Владилен Барашенков - Кварки, протоны, Вселенная

• Название: Кварки, протоны, Вселенная
• Автор: Владилен Барашенков
• Издательство: Знание
• Жанр: Физика
• Год: 1987

В книге рассказывается об узловых проблемах современной физической картины мира: о черных и белых дырах во Вселенной, о «прелестных», «ароматных» и «цветных» частицах — кварках, о космических мирах, спрятанных внутри частиц, о пустоте, которая оказывается не пустотой, а материальной субстанцией, о квантах пространства и квантах времени, о гипотетических монополях и антивеществе.

Для широкого круга читателей.

---

Составить наглядное представление о связи упругого рассеяния с поглощением довольно трудно. Возможно, кое-что здесь останется для читателя не совсем ясным. Но детали и не нужны. Важно понять одно: в природе существуют процессы, с помощью которых можно изучать пространство и время в микромире, и никаких принципиальных препятствий на этом пути не видно. Трудности связаны лишь с получением частиц высокой энергии. Гипотеза о макроскопическом происхождении пространства-времени оказывается неверной, хотя и по сей день ее нет-нет да и встретишь на страницах какого-нибудь журнала.

Можно многое рассказать о свойствах пространства и времени и о том, какие удивительные метаморфозы они могут претерпеть при переходе от привычных нам масштабов к ультрамалому и ультрабольшому. Но все-таки, что же это такое — пространство и время?

Как заметил один мудрец, пока меня не спрашивают об этом, я знаю, что это такое. И действительно, интуитивно каждый из нас представляет, что такое время и что такое пространство. Можно перечислить различные их свойства — протяженность, размерность, непрерывность и так далее. Но вот сказать, что же составляет суть, этих феноменов,— задача чрезвычайно сложная.

Кант вообще считал, что пространство и время — это лишь свойства нашего рассудка, наша прирожденная способность приводить в порядок расположение вещей и событий. Трудно, конечно, согласиться с тем, что пространство и время существуют лишь в нашей голове. Наоборот, все, что мы о них знаем, убеждает нас в том, что это — реальные, существующие независимо от нас свойства природы. Только эти свойства настолько общие, что трудно дать им конкретное физическое определение (о философском мы уже упоминали).

Пространство и время никогда не наблюдаются сами по себе, они всегда связаны с материей и ее движением. Еще Лукреций Кар в поэме «О природе вещей» писал:

...Неизбежно признать, что никак ощущаться не может
время само по себе, вне движения тел и покоя.

Можно думать, что в своем глубинном значении пространство — это то, что выражает устойчивость сосуществования различных явлений и объектов в мире, а время — то, что характеризует их взаимодвижение, изменяемость. Другими словами, пространство и время — это структура сосуществования и изменения всего материального в мире.

Чересчур абстрактно, общо? Ничего не поделаешь! Сами ведь пространство и время — предельно общие понятия, более общих придумать трудно.

Такие понятия изучаются философией, которая потому и является наукой о самых общих законах природы и общества. В физических теориях пространство и время обычно понимают не так широко, включая в их определение уже нами упоминавшиеся конкретные свойства: протяженность, направленность и тому подобное. Но ведь все эти свойства имеют ограниченную область применения. Математикам, например, известно много бесконечных пространств, где нет такого привычного для нас свойства, как длина. Возможно, некоторые из таких пространственно-временных структур реализуются где-нибудь в глубинах микромира. Ну а то, что пространство может не иметь такого свойства, как различие правого и левого,— об этом уже шла речь. Если различие правого и левого считать неотъемлемым свойством пространства, то пришлось бы признать, что некоторые микрообъекты существуют вне пространства. Нет, не напрасно, определяя пространство и время, философы прибегают к самым общим и абстрактным понятиям!

Общую математическую теорию пространства различного типа первым разработал немецкий математик Бернгард Риман. В его теории пространство может быть скрученным и изогнутым, причем в различных точках по-разному, может иметь разрывы и дырки, быть многомерным.

