Book: Вселенная в электроне



Вселенная в электроне
Вселенная в электроне

В.С. Барашенков

Вселенная в электроне

Введение

Мальчишкой я мечтал стать авиаконструктором. Это были первые послевоенные годы, и мое воображение, еще не остывшее от военных сводок информбюро, было захвачено проектами летающих танков-амфибий, сверхдальних бомбардировщиков, истребителей «без мотора» — на реактивной тяге. О физике я не думал, она казалась мне страшно скучной: динамометры, блоки, расчеты линз, нудные задачки на теплоемкость. Но однажды мне в руки попала небольшая книжечка с интригующим названием: «Лучи из мировых глубин». Откуда приходят к нам эти лучи, что их порождает и разгоняет в пустом пространстве космоса до сверхвысоких энергий — все было загадкой. Чтобы разгадать ее, ученые создавали сложные приборы, опускали их в глубины океана, оставляли в недрах темных пещер, поднимали на стратостатах в бескрайнюю голубизну неба. Опыты приносили новые загадки…

Оказалось, что физика — удивительно увлекательная и интересная наука! С одной стороны — море фантазии: взрывающиеся частицы, бездны атомов, миры и антимиры, а с другой — строгие доказательства, вязь математических формул, понятных лишь посвященным. И я пошел учиться на физический факультет университета.

С тех пор прошло сорок лет, и мне не наскучило заниматься физикой.

Сегодня физическая наука совсем не та, что была полвека назад. Современные институты похожи на крупные заводы с сотнями научных сотрудников, тысячами инженеров и рабочих. Залы, в которых размещаются физические установки, сравнимы с крупными стадионами. И все это начинено сложнейшей электроникой и автоматикой. Холод, при котором воздух становится жидким и течет как вода, соседствует с температурами в десятки миллионов градусов, когда любое вещество взрывается, как капля масла на раскаленной сковородке, мгновенно превращаясь в плазменный газ. Давление в тысячи атмосфер и глубокий вакуум, в котором редкие атомы удалены друг от друга, как звезды в космосе. Батискафы помогают физикам устанавливать приборы на дне глубочайших океанских впадин, а ракеты выносят их за пределы Солнечной системы.

Но, пожалуй, самое удивительное в современной физике — это неожиданно тесная связь Вселенной, как целого, со свойствами элементарных частиц — простейших, невидимых даже под микроскопом «кирпичиков», из которых «склеено» все окружающее нас вещество. Казалось бы, совсем различные и несоизмеримые объекты, но вот получается, что при определенных условиях Вселенная может обладать свойствами микрочастицы, а некоторые микрообъекты, возможно, содержат внутри себя целые космические миры. Во всяком случае, так говорит теория. Большое и малое, сложное и простое — здесь все перепуталось.

Хитро устроена природа! Как говорится, поди разберись, где тут начало того конца, которым кончается это начало!

Космология — наука, изучающая свойства и развитие Вселенной в целом. Она пытается ответить на самые сокровенные вопросы мироздания: откуда произошел наш мир, был он всегда или же «родился» из какой-то иной формы материи, чем закончится его «жизнь» и закончится ли вообще? И самый главный вопрос: почему наш мир таков, каков он есть? Разве не может быть Вселенной, где, например, размеры всех атомов в десять раз больше, свет распространяется в несколько раз быстрее, и кроме длины, ширины и высоты, есть еще четвертое, а может быть, даже пятое и шестое измерения? Возможно, такие миры где-то существуют? А если нет, то почему?

Если космология интересуется бескрайними далями, то физика элементарных частиц, наоборот, устремлена в глубинные недра материи. Ее предмет — микромир. Основной вопрос, на который она ищет ответ, — из чего построен наш мир, что является его исходным «дном» и есть ли вообще такое «дно». Она исследует первичные частички вещества — «семена вещей», как говорили древние ученые, изучает сложные процессы их взаимопревращений.

Еще недавно космология и физика элементарных частиц считались совсем разными науками. Теперь между ними выявлена тесная связь. Здесь еще много нерешенных вопросов, тайн и поразительных парадоксов. Предполагается, что было время, когда Вселенная имела размеры микрочастицы. Там в океанах бурлящей плазмы обитали кентавры и сфинксы микромира — необычайно тяжелые, не дожившие до нашего времени частицы. Время тогда вело себя неспокойно, оно то вдруг поворачивало вспять, то опять выправлялось и текло в «нормальном» направлении. Пространство тогда распадалось на отдельные порции-кванты, а вещество превращалось во всполохи волн. Там часть могла быть больше целого, левое не отличалось от правого, целые области пространства могли сворачиваться, как раковина, схлопываться и проваливаться в «черные дыры». Безудержная фантазия писателей-фантастов бледнеет перед диковинами, которые открывают нам породнившиеся космология и физика элементарных частиц!

Вот об этом и пойдет речь в нашей книге. Ее цель — познакомить юного читателя с тем, как устроен окружающий нас мир в самом большом и самом малом, рассказать о проблемах, надеждах и трудностях, лежащих на пути ученых, пробивающих узкие тропки в Страну Неизвестного, которые превратятся потом в просторные шоссе технического прогресса. Читатель увидит, какое благодатное поле предоставляет физика для умелых рук и пытливого ума тех, кто изберет ее делом своей жизни.

История науки учит, что всякий раз, когда человечество овладевает очередной ступенькой лестницы, ведущей в глубь вещества, это приводит к открытию нового, еще более мощного вида энергии. Горение и взрыв связаны с перестройкой молекул. Внутриатомные процессы сопровождаются выделением в миллионы раз большей энергии. С еще более мощным энерговыделением мы встречаемся на уровне элементарных частиц. А что будет на следующих ступенях? Изучение строения вещества — это одновременно и поиск новых источников энергии. Не зря говорят, что нет ничего практичнее хорошей теории!

Когда речь идет о переднем крае науки, где самим ученым еще далеко не все ясно, возникает трудная задача: как рассказать об этом так, чтобы было достаточно просто и вместе с тем донести до читателя суть того, что волнует специалистов. Кто-то, возможно, искренне удивится: в чем, собственно, проблема? Ведь речь идет о вещах, хорошо знакомых ученому. Что стоит, мол, ему поведать о том, что у него, как говорится, в зубах навязло!

Пожалуй, самое трудное здесь — это язык. Ученый говорит и думает на емком профессиональном языке, где за каждым словом — уйма специальных понятий. Экстраполяция, изоспин, интерференция, квантование — эти и множество других терминов используются в разговорах ученых как нечто само собой разумеющееся. Если запретить их, ученый буквально онемеет, потеряет язык. А как быть с читателем, которому все эти термины как колдобины на дороге? Попытаться переложить их на обиходный язык? Но тогда суть дела просто утонет в объяснениях, и ваш рассказ не станут ни читать, ни слушать. Вот и приходится использовать аналогии, заменять сложные понятия очень приближенными, зато наглядными образами.

Впрочем, так поступают и сами ученые, когда разъясняют своим коллегам новые понятия и идеи.

Трудные вопросы обладают свойством тянуть за собой вереницу новых. Никогда нельзя сказать: я понял все. На заднем плане всегда остается частокол «как» и «почему». Один из физиков любил повторять, что у понимания есть три стадии: первая — когда кажется, что все ясно, вторая — когда появились вопросы, и третья — когда эти вопросы затмили тот, с которого все началось. Это, конечно, шутка, но в ней скрыта глубокая мысль. Чем глубже мы понимаем проблему, тем серьезнее становятся рожденные ею новые вопросы.

По своему опыту знаю, что книги о науке полезно читать дважды. Первый раз быстро, чтобы составить общую картину и в главных чертах уяснить, что к чему. Потом еще раз — медленно и вдумчиво, разбирая детали, а главное, постоянно задавая себе вопрос: почему? Бальзак как-то верно заметил, что ключом ко всякой науке является вопросительный знак.

И еще одно. На переднем крае науки надо быть готовым встретиться с идеями и фактами, которые покажутся несовместимыми со здравым смыслом. Не следует только забывать, что «здравый смысл» — это всего лишь основанная на опыте привычка видеть ход вещей в определенном свете, привычка, которая может подвести в области новых явлений. Здесь надо семь раз подумать, прежде чем сказать: это невозможно, этого не может быть.

Очень поучителен случай, который произошел в Парижской Академии наук в конце XVIII века. Тогда большинство ученых отказывалось верить многочисленным свидетелям падения метеоритов. Такого не может быть, и все, камней на небе нет! И когда пришло очередное сообщение, подписанное мэром и многими жителями одного из гасконских городков, академики приняли специальное решение о необходимости более энергичной борьбы «с суеверием». Но камни с неба продолжали падать, и Парижской Академии не оставалось ничего другого, как забыть о своем опрометчивом решении.

В таинственных джунглях Страны Неизвестного следует быть очень осторожным. Плохо, если мы тигра примем за большую домашнюю кошку, но и горящие в темноте кошачьи глаза не следует путать с глазами монстра. Компасом тут служит эксперимент. Только он в конечном счете может сказать, правильны наши представления или нет.

Безусловно, в книге нет готовых ответов на все вопросы, которые возникнут у читателя. Часть ответов может найти сам читатель, если будет размышлять, сопоставлять и сравнивать прочитанное. А тем, кто захочет глубже заглянуть в суть проблемы, полезно будет заглянуть и в другие книги на эту тему.

Вселенная в электроне

Глава I

Пять ступеней вглубь

Ступень молекул, ступень атомов… Сегодня известно пять таких ступеней, пять этажей мироздания. Что находится на самых нижних из них? Есть ли что-нибудь еще глубже? Куда ведет эта лестница — в бездну бесконечного или же, в конце концов, мы спустимся в самый нижний этаж, в подземелье, где спрятаны главные тайны нашего мира?

Какие законы управляют миром? Каждый этаж — удельное княжество, монастырь со своим собственным уставом или же это — рядовая губерния единого государства с обязательным для всех общим законом? Как устроено это государство — по принципу монархии, когда где-то глубоко в недрах материи есть самый главный Первоэлемент, или же по законам демократии с равноправными гражданами-частицами на каждом этаже?

Итак, как устроен и из чего состоит наш мир в самых глубинных его слоях?

А как туда заглянуть, с помощью какого микроскопа? Может быть, там прячутся «атомы пространства» — последние неделимые далее «пузырьки», внутри которых больше уже ничего нет?

Масса вопросов, один сложнее другого. Попытаемся ответить хотя бы на некоторые из них. Вступим на первую ступеньку лестницы, ведущей в недра материи.

Вселенная в электроне

Кто первым сказал «а»?

Знаменитый греческий ученый Фалес жил 2600 лет назад. Немногие свидетельства о его жизни, которые дошли до нас сквозь толщу тысячелетий, говорят, что это был общительный, жизнерадостный человек отменного здоровья, сочетавший занятия наукой со спортом. Он не раз завоевывал олимпийские призы. И умер он на стадионе от солнечного удара, когда в почтенном 78-летнем возрасте аплодировал соревнованию олимпийцев.

Фалес долго прожил в Египте, стараясь проникнуть в тайны жрецов. Его знания по геометрии и астрономии поражали современников. Особенно после того, как он предсказал полное солнечное затмение. Это явление, когда солнце становится черным диском и наступает ночь среди бела дня, даже сегодня порождает подсознательный страх у многих людей. Можно представить, какое волнение и ужас вызывало оно две-три тысячи лет назад!

Но главная заслуга Фалеса в том, что он первым поставил вопрос об исходных элементах мира. Он раньше всех увидел лестницу, ведущую в глубь вещества.

Последующие двести лет греческие мудрецы, их называли философами — любомудрами, принимали за первичные различные вещества и процессы. Чаще всего это были вода (ей отдавал предпочтение и сам Фалес), воздух, земля, огонь. С современной точки зрения, весьма наивные попытки. Седобородые греческие мудрецы топтались на верхней площадке структурной лестницы, пытаясь ощупью найти ее ступени.

Приборы, которыми располагали греки, были очень примитивны. Главными из них были весы да еще сосуды для измерения объемов. Даже плохонькая физическая лаборатория какой-нибудь маленькой нынешней школы показалась бы им фантастической. Основным оружием древнегреческих ученых была логика. Оказывается, если иметь острый глаз и светлую голову, то уже самых обычных явлений окружающей жизни достаточно, чтобы получить важные выводы о глубинных свойствах вещей.

Это сделали последователи Фалеса — Левкипп и его ученик Демокрит. Они пропустили ступеньку молекул и сразу шагнули на ступень атомов.

Когда спрашивают, кто первым открыл атом, ответ всегда вызывает удивление. Его сначала придумали, почти на две с половиной тысячи лет раньше, чем открыли. Это случилось в небольшом, как теперь говорят, заштатном, греческом городке Абдеры. Хотя, по преданию, жители этого городка издавна почитались за простофиль и недотеп, этого нельзя сказать об их знаменитых согражданах Левкиппе и Демокрите. О первом известно мало. Труды Левкиппа не сохранились, его имя лишь изредка упоминается в книгах древних ученых. О Демокрите известно значительно больше. Он происходил из очень богатой семьи, но, как повествует легенда, все оставшееся ему наследство растратил на путешествия и учебу.

Растратить наследство в Древней Греции считалось одним из самых тяжких преступлений и каралось изгнанием. Однако когда на суде Демокрит зачитал свой труд, где излагалась идея атомов, жители Абдер — представьте себе! — не только простили его, но даже наградили деньгами, оценив его труд суммой, большей чем потерянное наследство!

С Демокритом связана масса легенд. Рассказывают, что даже смерть его была необычной. Столетним старцем, почувствовав ее приближение, он, чтобы не портить праздника своим родным, сумел продлить свою жизнь, вдыхая запах горячих хлебов.

Слово «атом», точнее «атмон», было известно задолго до Левкиппа и Демокрита. В переводе с греческого оно означает «неделимое». Так греки называли и букву алфавита. По Левкиппу и Демокриту, атомы — буквы материальной азбуки природы, бесконечное число твердых, неделимых далее частичек. Подобно семенам растений, атомы могут быть различной формы: они круглые, пирамидальные, плоские и так далее. Поэтому и состоящий из них мир неисчерпаемо богат в своих свойствах и качествах. Цепляясь друг за друга крючками и крючочками (такие крючочки есть и у семян растений), атомы образуют твердые тела. Атомы воды, наоборот, гладкие и скользкие, поэтому она растекается и не имеет формы. Атомы вязких жидкостей обладают заусеницами. Воздух — это пустота, в которой носятся отдельные редкие атомы. Даже у огня, учил Демокрит, есть свои атомы. Они острые и колючие, поэтому огонь и жжется.

Американский физик Ричард Фейнман, много сделавший для нашего понимания глубинных этажей микромира (об этом еще пойдет речь ниже), как-то заметил, что если бы Земле грозила гибель и нужно было бы предельно кратко закодировать наше самое главное и ценное научное достижение, он выбрал бы слово «атом». В нем огромный информационный заряд.

Атомистика Левкиппа и Демокрита предлагала простое наглядное объяснение многим непонятным тогда фактам: почему от прикосновений верующих стирается позолота и «худеют» руки статуй богов, почему мел остается мелом, как бы тонко его ни истолкли, как распространяются запахи. Ведь иногда стоит только коснуться какого-либо вещества, и его запах много часов, а то и дней, сохраняется на руках и одежде. Подобных загадок было много. Конечно, их можно было объяснить и по-другому, поэтому древнегреческая атомистика — это только предположение, гениальная гипотеза. Для того чтобы превратить ее в строгий научный вывод, потребовалось почти двадцать пять веков.

В средние века, когда место науки заняла слепая вера в то, что ответы на все вопросы содержатся в святом писании, атомистику причисляли к изобретениям дьявола. Сторонников атомного учения преследовали еще в XVII веке. В 1624 году в Париже был издан специальный декрет, грозивший смертной казнью за устное или письменное распространение этого учения.

Права гражданства атому вернули лишь в начале прошлого века в связи с успехами быстро развивавшейся химии. Без этого нельзя уже было разобраться в разнообразии химических реакций. Главную роль в восстановлении прав атома сыграл английский химик Джон Дальтон. Он же воскресил и стал широко использовать в своих трудах забытое греческое слово «атом».



Атомная теория Дальтона не была простым повторением древнегреческой атомистики. В новой теории число различных типов атомов хотя и велико — много десятков (на сегодняшний день известно 109 различных атомов), но все же не бесконечно, как у Демокрита. Дальтон нашел много фактов, убедивших ученых в том, что атомы — это неделимые частицы ограниченного числа наипростейших веществ — химических элементов. Все остальные вещества состоят из тесно связанных больших и малых групп атомов — молекул. Они могут быть самыми различными — от одноатомных молекул металлов до страшно сложных, состоящих из десятков тысяч атомов белковых молекул. Это самая первая ступенька структурной лестницы, атомы — следующая.

Вселенная в электроне

Анатомия атома

В 1869 году внимание ученого мира было обращено к холодным и строгим шпилям Петербурга. Оттуда пришла сенсационная новость: 35-летний профессор Петербургского университета Д. И. Менделеев установил, что между атомами существует связь, которая проявляется в периодичности их свойств. Это было выдающимся открытием. И не только потому, что теперь можно было пересчитать все типы атомов, существующие в природе, в том числе и еще не открытые. Периодический закон Менделеева подсказывал, что в природе должно быть что-то еще более простое и первичное, чем атомы, то, что является причиной и порождает периодичность атомных свойств. Другими словами, должна быть следующая, заатомная ступенька. Неделимый атом должен делиться на части!

К такому выводу приводили и некоторые другие наблюдения. Так, было известно, что под действием высокого напряжения металлы испускают отрицательные электрические заряды. Московский физик А. Г. Столетов обнаружил, что такие заряды (их стали называть электронами) выбиваются из металлов лучами света. Все это наводило на мысль, что электроны входят в состав атомов. А отсюда сразу следовал другой вывод: в атоме есть положительно заряженная часть — ведь в целом-то вещество не имеет заряда, оно нейтрально.

Англичанин Дж. Томсон считал, что по своему строению атом похож на круглую булку с изюмом: положительно заряженное тесто с изюминками — электронами. За три года до конца XIX века Томсон измерил массу электрона. Оказалось, что он почти во столько же раз легче атома водорода, самого легкого из всех атомов, во сколько Земля легче Солнца. Возможно, именно эта аналогия навела француза Ж. Перрена на мысль о том, что атом устроен наподобие Солнечной системы — в центре тяжелое ядро с положительным электрическим зарядом, вокруг вращаются планеты — электроны. Статья Перрена, увидевшая свет в первый год нового, XX века, так и называлась: «Ядерно-планетарное строение атома».

Какая из этих двух моделей правильная — булка с отрицательно заряженным изюмом или микроскопическая солнечная система, — решили опыты Эрнста Резерфорда. Он первым потрогал, а лучше сказать — прощупал, атом с помощью альфа-частиц.

Альфа-частицы — это ядра атомов гелия. Они испускаются распадающимися атомами радия и, попадая на экран из светящегося материала, вызывают вспышки — маленькие искорки в тех местах, где частицы столкнулись с экраном. Точно так же экраны наших телевизоров светятся под действием пучка электронов. Так вот, пролетая сквозь атомы, альфа-частицы испытывают на себе действие их электрических полей, траектории частиц искривляются, и вместо одного светящегося пятнышка, которое оставил бы нерассеянный пучок альфа-частиц, на экране возникает россыпь искорок. При этом если экран установить в стороне, противоположной направлению движения первичного пучка, то на нем тоже иногда вспыхивают искорки — как будто некоторые альфа-частицы сталкиваются с чем-то очень тяжелым и отскакивают в обратном направлении, как горошины от стального бильярдного шарика. Роль такого шарика играет атомное ядро. Победила планетарная модель Перрена. «Это было похоже на то, — вспоминал впоследствии Резерфорд, — как если бы я увидел 16-дюймовый снаряд, отскочивший от листка газетной бумаги!» (В опытах Резерфорда в качестве атомной мишени использовалась тонкая фольга.)

Зная число слабо рассеянных и число отскочивших назад альфа-частиц, можно вычислить размеры атома. Результат получился ошеломляющим: если сравнивать с горошиной, то атом в сто миллиардов раз меньше, а его ядро еще в несколько десятков тысяч раз мельче. Можно сказать и по-другому: если бы атом вдруг вырос до размеров куриного яйца, его ядро сравнялось бы по величине с микробом. Ну а само куриное яйцо стало бы в несколько раз больше нашей соседки Луны! Это означает, что окружающие нас тела и мы сами состоим в основном из… пустоты.

Герои научно-фантастического романа Георгия Гуревича «Темпоград» нашли способ сжиматься до размеров муравья. Человеческий волос выглядел для них длиннющей толстой змеей, а пыльца цветов — шарами величиной с арбуз. Воздух, который кажется нам прозрачным и чистым, оказался заполненным массой плывущего в нем мусора, подобно грязной реке в половодье. Это была поразительная картина! Но еще больше путешественники в микромир удивились, когда уменьшились до размеров атома. Их поразила пустота, царящая в мире. Даже плотный кусок железа оказался практически пустым. Лишь редко-редко, по одной на несколько кубических метров (в масштабе уменьшившихся путешественников), в нем расположены мелкие, едва различимые глазом пылинки — атомные ядра. Электронов вообще не видно — они в тысячи раз меньше ядер. Но вот если бы кто-то из путешественников попытался поднять ядро-пылинку, он был бы поражен его тяжестью: спичечная коробка такого вещества весит столько же, сколько средней величины гора! В исчезающе малом объеме ядра заключена практически вся масса атома, на электроны приходятся лишь сотые доли процента. Плотность ядерного вещества в десять триллионов раз превосходит плотность железа.

Внутри ядра

После того как Резерфорд «разглядел» в недрах атома его крошечное ядрышко, многим казалось, что наконец-таки наука достигла самого дна природы — глубже этого уже ничего нет. Но прошло всего каких-то двадцать лет и был открыт нейтрон — частица по всем своим свойствам такая же, как ядро атома водорода — протон, но только без электрического заряда. Нейтральный протон. Физикам открылась еще одна, теперь уже четвертая по счету, ступенька в глубинах микромира.

Назвать протоном ядро самого легкого и маленького по величине атома предложил все тот же Резерфорд. Этот термин он образовал от греческого слова «протос» — первый. Одновременно это напоминает протеин — простейший белок, основу, из которой построены клетки всех живых организмов. Резерфорд был уверен, что ядра тяжелых атомов тоже каким-то образом должны быть связаны с протоном. В имени его нейтрального собрата, нейтрона, отражено основное отличительное свойство этой частицы — отсутствие заряда. Она не отталкивается электрическим полем ядра и, как нож в теплое масло, проникает внутрь атомных ядер, разваливая их на части или образуя новые ядра. Нейтрон оказался чрезвычайно удобным «щупом» для зондирования внутренности ядер. После его открытия ядерная физика двинулась вперед семимильными шагами.

В известной сказке А. Толстого длинноносый Буратино и его друзья открыли волшебную дверь в каморке папы Карло маленьким золотым ключиком, который мудрая черепаха Тортила нашла в глубоком илистом пруду. Для физиков таким сказочным золотым ключиком стал нейтрон, с его помощью им удалось отомкнуть кладовую атомной энергии. Но это уже совсем другая история…

Вернемся, однако, к атомному ядру. Вскоре после открытия нейтрона два теоретика, немец Вернер Гейзенберг — тот самый, кто позднее руководил работами по созданию атомной бомбы в фашистской Германии, — и советский физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко — ныне он профессор Московского университета — выдвинули гипотезу о том, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Согласно их теории, оно по внешнему виду напоминает плод граната с тесно прижавшимися друг к другу ягодками-частицами. В ядре водорода таких частиц всего одна — один-единственный протон, в ядрах тяжелых элементов — например, в свинце или уране — их уже более двух сотен. Опыты блестяще подтвердили эту теорию. Но оставалось загадкой, какие силы так крепко связывают в ядерные капли заряженные и нейтральные частицы.

Вселенная в электроне

Чтобы понять, в чем тут дело, нам придется вернуться назад, к началу нашего века.

Мезонный бадминтон

Шел 1905 год. В России бушевал шторм революции. В студенческих аудиториях бурлили сходки. Профессора университетов уходили в отставку, протестуя против жестоких расправ царя с рабочими и студентами. А в далекой спокойной Швейцарии Альберт Эйнштейн, молодой и мало кому известный сотрудник патентного бюро, напечатал в журнале статью, в которой доказывал, что свет — это поток частиц. Незадолго до этого он закончил учебу, но, не найдя лучшей работы, ему пришлось временно стать чиновником.

Его статью мало кто принял всерьез. Идею о том, что свет состоит из отдельных частичек-корпускул, высказывал еще великий Ньютон, но опыты не подтвердили его гипотезы и в течение двух последующих столетий ученые не сомневались в волновой природе света. О том, что свет, радиоизлучение, тепловое излучение нагретых тел — все это разновидности электромагнитных волн, можно было прочитать в любом учебнике физики. А из статьи Эйнштейна вытекало, что световые частицы одновременно имеют свойства волны и корпускулы. Это частицы, которые движутся по волновым законам. Когда энергия невелика, на первый план выступают их волновые свойства. Образно говоря, они в этом случае чувствуют себя нетвердо, их движение неровно и запутанно, как у пьяного. Наоборот, набрав энергии, они приобретают уверенность, и их поведение тогда мало чем отличается от потока быстрых электронов.

Частицы света похожи на двуликого Януса: с одной стороны — частица, с другой — волна! Это нелегко себе представить, недаром даже самые лучшие физики отказывались признать теорию Эйнштейна. Однако опыты приносили ей все новые и новые подтверждения, и постепенно она завоевала всеобщее признание. Частицы электромагнитного поля назвали фотонами от греческого слова «фотос» — свет.

Когда заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, они обмениваются фотонами — как будто играют в бадминтон. Одна частица испускает воланчик-фотон, вторая его ловит и отбрасывает обратно. Чем частицы ближе одна к другой, тем живее идет игра и тем сильнее их взаимодействие. Воланчик — фотон — мелькает так быстро, что между партнерами протягивается что-то вроде связывающего их ремня. Правда, он не сплошной, но это неважно — ведь и обычный ремень при большом увеличении, как мы видели выше, состоит в основном из пустоты!

Но вот нейтрон в такой бадминтон не играет. У него нет заряда, и фотоны он просто не замечает. Ему нужны какие-то другие воланчики.

Вселенная в электроне

Во что играют внутри ядра нейтроны, первыми начали изучать советские физики Д. Д. Иваненко и И. Е. Тамм (Игорь Евгеньевич Тамм впоследствии стал академиком, одним из ведущих физиков нашей страны). Но прежде чем говорить об их идее, следует познакомиться еще с двумя важными событиями, которые произошли в физике почти одновременно с открытием нейтрона.

В реакции испускания ядром электрона была обнаружена таинственная пропажа. Суммарная энергия ядра и электрона после реакции всякий раз оказывалась меньше энергии исходного нераспавшегося ядра. Чуть-чуть меньше, но и это недопустимо, так как закон сохранения энергии должен выполняться точно. Энергия не может исчезать без следа или возникать из ничего — иначе можно было бы построить вечный двигатель. Вот и пришлось физикам из двух зол выбирать меньшее: или признать, что не верен закон сохранения энергии, или допустить, что энергию уносит какая-то неведомая неуловимая частица, не имеющая электрического заряда. С такой гипотезой выступил швейцарский теоретик Вольфганг Паули. Частицу назвали нейтрино — нейтрончик.

На другой стороне Атлантического океана американский физик Курт Андерсон изучал космические лучи с помощью прибора, который называется камерой Вильсона. Это плотно закрытый сосуд, заполненный насыщенными парами спирта. Такой пар находится в крайне неустойчивом состоянии. Стоит только внутри занимаемого им объема образоваться какой-либо неоднородности, как вокруг нее сразу же начинают конденсироваться капельки тумана. Проходя сквозь камеру, заряженная частица своим электрическим полем повреждает электронные оболочки атомов, однородность среды нарушается, и там, где прошла частица, остается след — сконденсировавшаяся струйка тумана, толщина и плотность которой зависит от массы частицы. Похожее явление можно наблюдать, когда высоко в безоблачном небе пролетает реактивный самолет. За ним тянется ровный белый след. Это те же капельки тумана, которые сконденсировались на молекулах газов и частичках топлива, выбрасываемых моторами самолета. Наверное, каждый не раз видел такой след в небе. Тонкие белые полосы, они особенно хорошо смотрятся ранним утром или вечером, когда их освещают косые лучи солнца.

Если камеру Вильсона поместить еще и в магнитное поле — например, между полюсами сильного электромагнита, — то траектории частиц изогнутся, положительных — в одну сторону, отрицательных — в другую. (Вспомним правило буравчика для направления электрического тока в магнитном поле!) Это позволяет установить знак заряда частицы. Одна из стенок камеры стеклянная, и сквозь нее хорошо видно, что происходит внутри. Такой метод исследования космических лучей разработан советским ученым Д. В. Скобельциным. Им и воспользовался американский физик.

Неожиданно для себя Андерсон обнаружил тонкие, выходящие из одной точки следы, похожие на букву Л с загнутыми ножками. Одну половину буквы «рисовал» электрон, вторую — точно такая же частица, но с зарядом противоположного знака. Положительный электрон. Андерсон назвал его позитроном — от греческого слова «позитро», то есть положительный.

Вселенная в электроне

Далее мы еще много раз будем говорить об удивительных близнецах-братьях электроне и позитроне. Многие их тайны не разгаданы до сих пор. Но сейчас нам важно только одно: сам факт существования в природе положительно заряженных частиц — позитронов.

Основываясь на этом факте и на гипотезе Паули о нейтрино, Д. Д. Иваненко и И. Е. Тамм предположили, что частицы внутри ядра обмениваются не только фотонами, но еще и парами частиц, то есть могут испускать и поглощать сразу по два воланчика — электрон и нейтрино или позитрон и нейтрино. Испустив позитрон и нейтрино, или, наоборот, поглотив электрон и нейтрино, протон становится нейтроном. Соответствующим образом ведет себя и нейтрон, он становится протоном.

Может возникнуть вопрос: а зачем нужна пара частиц, разве протон и нейтрон не могут обмениваться одним электроном или позитроном? Нет, не могут. Это им строго-настрого запрещено. Дело в том, что частицы, подобно маленьким волчкам, безостановочно вращаются вокруг своей оси. И вращение их одинаковое, различие лишь в направлении — слева направо или справа налево. Отрываясь от протона или нейтрона, рождающаяся частица может унести с собой их вращение, а это невозможно — невращающихся протонов и нейтронов не существует. Когда же испускается пара частиц, они могут вращаться в противоположных направлениях и тогда в сумме пара никакого вращения не уносит.

Теория внутриядерных сил, разработанная Иваненко и Таммом, на некоторое время стала главным событием физики. Однако более детальные расчеты вскоре показали, что испускание двух воланов происходит слишком редко и образуемых ими «ремней» (точнее было бы сказать — тоненьких ниточек!) недостаточно, чтобы скрепить ядро.

Тем не менее идея объяснить внутриядерные силы бадминтоном каких-то новых частиц выглядела очень привлекательной. Это одна из тех идей, которые играют роль теоретического трамплина. Молодой японский теоретик Хидеки Юкава пошел дальше по этому пути. Он решил атаковать задачу с тыла — предположил, что протоны и нейтроны обмениваются какой-то еще неизвестной нам частицей, и путем сравнения расчетов с опытом попытался установить ее свойства. У него получилось, что эта частица должна быть в двести — триста раз тяжелее электрона, а частота ее испускания и поглощения в процессе бадминтона раз в тысячу больше, чем для фотона. Бадминтон, когда вместо размеренной игры с легким электромагнитным воланчиком партнеры с огромной быстротой перебрасываются тяжелым валуном!



Частица, с массой в двести раз большей массы электрона, вскоре действительно была обнаружена в космических лучах. Ее назвали мезоном, опять воспользовавшись греческим корнем. «Мезо» по-гречески означает «средний». Средний между электроном и протоном.

Используя греческие корни для своих терминов, физики отдают дань уважения первым ученым-атомистам.

Итак, молекулы и атомы скреплены электромагнитными силами. Именно эти силы играют здесь роль «строительного цемента». Внутри ядер действуют в тысячу раз более мощные мезонные силы. Поэтому ядра намного плотнее атомов. Грубо говоря, в триллион раз. Для сравнения напомним, что плотность воздуха и железа различается всего лишь десять тысяч раз, а здесь — триллион!

Вокруг таблицы Менделеева

Задержимся еще немного на ступени атомных ядер. Здесь много интересного.

Как известно, число протонов в ядре оказалось равным номеру химического элемента в периодической таблице, составленной более ста лет назад Д. И. Менделеевым. Ядра с одинаковым числом протонов могут быть «нагружены» различным числом нейтронов. Такие ядра и соответствующие им химические элементы принято называть изотопами, то есть «равнорасположенными» (находящимися в одной и той же клетке таблицы), от сочетания слов «изо» — равный и «топ» — положение. Изотопы почти не различаются по своим химическим свойствам, но, как правило, сильно отличаются по ядерным. Например, один изотоп может быть равнодушным к блуждающим вокруг него нейтронам, а другой, наоборот, жадно их поглощает, увеличивая свою массу.

Вселенная в электроне

Чем больше в ядре протонов, тем сильнее они его распирают — ведь все они имеют одинаковый положительный заряд. Когда их становится слишком много, мезонные «ремни» не выдерживают, рвутся, и ядро распадается. Поэтому таблица Менделеева обрывается где-то недалеко за сотым элементом. Самый устойчивый изотоп ядра с номером 94 (это плутоний, из которого делают атомные бомбы) живет в среднем около двадцати пяти тысяч лет. 101-й элемент, менделевий, распадается, прожив пятьдесят — шестьдесят дней. А последний, самый тяжелый, известный сегодня элемент с номером 109 существует всего лишь доли секунды.

Охотиться на новые элементы очень непросто. В дебрях ядерных реакций они рождаются считанными единицами. Рождаются и тут же исчезают. Единственное, что успевают сделать физики, — засечь время их жизни от рождения до распада да еще попытаться заметить какие-нибудь следы цепочки радиоактивных превращений, в конце которой образуется новый элемент. Это все равно, как если бы охотник старался определить, какого зверя он встретил в лесу, по редким царапинам на коре дерева да скорости, с какой неведомый зверь перебежал поляну.

Здесь часто бывают ошибки и много споров. Появляется сообщение об открытии нового элемента, а физики из другой лаборатории утверждают, что это всего лишь новый изотоп давно известного ядра. Споры длятся долгие годы, иногда десятилетия.

Скептики шутят, что поиск новых элементов напоминает ловлю черной кошки в темной комнате, когда неизвестно, сидит она там или давно уже сбежала. И тем не менее найдено уже 109 достоверно подтвержденных элементов!

Могут спросить: а зачем это нужно? Ну будет изготовлен (синтезирован, как говорят физики) еще один элемент, живущий сотую долю секунды? Дорогостоящий научный спорт, погоня за рекордами?

Расчеты говорят, что в окрестностях 112-й клетки таблицы Менделеева, по-видимому, существует «остров стабильности». Внутриядерные частицы собираются там в особо устойчивые группы. Такое иногда бывает — добавляется в нужных местах несколько подпорок, и разваливающаяся конструкция становится вдруг устойчивой. Но больше добавить нельзя — упадет.

Вселенная в электроне

Как долго живут сверхтяжелые ядра на «острове стабильности», точно неизвестно. Возможно, годы или десятки тысяч лет, как плутоний, а может, найдутся такие, которые вообще не будут распадаться. Такие ядра были бы прекрасным ядерным горючим. Они на пределе устойчивости, поэтому стоит задеть их слегка нейтрону в атомном реакторе, как они распадутся с выделением большой энергии. Концентрированное топливо для звездолетов, компактные атомные батареи для судов и самолетов да мало ли что еще! Исследования продолжаются.

Однако не только остров стабильности манит ученых. В природе нет ядер, которые состояли бы только из одних нейтронов. Если известные нам стабильные ядра нагружать нейтронами, они становятся неустойчивыми. Но это — когда нейтронов мало. Если собрать вместе сразу много десятков нейтронов, то такие нейтронные капли, возможно, станут устойчивыми и не будут распадаться. У теоретиков есть некоторые основания так думать.

Интересно, какими свойствами будет обладать нейтронное вещество? Может, на этом пути удастся создать аккумуляторы нейтронов и сверхпрочную нейтронную броню — непробиваемую защиту от любых излучений?

Вокруг таблицы Менделеева уйма интересных дел и заманчивых возможностей.

Брызги материи

Полвека назад, перед второй мировой войной, физики знали шесть частиц. Четыре основных частицы-кирпичика: протон, нейтрон, электрон, позитрон, и две вспомогательных частицы-воланчика: фотон и мезон.

Кстати, с мезоном произошла занятная путаница. Когда его обнаружили в космических лучах, физиков удивило, насколько легко он проходил сквозь толстые железные и свинцовые болванки. Оставалось загадкой, каким образом столь слабо взаимодействующая частица может связывать протоны и нейтроны в ядрах. Ответ был найден уже после войны. Оказалось, что существуют два вида мезонов: один — слабовзаимодействующая, похожая на электрон частица, ее-то и открыли в предвоенные годы, а другой — предсказанный Юкава несколько более тяжелый, сильновзаимодействующий мезон. Физиков сбила с толку близость масс этих частиц. Чтобы их различать, им в качестве ярлыка-этикетки присвоили греческие буквы μ (мю) и π (пи) и стали называть мю- и пи- мезонами.

Вселенная в электроне

Была еще седьмая частица — нейтрино. Точнее, гипотеза о частице-невидимке, которая взаимодействует с веществом так слабо, что успевает пройти не только сквозь весь земной шар, но и сквозь всю толщу Солнца и не поглотиться. Она не оставляет никаких следов в окружающем веществе. Эту частицу никто не наблюдал, но в ее пользу говорили многие косвенные данные.

В том, что физики довольно быстро поверили в нейтрино, важную роль сыграл авторитет ее изобретателя Вольфганга Паули. Знаменитый физик-теоретик еще при жизни стал легендой. Человек весьма трудный в общении, он был очень требователен к своим ученикам и сотрудникам и не всегда считался с мнением коллег, тем более что в его собственных работах ошибки были крайне редки. Среди физиков ходит много смешных историй и анекдотов, связанных с именем Паули. Его знакомые шутили, что присутствие Паули действует не только на физиков, но и на их приборы — как и физики, они начинают волноваться и сбиваться. Однажды был подготовлен розыгрыш. Большие настенные часы в зале, где предполагалось выступление Паули, с помощью электрического реле соединили с дверью. Ожидалось, что когда Паули ее откроет (а он был человеком пунктуальным), часы «испугаются» и встанут. Но этого не случилось — неожиданно отказало реле.

— Этого и следовало ожидать, — смеялись в зале, — сработал «эффект Паули»!

Четверть века физики вынуждены были мириться с тем, что в их рассуждениях и расчетах присутствует невидимка. Поймали ее в опытах, выполненных уже после второй мировой войны, когда появились мощные источники нейтрино — атомные реакторы.

Пока шла война, физикам было не до частиц. Они разрабатывали радары, аппаратуру для обнаружения вражеских подводных лодок, занимались атомным оружием и массой других неотложных дел. Но после войны в различных странах — в Советском Союзе, Западной Европе, в США — стали один за другим создавать мощные ускорители, способные разгонять протоны и электроны до гигантских энергией. Ускоренные частицы дробили атомные ядра, и среди осколков физики то и дело находили «золотые крупинки» новых, неизвестных дотоле частиц.

Брызги материи! Некоторые из них обладали настолько неожиданными свойствами, что пришлось учредить особую категорию «странных частиц». Сегодня многие из них хорошо изучены и уже не выглядят странными, но это название к ним прочно прилипло, как прилипает иногда к человеку смешная детская кличка.

А далее открытия посыпались, как из рога изобилия. Редкий месяц не приносил какой-либо новой частицы. Открывая очередной номер физического журнала, можно было с уверенностью сказать, что там речь идет еще об одной частице. Теперь частиц несколько сотен. Для их обозначения давно уже не хватает ни греческого, ни латинского алфавитов. Некоторые частицы известны просто под номерами: А1, А2 и так далее. Даже специалисты толком не знают, сколько открыто частиц, — много!

В Калифорнии группа физиков-экспертов собирает, проверяет и анализирует все сообщения об открытии новых частиц. Это очень важная и нужная работа, так как иногда случается, что частицу открывают одновременно в нескольких институтах. Ее измеренные в опыте параметры чуть-чуть различаются, она получает разные названия, и возникает путаница. Эксперты составляют сводку всех частиц — достоверно открытых и тех, относительно которых остаются еще некоторые сомнения. Это толстенькая брошюра в несколько десятков страниц.

И вот что важно: если не считать частиц-кирпичиков протона, нейтрона и электрона, то перечисленных в этой брошюре частиц нет ни внутри ядра, ни в атоме. Они каждый раз заново рождаются в ядерных реакциях. Пословица говорит: лес рубят — щепки летят. Но щепки — это кусочки того, что уже было. Частицы же, как искры при ударе топора о металл, образуются в процессах столкновений.

Вселенная в электроне

В древнем мифе рассказывается о рождении богини Афродиты из морской пены. Неистовый ветер ударил волну о берег, и из вспыхнувшей радуги брызг и белой шипящей пены ступила на берег богиня красоты. Рождение частиц происходит не менее эффектно, но не из пены, а из энергии, точнее, из массы, связанной с энергией. Движущаяся частица весит больше неподвижной, поскольку кинетическая энергия движения тоже имеет массу. За счет этой массы и образуются новые частицы.

Большие ускорители как раз и создаются для того, чтобы разгонять частицы до такой скорости, чтобы их энергии было достаточно для рождения новых.

Электроны, протоны, мезоны и другие частицы принято называть элементарными. Если атомы и их ядра можно разделить на более простые части, то с элементарными частицами это не удается. В любых известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга — взаимопревращаются. Если в одной реакции, например, при распаде родились более легкие частицы, то в другой, наоборот, образуются тяжелые. Никаких более простых «кусков» от частиц не отщепляется. В то же время из них, как из кирпичиков конструктора, можно построить весь окружающий мир во всей его красоте и разнообразии.

Ступень элементарных частиц необычайно богата своим содержанием. Каких только здесь нет пород, гибридов и монстров! Некоторые из них следует рассмотреть поближе.

Зоопарк в микромире

Представим себе, что мы гуляем в таком зоопарке. Слева небольшая аллея лептонов с клетками легких частиц, справа длиннющая, уходящая за горизонт аллея со множеством загонов для массивных частиц-адронов. (Снова греческие корни: «лепто» — легкий, мелкий и «адро» — тяжелый, крупный.)

Ряд адронов начинается с наших знакомцев — протона и нейтрона. Они настолько похожи по своим свойствам, что физики считают их двумя состояниями одной и той же частицы — нуклона. Когда у нуклона нет электрического заряда — это нейтрон, если же в результате каких-то взаимодействий он получит заряд — это будет уже протон.

Вселенная в электроне

Можно сказать, что у нуклона два лица — одно протонное, другое — нейтронное. Если прибегнуть к другой аналогии, то нуклон можно уподобить электрической лампочке. Когда она горит — это протон, выключена — нейтрон. Аналогия, конечно, далекая, но, в общем-то, правильная. И если уж следовать ей, то. пи-мезон придется сравнить с электрической лампочкой, имеющей три состояния: когда она горит красным светом — это мезон с положительным электрическим зарядом, если потушена — нейтральный мезон, а когда светит синим светом — это мезон с отрицательным зарядом. Пи-мезон — частица с тремя лицами. В заряженном состоянии она живет около стомиллионной доли секунды и распадается на мю-мезон и нейтрино. В нейтральном состоянии время ее жизни еще намного — в сто миллионов раз — меньше. Она почти мгновенно распадается на два высокоэнергетических фотона.

Рядом стоит клетка с ρ (ро)-мезоном. Он во всем похож на пи-мезон, тоже имеет три лица, только впятеро тяжелее и, кроме того, быстро вращается. Движется и вращается, как бы навинчивается на свою траекторию. Вот только живет ро-мезон очень мало, ничтожный миг — около 10-23 секунд. Это десятичная дробь с двадцатью двумя нулями после запятой. Распадаясь, ро-мезон превращается в два быстрых пи-мезона.

Недалеко от пи- и ро- мезонов помещается ω (омега)-мезон. Это нейтральная частица с массой, как у ро-мезона, и вдесятеро большим временем жизни. Она тоже — маленький вращающийся волчок. Распадается на три пи-мезона, которые с большой скоростью разлетаются в разные стороны.

Вселенная в электроне

С тройкой мезонов, обозначаемых греческими буквами π, ρ и ω, мы еще встретимся. Они играют важную роль в жизни протона и нейтрона.

Далее идут «странные частицы». Все они короткоживущие. Некоторые похожи на нуклон, их называют гиперонами. Другие — «странные мезоны». Когда эти частицы обнаружили, физики были удивлены тем, что они всегда рождаются парами, как будто не могут жить друг без друга. Поэтому их и назвали «частицами со странностью». Впрочем, вскоре нашлись еще более удивительные частицы, которые тоже рождаются парами. Их появление и «черты характера» были предсказаны теоретиками, и, когда их открыли, теоретики были так рады, что назвали их «прелестными».

Вслед за площадкой «прелестных частиц» мы видим множество загонов и клеток с очень тяжелыми адронами. В сравнении с нуклоном некоторые из них выглядят как бегемоты рядом с поросенком. Большинство из них такие неповоротливые, что, едва успев родиться, тут же на месте распадаются на более легкие частицы. Время жизни наименее устойчивых изображается десятичной дробью с более чем двумя десятками нулей после запятой. Оставим их пока в покое — все равно всех их не осмотреть — и перейдем на противоположную сторону аллеи. Там расположены античастицы.

