Чтобы ответить на вопрос, являются ли фундаментальными строительными блоками реальности частицы, поля или и то, и другое, нужно выйти за рамки физики.
Ещё до того, как философия и физика стали отдельными науками, древние греческие мыслители размышляли о базовых элементах, из которых состоит всё сущее.
Платон предложил теорию, согласно которой всё на Земле состоит из четырёх основных элементов. Он считал, что есть стабильные частицы земли в форме куба, острые и опасные частицы огня в форме тетраэдра, менее острые частицы воздуха в форме октаэдра и округлые частицы воды в форме икосаэдра.
Подобно современным физикам, Платон полагал, что эти элементы могут создаваться и разрушаться. Например, восьмигранная частица воздуха может быть создана путём объединения двух четырёхгранных частиц огня (как это происходит, когда костёр затухает).
С тех пор наше понимание природы сильно изменилось. Мы узнали, что большая часть мира состоит из различных атомов, которые объединены в периодическую таблицу элементов. Также мы узнали, что сами атомы состоят из более фундаментальных частиц.
Сегодня философы, которые интересуются устройством мира, ищут ответы в современной физике. Однако поиск ответов в физике — это не просто чтение учебников. Физики гибко подходят к различным представлениям о реальности в зависимости от поставленной задачи. Учебники созданы для того, чтобы научить вас эффективно использовать математические инструменты физики, а не для того, чтобы рассказать вам, что описывают уравнения. Чтобы извлечь из математики историю о том, что происходит в природе, требуется усердие. Исследования такого рода считаются «философией физики», если их проводят философы, и «основами физики», если их проводят физики.
Физики усовершенствовали периодическую таблицу, назвав её «стандартной моделью». В стандартной модели чего-то не хватает (гравитации), и может оказаться, что описываемые ею элементы состоят из ещё более фундаментальных вещей (например, вибрирующих струн). Однако стандартная модель останется важной частью физики, что бы ни произошло. Как и теория гравитации Исаака Ньютона или теория электродинамики Джеймса Клерка Максвелла, мы ожидаем, что стандартная модель останется важной частью физики, что бы ни произошло.
К сожалению, не сразу понятно, что заменяет атомы из периодической таблицы в стандартной модели. Являются ли фундаментальными строительными блоками реальности квантовые частицы, квантовые поля или их комбинация? Прежде чем ответить на этот сложный вопрос, давайте рассмотрим спор между частицами и полями в контексте классической (неквантовой) теории — электродинамики Максвелла.
В 1905 году Альберт Эйнштейн, занимаясь исследованиями в области электродинамики, пришёл к своей знаменитой теории относительности. После создания этой теории он вступил в дискуссию с Вальтером Ритцем о том, как правильно интерпретировать и понимать классическую электродинамику.
Согласно теории относительности, два электрона, находящиеся рядом, будут разлетаться в противоположных направлениях. Оба они имеют отрицательный заряд и, следовательно, отталкиваются друг от друга.
Ритц рассматривал это взаимодействие как прямое взаимодействие между двумя электронами — каждый из них толкает другой, даже если они не соприкасаются. Это взаимодействие происходит через пространство, разделяющее электроны, и через время. Точнее говоря, каждый электрон реагирует на поведение другого в прошлом, а не на его текущее состояние.
Эйнштейн, который не принимал идею действия на расстоянии, интерпретировал это взаимодействие иначе. Для него на сцене присутствуют не только частицы, но и поля. Каждый электрон создаёт электромагнитное поле, которое распространяется по всему пространству. Электроны удаляются друг от друга не потому, что они напрямую взаимодействуют через зазор, а потому, что каждый из них ощущает силу от поля другого.
Чувствуют ли электроны воздействие своих электромагнитных полей? Любой из этих ответов приводит к проблемам. Допустим, что ответ положительный. Тогда электромагнитное поле электрона становится сильнее по мере приближения к нему. Если представить электрон в виде маленького шарика, то каждый кусочек этого шарика испытывает огромное внешнее воздействие очень сильного электромагнитного поля в том месте, где он находится. Это должно привести к взрыву.
Анри Пуанкаре предположил, что существуют другие силы, противодействующие этому самоотталкиванию и удерживающие электрон вместе. Эти силы теперь называются «напряжениями Пуанкаре». Если представить электрон в виде точки, проблема становится ещё более серьёзной. Поле и сила были бы бесконечными в месте расположения электрона.
