В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Теперь все становится сложнее, так как нет смысла останавливаться и на этом. Одиночный пион может точно так же на короткое время превратиться в нейтрон и в антипротон, а затем вернуться в нормальное состояние, причем это может произойти и с виртуальным пионом, который сам является частью диаграммы Фейнмана для протона или нейтрона. Протон, который спокойно движется по своему пути, может взорваться вихрем виртуальных частиц, взаимодействующих друг с другом, а затем снова собраться в самого себя. Все частицы можно считать комбинациями других частиц, задействованных в том, что Фритьоф Капра назвал «космическим танцем». Но история не заканчивается и на этом. Пока мы еще не получили нечто из ничего, хотя и получили многое из малого. Теперь давайте обратим внимание на крайности.

Рис. 9.12. Все фундаментальные силы можно представить в качестве обмена частицами. На этих примерах две тяжелые частицы (М) взаимодействуют посредством обмена гравитоном (Г), а два кварка взаимодействуют посредством обмена глюоном.

Рис. 9.13. Как всегда, направление времени на этих диаграммах зависит от нашего выбора. В случае А нейтрон и протон, двигающиеся вверх, взаимодействуют посредством обмена мезоном. В случае В нейтрон и антинейтрон, двигающиеся слева направо, встречаются и аннигилируют, создавая мезон, который в свою очередь распадается, создавая пару протон – антипротон. Такие «перекрестные реакции» показывают, как понятия силы и частицы становятся неразличимыми.

Рис. 9.14. Два протона отталкиваются друг от друга, обмениваясь пионом.

Если существует фундаментальная неопределенность энергии частицы на достаточно коротком временном отрезке, то мы также можем сказать, что есть и фундаментальная неопределенность о том, существует ли частица вообще на достаточно коротком временном отрезке. Если соблюдаются некоторые законы – например, закон сохранения электрического заряда и равновесие между частицами и античастицами, – то ничто не мешает целому пучку частиц появиться из ничего и затем, рекомбинируя друг с другом, исчезнуть, до того как Вселенная заметит это расхождение.

Рис. 9.15. Два электрона взаимодействуют друг с другом посредством обмена фотоном.

Рис. 9.16. С помощью заряженного пиона нейтрон превращается в протон посредством взаимодействия с протоном, который становится нейтроном.

Рис. 9.17. Протон может также создать «виртуальный» протон при условии, что он будет быстро поглощен вновь.

Рис. 9.18. Отталкивание двух протонов посредством обмена пионами на самом деле гораздо сложнее, чем это казалось на рис. 9.14.

Электрон и позитрон могут появиться из ничего, если они исчезнут достаточно быстро. То же самое может произойти с протоном и антипротоном. Строго говоря, электроны способны на этот трюк только при помощи протона, а протоны – при помощи мезона, чтобы обеспечить необходимое «рассеяние». Фотон, которого не существует, создает пару позитрон – электрон, которая затем аннигилирует, чтобы создать фотон, который изначально их создал, ведь фотон, как мы помним, не отличает прошлое от будущего. Или же можно представить, что электрон ловит себя за хвост в круговороте времени. Сначала он появляется, выскакивая из вакуума, как кролик из шляпы фокусника, затем проходит небольшое расстояние вперед во времени, понимает свою ошибку, признает собственную нереальность и разворачивается назад, возвращаясь туда, откуда он появился, путешествуя назад во времени до стартовой точки. Там он снова меняет направление, и цикл продолжается при помощи взаимодействия с фотоном – высокоэнергетического процесса рассеяния – в каждом «конце» цикла.

Согласно нашим лучшим теориям о поведении частиц, вакуум – это бурлящая масса виртуальных частиц, которые существуют сами по себе, даже когда рядом нет «настоящих» частиц. И это не просто праздная возня с уравнениями, ведь, не делая поправку на эффект этих вакуумных флуктуаций, мы просто не сможем получить верные ответы на задачи, включающие рассеяние частиц друг другом. Это веское свидетельство того, что теория, как мы помним, основанная прямо на соотношениях неопределенности, верна. Виртуальные частицы и вакуумные флуктуации столь же реальны, как и все остальное в квантовой теории, – столь же реальны, как корпускулярно-волновой дуализм, принцип неопределенности и действие на расстоянии. В таком мире едва ли кажется честным вообще называть парадоксом загадку кота Шрёдингера.

Кот Шрёдингера