Частицы и поля как фундаментальные абстракции современной физической картины мира и проблема их онтологического статуса.

Исторически картина мира в каждой науке развивается и изменяется. И если обратиться к электродинамике, то после успехов максвелловской теории в физике утвердилась электродинамическая картина мира, которая сменила механическую, господствовавшую в науке более двух с половиной столетий. В этой картине физической реальности все процессы природы описывались посредством введения особой системы абстракций (идеальных объектов), в качестве которых выступали неделимые атомы и электроны (атомы электричества); мировой эфир, состояния которого рассматривались как электрические, магнитные и гравитационные силы, распространяющиеся от точки к точке в соответствии с принципом близкодействия, абсолютное пространство и время. Абстрактные объекты теоретических схем и конструкты картины мира - это разные типы идеальных объектов. Если относительно первых формулируются законы, то относительно вторых формулируются принципы. Абстрактные объекты теоретических схем представляют собой идеализации и их нетождественность действительности очевидна, тогда как конструкты картины мира также будучи идеализациями, онтологизируются, отождествляются с действительностью. Каждый физик понимает, что материальная точка - это идеализация, поскольку в природе нет тел, лишенных размеров. Но физики XVIII-XIX столетия, принимавшие механическую картину мира, полагали, что неделимый атом реально существует в природе и является ее первокирпичиком.

Аналогичным образом абстракции точечного заряда и векторов электрической и магнитной напряженности в точке достаточно отчетливо выступают в качестве идеализаций. Но электрон (атом электричества), представленный в электродинамической картине мира в виде очень малого заряженного сферического тела, электромагнитное поле как состояние эфира - все эти объекты воспринимались большинством физиков в конце XIX века в качестве реальных субстанций, фрагментов самой природы, существующей независимо от человеческого познания.

Между тем эти абстракции, функционирующие в качестве элементов физической картины мира последней трети XIX в., также представляли собой идеализации, нетождественные действительности, схематизирующие ее. Их границы обнаружились в процессе становления квантовой и релятивистской физики. Выяснилось, что мировой эфир, как его представляли физики конца XIX в., является такой же вымышленной сущностью как теплород или флогистон.

Представление о чистой непрерывности электромагнитного поля и чистой дискретности электронов также претерпело изменения - в физическую картину мира были включены идеи корпускулярно-волнового дуализма как частиц, так и полей.

Благодаря связям между конструктами картины мира и абстрактными объектами теоретических схем они часто могут обозначаться одним термином, который в разных контекстах обретает различные смыслы. Например, термин "электрон" в законах электродинамики Максвелла-Лоренца обозначал элементарный точечный электрический заряд.

Но как описание соответствующего элемента физической картины мира он вводился по признакам "быть крайне малой электрически заряженной частицей, которая присутствует во всех телах", "быть сферическим телом, по объему которого равномерно распределен электрический заряд", "взаимодействовать с эфиром так, что эфир остается неподвижным при движении электронов". Образы электрона как точечного заряда и как сферической малой заряженной частицы ("атома электричества") соответствовали различным идеальным объектам и различным смыслам термина "электрон".

Описание связей между признаками абстрактных объектов теоретических схем и идеальных объектов, образующих картину мира, включается в качестве одного из типов определений в содержание научных понятий. Примером может служить определение в ньютоновской физике массы как количества материи, поскольку полагалось, что в неделимых корпускулах (атомах), из которых построены тела, количество материи сохраняется в соответствии с признаком неделимости и неразрушимости атомов. Научные понятия включают в себя многообразие определений и их развитие осуществляется как взаимодействие всех типов определений, в том числе возникающих при соотнесении теоретических схем с научной картиной мира.

Представления о силовых полях, лежащие в фундаменте электродинамической картины мира, обосновывались в трудах Фарадея философской концепцией единства материи и силы. Экспериментальные исследования Фарадея подтверждали идею, что электрические и магнитные силы передаются в пространстве не мгновенно по прямой, а по линиям различной конфигурации от точки к точке. Эти линии, заполняя пространство вокруг зарядов и источников магнетизма, воздействовали на заряженные тела, магниты и проводники. Но силы, как подчеркивал Фарадей, не могут существовать в отрыве от материи. Поэтому линии сил нужно связать с материей и рассматривать их как особую субстанцию, имеющую тот же статус реальности, что и вещество.