Первой античастицей, с которой познакомились физики, был позитрон. Когда он сталкивается с электроном, вещество обеих частиц полностью переходит в излучение — в фотоны. Происходит аннигиляция — уничтожение. Такие полярные, взаимоуничтожающиеся частицы стали называть частицей и античастицей. Так в науку вошла идея антивещества.

Вселенная в электроне

Открытие античастиц принадлежит к числу тех сравнительно немногих научных достижений, которые приобретают самую широкую известность. Воображение людей поражает сама возможность полной трансформации вещества в излучение.

Когда хотят сказать о предельной степени разрушения чего-либо, часто используют глагол «испепелить». При аннигиляции электрона с позитроном не остается даже пепла. Все вещество — целиком, без остатка — превращается в электромагнитное поле и уносится в пространство. Взрыв атомной или водородной бомбы освобождает лишь несколько процентов запасенной в веществе энергии, при аннигиляции происходит стопроцентное освобождение энергии.

Антипартнера имеет не только электрон. Они есть у всех элементарных частиц. У протона есть антипротон, у нейтрона — антинейтрон и так далее. Это похоже на то, как в мире живых существ есть особи противоположного пола — мужские и женские. Правда, некоторые частицы — например фотон или нейтральный пи-мезон — в одном лице совмещают должность частицы и античастицы. Однако таких «двуполых» частиц мало. Как правило, частица и античастица сильно различаются по своим свойствам. У них противоположные электрические заряды, а если частица нейтральная — например как нейтрон, — то противоположными оказываются другие ее характеристики, в частности, направление вращения. Получается так, что природа отражена в своеобразном зеркале: с одной стороны — частицы, с другой, в «Зазеркалье», — античастицы. И все абсолютно симметрично. Две половинки — мир и антимир! В одном случае атомы построены из электронов, протонов и нейтронов, в другом — из позитронов, антипротонов и антинейтронов.

У писателя И. А. Ефремова есть фантастический рассказ о том, как в далеком космосе встретились посланцы двух биологических рас — одной, живущей на основе кислорода, и другой, основанной на фторе. Все очень похоже, но газ жизни одной расы — смертельный, разъедающий яд для другой. Даже их дыхание опасно друг для друга. То же самое было бы для существ, построенных из вещества и антивещества. Все физические законы, все краски их миров совершенно одинаковы; только от условия зависит, что назвать миром, а что — антимиром. Но при соприкосновении — аннигиляция, взрыв!

Правда, полное излучение вещества происходит не всегда. Так при аннигиляции нуклона с антинуклоном «сгорает» лишь часть вещества, другая его часть остается в виде мезонных осколков. Тем не менее даже с учетом несгоревших «шлаков» энергия антипротонного и антинейтронного взрывов в несколько тысяч раз больше энергии, выделяющейся при аннигиляции легких частиц — электрона и позитрона. Это самое мощное энерговыделение, которое мы умеем осуществлять в лабораторных условиях. Недаром писатели-фантасты часто используют антивещество в качестве горючего для звездолетов будущего. Килограммовый слиток такого вещества даст столько же энергии, сколько можно получить из нефтяного озера глубиной в несколько метров и диаметром около километра. Это означает, что всего несколько килограммов антивещества способны заменить все горючее, которое сжигается на Земле за год.

Конечно, эти килограммы антивещества надо еще изготовить — синтезировать из антипротонов и антинейтронов, а это очень сложная и энергоемкая задача. Пока ученые научились изготавливать лишь самые простые антиядра, состоящие из двух и трех античастиц: антидейтрон, антитритон и легкий изотоп антигелия. Несколько лет назад этот изотоп был получен в опытах на ускорителе протонов, построенном под Москвой, вблизи Серпухова. Синтез тяжелых антиядер — исключительно трудная задача. Правда, трудности здесь технического порядка, никаких принципиальных препятствий на этом пути нет. Возможно, что когда-нибудь изготовление антиядер станет такой же отраслью большой индустрии, как в наши дни производство кюрия и других трансурановых элементов.

Перейдем теперь на соседнюю аллею — к лептонам. Первыми мы встречаем здесь три почти одинаковые частицы: электроны, π-мезон, и τ-мезон. Различаются они лишь своей массой (мю-мезон в двести с лишним раз тяжелее электрона, тау-мезон — еще более тяжелая частица) да еще тем, что, в отличие от электрона, мю- и тау- мезоны радиоактивные, они распадаются на электрон и нейтрино. Правильнее было бы назвать их не мезонами, а тяжелыми электронами. До сих пор до конца неясно, зачем потребовалось природе несколько различающихся по весу «изданий» электронов.

Рядом с клетками электроноподобных частиц, как собачки у ног их хозяев, устроились три нейтрино. Их так и называют: нейтрино электронное, нейтрино мюонное и тау-нейтрино. Каждое из них рождается только вместе со своим хозяином, сопровождает его в реакциях и на соседей не обращает никакого внимания.

Масса нейтрино равна нулю. Все они, как фотон, «бестелесные» и никогда не стоят на месте. Их скорость всегда равна скорости света. Хотя в газетах сообщалось, что точными экспериментами у нейтрино обнаружена маленькая масса, контрольные опыты этого пока не подтвердили. Можно сказать, что нейтрино — это «черный свет». Сочетание противоречивое, но в физике бывает и не такое!

Когда семейство лептонов состояло всего из трех частиц — безмассового нейтрино, электрона, весящего почти в две тысячи раз меньше протона, и его «антибрата» позитрона, фамилия «лептоны» была точной характеристикой этих частиц. Однако после открытия мезонов мю- и тау-, которые в сотни раз тяжелее электрона, легкими их можно называть лишь условно. Названия «лептон» и «адрон» теперь стали чисто условными, фактически синонимами эпитетов «слабо»- и «сильновзаимодействующий». (Все лептоны взаимодействуют значительно слабее адронов.) Но такова уж сила привычки — физикам трудно отказаться от примелькавшихся выражений.

Продолжение осмотра — переулок монстров

Все клетки здесь пустые. Их обитателей еще только предстоит поймать. В разных странах этим занимаются большие отряды физиков, вооруженные самой совершенной техникой. Хотя клетки пусты, на каждой из них висит составленная теоретиками табличка с описанием веса, размеров и повадок чудовищ.

Вот над одной из клеток с толстыми прутьями крупная надпись: «Магнитный монополь». И ниже красными буквами: «Осторожно! Частица-убийца!!»

Это изолированный магнитный полюс. Южный без северного или северный без южного. Расчеты показывают, что такой полюс, находясь рядом с протоном, будет сливаться с ним в единую очень неустойчивую систему, которая практически мгновенно распадается на позитрон и мезоны, один или несколько. И среди осколков распада опять присутствует монополь, готовый к следующему «убийству» нового протона и так далее. Монополи разрушают (лучше сказать — разъедают) окружающее их вещество.

Вселенная в электроне

Но существуют ли в природе такие страшные частицы? Ведь хорошо известно, что, разрезав магнит, нельзя получить двух кусков с разными магнитными зарядами, каждый из кусков снова оказывается магнитом с двумя полюсами. Наверное, каждый из нас не раз проделывал подобный опыт. Даже в школьной «Физике» написано, что электричество имеет источники — заряды, а магнитных зарядов нет; магнетизм порождается токами, то есть опять-таки электрическими зарядами, только движущимися.

Все это так. Окружающее нас атомарное вещество действительно состоит лишь из электрических зарядов. Но может быть, частицы с магнитным зарядом удастся изготовить искусственно, например, с помощью ускорителей, как создают сегодня атомы антивещества? Или, возможно, такие частицы существуют где-то в далеком космосе, и нам следует иметь в запасе какие-то средства защиты на случай, если кусок магнитного вещества вдруг вторгнется в нашу родную Солнечную систему?

Впрочем, магнитные монополи могли бы сослужить нам хорошую службу. При разрушении протонов выделяется огромная энергия, и, будь в нашем распоряжении килограмм монополей, удалось бы удовлетворить все энергетические потребности человечества. Энергию можно было бы извлекать из любого вещества. Достаточно «поперчить» его щепоткой монополей. Это был бы действительно неисчерпаемый, бесконечный источник энергии! А хранить монополи можно было бы в «магнитных бутылках» — специальных ловушках, магнитное поле которых имеет форму бутылки и предохраняет содержащиеся в ней частицы от соприкосновения с окружающим веществом.

Понятно, как важно было бы «изловить» магнитный монополь. Физики-теоретики тщательно проанализировали условия, при которых он может родиться. Выяснилось, что эти условия не выходят за пределы известных нам физических законов и, в принципе, могут реализоваться в природе, однако частицы, несущие на себе магнитный заряд, должны быть необычайно тяжелыми — по меньшей мере в 1016 раз тяжелее протона. Массу протона надо увеличить в триллион раз и еще умножить на десять тысяч! Монополь весит больше бактерии и высится горой среди остальных элементарных частиц.

Конечно, ни один ускоритель не в состоянии породить такое «микрочудовище». Это не под силу даже самым высокоэнергетическим частицам космического излучения. Столь массивные объекты могли образоваться лишь в первые мгновения после рождения самой нашей Вселенной, когда ее температура и плотность были фантастически велики и энергии хватало, для рождения самых тяжелых частиц. Об этом мы подробно поговорим в следующей главе, а сейчас важно лишь запомнить, что, подобно сумчатым животным Австралии, где-нибудь в космосе могли сохраниться реликтовые магнитные частицы. Они очень редки, так как иначе было бы заметным их опустошительное действие в окружающем веществе. Но может быть, физикам повезет, и они когда-нибудь смогут воочию познакомиться с подобной частицей.

Пожалуй, мы несколько задержались возле клетки монополей, но уж очень необычны повадки этих «зверей»! Зато у следующей клетки остановимся лишь на минутку. Она приготовлена для максимона, еще одного монстра, вычисленного теоретиками. Это самая тяжелая элементарная частица из всех, какие только могут быть. Ее вес в сотни раз больше, чем у магнитного монополя, — что-нибудь около микрограмма. Как у крупной, видимой глазом пылинки. Такой мастодонт и элементарным-то называть как-то неудобно!

Вселенная в электроне

Максимон так тяжел, что под давлением своего веса проваливается сквозь дно любого сосуда и «прокалывает» Землю вплоть до ее центра, поэтому, как и для магнитного монополя, его клетка должна быть сделана из магнитных полей. Если, конечно, они на него действуют — ведь о свойствах максимона (эту суперчастицу предсказал советский академик М. А. Марков) известно очень мало. Честно говоря, пока физики не очень уверены в существовании такой сверхтяжелой частицы. Теоретические прогнозы не всегда оправдываются.

Наконец, у самого выхода из зоопарка элементарных частиц расположен загон для фаерболлов. По-английски «фаерболл» — огненный шар. Это что-то похожее одновременно на блуждающую шаровую молнию и на ослепительно яркий сгусток атомного взрыва. Только в микроскопических масштабах. По мнению некоторых физиков, такие фаерболлы образуются при столкновениях сильно разогнанных, обладающих очень большой энергией частиц. Образуются и почти мгновенно распадаются на более легкие частицы.

Вселенная в электроне

Скептики шутят, что фаерболл похож на знаменитое чудовище Несси из шотландского озера Лох-Несс. Говорят о нем давно, но до сих пор неизвестно, существует оно на самом деле или нет. Одни его видят, другие нет.

Может, фаерболлы вовсе и не элементарные частицы, а какие-то более сложные образования. Не зря их загон расположен у выхода из зоопарка…

Закрыто на учет

Итак, целая россыпь, сотни элементарных частиц! Как разноцветный бисер, на любой глаз и вкус! А если верить теории, то при слиянии любой пары частиц должна образоваться новая частица, поэтому число их вообще должно быть бесконечным. Расчет показывает, что частиц, которые в два-три раза тяжелее нуклона, должно быть сотни тысяч, а частиц с массой, впятеро большей, чем у нуклона, — уже сотни миллионов!

Трудно согласиться с тем, что природе действительно понадобилось такое огромное количество простейших «строительных деталей». Тем более, что весь мир можно скомпоновать всего из четырех таких деталей: электрона, нуклона, пи-мезона и фотона. Пи-мезоны нужны, чтобы «слепить» из нуклонов атомные ядра, а фотоны и электроны — для того, чтобы «сплести» ажурные конструкции атомов и молекул. Все остальные частицы кажутся просто лишними. Зачем они, если и без них можно обойтись?

Когда слышишь такой вопрос, невольно вспоминаешь, как неискушенный в деле человек пытается починить часы. У него всякий раз что-нибудь да остается — то винтик, то шайбочка. И хотя поначалу кажется, что все в порядке — часы идут, вскоре они почему-то ломаются. Так и с частицами. У природы нет лишних «деталей». Если назначение некоторых из них остается неясным, это говорит лишь об уровне наших знаний на данном этапе…

Отложим пока этот сложный вопрос до следующей главы. Там мы увидим, что многие, кажущиеся сейчас лишними, частицы нужны были на ранних этапах жизни Вселенной. Тогда без них просто нельзя было обойтись. Когда смотришь на россыпь частиц, первое, что хочется сделать, — это попытаться все-таки выделить какие-то «наиболее элементарные» частицы, из которых можно составить все остальные. Говоря словами американского физика Р. Фейнмана, который затратил много усилий на систематику элементарных частиц, такие попытки — что-то вроде детской игры в кубики, из которых нужно собрать целую картинку. Кубиков великое множество, и с каждым днем их становится все больше. Часть валяется в стороне и как будто бы не подходит к остальным. Как определить, что они из одного набора? Откуда известно, что вместе они должны составить цельную картинку? Полной уверенности нет, и это несколько беспокоит. Вселяет надежду лишь то, что у многих кубиков есть нечто общее: на всех нарисовано голубое небо, все они сделаны из дерева одного сорта.

Игрой в частицы-кубики занимались многие. Ей отдали дань самые известные и талантливые физики. И ничего не вышло: оказалось, что все частицы в равной степени элементарны. Среди них нет «более простых» и «более сложных».

Однако их можно разбить на семейства, и членов каждого из них рассматривать как различные состояния одной и той же частицы. (Вспомним еще раз об аналогии с лампочкой, которая меняет свой цвет!) Так были найдены семейства, состоящие из восьми и десяти частиц. Есть семейства, содержащие всего лишь по одной частице. Это мезоны-холостяки.

Семейства объединяются в более сложные группы — кланы. Физики называют такие семейства мультиплетами, а кланы — супермультиплетами (от слова «мульти» — много). Сегодня хорошо изучены супермультиплеты, состоящие из 35 и 56 частиц.

Вселенная в электроне

Кроме того, выяснилось, что часть короткоживущих частиц можно считать сильно нагретыми (физики говорят — возбужденными) состояниями остальных.

И самое главное — мультиплеты и супермультиплеты, оказывается, не являются полностью изолированными друг от друга, а связаны определенными родственными отношениями — правилами симметрии.

Если бы частицы, как людей, регистрировали в паспортном столе, то члены семьи-мультиплета имели бы общую фамилию. В клане-супермультиплете были бы представлены разные фамилии, но у всех семей — общие предки. Сами кланы тоже имеют единых прапрародителей.

В целом получается что-то вроде периодической таблицы элементарных частиц, наподобие той, с помощью которой сто лет назад Менделеев навел порядок среди атомов химических элементов. И подобно тому как менделеевская система помогла открыть неизвестные ранее элементы, симметрия мультиплетов также предсказывает существование новых частиц.

Глубокий смысл таблицы Менделеева стал понятен лишь после того, как физика шагнула на новую ступень структурной лестницы — выяснила, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Можно предполагать, что и симметрия элементарных частиц получит свое объяснение после того, как будет открыт следующий ярус строения материи.

Физики нащупали такой ярус, и первые же шаги привели к сенсационным результатам.

Когда часть больше целого

Казалось бы, если частица элементарная, то она не должна иметь частей. Иначе какая же это элементарность, если есть более простые части! И вот первый сюрприз, который природа преподнесла физикам, состоял в том, что элементарная частица протон имеет части!

Когда рядом с протоном находится другой протон или нейтрон, он «играет» с ними в мезонный бадминтон. Если же протон одинок, он играет сам с собой — испускает пи-мезон и поглощает его обратно, снова испускает, ловит и так далее, — как жонглер в цирке. Наверное, все не раз наблюдали, как быстрое мелькание шарика создает впечатление, что вокруг жонглера их целое облако. Так и с протоном. Очень быстро испуская и поглощая обратно мезон, он тоже создает вокруг себя облако частиц. Время каждого отдельного акта испускания и поглощения очень мало, но благодаря многократным их повторениям возникает усредненная по времени пространственная размазка заряда и массы. Образно говоря, нуклон пульсирует, а еще лучше сказать — мигает. Вспыхнет «мезонным светом», погаснет, потом все повторяется заново и так без конца.

Вот как интересно получается: вокруг нас твердые, застывшие тела, а на микроуровне мир, как живой, там все дышит, пульсирует, вращается!

Испустив положительно заряженный мезон, протон превращается в нейтрон, а нейтрон после испускания отрицательного мезона становится протоном. Если же испускается нейтральный мезон, то протон остается протоном, а нейтрон — нейтроном. Во всех случаях пи-мезон, как часть, входит в состав протона и нейтрона.

Вселенная в электроне

Сам пи-мезон тоже окружает себя облаком частиц-мячиков. Он на короткое время испускает пару пи-мезонов. Почему именно пару, а не один мезон — это сложный вопрос, связанный с особенностями этой частицы. Для нас сейчас важно то, что пи-мезон не только состоит из частей, но что эти части не отличаются от целого. Мезон состоит из мезонов! Это все равно, как если бы из пчелиного улья вылетали не пчелы, а другие, подобные ему, ульи.

Более того, на очень короткое время мезон может превратиться в нуклон и антинуклон. Например, положительно заряженный мезон π+ — в протон и антинейтрон, нейтральный мезон π0 — в протон и антипротон и так далее. Тут уж часть намного больше целого. Получается как в сказке — кит на воде, а вода на ките! Это был второй поразительный сюрприз, преподнесенный природой физикам.

Сегодня известно, что все элементарные частицы имеют «мигающее» строение и содержат внутри себя различные типы легких и тяжелых частиц. Чем легче испущенная частица, тем дальше может она удалиться от центра, прежде чем будет поглощена обратно. Тяжелые частицы, наоборот, жмутся ближе к центру. Поэтому внутренняя центральная часть любой элементарной частицы (ее называют керном — сердцевиной) значительно более массивная и плотная, чем периферия, окраина.

Всякая элементарная частица окутана слоистым «облаком» или, как еще говорят, одета в «шубу» из рождающихся и быстро исчезающих частиц. Даже кванты света — фотоны и всепроникающие нейтрино — имеют свои «шубы». Вокруг них рождаются электроны и позитроны. Только это происходит весьма редко, и «шубы» у фотона и нейтрино необычайно «воздушные», почти эфемерные, как говорится, на рыбьем меху! Лишь на расстояниях, в тысячи раз меньших «шубы» протона, эти частицы приобретают нечто вроде тонкого «свитера», состоящего из мю-мезонов. Такую же тонкую и тесную «шубу» имеет и электрон.

Элементарные частицы, в свою очередь, тоже состоят из элементарных частиц. Получается единая крепко сплетенная сеть, где нет начала и конца, а все частицы одновременно являются и элементарными и сложными. Понятия простого и элементарного в современной физике не совпадают. И самое удивительное здесь то, что часть может быть больше целого. Ничего подобного еще никогда не встречалось. Известный советский физик-теоретик Д. И. Блохинцев как-то в шутку заметил: если атом уподобить органу, то элементарная частица — это аккордеон, рождающий не звуки, а музыкальные инструменты: то барабан, то скрипку, а иногда и большой концертный рояль!

В окружающем нас мире «больших», макроскопических, явлений это противоречит здравому смыслу, выглядит полнейшей бессмыслицей. Но в микромире такое возможно, природа устроена хитрее и изобретательнее любой человеческой фантазии.

Но как быть с законами сохранения массы и энергии? Ведь если протон, оторвав от себя увесистый «кусочек» в виде пи-мезона, остается тем же протоном, откуда взялся «материал» для мезона? Что-то тут не так, не может же, в самом деле, мезон возникнуть «из ничего»!

Энергетическая ванна

Противоречие, можно сказать, налицо. Особенно, когда мезон распадается на нуклон и антинуклон. Конечные частицы в этом случае весят в четырнадцать раз больше начальной. Чтобы понять, как это может быть, нам придется отправиться в далекое путешествие — снова в Древнюю Грецию, а точнее, в окруженный высокими стенами греческий город на юге Апеннинского полуострова, где жил знаменитый греческий ученый Архимед. Его интересовали не только глубокие теоретические проблемы, много времени он отдавал решению практических задач — конструировал подъемные механизмы, создавал военные машины для обороны города, а иногда занимался и более мелкими, но не менее трудными вопросами. Один из таких вопросов задал ему правитель города царь Гиерон. В благодарность за победу, одержанную его войском, царь решил пожертвовать богам золотой венец. Он отвесил мастеру необходимое количество золота, но когда тот принес изготовленную драгоценность, Гиерон — по преданию, очень скупой и жестокий человек — усомнился в его честности и повелел Архимеду придумать, как изобличить плута, не портя, однако, драгоценного венца. Архимед долго не мог сообразить, как справиться с таким необычным поручением. Но вот однажды, садясь в ванну, он заметил, что погруженное в воду тело заметно легчает. Искомое решение задачи четко предстало перед его умственным взором. Говорят, что с криком: «Эврика!» («Нашел!») — обрадованный Архимед среди бела дня голым бежал по городу к дворцу царя.

Вселенная в электроне

Эффект Архимеда — жидкость снизу давит на тело и компенсирует часть его веса. Об этом идет речь на уроках физики в седьмом классе. И вот оказывается, что этот «банный эффект» играет важную роль внутри элементарной частицы. Только место воды там занимает энергия. Образно выражаясь, «куски» частицы погружены в силовое поле взаимодействия — в своеобразную энергетическую ванну, и их масса уменьшается. Энергия взаимодействия внутри частицы имеет отрицательный знак — ведь для того, чтобы растащить притягивающиеся друг к другу части, надо затратить энергию. Она-то и компенсирует излишек энергии частей элементарной частицы.

Энергетическая «ванна» есть и в атоме. В нее «налита» энергия электромагнитного взаимодействия электронов с ядром. Оно в тысячи раз слабее сил, действующих внутри элементарных частиц, поэтому плотность энергии во внутриатомной «ванне» очень мала и погруженные в нее электроны почти не теряют в своем весе, так же, как мы, люди, в бассейне земной атмосферы.

Плотность энергии, которой наполнено ядро атома, значительно больше. Потеря веса здесь составляет уже проценты. А внутри элементарных частиц взаимодействие их частей настолько велико, что они как бы «растворяются» в энергии взаимодействия. Получается что-то вроде сильно разваренных ягод в густом варенье. На связь частей уходит значительное количество общей энергии и массы. В этом главное отличие элементарной частицы от атомного ядра и всех других микрочастичек, которые мы называем составными, хотя все они имеют сложное внутреннее строение.

Современную физику нельзя просто выучить, к ней надо еще и привыкнуть!

Но с лестницей, которая ведет в недра материи, происходит что-то странное. Атомы расположены глубже молекул, ядра глубже атомов, а вот в протоне уже все смешалось. Ступеньки налезают друг на друга, громоздятся… Уже и не скажешь сразу, спускаемся мы или топчемся на месте…

Когда какой-то вопрос или задача становятся слишком сложными и запутанными, полезно взглянуть на дело с несколько иной точки зрения. Это часто наводит на неожиданную мысль, и все упрощается. Именно так поступил Христофор Колумб с задачей о яйце. Говорят, однажды, привлеченный громкими голосами, он вошел в кубрик, где красные от возбуждения матросы на спор (ставка — увесистый столбик золотых монет) старались поставить яйцо на попа. Они поливали стол вином и маслом, мазали его салом, но яйцо падало. Колумб некоторое время наблюдал, потом легким ударом о стол смял скорлупу на конце яйца, и оно осталось стоять.

Попытаемся и мы подойти к поиску следующих ступеней структурной лестницы с новой стороны — с позиций эксперимента. Забудем, что протон элементарный, и попробуем просветить его какими-либо лучами, чтобы увидеть, «из каких элементов состоит элементарное». Возможно, это поможет нам разобраться в запутанной картине «одежек без застежек» внутри элементарных частиц.

Вселенная в электроне

Как заглянуть внутрь протона?

Величина самых мелких пылинок, которые мы еще можем разглядеть невооруженным взглядом, составляет около пятидесяти микрон (напомним, микрон — тысячная часть миллиметра). Это примерно половина толщины человеческого волоса. Те, у кого особо острое зрение, способны рассмотреть предметы и в полтора-два раза более мелкие.

Но это уже предел. Далее нужно использовать увеличительные стекла и микроскоп. С их помощью можно разглядеть детали размером вплоть до сотых долей микрона. Наглядно представить себе, что означают такие размеры, лучше путем сравнений. Микробы имеют величину от нескольких десятых микрона до одного микрона. Приблизительно таков же диаметр капелек жира в коровьем молоке. Частички табачного дыма в десять раз меньше, самые мелкие из них около сотой части микрона.

Объекты, меньшие сотых долей микрона, в оптический микроскоп увидеть нельзя, даже если снабдить его очень большими и сильными линзами. Дело в том, что такую величину имеет длина волны видимого света. Более мелкие предметы световые волны огибают, и мы их не видим, подобно тому как радиолокатор с большой длиной радиоволны не замечает перископ подводной лодки. Наше видение предметов основано на том, что они поглощают или рассеивают падающую на них световую волну — вообще как-то ее изменяют. Это изменение и фиксирует наш глаз. Если же волна огибает препятствие, как вода в ручье мелкий камешек, мы его просто не замечаем.

Вселенная в электроне

Чтобы заглянуть внутрь объектов, меньших нескольких сотых микрона, нужно использовать электронный микроскоп, в котором световой луч заменен пучком быстрых, или, как говорят физики, «жестких», электронов, а наш глаз — светочувствительным экраном или фотопластинкой. У электронного микроскопа увеличение приблизительно в тысячу раз больше, чем у оптического, и с его помощью можно увидеть (а точнее, сфотографировать) детали с размерами вплоть до десяти тысячных долей микрона (10-8 сантиметров). Таким путем удается рассмотреть даже отдельные крупные атомы. На фотографиях они похожи на густо намотанные окружности толстой паутины или на кружевную салфеточку, если рассматривать ее издали. Подобно световым частицам-фотонам, электроны обладают волновыми свойствами. Они тоже огибают мелкие предметы, и это как бы размазывает картину, делает ее расплывчатой и нечеткой. Образно говоря, электронный пучок при своем движении как бы немного дрожит, траектории частиц несколько размазываются, и, чтобы сфокусировать изображение, приходится использовать очень быстрые электроны, инерция движения которых способна превозмочь волновое дрожание пучка. (Поэтому такие электроны и называют жесткими.)

Почему электрон обладает волновыми свойствами — это сложный вопрос. Ответ на него дает квантовая механика. Позже нам еще предстоит большой разговор об этом, не будем забегать вперед. С точки зрения обычной школьной физики, волновые свойства электрона объяснить и понять довольно трудно, но в науке всегда приходится что-то принимать на веру, прячась за спасительной формулой: это следует из опыта. Иначе мы рискуем утонуть в деталях.

Рассказывают, что однажды французский математик Жан Д'Аламбер, устав от долгих попыток объяснить доказательство теоремы одному из своих учеников, воскликнул в отчаянии:

— Честное слово, эта теорема верна!

Реакция ученика была мгновенной:

— Месье, этого вполне достаточно! Вы — человек чести, я — тоже. Ваши уверения — самое лучшее доказательство!

Вот и мы давайте последуем примеру этих благородных людей и поверим пока на слово квантовой механике, тем более что опыт хорошо подтверждает ее выводы.

Итак, электронный микроскоп позволяет добраться до границы атомов. Если увеличить энергию электронов, сделать их еще жестче, тогда можно «просветить» и более мелкие объекты — атомные ядра и их «детали» — протоны и нейтроны. Для этого нужны ускорители частиц.

Это громоздкие и чрезвычайно сложные инженерные сооружения, создание которых сегодня под силу только крупным странам. Тем не менее, несмотря на их сложность, основной принцип действия ускорителей понять не трудно. По своему устройству они похожи на кольцевое метро, только вместо поездов по кругу бегут сгустки частиц. Удерживает их на круге магнитное поле, а в промежутках, на каждой станции, на них действует «подстегивающее» электрическое напряжение. Поезда метро на станциях останавливаются, а сгустки частиц, наоборот, получают здесь дополнительный толчок электрическим «хлыстом». Чем дольше крутится частица, тем больше ее энергия.

Ускоритель можно уподобить праще, которую воины когда-то применяли для метания камней: заложенный в нее камень (в данном случае сгусток частиц) раскручивается и с силой выбрасывается наружу.

Вселенная в электроне

Если убрать магнитное поле, ускоряемые частицы будут двигаться по прямой, это так называемый линейный ускоритель. Его размеры очень велики, так как частица проходит такой ускоритель только один раз, без возврата. И чтобы разогнаться до большой энергии, она должна пробежать большое расстояние с многими промежуточными станциями «подстегивания».

Академик В. И. Векслер, один из лучших советских специалистов по ускорителям, сравнивал циклический ускоритель с круглым манежем для лошадей, а линейный — с прямым треком ипподрома, вдоль которого лошадь, подгоняемая ударами шпор всадника, летит как стрела.

Понятно, что ускорять можно не только электроны, но и все другие заряженные частицы — например протоны, — и даже тяжелые ядра атомов. Однако легкие и очень маленькие электроны особенно удобны для «просвечивания» других, более крупных частиц.

Ускоритель частиц изобрели незадолго до второй мировой войны. Самый крупный в Европе создавался тогда в Ленинграде, в Радиевом институте. Уже в то время физикам было ясно, что эти машины — ключи к нижним этажам микромира. Строительство ускорителя потребовало создания мощных вакуумных насосов — ведь пучок частиц должен разгоняться в условиях почти полного вакуума, так как иначе столкновения с молекулами газа рассеят его задолго до конца ускорения. Потребовались особо сильные электромагниты, дистанционное управление, специальная защита, поскольку работающий ускоритель — источник смертельно опасных излучений. Целый комплекс проблем! Война помешала завершить строительство, но накопленный опыт помог в создании значительно большего ускорителя в Дубне. Здесь, на болотистом островке, отгороженном руслами трех рек — Дубны, Сестры и Волги, — в конце сороковых годов был получен пучок протонов с рекордной по тем временам энергией. Ранее такие высокоэнергетические частицы можно было встретить лишь в космических лучах. В газетах так и сообщалось: группе ученых (некоторые из них принимали участие еще в строительстве ленинградской машины) присуждена Сталинская премия за создание генератора космических лучей.

По сравнению с его высокоэнергетическими младшими братьями, построенными и строящимися в Советском Союзе, в США, в странах Западной Европы, первый дубненский ускоритель выглядит весьма скромно. Даже у его соседа — знаменитого дубненского фазотрона, построенного на несколько лет позднее, — энергия почти в пятнадцать раз больше. Однако «зрение» первого дубненского ускорителя было в свое время самым острым, почти в сто тысяч раз острее, чем у электронных микроскопов, и с его помощью физики впервые смогли «прощупать» расположение протонов внутри атомного ядра.

Но внутреннее строение самого протона этот ускоритель еще не чувствовал. Протон для него оставался точкой. Заглянуть внутрь этой частицы удалось лишь пять лет спустя, когда на Тихоокеанском побережье США, вблизи города Сан-Франциско, был построен мощный ускоритель электронов.

Партонная «икра»

Электронное «просвечивание» показало, что протон действительно не точка, а довольно крупный объект с радиусом, всего лишь в несколько раз меньшим радиуса легких атомных ядер. Это что-то около триллионной доли миллиметра — 10-13 сантиметров.

Вещество в протоне, как и в атоме, сконцентрировано, главным образом, в его центральной части. Однако если атом состоит в основном из пустоты, то в протоне нет резкой границы между оболочкой и центральным остовом — керном. Атом своим строением напоминает Солнечную систему, а протон больше похож на планету с массивным центральным ядром и окружающей ее протяженной атмосферой. Радиус протонного керна всего лишь в несколько раз меньше размеров его мезонной «шубы».

Вселенная в электроне

Можно было ожидать, что аналогичное строение имеет и нейтрон. Простая модель, в которой нуклон жонглирует мячиком-мезоном, подсказывает, что окраинные области протона и нейтрона отличаются лишь знаком заряда: у протона там «танцуют» мезоны π0 и π+, у нейтрона — π0 и π-. Опыт неожиданно показал совсем другое. Радиус облака электрических зарядов в нейтроне получился равным нулю! Иными словами, внутри этой частицы есть что-то такое, что полностью нейтрализует заряд мезонного облака, или… или не верна модель жонглирования, а это, в свою очередь, означает, что наши представления о строении элементарных частиц несправедливы в самой своей основе, и физикам придется начинать все заново. Было от чего прийти в волнение!

Результат опытов с нейтроном долго оставался загадкой. Для его объяснения предлагалось множество гипотез, физики разных стран съезжались на специальные конференции, чтобы сообща попытаться понять, в чем тут дело. Но «парадокс нейтрона» не поддавался их усилиям.

Разгадать загадку пытались и мы в Дубне. Непонятно, почему происходит нейтрализация заряженных «облаков» в нейтроне, но это, по существу, следующий вопрос, прежде нужно убедиться в том, что такие облака там существуют. Это можно сделать, если поместить нейтрон в сильное электрическое поле, тогда его положительные заряды сместятся в одну сторону, а отрицательные — в другую. Нейтрон растянется, из шарика превратится в гантель, что скажется на его взаимодействиях с атомными ядрами. Идея простая, но заметить растяжение нейтрона на опыте так и не удалось, этому мешали побочные эффекты.

Вселенная в электроне

Разгадка пришла после открытия тяжелых мезонов ро и омега. Как это уже не раз случалось в истории науки, природа в разнообразии своих законов оказалась куда более изобретательнее физиков. Выяснилось (кто бы мог подумать!), что при определенных условиях пи-мезоны могут как бы «слипаться», образуя новые короткоживущие частицы. Это как раз и есть омега- и ро-мезоны. Из таких быстро слипающихся и снова разваливающихся частиц-капель и состоит мезонная «шуба» нуклона. Одиночные мезоны встречаются в ней редко. В протоне условия благоприятствуют образованию заряженных мезонных «капель», в нейтроне — нейтральных, поэтому электроны и не чувствуют мезонной «шубы» нейтрона. Для них она прозрачна. Чтобы ее обнаружить, нейтрон надо «прощупывать» пучком жестких протонов, которые чувствуют мезонную «мякоть» нейтрона. Во всех взаимодействиях нейтрон ведет себя как частица с размазанной в пространстве массой и равным нулю радиусом распределения электрических зарядов.

Мы видим, что просвечивание электронами принесло много новых сведений о строении нуклонов, однако не внесло упрощения в картину, наоборот, она еще более усложнилась. Если вспомнить аналогию с жонглером, то можно было бы сказать, что он играет сразу с несколькими шариками, которые иногда слипаются в пары и тройки. Положение прояснилось лишь после того, как энергию электронов подняли настолько, что они стали чувствовать в нуклоне детали, которые вдесятеро меньше его диаметра.

Если бы протон представлял собой единую монолитную систему, состоящую из перекрывающихся частей, которые по своим размерам не уступают целому, то, согласно третьему закону Ньютона, величина импульса столкнувшегося с ним и отскочившего электрона давала бы сведения о скорости движения протона как целого. Это как в радиолокации — при слежении за летящим самолетом отраженный луч приносит сведения о его размерах и скорости. Оператор на экране видит четкую светящуюся точку. В опыте с рассеянием очень жестких электронов получилось иначе — вместо четкой точки на экранах приборов было видно размытое пятно. Правда, в опыте использовались не светящиеся экраны, как это делал когда-то Резерфорд при просвечивании атома, а более сложные регистрирующие приборы, но все равно после обработки с помощью ЭВМ их показания в виде точек и пятен можно вывести на экран телевизора. И они получались не такими, как это должно быть для монолитного нуклона.

Вселенная в электроне

В чем тут дело, первым понял американский физик Р. Фейнман. Его имя уже не раз упоминалось на страницах нашей книги. Среди коллег он известен своим веселым остроумием, и это часто помогает ему находить ответ на самые трудные вопросы, которые преподносит физикам эксперимент. Во время второй мировой войны он участвовал в расчетах американской атомной бомбы. Работы велись в строгом секрете, и в конце рабочего дня офицер безопасности запирал все материалы в стальной сейф с цифровым кодом. Фейнман каким-то образом сумел разгадать код, и однажды, открыв утром сейф, дежурный офицер поднял тревогу — в сейфе со сверхсекретными чертежами и расчетами лежал клочок бумаги, на котором было написано: «Угадай, кто?» От строгого наказания Фейнмана спасла лишь его репутация выдающегося ученого.

Так вот, анализируя результаты новых опытов по рассеянию электронов, Фейнман использовал аналогию с радиолокацией. Когда самолет или ракета разваливаются на куски, к оператору следящей радиолокационной станции приходит отражение от каждого из них — целый набор отраженных лучей, и вместо яркой точки он видит на экране размазанное световое пятно. В своей статье Фейнман привел пример с роем пчел: близорукий человек видит его как единый темный ком, а наблюдатель с острым зрением различает множество снующих насекомых. Таким образом, сделал вывод ученый, нуклон тоже является роем каких-то очень мелких частичек. Из них состоит его керн и мезонная «шуба». Эти частицы стали называть партонами — от английского слова «парт», то есть часть.

Теперь можно спросить: так все-таки что же такое нуклон — орешек-керн, одетый в толстую мезонную «шубу», или же комочек мелкозернистой партонной «икры»? Этот вопрос напоминает индийскую притчу о том, как слепцы пытались рассказать, что такое слон. Слепец, который находился возле его ноги, сказал, что слон похож на большое дерево. Второй ощупал хобот и заявил, что слон — толстая кожаная кишка. Третий же, потрогав хвост, стал уверять, что слон — это всего-навсего лишь маленькая змейка. Каждый из них был прав, но только частично: истинная картина, подобно мозаике, получается сложением всех их рассказов. Объекты микромира, их противоречивую сущность тоже нельзя отобразить одной картиной, они слишком сложны для этого. Наглядное представление о нуклоне — это набор многих отдельных картинок.

При крупномасштабном рассмотрении нуклон предстает перед нами как сгусток накладывающихся и проникающих друг в друга мезонов и более тяжелых элементарных частиц. При большем увеличении становится заметной мелкозернистая структура этих частиц, и нуклон выглядит как шарик, наполненный партонной «икрой».

В целом картина приобрела более привычные нам черты: нуклон состоит из маленьких частичек-партонов, подобно тому как атомное ядро складывается из меньших, чем оно само, нуклонов. Большее состоит из меньшего, части-кирпичики не похожи на слепленное из них целое. Ступеньки структурной лестницы выправились и снова пошли вниз.

Но на этом история с партонами не закончилась. Их открытию очень обрадовались теоретики, которые занимались классификацией в быстро разраставшемся зоопарке элементарных частиц. Они уже давно догадывались о существовании таких частиц, только называли их по-своему — кварками.

«Три кварка для мистера Марка!»

Выше уже говорилось, что элементарные частицы нельзя разделить на более и менее элементарные, все они равноправны. Однако их можно распределить по семействам, связанным между собой правилами родства. Так же, как в настоящем зоопарке, где звери распределены по родам, семействам, отрядам. Для элементарных частиц роль родственных связей играют правила симметрии: частицы укладываются в симметричные по своим свойствам группы. Сложные семейства, насчитывающие десятки частиц-членов, расщепляются на более простые подсемейства, те — на еще более простые. В целом получается таблица, которую можно назвать периодической системой элементарных частиц.

Самое простое семейство в ней, лежащее в основе всех других, занято частицей, имеющей три состояния. (Вспомним снова аналогию с электрической лампочкой, которая меняет свой цвет! Но вот что смущает: правила симметрии приводят к выводу, что заряд этой частицы (назовем ее пока частицей «икс») меньше, чем у электрона. В одном состоянии (лампочка горит белым светом) он составляет треть заряда электрона, в двух других (синий и красный цвет) — две трети. Однако дробных зарядов никто никогда не встречал. С давних времен хорошо известно, что электрический заряд всех тел всегда — целое кратное заряда электрона (нуль тоже целое число!).

Настораживают и другие характеристики икс-частицы. По одним свойствам ее следует считать нуклоном, по другим — мезоном. В некоторых отношениях она должна вести себя, как типичная странная частица, в других же аспектах она похожа на обычные, нестранные частицы. Все у нее не так, как у «нормальных частиц»!

В древних мифах упоминаются кентавр, получеловек-полулошадь и сфинкс — существо с лицом человека и с туловищем льва. Подобным фантастическим гибридом в глазах физиков выглядит и частица икс. Вообразите на минутку, что вы видите сфинкса, мирно пасущегося в стаде коров, или большого черного морского конька с зонтиком среди гуляющей по морскому берегу публики. Можно представить, как бы вы удивились! Вот так же встретило предсказанную теоретиками икс-частицу и большинство физиков — с недоверием и подозрительностью, а некоторые так просто с юмором, как очередной «загиб» досужих на выдумки теоретиков.

Вселенная в электроне

С другой стороны, если сложить три икс-частицы вместе, то в зависимости от того, какие состояния «иксов» выбраны для сложения, эта триада приобретает свойства протона, нейтрона или одной из более тяжелых частиц гиперонов. Невольно приходит мысль, что удивительные «иксы» как раз и являются теми первичными блоками-кирпичиками, из которых можно составить все другие частицы подобно тому, как из протонов и нейтронов складываются ядра всех химических элементов в таблице Менделеева.

Вселенная в электроне

Первыми эту идею выдвинули два американских теоретика — Мюррей Гелл-Ман и Джордж Цвейг. Они же придумали и название икс-частице — кварк.

О происхождении этого странного термина среди физиков в ходу две легенды. Согласно одной, он появился как шутка — в немецком языке слово «кварк» означает одновременно: «творог», «протоплазма» и… «чепуха». Поначалу придумавшие кварк теоретики с юмором относились к своему изобретению. Другая легенда утверждает, что это слово взято из романа Джойса «Поминки по Финнегану». В бредовом сне герой этого романа видит летящие за его кораблем чайки, которые человеческими голосами выкрикивают бессмысленную фразу: «Три кварка для мистера Марка!» Вот этим коротким гортанным словом из «области бреда» и воспользовались теоретики.

Когда кварки замелькали на страницах теоретических статей, многие ученые считали их всего лишь неким курьезом, временными строительными лесами на пути к более совершенной теории. Однако не успели физики оглянуться, как оказалось, что с помощью кварков очень просто и наглядно объясняются самые различные экспериментальные факты, а теоретические вычисления сильно упрощаются. Без кварков стало просто невозможно обойтись, так же, как, например, в химии нельзя обойтись без атомов и молекул.

В теории Гелл-Мана и Цвейга нуклон, гипероны и другие похожие на них тяжелые частицы состоят из трех кварков. Мезоны состоят из «слипшихся» кварка и антикварка. Последние — такие же «сердитые» родственники, как электрон и позитрон. Их электрические заряды отличаются знаком, а столкнувшись, они могут в пух и прах разнести друг друга — аннигилировать. Но это происходит не всегда. Иногда бывает так, что вместо взаимоуничтожения частица и античастица, как борцы на арене цирка, начинают кружиться одна вокруг другой. Образуется короткоживущая система, где частицы погружены в общую энергетическую «ванну».

С помощью «кваркового конструктора» можно построить всю таблицу элементарных частиц — иногда простым сложением, а иногда придавая дополнительное вращение «частям» уже построенных частиц. Исключение составляют упрямые лептоны, их никак не удается породнить с кварками. Почему это так, мы выясним позднее, а пока будем иметь дело лишь с адронами. Их намного больше, чем лептонов. (Если кто-то забыл, чем отличаются адроны от лептонов, полезно вернуться на несколько страниц назад и еще раз прогуляться по «зоопарку» частиц.)

Подобно тому как это было когда-то с периодическим законом Менделеева для химических элементов, кварковая систематика позволила вычислить параметры и предсказать поведение новых частиц, которые затем были открыты на опыте. Но сами кварки по-прежнему оставались чисто теоретическими объектами. О них много говорили и писали, но они упорно не хотели проявлять себя в опытах.

Вот тут-то и вышли на арену феймановские партоны. Оказалось, что внутри протона и нейтрона ровно по три партонных икринки и параметры их в точности такие, как у кварков. В частности, их заряд равен 1/3 и 2/3 электронного. Точнее, один тип партонов имеет заряд -1/3, два других +2/3. Три типа партонов — три состояния кварка. Стало ясно, что партоны и кварки — это одни и те же частицы. Теоретики и экспериментаторы пришли к ним с разных сторон.

Казалось бы, наконец-то удалось свести концы с концами. Однако счастье никогда не бывает полным, и в любой бочке меда есть своя ложечка дегтя. Физиков очень беспокоило то, что в свободном виде, так сказать, наяву, кварки никто не наблюдал, хотя с тех пор как их изобрели, прошло уже достаточно много времени. Почему кварки встречаются лишь связанными в пары и тройки? Получается так, что, подобно подпоручику Киже в известном рассказе Юрия Тынянова, кварки «присутствуют, но фигуры не имеют»! В чем же здесь дело? Может, мы в чем-то здорово ошибаемся и кварковый этаж природы устроен совсем не так, как мы его себе представляем?

Погоня за невидимками

Поиск свободных кварков стал одной из основных забот физиков. Не выяснив, в чем тут дело, нельзя было двигаться дальше, и на решение этой задачи была брошена вся мощь современной экспериментальной физики.

