Георгий Гамов - Приключения Мистера Томпкинса

• Название: Приключения Мистера Томпкинса
• Автор: Георгий Гамов
• Издательство: Бюро Квантум
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1993

В данную книгу включены два научно-популярных произведения известного американского физика и популяризатора науки — повесть «Мистер Томпкинс в Стране Чудес», не без юмора повествующая о приключениях скромного банковского служащего в удивительном мире теории относительности, и повесть «Мистер Томпкинс исследует атом», в живой и непринужденной форме знакомящая читателя с процессами, происходящими внутри атома и атомного ядра. Книга предназначена для школьников, студентов и всех, кто интересуется современными научными представлениями.

---

— Боюсь, что это выше моего разумения, — печально заметил мистер Томгасинс. — Из ваших объяснений я не понял ни слова.

— Боюсь, что это так, — сказал резчик с улыбкой. — Сказать вам по правде, я и сам не очень разбираюсь во всем этом. Ведь я мастер. Я могу делать все эти вещи руками, но в теоретической абракадабре я не слишком силен. Главное здесь в том, что поскольку все эти ядерные частицы сделаны из квантового материала, они легко проходят, или просачиваются, сквозь препятствия, которые обычно считаются непроницаемыми.

— О, я кажется понимаю, что вы имеете в виду! — воскликнул мистер Томпкинс. — Помнится, однажды, еще до того, как я встретил Мод, мне довелось побывать в одном странном месте, где бильярдные шары вели себя в точности так, как вы сейчас сказали. — Бильярдные шары? Вы имеете в виду бильярдные шары из слоновой кости? — повторил с горечью старый мастер.

— Да, насколько я знаю, шары были выточены из бивней квантовых слонов,

— ответил мистер Томпкинс.

— Ничего не поделаешь, такова жизнь, — печально сказал старый мастер. — Подумать только, кто-то вырезает какие-то дурацкие шары, расходуя столь драгоценный материал для чьей-то забавы, а мне приходится вырезать протоны и нейтроны, фундаментальнейшие частицы Вселенной, из простого квантового дуба!

— Впрочем, — продолжал он бодрым тоном, чтобы скрыть разочарование, — мои несчастные деревянные игрушки ничуть не уступают всем этим дорогим финтифлюшкам из слоновой кости. Как я сейчас покажу вам, они легко проходят сквозь любой барьер. Взобравшись на стул, мастер достал с верхней полки резную фигурку необычного вида, напоминавшую модель вулкана.

— Вот, не угодно ли взглянуть, — продолжал мастер, осторожно смахивая пыль. — Перед вами модель барьера сил отталкивания, который окружает любое атомное ядро. Внешние склоны соответствуют отталкиванию электрических зарядов, а кратер — силам сцепления, удерживающим частицы внутри ядра. Если толкнуть шарик вверх по склону, но не слишком сильно, чтобы он не достиг края кратера, то вы, естественно, ожидаете, что шарик скатится назад. А вот что происходит на самом деле.

Мастер слегка подтолкнул шарик вверх по склону.

— Не вижу ничего необычного, — заметил мистер Томпкинс, когда шарик, поднявшись примерно до середины склона, скатился назад.

— Не торопитесь, — спокойно сказал мастер. — Не все и не всегда получается с первого раза.

Он еще раз толкнул шарик вверх по склону, и шарик снова скатился вниз. И лишь с третьей попытки шарик, поднявшись примерно до середины склона, внезапно исчез.

— Как вы думаете, где теперь шарик? — торжествующе спросил старый мастер с чувством фокусника, удачно выполнившего трудный трюк.

— Наверное, в кратере? — высказал предположение мистер Томпкинс.

— Вы совершенно правы, именно в кратере, — подтвердил его догадку старый мастер, вынимая шарик из углубления двумя пальцами.

— А теперь попробуем запустить его в обратном направлении, — предложил он мистеру Томпкинсу, — и посмотрим, сможет ли шарик выбраться из кратера, не перекатываясь через край.

В течение какого-то времени ничего не происходило, и мистер Томпкинс мог только слышать погромыхивание шарика, катавшегося то в одну, то в другую сторону внутри кратера. Затем, как по мановению волшебной палочки, шарик вдруг появился на середине склона и тихо скатился на стол.

— То, что вы сейчас видели, может служить хорошей иллюстрацией того, что происходит при радиоактивном альфа-распаде, — сказал резчик, ставя модель на полку, — только там вместо барьера из обычного квантового дуба существует барьер сил отталкивания электрических зарядов. В принципе никакой разницы между моделью и настоящим альфа-распадом нет. Иногда эти электрические барьеры в атомах становятся настолько «прозрачными», что частицы покидают ядра за ничтожную долю секунды. В других случаях ядерные барьеры настолько «непрозрачные», что переход из ядра наружу затягивается на многие миллиарды лет, как например в ядре урана.

— Но почему не все ядра радиоактивны? — поинтересовался мистер Томтпсинс.

