Преодоление инерции понятий

Важнейшую роль в построении ФКМ играет язык, являющийся формой работы и проявлений сознания. Поэтому инертность, консерватизм выраженных языком понятий препятствуют их увязыванию при построении целостной ФКМ. Пример — понятие «вакуум». В буквальном переводе с латинского и, но общепринятым представлениям вакуум — это пустое пространство вне вещества. Однако представление о пустоте подводит порой мышление: если в освобожденную от бензина, т. е. «пустую», бочку бросить спичку, то пустота проявит себя во всей полноте. Нечто подобное произошло и в физике.

Для электрона с массой покоя т_е из формулы (2.43) следует Е = = у]с²р² + т²с^А. Отсюда при р = 0 Е — ±т_ес², а при р # 0 получаем значения.

Е > +т_ес² и Е < -т_ес². Они образуют спектр энергий, напоминающий зонную диаграмму твердого тела с запрещенной зоной шириной 2т_ес² (рис. 12.1). Это верно формально-математически, но физически отрицательные значения энергии электрона выглядели нереально — такие решения обычно отбрасывают. Английский физик II. Дирак этого не сделал. Он предположил, что верхняя зона соответствует той, привычной, реальности, в которой находимся мы (т.е. частицы, из которых мы состоим), а также наблюдаемые нами частицы, например обычные электроны.

Рис. 12.1.

Нижняя зона — это вакуум. Он нс только не «пуст», но, наоборот, «переполнен» частицами, а не проявляют они себя лишь по той причине, что все энергетические уровни гам заполнены (точно так же не проявляют себя электроны в заполненной валентной зоне диэлектрика). Верхняя же зона (известный нам мир) почти свободна, и потому электрон легко может в ней перемещаться, проявляя себя для нас. Для того чтобы он попал в нее из вакуума, ему нужно сообщить энергию > 2т_€с² = 1,02 МэВ, которая лежит в диапазоне энергий у-квантов. В этом случае электрон из зоны с отрицательной энергией перейдет в зону с положительной энергией, оставив в нижней зоне дырку, т. е. дефицит отрицательного электрона, который есть позитрон — положительно заряженный электрон (переход 1 на рис. 12.1, б).

Эта революционная гипотеза (Нобелевская премия 1933 г.), схема которой напоминает механизм проводимости полупроводников (см. параграф 10.7), была затем подтверждена американским физиком К. Андерсоном в 1932 г. Он действительно обнаружил позитроны (РД в космических лучах, проходящих через вещество (Нобелевская премия 1936 г.). Наличие вещества здесь важно потому, что импульс исходного у-кванта больше, чем суммарный импульс возникающей электрон-позитронной пары: для сохранения импульса поблизости должна быть частица, уносящая его избыток.

Кроме описанного процесса возможен и обратный, т. е. воссоединение электрона с позитроном, приводящее к их превращению в излучение: р + р₊ ~^> 2у (переход 2 на рис. 12.1, б). Это явление, аналогичное рекомбинации электрона и дырки в полупроводниках, названо аннигиляцией. Рождение двух у-кваитов, а не одного, обусловлено тем же законом сохранения импульса, требующим разнести импульсы квантов в разные стороны, чтобы импульс системы оставался прежним (нулевым).

Частицу, которая во всех отношениях составляет пару обычной частице, но имеет противоположный заряд, называют античастицей. Античастицы найдены не только для электрона, что свидетельствует о существовании в природе зарядовой симметрии. Мы живем в мире, состоящем из частиц, — античастицы весьма редки, но их можно получать искусственно. В 1955 г. был получен антипротон (Беркли, США), а в 1995 г. — даже целый атом — антиводород (ДЕРН, Швейцария). Возможно, где-то существуют симметричные нашему миру иные миры, состоящие из антивещества, атомы которого содержат ядра из антипротонов и антинейтронов, а оболочки — из позитронов.

Таким образом, в представления и аппарат физики была введена новая сущность — античастицы. Такая симметрия придавала большую целостность ФКМ.

Весьма масштабным оказалось преодоление инерции и одного из следствий второго закона термодинамики, которое выходит далеко за рамки физики и выглядит, мягко выражаясь, пессимистично: всякая упорядоченность исчезнет. При таких перспективах становится бессмысленной и конструктивная деятельность человека. Поскольку любые системы стремятся к хаосу теплового равновесия (максимуму энтропии), то это ожидает и всю совокупность систем, т. е. Вселенную. К такому выводу в 1852 г. пришел У. Томсон (лорд Кельвин), а затем его поддержал Р. Клаузиус: звезды остынут, в замирающем молекулярном хаосе любая жизнь прекратится Вселенную ждет тепловая смерть. Тем самым авторы концепции перечеркнули и возможность возникновения человеческой цивилизации, в том числе собственное рождение, приведшее к этим разрушительным мыслям. Тем не менее возразить им было нечего — концепция тепловой смерти базировалась на реально существующих диссипативных процессах (диффузии, теплопроводности, вязкости) и уравнениях переноса, которые адекватно их описывали и подтверждались практикой.

Возражение Л. Больцмана опиралось на статистический характер второго закона термодинамики: статистика предполагает флуктуации, которые могут быть направлены в разные стороны, в том числе в сторону упорядочения материи. Однако этот аргумент убедительным не выглядел. Несмотря на флуктуации, многовековые наблюдения свидетельствуют, что диссипативные процессы ведут именно в сторону более вероятных состояний. Не бывает, чтобы разлитая и растекшаяся вода сама собой собралась обратно в бутылку, памятник сам собой восстановился и т. д. — время течет в направлении хаотизации.

Гипотеза тепловой смерти нанесла ощутимый удар по целостности ФКМ. Не только ее детали, но и Вселенная в целом оказалась хрупким образованием, каким-то чудом сохранившимся до вынесения этого смертного приговора.