Самый характерный признак кварка — его дробный заряд, меньший заряда электрона. Вот за этот признак и ухватились охотники за невидимками.

Когда заряженная частица проходит сквозь вещество, она своим электрическим полем срывает часть электронов с оболочек атомов — ионизует их. Вдоль пути частицы выстраивается цепочка таких «ободранных» атомов. Физики называют их ионами. Чем больше заряд частицы, тем большее число ионов отмечает ее путь. Поэтому ионизационные следы кварков в веществе должны заметно отличаться от следов других частиц. Они менее плотные. Расчет показывает, что кварк с зарядом 2/3 образует в два с половиной раза меньше ионов, чем частица, обладающая единичным зарядом. А кварк с зарядом 1/3 — почти в десять раз меньше. Вот по таким «рыхлым», разреженным следам и можно надеяться отыскать кварк среди других элементарных частиц.

Вселенная в электроне

Плотность следа зависит также от массы частицы и ее скорости. Быстрая, легкая частица, подобно глиссеру на воде, должна оставлять лишь слабый, едва видимый след, а медленная и тяжелая, как ледокол во льдах, будет образовывать широкую полосу повреждений. Однако физики давно уже научились измерять массы и скорости частиц и в «чистом виде» выделять только ту часть ионизации, которая связана с различием зарядов частиц.

Конечно, сама по себе цепочка ионов вдоль пути частицы остается невидимой, подобно тому как невидимо изображение на непроявленной фотопленке. Чтобы увидеть ионизационные следы частиц, нужны особые условия или специальная обработка материала. Для этого можно воспользоваться, например, камерой Вильсона в магнитном поле, с помощью которой полвека назад был открыт позитрон. Цепочка заряженных ионов выполняет в ней роль центров конденсации, вокруг которых «проявляется» след частицы в виде полоски тумана. Магнитное поле изгибает ее. Радиус изгиба зависит от величины электрического заряда частицы, а направление изгиба — от его знака.

Вместо пересыщенного пара, который применяется в камере Вильсона, можно использовать перегретую жидкость с температурой немного выше точки кипения. Она мгновенно вскипает вдоль траектории ионизующей частицы и отмечает ее гирляндой мелких пузырьков — как в стакане с нарзаном. Чем сильнее заряжена частица, тем больше образуется таких пузырьков.

След частицы можно сделать видимым также с помощью фотопластинок, подобных тем, что применяются в обычном фотоателье, только фотослой у них нужно приготовить по специальному рецепту — он должен быть чрезвычайно высокочувствительным, чтобы реагировать даже на очень слабые ионизационные повреждения. Химически ионы значительно более активны, чем неповрежденные атомы, поэтому проявитель сильнее всего действует на те участки фотослоя, которые повреждены частицами (или светом), и в результате получается отчетливая фотография следов.

Есть и другие способы «проявить» ионизационные следы частиц. Однако ни в одном из таких экспериментов дробных электрических зарядов обнаружить не удалось. Их искали среди потоков частиц, рождающихся в ядерных реакциях на ускорителях, искали в космических лучах… И… ничего, никаких следов кварков!

Одно время физики думали, что «вышелушить» кварки из протонов и нейтронов мешает их очень большая масса. Плавая в энергетической «ванне» внутри нуклона, они становятся гораздо легче, и, чтобы превратиться в свободные тяжелые кварки, им нужно здорово «поправиться». Этого нельзя сделать без усиленного энергетического «питания», поэтому выбить кварк из нуклона, вдоволь «накормив» его энергией, может лишь сильно разогнанная частица. А поскольку кварки в опытах не рождаются, это означает, что мощности современных ускорителей еще недостаточно, и поймать кварк, возможно, удастся только в далеком будущем. Вывод очень пессимистический.

Вселенная в электроне

Правда, есть еще один источник высокоэнергетических частиц-снарядов — космические лучи. Там встречаются частицы с энергией в тысячи и даже миллионы раз большей, чем дают ускорители. Казалось бы, уж они-то должны разбивать нуклонные «орешки» на кварки! Тем более обескураживающей была для физиков неудача всех попыток обнаружить эти частички.

Может быть, причина в том, что высокоэнергетических «снарядов» в космических лучах крайне мало и редкие случаи рождения кварков просто ускользают от внимания наблюдателей?

Кварки вокруг нас

Космические частицы очень высокой энергии действительно весьма редки, но зато выбитые ими кварки должны постепенно накапливаться в веществе нашей планеты — ведь, однажды образовавшись, кварк уже не может исчезнуть. Он не способен распасться на обычные частицы, так как заряд-то у него дробный, а дробь, как ни крути, нельзя превратить в целое. Если кварк поглотится протоном или нейтроном окружающего вещества, то при этом снова образуется объект с дробным электрическим зарядом — еще один тип кварков, только несколько более тяжелых. Кварковое вещество неуничтожимо, точнее, почти неуничтожимо, так как исчезнуть и превратиться в обычные частицы кварк все же может, когда он столкнется с антикварком и произойдет их аннигиляция, взаимоуничтожение. Однако вероятность таких столкновений для рассеянных по веществу кварков и антикварков чрезвычайно мала. А если к тому же учесть, что космические частицы бомбардируют нашу планету уже многие миллиарды лет, то за это время в земном веществе должно накопиться огромное количество кварков. Вот тут-то их и можно попытаться обнаружить.

Есть еще одна причина, почему окружающее нас вещество должно быть «нафаршировано» крупинками кварков. В следующей главе мы увидим, что когда-то, очень-очень давно, Вселенная была в раскаленном состоянии. Все частицы тогда двигались с большой скоростью и имели огромную энергию, кварки были свободными, несвязанными частицами. Потом Вселенная несколько остыла. Почему это произошло, опять-таки будет объясняться в следующей главе, сейчас нам важно лишь знать, что настало время, когда кварки стали слипаться в адроны. Сталкиваясь, они образовывали общую энергетическую «ванну», сразу теряли в ней вес, а излишнюю массу «выплескивали» в виде излучений, подобно тому как толстый человек расплескивает воду, садясь в наполненную до краев ванну. Кварки сливались в адроны, а разбить их обратно у окружающих частиц энергии уже не хватало. В раскаленной Вселенной они носились, как разъяренные пчелы вокруг разбитого улья, в остывшей они стали похожи на суетливых, но осторожных муравьев, снующих вокруг своей кучи из рыжих иголок. Так «сварилось» вещество нашего мира. Но отдельные кварки при этом могли, так сказать, замешкаться и оказаться в окружении одних адронов, не имея партнеров для слияния. Это похоже на известную детскую игру: ее участники бегают по площадке, не обращая внимания друг на друга, вдруг звучит сигнал, и каждый торопится объединиться с соседом в пару. А кто не успел — водит.

Заблудившиеся кварки-неудачники должны сохраниться до наших дней. Они до сих пор странствуют по миру в поисках своих «суженых».

Расчеты, выполненные академиком Я. Б. Зельдовичем и его коллегами, показали, что в каждой пылинке окружающего нас вещества с диаметром в тысячную долю миллиметра должно быть примерно по одному заблудившемуся кварку. К этому следует добавить еще кварки, рожденные космическими лучами. Концентрация получается очень высокой. Тем более что это в среднем, а на самом деле кварки могут распределяться очень неравномерно, и в некоторых веществах их концентрация может быть еще выше. Все это выглядело весьма оптимистично, и многие лаборатории мира с энтузиазмом взялись за ловлю свободных кварков. Началась буквально кварковая лихорадка. Кварки искали не только специалисты-физики, но и химики, инженеры и даже биологи. Многим казалось, что с помощью современной техники обнаружить кварки не сложнее, чем отыскать крупинку золота в куче золотоносного песка.

Был момент, когда казалось, что кварковая жар-птица уже в наших руках. Солидный американский физический журнал, а вслед за ним научно-популярные журналы и газеты объявили об открытии дробных зарядов. Однако «допрос с пристрастием» показал, что этот результат ненадежен и, возможно, обусловлен какими-то неучтенными особенностями эксперимента.

Сегодня, пожалуй, наиболее точный метод поиска кварков основан на том, что, блуждая в веществе, кварки с отрицательным электрическим зарядом будут прилипать к положительно заряженным атомным ядрам. Образуются «кварковые атомы», которые по своим свойствам несколько отличаются от обычных атомов. Этим можно воспользоваться для концентрирования и выделения «кваркового вещества».

Метод напоминает старый студенческий анекдот о том, как поймать льва в пустыне Сахара: надо растворить весь сахар в воде, тогда лев выпадет в осадок!

Были исследованы железные метеориты, различные минералы, морская вода, выбросы вулканов во время их извержений, лунный грунт и прочее. Были исследованы все экзотические уголки, до которых могли только добраться фантазия и руки физиков. Измерения были настолько точными, что если бы в десяти кубометрах воды (по объему это хотя и не целая Сахара, но весьма приличная цистерна!) содержались всего один-два кварка, то они были бы обнаружены. Точность фантастическая! Если бы такие возможности имели золотоискатели, они смогли бы легко обнаружить крупинку золота в песчаной горе размером с десяток Эверестов и даже больше.

Вселенная в электроне

И тем не менее все опыты оказались неудачными — кварков не обнаружили.

Это можно было бы понять, если допустить, что кварки не просто очень тяжелые, а чрезвычайно тяжелые частицы. Дело в том, что когда частицы «выкристаллизовывались» из первичного аморфного вещества юной Вселенной, тяжелым частицам это давалось труднее, первыми и в большем количестве «выпадали в осадок» легкие частички. (Мы опять несколько забегаем вперед, об этом пойдет речь в следующей главе, но что делать, многие разделы физики переплетаются и их нельзя расположить «голова в голову»!) Поэтому чем больше масса кварка, тем меньше их блуждает сегодня вокруг нас. В своих расчетах теоретики предполагали, что кварк в пять — десять раз тяжелее протона, а для того чтобы объяснить отрицательный результат опытов, необходимо допустить, что масса кварка в миллиарды миллиардов раз больше. Кажется невероятным, чтобы часть протона, его долька, весила в миллиарды миллиардов раз больше его самого, — гора Казбек внутри горошины!

Сегодня большинство физиков считает, что свободных, изолированных кварков в природе вообще нет. Кварки наглухо «заперты» внутри элементарных частиц, и никакими силами выбить их оттуда нельзя. Советский физик Я. Б. Зельдович одним из первых пришел к выводу, что в мире действует какой-то закон, который строго-настрого запрещает вылет кварков из адронов.

Но из чего же тогда сделаны «стенки» адрона, если ни один снаряд, даже самый высокоэнергетический, не может их разрушить?

Пленники резиновой «тюрьмы»

Опыты по зондированию нуклона доказали, что в центре элементарной частицы кварки почти не связаны взаимодействием и ведут себя как плавающие в воздухе надувные шарики. Если же кварки пытаются разойтись, то сразу же возникают стягивающие их силы. Другими словами, как самостоятельные частицы, кварки и антикварки существуют лишь в глубине элементарных частиц, а на их периферии кварки могут находиться лишь в форме связанных сгустков — например, в виде пи-мезонов.

Интересно получается: в атомах и в их ядрах сильнее всего связаны внутренние наиболее плотные слои, а вот кварковый каркас элементарных частиц, наоборот, наиболее жестко и крепко сцементирован на периферии. Недаром физики шутят о «центральной свободе» и «периферическом рабстве» кварков, а английский термин «кварковый конфайнмент» — буквально: «пленение кварков», «кварковая тюрьма» — встречается на страницах самых серьезных научных статей!

Хотя ни один снаряд не может расколоть адронные «орешки», было бы неверным считать, что их стенки тверды, как танковая броня или железобетонный колпак дота. Сквозь эти стенки глубоко внутрь протона и нейтрона проникают пучки зондирующих электронов, их пронизывают насквозь фотоны и нейтрино. И в то же время их не может преодолеть ни один внутренний кварк.

С первого взгляда неясно даже, как связать такие, казалось бы, несовместимые, взаимоисключающие особенности кваркового строения частиц. Тем не менее их можно понять с помощью весьма простой модели. Представим себе, что между кварками натянуто что-то вроде резиновых нитей. Когда кварки близко один от другого, нити провисают, и кварки чувствуют себя свободными — резинки не мешают их движению. Но как только кварки расходятся, нити натягиваются, и тем сильнее, чем больше расстояние между их концами. Кварки сразу оказываются спутанными «по рукам и ногам».

Вселенная в электроне

В старой вьетнамской сказке рассказывается о страшной змее, которую не смог убить ни один воин. У нее вместо хвоста была еще одна голова, а когда змею рассекали мечом, на месте разреза мгновенно вырастали новые головы, и вместо одной змеи к сражению были готовы уже две. Мезон похож на такую двухголовую змею, а нуклон — на клубок из трех змей. Если в один из кварков, находящихся внутри мезона, «выстрелить» быстрым электроном, этот кварк получит большой импульс и отскочит. Но его движение будет продолжаться лишь до тех пор, пока натяжение удерживающих резиновых нитей не возрастет настолько, что их энергии станет достаточно для рождения новой пары кварков. Не выдержавшая напряжения нить рвется, в точке разрыва выделяется накопившаяся энергия, и рождаются два кварка, точнее, кварк и антикварк с противоположными зарядами. (Сохранение электрического заряда — такой же строгий закон природы, как и закон сохранения энергии.) Антикварк и выбитый электроном кварк «слипнутся» и образуют мезон, а оставшийся кварк займет внутри частицы место выбитого кварка. И в результате все будет выглядеть так, как будто кварк остался на месте, и одновременно за счет энергии растянувшего нить электрона родился мезон — был один мезон, стало два!

Вселенная в электроне

Похожим образом ведет себя и нуклон. Каждый раз, когда пытаются выбить из него кварк, рождается новый мезон, а нуклон остается невредимым.

Теперь должно стать понятным, почему не удается расколоть нуклон на три кварка: сколько по нему ни бей, из него всякий раз будут вылетать целые частицы — адроны, а не их осколки — кварки и антикварки!

Модель резиновых нитей самая простая, но не единственная, используемая физиками для описания кваркового строения элементарных частиц. Есть еще модель пузыря с упругими, эластичными стенками, которым не дает сжаться давление кваркового газа. Правда, газовых частиц в таком пузыре всего лишь две или три, и говорить о газе здесь можно лишь с большой долей условности. В научных статьях эту модель часто называют также «кварковым мешком». Физики, которые ее разрабатывают, получили шутливое прозвище «мешочников». Есть и другие модели.

Конечно, все они представляют собой очень упрощенное, сильно усредненное описание реального положения дел. Мы еще только прикоснулись к кварковым явлениям. Пока это клубок противоречивых гипотез и фактов. Нечто похожее в физике уже было, когда создавалась теория атома. Тогда тоже было много различных наглядных моделей, с помощью которых ученые пытались если не объяснить, то хотя бы привести в систему новые факты. Физикам придется еще много потрудиться, чтобы превратить кварковые модели в такую же строгую теорию, какой является сегодня теория атома.

И первый вопрос, который здесь возникает: почему межкварковые силы не похожи на все другие? Электромагнитное взаимодействие, сила тяжести, мезонный бадминтон нуклонов — все они уменьшаются с увеличением расстояния. Вспомним закон Кулона или закон всемирного тяготения Ньютона: сила обратно пропорциональна квадрату расстояния. Расстояние увеличивается вдвое, сила уменьшается вчетверо. Ядерные силы уменьшаются еще быстрее. Такое поведение сил вполне понятно — чем дальше частицы, тем слабее они действуют друг на друга. А вот кварки почему-то предпочитают взаимодействовать издалека. Из чего же состоит «резиновый клей», стягивающий их в адронные капли?

«Глюонный клей»

Для физика такое заглавие звучит как «масляное масло», потому что слово «глюон» уже само происходит от английского «глу» — клей. Придумал частички-глюоны все тот же Ричард Фейнман. Он отвел им роль воланчиков в бадминтоне партонов — кварков. Другого способа организовать взаимодействие физика не знает. Ведь если частицы взаимодействуют, между ними должно что-то передаваться.

Вселенная в электроне

Глюоны очень похожи на частицы света — фотоны. У них тоже нет массы, и они движутся со скоростью света. Однако в отличие от зарядово-нейтральных фотонов, они «измазаны» зарядом. Фотон никакого нового электрического поля вокруг себя не создает. Наибольшую интенсивность поле имеет вблизи заряда — его источника, а далее оно постепенно рассеивается в пространстве и ослабевает. Глюон же своим собственным зарядом рождает новые глюоны, те, в свою очередь, — следующие и так далее. Происходит лавинообразное саморазмножение. Поэтому-то глюонное поле и не ослабевает, а, наоборот, возрастает при удалении от породившего его кварка. «Глюонный клей» напоминает тесто на дрожжах, его так же «распирает».

Если вернуться к наглядной картине бадминтона, то следует сказать, что отброшенный кварковой ракеткой глюон-воланчик сразу же начинает, как пеной, обрастать новыми глюонами, и в результате удаленные кварки обмениваются целыми комками воланчиков. Их связь становится более сильной. Это объясняет, почему «глюонный клей» обладает свойствами резины.

Каждый кварк утоплен в толстом комке глюонной резины. «Голыми», очищенными от клея, кварки становятся лишь в центре частицы. Зондирование центральных областей нуклона дало неожиданный результат: голые кварки — очень легкие объекты, их масса в сто раз меньше нуклонной. Оказывается, нуклон и другие элементарные частицы состоят в основном из глюонного клея. Шарики, наполненные глюонной «жидкостью», с маленьким пузырьком в центре!

Как и кварки, глюоны — вечные пленники. В лавинообразном образовании глюонной «пены» энергия начального глюона быстро делится на все более и более мелкие порции, и глюон «тает» — растворяется в комке рожденных им новых глюонов. Он не может уйти далеко от места своего рождения.

Тем не менее глюоны оставляют видимые следы. При столкновении с зондирующим электроном глюон иногда получает такой сильный толчок, что его энергии хватает не только на образование глюонной «пены», но и на рождение кварк-антикварковых пар. Эти пары сразу же слипаются в мезоны и вылетают в виде узкой, «кинжальной» струи частиц. Можно сказать, что получивший большой импульс глюон так резко тормозится на краю частицы, что его энергия струей «выплескивается» наружу. Узкие мезонные струи наблюдались во многих экспериментах.

Глюон — частица, изобретенная за письменным столом теоретика, однако сегодня нет сомнений в ее реальном существовании.

Аромат и цвет кварков

Вселенная в электроне

С тех пор как выдумали кварки, прошло уже четверть века, и их уже давно перестали считать «чепухой». Курьезный намек на это остался лишь в их названии. Для физика глюоны и кварки сегодня такие же привычные объекты, как атомы и молекулы.

Знаменитый французский математик Анри Пуанкаре как-то заметил, что всякой истине суждено одно мгновение торжества между бесконечностью, когда ее считают неверной, и бесконечностью, когда она становится тривиальной. Правда, кваркам до тривиальности еще далеко, они до сих пор преподносят сюрпризы.

Поначалу считали, что кварки имеют три состояния. Семейство трех братьев-близнецов. Фраза «Три кварка для мистера Марка» имела тогда прямой смысл. Два кварка нужны, чтобы построить нуклон и пи-мезон. Третий — для конструирования странных частиц. Вскоре, однако, были открыты «прелестные» и «очарованные» частицы, и для них пришлось ввести еще два кирпичика-кварка. А недавно был обнаружен шестой кварк. Эти три кварка значительно тяжелее своих собратьев, их масса больше нуклонной.

Теперь уже не три, а шесть кварков для мистера Марка! Чтобы различать, им присвоили номера — первый, второй и так далее. Однако это неудобно, поскольку все шесть кварков совершенно равноправны, и какой из них называть первым, а какой последним, зависит от конкретной задачи. Поэтому предложено считать, что все кварки обладают общим свойством — ароматом, но каждый из них пахнет по-своему. Шесть кварков — шесть запахов.

Конечно, кварк нельзя понюхать, и никакого аромата в обычном понимании у него нет. Это только удобный термин, такой же, как «странность», «очарование» или «прелесть», с помощью которых описывают определенные свойства частиц. Физики любят использовать необычные и поэтому легко запоминающиеся названия.

Иногда это приводит к забавным недоразумениям. Некоторое время мне пришлось работать в отделе, начальник которого весьма формально выполнял свои обязанности. Подчиненным это надоело, и вот однажды один из них среди прочего оборудования заказал пару оптических осей. (Оптическая ось, как известно, это — воображаемая линия, соединяющая фокусы линзы.) Наш начальник, по обыкновению, не глядя «подмахнул» заказ, а ответственный за поставку оборудования хозяйственник, доверяя авторитету нашего титулованного начальника, принял все за чистую монету. Понятно, что никаких оптических осей институт не получил.

— Мне предлагали, но толстоваты, отказался! — попытался вывернуться на отчетном собрании хитрец снабженец, но его слова утонули в громовом хохоте.

Не смеялся один начальник.

Ныне хозяйственник стал опытным, а лет двадцать — тридцать назад еще можно было выписать дефицитный растворитель для протирки тех же оптических осей или для смывания «ионных пятен» с экрана телевизора!

Испуская или поглощая глюон, кварк изменяет свой «цвет». Подобно снующим над цветами пчелам, глюоны «измазаны» пыльцой-зарядом. Сядет такая «пчела» на кварковый «цветок», и он сразу приобретает другой цвет, улетит — опять новый цвет, в зависимости от того, сколько и какой зарядовой «пыльцы» унесла глюонная «пчелка».

Вселенная в электроне

Кварковыи заряд «цвет» во многом похож на электрический. Он также может быть большим или маленьким, положительным или отрицательным (в последнем случае говорят, что цвет сменился антицветом). Но есть одно принципиальное отличие. Как бы ни изменялся электрический заряд, он всегда остается электрическим зарядом. Цветовой же заряд может изменить еще и свой цвет. Фактически это сразу три независимо изменяющихся заряда, которые к тому же могут еще и переходить один в другой. Цветные системы несравненно богаче по своим свойствам, чем электрические.

Попытайтесь представить себе, как изменился бы окружающий мир, если бы вдруг появились три типа электрических зарядов. Три сорта света и радиоволн, цветное электричество, разные типы атомов…

С открытием «цвета» микромир стал в наших глазах многограннее и ярче, но кварков теперь уже восемнадцать. Этот факт тоже начинает беспокоить — уж очень сложной становится «самая элементарная» частица. Видимо, в недрах микромира от нас скрыто еще что-то очень важное…

Упрямые лептоны

Есть еще одно беспокоящее обстоятельство. Кварки позволили навести порядок среди элементарных частиц, помогли понять, что творится внутри этих мельчайших капелек вещества. Однако лептоны остались в стороне — их нельзя «склеить» из кварков.

Три электронноподобных брата, e, π и τ с тремя собачками-нейтрино и шесть античастиц — три «антибрата» и три «антисобачки». Эти «упрямцы» стоят особняком от других элементарных частиц и не хотят иметь с ними дела — взаимодействуют слабо. Все они точечные, по крайней мере, раз в тысячу меньше остальных частиц. Такое впечатление, будто они сделаны из другого «теста»!

По размерам и по специфичности, выделенности своего поведения лептоны ближе к кваркам, чем к составным частицам — адронам. Ведь кварки тоже очень мелкие частички. Да и число лептонов — шесть — таково же, как число кварков в каждой цветной шеренге. Едва ли такое сходство случайно, в природе ничего не бывает «просто так»…

А что, если лептоны лежат на той же «сверхэлементарной» ступени структурной лестницы, что и кварки? Более того, может, они вообще близкие родственники?

Вселенная в электроне

На побережье лазурного Адриатического моря, вдали от крупных промышленных центров, расположен международный Институт теоретической физики. Он содержится на деньги многих государств, и работать туда приезжают ученые со всех краев света — от Японии до Америки. Обмен мнениями, споры, совместные расчеты — все это очень способствует работе теоретиков. Несколько лет назад два сотрудника этого института, его бессменный директор пакистанский физик Абдус Салам (недавно он избран членом Академии наук СССР) и английский теоретик Джордж Пати, выдвинули смелую гипотезу о том, что лептоны не самостоятельные частицы, а всего лишь четвертое цветное (точнее, бесцветное, белое) состояние кварка.

Этих физиков не смутило большое различие свойств частиц, объединенных ими в кварковое семейство, — «бестелесных», не имеющих электрического заряда и движущихся со скоростью света нейтрино, с одной стороны, и тяжелого шестого кварка с дробным зарядом и массой, больше нуклонной, — с другой. Электрические заряды лептонов 0 и 1, то есть 0/3 и 3/3, хорошо укладываются в один ряд с зарядами кварков:

0/3, ∓1/3; ∓2/3, ∓3/3.

Что же касается различия масс, то, по мнению Салама и Пати, это результат влияния окружающего фона. Ведь вокруг всякой частицы образуется облако испущенных ею частиц-воланчиков, которые экранируют частицу и изменяют ее свойства. Только такие заэкранированные, закутанные в облака частицы с измененными, или, как говорят физики, эффективными, свойствами и наблюдаются в опытах. Здесь мы снова встречаемся с эффектом Архимеда: внутри облака частица чувствует себя, как в ванне. А поскольку плотность и состав облака зависят от величины заряда и от других ее характеристик, вес членов кваркового семейства оказывается различным. Для одних ванна кажется наполненной водой, для других — вязким маслом, а для третьих — густым сиропом, в котором они полностью теряют свой вес и приобретают невесомость.

О том, что члены семейства-мультиплета могут иметь разные массы, известно давно. Например, заряженные пи-мезоны несколько тяжелее π0-мезона: распределенное вокруг них электрическое поле дает добавку к их весу. Однако все эти расщепления составляют проценты, а в кварк-лептонном семействе они очень великие — на малых расстояниях, в тысячи раз меньших размеров адронов, действуют более мощные силы, и энергетические «ванны» вокруг частиц оказываются весьма эффективными.

На самом деле, конечно, все обстоит значительно сложнее, даже специалистам-теоретикам здесь еще не все ясно, но в первом приближении картину можно «нарисовать» с помощью экранирующих облаков и энергетических ванн.

Новая теория сократила список независимых элементарных частиц, сделала их таблицу более стройной. Однако одного этого еще недостаточно для того, чтобы физики поверили в гипотезу о тесной связи кварков с лептонами. Ведь, по существу, новая теория лишь заменила один непонятный факт, «упрямство лептонов», другим — их «кровным родством» с кварками. Это все равно, что пытаться старую тайну объяснить с помощью новой загадки. Как говорит пословица: «Хрен редьки не слаще».

Можно придумать целую цепочку гипотез, где каждая следующая нужна лишь для оправдания предыдущей. Так однажды в наш институт пришло письмо, автор которого, десятиклассник, выдвигал гипотезу: раз все в природе развивается, то должны развиваться и частицы, поэтому нейтрино, электрон, протон и так далее — это одна и та же частица в разные периоды ее жизни. Чтобы объяснить, почему нет частиц, соответствующих промежуточным моментам времени, вводится еще одно предположение: время только кажется непрерывным, а на самом деле в нем есть прорехи, поэтому промежуточных моментов просто не существует. Дальше автор письма не пошел, но если пофантазировать, то цепочку гипотез можно продолжить. В институты приходит много подобных писем. Их общий недостаток — произвольность допущений. Современная физика (равно как и другие разделы знания) таких гипотез не признает, считает их ненаучными.

Но так было не всегда.

«Бритва Оккама»

Шесть с половиной веков отделяют нас от эпохи, когда жил Уильям Оккам — член Ордена нищенствующих монахов, человек очень образованный, выступавший с лекциями по богословию и логике. Это было время, когда наука играла роль робкой служанки церкви и ютилась на задворках монастырей и соборов. Главным «научным» доводом тогда было: «Это вытекает из святого писания», или просто: «Так угодно богу». Однако накапливались экспериментальные данные, люди все больше и больше узнавали об окружающем мире, и в среде ученых монахов голос слепой веры все чаще сменялся голосом разума: почему же все-таки так, а не иначе? К числу таких размышляющих монахов принадлежал и Оккам.

Вселенная в электроне

С портретного наброска в рукописи XIV века смотрит коротко остриженный, аскетического вида монах в рясе, с худым, продолговатым лицом и внимательными глазами. О его происхождении и юношеских годах мы знаем мало. Доподлинно известно лишь то, что первую часть жизни он провел в Англии, где его остроумные, часто язвительные, но всегда трудно опровергаемые выступления быстро принесли ему известность. Кончилось тем, что канцлер Оксфордского университета обвинил его в ереси и под стражей отправил в Авиньен — тогдашнюю резиденцию папы, где в ожидании суда Оккам долгих четыре года провел в заключении. Следствие тянулось, суд постоянно откладывали, а тем временем от Оккама обещаниями и угрозами старались добиться смирения и покаяния. Однажды ночью вместе с двумя другими узниками ему удалось бежать. На лошадях в большой спешке они добрались до побережья, где их ждала галера. Всю дальнейшую жизнь Оккам посвятил борьбе против папы.

В то время было обычным строить длинные схоластические рассуждения, цепляя одно предположение за другое. Для объяснений явлений природы привлекалось множество различных гипотез о всевозможных «тонких», не ощущаемых нами «флюидах», субстанциях и «сущностях». Понятно, что таким путем удавалось объяснить, а главное, согласовать со священным писанием все что угодно. В словесных дуэлях со своими противниками Оккам первым стал использовать в качестве оружия принцип: «Не следует с помощью большего делать то, чего можно достигнуть меньшей ценой», или более кратко: «Сущностей не следует умножать сверх необходимого». Этот принцип, как бритва, срезал слабо обоснованные доводы противников, позволяя вылущивать зерна истины. С тех пор «бритва Оккама» стала одним из основных принципов, краеугольным камнем научного исследования.

Вселенная в электроне

Второй краеугольный камень — обязательная проверка экспериментом. Были века, когда ученые не очень заботились о проверке своих теорий опытом. Доказательства на основе логических рассуждений считались более надежными и убедительными, чем эксперименты, всегда несколько неточные и зависящие от приборов. Например, крупнейший ученый древности Аристотель в своих трудах утверждал, что у женщин зубов меньше, чем у мужчин. Ему и в голову не приходило проверить это утверждение опытом, хотя он дважды был женат. Этот пример выглядит историческим анекдотом, но он правильно передает атмосферу пренебрежения к эксперименту, которая царила в науке в течение многих веков. В современной науке проверка экспериментом обязательна, опыт — главный судья. Какой бы логически стройной и замкнутой ни была теория, до тех пор, пока ее выводы не подтверждены на практике, она относится к разделу недоказанных гипотез. Если же теория такова, что ее выводы можно проверить опытом лишь когда-то в очень далеком будущем, то ученые подходят к ней с большой осторожностью.

Все вокруг радиоактивно!

Вернемся к гипотезе о кварк-глюонном родстве. Теория Салама и Пати была первой разведкой в этом направлении. Как говорил Гете, смелые мысли подобны передовым шашкам в игре — они гибнут, но обеспечивают победу! Сегодня физики отдают предпочтение другим, более совершенным вариантам теории. Но все они обладают общим недостатком: их предсказания и выводы можно проверить лишь при очень высоких энергиях, в миллиарды раз превосходящих то, что дают современные ускорители. Энергии космических частиц для этого также недостаточно. Даже у самых быстрых из них энергия в сотни раз меньше того, что нужно.

Казалось бы, кварк-лептонным теориям уготована участь пылиться в дальнем ящике письменного стола теоретиков. Есть такие теории, о которых говорят, что они «из области фантастики и, может, даже не научной»!

К счастью, природа оставила маленькую, как замочная скважина, щелку, через которую уже сегодня можно заглянуть в край сверхвысоких энергий.

В теориях, основанных на кровном родстве лептонов и кварков, пчелки-глюоны, перенося цветовую «пыльцу», могут сделать красный, синий или желтый цветок белым, то есть превратить его в лептон. Составная частица адрона, внутри которого произошло такое превращение — например протон, — сразу же распадется, поскольку частиц, состоящих из смеси лептонов и кварков, в природе нет. Подобной радиоактивности протона нет ни в одной другой теории, поэтому если ее обнаружат на опыте, это будет убедительным доказательством того, что лептоны и кварки — близкие родственники.

Правда, вывод о радиоактивности протона несколько пугает. Получается, что радиоактивно и с течением времени должно распасться все — все атомы мира. Оптимистической такую перспективу не назовешь!

Вселенная в электроне

Однако опасаться нам нечего. Расчет говорит, что протоны распадаются крайне редко. В стакане воды один распад происходит за десять тысяч лет, а чтобы распадалось по одному протону в сутки, нужен большой пруд, объемом со школьный спортзал. В теле человека за всю его жизнь, от рождения до смерти, в среднем распадается не более одного протона. Как видно, потери невелики. Пройдет неисчислимое количество лет, прежде чем убыль атомов в мире станет заметной.

Как же обнаружить такие сверхредкие события?

Прежде всего заметим, что у протона — положительный электрический заряд, поэтому при его распаде должна обязательно образоваться какая-то положительно заряженная частица, она распадается на более легкие частицы и так далее до тех пор, пока не образуется позитрон, которому распадаться больше уже не на что. Двигаясь в веществе, он столкнется с одним из атомных электронов и превратится (аннигилирует) в кванты света. Эти искорки света — сигналы о происшедших в веществе «протонных катастрофах». Засечь их труднее, чем найти иголку в стоге сена. Приходится наблюдать сразу за очень большим числом протонов, для чего используют огромные объемы прозрачной жидкости — иногда тысячи или даже десятки тысяч тонн — и много высокочувствительных детекторов света. Это можно сравнить с сетчатыми глазами гигантской стрекозы, застывшей в ожидании добычи. Чтобы исключить фон космических лучей, где есть свои позитроны, измерения выполняют глубоко под землей, например, в шахте для добычи золота в Южной Америке глубиной три километра или у нас на Кавказе в толще гор. А для того чтобы долгожданные искорки протонных распадов не затерялись в хаосе всевозможных случайных помех, применяются сложные системы электронной фильтрации регистрируемых сигналов.

Опыты продолжаются уже несколько лет, и, хотя ни одного случая распада протона до сих пор не обнаружено, физики не складывают оружия. Создаются установки еще большей величины, а некоторые из проектируемых выглядят просто фантастическими. Так, планируется строительство прибора с объемом в кубический километр. Куб со стороной, равной высоте почти двух Останкинских телевизионных башен! Такое циклопическое сооружение можно разместить лишь в толще океана или в глубоком озере, например в Байкале.

Поиск протонных распадов часто называют экспериментом века. Его успех будет веским доказательством того, что наши представления о глубинах микромира в целом правильны. Напротив, отрицательный результат прозвучит тревожным сигналом о том, что физики в чем-то крупно ошибаются, и тогда придется искать новую дорогу в недра микромира. Понятно, почему физики с таким интересом встречают все сообщения с «протонного фронта»! Да и не только физики, результат опытов очень важен также для астрономов и философов — ведь от его исхода зависят предсказания дальнейшей эволюции и судьбы окружающего нас мира.

«Великое объединение»

Слои «облаков», окружающие частицы, экранируют их заряды, поэтому, надевая «шубы», частицы изменяют не только свои массы, но и заряды. Другими словами, расщепление массы «голой» частицы при облачении ее в «шубу» должно сопровождаться распадом единого исходного взаимодействия на несколько отличающихся по своим свойствам типов. Можно думать, что четыре основных вида сил, действующих между частицами — очень сильные «цветовые», умеренно сильные электромагнитные, слабые силы всемирного тяготения (гравитация), очень слабые, проявляющиеся в распадах частиц, — как раз и есть проявление этого расщепления.

Если бы можно было заглянуть внутрь облачного покрова частиц — например, так, как это делают на планете Венера с помощью спускаемых на парашютах станций-зондов, — частица с различных высот выглядела бы заряженной по-разному. Именно так, всегда различно заряженными, видят друг друга сталкивающиеся частицы. Чем больше их энергия, тем глубже они проникают друг в друга и тем отчетливее ощущают «дыхание» их центральных неэкранированных зарядов. Поэтому можно ожидать, что с ростом энергии различные типы взаимодействий будут становиться все более похожими и при очень высоких энергиях сольются в одно-единое взаимодействие. Произойдет «великое объединение» всех сил природы.

Реальное положение дел несколько сложнее. Экранирующие облака образуются не только вокруг заряда, но и вокруг каждой частички-воланчика, которыми прощупывают друг друга сталкивающиеся частицы. Воланчик тоже превращается в целое семейство частичек-сестричек, различающихся фасоном своих «шубок». Если она очень тяжелая, воланчик переносит взаимодействие только на ультрамалые расстояния. Вдали от центра частицы такие воланы почти не встречаются, и связанное с ними взаимодействие проявляется там очень слабо. В других случаях воланы — «легко одетые» частицы, они способны далеко уйти от испустившего их заряда, и с их помощью происходит взаимодействие на больших расстояниях.

Тип взаимодействия, его свойства зависят от экранировки заряда и от его переносчиков — воланов. Лишь в глубине частицы, вблизи ее «обнаженного» заряда, где воланчики еще не успели полностью надеть свои «шубки», все типы взаимодействий становятся одинаковыми — сходятся воедино.

Не только строение, но и силы, связывающие «самые элементарные» частицы, лептоны и кварки, оказываются необычайно сложными. Простейшими точками эти частицы никак не назовешь!

Все действующие в природе силы можно представить в виде развесистого дерева, растущего из недр Вселенной. В обыденной жизни мы имеем дело с его многочисленными веточками и листьями. Углубляясь в микромир, мы сначала встречаемся с более крупными ветками, потом с сучьями и, наконец, с его стволом. Понять, что природа устроена таким образом, физикам было очень непросто. Ведь, например, сила тяготения двух электронов в миллиарды миллиардов раз меньше их электромагнитного отталкивания. Трудно поверить, что это — «ветви» одного дерева!

Вселенная в электроне

К идее «великого объединения» физики пришли совсем недавно — каких-нибудь пятнадцать — двадцать лет назад, хотя первый шаг в этом направлении был сделан очень давно, еще полторы сотни лет назад, английскими учеными Майклом Фарадеем и Джеймсом Максвеллом. Они жили в эпоху, когда наука, по существу, еще только приступала к детальному изучению окружающей природы и многие удивительные факты лежали буквально на поверхности, их можно было исследовать в любой маленькой лаборатории, тем более что для опытов не требовалось многоэтажного оборудования с десятками специалистов, как в современных институтах. В большинстве случаев было вполне достаточно нескольких стеклянных трубочек, куска сургуча и мотка медной проволоки. Просто поразительно, сколько замечательных открытий было сделано в то время и с помощью самых примитивных средств! В это золотое для физики время и была установлена связь трех издавна известных, но с первого взгляда таких различных по своей сути явлений — света, электричества и магнетизма. Фарадей обнаружил это на опыте, а Максвелл создал теорию.

В жизни и в характере этих людей было мало похожего. Фарадей, сын кузнеца и горничной, не закончивший даже начальной школы, с двенадцати лет вынужденный работать разносчиком газет, а затем подмастерьем мелкой печатной мастерской. Максвелл родился на сорок лет позже в аристократической шотландской семье и еще в юности получил блестящее образование. Майкл Фарадей отличался необычайным трудолюбием и целеустремленностью. Он в двадцать пять лет издал свою первую работу, а в тридцать три года был избран членом Лондонского королевского общества — для высокомерной и чопорной Англии факт удивительный. Наука для него была целью и смыслом жизни. Для Джеймса Максвелла, богатого и обеспеченного человека, научные изыскания не являлись источником существования. Они были лишь его увлечением. Он разбрасывался в своих интересах, брался за решение самых разнообразных задач. В статьях Фарадея нет ни одной математической формулы, Максвелл блестяще владел математикой и использовал в своей работе самые сложные ее разделы.

Вселенная в электроне

Общим у этих ученых было самое главное — глубокое проникновение в суть изучаемых физических проблем. Каждый из них не мог бы сделать того, что сделал другой. А вместе они создали электродинамику — науку, которой мы обязаны электростанциями и электромоторами, радио и телевидением и множеством других веществ, без которых трудно представить современную жизнь.

Фарадей первым открыл электромагнитное поле. Он доказал, что электричество и магнетизм — это два компонента единого целого: распределенного в пространстве поля. Если ранее считалось, что мир состоит только из вещества, то Фарадей добавил к этому новую сущность — электромагнитное поле, которое может быть «привязанным» к зарядам и токам, порождая действующие вокруг них силы, либо отрываться от них в виде светового излучения.

Мы уже знаем, что поле — это совокупность частиц-фотонов, движущихся по волновым законам. Ничего этого ни Фарадею, ни Максвеллу, понятно, не было известно. Они представляли себе поле в виде особых напряжений в заполняющем пространство эфире, чем-то вроде натянутых резиновых нитей и трубочек. Фарадей называл их силовыми линиями. Они стягивали или, наоборот, подобно пружинкам, расталкивали заряды и токи. Приближенная, но очень наглядная модель, хорошо имитирующая свойства электромагнетизма!

Следующий шаг на пути к «великому объединению» был значительно более трудным. Он был сделан лишь в середине 60-х годов XX века. Внимание физиков тогда привлекли слабые взаимодействия. Они обладали странной особенностью: для всех других сил можно указать промежуточное поле, кванты которого служат воланчиками в бадминтоне взаимодействующих частиц, а вот в распадных процессах частицы «разговаривают», так сказать, напрямую, без всяких посредников, толкая друг друга, как бильярдные шарики.

Естественно предположить, что в этом случае тоже происходит обмен воланчиками, но только такими тяжелыми, что весь процесс происходит на очень малых, еще не доступных нам расстояниях, а со стороны это выглядит, как будто частицы просто толкают друг друга. На больших расстояниях проявляется лишь «хвост» взаимодействия. Это объясняет, почему оно такое слабое. Сильным оно становится внутри лептонов и кварков.

Расчеты показали: если бы не большая масса промежуточных частиц, то такое взаимодействие по своим свойствам было бы очень похожим на электромагнитное. И вот трое физиков — Абдус Салам, Стив Вайнберг и Шелдон Глешоу — допустили, что фотон и тяжелые промежуточные частицы слабого взаимодействия — это одна и та же частица, только в различных «шубах». Разработанную ими теорию — ее стали называть «электрослабой», поскольку она, как частный случай, содержит электродинамику и старую теорию слабых взаимодействий — вскоре подтвердил эксперимент. В опытах на ускорителях были выловлены тяжелые воланчики электрослабого поля — три брата-мезона с массой, почти в сто раз большей протонной.

Создание теории электрослабого поля и экспериментальное открытие его тяжелых квантов было отмечено сразу двумя Нобелевскими премиями — самыми почетными международными наградами ученым.

В развитии науки бывают этапы, когда она летит вперед, как корабль с надутыми ветром парусами. Одна идея рождает другую, успех следует за успехом! Мощный прорыв в Страну Неизвестного! Не дожидаясь подхода тяжелой артиллерии эксперимента, теоретики атакуют опорные пункты, стараясь как можно дальше продвинуться в глубь неизвестного. В тылу остаются невыясненные детали, отложенные проблемы, болота сомнений. Все это потом, прежде нужно овладеть главными позициями, создать общую картину. О таком времени впоследствии вспоминают: «Золотой век»!

Вселенная в электроне

Такое счастливое время переживает теперь физика. Вдохновленные открытием электрослабого поля, теоретики с ходу сделали еще один шаг — объединили его с цветовым полем. Семейства фотона и трех его братьев-мезонов породнились с глюонами. Новая семья отвечает за перенос цвета и аромата, связывает кварковые и лептонные состояния. А самые смелые теоретики присоединили к объединенному полю еще и гравитацию — всемирное тяготение. Получилась чрезвычайно сложная теория, где на каждом шагу встречаются неожиданные пропасти, тупики и узкие скользкие тропы. Это область теоретических поисков и гипотез, полигон, где теоретики обкатывают свои творения. Здесь масса вопросов, мало ответов и много надежд.

На кухне у физиков.

Как открыть новую частицу?

Иногда это происходит случайно. Интересуются чем-то другим и неожиданно для себя натыкаются на новую, неизвестную ранее частицу. Как говорится, шел-шел и вдруг споткнулся о кошелек с золотом на дороге! Так был открыт позитрон, а в 50-х годах целое семейство странных частиц. Удивление физиков этим событием навечно запечатлено в их названии. Однако такое бывает редко. Как правило, частицы ищут по подсказке теоретиков, уже кое-что зная об их свойствах. Современный эксперимент слишком сложен и дорог, чтобы вслепую прочесывать дебри микромира, надеясь на удачу — авось, мол, повезет. Серьезный опыт сегодня стоит миллионы рублей и выполняется в течение нескольких лет. Это не пальба по площадям, а прицельный выстрел с закрытых позиций по цели с точно рассчитанными координатами.

Их расчет основан на теории, которую еще в прошлом веке создал французский математик Эварист Галуа. Ее основные положения он записал в ночь перед роковой дуэлью. На следующий день выстрел из пистолета оборвал жизнь двадцатилетнего ученого. Он умер, так и не узнав, что создал одну из самых замечательных математических теорий.

Вселенная в электроне

Галуа изучал симметрию среди элементов множеств. Что такое множество, теперь знают уже в начальной школе, а во времена Галуа этим занимались лишь немногие математики. Так вот, двадцатилетний Галуа вывел правила, на основании которых из элементов множества можно составить изолированные группы — семейства, члены которых симметричны. Когда совершается какое-либо преобразование множества (например, те, которые изучают в школе, — отражение, вращение, сдвиг и тому подобное), члены каждой из групп просто меняются между собой местами. Преобразование изменяет соотношения между элементами множества, а внутри семейств они остаются неизменными. Правилами Галуа сегодня и пользуются физики, чтобы находить семейства частиц — мультиплеты. Их члены — разные состояния одной и той же частицы. Как лампочка, вспыхивающая разным цветом, или что-то вроде кристалла, каждая грань которого — новое состояние. Именно так теоретики пришли к идее кварка. По правилам теории Галуа были вычислены мультиплеты адронов, и простейший из них был назван кварком.