Если электрон не взаимодействует сам с собой, как мы можем объяснить потерю энергии?
Итак, давайте рассмотрим ситуацию, когда электрон не ощущает создаваемое им поле. Проблема в том, что есть доказательства того, что электрон осознаёт своё поле.
Заряженные частицы, такие как электроны, при ускорении создают электромагнитные волны. На это уходит энергия. Мы можем наблюдать, как электроны теряют энергию, создавая эти волны.
Если электроны взаимодействуют со своими собственными полями, мы можем правильно рассчитать скорость, с которой они теряют энергию, изучая взаимодействие этих волн с электроном при прохождении через него. Но если электроны не взаимодействуют со своими собственными полями, то непонятно, почему они вообще теряют энергию.
Согласно теории Ритца, в которой нет ни полей, ни частиц, электрон не будет взаимодействовать со своим собственным полем, потому что такого поля, с которым он мог бы взаимодействовать, не существует. Каждый электрон ощущает воздействие только со стороны других частиц. Но если электрон не взаимодействует сам с собой, как мы можем объяснить потерю энергии?
Независимо от того, верите ли вы, как Эйнштейн, в существование как частиц, так и полей, или, как Ритц, в существование только частиц, вы сталкиваетесь с проблемой самовзаимодействия.
Ритц и Эйнштейн обозначили две стороны в трёхсторонних дебатах. Есть и третий вариант: возможно, частиц не существует, есть только поля. В 1844 году Майкл Фарадей исследовал этот вариант в неопубликованной рукописи и краткой опубликованной «спекуляции».
Можно представить себе описание физики твёрдых тел различной формы и размера, которые сталкиваются и отскакивают друг от друга. Однако, когда две заряженные частицы (например, электроны) взаимодействуют посредством электрического притяжения или отталкивания, они фактически не соприкасаются друг с другом. Каждая из них просто реагирует на электромагнитное поле другой. Таким образом, размеры и формы частиц не имеют значения для взаимодействия, за исключением того, что они изменяют поля, окружающие частицы.
Поэтому Фарадей спросил: «Какая реальная причина заставляет нас предполагать, что в частице материи есть какое-то ядро?» То есть почему мы должны думать, что в центре электромагнитного поля частицы есть твёрдое ядро? Говоря современным языком, Фарадей предлагал отказаться от частиц и оставить только электромагнитные поля.
Матиас Фриш из Ганноверского университета имени Лейбница открыл дискуссию, представив точку зрения Эйнштейна и Ритца. В своём эссе «Почему что-то происходит», опубликованном в Aeon, он рассмотрел аргументы, которые привели к их противостоянию.
Затем три других докладчика представили свои взгляды на этот вопрос, развивая идеи Эйнштейна, Ритца и Фарадея.
Марио Хьюберт из Калифорнийского технологического института попытался решить проблему самовоздействия в картине мира Эйнштейна, основанной на точечных частицах и полях. Он обсудил текущее состояние нескольких идей о том, как это можно сделать. Одна из этих идей принадлежит Полу Дираку, математическому гению, который внёс значительный вклад в раннюю квантовую физику. Его имя упоминается в части стандартной модели, которая описывает электроны.
В статье 1938 года Дирак отошёл от квантовой физики, чтобы изучить проблему самовоздействия в классической электродинамике. Он предложил изменить законы электродинамики, чтобы по-другому воздействовать на частицы с помощью полей. Для точечной частицы его новое уравнение исключает любое взаимодействие частицы с её собственным электромагнитным полем и включает новый термин, имитирующий самовоздействие, которое мы наблюдаем в реальности — самовоздействие, из-за которого частица теряет энергию, когда создаёт волны. Однако уравнение, предложенное Дираком, имеет некоторые странные свойства. Одно из них — «предварительное ускорение»: частица, на которую вы собираетесь воздействовать силой, может начать двигаться ещё до того, как вы на неё воздействуете.
