеличении расстояния между кварками. И наоборот, при сближении кварки получают асимптотическую свободу и слабо влияют друг на друга. На уровне макромира похожая ситуация возникает при растягивании руками резинового шнура или ленты.

Сравнительно недавно появилась гипотеза о существовании торсионных полей (полей кручения). Их проявление должно иметь связь с таким фундаментальным свойством микрочастиц, как спин. В настоящий момент слишком мало экспериментальных данных, чтобы судить об изменении этих полей с расстоянием. Однако, это не смущает некоторых людей, увлеченных гипотезой новых полей. Как в свое время атом Резерфорда стимулировал появление гипотез супраи инфрамира, так в наше время с торсионными полями пытаются связать аномальные явления и телепатию.