Вселенная в электроне

Самое трудное — выявить симметрию. Обычно она сильно замаскирована расщеплением масс частиц. Здесь легко ошибиться. Поэтому всякий раз, когда в свойствах частиц удается найти новую симметрию, это бывает важным событием в физике. Последующее, как говорится, уже дело техники.

А когда параметры частицы определены, в игру вступает эксперимент. Бывает, что в рассчитанном месте частицу не находят, и теоретикам снова приходится садиться за расчеты: уточнять симметрию, вычислять новые мультиплеты, прикидывать, какой, легкой или тяжелой, должна быть частица, определять реакции, в которых вероятнее всего ее присутствие. Не зря говорят, что теоретик работает в основном на мусорную корзинку! Прежде чем будет получен результат, ему приходится опробовать и сопоставить кучу вариантов.

Теория в современной физике занимает исключительное место. Она строит мосты между островками разрозненных экспериментальных фактов и, выдвигая гипотезы, позволяет далеко уходить от них в область неизвестного.

Подведем итоги

Подсчитаем, сколько же теперь, после всех слияний и объединений, осталось у нас частиц.

Для построения адронов нужны три частицы: кварк, антикварк и глюон. Добавив к ним электрон, позитрон и фотон, построим все атомы (позитрон нужен, чтобы построить антивещество). Два тяжелых лептона и три нейтрино нужны для объяснения распадов частиц. Наконец, чтобы слить атомы в большие макроскопические тела, требуется еще квант поля тяготения — гравитон.

Итак, семь частиц-кирпичиков, столько же «антикирпичиков» и три склеивающих частички. Весь мир из семнадцати частиц!

В электрослабой теории число склеивающих частиц остается неизменным, так как три тяжелых брата-мезона и фотон — одна семья — частица. Зато число кирпичиков сокращается: электрон и нейтрино рассматриваются, как два состояния одной и той же частицы, то же для мю- и тау-мезонов. Вместо шести лептонов стало три. Однако для внутренней согласованности теории пришлось допустить, что в природе существует еще один тип частиц — несколько напоминающих пи-мезон, но подобно глюонам обладающих свойствами саморазмножения и самосклеивания. Их называют хиггсонами, по имени английского теоретика П. Хиггса, который первым начал изучать их свойства. Хотя хиггсоны еще не обнаружены на опыте, большинство физиков не сомневается в их существовании. В следующей главе мы увидим, что они играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной, и это еще больше повышает интерес к этим частицам.

В целом число частиц сократилось на пять единиц — с семнадцати до двенадцати.

Объединение электрослабого и сильного взаимодействий уменьшило число частиц до семи. Остались кварк (лучше сказать, лептокварк), антикварк, увеличивший число своих состояний глюон, гравитон и несколько (скорее всего, три) хиггсонов.

Если не считать хиггсовых частиц, число которых пока еще зависит от конкретного варианта теории, то после «великого объединения» всех четырех типов взаимодействий остаются только три частицы: частица-кирпичик, соответствующий ей «антикирпичик» и частица-волан.

Казалось бы, наконец-таки физика достигла самого дна природы: объединены все силы, число частиц сокращено до предела, создана и шлифуется единая теория. Природа, однако, любит сюрпризы. Внутри новой теории физики неожиданно обнаружили мину, готовую вдребезги разнести все надежды на построение «последней теории всех сил и взаимодействий».

Физические теории обладают замечательным свойством: их математические формулы не просто описывают опыт, а являются его обобщением, и поэтому их содержание всегда значительно богаче исходных экспериментальных данных. Они предсказывают новые факты и часто приводят к выводам, которые их создатели не ожидали. Так случилось и в этот раз. Из формул теории следует, что лептоны и кварки, по-видимому, состоят из еще более мелких «зернышек».

Вселенная в электроне

Час от часу не легче! Значит, опять новые частицы и новые виды взаимодействий? И все пошло по новому кругу?

Пока можно говорить лишь об идее. Свойства и число «зернышек» не известны, они изменяются от одного варианта теории к другому. Даже общепринятого названия у «зернышек» еще нет. Часть физиков использует приставку «пре» и называет их «прекварками», другие ученые говорят о пракварках (вспомним слова «прабабушка», «прадедушка»), а некоторые предпочитают словечко «преоны». Есть и другие названия.

Прачастиц, по-видимому, два или три семейства, каждое из которых состоит из нескольких «прасестер» и «прабратьев». Известно несколько наборов таких «мозаик», и пока не ясно, какому из них следует отдать предпочтение.

После надежд на построение единой всеобъемлющей теории результат весьма неожиданный и обескураживающий…

Впрочем, неожиданным он кажется лишь с первого взгляда. Если посмотреть внимательнее, то, напротив, он выглядит вполне естественным. Уж очень сложными стали семейства кварков и глюонов! Трудно поверить, что «самые элементарные» частицы характеризуются столь большим числом параметров. История науки говорит, что каждый раз, когда элементарный объект становился слишком сложным, в нем обязательно находили более простые составляющие. Так было с атомом, с его ядром, с элементарными частицами. Физика ступала на следующую ступень структурной лестницы, и картина упрощалась. По-видимому, это повторяется и в случае кварков. Простейшими их можно назвать лишь условно. У них целый гардероб «платьев», «пальто» и «шуб». Их простота подобна кажущейся простоте часов, которые мы носим на руке, — металлический кружок с двумя стрелками, только и всего, а если покопаться…

Салам и Пати первыми заметили, что параметры всех двадцати четырех членов кварк-глюонного семейства можно получить сложением трех преонов. Теперь и теория «великого объединения» подсказывает, что частица-кирпичик, а вместе с ней и склеивающая частица-волан являются составными. Число самых простейших снова стало расти.

Где же конец?

Прежде чем ответить на этот вопрос, выясним, каких наименьших расстояний может достичь эксперимент в ближайшем и отдаленном будущем. И вообще, делятся ли расстояния до бесконечности на все меньшие и меньшие или же, может быть, в природе существуют какие-то первичные «атомы» пространства, дальше которых уже больше ничего нет? Ведь есть же минимальные порции энергии — кванты, почему же не может быть геометрических квантов — атомов пространства и времени?

Как мы уже знаем, размеры протона и других адронов — 10-13 сантиметров, то есть около триллионной доли миллиметра. Самые маленькие пространственные интервалы, которые можно сегодня исследовать с помощью ускорителей частиц, в тысячу раз мельче. Для этого сталкивают два пучка частиц — один навстречу другому. Энергия относительного движения разогнанных навстречу друг другу частиц так велика, что размазка их траекторий из-за волнового дрожания меньше 10-16 сантиметров. По сравнению с протоном такие расстояния все равно что маковое зернышко рядом с футбольным мячом.

Конечно, для этого не строят двух ускорителей, «бьющих» пучком протонов в лоб друг другу. Делают по-другому. Ускоренные протоны, порция за порцией, «закачивают» в окруженное магнитным полем вакуумированное кольцо. Сильное магнитное поле загибает траектории частиц и удерживает их на круговой орбите. А когда частиц в кольце накопится достаточно много, поле выключают, и пучок частиц «выстреливает» навстречу основному пучку из ускорителя. Иногда «накачивают» сразу два кольца, которые разряжаются протонным зарядом навстречу друг другу.

Вселенная в электроне

В недалеком будущем на этом пути удастся достичь расстояний порядка 10-17 сантиметров, то есть в десять тысяч раз меньше протона. В Советском Союзе и в других странах проектируются и уже создаются необходимые для этого ускорители. Но это, по-видимому, близко уже к пределу. Современные ускорители — циклопические установки стоимостью в сотни миллионов и даже в миллиарды рублей, а дальнейшее углубление в микромир требует просто фантастических сооружений. Чувствуется, что здесь нужны какие-то принципиально новые физические идеи.

Одна из таких новых идей принадлежит итальянскому физику Ферми. Он предложил использовать в качестве ускорителя… всю нашу планету. Ведь Земля создает вокруг себя магнитное поле, которое можно использовать для того, чтобы удержать на космической орбите пучок разгоняемых частиц. Ускорять частицы будут расположенные вдоль орбиты спутники с солнечными батареями. Вакуум в космосе обеспечен, поэтому пучок частиц без всякого рассеяния может обежать вокруг Земли огромное число раз, постепенно разгоняясь до гигантских энергий. В земных условиях основные затраты связаны с созданием магнитного поля и поддержанием вакуума в камере ускорителя, а в космосе все это бесплатно!

Но пока — это область научной фантазии, и единственным источником частиц сверхвысоких энергий остаются космические лучи. Среди частиц, входящих в их состав, встречаются такие, которые позволяют зондировать расстояния в десять миллионов раз меньше размеров протона. Плохо вот только, что космических частиц с такой высокой энергией крайне мало, и опыты с ними неточны. Тем не менее если позволить себе пофантазировать, то можно представить, что когда-нибудь в космосе будут созданы ловушки-накопители таких высокоэнергетических частиц, которые можно использовать для изучения их встречных столкновений, так, как это делается в опытах со встречными пучками на ускорителях. И вот тогда можно будет добраться до умопомрачительно малых расстояний порядка 10-25 сантиметров. Протон по сравнению с такими расстояниями выглядит, как орбита Земли по сравнению с тарелкой.

Как достичь еще меньших расстояний, пока совершенно неясно. Возможно, для этого потребуется какая-то новая физика. Об этом можно лишь строить догадки. Во всяком случае, расстояния в 10-25 сантиметров еще очень далеки от «красной черты», проходящей где-то на уровне 10-33 сантиметров. Действующие там силы так велики, что пространство сворачивается в крохотные пузырьки. Это и есть геометрические кванты. Меньших расстояний в природе не бывает. На этом уровне пространство становится неустойчивым, похожим на пчелиные соты или на губку, состоящую из перекрывающихся пор-пузырьков. О сворачивающемся пространстве, как и почему это происходит, мы подробно поговорим в следующей главе.

А квант времени? Это интервал, за который свет успевает пробежать от одного края пространственного «атома» до другого, — 10-43 секунд. Самый краткий миг, который только может быть в природе, — ведь ничто не может пересечь пространственный «атом» быстрее света.

В промежутке между 10-16 и 10-33 сантиметрами, между уже достигнутым и самым малым, может разместиться бесконечное число различных форм и типов микрообъектов. На каждой ступени лестницы, ведущей в недра материи, мы находим множество новых свойств и новых физических объектов. Для их объяснения нам приходится спускаться на следующую ступень и так далее. Как метко заметил однажды французский ученый Пьер Буаст, границы науки похожи на горизонт: чем ближе к ним подходим, тем дальше они отодвигаются! Природа неисчерпаема в своем многообразии. Однако его нельзя представлять себе, как бесконечную, чисто механическую делимость, когда каждый элемент состоит из еще более мелких. Мы уже видели выше, что «более глубокое» — это не всегда «меньшее по размеру». Неверно думать, что природа устроена наподобие бесконечного ряда вложенных друг в друга колесиков, каждое из которых обязательно содержит внутри себя еще меньшее. Мир может быть устроен значительно хитрее!

Может случиться так, что, изучая микромир, мы будем встречаться со все большей и большей энергией, и конца не будет — круг, так сказать, замкнется: в микромире мы снова встретимся с объектами и явлениями макроскопического масштаба. Не исключено, что в недрах элементарных частиц природа спрятала вторые ворота в космос и «выйти к звездам» можно не только на ракетах, но и с помощью ускорителей. Правда, космические ворота микромира необычайно узкие и преодолеть их труднее, чем верблюду пролезть сквозь угольное ушко. Но трудно не значит невозможно!

Вот об этом и пойдет речь в следующей главе.

Вселенная в электроне

Глава II

Великое кольцо

Великое кольцо природы… Углубляясь в микромир, мы встречаемся с явлениями космического масштаба, а уходя в далекий космос, находим следы, которые убеждают нас в том, что когда-то сама Вселенная была похожа на микрочастицу.

Космос, целые миры внутри частиц, и вселенная как микрочастица! Как это может быть? Все перепуталось — элементарные частицы и астрономия! Где начало того конца, которым кончается это начало?

Есть ли у вселенной границы и было ли время, когда еще не было времени? Откуда произошли элементарные частицы и почему их свойства именно таковы, какими мы их наблюдаем, — разве не может быть других миров, совсем с другими частицами? Почему пространство трехмерное, а время одномерное? Могут ли быть вселенные с другой размерностью — например, десятимерное пространство? Существует ли антимир, построенный из антивещества?

Итак, как устроен наш мир в целом? Откуда он взялся и какова его судьба?

Чтобы разобраться в этих вопросах, нам понадобится многое из того, о чем мы узнали в предыдущей главе.

Самое большое и самое малое

Наиболее мощные астрофизические приборы позволяют сегодня просматривать космос в радиусе приблизительно 1022 километров. На границах этого гигантского круга расположены самые далекие объекты, свет и радиоизлучение которых на пределе своей чувствительности еще фиксируют приборы астрофизических обсерваторий. Все, что дальше, остается для нас невидимым.

Чем дальше расположен наблюдаемый объект, тем меньшая часть его излучения попадает в наши приборы. Расстояние возрастает вдвое, а чувствительность приборов приходится повышать вчетверо. Когда-то длительная выдержка фотопластинки под телескопом была единственным способом уловить слабое свечение далеких объектов. Сегодня приходящие сигналы анализируются с помощью мощных ЭВМ, которые отделяют фоновое излучение, случайные помехи и постепенно накапливают информацию в своей памяти. Приборы наблюдения за космосом теперь часто имеют километровые габариты, стоят огромных денег, и дальнейшее продвижение здесь, как и в области микромасштабов, становится все более трудным.

Космос просматривают и прослушивают в разных диапазонах — регистрируют свет и радиоизлучения, высокоэнергетические кванты, рождающиеся в ядерных реакциях, потоки всепроникающих нейтрино. Все это несет важную информацию. За последнюю пару десятков лет наука узнала о космическом пространстве больше, чем за всю многовековую историю.

Вселенная в электроне

Чтобы почувствовать, насколько велика видимая нами часть Вселенной, представим себе, что Земля уменьшилась до величины атома. Тогда расстояние 1022 километров сожмется до размеров лунной орбиты. Атом и орбита Луны — размеры трудносопоставимые! Для того чтобы пересечь видимый нами мир, световому лучу требуется несколько миллиардов лет, хотя за одну секунду он пробегает триста тысяч километров. Окраинные области мы видим такими, какими они были сотни миллионов и миллиарды лет назад. Возможно, многое из того, что мы наблюдаем, уже давно не существует — умерло или распалось. Это похоже на то, как если бы следящие за нами инопланетяне рассматривали сегодня картины боев гладиаторов и марширующие легионы древних римлян. Впрочем, это не мешает построить теорию, которая не только хорошо описывает прошлое Вселенной, но и предсказывает ее далекое будущее.

И вот что очень важно: для объяснения всех явлений, наблюдаемых в космосе, вполне достаточно уже известных нам физических законов. Никаких новых предположений и гипотез, выходящих за границы современной физики, пока не требуется. Их безжалостно обрезает неумолимая «бритва Оккама». Поэтому можно думать, что предсказания новых, еще не наблюдавшихся явлений, которые вытекают из известных нам законов природы, также должны быть верными.

Два геометрических полюса мира, самое большое и самое малое — 10-16 сантиметров «снизу» и 1027 сантиметров «сверху». Учитывая, что наши собственные размеры сто — двести сантиметров, можно сказать, что вдаль мы видим на семь порядков острее, чем вглубь.

Самые мелкие объекты в природе — геометрические кванты пространства, 10-33 сантиметров. Самый большой объект — сама Вселенная. Бесконечна она или конечна? Забегая вперед, заметим, что радиус нашего мира, то есть той части Вселенной, в которой действуют привычные нам физические законы, составляет около 1023 километров. Всего лишь в десять раз больше уже достигнутой границы. Каковы размеры и свойства остальной части — это сложный вопрос. Чтобы ответить на него, надо знать, как устроена Вселенная, знать ее структуру. Представление о бесконечно продолжающемся во все стороны пространстве — только одна из возможностей, причем самая простая. Есть более сложные. Одна из них была открыта еще древнегреческими учеными.

Матрешки в матрешках

Греческий философ Анаксагор жил две с половиной тысячи лет назад. Это был нелюдимый, мрачный человек, с головой погруженный в науку. Когда его однажды спросили: «Если ты отказываешься от земных благ, зачем же ты родился на свет?» — он ответил: «Для того, чтобы наблюдать небо, а на нем звезды, луну и солнце!»

Анаксагор не признавал божественной природы этих небесных тел, считая их просто раскаленными камнями. За такое неслыханное богохульство афинский суд приговорил его к казни, и ему едва удалось спастись бегством.

Анаксагор первым пришел к мысли о том, что мир состоит из бесчисленного количества мельчайших частиц, каждая из которых — целая Вселенная. Такая же, как наша. Внутри каждой частицы, какой бы малой она ни была, учил философ, «есть города, населенные людьми, обработанные поля и светит солнце, луна и звезды, как у нас». И этот микрокосмос, в свою очередь, состоит из частиц-вселенных, которые содержат еще более мелкие, и так без конца. Анаксагор считал, что любая из этих частиц содержит в себе все свойства Вселенной и ничем не хуже других, больших или меньших ее. Мир бесконечно повторяется вверх — в сторону больших размеров, и вниз — при уменьшении всех масштабов до нуля. Но на каждом этаже все соразмерно, и его обитатели не знают, на каком по счету уровне они живут. Да и как сосчитать, если в обе стороны бесконечность?! Любой уровень можно выбрать за начальный.

Идею о бесконечной цепочке вложенных друг в друга миров разделяли многие ученые. В семнадцатом веке ее сторонником был Готфрид Вильгельм Лейбниц — знаменитый философ и математик. Он также считал, что мир слагается из простейших частичек — атомов, в каждой из которых, в свою очередь, «существует целый мир созданий, живых существ, животных…». Подобные же мысли высказывали Джордано Бруно и другие выдающиеся мыслители.

Вселенная в электроне

Масла в огонь подлила работа Резерфорда, доказавшая, что атом подобен микроскопической солнечной системе. Если все устроено так похоже, то почему не продлить эту аналогию дальше и не предположить, что вообще все свойства микромира такие же, как у нас, только в миниатюре? Огромное поле для фантазии! Жизнь внутри атомов, многоэтажная вселенная — в начале века эти идеи обсуждались в серьезных книгах, о них шла речь во время лекций.

Настроение того времени хорошо отразил поэт Валерий Брюсов:

Быть может, эти электроны —

Миры, где пять материков,

Искусства, знанья, войны, троны

И память сорока веков!..

Их мудрецы, свой мир бескрайний

Поставив центром бытия,

Спешат проникнуть в искры тайны

И умствуют, как ныне я…

Но… в игру снова вступила острая «бритва Оккама»: гипотезы о микрокосмосе не имели достаточных оснований, тем более что бурное развитие экспериментальной физики в последующие годы, детальное изучение свойств молекул и атомов, открытие быстро распадающихся и превращающихся одна в другую элементарных частиц, казалось бы, полностью и навсегда разрушили наивную картину мира, построенного по принципу вложенных одна в другую русских матрешек. Однако в последнее время появились соображения, которые неожиданно заставляют снова вернуться к идее вложенных миров.

Это связано с замечательным открытием, которое сделал ленинградский ученый Александр Александрович Фридман. Чтобы понять, в чем тут дело, нам придется познакомиться с некоторыми свойствами сил всемирного тяготения.

Изогнутое пространство и искривленное время

Казань середины прошлого века была грязным провинциальным городом, где редкие островерхие мечети контрастировали с луковицами православных церквей, а светлое, в несколько этажей, здание университета — с низкими, тесно прижавшимися друг к другу домишками вдоль пыльных улиц, по которым носились ватаги чумазых ребятишек. Трудно поверить, что в этих условиях могла родиться теория, перевернувшая представления, безраздельно владевшие умами более двух тысячелетий.

Вселенная в электроне

С тех пор как древнегреческий ученый Евклид собрал и привел в систему то, что стало потом называться евклидовой геометрией (она и сегодня излагается в школьных учебниках), считалось само собой разумеющимся, что окружающее нас пространство плоское, без всякой кривизны. Посмотрите на тонкий прут или лист бумаги. Это примеры одномерного и двумерного пространств. Они могут быть прямыми, плоскими и искривленными. Это понятно и не требует никаких пояснений. Сложнее представить искривление трехмерного пространства. Для этого нужно воображение или математические формулы. Например, сумма углов треугольника в искривленном пространстве не равна 180 . Соответствующая теорема из школьного учебника там не пригодна, поскольку при ее выводе неявно предполагалось, что пространство может быть только плоским. На поверхности шара сумма углов треугольника больше 180°, на вогнутых поверхностях она меньше 180°. Читатель сам может найти другие величины, характеризующие кривизну пространства.

С вершины современных знаний многое из того, что входило в науку с большим трудом, выглядит просто очевидным, и кажется невероятным, как это люди, а уж тем более знаменитые ученые, не могли понять таких простых вещей! Но именно такие простые, веками почитаемые за очевидные взгляды труднее всего изменить. Описывающая плоский мир геометрия Евклида более двух тысячелетий успешно служит людям, и никому в голову не приходило, что могут быть еще и другие геометрии, столь же последовательные и непротиворечивые, но только для искривленных миров. С точки зрения церковных догм, сама мысль о многообразии миров выглядела еретической и напоминала о трагической судьбе Джордано Бруно.

Неудивительно, что когда ее высказал профессор математики Казанского университета Николай Иванович Лобачевский, его работы не нашли понимания даже у лучших математиков того времени. Он послал работы в Петербург, в Академию наук, но получил резкий отрицательный отзыв, подписанный знаменитым математиком Остроградским.

Правда, рассказывают, что здесь сыграло роль неудачное стечение обстоятельств. Остроградскому уже давно досаждал безграмотными математическими сочинениями некий чиновник Лобачевский. Получив новую работу, подписанную тем же именем да еще замахнувшуюся на тысячелетний авторитет Евклида, Остроградский пришел в крайнее раздражение и тут же написал разгромный отзыв.

Как бы там ни было, отрицательное отношение Академии наук к работам казанского ученого подорвало его положение. Этим воспользовались чиновники и те из его коллег, которые раньше опасались открыто критиковать его взгляды (Лобачевский долгое время был ректором университета). К тому же резко ухудшилось зрение, и Лобачевский был вынужден уйти в отставку. Вскоре он умер, почти ослепший, неспособный заниматься своей любимой наукой.

Лобачевский в своих книгах первым создал неевклидову геометрию и поставил вопрос: какова же реальная геометрия нашего мира — плоская евклидова или же искривленная неевклидова? Более того, он попытался ответить на этот вопрос экспериментально — путем астрономических наблюдений измерить сумму углов треугольника, образованного тремя яркими звездами. Работы Лобачевского и выполненные независимо от него расчеты венгерского математика Яноша Бояи, который тоже пришел к идее неевклидовых геометрий, послужили идейным фундаментом для всех последующих теорий искривленных пространств, в том числе и для теории Бернгарда Римана. Этот немецкий ученый разработал математический аппарат для анализа пространств различных типов. В его теории пространство могло быть скрученным и изогнутым, по-разному в различных точках, могло иметь разрывы и дырки, быть многомерным. Свои идеи Риман изложил в конкурсной лекции перед тем, как занять в Геттингенском университете место приват-доцента. В лекции, которая называлась «О гипотезах, лежащих в основаниях геометрии», не было ни одной формулы — для математического доклада факт весьма необычный. Рассказывают, что, выслушав Римана, престарелый «король математиков» Гаусс молча встал и вышел из зала. Лекция молодого ученого привела его «в состояние наивысшего изумления».

В начале XX века в распоряжении физиков были хорошо разработанные математические методы для описания искривленных пространств, а мысль о том, что при определенных условиях пространство может стать искривленным, уже не казалась еретической. Однако не было физической теории, которая бы связала кривизну пространства с действующими в нем силами. Такую теорию — теперь ее называют общей теорией относительности — создал Альберт Эйнштейн. В 1916 году он вместе с немецким математиком Гильбертом вывел уравнения, которые выразили кривизну пространства через силы всемирного тяготения. Оказалось, что там, где есть поле тяготения (гравитация), пространство всегда искривлено. И наоборот, пространственная кривизна проявляется в виде сил гравитации. Материальное тело как бы прогибает пространство и катится по образовавшейся ложбинке. Чем сильнее гравитация, тем такая ложбинка глубже.

Вселенная в электроне

И вот что замечательно: из уравнений Эйнштейна и Гильберта следует, что искривлено не только пространство, но и… время! Можно сказать, что темп его течения зависит от конкретных физических условий и разный в различных областях пространства. Этого не предвидели ни Лобачевский, ни Бояи. В перепадах гравитационных полей время может замедляться, почти замирать, или резко ускоряться.

Однажды маленький сын спросил Эйнштейна, как он стал таким знаменитым, и тот ответил:

— Когда слепой жук ползет по изогнутому суку, он не замечает, что сук изогнут. Мне посчастливилось заметить то, чего не заметил жук!

Однако анализ новой теории, выполненный Фридманом, показал, что в ней содержится нечто большее: кривизна может стать такой большой, что пространство полностью замкнется и превратится в изолированный «пузырь».

Бесконечный мир размером с точку

Александр Александрович Фридман родился в семье придворных музыкантов и детство провел в Зимнем дворце. В первую мировую войну он был на фронте в артиллерийских и воздухоплавательных частях. Не раз совершал опасные полеты, однажды едва не погиб при неудачном приземлении. Сочувствуя революционным идеям, он прятал в Зимнем дворце прокламации, одним из первых российских ученых признал Октябрьскую революцию. Много работал, преподавал. Увлекаясь наукой, мало внимания уделял личным удобствам.

Летом 1925 года газеты сообщили, что директор Главной геофизической обсерватории профессор А. А. Фридман и аэронавт П. Ф. Федосеенко достигли на стратостате высоты в семь тысяч двести метров. Это был рекорд страны. Через два месяца Александр Александрович умер от брюшного тифа, случайно заразившись во время туристской поездки в Крым. Он умер, так и не узнав о том, что две его небольшие статьи в физическом журнале совершили настоящую революцию в науке о строении и происхождении Вселенной.

В жестокой борьбе с религией наука создала картину бесконечной Вселенной, и вот теперь, основываясь на общей теории относительности, Фридман показал, что эта картина приближенная, и на самом деле мир может быть конечным. Но это не простой шар, где можно «дотронуться» до ограничивающей его стенки. Таких границ у мира нет. Конечный, но без границ.

Чтобы понять, как это может быть, представим себе муравья, бегущего по проволочному кольцу. Его одномерный мир сразу бесконечен и ограничен. Ограничен, так как, двигаясь все время вперед, муравей обязательно попадет в то место, где он уже побывал ранее, а бесконечен потому, что, сколько ни бегай, никакого конца у кольца не обнаружишь. Одномерная Вселенная обладает краями лишь в мире с большим числом измерений — на плоскости или в пространстве.

Для муравья на глобусе мир был бы двумерным, но опять-таки самозамыкающимся и вместе с тем бесконечным. И если бы муравей сам был двумерным и не мог «привстать» над поверхностью глобуса, то никаких границ своего мира он никогда не обнаружил. Двумерный мир полностью бы исчерпывал все доступное ему пространство.

Сказочным двумерным «людям», живущим на поверхности шара, было бы очень трудно представить себе ограниченность их Вселенной. Для этого им пришлось бы иметь дело с воображаемым трехмерным миром, который они могли бы изучать лишь с помощью математических формул, — ведь в своей жизни они имеют дело только с длиной и шириной, высоты у них нет.

Вселенная в электроне

Точно так же наше трехмерное пространство может быть поверхностью четырехмерного шара. Оно тоже будет одновременно бесконечным и замкнутым. У него нет границ, но объем его конечен. Этот «недостаток» мы не будем ощущать, поскольку мы тоже не можем «привстать» над трехмерным миром.

Конечно, реально никакого четырехмерного мира не существует, иначе четвертое измерение проявлялось бы в наших экспериментах. Это всего лишь вспомогательный математический образ. Однако это не мешает трехмерному миру обладать свойством кривизны и, подобно двумерной сфере, иметь конечный радиус.

Вообще говоря, двумерные существа могли бы узнать о замкнутости своего мира, если бы решили измерить длины концентрических окружностей, описанных вокруг какой-либо точки. Вначале их очень бы удивило, что длины окружностей не равны 2πR. Чтобы объяснить этот факт, им пришлось бы допустить, что мир искривлен. А далее обнаружилось бы еще более поразительное свойство: длины окружностей сначала растут с увеличением их радиуса, а затем начинают убывать и, наконец, стягиваются в точку! И вот это убедило бы жителей в том, что их мир замкнут. Его размеры: длина светового луча-радиуса от точки испускания до точки, в которой концентрические окружности становятся бесконечно малыми.

Если забыть о технических трудностях и рассуждать чисто теоретически, то аналогичный опыт можно проделать и в трехмерном пространстве — например, измерять площади концентрических сфер. Если мир искривлен и замкнут, они тоже сначала будут возрастать, а затем стянутся в точку. Заглядывая достаточно далеко в космос, мы увидим внутренность микромира. И опять мы встречаемся с тем же Великим кругом: из точки через космос в микромир! Два переходящих друг в друга полюса.

Из формул, полученных Фридманом, следует, что радиус искривленного мира зависит от его массы. Чем она больше, тем больше радиус. Например, замкнутый мир с массой, равной массе солнца, имел бы радиус всего около трехсот метров. А вот размер замкнутого мира, масса которого приблизительно такая же, как у всей нашей Вселенной, составляет уже что-то около триллиона триллионов километров.

Если масса, а следовательно, и радиус мира очень велики, то его свойства практически не отличаются от свойств плоского мира. Его жители не будут даже и подозревать о замкнутости своего мира и о том, что, кроме этого, кажущегося им единственным и бесконечным мира, имеется еще множество других похожих миров.

Такие замкнутые миры могут существовать независимо один от другого. Для их обитателей каждый из них выглядит, как вся Вселенная, а другие миры просто не видимы, словно их вообще не существует в природе. Один мир по отношению к другому представляет собой «схлопнувшееся», самозамкнувшееся пространство. Никакой связи между ними нет. Они не могут ни пересечься, ни соприкоснуться между собой, они просто принадлежат различным трехмерным пространствам.

Можно сказать, что формулы Фридмана описывают Вселенную, состоящую из множества изолированных трехмерных миров, живущих в своем собственном ритме времени. Изнутри такой мир может быть большим или малым, а извне, по отношению ко всем остальным мирам, каждый из них является «абсолютным ничто», точкой, лишенной размеров, массы и всех других мыслимых физических свойств.

Просто невероятно: целая Вселенная и в то же время «абсолютная точка» в пространстве и времени! Под одним углом зрения — бесконечность, под другим — нуль.

Удивительные фокусы творят силы тяготения. Как не вспомнить стихотворение Корнея Чуковского, где «волки скушали друг друга», или известную шутку о том, как змея сама себя проглотила!

Правда, здесь следует сделать важную оговорку. Вывод о полном схлопывании пространства получается, если не учитывать процессов рождения и поглощения элементарных частиц, которые разыгрываются на малых расстояниях. Когда «ворота» в замкнутый мир становятся очень узкими, нужно учитывать одновременно формулы Фридмана и квантовую механику, которая управляет физическими процессами в ультрамалом. К сожалению, такой единой теории (квантовой теории относительности) еще не создано. Сегодня существуют две отдельные науки: теория относительности Эйнштейна, с вытекающими из нее формулами Фридмана, и квантовая механика (подробнее мы познакомимся с ней в следующей главе). Их объединение — дело будущего, поэтому как происходит последний микроскопический этап схлопывания пространства и его «отпочковывание» от материнского мира, мы точно не знаем.

Грубые оценки подсказывают, что когда соединяющая миры перемычка утончается до размеров геометрического кванта, пространство в ней становится неустойчивым, состоящим из отдельных «кусков», как битый лед в полынье. Такое дробленое пространство не может задержать переход энергии из одного мира в другой. Через оставшуюся тонюсенькую «пуповину» с размерами около 10-33 сантиметров, образно говоря, струится поток энергии, которая не позволяет ей сжаться до конца. Остается точечный «прокол» из одного мира в другой. Если новых миров образуется много, то Вселенная станет похожей на гроздь винограда со сросшимися ягодами — мирами.

Посмотрим теперь, что произойдет, если попытаться перейти из одного полузамкнутого мира в другой. Они обладают различной пространственной кривизной и разными ритмами времени, поэтому можно ожидать, что на их стыке будет происходить масса любопытных явлений. Прежде всего выясним, какие физические условия способствуют «созреванию» и «отпочковыванию» новых миров-вселенных. Это подскажет нам, где искать их «ворота».

Черные дыры пространства

Если внутри тела нет противодействующих сил, то тяготение сожмет его в маленький шарик. Окружающие нас тела устойчивы благодаря отталкиванию электронных оболочек атомов и молекул. Массивные звезды, внутри которых гравитационные силы чрезвычайно велики, противостоят сжатию лишь благодаря расталкивающему действию излучений и мощных потоков вещества, порожденных ядерными реакциями в их недрах. Когда эти реакции ослабевают, внутреннее давление уже не может помешать стягивающим силам гравитационного притяжения и звезда начнет сжиматься. Уравнения общей теории относительности говорят, что для тел, масса которых больше нескольких солнечных, такое сжатие, однажды начавшись, уже не может остановиться. Масса тела будет неограниченно уплотняться все в меньшем и меньшем объеме. Произойдет так называемый «гравитационный коллапс», полное схлопывание пространства: тело сожмется до размера геометрического кванта и почти полностью «выпадет» из нашего мира, как будто его там и не было.

Отсюда, казалось бы, следует, что с течением времени, по мере того как будет выгорать их ядерное «горючее», все массивные звезды одна за другой провалятся в «ямы» гравитационного коллапса, и наша Вселенная сильно «похудеет». В ней останутся лишь легкие тела, которые под действием тяготения постепенно сольются в более массивные объекты и тоже «вывалятся» из нашего пространства.

Вселенная в электроне

И вот тут теория относительности преподнесла неожиданный сюрприз. Из ее формул следует, что коллапс космического тела можно наблюдать, лишь падая на него. Например, из ракеты, которая притягивается его гравитационным полем. Если же смотреть со стороны, скажем, с нашей Земли, то никакого сжатия в точку не произойдет.

Как это может быть? Ведь если у космонавтов в ракете и у наблюдателя на космодроме достаточно точные приборы, они всегда видят на небе одно и то же!

На Земле, где слабое гравитационное поле, это действительно так. Если же поле тяготения сильное, оно искривляет не только пространство, но и время — замедляет его. Все процессы становятся вялыми, лениво текущими. В падающей ракете, подобно тому как это происходит в быстро спускающемся лифте или в пикирующем самолете, тяготение ослабевает — возникает невесомость. Поэтому и течение времени, его ритм, практически не изменяется. На него ничто не действует. Другое дело — земной наблюдатель. Он видит процессы, искаженные гравитационным полем. А у сжимающегося тела оно очень сильное — ведь, как следует уже из закона Ньютона, сила притяжения тела обратно пропорциональна квадрату расстояния до него. Поэтому уменьшение размеров тела сопровождается быстрым нарастанием сил тяготения. И вот наступает момент, когда притяжение становится настолько мощным, что уже даже свет не может его преодолеть. Он буксует, как автомобиль на скользкой дороге, его скорость снижается до нуля, и сжимающееся тело — звезда или целая Галактика — превращается в «черную дыру» — объект, который поглощает все, что на него падает, но сам ничего, абсолютно ничего не испускает. Такой объект становится невидимкой, черным пятном на небе!

Существование таких необычных космических объектов — черных дыр — предсказал вместе со своим ассистентом незадолго до второй мировой войны американский физик Роберт Оппенгеймер. Но еще раньше, в конце XVIII века, идею «всепоглощающих тел» высказал знаменитый французский ученый Пьер Симон Лаплас. Он первым подсчитал, что тело, имеющее плотность Земли и размеры с ее орбиту, будет удерживать световые лучи. Конечно, никаких эффектов, связанных с изменением ритма времени, Лаплас не знал.

Чтобы нагляднее представить себе черную дыру, стоит перечитать те страницы романа И. А. Ефремова «Туманность Андромеды», где описывается зловещая черная планета. Ее гравитационное поле — ловушка для неосторожного звездолета. Оказавшись в ее окрестностях, он уже не в силах разорвать мощные цепи притяжения, и поверхность планеты навеки становится его могилой. А если масса планеты или звезды так велика, что вообще ничто материальное не может от них оторваться, даже нейтрино и радиоволны, вот тогда это уже черная дыра!

Объекты с такими необычными свойствами предсказаны теоретиками, как говорят, открыты на кончике пера. Обнаружить в космосе эти не испускающие ни частиц, ни электромагнитных волн невидимки чрезвычайно трудно. Почувствовать их присутствие можно лишь по крепкой паутине тяготения, создаваемой ими в окружающем пространстве. Черная дыра поджидает свою добычу, как паук в темноте. Но иногда она может себя выдать. Например, когда в ее гравитационную паутину попадает облако межзвездного газа или пыли. Такое облако крайне разрежено, но зато объем его огромен — миллиарды тонн мельчайших частичек вещества. Ненасытная черная дыра будет собирать их, подобно мощному пылесосу. Облако закрутится в гигантскую воронку вокруг дыры и, постепенно уплотняясь, в результате бесчисленных столкновений частиц раскалится до сотен миллиардов градусов. (Масштабы космические!) При этом оно превратится в плазму и станет светиться, и не просто светом, а превратится в мощный источник рентгеновских лучей — в космическую рентгеновскую трубку. Если же черная дыра расположена вблизи звезды, она, как вампир, будет высасывать вещество соседки. И снова возникнут мощные рентгеновские импульсы.

У астрофизиков есть серьезные подозрения, что именно такой процесс происходит в созвездии Лебедя, на расстоянии нескольких десятков тысяч световых лет от Земли. Там обнаружен рентгеновский источник с большой массой и очень маленького размера. Есть еще несколько кандидатов в черные дыры, а некоторые ученые убеждены в том, что в центре нашей собственной Галактики также должна быть одна или даже несколько массивных черных дыр.

Однако все подозреваемые объекты очень далеки от нас, изучать их чрезвычайно трудно, и полной уверенности в том, что это действительно черные дыры, пока еще нет. Астрофизикам придется еще потрудиться, чтобы поставить все точки над i.

Падение в тартарары

Итак, для стороннего наблюдателя время в окрестностях черной дыры останавливается, и коллапсирующее тело навеки застывает в виде черного пятна. Никаких изменений с ним больше не происходит. Все процессы там замирают, и спрятанный внутри черной дыры мир никогда не оторвется от нашего. Полного схлопывания пространства и сжатия коллапсирующего тела до размеров геометрического кванта мы никогда не увидим.

Если к черной дыре был направлен звездолет, то наблюдатели на контролирующих станциях зафиксируют постепенное уменьшение его скорости, и, наконец, он повиснет в пространстве, как мушка в густом глицерине. Так и останется навеки, дальше за ним можно не следить.

А вот перед экипажем летящего звездолета развернутся удивительные картины. Сначала ничего особенного, просто скорость корабля будет быстро нарастать, как у падающего на землю камня. Если затратить достаточно много горючего, еще можно затормозить и повернуть обратно. Правда, вернувшись на Землю, молодой космонавт встретит своего близнеца-брата глубоким стариком, а если задержится в окрестностях черной дыры чуть дольше, то встретит на Земле своих далеких потомков — ведь по сравнению с земным его время текло медленнее. Хороший способ путешествия в будущее! Надо только некоторое время полетать вблизи черной дыры. Она, как машина времени, перенесет путешественника в любую, сколь угодно отдаленную эпоху. Жаль только, что нельзя вернуться обратно в наше время, — машина работает в одну сторону!

Вселенная в электроне

Если экипаж звездолета отклонит мысль о возвращении и решит продолжать полет к черной дыре, то критическую красную черту, откуда уже нельзя вернуться обратно, притягиваемый черной дырой звездолет пролетит с предельной, световой скоростью. Свойства пространства и времени здесь таковы, что они как бы перепутываются, становятся неразличимыми между собой. Просто четыре равноправных измерения, и все! Если хотите, можно сказать, что пространство перестало существовать, а можно утверждать, что на границе черной дыры нет времени. А дальше произойдет уже нечто совсем сверхъестественное, такое, для чего не хватает ни слов, ни фантазии. Что-то напоминающее превращение времени в расстояние, а расстояния — в трехмерное время. Пространство и время как бы меняются местами. Наших обычных пространственно-временных представлений недостаточно для наглядного осознания того, что там происходит.

У писателя С. А. Снегова есть «космический» роман о путешествии землян к рамирам — таинственным и могущественным существам, жителям центра Галактики.

«— Кто видит океан в штиль, может ли представить, каким он становится в бурю? — пытается передать свои впечатления один из героев романа о происходящих там превращениях пространства и времени. — Вихри… Время здесь рыхлое, оно разрывается… прошлое не смыкается с будущим через настоящее… время больное, рак времени…

Время, подобно ленте Мёбиуса, течет, выворачиваясь в пространство. Замкнутые петли… Вневременные области, куда нельзя попасть из нашего времени… Впрочем, и это, наверное, лишь блеклое отражение тех коловращений, которые претерпевает время вблизи черных дыр».

Вселенная в электроне

Конечно, для экипажа звездного корабля это не пройдет бесследно. Те части звездолета и тел самих космонавтов, которые ближе к центру тяготения, будут испытывать действие больших сил. В земных условиях различие тяготения, действующего на наши ноги и голову, не велико (хотя тоже заметно — попробуйте повиснуть на перекладине турника вниз головой, и вскоре почувствуете прилив крови!). В окрестностях черной дыры, где силы притяжения огромны, любое физическое тело будет растянуто и многократно разорвано на мельчайшие части. Сжимаясь в точку, коллапсирующее тело превратится в россыпь геометрических квантов и каких-то не известных еще нам структурных единиц материи. Ни одно тело не может пройти сквозь черные ворота в дочерний мир, не испытав таких катастрофических превращений в каждой своей точке, которые трудно даже представить. Вот уж когда действительно верна пословица: «Пролезть труднее, чем верблюду в игольное ушко!»

Чем массивнее тело, тем большую черную дыру образует оно в пространстве. Например, черная дыра, в которую могла бы провалиться туманность Андромеды, в сотни раз превосходит размеры нашей Солнечной системы. Однако пройти через такой гигантский черный провал в дочерний мир не проще, чем через микроскопическую черную дырочку.

Радиус черной дыры для звезды с массой, равной трем массам Солнца, составляет всего лишь около десятка километров. По астрономическим масштабам — это уже практически точка, тем не менее до размеров геометрических квантов, когда происходит почти полное схлопывание пространства, еще далеко. Что же касается тел, масса которых меньше полутора-двух масс Солнца, то их гравитационные поля недостаточны для того, чтобы «смять» внутренние силы, препятствующие сжатию. Поэтому самые маленькие черные дыры, которые могут возникнуть при гравитационном коллапсе, имеют поперечник в несколько километров.

Но это означает, что мы, кажется, зашли в тупик: с одной стороны, теория предсказывает существование почти замкнутых миров, а с другой — эта же теория приводит к выводу о том, что ни одно космическое тело не может преодолеть барьер черной дыры и так сжаться, чтобы мог возникнуть такой мир. «Стенка» застывшего времени крепче любой брони! Ее нет для падающего в дыру звездолета, но для нас это не имеет значения, поскольку никаких репортажей с борта этого звездолета мы не получим, они так и останутся в гравитационной паутине черной дыры.

Распухающая Вселенная

Горловина, связывающая нас с дочерним миром, действительно не может стать уже нескольких километров. Сомневаться в правильности расчетов нет оснований. Однако наш мир не всегда был таким, как сейчас. В далеком прошлом его свойства были совершенно иными, другими были и условия для образования черных дыр.

Астрономия — древнейшая земная наука. Необходимые для ночной ориентировки зачатки астрономических знаний были известны, по-видимому, уже первобытным охотникам. Наблюдая периодические, повторяющиеся из года в год движения Солнца, Луны и других небесных светил, люди, естественно, пришли к мысли о том, что Земля — центр Вселенной. Широкое распространение библейских мифов о сотворении мира еще более укрепило эти представления. Вселенная считалась конечной как во времени — от сотворения мира, так и в пространстве — ограниченной небесным сводом с закрепленными на нем звездами. И хотя постепенно накапливались наблюдения, которые заставляли сомневаться в справедливости этой картины, новые идеи пробивали себе дорогу с большим трудом. Мысль Коперника о том, что в представлении людей об устройстве мира надо поменять местами Солнце и Землю, казалась просто издевательством над здравым смыслом.

Насколько велика сила привычки и предубеждений, видно, например, из того, как Галилео Галилей, ученый, едва не попавший на костер инквизиции за приверженность идеям Коперника, в молодости был их ярым противником. Воспитанный по канонам церкви, он впервые услышал о них на лекциях в университете и искренне считал их очевидной глупостью.

«Я спрашивал об этом многих из числа бывших на лекциях, — вспоминал он впоследствии, — и увидел, что эти лекции служили неистощимым предметом для насмешек».

Такой же нелепостью теория Коперника показалась и современнику Галилея, послушнику одного из монастырей в Неаполе Джордано Бруно. Он родился всего лишь через пять лет после смерти Коперника и был на шестнадцать лет моложе Галилея. Начав с критики коперниковских трудов, Джордано Бруно вскоре стал их сторонником. В многочисленных публичных диспутах он защищал идею о вечном существовании пространственно бесконечной Вселенной. Через несколько лет после сожжения Джордано Бруно на Площади Цветов в Риме Галилео Галилей с помощью изобретенного им телескопа смог доказать, что светящиеся облака Млечного Пути состоят из мириадов звезд. Как и предсказал Джордано Бруно, мир оказался необычайно большим и разнообразным.