В макроскопической физике существуют два фундаментальных поля —электромагнитное и гравитационное; остальные ее поля выводятся из этих двух. В теории элементарных частиц
добавляется много других фундаментальных полей. Электромагнитное и гравитационное поля—типичные представители полей. Но что такое поле вообще? Частицу (материальную точку), занимающую неко­торое место в пространстве, можно рассматривать как физическую метку этого места (этой пространственной точки). Частица движется, значит, есть свободные ме­ста. Помечены ли они? Нам недостаточно знать имена свободных пространственных точек, нужно пользовать­ся какими-то физическими метками. Ведь имена мы давали точкам произвольно, ничего о них не зная. И вот возникла идея метить незанятые материальными точками места пространства метками, имеющими физи­ческий смысл, т. е. использовать в качестве меток поле.

Понятие поля имеет отношение к проблеме дальнодействия и близкодействия. Рас­смотрим взаимодействие между Солнцем (М) и Землей. Сила тяжести в промежутке между ними от места к месту меняется. По мере приближения к Солнцу она растет, а при удалении уменьшается. Этим можно характеризовать пространственные точки. Скажем, в точке А сила тяжести изображается вектором, на­правленным к Солнцу. В точке В она немного меньше (убывает обратно пропорционально квадрату рас­стояния).

Измеряя силу, мы определяем метку в пространстве, потому что векторы силы тяжести в нашем примере различны в разных пространственных точках и одно­значно с ними связаны (абсолютное значение, и направ­ление этих векторов определяются расстоянием до Солн­ца и направлением на него). Вводимая так метка боль­ше, чем имя точки, это — величина, которую можно из­мерить физически. Она всегда соответствует данной пространственной точке независимо от того, находится там Земля или какая-нибудь другая планета. Итак, си­лу притяжения Солнца надо понимать как метку точки пространства. Несколько более земные, «человеческие» масштабы имеет электромагнит­ное поле. В этом случае каждой точке сопоставляют векторы Е и Н, которые тоже в каком-то смысле можно считать метками пространственных точек.

Очень важно, что поле может существовать незави­симо от присутствия вещества. С точки зрения класси­ческой физики поле, например электромагнитное, и ве­щество— разные физические объекты. Понятие вещест­ва проще и ближе к наивному реализму, чем понятие поля, которое, в конце концов, выводится из идеи о силе.

Современная физическа смотрит на частицы с точки зрения физики элементарных частиц, совершенно однозначно можно утверждать, что эта физика изучает сложнейшие процессы формообразования, процессы рождения нового, рождения и гибели элементарных частиц. Достаточно вспомнить процесс в-распада нейтрона, когда он превращается в протон, рождая и электрон, и антинейтрино. Концепция «элементарной» частицы как неизменной, неуничтожимой, как отдельной, «атомистической», квазиклассической форме конечности, неприемлема в физике элементарных частиц, в физике субмикромира. Элементарные частицы находятся в непрерывном процессе рождения и уничтожения, в непрерывном процессе становления, формообразования. В основе нашего относительно стабильного мира лежит Хаос непрерывного возникновения и уничтожения многообразных форм конечности.

В плане сказанного интересно следующее высказывание Гейзенберга: «Мы теперь можем сказать, что современная физика в некотором смысле близко следует учению Гераклита. Если заменить слово «огонь» словом «энергия», то почти в точности высказывания Гераклита можно считать высказываниями современной науки. Фактически энергия – это то, из чего созданы все элементарные частицы, все атомы, а поэтому и вообще все вещи. Одновременно энергия является движущим началом. Энергия есть субстанция, ее общее количество не меняется, и, как можно видеть во многих атомных экспериментах, элементарные частицы создаются из этой субстанции. Энергия может превращаться в движение, в теплоту, в свет и электрическое напряжение. Энергию можно считать первопричиной всех изменений в мире».