— Потому что у большинства ядер дно кратера расположено ниже уровня подошвы вулкана, и только у самых тяжелых из известных ядер дно кратера поднято достаточно высоко для того, чтобы «побег» частицы мог состояться.

Трудно сказать, сколько часов провел мистер Томтпсинс в мастерской у милого старого мастера, с готовностью делившегося с ним своими познаниями на любую тему, которую они затрагивали в беседе. Мастер показал мистеру Томпкинсу множество необычных вещей, в том числе тщательно закрытую, но, по-видимому, пустую шкатулку с надписью «НЕЙТРИНО. Обращаться с осторожностью».

— Там внутри что-нибудь есть? — с любопытством спросил мистер Томпкинс, встряхивая шкатулку у самого уха.

— Не знаю, — признался старый мастер. — Одни говорят, что есть, другие, что нет. Но внутри шкатулки вы все равно ничего не увидите. Эту занятную шкатулку подарил мне один приятель, физик-теоретик, и, по правде говоря, я не знаю, что с ней делать. Лучше всего пока оставить ее в покое.

Продолжая осматривать мастерскую, мистер Томпкинс увидел на верстаке покрытую пылью старинную скрипку. Она казалась такой старой, словно ее изготовил дедушка Страдивари.

— Вы играете на скрипке? — повернулся к резчику мистер Томпкинс.

— Только гамма-мелодии, — ответил старый мастер. — Это квантовая скрипка, и ничего другого на ней исполнить нельзя. Когда-то у меня была квантовая виолончель. На ней можно было исполнять мелодии в оптическом диапазоне, но кто-то попросил ее у меня поиграть, да так и не удосужился вернуть.

— Сыграйте мне, пожалуйста, какую-нибудь гамма-мелодию, — попросил мистер Томпкинс. — Мне не приходилось слышать такие мелодии прежде.

— Я сыграю вам «Нуклеат в тональности Th С диез», — сказал старый мастер, беря скрипку, — но приготовьтесь, это очень печальная мелодия.

Музыка, действительно, звучала очень странно. Ничего похожего мистеру Томпкинсу слышать не приходилось. Мелодия напоминала неумолчный шум морских волн, накатывающихся на песчаный берег. Время от времени шум прибоя прерывал резкий звук, напоминавший свист пролетевшей мимо пули. Мистер Томпкинс не был завзятым меломаном, но исполняемая мастером мелодия зачаровала и сковала его. Он потянулся, устроился поудобнее в старом кресле и закрыл глаза…

Глава 14 Дыры в пустоте

Леди и джентльмены!

Сегодня я прошу вас быть особенно внимательными, поскольку проблемы, о которых пойдет речь в моей лекции, столь же трудны, сколь и увлекательны. Я намереваюсь рассказать вам о новых частицах, известных под названием позитроны и обладающих более чем необычными свойствами. Весьма поучительно, что существование этой новой разновидности частиц было предсказано на основе чисто теоретических соображений за несколько лет до того, как они были обнаружены экспериментально, открытию позитронов в значительной мере способствовало теоретическое предсказание их основных свойств.

Честь сделать эти предсказания принадлежит британскому физику Полю Дираку, о котором вам уже приходилось слышать. К своим заключениям Дирак пришел на основе теоретических соображений, столь необычных и фантастических, что большинство физиков долгое время отказывалось верить в них. Основную идею теории Дирака можно сформулировать в следующих простых словах: «В пустом пространстве должны быть дыры». Я вижу, вы удивлены. Не менее вас были удивлены и физики, когда Дирак впервые произнес эти слова. Как могут быть дыры в пустом пространстве? Есть ли в подобном утверждении какой-нибудь смысл? Оказывается, есть, если вспомнить, что так называемое пустое пространство в действительности не так пусто, как нам кажется. В самом деле, основным исходным пунктом теории Дирака служит предположение о том, что так называемое пустое пространство, или вакуум, в действительности плотно заполнено бесконечно многими электронами (обычными отрицательно заряженными электронами), упакованными весьма правильно и равномерно. Нет необходимости говорить о том, что эта старая гипотеза пришла Дираку в голову не просто как игра фантазии. К принятию ее Дирака вынудил целый ряд соображений, связанных с теорией обычных отрицательно заряженных электронов. Эта теория приводит к неизбежному заключению о том, что помимо квантовых состояний движения в атоме существует также бесконечно много особых отрицательных квантовых состояний, принадлежащих чистому вакууму и что электроны, если ничто не мешает им переходить в эти «более удобные» состояния движения, покинут свои атомы и, так сказать, растворятся в пустом пространстве. Более того, поскольку существует только один способ воспрепятствовать электрону переходить, куда ему заблагорассудится, а именно занять то состояние, в которое собирается переходить электрон, другим электроном (вспомните принцип Паули!), все состояния в вакууме должны быть заполнены бесконечно многими электронами, равномерно распределенными по всему пространству.