В последующие столетия стараниями астрономов, математиков и физиков получено огромное количество новых сведений о космосе. Картина мира стала несравненно более полной и совершенной, чем во времена Коперника и его первых последователей. Тем не менее в своей основе представления о строении мира, как целого, все эти столетия оставались, по существу, неизменными. Бесконечное пространство, заполненное сгустками кипящей материи, — звезды, шарики планет вокруг них, разреженный межзвездный газ и пыль. Такая картина бесконечной и вечной Вселенной господствовала в науке вплоть до середины XX века. Уточнялись и изменялись детали, иногда целые фрагменты, но убеждение в том, что окружающий мир не имеет конца и края не только в пространстве, но и во времени, сохранялось неизменным. Считалось, что существенные изменения происходят лишь в отдельных участках Вселенной. Планеты, звезды, жизнь — все имеет свой срок существования. Однако, погибнув в одном месте, они возникают и проходят все стадии эволюции в другом. В целом же в своих глобальных свойствах мир остается неизменным.

То, что эта картина не верна (точнее, применима лишь в сравнительно небольшой области пространства и времени, недалеко от нашей планеты и вблизи времени, в котором мы живем), ученые поняли совсем недавно. И главную роль в этом сыграли уже упоминавшиеся две небольшие статьи А. А. Фридмана. В них говорилось не только о том, что мир может быть искривленным и замкнутым, но и о том, что его размеры не остаются постоянными, а изменяются с течением времени.

Анализ уравнений теории относительности, выполненный Фридманом, обнаружил в их решениях «особую точку», некоторый момент времени, в который радиус мира равен нулю, а плотность содержащегося в нем вещества — бесконечности. Исчезающее малая точка бесконечной массы! Из уравнений следовало, что эта точка мгновенно, толчком, превращается в крохотный шарик, который продолжает далее быстро расти. Получается так, что до некоторого стартового момента времени не было ни времени, ни пространства. Затем, в силу каких-то причин (точнее теория сказать не может), Вселенная стала «разбухать», извергаться из точки, равномерно расширяясь во все стороны, как выдуваемый мыльный пузырь.

Вселенная в электроне

Идея рождения и распухания мира настолько резко противоречила всем принятым в науке представлениям, что большинству ученых она показалась просто фантастической. На нее смотрели, как на некую чисто математическую модель, описывающую нереализующиися в природе случай, — ведь, как известно, уравнения имеют иногда лишние решения, которые приходится отбрасывать, исходя из условий задачи. Даже Эйнштейн посчитал сначала расчеты Фридмана ошибочными, «подозрительными», как осторожно выразился он сам.

Зато церковь встретила новую теорию с восторгом. Еще бы, физика доказывает начало мира и своим авторитетом подтверждает библейские тексты!

Конечно, претензии церкви на научное обоснование библейских мифов не имеют никаких оснований. С не меньшим правом о подтверждении их пророчеств могли бы говорить, например, и безвестные авторы древнеиндийской языческой Книги Гимнов («Ригведы»), которые на много тысячелетий раньше Библии рассуждали о цепи следующих друг за другом рождений и смертей Вселенной. За свою долгую историю люди придумали много сказочных (религиозных) и несказочных (научных) объяснений природы. В мифах разных народов можно найти космогонические картины на любой вкус: в одних вещается о рождении и грядущей гибели мира, в других он бесконечен. И каждый из этих сценариев имеет много вариантов, выдумать можно многое. При желании любому астрономическому открытию можно сопоставить отдаленно напоминающий его миф. Основное различие между научным и ненаучным объяснениями природы состоит в том, что научные выводы, даже самые удивительные и диковинные, — это не просто утверждения, в которые нужно верить, как в религиозные догмы, все они могут быть проверены и доказаны опытом.

А наблюдения приносили все новые и новые подтверждения «фантастической» теории Фридмана. Самое убедительное нашел английский астроном Эдвин Хаббл.

Невероятно, но факт!

Через четыре года после смерти Фридмана Хаббл установил, что все звезды и галактики удаляются, разбегаются друг от друга, как и должно быть, если окружающее их пространство раздвигается во всех своих точках, разбухает, подобно тесту в квашне. И как это предсказывали формулы Фридмана, скорость разбегания космических объектов тем больше, чем дальше они удалены друг от друга. Самые близкие звезды удаляются от нас каждую секунду на десятки и сотни километров. А самые далекие космические объекты, находящиеся на краю видимой нами части Вселенной, убегают со скоростями, близкими к скорости света.

Вселенная в электроне

Благодаря распуханию пространства растягивается и наше тело, но на ничтожно малую величину, приблизительно на 10-11 сантиметров за всю нашу жизнь. За это время Земля и Солнце успевают разойтись примерно на десять микрон — тоже очень маленькая величина. Эффект разбегания важен для межгалактических расстояний и интервалов времени в сотни миллионов и миллиарды лет.

Еще одно убедительное доказательство теории расширяющейся Вселенной связано с именем американского физика русского происхождения Г. А. Гамова. Он выдвинул гипотезу о том, что рождение Вселенной представляло собой гигантский взрыв пространства и какой-то неизвестной нам праматерии, из которой в условиях огромных температур и давлений «сварилось» затем атомное вещество нашего мира. За неимением более подходящей наглядной картины это явление часто называют «Большим взрывом», или «Биг Бэнгом», если использовать соответствующий звучный английский термин. Гипотеза Гамова позволила разработать теорию «Огненного шара», в котором происходил синтез атомных ядер, и рассчитать концентрацию водорода, гелия и других химических элементов во Вселенной. Результаты вычислений хорошо согласуются с данными о составе Земли, лунных пород и метеоритов и с результатами изучения спектров испускаемого звездами света, которые зависят от того, какие атомные ядра «горят» на той или иной звезде. И самое главное, американские инженеры с помощью радиотелескопов обнаружили предсказанное Гамовым рассеянное по всему пространству остаточное тепловое излучение Большого взрыва.

В пользу теории Фридмана говорило также множество косвенных данных. И шаг за шагом поражающая воображение, кажущаяся пришедшей из научно-фантастических романов картина взрывающейся и быстро расширяющейся Вселенной завоевала всеобщее признание.

Безусловно, это одна из тех идей, которые знаменитый датский физик Нильс Бор относил к разряду «сумасшедших». Александр Александрович Фридман открыл самое грандиозное явление природы из всех, которые мы можем сегодня себе представить. Рождение и расширение Вселенной — что может быть грандиознее?! По научному значению и влиянию на умы людей теорию Фридмана можно сравнить лишь с теориями Коперника и Джордано Бруно.

Черные дыры-малютки

Теперь мы в состоянии понять, как образуются такие дыры. Это могло произойти в катаклизме «первородного взрыва». В колоссальных перепадах давлений и плотностей могли возникать области очень малых размеров и такой большой массы, что вокруг них происходило практически полное свертывание пространства и времени. Исходная масса каждой такой самозамкнувшейся области компенсируется, «съедается», отрицательной энергией гравитационного притяжения ее внутренних частиц. Это похоже на то, как из слияния тяжелых элементарных частиц образуется легкая. Для внешнего пространства масса замкнутого мира оказывается почти равной нулю. Если не учитывать квантовых эффектов, она была бы точно равна нулю, и замкнувшийся мир полностью бы исчез из нашего пространства.

В процессе «Биг Бэнга» могли образоваться черные дыры самых различных масс и размеров — от очень больших до субъядерных, как у элементарных частиц. Микроскопические черные дыры-малютки — это ворота, через которые спрятавшийся внутри полузамкнутый мир связан с внешним пространством, с его ритмом времени. Чем уже ворота, тем меньшей массой во внешнем пространстве обладает находящийся за ними полузамкнутый мир.

Несмотря на малость их размеров, дыры-малютки — очень тяжелые объекты. Например, черная дыра с радиусом 10-13 сантиметров, то есть такой же величины, как большинство элементарных частиц, имеет массу приблизительно в миллиард тонн. Это масса астероида с радиусом около километра или горы средней величины на поверхности Земли. Черная дырочка с размерами электрона весит миллион тонн. Не видимые глазом точки с весом целой горы!

Среди известных нам физических тел самые плотные — атомные ядра. Их вещество спрессовано в десятки миллиардов раз сильнее, чем в стальном шарике. А плотность микроскопической дыры-малютки еще в 1040 раз больше. Космические масштабы в микромире.

И наконец, самое удивительное: оказывается, черные дыры-малютки неустойчивы и теряют свою массу путем… испарения! Это может показаться просто невероятным — ведь черная дыра потому и называется черной, что она ничего не испускает. Тем не менее расчет показывает, что это так. Уравнения теории относительности, на которых основывались первоначальные выводы о свойствах черных дыр, не учитывают квантовых эффектов, а для объектов с размерами, как у элементарных частиц, это уже незаконно.

Мы уже знаем, что протон на очень короткое время может превратиться в протон и пи-мезон. Подобным же образом в пустом пространстве может родиться пара — позитрон плюс электрон или даже пара более тяжелых частиц, родиться и тут же исчезнуть, аннигилировать в ничто. Квантовая механика допускает такие процессы. И вот может случиться так, что родившиеся частицы не успеют еще аннигилировать, а одну из них уже поглотит прожорливая черная дыра. Тогда второй компонент пары уже не имеет партнера для аннигиляции и излучится, полетит в пространство прочь от дыры. Такие события повторяются одно за другим, поэтому вокруг черной дыры происходит как бы «вскипание» вакуума, а внешне это выглядит, как постепенное ее испарение. Похоже на вскипание капли воды на горячей сковородке. Масса черной дыры уменьшается, соответственно уменьшается и ее радиус — дыра стягивается в точку. Ворота в полузамкнутый мир стремятся сомкнуться!

Вселенная в электроне

Температура горящей спички около семисот градусов. А черная дыра — малютка с радиусом, как у протона, — ведет себя, подобно телу, нагретому до температуры в сотню миллионов градусов, примерно впятеро горячее, чем в центре Солнца. Мощность ее излучения равна мощности полутора Братских гидроэлектростанций. И такая мощность извергается из объема, который в сотни раз меньше атомного ядра! Не видимая глазом пылинка, которая способна осветить и отопить огромный город. Концентрация энергии просто чудовищная!

По мере того как размеры черной дыры уменьшаются, «квантовое кипение» вакуума вокруг нее становится все более интенсивным. Начинают рождаться тяжелые частицы, температура черной дыры, а следовательно, и мощность ее излучения возрастают. Для черных микродыр с размерами, как у элементарных частиц, такой процесс нарастающего излучения продолжается один-два десятка миллиардов лет. Завершается он взрывом, мощность которого эквивалентна одновременному взрыву почти триллиона атомных бомб, подобных той, что была сброшена американцами на Хиросиму. Двери во внутренний мир закрываются с грохотом! Таков результат вычислений английского физика Хоукинга, выполненных в предположении, что в последние моменты ее жизни вокруг перегретой черной дыры образуются и излучаются частицы с массой в несколько нуклонных масс. Если возможно излучение более тяжелых частиц (а почему нет?), взрыв будет еще более мощным — в сотни тысяч и даже миллионы раз. Эффекты действительно космические.

Зная скорость расширения пространства (ее измерил еще Хаббл), можно вычислить время, которое потребовалось для того, чтобы Вселенная «распухла» до ее современных размеров. Оказывается, для этого нужно пятнадцать — двадцать миллиардов лет. Наш мир достиг возраста, когда очень маленькие черные дырочки уже успели распасться, и теперь пришло время взрываться дырам с адронными размерами.

Поиск излучений и взрывов черных микродыр вели с помощью ракет и спутников. Были обнаружены излучения, которые можно приписать черным дырам. К сожалению, это очень неоднозначно, этим излучениям можно найти и другие, более привычные объяснения. Неумолимая «бритва Оккама» — «не вводить сущностей сверх необходимого» — заставляет искать дальнейшие доказательства. А если все же допустить, что замеченное излучение принадлежит в основном черным дырам, то их число в окружающем пространстве очень велико. Можно сказать, что Вселенная буквально нафарширована крошечными черными дырами.

Невольно приходит мысль: нельзя ли как-то поймать одну такую дырочку и использовать ее в качестве компактного и практически неисчерпаемого источника энергии? Например, поместить внутрь сферы с двойными жароупорными стенками, между которыми циркулирует и превращается в пар вода или какой-либо легкоплавкий металл. Их энергию нетрудно перевести в электрическую. Интересно было бы создать проект такой космической электростанции для снабжения горючим космических ракет и спутников. Кто знает, возможно, в будущем ловля маленьких черных дыр станет важным занятием специальных звездолетов. Казалось бы, чистая фантастика, но атомная энергия и спутники полвека назад тоже выглядели утопией. Кстати, о том, насколько серьезно некоторые ученые относятся к возможности столкновения космического корабля с черной дырой, говорит тот факт, что Лондонское научное общество имени Бэкона объявило конкурс на лучшее предложение, как избежать такой встречи. В конкурсе приглашают участвовать физиков, математиков и астрономов.

Вселенная в электроне

Может, кто-то из юных читателей примет участие в экспедиции, которой будет поручено «заарканить» и посадить в клетку свирепо брызжущую излучениями черную микродыру! Наука и техника в наши дни развиваются необычайно быстро.

Мощный поддержкой гипотезе черных дыр-малюток было бы обнаружение больших черных дыр — ведь если существуют большие дыры, то вполне могут быть и маленькие.

Большие черные дыры являются по-настоящему черными, ничего не излучающими. Попадающие в них брызги «вакуумного кипения» ничтожны по сравнению с массой дыр и повышают их температуру на миллионы доли градуса. Время, которое требуется для испарения крупных черных дыр, составляет 1060 — 1070. Чудовищная величина даже в условиях космоса! Очень слабенькое тепловое излучение объектов, температура которых почти не отличается от абсолютного нуля, теряется на фоне других излучений. Большие черные дыры может выдать лишь их ненасытный аппетит. Как уже говорилось выше, засасываемое ими окружающее вещество испускает рентгеновские лучи, которые можно зафиксировать нашими приборами. И хотя, строго говоря, нет еще ни одной достоверно установленной черной дыры, доводов в пользу их существования сегодня больше, чем против. Некоторые из подозреваемых объектов — почти заведомо черные дыры.

Вселенная в электроне

Черные дыры — удивительные объекты, а микроскопические черные дырочки обладают, можно сказать, прямо-таки сказочными свойствами. Однако не следует забывать, что они, эти свойства, предсказаны на основании теории, которая еще весьма приближенна и несовершенна. Квантовой теории тяготения, которая требуется для точных вычислений на очень малых расстояниях, еще не создано. Физики умеют пока только очень приближенно «сшивать» решения уравнений общей теории относительности с квантовой теорией. Здесь еще много «белых пятен», и к предсказаниям теоретиков приходится относиться с осторожностью. Например, нельзя с полной уверенностью сказать, чем заканчивается взрыв микроскопической черной дыры. В принципе при этом может произойти полное испарение ее наблюдаемой массы и схлопывание пространства в точку. Но скорее всего, процесс бурного испарения остановится на уровне геометрических квантов, когда раздробленное на «куски» пространство уже не может однозначно разделиться на «свой» и «чужой» миры. Расчеты, выполненные советским академиком М. А. Марковым, показали, что такой исход весьма вероятен. Остаточная масса составляет всего лишь около миллионной доли грамма, независимо от того, какова была начальная масса черной дыры и какова масса полузамкнутого внутреннего мира. Остаточный объект как раз и является частицей-максимоном, о котором шла речь в предыдущей главе.

Не исключено, что при каких-то еще не совсем понятных нам условиях будут образовываться устойчивые объекты с еще меньшей массой, вплоть до массы электрона. Более того, оказывается, что величина электрических зарядов у них тоже такая же, как у элементарных частиц! Для внешнего наблюдателя такой объект, содержащий внутри себя целую вселенную космических тел, будет проявляться как микрочастица. М. А. Марков назвал такие объекты фридмонами.

Можно сказать, что фридмон — это частица с космической начинкой. Как не вспомнить здесь пророчество Анаксагора о частицах-мирах, вложенных друг в друга! Так же, как это произошло с атомами, на новом этапе наука вновь вернулась к древней идее. В случае атомов догадка древнегреческих ученых стала твердо установленным фактом. С фридмонами дело сложнее, их существование еще нужно доказать на опыте. Возможно, что фридмоны (их размеры около 10-33 сантиметров) прячутся где-то глубоко внутри электронов, кварков или прекварков. А может, это затравочные ядра частиц какого-то совершенно нового типа, которые еще только предстоит открыть на опыте. Вокруг каждого такого ядра нарастают «облака» кварков, глюонов, состоящих из них «капель»-мезонов и других элементарных частиц. Все это похоже на кочан капусты с бесчисленными листьями. А исчезающе малая черная дыра в центре — ворота в другую Вселенную. Если бы эти ворота раздвинулись вдруг до размеров бактерии, сама элементарная частица распухла бы до величины всей нашей Вселенной.

Насколько близка к истине такая картина и где на самом деле скрываются фридмоны, теория сказать пока не в состоянии. Но уж очень естественно, без всяких дополнительных гипотез, возникают фридмоны в рамках современной теории. И если почему-либо их все же нет в природе, это само по себе будет удивительной загадкой. Такого мнения сегодня придерживаются многие ученые.

Теперь самое время задать давно напрашивающийся вопрос: ну а наша Вселенная, не является ли она крошечным фридмоном в каком-то другом, внешнем по отношению к нам мире? Может, мы живем внутри электрона, только не знаем об этом?

Для того чтобы мир стал замкнутым, в нем должны действовать мощные, искривляющие его силы тяготения. А это означает, что масса сосредоточенного в нем вещества должна быть достаточно большой, так как именно она создает тяготение. Из формул Фридмана следует, что для замыкания нашей Вселенной нужно, чтобы в каждом кубическом метре пространства в среднем содержалось по десятку нуклонов, протонов или нейтронов. Конечно, распределение вещества в космосе очень неоднородно: массивные сгустки звезд, разделенные огромными промежутками почти полной пустоты. Но и размеры Вселенной колоссальны, и в таком гигантском масштабе она весьма однородна. То же самое с окружающими нас телами. В первой главе мы видели, что вещество состоит в основном из пустоты с редкими зернышками тяжелых атомных ядер, а в крупном масштабе оно выглядит совершенно однородным.

Астрономические наблюдения дают раз в десять меньшее значение средней плотности, чем то, которое нужно для замыкания. Однако, возможно, учтены не все еще виды вещества в космосе. Например, если у нейтрино есть небольшая масса, это сразу даст весомый добавок, так как нейтрино — слабо поглощаемые веществом частицы, и они во множестве рассеяны в пространстве. Так что не исключено, что наша Вселенная действительно фридмон и мы живем внутри электрона или какой-либо другой микрочастицы. С другой Вселенной (с «остальным миром») нас соединяет тогда тонкая горловина — туннель с черной дырой на входе. И может получиться так, что наша Вселенная — электрон в соседней Вселенной, а тот — электрон в нашей. Как в старом анекдоте об охоте на льва: чтобы его поймать, нужно самому сесть в клетку и считать, что подлинной клеткой является все остальное пространство, и готово — лев за решеткой!

Где начало того конца, которым кончается это начало?

В теории фридмонов мы впервые встречаемся с ситуацией, когда для объяснения свойств микрообъектов приходится привлекать космические явления, и, наоборот, решение космологических проблем происхождения и строения Вселенной связывается со свойствами элементарных частиц. Гипотеза фридмонов показала условность наших представлений о самом большом и самом малом. Привычное разделение мира на космос и микромир, оказывается, не имеет абсолютного значения и применимо лишь в определенных границах. В зависимости от условий и точки зрения, один и тот же объект может выглядеть, как микроскопически малая частица и как грандиозная по своим размерам Вселенная. Лестницу структурных форм материи нельзя мыслить в виде бесконечного числа этажей-ступеней, уходящих в область исчезающе малых интервалов, с одной стороны, и в область неограниченно больших масштабов — с другой. Если принять гипотезу фридмонов, бесконечность мира, скорее, оказывается похожей на круг, где ультрамалое одновременно является и ультрабольшим. Углубляясь в недра материи, мы неожиданно снова возвращаемся в космос, и наоборот. Поди разберись, где тут начало и где конец, что простое, а что сложное!

Вселенная в электроне

Вселенная устроена необычайно сложно. Свойства, принадлежащие, казалось бы, к противоположным этажам мироздания, неожиданно оказываются тесно связанными, а иногда и переходят одно в другое. Все это настолько непривычно, что у человека, который впервые знакомится с выводами теории относительности, как говорится, иногда ум за разум заходит. Все не так, как в школьной физике.

Однажды какая-то газета напечатала объявление, в котором говорилось, что поскольку новая теория Эйнштейна перевернула физику с ног на голову, занятия по физике в школах отменяются до тех пор, пока профессор Эйнштейн не поставит эту науку обратно на ноги. И хотя объявление появилось первого апреля, Эйнштейн получил массу писем с вопросом: когда же, наконец, он восстановит порядок в физике?

Здесь опять уместно повторить: современную физику нельзя просто выучить, к ней надо еще и привыкнуть!

Еще недавно пространство представляли себе сложенным из плоских слоев пустоты, похожим на стопку огромных, очень тонких стекол. Сегодня мы знаем, что оно может быть затейливо искривлено и скручено. Если для наглядности предположить, что Вселенная имеет всего два измерения, то вместе с отпочковавшимися дочерними мирами она будет представлять собой что-то вроде суммарной поверхности пор в губке, где каждая пора-мир соединяется тоненьким капилляром с соседней. В теории Фридмана эти соединения можно перерезать, в квантовой теории этого сделать нельзя. Получается очень сложная переплетающаяся фигура с множеством прорех и дыр. Реальная Вселенная устроена аналогично с тем отличием, что она не двух-, а трехмерная поверхность в четырехмерном мире.

Выше уже не раз говорилось о четырехмерном пространстве, и каждый раз подчеркивалось, что оно существует лишь в формулах, в природе такого пространства нет. Но может быть, мы ошибаемся и, как это бывало уже не однажды, выдаем нашу привычку за всеобщую истину? Как доказать, что наш мир не вложен в пространство большего числа измерений?

Трехмерный или четырехмерный?

У английского писателя Герберта Уэллса есть научно-фантастический роман, где рассказывается о четырехмерной Вселенной, состоящей из бесчисленного количества трехмерных миров, подобных нашему. Все они независимы, но есть область, где они пересекаются, и можно попасть в любой из них. Такая Вселенная похожа на раскрытую книгу, где веер независимых миров-страниц имеет общий корешок.

Вселенная может состоять и из полностью независимых параллельных миров, каждый из которых, подобно гладкой шелковой ленте, повторяет все изгибы соседних. Можно придумать много различных конструкции. Но все они имеют общее свойство: между событиями в разных пространственно-временных точках трехмерного мира существует связь через недоступное нашему восприятию четвертое измерение. Таким образом, можно было бы попасть в прошлое или будущее и вернуться обратно, мгновенно переместиться из одного места в другое. Вокруг нас постоянно происходили бы чудеса. Одни предметы исчезали бы без следа, другие неожиданно появлялись бы из ничего. Малиновое варенье из плотно закрытой банки могло бы оказаться на белой простыне постели, а соседский кот — внутри запертой клетки с канарейкой.

Ничего подобного в нашем мире не наблюдается. Тем не менее это еще не означает, что у него нет четвертого измерения. Оно может открываться лишь в микромире. Например, если радиус Вселенной в направлении четвертого измерения очень маленький и она похожа на огромную и тонкую четырехмерную баранку, тогда в трехмерном пространстве — шар, а в четырехмерном — кольцо. Другой пример: трехмерный мир с микроскопически тонкими отростками и руками, выходящими в четвертое измерение. Когда речь идет об очень большом и очень малом, надо быть готовым ко всяким неожиданностям. Поэтому чтобы с уверенностью говорить о трехмерности нашего мира, надо доказать, что в процессах с элементарными частицами тоже нет самопроизвольных беспричинных явлений.

Вселенная в электроне

Каждый из нас еще с детских лет усвоил, что ничто в мире не происходит просто так, само по себе. У каждого события есть свой резон, своя причина. Знаменитый французский математик Лаплас считал, что причинные связи событий настолько жестко увязаны между собой, что даже падение волоса с головы человека в конечном счете должно сказаться в каких-то космических явлениях, направляя их по тому или иному пути. Это, безусловно, преувеличение. Количество связей в реальном мире так велико, что неизбежно возникает элемент случайного, когда ход событий определяется игрой многих второстепенных факторов. Как говорят философы, случайность — это непознанная необходимость.

Известно, что свои представления о строгом математическом порядке Лаплас пытался применить даже к управлению государством. Когда Наполеон, питавший особое расположение к ученому, назначил его министром внутренних дел (был такой эпизод в истории Франции!), Лаплас стал действовать, согласно математическим расчетам. Понятно, что его миссия вскоре закончилась полным провалом, — учесть и предугадать все события, особенно закулисные интриги и козни, оказалось делом безнадежным. Лапласу не помогла даже разработанная им теория вероятности!

Если причинность в микромире не нарушается, то процессы там передаются от одной пространственной точки к другой без сбоев во временном порядке событий. Это можно проверить в опытах по взаимодействию элементарных частиц. Такие опыты с максимальной точностью, достижимой на современных физических приборах, были выполнены в Советском Союзе и за рубежом. Был момент, когда казалось, что эксперимент и основанные на причинности теоретические расчеты противоречат друг другу. В опытах американских физиков некоторые величины имели не тот знак, что предсказывала для них теория. Этот поразительный результат (значит, в микромире есть беспричинные события!) держался несколько лет, пока его не опровергли опыты, выполненные в Дубне. Сегодня можно с уверенностью сказать, что вплоть до расстояний, в несколько сотен раз меньших радиуса протона, никаких беспричинных явлений в природе нет. Следовательно, нет и четвертого измерения.

Необследованными остаются меньшие расстояния. И вот тут новейшие теоретические расчеты приводят к потрясающему выводу: на очень малых расстояниях, сравнимых с размерами геометрического кванта, к трем известным нам измерениям — длине, ширине и высоте — должны добавиться еще шесть или даже семь новых измерений! Микроскопические черные дыры в другие миры тоже должны быть многомерными.

Каков физический смысл дополнительных степеней свободы, пока не знают даже предсказавшие их теоретики. Может, это — характеристики каких-то совершенно новых свойств мира, не похожих ни на время, ни на три известных нам пространственных координаты. Пока трудно сказать…

И в заключение совсем, казалось бы, невероятное: размерность микропространства может случайно изменяться — флюктуировать — и стать (страшно сказать!) дробной и даже иррациональной.

Такое впечатление, что теория приоткрыла завесу над чем-то совершенно необычным, для чего не хватает ни слов, ни воображения.

Загадки и парадоксы

Идея Фридмана об ограниченной в пространстве и времени расширяющейся Вселенной вошла в учебники, о ней сегодня пишут в газетах, говорит радио, показывает телевидение. Она стала частью мировоззрения каждого образованного человека. Однако в этой грандиозной, поражающей воображение картине мироздания есть темные пятна, а часть удерживающих ее теоретических «гвоздей» готова вот-вот сломаться.

Прежде всего удивляет однородность Вселенной. Как уже говорилось выше, на небольших (в космических масштабах, конечно!) участках она явно неоднородна: безвоздушное пространство, плотные планеты и звезды. Но на больших расстояниях, сравнимых с размерами скоплений галактик, распределение вещества напоминает орнамент волокон со случайными, но близкими по величине размерами деталей. Какие-то процессы сделали Вселенную равновесной. И этот экспериментальный факт трудно согласовать с гипотезой первичного взрыва. Распределение взорвавшегося вещества (инфраструктура взрыва, по терминологии специалистов) определяется игрой случайных факторов и, как правило, весьма неоднородно. Поэтому если Вселенная действительно родилась в катаклизме огненной вспышки «Биг Бэнга» с огромными перепадами плотностей и давлений, ее отдельные области-осколки должны были значительно различаться по своей массе.

Еще более удивляет необычайно высокая однородность реликтового теплового излучения — остаточного жара первичной вспышки. Температура излучения, приходящего к нам с разных направлений, в том числе и прямо противоположных, различается менее чем на сотую долю процента.

Наблюдаемая однородность Вселенной выглядит особенно загадочной, если учесть, что к нам приходят сигналы из областей, которые на протяжении всей своей истории были удалены друг от друга на такие большие расстояния, что они не успели провзаимодействовать даже с помощью самых быстрых, то есть световых, сигналов. Каким же образом они могли прийти в равновесие? По теории Фридмана это просто невозможно.

Еще один удивительный факт связан с величиной средней плотности вещества Вселенной. Из теории Фридмана следует, что если бы в первые мгновения после первичного взрыва она всего лишь на 10-53% (десятичная дробь с 54 нулями после запятой!) превосходила критическую, при которой мир становится полностью замкнутым, то силы тяготения превозмогли бы инерцию первичного взрыва и расширение Вселенной давным-давно сменилось бы ее сжатием, и теперь наблюдалось бы не разбегание галактик, а их быстрое сближение. С другой стороны, если бы плотность взорвавшейся материи на 10-53% была бы меньше критической, расширение пространства происходило бы значительно быстрее, и современная средняя плотность материи в нашем мире была бы во много-много раз меньше наблюдаемой. Другими словами, наша Вселенная родилась с плотностью, которая почему-то фантастически близка к критической. Почему так произошло? В теории Фридмана нет объяснения и этой загадке. Чтобы ее объяснить, нужны какие-то совершенно новые физические идеи.

Вселенная в электроне

Загадку начальной плотности иногда называют также «проблемой абсолютно плоского мира». Если плотность больше критической, мир, образно говоря, вогнутый, если меньше — он выпуклый (как говорят дети, «впуклый» и «выпуклый»!). В промежуточном случае — мир плоский. Наша Вселенная почему-то предпочла родиться плоской (с точностью 10-53%!), хотя это только одна из бесчисленного количества возможностей. Трудно думать, что это — случайность. Этому есть какая-то важная причина.

Не находят никакого объяснения в теории Фридмана или объясняются ею с трудом, ценой дополнительных, плохо обоснованных гипотез, и некоторые другие экспериментальные факты. Например, не понятно, почему не удается поймать ни одного магнитного монополя, хотя, как это следует из расчетов, они должны были бы в большом количестве родиться в раскаленном веществе юной Вселенной.

Все это говорит о том, что теория Фридмана нуждается в дальнейшем усовершенствовании. А поскольку трудности этой теории, как правило, связаны с начальным периодом жизни Вселенной, можно думать, что прежде всего следует уточнить описание свойств мира в окрестностях «особой точки» в первые доли секунды после его рождения.

Теория Фридмана и лежащая в ее основе общая теория относительности Эйнштейна имеют дело лишь с геометрическими свойствами природы. Никаких сведений о заполняющей пространство материи они не используют. Достаточно знать ее плотность, а что это за материя, каковы ее конкретные свойства — это для теории Эйнштейна-Фридмана не существенно. Такой подход оправдан на больших расстояниях, где гравитационные силы, определяющие кривизну и другие геометрические свойства нашего мира, можно рассматривать отдельно от электромагнитных и ядерных взаимодействий. Но в микромире, где силы становятся величинами одного порядка, такое приближение уже не верно. Там само пустое пространство зависит от свойств физических процессов. В нем постоянно рождаются и исчезают частицы. Вспомним испарение черных дыр вследствие «кипения» окружающего их вакуума. Такое «кипение» происходит во всем бесконечном пространстве, и его интенсивность (густота рождающихся пар частиц и античастиц) определяет основной, нулевой уровень мира — вакуум. Только что родившаяся Вселенная имела ультрамалые размеры, и ее вакуум был совсем не таким, как в современном мире. Влияло это и на ритм времени. В первые мгновения после рождения Вселенной пространство и время нельзя было рассматривать отдельно от вещества. Вот в этом направлении и следует совершенствовать теорию Фридмана.

Сама по себе идея о тесной связи свойств пространства и времени со свойствами физических процессов далеко не нова. Немецкий математик Бернгард Риман, которому мы обязаны созданием математической теории искривленных и многомерных пространств, высказал ее еще более ста лет назад.

«Эмпирические понятия, на которых основывается установление пространственных метрических отношений, — говорил он в своих лекциях в Геттингенском университете, — понятия твердого тела и светового луча, по-видимому, теряют всякую определенность в бесконечно малом, поэтому метрические отношения там не отвечают нашим геометрическим допущениям».

Эти убеждения разделял и Эйнштейн. Последние сорок лет своей жизни, большую ее часть, он целиком посвятил созданию единой теории электромагнетизма и тяготения. Экспериментальных данных, которые могли бы подсказать ему ведущую идею, в то время было еще недостаточно, а на основании одних только теоретических соображений построить новую теорию не удалось. К созданию единой теории всех сил природы, объединяющей ее геометрические и материальные свойства, физики смогли приступить лишь совсем недавно, после того, как лучше разобрались в свойствах элементарных частиц.

В поисках новой «теории мира»

Первый существенный шаг в усовершенствовании теорий Фридмана сделал американский физик Алан Гут. Он обратил внимание на то, что если Вселенная будет расширяться таким образом, что плотность ее массы все время останется постоянной, то формулы общей теории относительности приводят к выводу: скорость расширения будет расти пропорционально размеру Вселенной. Чем больше Вселенная, тем быстрее она «распухает». Такой процесс происходит настолько быстро, что Вселенная почти мгновенно, всего лишь за 10-32 секунд, раздувается от микроскопического зернышка до чудовищного «пузыря» с радиусом на много-много порядков больше видимой части Вселенной.

Представьте себе арбуз, который мгновенно распухнет до размеров Галактики. Раздувание «пузыря» Вселенной еще грандиознее!

Можно предположить, что подобно тому как это происходит с расширяющимся газом, температура расширяющейся Вселенной резко упадет, и из первичной материи начнут выделяться кварки, глюоны и другие частицы «обычного» вещества с известными нам свойствами. Расширение Вселенной замедлится, и дальнейшая эволюция каждого ее участка будет совершаться уже по стандартному сценарию Фридмана. Вселенная Гута оказывается практически бесконечной, а видимая нами часть пространства (то, что до сих пор считалось почти всей Вселенной) — лишь ничтожно малая ее доля. Настолько малая, что геометрический квант занимает в ней несравненно больше места, чем она сама в раздувшейся Вселенной.

Предложенный Гутом сценарий развития Вселенной, хотя и выглядит весьма «сумасшедшим» (разве может быть вещество, которое не уменьшает своей плотности?!), позволял, однако, устранить практически все трудности теории Фридмана. В начале «эры быстрого раздувания» — этот термин сегодня используют все астрономы и физики — Вселенная могла быть такой маленькой, что в результате перемешивания и многочисленных взаимодействий ее частей в ней успело установиться равновесие — однородное распределение температуры, плотности и других свойств, как это и наблюдается сегодня. Этого не могло бы произойти, если бы на всех этапах своего развития Вселенная описывалась теорией Фридмана. Обратный пересчет с помощью ее формул приводит к выводу, что радиус Вселенной всегда был слишком большим и взаимодействия не успевали передаваться с одного ее края на другой, — край отодвигался раньше, чем до него доходила волна взаимодействия. Как будто вы бежите по платформе, которая движется быстрее вас, и вы никогда не добежите до ее края — она все время уходит из-под ваших ног. Другое дело — модель Гута. Там видимая нами часть Вселенной образуется путем фридманского распухания крошечного участка уже раздувшейся Вселенной, и о ее начальных размерах можно делать различные предположения, в том числе считать их очень маленькими.

Понятным становится и то, почему наш мир плоский. Он лишь исчезающее малая точка в масштабах всей Вселенной, а на малых расстояниях кривизна не заметна. Это подобно тому, как мы не ощущаем кривизну земного шара в нашей повседневной жизни.

Магнитные частицы-монополи, рождение которых предсказывается теорией на очень ранних этапах «Биг Бэнга», значительно раньше рождения протонов, нейтронов и электронов, разбросаны по огромному объему раздувшейся Вселенной, и вероятность найти их в ее видимой части неизмеримо мала.

Как видим, концы с концами теперь сходятся. Космологическая картина мира заметно прояснилась. Если бы вот только не гипотеза о расширяющемся веществе с постоянной плотностью… Как совместить ее с законами физики? Ведь ничего подобного нигде и никогда не наблюдалось. Когда тело увеличивает свои размеры, его масса распределяется по большему объему, расстояния между его частями увеличиваются, а плотность всегда уменьшается. Даже дерзким на выдумки писателям-фантастам не приходило такое в голову — расширяться, не изменяя своей плотности! Пожалуй, только пустое пространство — вакуум — обладает необходимым свойством.

Стоп… Вот тут-то, по-видимому, и скрыт ответ. Мы уже знаем, что вакуум — это не просто мертвая пустота. Это — пространство, заполненное массой рождающихся и быстро исчезающих, аннигилирующих, частиц, то есть определенное состояние материи. Не похожее на газ, жидкость или твердое тело, но тем не менее это нечто физически ощутимое, изменяющее свои свойства в зависимости от условий. Пространство только издали выглядит пустым и безжизненным, вблизи же, при большом увеличении, оно оказывается заполненным бурлящими «воронками» мгновенных микровзрывов, в которых беззвучно рождаются и исчезают частицы. Пространство как бы «дышит» всеми своими «порами», испуская и поглощая «смог» микрочастиц. Можно сказать, что вакуум — это непустая пустота, хотя это и звучит парадоксально.

Первый миг после рождения

В этот исчезающе малый отрезок времени как раз и происходило становление вакуума. Чтобы понять, как это было, вспомним о хиггсонах — семействе элементарных частиц, — которые предсказываются всеми теориями, объединяющими электромагнитные силы с другими типами взаимодействий. Пока не известны ни масса, ни другие свойства этих частиц, все это зависит от варианта теории. Даже число хиггсонов изменяется от одного варианта теории к другому. Но все варианты предсказывают, что хиггсоны взаимодействуют между собой напрямую, без посредства других типов частиц. Такое самодействие, соответствующий ему «смог» и определяют основные свойства вакуума, в том числе и его энергию. В зависимости от того, как взаимодействуют хиггсоны, вакуум может находиться в различных состояниях, подобно тому как, например, углерод может пребывать в состоянии графита или в состоянии алмаза. И вот что важно: увеличение числа хиггсонов приводит к такой перестройке вакуума, что его энергия (нулевой «уровень» мира) понижается, а разность конечной и начальной энергий выделяется в виде массы и тепловой энергии элементарных частиц. Пустой мир заполняется веществом. Похоже на выпадение тумана или инея из прозрачного воздуха.

Так вот, расширение юной Вселенной сразу после ее рождения привело к тому, что плотность массы в ней быстро упала почти до нуля. По оценкам теоретиков это произошло где-то на уровне 10-35 секунд. В это время она была еще чрезвычайно горячей, и происходившие в ней физические процессы управлялись законами единого нерасщепленного взаимодействия. Как говорит теория, хиггсоны при этих условиях распадались, едва успев образоваться. Они становятся устойчивыми только тогда, когда «сильная» компонента единого взаимодействия отличается от остальных; если же различные типы сил равноправны, хиггсонов в пространстве практически нет.

Опустевшая Вселенная мгновенно начала раздуваться, увеличив свои размеры на десятки порядков. Температура ее быстро уменьшалась, и где-то ближе к середине эры быстрого раздувания она стала такой, что нарушилась симметрия взаимодействий и создались условия для интенсивного рождения хиггсонов. Это сопровождалось снижением энергии вакуума и, соответственно, выпадением (кристаллизацией) огромного числа протонов, нейтронов, частиц-гиперонов, различных типов мезонов. Вследствие изменения уровня вакуума средняя плотность свободной (плавающей в вакууме) массы подскочила на сотню порядков — увеличилась в 10100 раз! Из вещества, которое возникло буквально из пустоты, в дальнейшем образовались все галактики, звезды, планеты окружающего нас мира. Каких только чудес не открывает физика!

Вселенная в электроне

Это весьма грубая картина того, что происходило в действительности, но она позволяет наглядно представить себе суть дела. Обоснованием этих соображений занималась большая группа советских и зарубежных физиков, но основной вклад внесли теоретики Физического института им. П. Н. Лебедева в Москве.

Продолжительность эры быстрого раздувания составляла всего 10-32 секунд — трудно вообразимый миг, но он в тысячу раз дольше всей предшествующей жизни Вселенной. И подобно тому как это всегда происходит при выделении из расплава твердого вещества, рождение частиц сопровождалось выделением тепла (вспомним, как мы радуемся повышению температуры, когда на улице идет снег и мороз сменяется мягкой погодой!). К концу эры быстрого раздувания Вселенная снова раскалилась настолько, что родившиеся частицы расплавились в кварк-глюониую плазму. Образовался огромный шар раскаленного вещества. Это как раз и есть тот горячий «праисторический мир» Гамова, в котором при дальнейшем уже сравнительно медленном расширении Вселенной по стандартному фридмановскому сценарию «сварилось» окружающее нас вещество.

Новый космологический сценарий не перечеркнул и не отбросил теорию Фридмана, он включил ее как необходимый фрагмент, описывающий более позднюю стадию развития Вселенной.

История Вселенной

Новая теория рассказывает нам о событиях во Вселенной, начиная с 10-42 — 10-40 секунд после ее рождения, когда размеры мира были немногим больше геометрического кванта или около того. Что было еще раньше, как произошло рождение Вселенной — об этом можно лишь гадать. Это тайна тайн. Можно лишь утверждать, что материя заведомо не могла возникнуть «из ничего», и рождению «нашего мира» предшествовали какие-то другие его состояния.

Когда говорят, что Вселенная родилась столько-то лет тому назад, молчаливо предполагается, что тогда время можно было измерять по тем же часам, что и сегодня. А это не так. В окрестностях «Биг Бэнга» свойства времени, его ритм были совсем иными. Говорить о первых мгновениях жизни Вселенной, о времени в окрестностях ее начала, где оно, по-видимому, распадалось на отдельные порции — кванты, а возможно, было даже многомерным, можно лишь весьма условно. Как метко заметил английский физик Стив Хоукинг, спрашивать, что было раньше «Биг Бэнга» — например сорок или пятьдесят миллиардов лет назад, — так же неразумно, как просить указать точку, которая на километр севернее Северного полюса. Подобно тому как понятие «север» теряет всякий смысл на полюсе, так и понятие «время» утрачивает смысл в точке «Биг Бэнга».

Вселенная в электроне

Сегодня ясно одно: в окрестностях «начала мира» действовали какие-то особые, неизвестные нам законы природы. Наша физика там не применима, она дает бессмысленные результаты: нули и бесконечности.

В еще совсем недавно изданных книгах можно прочитать, что мы многое узнаем о механизме рождения мира, когда заглянем на край расширяющейся Вселенной, на расстояния порядка 1023 километров, где находятся разлетающиеся осколки ее горячей фазы. Однако теория раздувающейся Вселенной убеждает нас в том, что там можно увидеть лишь следы ее повторного разогрева. О том, что происходило раньше, может рассказать пока только теория.

Впрочем, положение не безнадежно. Ведь научились же определять химический состав удаленных звезд! А ведь было время, когда считалось, что это принципиально невозможно. Немецкий философ Иммануил Кант приводил это даже как пример вопроса, который никогда не найдет ответа. Развитие спектрального анализа обнаружило следы, говорящие о составе звезд, о свойствах испускаемого ими света. В природе все взаимосвязано. Вполне возможно, что следы рождения мира сохранились в каких-то явлениях. Все происходящее в мире оставляет свои «отпечатки пальцев», надо только уметь их разглядеть.

Если верить теории, то основная история Вселенной, наиболее бурные качественные изменения в ней приходятся на несколько первых секунд ее жизни, а теперь мы наблюдаем лишь плавно затухающие последствия (как говорят физики, «хвост») грандиозных событий.

Таинственные события вблизи «Биг Бэнга», распухание Вселенной, выделение заполняющего ее вещества из вакуума и его разогрев, превративший мир в гигантский огненный шар, — все это успело произойти за 10-32 секунд. Родившиеся из вакуума частицы «расплавились» (точнее, распались на составляющие элементы) и снова стали выпадать в осадок из «расплава» лишь после того, как Вселенная несколько остыла. Сначала образовались очень тяжелые частицы, для которых требуется много энергии, потом все более и более легкие. А когда плотность вещества снизилась до уровня, который существует в атомных ядрах (это в десять тысяч миллиардов раз больше плотности стали!), образовались протоны, нейтроны и соответствующие античастицы. Это случилось примерно через десятитысячную долю секунды после «Биг Бэнга». Какая-то часть образовавшегося таким образом ядерного вещества аннигилировала и превратилась в более легкие частицы и электромагнитное излучение, а оставшаяся часть вскоре распалась на ядра и антиядра. Вселенная превратилась в раскаленную плазму — состояние вещества, которое ученые сегодня стараются создать в реакторах для получения термоядерной энергии. Постепенно охлаждаясь, плазма испускала сначала свет, затем инфракрасное тепловое излучение, как стенка нагретой печки. На этой стадии физические процессы стали медленными. Остаточное тепловое излучение охладившейся Вселенной, которое фиксируют наши приборы в космосе, было испущено, когда ее возраст составлял уже около сотни тысяч лет. Галактики и звездные системы образовались еще позднее, через несколько миллиардов лет после «Биг Бэнга». По сравнению с сегодняшним возрастом Вселенной в пятнадцать — двадцать миллиардов лет, это уже совсем недавно. В космическом масштабе, конечно.

