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.

---

С позиции современных знаний просто поразительно, почему с таким трудом воспринималась мысль о том, что всеми явлениями природы «управляет» одна и та же величина — энергия, которая никогда не исчезает, а только переходит из одного своего вида в другой. А ведь частные случаи этого закона были хорошо известны, например для механических процессов (именно к этому случаю и относилось решение французских академиков не рассматривать проектов вечного двигателя).

Крупные теоретические обобщения всегда сопровождаются ломкой привычных представлений и поэтому принимаются с большим трудом. Сто лет назад сопротивление и споры вызывала идея всеобщности энергии, а теперь многим из нас кажется невероятной мысль о том, что в природе могут быть явления, в которых нет энергии. Мы привыкли считать энергию абсолютной, универсальной величиной, существующей и применимой всегда и всюду. Теории, в которых нет закона сохранения энергии, обычно уже заранее трактуются как неверные. Но оправдано ли это? Не напоминает ли эта предвзятость знаменитый аргумент из чеховского «Письма к ученому соседу»: «...этого не может быть, потому что этого не может быть никогда»? Когда дело касается новой теории, категориями «возможного» и «невозможного» следует пользоваться очень осторожно. Процессы или соотношения, невозможные в круге одних, привычных явлений, могут стать возможными в круге других явлений. Заведомо неверными следует считать лишь те теории, которые противоречат законам природы в той области, где они, эти законы, хорошо и надежно проверены.

Долгое время законы сохранения вещества и энергии существовали порознь, пока специальная теория относительности не объединила их с помощью упоминавшегося уже соотношения = mc2. Получается, что масса и энергия неразрывно связаны между собой, и в системе, где скорость света равна единице, они просто равны друг другу. Однако из этого вовсе не следует, что вещество — не что иное, как «уплотненная» энергия. Ведь масса — не само вещество, а одно из его свойств, величина его инертности, сопротивляемости изменению движения. И вот эта величина равна энергии — другой величине, характеризующей движение.

В научно-популярной, а иногда и в специальной литературе встречаются выражения вроде того, что при распаде атомного ядра «часть его массы переходит в энергию осколков». Это неточные, жаргонные выражения. Энергия может изменять свою форму, в частности, запасенная внутриядерная энергия — превратиться в кинетическую энергию осколков; часть вещества при этом может перейти в электромагнитное поле (атомный взрыв сопровождается световой вспышкой), но масса всегда остается строго постоянной.

Соотношение между массой и энергией — очень трудный вопрос, к пониманию которого физики пришли далеко не сразу. В начале нашего века они с удивлением обнаружили, что масса тел не остается постоянной, а зависит от их скорости. А поскольку тогда считалось совершенно очевидным, что масса и материя — одно и то же, многим показалось, что материя может исчезать и возникать вновь. Получалось, что первичной в мире является не сама субстанция, а нечто нематериальное, связанное с ее движением. На глазах физиков распадались основы их науки, отказывались служить самые исходные ее представления. Зашаталась, можно сказать, вся картина мироздания — ведь ее фундаментом была физика! Это было время, когда даже наиболее талантливые физики усомнились в возможности примирить возникшие противоречия.

Выход нашла материалистическая философия. Вначале некоторые ученые и вместе с ними философы идеалистического толка были склонны отказаться от понятия материи, считая его устаревшим, вроде представления о флогистоне. Первоосновой мира они предложили считать энергию. Правда, при этом сразу же возникал трудный вопрос: как можно говорить об энергии движения, если нет того, что движется? Последовательное развитие таких взглядов в конечном счете приводило не к научному, а к религиозному миропониманию. Выход был в том, чтобы не отказываться от понятия материи, а основываться на более точном ее понимании. Масса — это не материя, а всего лишь одна из многих ее характеристик. Ее изменение вовсе не означает, что материя исчезает или рождается из ничего. Этот выход из кризиса, поразившего физику в начале XX в., был указан В. И. Лениным в его знаменитой книге «Материализм и эмпириокритицизм». Мастерски владея методами философского анализа, Ленин не был физиком, но он сумел разобраться в сложных вопросах современной ему науки и указать путь, которого не видели сами физики. Это ли не самый яркий пример того, как марксистская философия помогает естествознанию в решении конкретных его проблем!