Отметим философскую неточность высказывания Гейзенберга, заключающуюся в философски ошибочной замене философского понятия материи на чрезвычайно общее, но физическое понятие энергии.

Одним из ключевых понятий современной физики элементарных частиц является понятие квантового поля. Это понятие отражает черты простейшего глубочайшего основания мироздания, из которого состоят частицы и весь материальный мир. Оно отражает также относительность понятий поля и частицы, относительности, выраженной уже в квантовой механике. Но если в последней говорят о микрообъекте, хотя и обладающем волновыми свойствами, но отличном от классических полей, то в понятии квантованного поля, ключевом понятии релятивистской квантовой механики (квантовой теории поля) как теории элементарных частиц, исчезают последние остатки различия между полей и частицей. С точки зрения квантовой теории поля частица есть квант возбуждения соответствующего поля. Понятия частицы и поля объединяются в понятии квантованного поля (например, квантованного электромагнитного поля с частицей (квантом) фотоном, квантованного электронно-позитронного поля с частицами (квантами) электронами и позитронами. Различные квантовые поля взаимодействуют друг с другом, кванты-частицы рассеиваются, переходят в кванты-частицы других видов, т.е. происходит описание процесса формообразования, процесса рождения нового. Ясно, что в квантово-полевых представлениях присутствует много глубоких диалектических идей, без учета которых невозможно анализировать проблему существования и реальности микрообъектов. Прежде всего, это диалектика прерывности и непрерывности физической реальности. Так, дискретность квантового поля проявляется в наличии его квантов (элементарных частиц) и в характере их взаимодействия.

Процессы рождения и гибели элементарных частиц есть те элементарные акты, те сконцентрированные в чрезвычайно малых областях пространства и времени события, в которых выражается внутренняя активность материи в ее специфической форме – форме квантованного поля. Из этих актов, казалось бы, эфемерных полей возникают устойчивые микрообъекты, ядра, атомы, твердые тела того макроскопического мира, в котором мы живем. За упорядоченным миром макропроцессов скрыт бушующий Хаос рождений и гибели квантов квантованных полей.

Теория квантованного электромагнитного поля и электронно-позитронного поля получила название квантовой электродинамики (КЭД). Эта теория есть самый совершенный (с современной, конечно, точки зрения) образец построения теорий и других (сильного и слабого) физических полей.

Итак, под квантованным полем понимается квантованная система с переменным числом частиц, которые могут возникать и исчезать в процессе квантово-полевого взаимодействия. Состояние квантованного поля описывается весьма специфической волновой функцией, которая определяет наличие в системе того или ионного числа частиц – квантов поля. Оказывается, существует такое состояние поля, в котором нет ни одного кванта, - оно называется основным или вакуумным. Вакуум квантовой теории поля – это не абсолютная пустота, как можно было бы подумать, а особая физическая среда, проявляющая себя в опыте. Так, в случае квантового электромагнитного поля среднее значение квадрата напряженности электрического и магнитного полей в вакууме не равно нулю, что приводи к лэмбовскому сдвигу уровней энергии в атоме водорода, измеряемому с очень большой точностью в эксперименте. Поле в вакуумном состоянии поляризуется, приобретает определенную плотность энергии.

Все реакции элементарных частиц, их излучение, поглощение и т.д., осуществляются квантовым образом. Но непрерывной и вездесущей реальность, на фоне которой происходят все физические взаимодействия, рождение и гибель дискретных микрообъектов является основное состояние поля (вакуум).

Вся суть описания актов квантово-полевого взаимодействия, его специфика заключены в промежуточном состоянии процесса рассеяния, представленного электронной линией, описывающей бытие электрона между процессами поглощения и испускания кванта света. И эта суть в том, что в то время как полные энергии начального и конечного состояния равны, промежуточный электрон не имеет той же энергии. Такие весьма специфические промежуточные объекты, получили название виртуальных. Бытие промежуточного виртуального электрона отлично от бытия реального электрона, рассеивающего фотон. Он возникает из вакуума, который представляет собой некий кипящий «котел» множества виртуальных процессов. Промежуточный виртуальный электрон «черпает» энергию из вакуума, рождается из него. Неопределенность энергии определяет время его виртуального существования.