По мере старения Вселенной событий в ней происходит все меньше, их разделяют огромные интервалы времени. А что будет дальше, например, через сто миллиардов лет? Будут ли какие-то качественно иные фазы в развитии нашего мира? Что его ждет?

Через много-много лет

Сто миллиардов лет — чудовищный интервал времени, впятеро больший того, что уже прожила Вселенная. Тем не менее за это время в ней мало что изменится. Раз в десять увеличатся ее размеры и возрастут расстояния между галактиками и звездами — вот, пожалуй, и все. Существенные изменения произойдут, лишь когда возраст Вселенной увеличится еще в тысячу раз, то есть достигнет умопомрачительной величины в сто триллионов лет. К этому времени звезды исчерпают запасенное в них ядерное горючее, и Вселенная станет темной, похожей на большой зал, в котором потухли все электрические лампочки. Как после бала.

В течение следующего триллиона триллионов лет в результате случайных столкновений — подобно тому, как это происходит с частицами газового облака — большинство звезд покинут свои галактики и рассеются в пространстве. А немногие оставшиеся в результате взаимного притяжения слипнутся в тяжелые, массивные комки, которые под влиянием их собственного внутреннего тяготения сожмутся затем в черные дыры. Вселенная в это время будет представлять собой огромный шар звездного «газа» с островками медленно засасывающих его черных дыр. А далее самым важным процессом станет радиоактивный распад протонов. Когда Вселенная проживет 1032 — 1035 лет, все рассеявшиеся звезды, межзвездная пыль — вообще все вещество, которое не успело утонуть в черных дырах, распадется, превратившись в разреженный газ легких частиц — электронов, позитронов, нейтрино и фотонов. В таком состоянии — редко разбросанные по пространству черные дыры и лептон-фотонный газ между ними — Вселенная будет жить долго-долго, пока не достигнет возраста 10100 лет. Можно сказать, что это ее основное состояние. Главными процессами в это время будут расширение Вселенной и испарение черных дыр. Через 10100 лет она превратится в чрезвычайно разреженный, расширяющийся почти со скоростью света газ электрон-позитронных пар, нейтрино, фотонов.

Такая судьба ждет наш мир, если его масса недостаточна для замыкания. Вспомним, что расширение по фридмановскому сценарию началось после того, как раздувшаяся до невероятно огромных размеров Вселенная превратилась в огненный шар. Из-за случайных флюктуации плотность вещества, выделившегося в отдельных ее областях, могла быть несколько различной. Соответственно различным получился там и вакуум (ведь вещество выделилось в результате его перестройки). Вселенная стала похожей на растрескавшееся и разбухающее во все стороны печеное яблоко. Трещины разделяют области с различным вакуумом. Окружающий нас мир с привычными физическими свойствами — одна из таких областей. Это — наша Вселенная. Свойства других областей-миров, соседних с нашим и удаленных, могут быть совсем иными. Если масса нашего мира меньше критической, при котором он становится фридмоном, мир будет расширяться беспредельно. В противном случае силы всемирного тяготения остановят его расширение, и начнется обратный процесс — сжатие замкнутого мира.

Через сколько миллионов или миллиардов лет может начаться сжатие, сказать трудно. Во всяком случае, плотность материи в нашем мире весьма близка к критической. Если принять во внимание только видимое, светящееся, вещество, то его масса примерно на порядок меньше критической. С другой стороны, масса темной материи не может более чем в десять раз превосходить массу светящегося вещества, так как расширение нашего мира давно уже прекратилось бы и он начал бы сжиматься. Как видно, интервал довольно узкий. Не исключено, что скоро наш мир начнет коллапсировать. Скоро — в космическом масштабе, конечно. Реально это могут быть многие миллиарды лет. Большинство ученых склонны считать, что если это и случится, то, скорее всего, уже после распада протонов, где-то на стадии испарения черных дыр, когда возраст нашего мира составит 1040 — 1050 лет. До этого времени — практически бесконечность!

Сжатие, в конце концов, закончится гравитационным схлопыванием пространства и, возможно, новым циклом расширения — рождением новой Вселенной. Впрочем, что последует за сжатием, повторное «рождение» и расширение Вселенной или какая-то иная ее фаза, — это пока за пределами наших знаний.

Итак, если сила тяготения не остановит расширения, то через 10100 лет, когда размеры нашей Вселенной достигнут чудовищной величины в 10110 километров, она полностью превратится в чрезвычайно разреженный газ легких элементарных частиц, которым распадаться уже не на что. Почти пустое мертвое пространство.

Впрочем, природа в многообразии своих свойств превосходит любую человеческую фантазию, поэтому не исключено (а с философской точки зрения, даже очень вероятно!), что какие-то неизвестные нам процессы воспрепятствуют осуществлению безрадостной картины полностью омертвевшего мира. Но это опять за пределами наших знаний.

Как иронически заметил однажды знаменитый английский писатель Бернард Шоу, наука всегда оказывается неправа; она никогда не решает вопроса, не поставив при этом десятка новых. Чем больше мы узнаем, тем больше возникает трудных вопросов. Не зря великий Ньютон говорил, что чувствует себя ребенком, играющим в камешки на берегу океана неизвестного!

Один из самых трудных, не имеющих еще окончательного ответа вопросов — проблема антимира.

Существует ли антимир?

Мы познакомились с современной теорией развития Вселенной, начиная от загадочного Большого взрыва — «Биг Бэнга» — и до фантастически далекого будущего. Но вот что удивляет: хотя частицы и античастицы совершенно равноправны по своим свойствам и поэтому должны были бы в одинаковой пропорции рождаться из вакуума раздувшейся Вселенной, окружающий нас мир почему-то целиком состоит из вещества. Почему все атомы вокруг нас устроены так, что их ядро обязательно состоит из протонов и нейтронов, а оболочка — из электронов? Ведь если атомы антивещества удается синтезировать в лаборатории, то они должны быть и в дикой природе. Может быть, это свойство лишь той части мира, где мы живем, а в других его областях, наоборот, преобладает антивещество? Возможно, в космических далях где-то есть симметричный нам антимир — звезды, планеты, может быть, даже живые организмы, состоящие из антивещества?

Пожалуй, единственный способ попасть в такой антимир, где наши тела мгновенно превратились бы в потоки пи-мезонов и жестких фотонов, — воспользоваться телеграфом. Еще много лет назад американский математик Норберт Винер высказал убеждение, что подобно тому, как сегодня записывается генетический код простейших микроорганизмов, когда-нибудь в будущем люди смогут в закодированном виде записать не только устройство своего тела, но и содержание мозга с содержащимися в нем впечатлениями, воспоминаниями, знаниями — все то, что составляет наше индивидуальное «я». Такую запись, как обычную телеграмму, можно передать по радио в антимир, где, пользуясь ею, заново восстановят человека, заменив, однако, все частицы на античастицы. Проект, безусловно, фантастический, но наука развивается очень быстро. Вот только существуют ли такие антимиры?

Вселенная в электроне

Одно время была популярна теория, согласно которой острова вещества и антивещества во Вселенной разбросаны вперемежку. Допускалось, что даже некоторые ближайшие к нам звезды в действительности — «антизвезды», а часть влетающих в земную атмосферу метеоритов состоит из антивещества, которое аннигилирует, оставляя ярко светящийся след на ночном небе. Но ни высотные самолеты, ни автоматические воздушные шары-зонды не обнаружили следов излучений, которые должны рождаться при аннигиляции.

Не зафиксировано таких излучений и в космосе, где они должны были бы рождаться на стыке зон вещества и антивещества, где перемешиваются пыль и газы, состоящие из частиц и античастиц. К этому надо добавить, что изучение состава космических лучей также дало отрицательные результаты. Эти лучи содержат протоны и ядра различных, легких и тяжелых, элементов, но в них нет большого числа антипротонов и антиядер, как это должно было бы быть, если бы острова вещества и антивещества были бы представлены в космосе на равных правах. В потоке космических частиц один антипротон приходится на несколько тысяч протонов. Это вторичные антипротоны, юнцы, родившиеся из обычного вещества в результате ядерных реакций космических лучей с облаками межзвездного газа.

Таким образом, либо антимиры находятся где-то далеко — за пределами видимости, достижимой с помощью имеющихся в нашем распоряжении приборов, — либо антивещества во Вселенной очень мало.

Если антимиры далеко, то их открытие — лишь вопрос времени. Однако это кажется маловероятным, поскольку наше положение в космосе рядовое, и было бы трудно объяснить, почему выпадение вещества и антивещества в раздувшейся Вселенной происходило так неравномерно. Остается загадкой, как в бурлящем, интенсивно перемешиваемом веществе юной Вселенной могли бы образоваться обширные неоднородности с излишком частиц или античастиц. С другой стороны, если антивещества в космосе мало, сразу же возникает вопрос: куда же оно делось? В обоих случаях появляются сомнения в правильности всей космологической картины.

По-видимому, все дело в маленьком различии скоростей распадов частиц и античастиц. Еще двадцать лет назад американские физики наблюдали распады странных частиц, К-мезонов, которые указывали на несколько различное поведение вещества и антивещества. Хотя нарушающие симметрию распады происходят крайне редко и только у К-мезонов, во всех других случаях частицы и античастицы ведут себя совершенно одинаково, теория «великого объединения», о которой шла речь в предыдущей главе, предсказывает, что в условиях сверхвысоких температур и давлений, господствовавших внутри огненного шара раздувшейся Вселенной, симметрия частиц и античастиц должна сильно нарушаться и скорости распадов всех античастиц там были несколько большими.

В обычных условиях протон и антипротон — долгожители, время их жизни фантастически велико — грубо говоря, в миллиард триллионов раз больше возраста Вселенной. Однако в первые доли секунды после образования огненного шара чрезвычайно высокая температура способствовала распадам. Частицы и античастицы тогда быстро распадались и так же быстро восстанавливались обратно. Существовало равновесие. Но по мере снижения температуры процессы восстановления все больше отставали от распадов и число тяжелых частиц уменьшалось, а поскольку античастицы распадались несколько быстрее, вещество Вселенной постепенно становилось все более и более асимметричным — «перекошенным» в сторону частиц.

Наряду с ослаблением восстановительных процессов в охлаждающейся Вселенной уменьшалась и скорость распадов, постепенно приближаясь к ее современному уровню, когда вещество обладает высокой степенью стабильности. Не успевшие распасться античастицы аннигилировали — превратились в нейтрино и электромагнитное излучение. В мире осталась лишь избыточная часть вещества. Из нее-то и образовались все атомные ядра нашей Вселенной.

Если такая картина верна, то антимиров просто нет, они давно сгорели в бурных реакциях распада и аннигиляции, и мы никогда не встретим состоящих из антивещества братьев по разуму.

Правда, предсказанного теорией «великого объединения» распада протона еще не обнаружено, и, в принципе, здесь могут быть неожиданности.

Космический круговорот

На временной оси Вселенной разумная жизнь в окрестностях нашего Солнца занимает крошечный, едва различимый интервал. Наши знания простираются значительно дальше. Мы можем делать достаточно уверенные прогнозы на 1025 — 1030 лет в будущее и заглядывать вплоть до 10-25 секунд от «начала мира» в прошлое. С помощью теории «великого объединения» удается дотянуться до времен порядка 10-40 секунд, с одной стороны, и 10100 лет — с другой. Интервал в полторы сотни порядков, где осуществляется грандиозный космический круговорот материи, где трудно вообразимые просторы соседствуют с исчезающее малым, где элементарные частицы «по совместительству» исполняют роль вселенных, а последние в определенном смысле сами являются микрочастицами.

Правда, на краях интервала надежность наших знаний заметно снижается, здесь допустимо говорить лишь о грубо качественных, ориентировочных оценках. Природа «Биг Бэнга», долговременная судьба Вселенной — это пока интригующие, будоражащие воображение загадки. Можно думать, что многое прояснится, когда будет создана теория, объясняющая величину «мировых постоянных» — скорости света, электрического заряда электрона, его массы и так далее. Сегодня все они берутся из опыта, и мы не знаем, почему они именно таковы, какими мы их видим. В своем подходе к описанию мира современная физика еще во многом следует принципу, который один из писателей-юмористов сформулировал так: жизнь такова, какова она есть, и больше никакова. А почему, собственно, такова? Почему не может быть миров с другим значением скорости света, более тяжелым или, наоборот, более легким электроном, другими свойствами пространства и времени?

Однажды Эйнштейна спросили, как делаются открытия.

«Это когда все знают, что какой-то вещи или явления быть не может, а один не знает, он и делает открытие», — ответил ученый.

Всегда следует помнить, что перед нами безграничная Страна Неизвестного, и любая картина мироздания — лишь приближенный слепок с окружающего мира. Или что-то вроде фотографии, которая раз от разу становится все более четкой, но никогда не передает всех деталей — мир неисчерпаемо многообразен.

Вокруг нас все изменяется, переходит из одной своей формы в другую, а вот элементарные частицы почему-то всегда одни и те же. Вселенная старится, а электрон и другие частицы бессмертны. Расчет показывает, что даже небольшие изменения их свойств привели бы к наблюдаемым геологическим и астрофизическим эффектам — уменьшилось или увеличилось бы количество тепла, получаемого нашей планетой от Солнца (на ней были бы ледники или, напротив, океаны кипятка), изменилась бы скорость распада радиоактивных элементов в земной коре и их концентрация была бы совсем не та, что сегодня, и так далее. Например, если бы заряд электрона изменялся всего на сотую долю процента за миллиард лет, то есть на одну-две десятых процента за все время жизни нашей Вселенной, это было бы уже заметным. В общем, если частицы и старятся, то так незначительно, что Вселенная этого почти не чувствует. Или, может быть, они действительно абсолютно неизменны и никаких других миров просто не существует?

Современная наука на эти вопросы ответить не может. Это следующий, более глубокий уровень физики. Однако ученые уже сегодня пытаются нащупать подходы к нему. В надежде найти более общие и универсальные законы природы проверяются «на прочность» самые глубинные основы наших представлений об окружающем мире, которые многим кажутся твердо и навечно установленными истинами. Говоря словами А. С. Пушкина, «и предрассудки вековые и гроба тайны роковые». О нескольких далеких рейдах в Страну Неизвестного, где фантастика смешивается с реальностью, будет рассказано в следующей главе. Первыми в такие путешествия всегда отправляются теоретики. Они не связаны со сложными, дорогостоящими приборами и с помощью своих формул могут углубляться в области, куда экспериментаторы придут лишь через много лет. Физика наших дней — наука математическая, и часто оказывается так, что в ее уравнениях бывают скрыты неожиданные возможности, приводящие к замечательным предсказаниям и к выдающимся открытиям.

Глава III

Глубокая разведка

Основы нашего понимания мира… В физике это — квантовая механика. Она — следующая ступень за механикой Ньютона. А есть ли еще более глубокий уровень — «заквантовая» теория? И почему квантовая механика такая трудная наука? Даже студентов-физиков в университете знакомят с ней только на третьем курсе, когда они освоят уже массу других предметов. Может, дело в том, что физики просто еще не проникли в суть ее законов? Знаете, как бывает с арифметической задачей: можно провозиться с ней целый вечер, а если ввести x и составить уравнение, решение находится за несколько минут. Может, «заквантовая» теория тоже все упростит?

Фундамент любой физической теории — пространство и время. Но что это такое? Обычно этот вопрос даже не возникает, так как ответ кажется очевидным: вот оно пространство вокруг нас и вот часы, показывающие время! Однако, если попытаться ответить точнее, сразу же возникают трудности. Получается так, что самые обыденные и привычные для нас свойства окружающей природы вместе с тем — самые загадочные и непонятные. Действительно, что самое главное в свойствах пространства и времени? Для времени это, по-видимому, его течение от прошлого к будущему. Пространство обычно представляют себе чем-то вроде пустой арены, на которой располагаются все физические тела и разыгрываются все процессы. Но всегда ли так? Нельзя ли каким-то образом изменить направление времени на обратное, как это делают авторы научно-фантастических романов? И можно ли пространство считать всегда лишь ареной? Мы знаем, что его кривизна проявляется как сила тяготения, может, и все другие силы природы тоже всего лишь проявления каких-то свойств пространства?

Итак, речь пойдет о «сумасшедших» идеях и теориях, выходящих далеко за рамки общепринятых научных взглядов. Скорее всего, большинство из них так и останутся «сумасшедшими», не подтвердившимися на опыте гипотезами. Но они помогают лучше понять окружающий мир и разведать пути дальнейшего развития физики. Без такой глубокой разведки наука развиваться не может.

«Пьяные» частицы

Американский физик-теоретик Ричард Фейнман как-то заметил, что хотя квантовая механика существует уже более полувека, ее до сих пор не понимает ни один человек в мире. И тут же добавил, что он может утверждать это вполне смело. Заявление, прямо скажем, удивительное, особенно из уст одного из самых знаменитых физиков нашего времени.

Как же так? Ведь с помощью квантовых законов рассчитываются тончайшие явления микромира и выводы подтверждаются с огромной точностью, иногда до миллиардных долей процента. Более того, квантовая механика уже давно используется на практике — например, лазер был изобретен, рассчитан и создан на основе квантовых законов. Эти законы управляют работой электронных микроскопов, используются при проектировании новых электронных приборов, с их помощью рассчитывают свойства сверхпроводников, способных без потерь передавать электрический ток на огромные расстояния. Квантовая механика нашла применение в химии и даже биологии. Как же можно говорить, что никто ее не понимает?!

И тем не менее в утверждении Фейнмана есть большая доля истины. Все дело в том, что поведение микрочастиц настолько непохоже на движение окружающих нас тел, что кажется противоречащим здравому смыслу. Неискушенному человеку часто трудно поверить, что такое может быть в природе. В нашей повседневной жизни мы привыкли к тому, что все тела движутся по строго определенным путям-траекториям. Если известна начальная скорость тела и действующие на него силы, то с помощью законов Ньютона его траекторию можно точно вычислить. Подобную задачу, наверное, приходилось решать каждому школьнику. В любой момент времени мы можем точно установить, в каком месте находится тело и какова его скорость. Точность законов Ньютона очень высока, с их помощью можно, например, предсказать движение небесных тел на многие десятки и сотни лет вперед. Но вот если попытаться применить эти законы к движению микрочастиц, то придем к поразительному выводу: частицу можно обнаружить в любой точке любой траектории, соединяющей начало и конец ее пути! Получается так, как будто частица движется сразу по всем траекториям либо совершает что-то вроде «броуновского движения» («броуновской пляски») в абсолютно пустом пространстве, многократно, без всякой видимой причины, изменяя направление своего движения и мгновенно перемещаясь из одной пространственной точки в другую.

Вселенная в электроне

Как известно, в начале прошлого века, наблюдая под микроскопом взвесь мелких частичек в жидкости, английский ботаник Роберт Броун заметил, что все они «пляшут» — выписывают запутанные зигзагообразные траектории. Как теннисные мячики, по которым случайным образом бьют невидимые ракетки. Сегодня мы знаем, что роль таких ракеток играют молекулы жидкости, которые сталкиваются с частицами взвеси и передают им свое хаотическое тепловое движение. Но что может толкать частицу в абсолютно пустом пространстве? Ведь не может же она сама по себе, по собственной воле, метаться по пустому пространству!

Было выполнено огромное количество экспериментов, и все они привели к одному выводу: размазка движения микрочастицы возникает как бы сама по себе, из ничего!

Иногда говорят, что микрочастица движется по траектории, которая расплылась по всему пространству. Не знаю, поможет ли это более наглядно представить движение микрообъектов, но, как бы там ни было, с точки зрения законов Ньютона, да и просто с позиций здравого смысла, это движение совершенно не предсказуемо. Оно выглядит так, как будто в микропроцессах нарушена связь между причиной и следствием, и, исходя из одних и тех же начальных условий, можно прийти к совершенно различным результатам. А главное, неизвестно, к каким. Один раз получается одно, в другой раз при точно таких же условиях — совсем иное. Похоже на блуждание пьяницы по пустой площади — движется под влиянием ему одному известных причин! Лишь в случае очень массивных, тяжелых частиц с большой инерцией движение начинает постепенно «стягиваться» к ньютоновской траектории, и будущее снова становится однозначным следствием прошлого. Опять как в броуновском движении. Там тоже сильнее всего «пляшут» легкие частицы, тяжелые ведут себя более степенно. Однако «беспричинное блуждание» еще не самая главная трудность, с которой мы встречаемся в микромире. Ведь начальные условия никогда не известны нам абсолютно точно, все величины измеряются с какой-то маленькой погрешностью. В принципе можно было бы рассчитывать на какое-то сложное обобщение уравнений Ньютона, которое было бы очень чувствительно к начальным условиям и в каждом конкретном случае позволило бы шаг за шагом проследить витиевато запутанную траекторию частицы. Более удивителен и непонятен другой факт: оказывается, одна и та же частица может быть сразу в нескольких местах.

Один в двух лицах

Представим себе, что электрон попадает на поглощающий экран с двумя отверстиями, за которыми расположена фотопластинка. Электрон пройдет через одно из отверстий и оставит точечный след на фотопластинке. Повторяя многократно этот опыт, мы должны получить на ней наложение двух картин: черное пятно от электронов, прошедших сквозь одно отверстие, и такое же пятно от электронов, воспользовавшихся вторым отверстием.

Казалось бы, это — единственно возможный результат, другого и быть не может. Так вот, ничего подобного! На фотопластинке получается в точности такая же картина, как при столкновении двух волн на воде, когда на водной поверхности образуется рябь горбиков и ложбин. На пластинке им соответствует рябь размытых пятен и просветов между ними. В физике это называется интерференцией.

Две волны сталкиваются, и там, где пик одной накладывается на пик другой, они усиливают друг друга, а там, где пик одной волны совпадает с направленным в обратную сторону пиком другой, образуется ложбина — здесь волны гасят друг друга. Отсюда и возникает рябь. Можно бросить два камня в воду и посмотреть, как происходит такая интерференция. Но откуда ей взяться, когда сквозь экран каждый раз проходит только один электрон? Столкнуться и интерферировать он может лишь… сам с собой. Другими словами, электрон каким-то образом ухитряется стать одним в двух лицах и пройти сразу сквозь два, далеко отстоящих друг от друга, отверстия. Это напоминает картинку из рубрики «Чудаки» на последней странице «Литературной газеты»: длинная ровная лыжня из двух параллельных следов, и вдруг невесть откуда взявшаяся елка между ними!

Вселенная в электроне

Может, электрон распадается на какие-то куски? Но нет, если бы это было так, то, закрыв одно из отверстий, мы могли бы «поймать» кусочек электрона, который прошел сквозь оставшееся открытым отверстие. Опыт показывает, что никаких кусков от электрона не откалывается, и сквозь отверстие каждый раз проходит вполне нормальный, совершенно целый электрон.

Поведение электрона выглядит просто невероятным, противоречащим самой элементарной логике, — все равно что войти в комнату с двумя дверями и столкнуться лбом с самим собой! И тем не менее никакого другого объяснения наблюдаемому ходу событий, с точки зрения ньютоновской механики, дать нельзя. Точно известно, что каждый электрон проходит через одно из двух отверстий, а фотопластинка убеждает нас в том, что он раздваивался. Вопиющее противоречие, как будто мы имеем дело с электроном и его двойником-призраком!

Когда такое необъяснимое, «противоестественное» поведение микрочастиц было обнаружено впервые на опыте, многие ученые восприняли его как конец физической науки, которая, казалось им, добралась, наконец, до исходного, «первозданного микрохаоса», прикоснулась к «праматерии», где уже нет никаких законов. Знаменитый голландский физик Г. Лоренц еще совсем недавно, в 1924 году, с горечью писал: «Где же истина, если о ней можно делать взаимно исключающие друг друга утверждения? Способны ли мы вообще узнать истину и имеет ли смысл вообще заниматься наукой? Я потерял уверенность, что моя научная работа вела к объективной истине, и я не знаю, зачем жил; жалею только,что не умер пять лет назад, когда мне все еще представлялось ясным… Взамен ясных и светлых образов возникает стремление к каким-то таинственным схемам, не подлежащим отчетливому представлению».

Положение казалось безнадежно запутанным: беспричинно мечущиеся в пространстве частицы, каждая из которых может столкнуться сама с собой. И в то же время состоящие из них тела с удивительной точностью подчиняются законам Ньютона. Было от чего прийти в отчаяние. Как шутили в то время физики, по четным дням недели им приходилось пользоваться механикой Ньютона, а по нечетным — доказывать, что она не верна! Казалось бы, мир и минуты не мог бы существовать, будь в нем такие ужасные противоречия, а он живет уже двадцать миллиардов лет! Физика зашла в тупик.

Загадка света

Теоретическая путаница у физиков возникала не только при попытках понять, как движется микрочастица, но и при объяснении природы света. Что это, частица или волна? Еще триста лет назад об этом ожесточенно спорили Ньютон и Гук. Первый разделял точку зрения, которой придерживались еще древнегреческие ученые: свет — это поток мельчайших, не различимых глазом частиц-корпускул. Это хорошо объясняло известные в то время оптические явления — поглощение света экранами, его отражение от зеркал, преломление в линзах и многое другое. Все это удавалось объяснить, используя законы механики для частиц-корпускул. Гук был убежден в том, что свет по своей природе похож на звук, — это тоже волны, испускаемые источником.

Фольклорное эхо донесло до наших дней немало пикантных подробностей этих словесных баталий, то и дело выходивших далеко за рамки научных дискуссий. Говорят, что после одного из споров, в котором темпераментный и не стеснявшийся в выборе выражений Роберт Гук превзошел самого себя в язвительной критике ньютоновской теории световых корпускул и ее автора, последний решил вообще не публиковать своих трудов по оптике, пока будет жив Гук.

Надо заметить, что Роберт Гук отличался удивительно неуживчивым, болезненно самолюбивым характером. Разносторонний, талантливый человек с живым, нестандартным мышлением, он в своих исследованиях часто далеко опережал коллег. Бывало, правда, переоткрывал открытое, с жаром доказывая свой приоритет. Ни одно его исследование, ни одно изобретение не было доведено до конца. Непрерывные недоразумения, ссоры, склоки, приоритетные споры заполняли жизнь этого исключительно одаренного, но крайне мелочного и вздорного человека. Почти всякий талантливый ученый вскоре становился его врагом. Ньютон в этом отношении не был исключением.

Но главной причиной решения Ньютона воздержаться от публикации своих трудов была, конечно, не полемичная страстность Гука и его необузданный характер, а сила приводимых им новых фактов. Корпускулярная гипотеза, развивавшаяся Ньютоном, не могла устоять против них. Только с помощью волновых представлений можно было объяснить, почему прибавление света к свету может не только увеличивать, но иногда и уменьшать освещенность, порождая сложные интерференционные картины, как у волн в жидкости, или почему, например, свет огибает мелкие препятствия и на краях тени всегда есть некоторая полутень. В случае потока частиц тень должна иметь резкие края — частица либо поглощается экраном, либо пролетает мимо, и направление ее движения нисколько не изменяется.

Явлений, в которых проявляется волновая природа света, становилось все больше, и в течение трех последующих веков ученые были твердо убеждены, что свет — это волновое движение некой сверхтонкой, заполняющей все пространство материи. Ее стали называть эфиром. Так древние греки в своих мифах называли особый «сверхтонкий» воздух, которым дышит Зевс и другие боги на вершине Олимпа. Для объяснения оптических свойств эфир впервые широко стал использовать голландец Христиан Гюйгенс.

Однако, как это часто бывает в физике, ее развитие неожиданно снова возродило старую идею. Несмотря на успехи волновой теории, с конца прошлого века стали быстро накапливаться факты, которые можно было объяснить, лишь допустив, как это делал когда-то Ньютон, что свет — это поток отдельных, не связанных между собою частиц. Их называют теперь фотонами. Идею о корпускулярном строении света в начале нашего века возродил Эйнштейн. Об этом уже рассказывалось в первой главе. Теория Эйнштейна объединила старую ньютоновскую гипотезу с выдвинутой незадолго до этого идеей немецкого теоретика Макса Планка о том, что при всех взаимодействиях энергия передается квантами — дискретными порциями, кратными некоторой минимальной величине, которая является такой же фундаментальной постоянной, как скорость света или заряд электрона. В честь открывшего ее ученого эту постоянную стали называть константой Планка.

Идея дискретного, квантованного света получила блестящее подтверждение в атомных процессах. Сталкиваясь с атомными электронами, световые частицы рассеиваются, подобно упругим горошинам. В тех случаях, когда их энергии недостаточно для полного отрыва электрона от атома, электрон поглощает фотон, увеличивает свою энергию, становясь менее скованным силой электрического притяжения, переходит на большую, более далекую от центра атома орбиту — атом возбуждается. В последующем электрон может вернуться на исходное место, ближе к ядру, а освободившаяся энергия излучится в виде фотона.

Вселенная в электроне

Атомы могут возбуждаться и при столкновениях друг с другом. Так происходит при нагревании. Слабо нагретое тело испускает лишь невидимые инфракрасные фотоны, при увеличении температуры, то есть скоростей хаотического движения составляющих тело атомов, испускается видимый свет — сначала «мягкие» красные фотоны, а затем «жесткие» синие. При высоких температурах рождаются очень жесткие фотоны ультрафиолетового света. Все особенности испускания и поглощения света прекрасно объясняются фотонной теорией.

Казалось бы, можно уверенно сказать, что корпускулярная теория света одержала победу. Но как быть с волновыми свойствами света? Они не перестали существовать. Как и во времена Ньютона, корпускулярная теория их не объясняет. Поэтому загадка света ничуть не прояснилась, наоборот, она стала еще непонятнее.

Гибрид волны и частицы

Вскоре был установлен еще один удивительный факт: во всех процессах энергия световой частицы каждый раз оказывается обратно пропорциональной длине световой волны, то есть определяется каким-то непонятным коллективным эффектом. Получается, что хотя фотон и не связан с другими своими братьями (все они совершенно независимые частицы), но он все же как-то чувствует их присутствие, и они все вместе составляют световой поток. Внешне это выглядит так, как будто частицу-фотон несет гребень какой-то таинственной нематериальной волны. И чем больше его энергия, тем короче, «жестче» эта волна.

В этом есть нечто общее с тем, как поток электронов проходит сквозь щели в экране. Каждый электрон тоже ведь пролетает сквозь какую-то одну щель, и при этом он тоже как будто знает о своих собратьях, которые взаимодействуют с экраном до и после него и располагаются на фотопластинке так, чтобы в целом получилась единая интерференционная, волновая картина. Более того, каждый следующий электрон может испускаться и проходить сквозь щели в экране уже после того, как предыдущий поглотился фотопластинкой. И все равно связывающий их коллективный эффект остается: на пластинке опять образуются отчетливые интерференционные просветы и пятна. Каждый из электронов каким-то образом ухитряется провзаимодействовать со своими уже умершими и с еще неродившимися собратьями.

Размышляя над странной аналогией в поведении электронов и частиц световой волны, французский физик Луи де Бройль пришел к мысли о том, что любой микрочастице, независимо от ее природы, сопутствует некая «волна материи». Подобно мифическому кентавру, полулошади-получеловеку, микрочастица, по мнению де Бройля, тоже объединяет в себе, казалось бы, несовместимое — является гибридом волны и корпускулы. Де Бройль предположил, что не только у фотона, но и во всех других случаях длина «волны материи» обратно пропорциональна энергии связанных с нею частиц. И хотя физическая природа этих волн (их стали называть дебройлевскими) оставалась загадочной, они хорошо описывали сложные интерференционные узоры в опытах с электронами, а позднее и с более тяжелыми частицами — протонами и даже молекулами. Перед физиками встала интригующая задача — понять и объяснить происхождение этих загадочных волн.

Вселенная в электроне

Интересно, что первым, задолго до де Бройля, еще в конце прошлого века, идею о волнах материи высказал русский ученый Б. Б. Голицын. И это была не просто гениальная догадка-озарение, свой вывод Голицын основывал на анализе экспериментального материала по выбиванию электронов светом из металлических пластин. В этих опытах впервые были получены указания на дискретные свойства световой волны. Три десятилетия спустя их использовал и Луи де Бройль. Однако русский ученый слишком опередил свое время. В конце XIX века была еще слишком велика вера во всемогущество классических законов Ньютона. Большинство ученых было уверено, что основные законы природы уже открыты и физика близка к своему завершению, остались лишь небольшие доделки. На этом фоне идея о волнах материи выглядела совершенно несерьезной и фантастической. Против нее резко выступил известный московский физик А. Г. Столетов, тот самый, кто выполнил опыты по выбиванию электронов светом, ставшие в дальнейшем одним из краеугольных камней квантовой теории. Это могло бы выглядеть историческим курьезом, но для Столетова все обернулось трагедией. Дело в том, что Б. Б. Голицын был не только талантливым физиком, но обладал еще и княжеским титулом, а это в дореволюционной России было очень важным обстоятельством. У Столетова стали возникать служебные неприятности, а он, будучи человеком принципиальным, не мог поступиться своими научными убеждениями. Все больше сил уходило на бесплодную борьбу. Закончилось это тяжелым сердечным приступом и последовавшей вскоре за этим смертью Столетова, а замечательная идея Голицына была похоронена заживо и не оказала никакого влияния на последующее развитие физики. Де Бройль ничего не знал об этой идее.

Александр Григорьевич Столетов родился во Владимире в старой купеческой семье, которая при Иване Грозном была выслана из Москвы за крамолу и вольнодумство. Во Владимире именем Столетова названа улица. Он внес большой вклад в развитие физической науки в России, некоторые из его студентов стали известными учеными. У Столетова учился физике основоположник отечественной авиации Н. Е. Жуковский. И вместе с тем он своим авторитетом «задавил» идею, которая, став широко известной физикам, значительно бы ускорила развитие науки. В жизни подчас бывают парадоксальные ситуации…

История «волн материи» говорит также о том, насколько осторожным следует быть с научными идеями. Не зря некоторые физики предлагают создать специальный журнал, который бы печатал «материал к размышлению» — не признанные, но и не опровергнутые идеи.

Волны вероятности

Успех дебройлевской идеи о волнах материи, позволившей объяснить многие противоречивые явления микромира, сразу поставил ее в центр внимания физиков. Ее обоснованием занялись экспериментаторы и теоретики. И вскоре выяснилось, что хотя эти волны и называли «волнами материи», материального в них мало. Они описывают распределение не материи, а вероятности — вероятности обнаружить частицу в той или иной точке пространства.

Будем бросать монету и считать, сколько раз выпадет «герб» или «решка». Отношение числа случаев с «гербом» к полному числу бросаний — вероятность выпадания «герба». Аналогично определяется вероятность выпадания «решки». Что выпадет в каждом конкретном случае, точно не известно. Это может быть «герб», а может быть «решка». Но при большом числе бросаний вероятности выпадания «герба» и «решки» одинаковы и равны 50%. (Иногда говорят: пятьдесят шансов из ста.)

Если монета погнута или испорчена каким-либо другим образом, вероятности выпадения «герба» и «решки» будут различными — например, 40% для «герба» и 60% для «решки». Зная эти числа, можно заранее оценить, в скольких случаях мы выиграем.

Теория вероятностей была создана в связи с азартными играми, но в дальнейшем оказалась чрезвычайно полезной во многих областях науки и техники. Артиллеристы стали использовать ее для оценки точности стрельбы, страховые компания с ее помощью стали оценивать степень риска. Она оказывается незаменимой во всех случаях, когда имеют дело со сложными явлениями, где действуют сразу очень много независимых факторов. Например, как описать движение миллиардов частиц газа? Даже если бы и удалось написать для них систему уравнений, она была бы такой громоздкой и сложной, что решить ее не смогла бы ни одна ЭВМ! Вот тут и нужна теория вероятности.

Так вот, выяснилось, что отдельно взятый электрон может находиться в любой точке пространства, у него нет определенной траектории. Но если опыт повторить много-много раз, то выявится статистическая, усредненная картина его движения. Оказывается, что в некоторых участках пространства он, в среднем, бывает чаще, чем в других. Интенсивность дебройлевской волны как раз и характеризует вероятность — относительную частоту пребывания электрона в различных точках. То же самое для фотонов. Эти частицы чаще появляются там, где больше интенсивность их дебройлевской волны. В этих местах наибольшая освещенность и наибольшая амплитуда световой волны. Движение отдельного фотона настолько сложное и прихотливое, что с определенной вероятностью его можно обнаружить в различных точках пространства. Строгие закономерности, так же как при бросании монеты, проявляются лишь при рассмотрении большого числа фотонов. И вот статистически в среднем световые частицы распределяются в пространстве таким образом, что их поведение выглядит как распространение световой волны. Получается так, что поодиночке каждый из фотонов — корпускула, а в совокупности они обнаруживают волновые свойства. Для того чтобы сделать картину нагляднее, иногда говорят, что микрочастицы двигаются по нечетко определенным, размазанным траекториям, а размазка имеет форму волны. Это очень упрощенное описание того, что происходит в природе, но некоторое представление о характере явления отсюда получить можно.

Вселенная в электроне

С точки зрения Ньютона, мир, образно говоря, похож на четко вычерченную сеть железных дорог, по которым строго, в соответствии с расписанием движутся поезда-частицы. В микромире эта картина размывается, становится нечеткой, расплывчатой, как будто мы разглядываем ее в плохо сфокусированный бинокль. О движении частиц там можно говорить лишь с определенной вероятностью.

Когда физики говорят, что электрон вращается вокруг атомного ядра по определенной орбите, это означает, что электрон чаще всего находится в ее точках, но с некоторой вероятностью его можно обнаружить и вдали от ядра. Представьте, что было бы, если бы так себя вели вращающиеся вокруг Солнца планеты! Аналогия между атомом и Солнечной системой на поверку оказывается весьма отдаленной.

Но что порождает такое различие? Ведь и планеты и электроны движутся в пустом пространстве. Почему же в одном случае движение происходит по точным траекториям, а в другом частицы, как пьяные, исполняют «броуновскую пляску» вокруг своих траекторий? Что является ее причиной?

Что размазывает траекторию

Физики пока не могут однозначно сказать, отчего это происходит. Можно думать, что причина этому — взаимодействия микрочастицы с окружающим ее фоном. Ведь частица никогда не бывает полностью изолированной, она постоянно испытывает случайные возмущающие воздействия неисчислимого количества других микрообъектов. Прежде всего атомов и молекул, из которых состоят окружающие тела. Если частица медленная и легкая, то возмущающие толчки резко изменяют ее скорость и этим, хотя бы отчасти, можно объяснить, почему, казалось бы, одни и те же начальные условия — одинаковые экраны, щели, каналы и так далее — приводят к различным последствиям. Дополнительные возмущения вносят атомы, из которых состоят регистрирующие приборы. Все эти толчки и пинки на атомном уровне размазывают движение частицы, делают его неконтролируемым.

Но самое главное возмущение происходит от частиц и античастиц, во множестве рождающихся и быстро аннигилирующих в окружающем вакууме.

Идея абсолютной пустоты, вакуума, пришла к нам из далекого прошлого. Само представление о мире часто ассоциируется у нас с образом безграничного пустого пространства с отдельными зернами материальных вкраплений. Мы привыкли к мысли, что пустота — это исходное, самое простое, не требующее никаких объяснений состояние окружающей природы, синоним полного «ничто». Однако квантовая теория говорит о том, что вокруг каждой точки кажущегося нам абсолютно пустым пространства непрерывно происходят сложнейшие материальные процессы. Если бы существовал микроскоп с увеличением в миллиарды раз, можно было бы увидеть, что пространство густо пропитано курящимся «смогом» микрочастиц, где все вибрирует, обменивается импульсами, распадается и вновь объединяется в новых комбинациях. В отличие от воздуха, этот смог нельзя вычерпать из пространства. Микрочастицы появляются из ничего и мгновенно обращаются в ничто.

Если бы был жив Ньютон, то всплески вещества в вакууме ему, наверное, показались бы похожими на привидения, которые неожиданно возникают и, прежде чем мы успеваем определить, материальны они или же всего только мираж, так же внезапно исчезают. Однако опыт убеждает нас, что это — вполне реальные процессы, а заполненный ими вакуум ведет себя, как некая материальная среда, не имеющая осязаемой плотности и не мешающая движению физических тел. Ньютон назвал бы ее всепроникающим эфиром.

Подобно частичкам взвеси в жидкости, движущаяся в пустом пространстве микрочастица все время испытывает толчки частиц вакуумного смога, и это сказывается на ее траектории.

Итак, микрочастица погружена в невообразимо сложное переплетение связей, на ее движение влияет огромное количество различных факторов. Можно думать, что это как раз и делает его «размазанным», вероятностным. Так же как нельзя построить точной теории, описывающей поведение всех частиц газа, невозможно создать и точную, основанную на ньютоновских законах теорию движения микрочастицы в вакууме. Но это только одна сторона дела.

Хотя точной теории движения всех частиц в облаке газа создать нельзя, к ней, в принципе, можно приблизиться как угодно близко: сначала построить теорию для двух частиц, потом для трех и так далее. Трудности здесь только технические, и, если бы мы располагали сверхмощной ЭВМ, задача была бы решена. В микромире положение принципиально иное. Постепенно наращивая число учитываемых связей, можно надеяться объяснить «броуновскую пляску» микрочастицы, но факт прохождения ее сразу через две щели и интерференцию с уже исчезнувшими и еще неродившимися частицами объяснить не удастся, сколько бы связей мы ни учли. Для этого нужны какие-то совершенно новые законы, выходящие за рамки ньютоновской физики. В квантовой механике факт интерференции не объясняется, он просто берется из опыта и считается постулатом, таким же, например, как аксиомы геометрии. Только они кажутся нам совершенно очевидными, мы ежеминутно встречаем подтверждение им в повседневной жизни, а постулат квантовой теории нам совершенно непривычен, требуется детальное знакомство со свойствами микропроцессов, чтобы с ним согласиться.

Вселенная в электроне

Было предпринято много попыток построить «всем понятную» теорию микропроцессов, в которой вероятностные законы квантовой механики получались бы в результате постепенного усложнения «заквантовой» теории с точными траекториями частиц. Этой проблемой занимались многие выдающиеся ученые. В частности, Эйнштейн до конца своей жизни был убежден в том, что такая «заквантовая» теория обязательно должна существовать. В своих статьях он писал, что квантовая механика — это всего лишь временная постройка, некое приближенное, размытое изображение истинной, скрытой пока от нас картины явлений. И пока она не найдена, задача физики микромира, по мнению Эйнштейна, остается невыполненной. Но все попытки оказались безуспешными. Опыт показывает, что, чем глубже в недра микромира мы уходим, тем более важными становятся там вероятностные законы. Сегодня большинство физиков уверены в том, что любая «заквантовая» теория будет основана на законах вероятности. Так уж устроен мир. Но почему он так устроен? Ведь должно же быть какое-то объяснение этому…

С течением времени, по мере того как накапливаются знания, любой постулат переходит в разряд теорем и выводится из более глубоких принципов. Когда-нибудь так будет и с постулатами квантовой механики. У них тоже должна быть какая-то причина. Но сегодня, научившись хорошо пользоваться квантовой механикой, физики еще не могут объяснить происхождение ее удивительных законов. Энергию электронов в атоме квантовая механика рассчитывает с точностью до миллиардных долей процента, но вот что размазывает орбиты электронов в атоме, каков конкретный механизм этой размазки — на эти вопросы она ответить не может. В то же время опыт хорошо подтверждает все ее выводы. Несмотря на все старания физиков, никаких отклонений от ее вероятностных законов не обнаружено.

Тем не менее у неуязвимой квантовой механики все же есть ахиллесова пята, которая, возможно, послужит отправным пунктом для построения «заквантовой» теории. И вот тут мы подходим к самому трудному и «темному» месту теории, вокруг которого уже более полувека, с тех пор как была создана квантовая механика, не утихают споры физиков и философов.

Как выглядит частица, когда на нее никто не смотрит?

Казалось бы, ответ очевиден — так же, как и в случае, когда ее наблюдают. Ведь частица существует сама по себе, независимо от того, смотрят на нее или нет. В физике, основанной на законах Ньютона, это действительно так, а вот в квантовой механике дело сложнее.

Чтобы подчеркнуть независимость от нашей личной точки зрения какого-нибудь утверждения, мы часто говорим, что это — экспериментальный факт, то есть непосредственный результат наблюдения, так сказать, «кусок» независящего от нас внешнего мира. Мы часто повторяем, что «факт есть факт», что «факты — это упрямая вещь». Однако в действительности совершенно «чистых», независящих от нас фактов не бывает. Наблюдая явления природы, наш мозг, наше сознание всякий раз имеет дело не с внешним миром самим по себе, а с его воздействием на наши органы чувств и их продолжения — физические приборы. Другими словами, мы всегда имеем дело как бы с отдельными «проекциями» внешнего мира. Слух дает нам его звуковую проекцию, зрение — его изображение в световых лучах. Физические приборы предоставляют нам еще более детальные и разносторонние срезы окружающей нас действительности. Однако, имея дело с проекциями, мы неизбежно искажаем и огрубляем наблюдаемое явление, чем-то пренебрегаем, что-то домысливаем. Каждый человек воспринимает мир по-своему. Бывает, что для одного происходящие явления — совершенно независимые между собой факты, а другой сразу усматривает их взаимозависимость.

Мир не существует точно в том виде, как он воспринимается нашими органами чувств. Картину мира мы воссоздаем с помощью мышления, и этот процесс всегда зависит от того, какими знаниями уже «заряжено» наше сознание. Если оно достаточно не подготовлено, мы можем вообще не заметить некоторых фактов, они для нас как бы не существуют. Например, если бы человек каменного века увидел надпись на скале, он едва ли придал бы ей какое-либо значение, для него это были бы всего только случайные подтеки и пятна, которые бы просто скользнули мимо его сознания.

Животные тоже слышат, видят и чувствуют внешний мир, зачастую значительно лучше нас, но воссозданная их мозгом картина окружающей обстановки ни в какое сравнение не идет с картиной мира в мозгу человека.

