Пол Девис - Суперсила

• Название: Суперсила
• Автор: Пол Девис
• Издательство: Мир
• Жанр: Физика
• Год: 1989
• ISBN: 5-03-000546-3

Наука во все времена стремилась построить целостную картину окружающего мира. В последние десятилетия физики как никогда приблизились к осуществлению этой мечты: вырисовываются перспективы объединения четырех фундаментальных взаимодействий природы в рамках одной суперсилы, и физика микромира все теснее сливается с космологией – теорией происхождения и эволюции Вселенной.

Обо всем этом в популярной и увлекательной форме рассказывает книга известного английского ученого и популяризатора науки Пола Девиса (знакомого советскому читателю по книге “Пространство и время в современной картине Вселенной”. – М.: Мир, 1978).

Адресована всем, кто интересуется проблемами современной фундаментальной науки, особенно полезна преподавателям и студентам как физических, так и философских факультетов вузов.

---

По современной версии этой теории для ранних стадий Большого взрыва характерны необычайно высокие температура и плотность; при таких условиях ни один из современных элементов строения Вселенной, включая атомы, не мог существовать. Важное подтверждение такого сценария было получено в 1965 г., когда два специалиста по дальней связи из фирмы “Белл телефон лабораторис” обнаружили таинственное излучение, идущее из космического пространства. Физики и астрономы быстро идентифицировали это космическое фоновое излучение как реликтовое тепловое излучение Большого взрыва, своего рода отблески тон огненной вспышки, которая 15 млрд. лет назад ознаменовала рождение нашего мира.

Процесс Большого взрыва часто неверно трактуется наподобие взрыва глыбы вещества в уже существовавшем вакууме. Но, как известно, пространства вне Вселенной не существует. Большой взрыв следует рассматривать как событие, в результате которого возникло и само пространство. Таким образом, научная картина “сотворения мира” оказывается глубже библейской, ибо она отражает рождение не только материи, но и пространства. Последнее возникает не каким-то иным путем, а непосредственно в результате Большого взрыва. Следовательно, Большой взрыв не есть событие, которое произошло во Вселенной; это было само рождение Вселенной, целиком и буквально из ничего.

Другая важная особенность Большого взрыва связана с временем. Многие космологи считают, что время до Большого взрыва не существовало, т.е. не было никакого “прежде”. Один из уроков новой физики состоит в том, что пространство и время существуют не сами по себе, а составляют неотъемлемую часть физического мира. Следовательно, если Большой взрыв ознаменовал рождение физического мира, то пространство и время возникли только в момент Большого взрыва. Идея отождествления момента рождения Вселенной с началом времени далеко не нова. Еще в IV в. Святой Августин писал: “Мир сотворен с временем, но не во времени”.

Внезапное возникновение Вселенной в результате Большого взрыва означает, что вопрос “Где мы находимся—во времени"? имеет смысл. Исчисления всех космических эпох можно вести от этого уникального всеопределяющего события, которое произошло около 15 млрд. лет назад. Историю Вселенной можно разделить на зоны, ведя отсчет от этого абсолютного нуля времени.

Из чего мы состоим?

На этот вопрос ответить просто: из материи. Но что такое материя и как она возникла? Диапазон форм, красок, плотностей и текстуры материальных тел столь широк, что попытка понять природу материи может показаться безнадежной задачей. Однако еще две с половиной тысячи лет назад греческие философы заложили основы нашего понимания природы материи, когда попытались свести разнообразие окружающего мира к взаимодействию небольшого числа первичных составных частей – элементов. В VI в. до н. э. Фалес считал первоосновой всех вещей один первичный элемент"– воду, но позднее мыслители ввели в рассмотрение четыре земных элемента: землю, воздух, огонь и воду. По мысли древних, эти элементы в целом сохраняются – их общее количество остается неизменным, – но могут образовывать друг с другом различные комбинации, необычайно разнообразные по форме и составу. Небесным телам отводилась пятая субстанция, называемая эфиром, или квинтэссенцией. Греческие философы сделали важный шаг, отвергнув ссылки на потусторонние силы и наблюдение – основу научного метода. Анаксагор (500—428 г.г. до н.э.) существенно усовершенствовал более ранние теории, введя представление о бесконечной Вселенной, заполненной бесконечным множеством частиц, или “атомов”. Кроме того, Анаксагор высказал предположение, что небесные тела состоят из таких же веществ, что и Земля, – эта “ересь” едва не стоила ему жизни. Левкипп внес свою лепту в развитие атомной теории материи, это дело продолжил его ученик Демокрит. Впоследствии атомистическая теория была отвергнута такими великими философами, как Аристотель, Платон и Сократ. Однако позднее идеи атомистов были подхвачены Эпикуром,) (341—270 гг. до н.э.).