В 1930-х и 1940-х годах четверо известных физиков придерживались иной стратегии. Макс Борн (известный по «правилу Борна», в котором рассказывается, как вычислять вероятности в квантовой физике), Леопольд Инфельд (который в соавторстве с Эйнштейном написал популярную книгу по современной физике «Эволюция физики»), Фриц Бопп (который был участником немецкой программы ядерных исследований во время Второй мировой войны, а после войны подписал манифест о противодействии ядерному оружию и защите ядерной энергии в Западной Германии) и Борис Подольский (автор популярной книги по современной физике «Эволюция физики») предложили способы изменения законов, определяющих, как частицы создают электромагнитные поля, чтобы поля, создаваемые точечными частицами, никогда не становились бесконечно сильными.
Когда вы меняете эти законы, вы меняете многое. Как объяснил Хьюберт в своей презентации, мы не до конца понимаем последствия этих изменений. В частности, пока неясно, смогут ли предложения Борна-Инфельда и Боппа-Подольского решить проблему самовоздействия и делать точные прогнозы относительно движения частиц.
Вам может показаться, что все эти разговоры о классической физике уводят нас далеко от темы. Разве мы не должны пытаться понять, что стандартная модель квантовой физики говорит нам о том, из чего всё состоит?
Как в фильме о путешествии во времени, будущее может влиять на прошлое?
Часть стандартной модели, описывающая электроны и электромагнитное поле, называется «квантовая электродинамика». Это квантовая версия классической электродинамики, и основы этих двух дисциплин тесно связаны.
В своих легендарных лекциях в Калифорнийском технологическом институте Ричард Фейнман объясняет, почему изменения классической электродинамики, предложенные Дираком, Борном, Инфельдом, Боппом и Подольским, требуют обсуждения.
Существуют трудности, связанные с идеями теории Максвелла, которые не решаются квантовой механикой и не связаны с ней напрямую. Можно сказать, что нет смысла беспокоиться об этих трудностях. Ведь квантовая механика изменит законы электродинамики, и мы увидим, какие трудности возникнут после изменений. Однако, когда электромагнетизм объединяется с квантовой механикой, трудности остаются. Поэтому сейчас не будет пустой тратой времени рассмотреть эти трудности.
Фейнман считал, что эти вопросы имеют первостепенное значение. В лекции, прочитанной после получения Нобелевской премии в 1965 году за работу по квантовой электродинамике, он посвятил значительную часть времени обсуждению классической электродинамики.
В сотрудничестве с Джоном Уилером, руководителем ряда выдающихся учёных, включая Хью Эверетта III, изобретателя многомировой интерпретации квантовой механики, и Кипа Торна, солауреата Нобелевской премии 2017 года за обнаружение гравитационных волн, Фейнман предложил радикально переосмыслить классическую электродинамику.
Уилер и Фейнман, как и Ритц, отказались от электромагнитного поля и оставили только частицы. Как я уже упоминал ранее, в теории Ритца без поля частицы взаимодействуют через промежутки в пространстве и времени, так что каждая частица реагирует на прошлые состояния других частиц. В теории Уилера — Фейнмана частицы реагируют как на прошлое, так и на будущее поведение друг друга. Как в фильме о путешествиях во времени, будущее может влиять на прошлое. Это безумная идея, но, похоже, она работает. При определённых обстоятельствах эта теория позволяет точно предсказывать движение частиц без какого-либо реального самовзаимодействия.
В докладе под названием «Почему теории поля — это не теории полей» Дастин Лазарович, представляющий Лозаннский университет, поддержал позицию Ритца, Уилера и Фейнмана. В теориях действия на расстоянии, предложенных этими физиками, невозможно предсказать, что будет делать частица в конкретный момент, просто взглянув на то, что делают другие частицы в этот момент. Также нужно учитывать, что они делали в прошлом (и, возможно, что они будут делать в будущем).
Лазарович утверждает, что электромагнитное поле — это просто полезное математическое устройство для учёта, которое кодирует информацию о прошлом и будущем, а не реальная вещь в мире.
Затем Лазарович перешёл от классической электродинамики к квантовой. Как и многие другие физики, он считает, что стандартные формулировки квантовой электродинамики неудовлетворительны, отчасти потому, что они не дают чёткого представления о том, что происходит в природе. Его исследовательская программа по усовершенствованию теории содержит ряд нестандартных элементов.