Хотя любое наше представление о мире является приближенным, по мере накопления и корректировки знаний оно постепенно уточняется и становится все менее зависящим от нашего мнения и наших личных точек зрения. Мы выделяем из воспринимаемых нами проекций, вылущиваем из них то, что не связано со способом наблюдений, и из этих очищенных элементов строим образ независящего от нас мира. Например, один прибор измеряет координату частицы, другой — ее скорость, а мы в уме или на бумаге строим единый график движения, с помощью которого в любой момент времени можем сразу узнать координату и скорость частицы. Физика Ньютона подтверждала возможность такого постепенного «испарения» личного, или, как говорят философы, субъективного, элемента из наших знаний о природе. Казалось очевидным, что, совершенствуя приборы, их возмущающее влияние можно сделать как угодно малым и изучать явления в чистом виде, без всякого влияния наблюдателя. Физики были твердо уверены, что трудности на этом пути чисто технические, а не принципиальные. Образно говоря, каждый прибор — это невод, с помощью которого мы выуживаем знания из многоводной реки по имени Природа. И чем он тоньше и деликатнее, тем богаче улов.

Но вот в квантовой механике все оказалось по-другому. Поскольку у микрочастицы нет определенной траектории и она как бы размазана по всему пространству, нельзя одновременно узнать ее координату и скорость. Если мы определим точку, в которой находится частица, то в следующий момент она может находиться в любой другой точке, и мы не сможем вычислить ее скорость. Наоборот, мы можем знать скорость частицы, но тогда неизвестно ее местоположение. Какими бы деликатными и тонкими ни были приборы, они все равно не смогут одновременно определить координату и скорость микрочастицы. Чем точнее измеряется одна из этих величин, тем сильнее «размазывается» вторая, и, как бы мы ни старались, измерить координату и скорость у одной и той же микрочастицы нам не удастся. В одних условиях проявляется координата частицы, в других — скорость. Одна из этих величин обязательно остается неопределенной. Какая — это зависит от того, как ставится эксперимент.

Каковы бы ни были причины вероятностной размазки микроявлений, все физики согласны в том, что квантовая механика описывает не отдельную частицу саму по себе, так, как она есть, а частицу на фоне окружающей ее обстановки. Подобно тому как о цвете хамелеона можно говорить лишь применительно к окружающему фону, так и свойства микрочастицы оказываются связанными с ее окружением. Микрочастица никогда не демонстрирует сразу всех своих свойств. Часть из них она «показывает» на одном фоне, другую часть — совсем на другом, и никогда все вместе. Спрашивать квантовую механику о том, каковы свойства микрочастицы самой по себе, безотносительно к окружающей ее обстановке, так же бессмысленно, как и задавать вопрос о скорости тела до выбора системы координат, — в каждой системе отсчета она своя.

В японском городе Киото есть знаменитый сад камней. Небольшая песчаная площадка в старинном парке, на которой выложены шестнадцать камней, но выложены так искусно, что как бы ни смотреть, всегда можно увидеть только пятнадцать из них. С каждой новой точки зрения — свой пейзаж. Воплощенная в камне идея о том, что все в мире имеет много сторон и аспектов; все они ограничены и в чем-то даже противоречат друг другу. Однако это не мешает составить точное представление о всей композиции в целом и увидеть ее мысленным взором. Может, так и с микрочастицей — в современной квантовой механике она всегда связана с окружающим фоном, но в будущей теории, объединяя различные «приборные проекции», возможно, удастся получить ее точную, ни от чего постороннего не зависящую картину? Ведь считал же Эйнштейн, что физика не выполнит задачу объяснения мира до тех пор, пока не научится описывать частицы и происходящие с ними явления в чистом виде, независимо от всех внешних обстоятельств! Если так, то квантовая механика — только переходный этап, временные строительные леса на пути к такой «очищенной» теории, и главная задача физиков — поскорее создать эту теорию.

Еретики и правоверные

До сих пор ученым всегда удавалось разделить мир на относительно независимые этажи-уровни. Уровень космических явлений, охватывающий галактики и звездные скопления, уровень макроскопических масштабов, к которому принадлежим мы сами, еще более глубокие этажи биологических и химических процессов — каждый из них управляется своими особыми законами и каждый можно с достаточной точностью рассматривать независимо от других. Перемешивание законов происходит в узких пограничных областях, где возникают такие гибридные науки, как биофизика, физическая химия и так далее. Однако природа может быть устроена таким образом, что простое деление на этажи в микромире становится уже невозможным, и, как бы глубоко в недра материи мы ни спускались, происходящие там явления всегда будут связаны с этажом макроскопических процессов. В этом случае любая теория «заквантовых явлений» будет похожа на современную квантовую механику.

Надо сказать, что большинство ученых, физиков и философов склоняются к мысли, что именно так и будет. Лишь небольшое число еретиков убеждены в том, что за кулисами квантовой механики скрыта чисто микроскопическая «заквантовая» теория, которую с высокой точностью можно рассматривать независимо от макроскопических тел и явлений. Объекты микромира, подчеркивают эти физики, настолько сложны и многогранны в своих свойствах, что привычных нам образов мира макроскопических вещей и процессов просто недостаточно для их описания. Это похоже на то, как если бы с помощью букв и нотных, знаков пытаться передать глухому человеку всю прелесть музыкального произведения или пытаться с помощью плоских чертежей рассказать о форме и строении многомерных фигур. С помощью ньютоновской физики можно передать лишь отдельные срезы того, что происходит в микромире. «Заквантовая» теория должна описывать субатомные явления с помощью каких-то сложных математических образов. Правда, как построить такую теорию, пока никто не знает.

Как известно, наряду со многими добродетелями благородный и доблестный герой романов Дюма о трех мушкетерах Портос обладал такой необычайной спесивостью, что не разрешал портным касаться своей особы, и, для того чтобы сшить костюм, им приходилось снимать мерки с его изображений в зеркалах. При изучении микромира физики встречаются с похожей задачей: наблюдая макроскопические отражения того, что происходит в микромире, они хотят создать точный образ микроявлений. У портных не было сомнений в том, что зеркала точно отражают фигуру благородного мушкетера, а вот можно ли для микромира сшить «костюм», не зависящий ни от каких зеркал, — этот вопрос остается пока открытым. Для ответа нужны дальнейшие исследования, и прежде всего новые эксперименты. Голосованием научные проблемы не решаются, и, кто знает, может, преобладающие сегодня в меньшинстве еретики как раз и окажутся правыми.

Мы преодолели трудный теоретический барьер и можем судить, какие сложные проблемы, на грани физики и философии, стоят перед квантовой механикой. И если здесь не все сразу понятно, не стоит огорчаться, ведь, как утверждает Фейнман, по-настоящему квантовую механику пока не понимает никто. Во всяком случае, до полной ясности здесь еще далеко!

Физика очень тесно связана с философией. И чем сложнее и абстрактнее физическая теория, тем более важной становится эта связь. В переводе с греческого «философия» означает «любомудрие». Впервые философом назвал себя Пифагор, тот, кто открыл знаменитую теорему о прямоугольном треугольнике. Когда его однажды спросили, кто же он такой, Пифагор гордо ответил: «Я философ!»

Есть ли предел делимости тел, что такое конец и начало мира, глубинный смысл пространства и времени, можно ли точно изучить мир с помощью приближенно работающих органов чувств и приборов — эти и многие другие обсуждавшиеся выше проблемы принадлежат одновременно и физике и философии. Слагаясь, они образуют то, что называется мировоззрением человека.

До конца главы мы совершим еще несколько дальних плаваний по океану неизвестного, и каждый раз физика будет соседствовать с философией.

Время, текущее вспять

Формулы теоретической физики подсказывают, что если бы удалось создать генератор лучей, обгоняющих свет, мы смогли бы высвечивать цепочки уже свершившихся событий в обратном направлении — от настоящего в прошлое. Что мешает создать такой «хроноскоп истории» — только лишь наше неуменье, недостаток знаний или же этому препятствуют какие-то фундаментальные физические законы? Физика XX века приучила нас к мысли о том, что многое из считавшегося ранее принципиально недопустимым все же может происходить в каких-то особых, специфических условиях, тем более что опыты на ускорителях частиц обнаружили явления, где противопоставление прошлого и будущего неоднозначно. Может, каким-то образом все же удастся создать машину времени хотя бы для микроявлений?

В старой ньютоновской физике показания часов не зависели ни от скорости их движения, ни от каких-либо других причин. Время там течет безучастное ко всему происходящему в мире. Для Ньютона было очевидным, что часы на башне собора и в движущемся дилижансе всегда показывают одно и то же время.

Иначе ведет себя время в современной физике быстро движущихся тел. Стрелки перемещающихся часов идут медленнее неподвижных, их отставание будет тем заметнее, чем больше скорость движения. Правда, даже для космических кораблей, пересекающих сегодня просторы космоса, отставание времени еще очень незначительно и станет ощутимым, когда их скорости возрастут, по крайней мере, в несколько сотен раз. Но вот в мире элементарных частиц эффект замедления времени весьма заметен. Например, время жизни неподвижного мю-мезона около миллионной доли секунды, ничтожный миг; далее мезон распадается на более легкие частицы. Однако быстрый мю-мезон, рожденный космической частицей в высотных слоях атмосферы, становится долгожителем. Он живет так долго, что успевает пройти сквозь всю толщу воздуха и распадается лишь глубоко под землей. Пользуясь эффектом замедления времени, физики транспортируют пучки ускоренных короткоживущих частиц на большие расстояния. Подобная аппаратура есть во многих физических лабораториях.

Если движется не только наблюдаемое тело, но и сам наблюдатель, то его скорость тоже влияет на длительность событий. Например, продолжительность происходящего с телом процесса будет различной в зависимости от того, наблюдают его с космодрома или из иллюминаторов стремительно летящей ракеты, — ведь относительная скорость тела и наблюдателя в этих случаях будет отличаться. Однако порядок происходящих событий, то есть какое из них совершается раньше, а какое позднее, во всех случаях остается неизменным. Выбором системы координат, движущейся или неподвижной, можно сократить или, наоборот, растянуть длительность события, но направление времени изменить нельзя. Оно так же неизменно, как в старой ньютоновской физике медленно движущихся тел.

Переходить от движущейся системы координат к другой, тоже движущейся или неподвижной, умел еще Галилей. Выведенные им для этого формулы так и называются — преобразования Галилея. Сегодня с ними знаком каждый старшеклассник. Но они применимы лишь для небольших скоростей, много меньших скорости света. Формулы преобразований для быстрых движений были выведены в начале нашего века швейцарцем Эйнштейном, французом Пуанкаре и голландцем Лоренцем. Вывод этих формул и правила обращения с ними составляют содержание специальной теории относительности. Само название этой теории говорит об относительности физических величин, об их зависимости от выбора системы координат, а эпитет «специальная» отмечает тот факт, что рассматривается частный случай движений в плоских, неискривленных пространстве и времени. Этим случаем мы и ограничимся.

Теория относительности прекрасного согласуется с экспериментом и является фундаментом современной физики. Самые тщательные опыты не обнаружили никаких отклонений от ее формул.

Для последующего нам очень важно иметь в виду, что хотя теория относительности создана на основе «досветовых явлений», протекающих со скоростями, меньшими или равными скорости света, в ее формулах нет никаких условий или ограничений, запрещающих их применение в «засветовой области» — при сверхсветовых скоростях. И вот тут обнаружилась замечательная особенность этих формул: они приводят к выводу, что в процессах с участием «сверхсветовых тел» от скорости зависит не только длительность, но и сам временной порядок событий. Совсем не так, как в досветовой области! Пилот одной ракеты скажет, что событие А произошло раньше события Б, а пилот второй ракеты, движущейся с иной скоростью, увидит их в обратном порядке. Время для этих наблюдателей будет идти в противоположных направлениях. То, что для одного — прошлое, для другого — будущее. Это похоже на то, как если бы в кино прокрутили пленку в обратном направлении. И нельзя указать, какое направление времени истинное, так же, как нельзя сказать, какая сторона является правой, а какая — левой. Для меня — это правая, а для стоящего лицом ко мне человека — левая. И мы оба правы — относительность!

Вселенная в электроне

Зависимость сверхсветовых явлений от времени разительно отличается от того, к чему мы привыкли в «досветовом мире». В процессах, протекающих быстрее света, подходящим выбором системы координат можно обратить время вспять. Получается, что сверхсветовые частицы — это объекты, свободно путешествующие во времени. Давняя мечта писателей-фантастов!

Но вот существуют ли в природе такие частицы? Как и где следует их искать? И вообще, не приводит ли предположение о сверхсветовых скоростях к противоречию с другими положениями современной физической теории, ведь не все же гипотезы физиков реализуются в природе… С другой стороны, если сверхсветовых скоростей в природе нет, то почему? Может, за этим прячется какой-то новый физический закон?

Факты и предположения

Недавно мне попал в руки научно-фантастический роман С. Снегова «Люди как боги». Там звездолеты летают с любыми скоростями — в пять, десять, сто раз быстрее света! Среди созвездий они ведут себя, как грузовик на узкой улице, — развернулся в созвездии Персея, задним ходом углубился в соседнее шаровое скопление, оттуда устремился в созвездие Плеяд… Феерическая картина! А собственно, почему это невозможно?

Правда, в любом учебнике физики можно найти утверждение о том, что в природе существует некоторая максимальная скорость. Это скорость света в вакууме. Считается, что ни одно тело не может двигаться быстрее. Однако это всего лишь — постулат, теоретическая гипотеза. То, что в экспериментах еще никогда не встречались сверхсветовые скорости, нельзя рассматривать, как их стопроцентный запрет, — не встречались при одних условиях, могут встретиться при других. Пока не найдены законы, которые это запрещают, вопрос остается открытым.

Большинство физиков склоняются сегодня к мнению, что сверхсветовых скоростей в природе нет, тем не менее вопрос продолжает их беспокоить. В научных журналах нет-нет да и снова вспыхивает дискуссия о сверхсветовых явлениях. Мой аспирант составил список статей по этой проблеме, их оказалось более полутора тысяч! И основная часть появилась в последние десять — пятнадцать лет.

Действительно, что ограничивает скорость движения? Ведь скорость света, мгновенная по сравнению со скоростями, с которыми нам приходится иметь дело в повседневной жизни, оказывается весьма скромной при переходе к космическим масштабам. Даже с аппаратами, исследующими ближайшие к нам планеты Солнечной системы, обмен сигналами происходит уже с весьма заметным запаздыванием. От Солнца к Земле свет бежит около восьми минут, а чтобы получить сигнал и отдать команду аппарату, исследующему окраинные планеты Нептун, Плутон и Уран, нужны десятки минут. Неужели нельзя передвигаться и передавать информацию быстрее?

Вселенная в электроне

Чтобы разобраться в этих сложных и во многом еще неясных вопросах, познакомимся сначала со свойствами, которыми должны обладать сверхсветовые частицы и состоящие из них тела. Это поможет выявить трудности, к которым приводит гипотеза сверхсветовых движений, и подскажет, где можно заметить такие движения.

Зазеркалье скоростей

Частицы, движущиеся со скоростями, большими скорости света, принято называть тахионами — от греческого слова «тахис», что означает «быстрый», «стремительный». Досконально изучить их свойства можно будет после того, как такие частицы откроют на опыте. Однако некоторые их особенности можно предсказать теоретически на основе уже известных физических законов. Один из них — взаимосвязь массы и скорости частицы.

При обычных условиях эта взаимосвязь чрезвычайно слабая, и мы ее просто не замечаем. Однако если скорость тела становится сравнимой по своей величине со скоростью света, масса тел начинает возрастать. Это явление было открыто в конце прошлого века в опытах с электронами. При увеличении скорости быстро движущееся тело становится все тяжелее, и дальнейшее увеличение скорости требует затрат все большей и большей энергии. Это явление называют световым барьером. Приближаться к нему так же трудно, как подниматься в крутую гору путнику, имеющему за плечами рюкзак, тяжелеющий с каждым метром подъема. Чтобы достичь скорости света, разгоняя какие-либо частицы, например, легкие электроны, пришлось бы затратить бесконечное количество энергии.

Казалось бы, это исключает всякие надежды на открытие сверхсветового вещества. Долгое время так и считали. Однако если посмотреть внимательнее, то можно заметить, что на самом деле отсюда вытекает лишь невозможность превращения обычных, досветовых частиц в тахионы путем непрерывного увеличения скорости. Подобно тому как нейтрино и фотоны уже при самом их рождении обладают световой скоростью, тахионы должны иметь сверхсветовую скорость с самого момента их появления в процессах взаимодействия. Это означает, что тахионы — частицы совершенно нового типа. Они никогда не переходят через сверхсветовой барьер на нашу досветовую сторону. Они рождаются, живут и исчезают в процессах распада и поглощения, всегда обладая скоростью, большей скорости света. Впервые на это обстоятельство лет двадцать назад обратил внимание советский физик Я. П. Терлецкий. Это поставило проблему тахионов на твердую почву. После этого, собственно, и начались серьезные исследования их свойств.

Вселенная в электроне

Заметьте, обычные частицы приближаются к световому барьеру, когда их скорость возрастает, а тахионы, наоборот, — при ее уменьшении. Если на классной доске провести мелом вертикальную линию и считать, что это — световой барьер, то слева будет область досветовых частиц, справа — область тахионов. На самом барьере масса и энергия бесконечно велики, при удалении от него вправо и влево они уменьшаются. Световой барьер напоминает энергетическую горку со спусками в сторону меньших и больших скоростей. Теряя энергию, обычная частица замедляется, тахион, напротив, ускоряется! Шарик из тахионного вещества, скатываясь с горки, не ускоряется, а тормозится. Падающее сверху тахионное облако тоже будет тормозиться — спускаться, как на парашюте. Тахионное яичко, упав с высокого стола, не разобьется, а плавно, как перышко, ляжет на пол. Зато сверхсветовая пуля под действием сопротивления воздуха должна, как это ни удивительно… разгоняться! И ружья не требуется, надо только тихонько толкнуть тахионный шарик в нужном направлении, а дальше он сам разгонится.

По сравнению с обычными, кинематические свойства сверхсветовых частиц оказываются буквально вывернутыми наизнанку!

Мир тахионов — своеобразный антимир скоростей, своего рода Зазеркалье. Зазеркалье скоростей.

Однако этим дело не кончается, у сверхсветовых частиц есть еще несколько удивительных особенностей.

Скорость из ничего, частицы-призраки и прочие чудеса сверхсветового мира

Как известно, знаменитый враль барон Мюнхгаузен однажды сам себя вытащил из болота за волосы. Так сказать, приобрел скорость из ничего, без всякой внешней силы — с точки зрения физики, явление абсолютно невозможное. Но тахионы, по-видимому, умеют это делать. Они способны самоускоряться.

Дело в том, что свет движется быстрее всех тел только в вакууме. В веществе его скорость меньше, она равна скорости света в вакууме, поделенной на показатель преломления среды. Например, внутри обычного оконного стекла скорость света снижается в полтора раза, в воде — в 1,3 раза, а в жидком сероводороде — почти вдвое. В таких средах электрон и другие частицы могут обогнать свет. При этом в веществе возникает специфическое электромагнитное излучение, называемое во всем мире черенковским, по имени открывшего его советского физика П. И. Черенкова. Это похоже на то, как низко летящий реактивный самолет бесшумной тенью проскакивает за горизонт, и только потом на нас обрушивается грохот звуковой волны. Мы не будем сейчас выяснять, как и почему возникает черенковское излучение, для нас важно то, что оно существует. Тахионы должны вызывать такое излучение даже в вакууме, поскольку их скорость всегда больше скорости света. Это излучение уменьшает энергию тахиона, и, следовательно, увеличивает его скорость. Иначе говоря, тахион самоускоряется — сам по себе, без всякой внешней силы, разгоняется в пустом пространстве.

Ускоряется за счет потери энергии! Опять все не так, «как у людей»!

Правда, не все физики согласны с этим выводом. Некоторые приводят соображения в пользу того, что тахионы все же не должны излучать в вакууме. Пока не ясно, кто прав. Рассудить сможет, наверное, лишь опыт. Во всяком случае, предпринимавшиеся до сих пор поиски черенковского излучения тахионов не увенчались успехом. Никаких излучений в вакууме не обнаружено. Впрочем, не ясно, были ли вообще там тахионы. Опыт ставился так, что если бы удалось заметить излучение, тогда можно было бы с уверенностью говорить о сверхсветовых частицах, излучение служило бы сигналом их присутствия. Если же излучения нет, то вывод неоднозначен: либо тахионы не излучают, либо таких частиц вообще не было в данном опыте. Так что окончательный ответ еще впереди.

Как уже говорилось выше, время жизни нестабильной досветовой частицы возрастает при увеличении ее скорости. А вот пространственные размеры, ее длина в направлении движения при этом уменьшаются, частица сжимается, становится похожей на лепешку. Конечно, как и замедление времени, этот эффект становится заметным только при очень больших скоростях. Так, летящий скоростной самолет, по сравнению с его длиной на аэродроме, сжимается на величину, приблизительно в сотню тысяч раз меньшую толщины человеческого волоса. Ракета, выводящая на орбиту спутник, сокращается в своей длине приблизительно на один микрон. Другое дело, если бы она двигалась со скоростью, равной половине скорости света или чуть больше. Тогда изменение ее размеров составляло бы уже около десятка метров.

Нельзя не признать, что, с позиций обыденного опыта, увеличение времени жизни и сокращение длин движущихся предметов выглядят весьма непривычно. Но еще удивительнее ведут себя сверхсветовые тела. Формулы теории относительности предсказывают, что продольные размеры разгоняющегося тахиона растут, сверхсветовая частица как бы распухает вдоль оси своего движения, а течение времени для нее резко убыстряется. В пределе, при бесконечно большой скорости, тахион вытягивается по всей бесконечно длинной траектории! Его масса и энергия при этом становятся равными нулю — ведь для того, чтобы ускорять тахион, у него надо отбирать энергию. Опять все наоборот по сравнению с обычными частицами!

Вселенная в электроне

Отдав всю энергию, тахион становится безынерциальной струей материи, распределенной сразу вдоль всей своей траектории. Можно сказать и по-другому: тахион с бесконечной скоростью существует только в один-единственный момент, а в остальное время его нельзя обнаружить ни в одной точке пространства. И может случиться так, что находящийся в абсолютно пустом пространстве наблюдатель, начав двигаться, вдруг обнаружит, что пространство вокруг него заполнено тахионами. Число частиц оказывается зависящим от скорости наблюдателя. Изменяя скорость ракеты, космонавт каждый раз будет видеть вокруг себя различную плотность материи. Тахионы, как призраки в старом английском замке, то исчезают, то снова вдруг появляются как будто из ничего. Согласитесь, эффект более удивительный, чем простая зависимость длины предметов от скорости!

Самоускорение, распухание, размазывание по всей траектории — это действительно очень непривычные и странные свойства. Однако странно не значит нельзя. К необычным свойствам и явлениям можно привыкнуть. Важно, что сами по себе они не противоречат фундаментальным законам природы.

Значительно более серьезные трудности связаны с беспричинными явлениями. Оказывается, и такие возможны для тахионов!

Проблема причинности

Первоначально физикам казалось, что вопиющим противоречием является уже сам факт изменения временного порядка в процессах с тахионами. Ведь если, например, один наблюдатель зафиксировал, что тахион испущен атомом урана и поглощен атомом серы, то другой наблюдатель может увидеть, что атом серы поглощает тахион, который еще только будет испущен ураном. Явная бессмыслица!

Выход нашел работающий ныне в США пакистанский физик Сударшан. Он учел, что для любого процесса с элементарными частицами всегда можно найти обратный, в котором все частицы заменены на античастицы, а античастицы, в свою очередь, — на частицы. Другими словами, процесс испускания частицы всегда можно рассматривать, как поглощение античастицы, и наоборот. Такая симметрия хорошо проверена на опыте. Это означает, что, с формальной точки зрения, прямой и обратный процессы можно считать одной и той же реакцией, если античастицы рассматривать, как частицы, движущиеся обратно во времени. Например, если тело A испускает электрон или отрицательно заряженный тахион, который поглощается телом B, то ни в самой реакции, ни в ее окружении ничего не изменится, если считать, что на самом деле тело B испустило позитрон или положительный тахион, который затем поглотило тело A. А раз так, то, возвращаясь к опыту с атомами урана и серы, допустимо считать, что второй наблюдатель увидит процесс, в котором атом серы испускает антитахион, а атом урана его поглощает. И никакого противоречия нет, концы с концами сходятся.

Вселенная в электроне

С первого взгляда рассуждения Сударшана выглядят, может быть, не совсем понятными, но если изобразить их в виде простенькой схемы на бумаге, в них легко разобраться.

Тем не менее всех противоречий остроумное предложение Сударшана все же не устранило. Дело в том, что ни один сверхсветовой процесс нельзя изолировать от окружающей «досветовой» обстановки. Это можно сделать лишь в теории, а в реальном мире всякое явление бесконечным числом связей скреплено с окружающими телами. Полностью отгородиться от них невозможно. Таково одно из основных свойств нашего мира. Поэтому изменение направления времени в сверхсветовом процессе неизбежно приходит к противоречию с направлением течения времени в нашем мире, или, как говорят философы, со «стрелой времени», которая задается движением окружающих нас досветовых тел и временным порядком происходящих в них процессов. Если такие тела соседствуют с тахионами, возникают похожие на чудо ситуации, в которых нарушена причинная связь событий. Следствие может опередить вызывающую его причину.

Допустим, например, что охотник тахионной пулей поражает сидящую на столбе ворону. Космонавт же в иллюминатор пролетающей мимо ракеты увидит, что по какой-то непонятной причине из вороны вылетела тахионная пуля, которая была поймана ружьем охотника. А главное, тот каким-то образом заранее знал, в какую сторону и под каким углом ему следует направить ствол ружья, чтобы поймать шарик тахионного вещества! Космонавту все это покажется подлинным чудом. Подобных ситуаций можно придумать множество.

Вселенная в электроне

В мире со сверхсветовыми явлениями прошлое перепутано с будущим. Там ничего не стоит подсмотреть, что находится «по ту сторону завтра». Нужно только сесть в экипаж, движущийся с подходящей скоростью. В таком мире наказание предшествует суду, а преступление совершается в последнюю очередь. Там можно найти такую систему координат, где еще не родившийся внук может поговорить по сверхсветовому телефону со своей давно умершей бабушкой. Стоит только изменить скорость, и вы из будущего перенесете свой взор в далекое прошлое или наоборот. Там можно застрелить самого себя в прошлом. Куча нелепостей! Фантасты, которые в своих романах пишут о космических кораблях со сверхсветовыми скоростями, наверное, ничего не слышали об этих парадоксах.

Как избавиться от нарушений причинности в процессах с тахионами и можно ли это вообще сделать, остается не ясным. Недавно итальянским физикам удалось показать, что нарушение причинности всегда сопровождается нарушением законов сохранения энергии и импульса. Другими словами, если требовать точного выполнения этих законов, то нарушающие причинность взаимодействия просто не должны происходить, и физическое тело по отношению к тахионам будет вести себя, как абсолютно прозрачное. К сожалению, это тоже не устраняет всех противоречий. Оказывается, если невозможно взаимодействие тахиона с телом, как с целым, то может произойти взаимодействие с его частью или наоборот. Полностью запретить непричинные взаимодействия не удается.

Результат итальянских физиков можно считать теоретическим доказательством того, что в больших, макроскопических областях пространства и времени тахионов нет, так как иначе нарушалась бы не только причинность, но и законы сохранения энергии и импульса, можно было бы построить вечный двигатель, превратить холод в тепло и тому подобное. Поскольку ничего такого в природе не бывает, то тахионы, если они все же рождаются в нашем мире, не могут выходить за пределы ультрамалых пространственно-временных областей. Опыт подсказывает, что временной порядок там становится не таким строгим, как на больших расстояниях, и его зависимость от системы координат уже не будет нарушать причинность.

При этом, конечно, возникает вопрос: что же удерживает тахионы в ультрамалом, не дает им разлететься?

Как будет, если, например, тахионы — короткоживущие частицы, обладающие способностью самоускоряться? Время жизни таких частиц будет сокращаться при увеличении их скорости, и, самоускоряясь, они распадутся почти сразу же вблизи точки своего рождения. Могут быть и другие причины «пленения» сверхсветового вещества, природа неистощима на выдумки.

Как бы там ни было, пока нет никаких запретов существованию тахионов в очень малых областях пространства и в течение очень кратких моментов времени. Следовательно, и время там может идти вспять. А вот существуют ли на самом деле такие частицы и такие вывернутые во времени процессы — здесь слово за экспериментом.

Что говорит опыт?

Понятно, что обнаружить сверхсветовые частицы можно лишь по следам, которые они оставляют в окружающем веществе. Но могут ли вообще частицы со столь необычными свойствами взаимодействовать с обычным, досветовым веществом наших приборов? Некоторые ученые считают, что эти два типа вещества просто не чувствуют друг друга, проходят одно сквозь другое, как свет сквозь прозрачный материал. Если это так, то тахионы — ненаблюдаемые объекты, а световой и сверхсветовой миры оторваны один от другого — у них просто нет точек соприкосновения. Трудно, однако, думать, что в природе, где все взаимосвязано и взаимообусловлено, могут существовать материальные тела, которые ничем себя не проявляют и принципиально не наблюдаемы. Если же между тахионами и досветовым веществом есть взаимодействие, то тахионы должны рождаться при столкновениях досветовых частиц и можно попытаться зафиксировать их с помощью имеющихся в нашем распоряжении средств.

Таких опытов выполнено уже немало. В ряде случаев отмечались эффекты, которые, в принципе, можно было бы приписать сверхсветовым частицам. Однако всегда удавалось найти и более привычное объяснение. Например, английские физики изучали распространение ливней вторичных частиц, образуемых в земной атмосфере высокоэнергетическими частицами космического излучения. Во многих ливнях детекторы зафиксировали сигналы, значительно опережающие приход лавины частиц. Этот результат можно объяснить, допустив, что в ливне присутствуют частицы со скоростями, намного большими, чем у остальных. А поскольку скорость большинства частиц в ливне близка к скорости света, это, казалось бы, подтверждает присутствие тахионов. К сожалению, более детальный анализ показал, что, сделав некоторые дополнительные предположения, не выходящие за рамки известной досветовой физики, опережающие сигналы детектора можно объяснить причинами технического характера, как неточные, ложные выбросы.

Особенно часто сверхсветовые аномалии возникают в астрономических наблюдениях, где детали движения изучаемых объектов бывают плохо известны. Так, недавно в печати сообщалось о наблюдении американскими астрофизиками сверхсветовых выбросов вещества квазарами — излучающими огромную энергию космическими объектами на краю видимой нами части Вселенной. Из сравнения двух фотографий, сделанных с интервалом примерно в один год, получен вывод о том, что выбросы удаляются от квазаров со скоростью, в несколько раз превосходящей световую. Тем не менее последующий анализ обнаружил такие особенности процессов, которые устранили противоречия с «досветовой физикой». Тахионный эффект оказался всего лишь оптическим обманом.

Интересный опыт по поиску тахионов в микропроцессах выполнили другие американские физики. Они допустили, что тахионы взаимодействуют с веществом, как и досветовые частицы, но время их жизни чрезвычайно мало. Участвуя во взаимодействиях, они изменяют энергии и направления движения досветовых частиц. Эти изменения совсем не такие, какие вносили бы быстро распадающиеся частицы со скоростями, меньшими, чем у света. Вот по таким специфическим искажениям параметров участвующих в реакции частиц и можно установить, принимали в ней участие сверхсветовые тахионы или нет. При тщательной обработке экспериментального материала были обнаружены ожидаемые аномалии в скоростях и углах вылета. Они хорошо объяснялись, если допустить, что сталкивающиеся в реакции частицы обменивались (как бы играли в бадминтон) тахионами с массой, большей нуклонной, и временем жизни около 10-24 секунд.

Однако и здесь можно объяснить результаты опытов, если сделать дополнительные допущения. И хотя по мнению выполнявших эксперимент физиков такое объяснение более сложно, срабатывает знаменитая «бритва Оккама» — если явление можно объяснить на основе уже известных принципов, такому объяснению отдается предпочтение.

Ни один из выполненных экспериментов не дал убедительных доказательств существования сверхсветовых частиц. Но они не доказали и обратного, поскольку во всех опытах есть особенности, которыми можно, хотя бы отчасти, объяснить их неудачу.

Мы видим, что невозможность изменить направление времени уходит своими корнями в самые фундаментальные свойства материального мира — неисчерпаемость его внутренних взаимосвязей и их причинную обусловленность. В конечном счете именно эти свойства запрещают путешествия в машине времени. Изменить временной порядок событий, возможно, удастся лишь внутри субмикроскопических интервалов пространства и времени.

Со сверхсветовыми скоростями дело сложнее. Не исключено, что они могут встретиться нам и на больших расстояниях. Не следует забывать, что выводы об их тесной связи с обращением времени получены на основе формул теории относительности, которые могут оказаться неверными вблизи светового барьера, где концентрация энергии возрастает почти до бесконечности. Абсолютный нуль и бесконечность всегда были источниками новых открытий. В окрестностях светового барьера, возможно, потребуется какая-то новая теория, тогда условия причинности для сверхсветовых частиц могут стать совсем иными и не будут приводить к противоречиям. Хотя такая возможность сегодня кажется маловероятной, но все же… Устанавливая теоретические шлагбаумы на дорогах физики, следует быть осторожным.

Мир, построенный из пустоты

Слово «вакуум» обычно понимается как абсолютное «ничто» — «чистое пространство», в котором нет ничего материального. Однако мы уже видели, что это не верно. Такого пространства в природе нет. Квантовая механика показала, что в любом малом объеме пространства на очень короткое время может произойти флюктуация, и из пустоты выплеснется и снова быстро погаснет электромагнитное или какое-либо другое поле, родятся и тут же исчезнут частицы. Вакуум так же материален, как и вещество. В различных мирах он разный. По существу, это — одно из состояний материи.

Ныне физики достаточно хорошо знают «крупнозернистые» свойства вакуума в пространственных кубиках с размерами вплоть до 10-15 — 10-16 сантиметров. О том, что творится в еще меньших объемах, можно строить лишь гипотезы. В частности, есть основания предполагать, что очень важную роль там играет гравитация. В обычных условиях она важна только для массивных, тяжелых тел; ее действие на элементарные частицы пренебрежимо слабое — слишком уж малы их массы. Однако на расстояниях порядка 10-32 — 10-33 сантиметров гравитация становится сильной и существенно влияет на свойства микромира. Там возможны всплески очень сильного гравитационного поля, которые приводят к тому, что пространство, причудливо изгибаясь и скручиваясь, образует замысловатые полости, почти самозамыкающиеся пузыри. Заполняющий мир вакуум становится похожим на пену, испещренную пятнышками ультрамикроскопических черных дыр — почти самозамкнувшихся объемов с исключительно сильным тяготением. Ультрамалые черные дырочки — весьма неустойчивые образования. Они сливаются, исчезают, появляются вновь.

Некоторые ученые придерживаются мнения, что вакуум — это такое состояние материи, из которого можно построить все остальные, все многообразие элементарных частиц и состоящих из них тел. Это может показаться невозможным — как это, весомая материя и вдруг… из пустоты? Однако для этого есть веские основания.

Создав свою общую теорию относительности, Эйнштейн впервые доказал, что законы физики можно свести к законам геометрии. В его теории силы тяготения имеют чисто геометрическое объяснение. Их можно рассматривать как проявление кривизны пространства и времени их действия на погруженные в вакуум физические тела. Кривизна старается направить их движение по оптимальному руслу — по своеобразным ложбинкам, что и воспринимается как некая сила. Но если удалось найти геометрическое объяснение для поля тяготения, то почему этого нельзя сделать для электромагнитного, внутриядерных и всех других полей, переносящих взаимодействие между частицами? Кроме того, следует иметь в виду, что все элементарные частицы обладают волновыми свойствами, поэтому их все можно считать квантами соответствующих волновых полей — нейтринного, электронного, кваркового и так далее. В физике есть специальный раздел «Квантовая теория поля», изучающий свойства таких полей. Для них тоже можно искать геометрическое истолкование.

Создается впечатление, что вообще всю материю — все частицы и все состоящие из них тела — можно рассматривать как проявление каких-то геометрических свойств пустого пространства: его кривизны, кручения, самозамыкания и так далее. Вдохновленный успехом своей теории, Эйнштейн писал, что теперь есть возможность считать пространство более первичным и фундаментальным, чем материя.

Иллюстрируя идею мира, построенного целиком из пустоты, известный американский теоретик Джон Уилер, профессор Института высших исследований в Принстоне, вблизи Нью-Йорка, проводит аналогию с наблюдателем, который с высокой башни изучает движение темных пятен на поверхности озера. Он изучил их движение настолько детально, что смог вывести для них уравнения и установить законы действующих между пятнами «эффективных» сил. Но вот однажды, вооружившись биноклем, он видит, что пятна — это не чужеродные объекты на поверхности жидкости, а всего лишь ее вихри. По мнению Уилера, элементарные частицы и все вещество нашего мира — такие же своеобразные «пятна» в пустом пространстве, особые возбуждения «вакуумной пены».

«Сумасшедшая» мысль о том, что в мире нет ничего, кроме пустого пространства в его различных формах, стала казаться особенно убедительной после того, как физики пришли к идее единого поля, объединяющего в себе все известные нам силы природы. Поскольку одно из его состояний, гравитация, имеет геометрическую природу, можно рассчитывать, что все остальные его состояния-братья имеют подобное же происхождение.

Вообще говоря, идея о чисто геометрической природе мира не является изобретением лишь нашего века. Ее высказывали и древнегреческие ученые. Пифагор был убежден в том, что в основе всех вещей и явлений лежит «гармония чисел». Он считал, что законы мира — это законы чисел, где все выражается через целые и их отношения. Другой древнегреческий мыслитель, Платон, доказывал, что самым первичным и исходным в природе являются законы геометрии. И всякий раз эти идеи наталкивались на непреодолимые трудности. Так, для Пифагора и его учеников выглядело необъяснимой загадкой, почему некоторые величины, например, отношение длины окружности к ее радиусу или отношение длины стороны квадрата к его диагонали, нельзя выразить ни целым, ни дробным числом. Они были настолько поражены своим открытием, что в течение многих лет скрывали его, как одну из самых ужасных, необъяснимых тайн бытия.

Вселенная в электроне

Сорок лет жизни безуспешно потратил Эйнштейн на создание полностью геометризованной картины мира. Не удалось ее построить и его последователям. Чтобы описать многообразие свойств мира, одного пространства недостаточно. Состояния единого поля действительно выражаются через величины, имеющие геометрический смысл, однако «чисто геометрическими» их можно назвать лишь формально. Таковыми они являются не в обычном окружающем нас пространстве, а в абстрактных математических пространствах, где по осям откладываются не длина, ширина и высота, а значения электрического заряда, странности цветного заряда и другие характеристики, не связанные с геометрией привычного нам трехмерного пространства и одномерного времени. Ведь с математической точки зрения, пространством можно назвать множество любых элементов, характеристики которых связаны такими же соотношениями, как координаты точек окружающего нас пространства. Математика позволяет единым образом описывать объекты самой различной физической природы, и геометрическими их можно назвать лишь потому, что связывающие их соотношения имеют сходную математическую структуру. То, что мы обычно называем пространством, — только одно из бесчисленного количества свойств природы. Мир нельзя построить из «чистой пустоты».

Это очень сложные вопросы, и не стоит унывать, если пока не все понятно. О пустоте-вакууме спорят с тех пор, как появилась наука, а сегодня эта проблема, пожалуй, центральная в теоретической физике. Длина, ширина и высота — только часть измерений пустого пространства. В микромире есть, по-видимому, еще шесть или семь дополнительных осей-измерений. И снова возникает вопрос: что же это такое — пространство? На этот вопрос не могут точно ответить пока ни философы, ни физики.

Пожалуй, на этом нам следует остановиться, иначе мы заблудимся в джунглях теоретических схем и гипотез. На переднем крае науки их много. Они во множестве рождаются на страницах физических журналов, борются и погибают, немного углубив и расширив наше знание, — ведь узнать, что неправильно или невозможно, тоже очень важно. Это расставляет вехи и ограничительные знаки на пути в Страну Неизвестного. Кроме того, бывают идеи, назначение которых в том, чтобы расшатать сложившиеся представления, так сказать, навести на размышления. Они как трамплин для бегуна.

Хотя физики-теоретики иногда с горечью говорят, что работают в основном на мусорную корзинку, их работа удивительно интересна. То, с чем рядовой читатель встречается в научно-фантастических повестях и романах, — лишь бледное отражение идей, с которыми в своей работе имеет дело теоретик. Трудно найти специальность, более интересную и увлекательную!

Впрочем, иногда можно услышать: а зачем все это нужно? Разве вокруг нас нет более земных и злободневных дел, которыми следует заняться прежде, чем тратить время, усилия и средства на изучение проблем, обещающих практическую отдачу лишь в далеком будущем? Оправдывает ли себя создание дорогостоящих ускорителей частиц и огромных радиотелескопов? Может быть, прав тот ученый, который на вопрос: «Что такое «чистая наука»?» — ответил с юмором, что это — удовлетворение собственного любопытства за государственный счет.

Эти вопросы мы и рассмотрим в следующей главе книги.

Глава IV

Надежды и трудности

Мы привыкли к быстрому и все ускоряющемуся прогрессу науки и спешащей за ней техники. Но насколько «вечен» такой прогресс? Продвижение вперед становится все более сложным и дорогостоящим. Оно сопровождается оскудением и без того уже истощенных природных богатств планеты. Вместе с тем резко возрастает объем научной информации, которую необходимо освоить, прежде чем приступить к исследовательской работе. Учиться приходится все дольше и дольше: семь классов, десять, институт, аспирантура, стажировка на производстве или в лаборатории… Возникает что-то вроде информационного барьера — чем больше мы узнаем, тем труднее двигаться дальше. Как жадному грибнику, который собирает все грибы подряд и сам не может унести то, что собрал. Невольно закрадывается подозрение: не может ли это стать причиной сначала замедления, а затем и конца науки?

Вселенная в электроне

Может быть, выход в том, чтобы ограничиться основными, наиболее перспективными направлениями, наикратчайшим путем ведущими к открытию новых законов природы? Но как узнать, какое направление является более перспективным?

А может быть, следует вообще прекратить самые дорогие научные исследования, ведь ученые и так открыли уже очень много законов, может, хватит?

Так что же все-таки ожидает науку в будущем? Где ее границы? Какие проблемы будут волновать ученых через много лет?

Золушка или принцесса?

На пути науки есть несколько трудных барьеров, которые ей предстоит преодолеть. Первый из них, его «дыхание», ощущается уже сегодня, — это быстро растущая стоимость науки. Если все затраты на научные исследования от времен Архимеда до второй мировой войны составили всего лишь несколько миллиардов долларов, то в наше время на науку только за один год в мире тратится более ста пятидесяти миллиардов долларов. В ее сфере занято более трех миллионов научных работников и инженеров и в несколько раз большее число техников, лаборантов, рабочих и другого обслуживающего персонала. Стоимость крупных исследовательских установок, таких, как ускорители частиц, достигает миллиарда рублей. В конце прошлого века, проводя свой знаменитый опыт по измерению скорости света, Альберт Майкельсон затратил ровно десять долларов, а сегодня рядовой эксперимент по физике высоких энергий стоит уже около миллиона. Современный эксперимент имеет «индустриальный характер». Крупные физические лаборатории превратились в настоящие города с опытными заводами, конструкторскими бюро, сложным энергохозяйством. Давно прошли те времена, когда для опыта было достаточно маленького прибора на лабораторном столе.

Усложнение и удорожание опытов связано с тем, что наука стремится проникнуть все глубже в недра материи, а это требует постоянно увеличивать энергию зондирующих частиц, то есть создавать все более сложные экспериментальные установки. То же самое с космическими объектами — чем они дальше, тем более мощные и изощренные приборы нужны для их изучения. Это и понятно: чем глубже и дальше, тем труднее и дороже. Поэтому стоимость опытов будет возрастать и далее.

А раз так, то, может, и вправду лучше совсем отказаться от фундаментальных исследований микромира и космоса и сосредоточиться на прикладных разделах науки, на практическом использовании уже открытых законов природы, и не растрачивать ресурсы на «пустое» удовлетворение любопытства, которое становится слишком обременительным и малопонятным всем, кроме самих ученых? Особенно часто такие сомнения высказывают далекие от науки люди, которым кажется, что, экономя на «ненужных», чисто научных исследованиях, можно даже ускорить развитие общества. Однажды в «Литературной газете» мне попалась статья, автор которой для повышения эффективности науки предлагал оплачивать лишь те разработки, которые имеют очевидный выход в практику, а так называемые «чисто научные» исследования вообще не оплачивать, пусть желающие занимаются ими в свободное время, для своего удовольствия, так же, как, например, коллекционеры занимаются сбором почтовых марок или старых монет. Такая стратегия, если бы ее действительно взяли за основу, — верный и быстрый способ вообще покончить с наукой. Смещение акцентов исследований в сторону «потребительских интересов» хотя и дает гарантированные практические результаты, тем не менее в долгосрочной перспективе крайне невыгодно, так как уничтожает источник, питающий технику новыми идеями, и довольно скоро обернется снижением темпов научно-технического прогресса.