Древнегреческий ученый Пифагор был убежден в том, что законы мира — это законы чисел. Все свойства и закономерности природы, считал Пифагор, а вслед за ним и его ученики, проистекают из математики. По их мнению, это самое первичное, что есть в мироздании. В законах чисел, как в курином яйце — цыпленок или в бутоне — роза, заложена возможность материального «раскрытия мира». Сначала пифагорейцам казалось, что наконец-то понята таинственная суть мироздания, причина его удивительной симметрии, порядка и целесообразности. И вдруг обнаружилось, что некоторые величины нельзя выразить никаким числом. Например, отношение длины окружности к ее радиусу или отношение длины стороны квадрата к его диагонали. Сегодня мы знаем, что для этого надо использовать иррациональные числа, но для Пифагора и его учеников, знавших лишь целые числа и правильные дроби, это выглядело потрясающей загадкой, мистическим чудом. Они были настолько поражены своим открытием, что в течении многих лет тщательно скрывали его как одну из самых ужасных и необъяснимых тайн бытия.

Подобные коллизии случались и позднее. Природа любит преподносить ученым сюрпризы как раз тогда, когда какие-либо ее конкретные свойства и законы объявляются универсальными, действующими всегда и всюду.

В мире все имеет свою конкретную, ограниченную область применения, и мы должны быть готовы к тому, что наука еще откроет диковинные свойства пространства и времени, которые мы сейчас не можем себе и представить, а известные нам свойства, наоборот, в области новых явлений утратят свое значение.

ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ,

в которой обсуждаются «школьные» вопросы: что такое энергия и всегда ли она сохраняется? Читатель узнает о глубокой связи между энергией и временем и об удивительных парадоксах теории относительности

Во всех предыдущих главах, шла ли речь о явлениях внутри элементарных частиц или о процессах в далеком космосе, всегда упоминалась энергия. Она — краеугольный камень современной науки. Не исчезает, и не возникает, только переходит из одной своей формы в другую. Но ведь мы сказали, что в мире нет абсолютных свойств, почему же мы тогда так уверены в универсальности энергии?

Странный вопрос, скажет читатель. Ведь еще более 200 лет назад Парижская академия вынесла решение не рассматривать проектов вечного двигателя и только потому, что всякому двигателю нужна энергия... Верно, а как быть, если в каких-то процессах энергия просто не существует, когда нельзя даже ввести такого понятия?

Но тогда нет и массы, возразят мне, ведь из теории относительности известно, что энергия и масса, пропорциональны друг другу, вспомните знаменитую формулу Е=mc2 !

Вот как раз в общей теории относительности и проявляются трудности с энергией и массой. Да еще такие, что некоторые ученые сомневаются в ее справедливости. Не так уж много, говорят они, у этой теории экспериментальных подтверждений... Как бы то ни было, именно в этой области сегодня центр споров и теоретических дискуссий.

Еще древние греки пришли к мысли о том, что ничто в природе не исчезает без следа и не возникает из ничего. Но строгое количественное выражение эта мысль получила значительно позже. Наш соотечественник Михаил Васильевич Ломоносов и французский химик Антуан Лавуазье сформулировали закон сохранения вещества, а 100 лет спустя, в середине прошлого века, немецкие ученые Роберт Майер, Герман Гельмгольц и английский инженер Джеймс Джоуль установили закон сохранения и превращения энергии.

И как это часто бывает с великим открытием, его идея витает, в воздухе, догадки и намеки встречаются в работах многих современников, и вместе с тем решающий шаг требует не только гениальной интуиции, но и просто большой силы воли и смелости. Новую идею легко критиковать — одним она кажется ненужной и необоснованной, другие указывают на ее логическое несовершенство, третьи борются с ней потому, что не доверяют ее автору.

Майеру его открытие принесло несчастье. Мысль о сохранении и превращении энергии пришла к нему во время морского путешествия, в тропиках, когда он, будучи судовым врачом, оперировал больного. Он заметил, что у того венозная кровь не такая темная, какой она бывает в северных странах. Сначала он даже испугался: не задел ли артерию? А затем догадался, что на юге для поддержания теплоты при более высокой температуре в организме должно окисляться меньше питательных веществ, чем на севере.

Идея о круговороте энергии, о бесконечной ее циркуляции из одних форм в другие целиком завладела Майером, и всю последующую жизнь он посвятил ее доказательству. К сожалению, его рассуждения на первых порах содержали много неточностей физического характера, будучи основанными на примерах из физиологии и химии, они с трудом воспринимались физиками. Близкие люди совсем его не понимали; его одержимость научной идеей они принимали за помешательство. Он пытался покончить самоубийством, получил тяжелое воспаление мозга и несколько лет провел в доме для душевнобольных.