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.

---

Открытая ею теорема позволяет совершенно по-новому взглянуть на границы применимости законов сохранения. Ведь трудно думать, что равномерность времени и однородность пространства являются всеобщими, не знающими никаких исключений свойствами. Наука давно отказалась от представлений о том, что в природе существует единое, ни от чего не зависящее время и абсолютное бесконечное пространство, в которое погружены все тела. Можно ожидать, как мы уже говорили, радикального изменения свойств пространства и времени в ультрамалом, где становятся возможными спонтанные флюктуации скорости течения и далее самого направления времени, а метрика пространства оказывается зависящей от времени. В развитии космоса также могут быть особые, выделенные моменты времени, тот же Большой взрыв, например, которым началось развитие нашей Вселенной. Все это заставляет предполагать, что при определенных условиях закон сохранения энергии может и не соблюдаться.

Вот какие далеко идущие выводы заставляет сделать теорема Неттер! Удивительно ли, что часть ученых восприняла ее с недоверием?

Однако как не заманчиво открыть процессы, которые не подчиняются закону сохранения энергии, нельзя все же забывать, что в круге изученных явлений этот закон никаких исключений не знает. В попытках найти нарушения этого или других великих законов сохранения было выполнено огромное количество весьма остроумных и изощренных экспериментов. Скрупулезно анализировались эксперименты по поиску анизотропии и пространственно-временной неоднородности в доступной нашим приборам части Вселенной. Никаких аномалий! Различие в скорости света, например, распространяющегося по разным направлениям («эфирный ветер», характеризующий степень анизотропии пространства), не превосходит стомиллионной доли процента. Скорость течения или, как еще говорят, ритм времени также остается совершенно неизменным в пределах точности современных приборов. Вечного двигателя не построишь — эта школьная истина остается незыблемой.

На основе закона сохранения энергий был сделан ряд выдающихся открытий. Так, к концу 20-х годов выяснилось, что энергия электронов, вылетающих при радиоактивном распаде ядер, изменяется от случая к случаю. Куда девается разница — оставалось загадкой. Не экспериментальное ли это доказательство того, предположил Нильс Бор, что энергия в микропроцессах сохраняется лишь в среднем, статистически? Против выдающегося физика, к мнению которого прислушивались все, решился выступить швейцарский теоретик Вольфганг Паули. Нет, говорил он, закон сохранения энергии настолько фундаментален, что нужно допустить иное: вместе с электроном рождается неуловимая пока на опыте частица. Она-то и «крадет» недостающую энергию. Свойства этой частицы должны быть совершенно необычными: во-первых, она практически ничего не весит, а во-вторых, почти не взаимодействует с окружающим веществом. Частица-невидимка, ускользающая из всех расставленных физиками ловушек (позднее итальянский физик Энрико Ферми придумал ей название — нейтрино, то есть «нейтрончик»)! Спустя 23 года предсказанные Паули нейтрино были обнаружены в экспериментах, а закон сохранения энергии снова, в который раз, остался неуязвимым.

С помощью этого закона были обнаружены сверхкороткоживущие частицы — резонансы, объяснены многие парадоксальные явления квантовой физики. Поэтому сохранение энергии рассматривается в настоящее время как одно из основных требований, которым должны удовлетворять физические теории. И лишь та теория, которая позволит объяснить значительно более широкий круг вопросов, чем ныне известные теории, может устоять против бритвы Оккама и пренебречь этим критерием. Многие физики считают, что таким свойством обладает теория гравитации Эйнштейна.

Но не будем забегать вперед... Зададимся сначала вопросом: может ли быть движение без энергии? Сначала ответ кажется очевидным: раз есть движение, должна быть и энергия, как же может быть иначе? Давайте, однако, рассмотрим внимательнее, что такое энергия.

Этот термин впервые ввел в обиход в начале прошлого века английский физик Томас Юнг, хотя под названием «живая сила» понятие энергии уже давно использовалось учеными. В физике известно много различных видов энергии, но наиболее общий подход к понятию энергии был найден не физиком, а философом, и это был не кто иной, как Фридрих Энгельс. На протяжении всей книги нам приходится в той или иной мере касаться философских вопросов, и это естественно, ведь физика изучает основы мироздания, чего без философского анализа делать немыслимо.

