Борис Штерн - Прорыв за край мира

В следующих главах речь пойдет о процессах, воспроизведение которых выходит за пределы возможностей экспериментальной физики высоких энергий на много порядков величины. Одна из теорий, которая позволяет приблизиться совсем близко к Началу, где-нибудь на 10 -35с, называется теорией великого объединения. Речь здесь идет об объединении физических взаимодействий, а не наук. О ней более подробно расскажем ниже, а сейчас пару слов о еще более далеком пределе — совершенно недостижимом экспериментально, но явно просматривающимся теоретически.

«Быть может, эти электроны — миры, где пять материков…» — Валерий Брюсов написал это в 1920 году, когда уже закладывались основы квантовой механики, говорящей, что этого быть не может в принципе. Мир на разных масштабах не самоподобен — тут дело не только в квантовой механике: муха размером со слона не сможет не только летать, но и ползать -лапы не выдержат. Но квантовая механика меняет мир радикально: исчезает траектория частицы, исчезает однозначная причинно-следственная связь, исчезает полная детерминированность будущего настоящим. Ричард Фейнман высказался в том духе, что квантовую механику не понимает никто, но есть люди, которые хорошо умеют ей пользоваться и описывать с ее помощью явления природы.

Квантовая механика достаточно проста с математической точки зрения, пока она остается в рамках описания нерелятивистских частиц во внешнем потенциале. Но и в этих рамках она тяжела для интерпретации, порождая всякие курьезы типа кота Шрёдингера (суперпозиция живого и мертвого котов), многомировой интерпретации и сильного антропного принципа (чтобы вселенная реализовалась, в ней должен возникнуть наблюдатель).

Квантовая теория поля даже в рамках теории возмущений по зубам только профессионалам, хорошо владеющим нужным математическим аппаратом, за рамками метода возмущений уже непотребно сложна и не имеет точного конструктивного математического описания. Приходится вводить дискретное пространство-время (решетку), чтобы хоть написать конструктивные выражения.

И всё же в квантовой механике есть один очень простой принцип, позволяющий сразу оценивать масштаб квантовых явлений. Это принцип неопределенности Гейзенберга. Напомним:

Δ р Δ х ~ ћ /2

Δ E Δ t ~ ћ /2,

где Δр — неопределенность в импульсе частицы, Δ х — неопределенность в положении частицы, вторая строчка — аналогично для неопределенностей в энергии и времени, ћ — постоянная Планка. Это столь же фундаментальная постоянная, как и скорость света. К ним надо добавить еще гравитационную постоянную G . Если и есть что-то общее у разных вселенных, то, скорее всего, именно эта тройка констант. Конечно, общими не могут являться их конкретные численные значения — они есть результат нашего произвольного выбора единиц. Наоборот, эти константы задают естественную систему единиц, правда, не очень удобную для нас (см. ниже в этой главе). Общность скорее может заключаться в том, что процессы в разных вселенных имеют в этих естественных единицах одинаковое описание.

Из соотношения неопределенностей легко оценить, например, размер атома водорода R H не прибегая к решению квантомеханических уравнений: энергия связи электрона в атоме порядка Е = e 2/ R H , где е — заряд электрона. Кинетическая энергия связанного электрона должна быть порядка половины энергии связи — во всяком случае, такой принцип соблюдается в классической механике. От более глубокого падения электрона на протон страхует как раз принцип неопределенности: Δ р Δ х ~ √ Em е , R H~ ћ /2. Из этих условий находим, что R H= ћ 2/4 e 2/ m e = 0,13·10 -8см, что в четыре раза отличается от размера боровского радиуса (который, конечно, тоже весьма условно характеризует размер атома). Такую точность можно считать вполне удовлетворительной.

Обратите внимание, что масса электрона стоит в знаменателе. Это значит, что если вместо электрона в атоме будет более тяжелая частица, то его размер будет меньше. Так и есть, мюонный атом водорода в 100 раз меньше нормального атома водорода. Но мюон живет всего 10 -6с. А если бы он был стабилен? Тогда могли бы существовать молекулы в 100 раз меньшего размера, а также в миллион раз более плотные жидкости и твердые вещества.

Таким образом, квантовая механика диктует: системы меньшего размера можно строить только из более тяжелых частиц, и связаны они должны быть сильнее. Так что ни о каких мирах на масштабах атома речи идти не может. У нас нет более тяжелых стабильных частиц! Стабильная составная система наименьшего размера, существующая в нынешней Вселенной, — протон.