Що насправді є фундаментом нашого Всесвіту — частинки чи поля?
З чого складається наш Всесвіт
Якщо запитати людину, з чого складається Всесвіт, більшість відповість приблизно однаково. З атомів. Атоми складаються з електронів, протонів і нейтронів. Планети складаються з атомів. Зірки складаються з атомів. Ми з вами також складаємося з атомів. Іншими словами, нам здається, що весь Всесвіт побудований із частинок.
На перший погляд, це цілком логічно. Ми бачимо навколо себе тверді предмети. Бачимо пісок, пил, краплі дощу. Усе це складається з маленьких частинок. Тому не дивно, що протягом багатьох століть вчені уявляли Всесвіт як величезну сукупність частинок, які рухаються і взаємодіють між собою.
Невидимі сили
Але, як пояснити, що при наближенні магніту до цвяха той починає рухатись. Магніт ніби тягне його до себе. Але як саме? Що знаходиться між магнітом і цвяхом? Адже вони навіть не торкаються одне одного.
Схожа ситуація відбувається і з електрикою. Якщо потерти повітряну кульку об волосся, а потім піднести її до маленьких папірців, вони почнуть притягуватися до кульки. Знову те саме запитання. Чому кулька притягує до себе папірці? Що передає цю силу крізь порожній простір?
Ті ж самі запитання можна поставити про гравітацію – чому Місяць рухається навколо Землі, а Земля – навколо Сонця? Що саме пов’язує їх між собою?
Свого часу ця проблема турбувала Ісаака Ньютона. Він створив теорію тяжіння, яка надзвичайно точно описувала рух планет. Але сам Ньютон не міг пояснити, як гравітація передається через порожній простір. Ідея миттєвої дії на відстані здавалася йому дуже дивною.
Як науковці винайшли поля
Справжній прорив стався лише в XIX столітті. Фізики поступово дійшли висновку, що взаємодія між тілами не передається безпосередньо. Між ними існує дещо інше. Те, що сьогодні ми називаємо полем.
Щоб зрозуміти цю ідею, уявімо карту погоди. У різних точках Землі температура різна. В одному місці може бути двадцять градусів тепла, в іншому — десять, а десь і зовсім мороз. Ми можемо сказати, що кожній точці простору відповідає певне значення температури.
Що таке поле
Поле працює схожим чином. Поле — це невидима структура, яка заповнює простір і може впливати на частинки. А математично фізики описують його як величину, що має певне значення в кожній точці простору.
Наприклад, електричний заряд створює навколо себе електричне поле. Ми не можемо побачити його безпосередньо, але можемо спостерігати його дію. Якщо поруч опиниться інший заряд, поле почне впливати на нього і змусить рухатися. Тобто одна частинка вже не тягне іншу напряму. Спочатку вона створює поле, а вже поле діє на інші частинки.
Приблизно в той самий час вчені відкрили і магнітне поле. Якщо покласти аркуш паперу на магніт і посипати його залізними ошурками, ошурки вишикуються у красиві вигнуті лінії. Наче вони малюють невидиму структуру, яка існує навколо магніту. Ці лінії не є самим полем, але вони дозволяють побачити його форму.
Світло – те ж поле
І саме дослідження електричних та магнітних полів привело фізиків до одного з найбільших відкриттів в історії науки. У середині XIX століття британський фізик Джеймс Клерк Максвелл зрозумів, що електричне та магнітне поля пов’язані між собою. Змінне електричне поле породжує магнітне поле. А змінне магнітне поле породжує електричне. Виявилося, що ці поля можуть підтримувати одне одного і поширюватися простором у вигляді хвилі.
Коли Максвелл обчислив швидкість такої хвилі, він отримав дивовижний результат. Ця швидкість точно збігалася зі швидкістю світла. Так фізики зрозуміли, що світло — це не потік якоїсь речовини. Світло є коливанням електричного і магнітного полів.
Як з’ясувалося, поля можуть переносити енергію і навіть існувати самостійно у вигляді електромагнітних хвиль. Фактично кожного разу, коли ми бачимо сонячний промінь, світло лампи або екран смартфона, ми спостерігаємо хвилі полів, які поширюються крізь простір.
Здавалося б, на цьому історія могла б завершитися. Але у XX столітті фізика зробила крок, який перевернув саме поняття матерії. Виявилося, що частинки можуть бути не фундаментом реальності, а лише проявом чогось глибшого. Ми звикли думати, що Всесвіт складається з частинок. Але що, якщо насправді першими були не вони, а поля? І частинки — лише їхній прояв?
Як сучасна фізика описує поля
Сучасна фізика описує Всесвіт не як набір частинок, що літають у порожнечі. Натомість увесь простір заповнений різноманітними полями. А те, що ми називаємо частинкою, насправді може бути лише маленьким збудженням відповідного поля.
Можна уявити поверхню спокійного озера. Саме озеро існує постійно. А хвиля на його поверхні з’являється лише на певний час. У сучасній фізиці поле нагадує озеро, а частинка — хвилю на його поверхні.
Якщо ця картина правильна, то електрони, атоми, планети, зорі і навіть ми самі — це не сукупність маленьких твердих кульок. У певному сенсі весь матеріальний світ є складним візерунком хвиль у невидимих полях, які заповнюють Всесвіт.
Можливо, фундаментом реальності є зовсім не частинки. Можливо, основою всього є поля. А частинки — лише тимчасові хвилі в цих полях. Але якщо це так, то виникають нові запитання.
Скільки фундаментальних полів існує у Всесвіті? Звідки вони взялися? І чому одні поля створюють матерію, а інші — світло?