Большинство из нас еще из школьных учебников помнит, что энергия — это запасенная работа. В возможности совершить работу как раз и состоит то общее, что объединяет различные виды энергии. Что же такое работа, мы имеем представление из повседневной практики. В самом же общем случае Энгельс связал работу со способностью различных видов материи изменять форму своего движения. Переход от механического движения к тепловому, от теплового к электромагнитному и так далее всегда сопровождается работой. А так как движение в философии понимается очень широко — как любое изменение свойств и качеств материи, то, казалось бы, можно сделать вывод о том, что работа и энергия — величины совершенно универсальные, присущие любым физическим процессам и явлениям. Но это не так.

Энгельс в очень общей форме выразил то основное, что характеризует работу и энергию, и это справедливо и точно. Но отсюда вовсе не следует, как кажется некоторым ученым, что эти величины связаны с любым видом движения. Ведь исходя из того факта, что яблоко — плод, растущий на дереве, мы не станем утверждать, что на любом плодовом дереве обязательно должны расти яблоки. В природе могут существовать и такие формы движения, с которыми энергия не связана, она для них не имеет смысла. Иначе говоря, в природе возможно движение без энергии, не нарушение закона сохранения энергии, а как бы его отсутствие в определенных обстоятельствах.

В своих работах Энгельс не раз писал об ограниченности всякого свойства, любой физической величины. Энергия — не исключение. Можно не сомневаться, что в будущем появятся теории, в которых место энергий займет какая-то другая, возможно, связанная с ней, но более общая величина. Природа, как мы не раз убеждались, неисчерпаема.

Как уже говорилось, в нашем восприятии окружающего мира мы похожи иногда на очень близорукого человека, который снял очки, отчего мелко напечатанный текст кажется ему сплошным серым фоном. Заметить неоднородности можно лишь сквозь «очки» будущих физических экспериментов. И тогда, подсказывает нам философия, мы убедимся, что закон сохранения энергии — это только инфраструктура очень сложного «узора» физических процессов.

Ну а если забыть о философии и на минутку все-таки допустить, что энергия существует всегда и везде, то подобное допущение придется сделать также для импульса, углового момента, электрического заряда и для всех других величин, которые пока что подчиняются строгим законам сохранения. Согласитесь, что такая картина мало чем отличается от представлений древних мыслителей, которые считали, что весь мир состоит из универсальных и неизменных первичных сущностей — огня, воды, земли, воздуха.

Конечно, пока все это — общие рассуждения. Более убедительным было бы указать хотя бы один конкретный пример, когда понятие энергии «не работает» или по крайней мере наталкивается на определенные трудности. Что ж, таким примером может служить теория гравитации Эйнштейна.

Новая теория сравнительно легко пробивает себе дорогу, если она является ответом на экспериментальные открытия. Теорию поддерживает сам факт ее согласия с опытом. Так развивалась, например, в 20-х годах квантовая механика. Хотя ее идеи выглядели чрезвычайно парадоксальными, они объясняли строение атома и предсказывали множество явлений, которые быстро находили подтверждение в опытах. Эксперимент и теория как бы подталкивали друг друга.

Все становится значительно сложнее, когда эксперимент неплохо объясняется уже имеющимися теориями, и новая теория создается главным образом исходя из логических соображений. Тогда основным «оружием» новой теории становится ее концептуальное совершенство — ее красота, как говорят физики. Именно так было создано самое сложное теоретическое построение современной физики — эйнштейновская теория пространства, времени и тяготения, которую из-за того, что она рассматривает физические явления относительно любых, произвольно движущихся систем координат, часто называют общей теорией относительности. По сложности ее превосходит лишь «теория суперобъединения», сама основанная на теории Эйнштейна и включающая ее в себя как частный случай.

Размышления о природе гравитации увлекли Эйнштейна, когда ему было немногим более 25 лет, и не оставляли в течение всех последующих 50 лет его жизни. Он довольно быстро уяснил себе глубокую связь, существующую между гравитацией и пространством. Более того, открытые незадолго до этого Лоренцем формулы для перехода от одной движущейся системы координат, к другой говорили, что пространство нельзя рассматривать отдельно от времени. Три пространственные координаты и время входили в эти формулы так симметрично, что можно было говорить об едином четырехмерном пространстве-времени. Но с каким конкретным свойством пространства-времени следует связать силу тяготения, оставалось неясным.