Массой и энергией обладают все известные нам виды материи. Правда, не совсем ясно, как быть с гравитационным полем... Однако прежде чем перейти к гравитации, мы должны познакомиться с теоремой, которая связала энергию и время.

...Даже благожелательно настроенные коллеги не могли утверждать, что приват-доцент Геттингенского университета Эмми Неттер — привлекательная женщина. Невысокая, плотная, с громким и неприятным голосом, как вспоминают знавшие ее люди, она к тому же была весьма небрежна в своих манерах и одежде. Она больше походила, говорят они, на энергичную и очень близорукую прачку, чем на преподавателя университета, и грации не стояли у ее колыбели. Однако если греческие боги и богини имели обыкновение нисходить с Олимпа к новорожденным, то у изголовья маленькой Эмми наверняка стояла покровительница наук Афина. По своим интеллектуальным данным Неттер была женщиной выдающейся. Именно ей современная наука обязана несколькими выдающимися открытиями и идеями, в том числе замечательной теоремой о том, что каждой симметрии физической системы соответствует свой особый закон сохранения.

Симметрий много: при отражении, при поворотах и вращениях, при сдвигах... И каждый раз, когда система обладает какой-либо симметрией, она подчиняется соответствующему закону сохранения. Эта теорема имеет сложное математическое доказательство, однако физический смысл ее понять нетрудно. Дело в том, что любая симметрия уменьшает свободу системы, накладывая на нее определенные ограничения. Выражением этих ограничений и является закон сохранения. Это дополнительная связь между параметрами системы, ограничение их изменений.

Если быть более точным, придется добавить, что теорема Неттер относится к так называемой непрерывной симметрии. Свойства физических процессов никак не изменятся, если сдвинуть начальную точку отсчета времени или непрерывно смещать и поворачивать пространственную систему координат. По отношению ко всем таким преобразованиям физические законы симметричны или, как говорят, инвариантны. Так вот, Неттер доказала, что если течение времени равномерное и ни один его момент не выделен по сравнению с другим, то в любой изолированной системе должен выполняться закон сохранения энергии. Из условия однородности, полного равноправия пространственных координат вытекает закон сохранения импульса, а изотропия пространства, то есть отсутствие в нем каких-либо выделенных направлений, приводит к закону сохранения углового момента. И наоборот, нарушение пространственно-временной симметрии должно приводить к удивительным явлениям: изолированное тело в состоянии само по себе, без всяких внешних причин, ускоряться или замедляться, способна возрасти или уменьшиться скорость вращения небесных тел, может нарушаться энергетический баланс реакций и так далее. Для жителей несимметричного мира все это выглядит так, как если бы само пространство-время стало действовать на погруженные в него объекты.

Вывод Неттер о том, что законы сохранения энергии, импульса и момента связаны с фундаментальными свойствами окружающего нас пространства и времени, то есть зависят от космологии нашего мира, это, без сомнения, одна из самых выдающихся физических идей века. Правда, сами физики далеко не сразу осознали ее значение. В течение нескольких десятилетий теорема Неттер. оставалась в тени, и знали о ней больше математики, чем физики.

Эмми Неттер не довелось стать свидетелем триумфа своей теории. Несмотря на выдающиеся научные достижения, ей долго не присуждали звания приват-доцента. В кайзеровской Германии, где интересы женщин сознательно ограничивались «тремя К» — Kirche (церковь), Kuche (кухня), Kinder (дети),— это выглядело бы вопиющим нарушением традиций. Выдающийся геттингенский математик Давид Гильберт, потеряв терпение, однажды сказал с горькой и грубоватой иронией:

— Не вижу, почему пол кандидата должен быть помехой для присуждения ему ученого звания. В конце концов университет — не баня.

Позднее, уже в 30-х годах, спасаясь от преследований нацистов, Неттер эмигрировала из Германии в далекую Америку и там вскоре умерла.