Даже весьма далекие от практики научные исследования далекого космоса и микромира оказывают влияние на технику, медицину и другие, «более близкие к жизни» разделы науки не только практическим использованием открываемых принципиально новых явлений, но и тем, что в процессе таких исследований, выполняемых, как правило, в экстремальных, предельных по своим параметрам условиях, разрабатываются новые приборы, оригинальные методы и неожиданная технология, которые затем также находят широкое практическое применение. Так, физика элементарных частиц содействовала быстрому внедрению в электротехнику сверхпроводящих магнитов и связанной с этим технологии сверхнизких температур, помогая резко снизить потери электроэнергии на ненужное, а во многих случаях и очень вредное нагревание питаемых электрическим током устройств. В исследованиях реакций рождения и распада элементарных частиц, где в поисках нужных процессов приходится просматривать десятки тысяч, а то и миллионы фотографий отдельных событий, были впервые разработаны методы автоматической обработки огромных массивов экспериментальной информации. Для этого впервые были использованы мощные ЭВМ, которые по заданным признакам с большой скоростью сортируют и расшифровывают микрофотографии. Теперь эти методы применяются при аэрофотосъемке, при наблюдениях за земной поверхностью со спутников и во многих других областях. Как показал экономический анализ, разработки, выполненные в связи с исследованиями по физике элементарных частиц, оказали влияние даже на такие далекие отрасли, как сталелитейное дело и железнодорожный транспорт. Полученная прибыль окупила все затраты на опыты с частицами.

Огромный экономический эффект дали космические исследования, которые на первом этапе выглядели тоже «чисто научными».

Как видим, практический опыт убедительно говорит о том, что «чистая наука» жизненно необходима и занятие ею — достойное и важное дело. В научно-техническом прогрессе она, образно говоря, играет роль генератора и ускорителя. Поэтому можно с уверенностью сказать, что человечество никогда не утратит к ней интереса. Наука, изучающая глубинные проблемы окружающей природы, не золушка, которую терпят из милости и сострадания, а принцесса, способная одарить человечество фантастическим богатством. Говоря словами Циолковского, «фундаментальные изыскания имеют чрезвычайно осязаемую, так сказать, хлебную важность для общества».

В недалекой перспективе — создание работающих при комнатной температуре сверхпроводников, по которым электрический ток, не ослабевая, может циркулировать в течение многих суток, сверхдальняя космическая связь на нейтрино, создание мощных генераторов гравитационного поля и множество других вещей. Но самое важное в том, что продвижение в глубь материи связано с открытием и освоением новых источников энергии взамен постепенно истощающихся старых. И если не выполнять исследований впрок, с дальним прицелом, то может случиться, что имеющихся источников просто не хватит для того, чтобы овладеть новыми, — ведь спуск по ступенькам структурной лестницы в недра вещества связан с затратами все большей и большей энергии. И здесь у «чистой науки» есть уже несколько многообещающих заделов. Один из них касается практического использования больших ускорителей частиц, которые часто называют «пирамидами XX века», подчеркивая этим их дорогую цену и кажущуюся практическую бесполезность.

Ускорители — фабрики энергии

Производство энергии в мире за последние десятилетия возрастало в среднем на пять процентов в год. Если этот темп сохранится, то энергетические потребности человечества во второй половине следующего века в пятьдесят — сто раз превзойдут современный уровень. В то же время запасы наиболее энергоемких и удобных для использования видов органического топлива, нефти и газа, в основном будут исчерпаны уже в сравнительно недалеком будущем. Лучше обстоит дело с каменным углем. При современных темпах развития экономики его хватит по крайней мере на несколько сотен лет. Но в этом случае придется сжечь значительную часть атмосферного кислорода. Экологические последствия будут, по-видимому, катастрофическими. Конечно, есть еще солнечные батареи, ветряные двигатели, энергия, запасенная в земной коре, в морях и океанах. Все это — важное подспорье, но полностью удовлетворить потребности экономики таким путем нельзя.

Единственный выход — использование энергии атома. Атомные электростанции уже сегодня дают весьма заметный вклад в производство электроэнергии. В некоторых странах — например, во Франции и ФРГ, где мало нефти и угля, — он приближается к 50 — 70 процентам. Предполагается, что к концу столетия мощность атомной энергетики в мире возрастет по крайней мере втрое.

Радикальным решением энергетической проблемы, освобождающим нашу планету от забот об источниках энергии по крайней мере на ближайшую тысячу лет, был бы переход к «термояду» — использованию энергии термоядерного синтеза. В воде морей и океанов содержатся практически неограниченные запасы необходимого для этого сырья — атомов тяжелого водорода — дейтерия. Однако перед физиками здесь стоят еще чрезвычайно трудные научно-технические задачи, и пройдет очень много времени, прежде чем будут созданы экономически выгодные термоядерные реакторы.

Сегодня атомную энергию получают с помощью реакции деления ядер урана. Именно эта реакция «работает» на атомных электростанциях, приводит в движение подводные лодки и ледоколы. Запасы ядерного горючего, урана, на нашей планете хотя и не столь велики, как запасы тяжелого водорода, тем не менее вполне достаточны для того, чтобы в течение столетий служить надежной основой земной энергетики. Но вот что плохо: топливом для современных атомных реакторов может служить не весь уран, а только весьма редкая его разновидность — изотоп с атомным весом 235, доля которого в природном уране составляет менее процента. Остальная часть урана — а это ни много ни мало более девяноста девяти процентов всей его добычи! — идет пока на склады и сохраняется до лучших времен, когда будут созданы реакторы, способные использовать весь уран, оба его изотопа 235 и 238, которых много. В опытном порядке подобные системы уже действуют в нашей стране и за рубежом. Они 'перерабатывают уран в новый элемент — плутоний, который, как и уран 235, является хорошим топливом для «атомных печей». К сожалению, переработка в плутоний происходит пока еще довольно медленно и обходится дорого.

Вселенная в электроне

Есть еще один путь для переработки неиспользуемого урана 238 в плутоний — с помощью установки, которая является гибридом мощного ускорителя частиц и уранового реактора. Представьте себе большой кусок урана, скажем, кубический метр в объеме, — мишень, в которую бьет пучок протонов, ускоренных до высоких энергий. Сталкиваясь с ядрами, энергичные протоны дробят их на множество протонов и нейтронов — расшибают в веер нуклонных «брызг». Родившиеся при этом частицы дробят следующие ядра и так далее, до тех пор, пока их энергия не станет такой маленькой, что они уже будут не способны расколоть атомное ядро. В урановой мишени образуется мощный каскад, лавина постепенно замедляющихся частиц. Как в горах, когда сорвавшийся камень сбивает несколько следующих, те сбивают другие — и грохочущий веер камней летит вниз!

Часть образовавшихся в каскаде и постепенно замедлившихся нейтронов захватывается ядрами урана, и в результате образуется плутоний. Другие нейтроны делят ядра урана, как в обычном атомном реакторе. При этом в мишени выделяется так много энергии, что ее достаточно для того, чтобы возместить затраты электростанции на ускорение протонов, а образовавшийся плутоний можно «сжечь» с выделением большого количества энергии либо в самой мишени, либо в других атомных реакторах.

Это так называемый электроядерный метод получения атомной энергии, или, как говорят физики, «электрояд». Ускоритель становится фабрикой энергии. Скорость наработки плутония здесь во много раз больше, чем в реакторах деления, работающих без «подсветки» пучком ускорителя.

История науки убедительно говорит о том, что исследования фундаментальных явлений природы никогда не бывают напрасными, хотя на первых порах иногда и кажутся не имеющими никакого отношения к практике. С течением времени они обязательно дают выход в жизнь, сторицей окупая все затраты. Такой процесс «отдачи» уже начался в физике высоких энергий. Правда, как это всегда бывает, для того, чтобы от физических моделей перейти к мощным и надежно работающим промышленным установкам, требуется определенное время, когда главными фигурами становятся инженер и конструктор. Обычные ускорители, используемые сегодня для экспериментов с элементарными частицами, для «электрояда» не годятся. Здесь нужны так называемые сильноточные ускорители, которые могут за раз ускорять по меньшей мере в десять или даже в сто тысяч раз большее число частиц, чем, например, ускорители, работающие в подмосковном городке физиков Дубне. Различные типы сильноточных ускорителей проектируются и уже строятся во многих странах мира, в том числе и в нашей.

Некоторые ученые считают, что в будущем электроядерные установки с сильноточными ускорителями будут размещаться где-нибудь в космосе или на Луне, где высокий вакуум, не требуется специального охлаждения для сверхпроводников, а главное, не нужно заботиться о защите от мощного и опасного для людей радиоактивного излучения, испускаемого ускорителем и урановой мишенью. Там же можно хранить и радиоактивные отходы производства, которые представляют большую опасность для окружающей среды.

И вот тут мы встречаемся еще с одной очень важной проблемой современной науки — с опасностью, которой чреваты научные изыскания.

Опасна ли «чистая наука»?

Как повествуют исторические хроники, стремясь обезопасить себя от воинственных соседей, правители Персии всеми способами старались убить македонского царя Филиппа. Однако, когда, наконец, это им удалось, последствия были катастрофические. Новый царь Александр Македонский не стал следовать политике своего более осторожного отца и уже через несколько лет разгромил и уничтожил Персидское государство. Подобных примеров, когда, стремясь к определенной цели, люди забывают о том, что ее достижение может вызвать лавину нежелательных событий, в истории немало. Это относится и к науке. Еще сто лет назад Карл Маркс отмечал, что наука и технология, если они развиваются стихийно, а не направляются сознательно, оставляют после себя пустыню. Человечество в своем стремлении к благу не должно быть похожим на героев рассказа английского писателя Джекобса, престарелых родителей единственного сына, которые нашли волшебный талисман — обезьянью лапу, способную выполнить любое желание их владельца, и, неосторожно попросив у него немного денег, немедленно получили их в виде извещения о пенсии, назначенной им за неожиданно умершего сына. Сиюминутная выгода может не стоить и сотой доли того, что потом придется за нее заплатить.

Вселенная в электроне

В наше время могущество человека достигло планетарных масштабов, и он может легко нанести огромный и труднопоправимый вред и себе, и окружающей природе, поэтому тщательное изучение и учет возможных последствий человеческой деятельности, в том числе и научной, становятся обязательным условием. Этим занимаются и сами ученые, и специальные государственные организации.

Еще одна проблема, которая волнует сегодня ученых, касается их моральной ответственности за последствия «чисто научных» исследований, которые, будучи применены на практике, могут принести горе и страдания миллионам людей. Несут ли ученые ответственность за это? Все ли подряд можно подвергать исследованию, или же здесь тоже должны быть какие-то ограничения морального характера?

В последнее время, особенно в зарубежной прессе, часто встречаются высказывания о том, что сама по себе наука, как поиск истины, вне морали. Мораль касается лишь того, как использовать ее результаты, — ведь один и тот же нож годен для того, чтобы нарезать хлеб, и им же можно убить человека. А раз так, то ученый в своей работе не подвластен суду гражданской совести и не несет никакой ответственности за последствия своих исследований. Это совершенно неприемлемая, антигуманистическая точка зрения. Она уводит ученых от того факта, что использование результатов их работы уже заранее предопределено строем и политическими установками общества, в котором они живут Не случайно, что такая идеология особенно пропагандируется в Соединенных Штатах Америки.

Когда в секретном атомном городке Лос-Аламосе ученые готовили атомную бомбу, итальянский физик Энрико Ферми успокаивал себя и своих коллег: «Что бы там ни было, а мы занимаемся настоящей физикой!» «А в это время, — вспоминал позднее Роберт Оппенгеймер — американский физик, руководивший работами по созданию бомбы, — в верхних эшелонах власти не состоялось ни одного достаточно ответственного обсуждения моральных проблем, связанных с появлением нового оружия. Атомная бомба была хладнокровно испытана на сотнях тысяч жителей Хиросимы и Нагасаки».

Физик Коуэн, который изобрел нейтронную бомбу, оставляющую почти без повреждений материальные ценности, но уничтожающую все живое в радиусе сотен метров, несет такую же ответственность, как и руководители США, размещающие это оружие в густонаселенных областях Западной Европы.

«Как страшен может быть разум, если он не служит человеку!» Это сказал Софокл почти две с половиной тысячи лет назад.

Сам собой напрашивается вопрос: а нельзя ли запретить или, как принято теперь говорить, наложить мораторий на те исследования, которые могут быть использованы для создания нового страшного оружия, грозящего гибелью нашей планете? Кроме того, и некоторые «невоенные» исследования, если общество в силу социально-экономических условий или просто из-за недостатка знаний не готово к использованию их результатов, могут сыграть роковую роль джинна, выпущенного из бутылки. Например, много писалось о потенциальной опасности бесконтрольных коммерческих исследований по генной инженерии — выведению путем воздействия на генный аппарат клеток совершенно новых организмов, о направленном воздействии электромагнитных полей на психическое состояние человека и так далее. Современная научно-фантастическая литература полна романами-предупреждениями о том, к чему могут привести подобные «чисто научные» эксперименты. Не разумно ли воздержаться от потенциально опасных исследований до тех пор, пока не создадутся условия, необходимые для безопасного их продолжения?

Казалось бы, здесь нет проблемы, нужно только принять соответствующий закон или издать распоряжение. Но это только с первого взгляда. На самом же деле задача ограничения и контроля научных исследований чрезвычайно сложна. Прежде всего потому, что мы живем в разобщенном, раздираемом противоречиями мире. Конечно, соглашения возможны и в этом случае. Вспомним, например, о заключенном, по инициативе нашей страны, договоре о запрете испытаний атомного оружия в воздухе и в космическом пространстве.

Еще одна трудность связана с тем, что научно-технический прогресс делает невозможным полный запрет и необходимую для этого полную изоляцию какой-либо области знания. Рано или поздно неизбежно обнаружатся неожиданные, достаточно простые для осуществления и неподдающиеся контролю выходы в эту область. У американского писателя-фантаста Айзека Азимова есть рассказ о том, как строго охранявшееся направление исследований, грозивших человечеству неисчислимыми социальными и психологическими катаклизмами, оставалось запретным лишь до тех пор, пока открытия в смежных науках не привели к тому, что запрещенные исследования стало возможным проводить в домашних условиях, с помощью обычных бытовых приборов, которые продаются в любом магазине. Мораль этого замечательного рассказа в том, что люди должны с большим вниманием присматриваться к так называемым «чисто научным» разработкам.

Как остроумно заметил однажды Д. И. Блохинцев, «чистая наука» — это волшебная курочка, несущая для нас золотые яйца, некоторые из которых, однако, начинены динамитом.

Абсолютно безвредной науки не бывает. Используя ее достижения, мы каждый раз должны чем-то поступиться, пожертвовать менее важным в пользу более существенного и перспективного. Строительство гидростанций связано с затоплением земель, а создание атомных электростанций требует затрат на защиту окружающей среды от радиоактивных излучений, создания специальных «могильников» для захоронения радиоактивных шлаков. Скоростные воздушные лайнеры, за считанные часы переносящие нас с одного края страны в другой, сжигают массу атмосферного кислорода, а их шум мало приятен жителям поселков вблизи аэродромов. И так далее.

Вселенная в электроне

В повести писателей А. и Б. Стругацких «Понедельник начинается в субботу» рассказывается о неком выдающемся ученом Саваофе Бааловиче Одина, который вывел и решил Уравнения Высшего Совершенства и мог бы стать богом: он обрел способность удовлетворить любое желание и совершить любое чудо. Однако на деле он был беспомощным, поскольку Уравнения имели решения при обязательном граничном условии: выполнение желания не должно причинять вреда ни одному разумному существу во всей Вселенной. А это было невозможно.

Итак, мы видим, что при соответствующем контроле «чистая наука» не только очень прибыльный для общества, но и необходимый вид человеческой деятельности. Общество всегда будет поддерживать исследования новых фундаментальных законов природы. Однако не наступит ли время, когда все законы будут открыты и наука прекратит свое существование, поскольку нечего будет изучать?

Когда откроют все законы

Есть ученые, которые считают, что такое время может наступить. Например, по мнению Фейнмана, может случиться, что мы будем иметь ответ сначала на 99% вопросов, а затем на 99,99%, после чего исследования потеряют свой смысл, так как мы будем знать практически все. Такого же мнения придерживался недавно умерший советский физик А. С. Компанеец. В своей книге «Может ли окончиться физическая наука» он обосновывал это тем, что число различных видов взаимодействий в физике конечно, по крайней мере для двух из них, для электромагнитного и гравитационного (а теперь можно добавить, что и для слабого распадного), созданы точные, согласующиеся с экспериментом теории. Нет оснований сомневаться, что такие теории вскоре будут разработаны и для остальных взаимодействий. И тогда физики смогут объяснить и рассчитать любое явление природы, подобно тому как, например, ученые-механики используют давно открытые законы Ньютона для конструирования и расчета разнообразных механизмов. Никаких тебе тайн и загадок!

С такими утверждениями никак нельзя согласиться. Ученым уже не раз казалось, что они почти достигли полного понимания законов природы, когда неясности оставались лишь в деталях. Но каждый раз получалось так, что избавиться от этого «почти» и создать совершенно законченную и абсолютно непротиворечивую теорию никак не удавалось. Всегда оставались вопросы, которые упорно не находили ответа. Они превращались в парадоксы, в проблемы, и в конечном счете отсюда возникала новая теория. Так, в самом конце уходившего в историю XIX века Филипп Жолли, учитель Макса Планка, наставлял своего ученика:

— Конечно, в том или ином уголке еще можно заметить или удалить пылинку, но система, как целое, стоит прочно, и теоретическая физика заметно приближается к той степени совершенства, каким уже столетия обладает геометрия. Поэтому едва ли стоит посвящать жизнь и тратить силы на завершение практически уже написанной картины.

Однако прошло всего несколько лет, и Планк вместе с Эйнштейном, де Бройлем и другими физиками открыл ворота в необозримый мир квантовых явлений.

Как мы видели в предыдущих главах, квантовая механика и теория относительности — два кита, на которых покоится фундамент современной физики, содержат уйму нерешенных проблем и неясностей, каждая из которых может стать воротами в новую теорию. Природа неисчерпаема в многообразии своих законов, и надеждам построить окончательную Всеобщую Теорию, которая объясняла бы все явления мира, не суждено сбыться. Такой теории просто не может быть. По мере углубления наших знаний все большее число явлений будет получать точное истолкование. Однако абсолютно точного объяснения дать нельзя. При увеличении точности эксперимента обязательно обнаружатся отклонения, и потребуется новая теория, уточняющая известные законы. Она откроет неизвестные явления и создаст массу новых проблем — трамплин для следующей теории. И так без конца. В этом как раз и проявляется неисчерпаемость природы. С развитием науки число наших вопросов к ней не уменьшается, как это предполагает Фейнман, а, наоборот, их становится все больше — ведь, образно говоря, граница, по которой наше знание соприкасается с океаном неизвестного, становится все длиннее!

Каждый новый шаг на бесконечном пути познания увеличивает могущество человечества, поэтому оно никогда не утратит интереса к получению нового здания. Прекращение фундаментальных исследований равнозначно прекращению поступательного развития общества. Едва ли такое «научно замороженное» общество сможет просуществовать достаточно долго. Рано или поздно оно непременно начнет деградировать.

Вместе с тем неограниченное развитие науки, постоянное расширение ее границ тоже приводит к трудностям, которые в будущем могут существенно затормозить, а потом, возможно, и вообще остановить научно-технический прогресс. Речь идет о быстро возрастающем потоке информации, в котором наука может просто захлебнуться. Это еще один барьер, который предстоит ей преодолеть.

Горе от ума

Первая библиотека была создана Аристотелем в Афинах 2300 лет назад. В январе 1665 года в Париже стала выходить «Газета ученых» — первое в мире периодическое издание, посвященное научным вопросам. В том же году вышел первый номер «Философских протоколов» Английского королевского общества. Сегодня в мире уже свыше трехсот тысяч специальных научных и научно-технических журналов, ежегодно появляется не менее пятидесяти тысяч книг, посвященных науке и ее применению. Поток научной информации удваивается приблизительно каждые десять лет, а в ведущих областях естественных наук даже каждые два-три года. Настоящий информационный потоп!

Учёный теперь уже не в состоянии уследить, что происходит во всех областях его науки. Он едва успевает ознакомиться с информацией, относящейся к той конкретной проблеме, которой он занят в данное время. Размышлять над далеко отстоящими вопросами у него просто нет времени. Чтобы не отстать, ученый вынужден суживать фронт своих исследований. В результате наука дробится, возникает множество отдельных, весьма слабо контактирующих друг с другом разделов, которые иногда рассматриваются даже как новые науки. Сегодня плохо понимают друг друга даже те ученые, которые работают в близких областях. Физик-ядерщик подчас чувствует себя чужестранцем среди коллег, обсуждающих теорию поля, а для радиофизика, попавшего на семинар по элементарным частицам, непонятны не только идеи, но и сам язык, терминология, используемая участниками семинара. Работа ученых все больше напоминает строительство вавилонской башни, которая, по преданию, рухнула из-за того, что у ее создателей не было единого языка и плана.

Быстрое увеличение объема информации, с которой приходится иметь дело специалисту, приводит к удлинению сроков обучения. Чтобы получить высшую научную квалификацию — стать доктором наук, — нужно около двадцати пяти лет. Если человек начал учиться в семь лет, то к двадцати пяти он становится кандидатом наук, а доктором — когда ему уже за тридцать. А в будущем учиться придется еще дольше. Правда, ученый пополняет свои знания всю жизнь. Стоит на несколько месяцев перестать читать статьи в специальных журналах, слушать доклады на семинарах, и вы уже чувствуете, как отстали от своих коллег!

Но еще более важным следствием «информационного потопа» является то, что специалисту становится все труднее привести в систему, осмыслить, а следовательно, и использовать эти знания. В условиях лавинообразного роста информации все большая часть его оказывается попросту утерянной. В книгохранилищах накапливаются издания, которые ни разу не были затребованы читателями. В библиотеке им. В. И. Ленина фонд таких забытых книг насчитывает миллионы наименований. Иногда бывает проще повторить исследование и заново найти решение, чем перерыть горы литературы. Подсчитано, что шестьдесят — восемьдесят процентов инженерных решений в мире предлагается повторно. Только в США убытки от таких повторных решений достигают миллиардов долларов в год.

Вселенная в электроне

Создается парадоксальная ситуация, настоящий информационный барьер: чем больше мы узнаем, тем труднее становится приобретать новое и использовать уже имеющееся знание. Вот уж действительно горе от ума!

Положение выглядит настолько серьезным, что, по мнению многих ученых, дальнейшая судьба и сам вид нашей цивилизации в значительной степени определяются тем, какой конкретный путь изберет человечество для преодоления информационного барьера. В решении этой проблемы в конечном счете состоит одна из главных задач современной научно-технической революции. Первая промышленная революция путем широкого внедрения машин в сферу физического труда неизмеримо расширила весьма ограниченные мускульные возможности человека. Новая научно-техническая революция связана с использованием машин в области умственной деятельности для расширения возможностей накопления, хранения и переработки огромных массивов информации.

Для сравнительно небольших интервалов времени, если не заглядывать далеко в будущее, здесь нет принципиальных трудностей. Однако в более далекой перспективе — а при современных темпах развития это, вообще говоря, не такое уж далекое будущее — положение выглядит не столь ясным.

Электронные помощники

Есть оптимисты, которые считают, что острота информационного кризиса будет спадать по мере изобретения все более мощных ЭВМ с огромным резервом электронной памяти, способных почти мгновенно «впитывать» в себя миллиарды слов и чисел, автоматически с огромной скоростью просматривать и сортировать содержимое своей памяти, обмениваться им с другими ЭВМ. Ведь уже сегодня стоимость электронного хранения одного слова значительно ниже стоимости его хранения на бумаге, а применение лазерного луча для чтения и записи позволяет уместить содержание крупной библиотеки на одном-двух дисках размером с обычную долгоиграющую пластинку.

Нет спора, кибернетические системы — важные помощники человека, тем более что уже сегодня ЭВМ способны выполнять за секунду до миллиарда операций типа сложения, умножения, пересылки информации из одной ячейки памяти в другую и так далее. Следующее их поколение сможет выполнять до триллиона операций в секунду. Возможности колоссальные! И все же… Кибернетические устройства не устраняют, а лишь отодвигают наступление «информационного потопа». Для того чтобы они могли оперировать с быстро усложняющейся информацией, распределять ее и обрабатывать в соответствии с вновь возникающими задачами, для них необходимо создавать все более сложные и разветвленные математические программы. А это требует затраты труда высококвалифицированных программистов, хорошо знакомых к тому же с другими разделами науки. Кроме того, чем программа сложнее и чем больше объем просматриваемых ею данных, тем медленнее эта программа работает, — ведь скорость передачи сигналов в системе не может быть бесконечной, она ограничена скоростью света. Удвоение мощности вычислительного центра практически никогда не означает удвоения объема обрабатываемой информации.

Долго и тщательно готовившийся запуск американской ракеты на Венеру сорвался из-за того, что в управляющей программе была допущена, казалось бы, пустяковая ошибка: при кодировании программы действий одна из запятых была случайно заменена на точку. Обычно подобные ошибки приводят к тому, что вычислительная машина не понимает смысла команды, «спотыкается», и к оператору поступает «сигнал бедствия». Однако иногда бывает так, что ошибка лишь несколько изменяет смысл команды. Никакого тревожного сигнала в этом случае не вырабатывается, система проходит все тесты, но при каких-то особых условиях «теряет голову», начинает сбиваться. Так и случилось при запуске американской ракеты. Выявить подобный сбой в работе кибернетической системы очень трудно, а чем сложнее система, тем больше вероятность сбоев… Для надежности приходится вводить специальные программы автоматического контроля, которые часто оказываются сложнее самой контролируемой программы.

Обслуживание программного обеспечения крупной вычислительной машины уже сегодня стоит больше, чем затраты на эксплуатацию всех ее электронных и механических устройств. Если же принять во внимание стоимость разработки программ, то в целом программное обеспечение обходится на порядок дороже стоимости самой машины — «железок», как говорят инженеры, хотя эти «железки», а точнее, кристаллы и микросхемы с сотнями и тысячами деталей, стоят тоже довольно дорого. В будущем «ножницы» между «техническим» и «интеллектуальным» наполнением ЭВМ раздвинутся еще шире. Так что надеждам перескочить через информационный барьер на «кибернетических ходулях», можно думать, не суждено сбыться.

По преданию, правитель одной из восточных стран решил овладеть всей мудростью мира. По его приказу придворные мудрецы собрали самые умные книги, но царь пришел в ужас, увидев длинный караван верблюдов, груженных тысячами тысяч больших и малых книг, и повелел выбрать лишь самое главное, из чего можно вывести все остальное. Несколько десятков лет мудрецы прилежно трудились и, наконец, пригнали к царю всего лишь нескольких груженных рукописями верблюдов. Однако и этого было слишком много, и царь опять отослал мудрецов выбрать самое главное из главного. И снова много лет трудились ученые, пока не свели всю «соль науки» в одну-единственную тоненькую тетрадь, зато теперь такую трудную, что правитель не смог понять в ней ни строчки.

Подобное «сворачивание» науки в информационно более емкие образы и понятия происходит и сегодня. Создаются все более общие и абстрактные теории. Но пробиться к их смыслу становится все труднее. Чтобы понять «язык» физики элементарных частиц, нужно быть знакомым с идеями теории поля, которые, в свою очередь, основаны на квантовой механике и теории относительности, а последние нельзя понять, не имея представлений об электродинамике Максвелла и механике Ньютона. Эта цепочка становится все длиннее.

Математик и философ Анри Пуанкаре когда-то сравнивал науку с беспрерывно расширяющейся библиотекой, где эксперимент обеспечивает новые поступления, а теория их упорядочивает и каталогизирует. Похоже, что теперь эта библиотека близка к такому состоянию, когда для ее пополнения в прежнем темпе не хватает уже ни средств, ни помещений…

Какая наука важнее?

Чтобы вести исследования сразу по всем направлениям, теперь не хватает ни средств, ни людских резервов. Приходится выбирать наиболее важные. Но как узнать, что важнее? Ведь были случаи, когда, казалось бы, второстепенные исследования приводили к выдающимся открытиям! Историки науки любят вспоминать случай, происшедший с Фарадеем, когда посетивший его лабораторию титулованный гость посчитал его опыты с движением магнита внутри катушки с намотанной проволокой бесцельной забавой. Однако из этой «забавы» в последующем выросла вся электротехника. А вспомним опыты австрийца Георга Менделя по скрещиванию различных сортов гороха. К ним тоже относились как к ненужному занятию, из которого, однако, родилась генетика. Как заранее угадать, приведет исследование к важному открытию или закончится тупиком?

В коридоре физического института, о котором рассказывается в известном кинофильме А. Ромма «Девять дней одного года», висела стенгазета с призывом: «Откроем новую частицу в третьем квартале!» Но открытия потому и называются открытиями, что совершенно непредсказуемы.

Сегодня все согласны с тем, что следует планировать прикладные исследования, цель которых — применение открытых «чистой наукой» законов природы в решении конкретных практических задач. Здесь можно оценить, какая задача на данном этапе является более важной. Что же касается «чистой науки», то допустимо ли вообще отдавать предпочтение одним ее разделам в ущерб другим? Не получится ли так, что при этом мы пропустим нечто очень важное? Может, через пропущенные области как раз и проходит «столбовая дорога» в Страну Неизвестного. Польский писатель и философ С. Лем считает, что нельзя отбросить ни одного научного направления. Чем выше развитие науки, тем больше проявляется связей, соединяющих отдельные ее ветви, поэтому нельзя ограничить физику без ущерба для химии или медицины и, наоборот, новые физические проблемы могут приходить, например, из биологии. Другими словами, ограничение темпа развития какой-либо области исследований, которую почему-либо сочли менее важной, может отрицательно сказаться именно на тех областях, для блага которых решено было ею пожертвовать. Такой подход к науке С. Лем считает проигрышем человечества в его противостоянии силам природы. По его мнению, продвигаясь в туманной Стране Неизвестного, наука должна исследовать все пути и тропинки, иначе есть вероятность заблудиться и не найти «столбовой дороги».

Конечно, выбор наиболее важных тем исследований можно было бы поручить самим ученым, наиболее квалифицированным специалистам. Они, на основании своего опыта, могут судить, что является перспективным, а что — нет. Им и карты в руки. Однако как иллюстрацию, насколько могут ошибаться в оценках перспектив даже самые выдающиеся ученые, можно привести высказывание Резерфорда — человека, исследования которого открыли ядерную физику. Он говорил, что пройдут, может быть, столетия, прежде чем энергия атома станет доступной людям. Неожиданное открытие деления тяжелых ядер «сжало» эти столетия в несколько лет. Поразительные просчеты случаются даже в более простых случаях — при прогнозе технических достижений. Так, Герберт Уэллс, писатель-фантаст, которого едва ли можно упрекнуть в робости мышления, в 1902 году утверждал, что военное применение летательных аппаратов тяжелее воздуха станет возможным не ранее середины века, и считал это предположение чрезвычайно смелым.

Безусловно, отсутствие каких-либо ограничений было бы наилучшим условием развития науки — изучай все, что интересно, и никаких забот ни о средствах, ни о помощниках, всего вдоволь! К сожалению, естественная ограниченность наших возможностей предопределяет и неизбежное ограничение научных изысканий. Они существовали на протяжении всей истории науки. Распределение усилий никогда не было одинаковым по всему фронту, какая-то наука — иногда естественная, иногда гуманитарная — всегда была «самой главной». Современное положение специфично лишь в том отношении, что этот фактор развития науки приобрел жизненно важное значение, когда ошибки планирования могут нанести непоправимый ущерб в планетарных масштабах.

Не исключено, что в результате неравномерного развития науки какие-то очень важные сведения об окружающем нас мире будут действительно пропущены и останутся нам неизвестными, однако это вовсе не означает, что дальнейшее развитие человеческого общества в каком-то смысле станет ущербным. Трудно поверить в то, что у человечества только один-единственный «столбовой путь» прогресса. Естественно предположить, что таких, в общем-то, эквивалентных путей много.

Выбор цели

Планирование науки — чрезвычайно сложная задача, которая должна учитывать не только логику развития самой науки, но и многогранные экономические, политические, моральные критерии. В физике, где исследования особенно дороги, необходимость планирования стала остро ощущаться в начале шестидесятых годов. Тогда в основном были уже завершены фундаментальные исследования, связанные с развитием ядерной энергетики, и перед физиками встала задача выработать долгосрочную, на десять — двадцать лет, стратегию научного поиска. Эти вопросы интенсивно обсуждались как в нашей стране, так и за рубежом. Американские ученые пришли к выводу, что, с точки зрения возможных открытий, наиболее обещающей является физика элементарных частиц, за ней следовали эксперименты по проверке общей теории относительности, астрофизические исследования и работы с пучками лазеров. Это, так сказать, очередь чисто научной важности проблем. Однако учет их влияния на военное дело, экономику и другие смежные области вывели на первое место изучение лазеров, на второе — опыты с элементарными частицами, а проблемы астрофизики сдвинулись далеко назад, на двенадцатое место. Внешние факторы оказались очень весомыми.

Вселенная в электроне

Близкая программа была разработана в нашей стране, хотя у астрофизики нашлось большее число сторонников. Глядя в прошлое, можно сказать, что сколько-нибудь значительных просчетов при этом не было допущено. Такому планированию доступны и все другие области знания.

Прогноз развития науки на пару десятков лет — задача очень сложная, тем более трудно это сделать на длительный период, скажем, до середины следующего столетия. Это требует оценки возможных изменений в экономических и социальных условиях жизни общества, а они в ближайшие десятилетия могут быть очень значительными. Если быть оптимистом и рассчитывать на то, что мудрость возьмет верх над безрассудством фабрикантов оружия и генералов и человечеству удастся избежать атомной катастрофы, то можно предполагать, что в следующие десятилетия резко возрастет интерес к биологии и вообще к сложным самоорганизующимся системам, естественным и искусственным. Здесь масса фундаментальных и прикладных проблем, решение которых может в корне преобразить жизнь на нашей планете. Несомненно, по-прежнему важное значение будут иметь работы, связанные с освоением и поиском новых источников энергии, — задача, к которой человечество никогда не утратит интереса. Останется интерес к исследованиям микромира и далекого космоса, хотя предсказать их направление невозможно, — эта область науки развивается необычайно быстро, и можно быть уверенным, что в течение ближайших десятилетий будет открыто много такого, о чем мы сегодня и не помышляем.

Ну а дальше, чем будут заниматься ученые в очень отдаленном будущем?

Через тысячу лет

Пожалуй, единственный, хотя и не очень надежный способ разведки столь далекой перспективы — научная фантастика. Очень часто, особенно учеными, этот термин используется как синоним чего-то сомнительного, необоснованного, выходящего за рамки научной логики. Это действительно так, фантастика всегда связана с допущениями и экстраполяциями, порой настолько далекими, что они выглядят уже произвольной игрой ума. И тем не менее фантастика — это уникальный способ познания будущего.

В меру своих знаний и таланта писатель-фантаст — всегда исследователь. Не случайно, когда речь идет об очень дискуссионных или о только еще намечающихся проблемах, к фантастике, как способу удобного и весьма эффективного анализа, обращаются сами ученые. Научная фантастика предоставляет неограниченные возможности мысленного экспериментирования, что особенно ценится учеными. Таким путем можно подняться над гипнотизирующими целями ближайшего будущего и ощутить дыхание последствий научных достижений.

Вселенная в электроне

И вот, отдавая себе отчет в шаткости используемого метода, попытаемся, блуждая по страницам научно-фантастических книг, заглянуть в далекое будущее. Самый простой способ для этого — экстраполировать современное состояние науки и техники, предположив, что все будет побольше, поярче и посильнее. Подобно тому как древнеегипетский жрец, дав волю своему воображению, мог предвидеть, что через тысячу лет люди «достанут луну», будут жить в огромных домах-пирамидах, смогут летать, как птицы, и плавать, подобно дельфинам, мы также можем предсказать, что в будущем человечество в несравненно большей степени, чем ныне, овладеет пространством и временем. В книгах нет недостатка в различных «нуль-транспортировках», «Т-переходах», «четырехмерных проколах» и других способах «покорять» пространство и время. Аналогичным образом можно экстраполировать современные кибернетические проблемы и представить себе мыслящих роботов, работающих в кипятке и в космическом холоде, летающих на умных и добрых драконах счастливых и сильных людей-долгожителей с атомными батареями в кармане комбинезона и тому подобное. И в этом есть большая доля истины. Многие из таких предсказаний — может быть, в несколько отличной форме — действительно осуществятся. Однако едва ли древнеегипетский жрец мог бы предположить, что в наше время наука станет не тайным деянием кучки избранных, а одной из главных сторон человеческой деятельности. Но именно эта особенность современной науки, а не конкретные инженерные достижения в виде самолетов, кораблей и тому подобного, является характерной чертой нашего времени. Вид науки — вот это предугадать очень трудно.

По мнению некоторых футурологов — людей, для которых прогнозы являются специальностью, — одно из главных отличий человеческого общества, каким оно будет через тысячу лет, от его современного состояния должно состоять в полной потере различий между естественным и искусственным — изготовленным на заводе и в лаборатории. В еще более далекой перспективе можно предвидеть проблемы создания искусственных миров путем воздействия на основные физические константы — скорость света, заряд электрона и так далее.

Вполне возможно, что в этих прогнозах мы похожи на неандертальца, размышляющего о судьбах мира, но так уж устроен человек, он не может не задумываться о будущем.

Как повествует древний греческий миф, по приказу грозного Зевса искусник Гефест из воды и земли изготовил Пандору — женщину необыкновенной красоты. К дню рождения боги подарили ей шкатулку, в которой были заперты все человеческие несчастья. Движимая любопытством, Пандора неосторожно открыла шкатулку, и несчастья вырвались на волю. В растерянности она захлопнула ящик, успев задержать одну только Надежду. Наука будущего призвана сыграть роль доброго волшебника, который, в конце концов, спрячет все несчастья обратно в шкатулку Пандоры.

Теперь самое время поставить точку. Однако книга, посвященная современной науке, была бы неполной, если не коснуться еще одной интересной и дискуссионной темы — о соотношении науки и искусства. Эти две области нашей культуры часто рассматриваются чуть ли не как антиподы: в науке — расчет и логика, в искусстве, напротив, — чувства и эмоции; наука размышляет, искусство переживает. Что между ними общего?

Формулы и ноты

Чтобы подчеркнуть, какая пропасть разделяет науку и искусство, мой знакомый, художник, как-то заметил, что если нам когда-либо повстречаются инопланетяне, их науку мы поймем — законы логики везде одинаковы, — а вот их искусство, возможно, так и останется для нас тайной за семью печатями. Формы его могут быть такими, что нам даже в голову не придет назвать их искусством! Когда мы встречаем дикие племена с особым образом изуродованной (с нашей точки зрения!) формой головы или шеи, с носом, проткнутым палочкой, и до безобразия вывернутыми губами, мы с трудом, но все же можем осознать, что это — искусство. А вот что бы мы сказали, встретив осьминогоподобное существо с подрезанными и надорванными щупальцами? Искусство в первую очередь обращено к чувствам, его восприятие основано на близости порождаемых им ассоциаций, а это возможно лишь при общности культуры. Наше искусство выражает то особое, специфическое, что свойственно нам, людям. Наука же, напротив, выражает существующие независимо от нас законы. В этом смысле она универсальна, одна для всей Вселенной. Отсюда видно, насколько различны по своей сути теория относительности и музыкальная симфония, хотя и ту и другую можно изобразить значками — формулами и нотами.

Конечно, у искусства тоже есть свои законы, но от этого оно не теряет своих характерных особенностей, и для того, чтобы его понять, нужно не столько знать его законы, сколько иметь связь с соответствующей культурой. Свести гармонию к алгебре никогда не удастся!

И все же… Несмотря на все сказанное, наука и искусство имеют очень много общего. Более того, можно утверждать, что в своей сущности это, так сказать, две стороны одной медали, различие лишь в акцентах.

Наше познание мира — нас самих и всего, что нас окружает, — имеет две стороны, два аспекта: логику и непосредственное восприятие — интуицию, когда человек посмотрел, и ему без всяких рассуждений вдруг стало ясно, что дело обстоит вот так-то, а не иначе. В науке логический аспект преобладает. Однако в ней непременно присутствует и интуитивный элемент, хотя бы уже потому, что всякая наука начинается с первичных, логически недоказуемых положений, получаемых путем прямого обобщения опытных данных. Плохому ученому такое обобщение дается с трудом; напротив, талантливый исследователь в хаосе экспериментальных фактов, так сказать, внутренним чутьем усматривает определенную закономерность. Говорят: его осенило. Как совершается такой процесс внутренней подсознательной деятельности в нашем мозгу, наука пока не знает. Но и после того как будут выяснены его законы, когда мы поймем, как рождается мысль, различие между логикой и интуицией сохранится. В общем, хотя наука — логическое построение, она не может существовать без интуиции.

Вселенная в электроне

В искусстве интуиция — главное, в отличие от науки, логика играет тут подчиненную роль. Искусство не всегда логично, более того, его основная цель — убедить в том, чего нельзя доказать чисто логически. Говоря словами Гаршина, одного из лучших русских писателей, часто один мощный художественный образ вносит в нашу душу более, чем добыто многими годами жизни. Искусство «работает» там, где наука бессильна. Вместе с экспериментом оно формирует ее фундамент, создает почву, из которой вырастет ее интуитивная сторона.

Получается, что наука и искусство дополняют друг друга и вместе составляют единое целое — способ познания мира. Решать, что из них важнее — пресловутый спор «физиков и лириков», — бессмыслица. Искусство нужно вовсе не потому (точнее, не только потому!), что и в космосе человеку захочется любоваться веткой сирени. Все значительно глубже: без искусства мы не смогли бы выйти в космос, а теперь просто не сможем его по-настоящему освоить.

В научно-фантастических романах частенько идет речь о цивилизации отбившихся от рук разумных роботов, пожелавших, подобно людям, создать свое собственное общество. Не будем спорить с фантастами, может такое случиться с роботами или нет. Допустим на минутку, что может. И вот тогда роботам тоже потребуется искусство. Оно может быть очень своеобразным, совсем непохожим на наше человеческое, но оно непременно должно возникнуть, если роботы начнут осваивать окружающий мир и развивать науку. Читатель не согласен с этим? Вопрос действительно спорный…

Особое место занимает литература. Это нечто промежуточное между наукой и искусством. Масса интуитивного и наряду с этим — модели жизненных ситуаций, где важную роль играет логика. Чтобы убедить читателя, писатель, подобно ученому, прибегает к логике и одновременно широко использует для этого эмоциональные образы и ассоциации. Правда, формы литературы очень разнообразны, их трудно подвести «под одну черту». Например, рассказы Айзека Азимова о приключениях робопсихолога Сюзен Кэлвин — это почти научное обсуждение неожиданных конфликтов, которые могут возникнуть в общении людей и роботов. Это интересно даже для специалистов. А с другой стороны, поэзия Есенина или Бальмонта. Огромный интуитивный заряд.

У чешского писателя Карела Чапека есть рассказ о том, как, будучи невольным свидетелем уличного происшествия, поэт выразил свои впечатления стихотворной фразой: «О шея лебедя! О грудь! О барабан и эти палочки — трагедии знаменья!» Полицейскому чиновнику пришлось изрядно попотеть, прежде чем он сообразил, что это эмоциональный образ быстро умчавшейся автомашины с номером 235. Цифра «2» вызвала у поэта ассоциации с изогнутой шеей лебедя, цифра «3» напомнила ему округлости грудей, а цифра «5» — это кружок внизу, словно барабан, а над ним палочки!

— Так вы уверены, что номер авто был двести тридцать пять? — спросил поэта полицейский.

— Номер? Я не заметил никакого номера, — решительно ответил тот. — Но что-то там было, иначе я бы так не написал!

Литература и искусство по-своему, но не менее информативно, чем наука, отражают мир. Это звенья единого целого, и ни одно из них нельзя отбросить без ущерба для других.

Вселенная в электроне

Заключение

Мне бы очень хотелось, чтобы после прочтения книги у читателя сложилась цельная картина окружающего мира — от суперэлементарных частиц до самого крупного космического объекта, который называют «Вселенная». Правда, надо иметь в виду, что физика развивается настолько быстро, что сведения, излагавшиеся в учебниках каких-нибудь пять — десять лет назад, сегодня часто оказываются безнадежно устаревшими. Возможно, кое-что из рассказанного в книге тоже успеет устареть раньше, чем она появится в библиотеках и книжных магазинах.

Тот, кто прочитал книгу, познакомился с проблемами, находящимися на самых дальних рубежах нашего знания. Рассказывать о них я старался таким образом, чтобы ввести читателя в гущу надежд и волнений исследующих их ученых и показать, как много там еще неизвестного и загадочного, — широкое поле для тех, кто захочет посвятить себя добыванию новых знаний о самом большом и самом малом. Здесь найдет себе дело по душе и тот, у кого золотые руки, и тот, кто наделен острым умом. Запрещается вход туда только тем, у кого нет усидчивости и настойчивости, а пуще всего — равнодушным. Равнодушный ученый — все равно что глухой музыкант!

Жители нашей планеты в своей деятельности долго исходили из допущения, что природа неиссякаемо богата: нужно топливо — строй новые шахты и бури новые скважины, нужна бумага — руби леса, потребовались новые машины — строй заводы и фабрики. Но настало время, когда «неиссякаемые» богатства стали иссякать. Образно говоря, там, где раньше делался один гвоздь, теперь нужно выкраивать материал на два да еще позаботиться о том, чтобы вернуть их на переплавку после того, как они отслужат свой век. И тут не обойтись без науки, без новых материалов, новых технологий, новых источников энергии. А для этого потребуются новые фундаментальные и прикладные исследования. Роль науки возрастает, и дела тут хватит всем, кто придет туда, как говорится, со свежей головой и с засученными рукавами!

Вселенная в электроне

Выходная информация издания


Вселенная в электроне

home | Вселенная в электроне | settings

Текст книги загружен, загружаются изображения



Оцените эту книгу