Во-первых, Лазарович знает, что квантовая электродинамика страдает от проблемы квантовых измерений, и считает, что мы должны принять решение, предложенное Дэвидом Бомом, который постулировал существование точечных частиц, отличных от квантовой волновой функции. Во-вторых, он хочет построить квантовую электродинамику на основе версии классической электродинамики без полей, в которой частицы взаимодействуют напрямую друг с другом (как у Уилера и Фейнмана). В-третьих, он принимает противоречивую идею Дирака о том, что пространство заполнено огромным «морем» электронов с отрицательной энергией. Это «море Дирака» занимало центральное место в ранних исследованиях в области квантовой электродинамики, но вышло из моды в большинстве современных представлений этой теории.
Эти идеи хорошо сочетаются друг с другом, и Лазарович надеется, что они позволят избежать некоторых неприятных бесконечностей, возникающих в квантовой электродинамике. Мне интересно посмотреть, к чему приведёт этот подход.
В поддержку исследований, отклоняющихся от общепринятых, Фейнман сказал в конце своей Нобелевской лекции, что прогресс в физике вполне может быть достигнут кем-то, кто изучает «квантовую электродинамику с необычной точки зрения, которую ему, возможно, придётся изобрести самому».
В классической электродинамике для описания электрона используется концепция распределённого заряда и энергии в поле Дирака. В отличие от точечной частицы, заряд распределён, поэтому электромагнитное поле, создаваемое этим зарядом, не будет бесконечно сильным в какой-либо точке пространства. Это делает проблему самовоздействия менее острой. Однако она всё ещё не решена.
Если заряд электрона распределён, то почему различные части электрона не отталкиваются друг от друга, и электрон не распадается? Этот вопрос остаётся открытым и требует дальнейшего изучения.
Ранее мы рассматривали электрон как маленький шарик, но теперь подход изменился. Цель состоит не в создании новой модели электрона, а в поиске её в существующих уравнениях квантовой электродинамики. В квантовой физике принято считать, что электрон во многом ведёт себя как вращающееся тело, но на самом деле он не вращается. У электрона есть спин, но он не вращается.
Если рассматривать электроны как поле, то и фотоны можно рассматривать так же.
Если рассматривать электрон как точку, то, конечно, не имеет смысла говорить о его вращении. Однако если представить электрон в виде небольшого шарика, то возникает вопрос, может ли он вращаться быстрее скорости света, чтобы объяснить особенности, которые мы называем «вращением».
Из-за опасений, что электрон может вращаться быстрее скорости света, физикам, которые открыли вращение в 1920-х годах, было неловко публиковать свои результаты.
Если электрон представляет собой распределённый сгусток энергии и заряда в поле Дирака, то нет необходимости в движении со скоростью, превышающей скорость света. Мы можем изучить движение энергии и заряда, чтобы понять, движутся ли они по кругу вокруг центральной оси — это поможет понять, вращается ли электрон. И он действительно вращается.
В квантовой электродинамике мы не можем рассматривать фотон как частицу. Дирак создал уравнение, описывающее квантовое поведение одного электрона. Но для фотона такого уравнения нет.
Если вы думаете об электронах как о частицах, вам придётся думать о фотонах иначе — либо исключив их (история Лазаровичи), либо рассматривая их как поле (история Хьюберта). С другой стороны, если вы думаете об электронах как о поле, то можете рассматривать фотоны так же. Я считаю, что эта согласованность — достоинство концепции всех полей.
В настоящее время трёхсторонний спор между Эйнштейном, Ритцем и Фарадеем остаётся нерешённым. Мы, безусловно, добились прогресса, но у нас нет окончательного ответа. Пока неясно, что говорят нам о реальности классическая и квантовая электродинамика: всё ли состоит из частиц, полей или и того, и другого.
Этот вопрос не является основным в современных исследованиях в области физики. Теоретические физики в целом считают, что мы достаточно хорошо понимаем квантовую электродинамику, чтобы двигаться дальше, и теперь нам нужно работать над созданием новых теорий и поиском способов их проверки с помощью экспериментов и наблюдений.
Это может быть путь вперёд. Однако иногда прогресс в физике требует сначала вернуться назад, чтобы пересмотреть, переосмыслить и обновить уже существующие теории. Для проведения таких исследований нам нужны учёные, которые совмещают в себе роли физика и философа, как это делали тысячи лет назад в Древней Греции.