Главная особенность учения атомизма заключалась в следующем: мир состоит всего лишь из двух вещей – неуничтожимых атомов и пустоты. Атомы имеют различную форму и могут соединяться между собой, образуя сложные системы. Атомы неделимы и свободно движутся в пустоте. Они непрестанно находятся в состоянии активности, сталкиваясь и объединяясь в новые конфигурации и неизменно подчиняясь рациональным законам причины и следствия.

На протяжении столетий атомная теория материи имела чисто умозрительный характер, ибо атомы слишком малы, чтобы их наблюдать непосредственно. Альтернативные представления о континууме, согласно которым материя бесконечно делима и не содержит пустоты, существовали вплоть до XIX в. С развитием химии как науки атомистическая теория подверглась пересмотру в рамках современного научного мышления. Английский химик Джон Дальтон (1766—1844) привел свидетельства в пользу того, что атомы имеют различные веса и, комбинируясь в определенных пропорциях, образуют соединения; однако прямые физические доказательства существования атомов по-прежнему отсутствовали. Лишь в конце XIX в. с открытием электрона и радиоактивности существование атомов стало, наконец, общепризнанным. Вскоре выяснилось, что имеется множество различных типов атомов (каждый такой тип на современном языке соответствует химическому элементу). Ныне на Земле обнаружено около 90 естественных химических элементов и более десятка элементов синтезировано искусственным путем.

Рис. 2. Схематическое изображение атома. Центральное ядро имеет вид шара, состоящего из сильно связанных протонов и нейтронов и окруженного облаком обращающихся вокруг него электронов. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Из-за квантовых эффектов орбиты электронов на самом деле не соответствуют четко определенным траекториям, показанным на рисунке.

В 1909 г. Эрнест Резерфорд выяснил основные особенности строения атома. Бомбардируя атомы альфа-частицами, испускаемыми радиоактивным источником, Резерфорд установил по характеру рассеяния альфа-частиц, что атомы представляют собой не твердые кусочки неделимой материи, как полагали некоторые физики, а сложные структуры, основная масса которых сосредоточена в центральном ядре, окруженном облаком более легких подвижных электронов (рис. 2). Такая структура напоминает планетную систему. Электроны удерживаются на орбитах силой притяжения (положительно) заряженного ядра.

Строение ядра оставалось неясным до начала 30-х годов. Ядро, как оказалось, также является сложной системой, состоящей из (положительно заряженных) протонов и электрически нейтральных частиц – нейтронов. Согласно современной точке зрения, протоны и нейтроны в свою очередь состоят из еще более мелких частиц – кварков. Многие физики полагают, что электроны и кварки являются подлинно элементарными частицами, – в том смысле, как это понимали древние греки. Они, по-видимому, не обладают внутренней структурой, и из них построены все известные формы обычной материи.

Очевидно, что материя имеет иерархическую структуру. Из кварков состоят протоны и нейтроны, которые в свою очередь формируют ядра атомов. Атомы комбинируются в молекулы или кристаллы. Из этих основных “материалов” состоят твердые тела, окружающие нас. Двигаясь вверх по шкале масштабов, мы придем к планетным системам, звездным скоплениям и, наконец, к галактикам, но даже галактики объединяются в скопления и сверхгалактики. Люди находятся где-то в середине этой иерархии: наши размеры соотносятся с размерами атомов примерно гак же, как размеры звезд с нашими собственными.

Известно, что одни химические элементы, например кислород и железо, имеются на Земле в изобилии, тогда как такие, как уран и золото, встречаются столь редко, что люди нередко развязывают войны, чтобы обеспечить доступ к их месторождениям. Если оценить распространенность химических элементов в целом по Вселенной, то возникнет поразительная– картина. Около 90% космического вещества приходится на долю водорода – самого легкого и простого элемента. Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. Подавляющую часть остальных 10% составляет гелий– простейший после водорода элемент. Ядро гелия содержит два протона и два нейтрона. Доля всех остальных элементов вместе взятых не превышает <1%. Если исключить железо, то вырисовывается следующая общая тенденция: более тяжелые элементы – такие, как золото, свинец и уран – распространены во Вселенной значительно в меньшей степени, чем более легкие: углерод, азот, кислород.

Подобная распространенность элементов весьма примечательна. Тяжелые ядра содержат большое количество протонов, и нейтронов, легкие – мало. Если бы легкие ядра могли вступать друг с другом в реакцию ядерного синтеза, то это привело бы к образованию более тяжелых ядер. Напрашивается мысль, что во Вселенной первоначально присутствовал только один простейший элемент—водород.), а более тяжелые элементы постепенно образовались на последующих стадиях ядерного синтеза. Подобная теория сразу объясняет, почему тяжелые ядра столь редки. Реакции ядерного синтеза могут протекать только при температурах, при которых преодолимо отталкивание электрически заряженных ядер. Чем больше протонов в ядре, тем сильнее отталкивание между ядрами и тем с большим трудом ядро принимает дополнительные протоны в реакции ядерного синтеза.