Взаимодействие двух электронов осуществляется в форме непрерывного процесса испускания и поглощения виртуальных фотонов. Каждый электрон как бы находится в «облаке» виртуальных фотонов, которое и есть на более глубоком уровне понимания электромагнитное поле электрона.

Эфир, изгнанный из физики специальной теорией относительности, в преобразованном виде возвращается в физику. Свойства нового вида материи – вакуума-эфира – во многом парадоксальны и, тем не менее, фундаментальны.

Можно сказать, что физики приходят к необходимости построения «вакуумной картины мира», согласно которой вакуум является выражением объективного единства мира, некоторым объединяющим началом многообразия физических взаимодействий и даже источником возможного существования бесконечного множества миров.

Что касается фундаментальных взаимодействий, то, как известно, в настоящее время считается, что сильно взаимодействующие частицы состоят из кварков. Сильное ядерное взаимодействие между кварками должно переноситься какой-то виртуальной частицей, подобно тому, как электромагнитное взаимодействие переносится посредством излучения виртуального фотона одной частицей и его поглощения другой. Прежде всего, оказалось, что каждый выделенный в ядре кварк (например, d кварк или u-кварк, различие которых выражается некоторым квантовым числом, зарядом, получившим название аромата) обладает еще одним квантовым числом, зарядом, принимающим три значения и получившим название «цвет». Между кварками разного цвета существует полная симметрия, поэтому вводится поле цветового взаимодействия, связанное с этими зарядами. Такое поле, «склеивающее» кварки в адроны, называется глюонным. Частица – квант глюонного поля называется глюоном.

Вокруг позитрона за счет облака виртуальных частиц всегда существует небольшой избыток отрицательного заряда, который частично экранирует положительный заряд позитрона (поляризации вакуума). Этот «ослабленный заряд позитрона и измеряется в обычных опытах. Однако в КХД возможен новый процесс, который отсутствует в КЭД. Вспомним, что переносчики электромагнитных сил – фотоны – электронейтральны. В отличие от них переносчики цветовой силы глюоны – обладают цветовым зарядом и поэтому могут рождать новые виртуальные глюоны. Этот процесс ведет к «размазыванию» цветового заряда, т.е. к явлению, прямо противоположному экранированию. На малых расстояниях этот процесс преобладает над экранированием. Теперь частица с цветовым зарядом, подходя все ближе к кварку, проникая все глубже и глубже в облако размытого цветового заряда, встречает в центральных частях частицы все меньший и меньший заряд, и поэтому интенсивность взаимодействия ослабевает на достаточно малых расстояниях.

Если даже сообщить кварку очень большую энергию, «резиновый шнур» разорвется и на месте разрыва за счет сообщенной энергии возникает пара – кварк и антикварк. Улетающий кварк утащит за собой возникающий на месте разрыва антикварк и они вместе составят мезон, который вылетит из адрона вместо одиночного кварка.

Обратимся, наконец, к краткому анализу слабого взаимодействия, ответственного за распад элементарных частиц. Прежде всего, исходя из концепции близкодействия, локального характера взаимодействия, поставим вопрос о тех частицах, которые ответственны (подобно фотону и глюону в электромагнитном и сильном взаимодействиях) за перенос слабого взаимодействию. Исходя из соотношения неопределенностей и опираясь на эмпирически полученный радиус слабого взаимодействия, можно определить, что масса переносчика слабого взаимодействия равно приблизительно 100 массам протона.

Были найдены частицы - переносчики слабого взаимодействия, получившие название векторных бозонов.

Принято говорить что и кварки отличаются «ароматом». Слабое взаимодействие может, в общем случае, менять аромат частиц. Поэтому теория слабых взаимодействий получила название квантовой ароматодинамики – КАД. Таким образом, существуют три квантово-полевые теории – КЭД, КХД и КАД.

Далее по тексту 6 вопроса.