Book: Кварки, протоны, Вселенная



Кварки, протоны, Вселенная

Владилен Сергеевич Барашенков

Кварки, протоны, Вселенная

Кварки, протоны, Вселенная

НАУКА И ПРОГРЕСС

В.С.Барашенков

КВАРКИ,

ПРОТОНЫ,

ВСЕЛЕННАЯ

Автор: БАРАШЕНКОВ Владилен Сергеевич (р. 1929)—профессор, доктор физико-математических наук, начальник сектора Объединенного института ядерных исследований в Дубне, автор семи монографий, в том числе «Проблемы субатомного пространства и времени» (М., 1979) и «Существуют ли границы науки» (М., 1983), а также более 300 статей в специальных и популярных журналах.

Рецензенты: Ю. Б. Молчанов — доктор философских наук, ведущий научный сотрудник Института философии АН СССР; А. Ф. Писарев — доктор физико-математических наук, начальник сектора Объединения института ядерных исследований в Дубне.

ГЛАВА ПЕРВАЯ,


которую можно считать предисловием; в ней читатель знакомится с автором и вместе с ним размышляет над особенностями современной физической науки

Кварки, протоны, Вселенная

Самое, пожалуй, удивительное в современной физике — это неожиданная связь между космосом, где галактики и звездные скопления разбросаны подобно редким пылинкам, и тесным, исчезающе малым микромиром элементарных частиц. Два полюса мироздания! На одном огромная, расширяющаяся Вселенная, на другом — не видимые ни под каким микроскопом, почти эфемерные «кирпичики» вещества. И вот оказывается, что при определенных условиях Вселенная может обладать свойствами микрочастицы, а некоторые микрообъекты, возможно, содержат внутри себя целые космические миры. Во всяком случае, так говорит теория. Большое и малое, сложное и простое — здесь все переплелось.

Как хитро устроена природа! Она как масштабная линейка, завязанная в узел. Поди разберись, где тут начало!

Из чего состоят протон и нейтрон? Есть ли что-нибудь еще глубже, меньше? И вообще, может ли быть предел делимости материи? Что творилось в нашей Вселенной, когда она была еще совсем юной и ее размеры были в миллиарды миллиардов раз меньше атома? Что такое античастицы и существуют ли миры из антивещества? Масса вопросов, и каждый из них тянет за собой вереницу новых, про которые и самим ученым еще далеко не все ясно.

Давно у меня была мысль написать об этом книгу — такую, которая была бы интересна и юношам, выбирающим себе путь в жизни, и людям более солидного возраста, интересующимся загадками и нерешенными проблемами современной науки. И вот однажды... Впрочем, лучше все по порядку.

Я теоретик, физик-теоретик. Мое рабочее место — письменный стол, заваленный бумагами, иногда — диван, на который я перемещаюсь время от времени, когда устаю или хочу спокойно обдумать что-либо важное. Правда, теперь мне все чаще приходится садиться за соседний столик с терминалом — устройством для связи с вычислительной машиной.

Как и многие физики, я живу в небольшом научном городке, вся жизнь которого сконцентрирована вокруг института. Кинотеатр, Дом ученых, телевизор — наши обычные вечерние развлечения.

С телевизора, собственно, все и началось. Помню, как на экране, щуря близорукие глаза за толстыми стеклами очков, известный писатель сетовал на то, что хорошо, мол, было Жюлю Верну писать о науке, когда она была такой простой и понятной, а вот теперь место наглядных образов в ней заняли одни формулы. Как объяснить простому человеку, что такое изотопическое пространство или почему части элементарной частицы больше и тяжелее ее самой? Или — что одна и та же частица может находиться сразу в нескольких местах. Еще вчера, продолжал он, физик Дмитрий Иванович Блохинцев говорил, что теорию он считает понятной, если он, ученый, может объяснить ее «первому встречному солдату». А сегодня плохо понимают друг друга даже сами ученые, работающие в близких областях. Физик-ядерщик чувствует себя подчас чужестранцем среди теоретиков, обсуждающих теорию поля, а радиофизику, попавшему на семинар по элементарным частицам, непонятны не только идеи, но и сама терминология, которой пользуются участники семинара. Работа ученых все больше напоминает возведение Вавилонской башни, которая, согласно легенде, рухнула из-за того, что у ее строителей не было единого языка...

В общем-то, писатель был прав. По сравнению с временами Жюля Верна наука многое потеряла в своей наглядности. И дело не только в том, что она стала сложнее. Наука прошлого века тоже была достаточно сложной. Когда мы хотим наглядно представить себе, чем занимается сегодня физик; мы сталкиваемся с двумя трудностями. Во-первых, у нас часто просто нет способа увидеть объект, с которым он имеет дело. В оптический микроскоп можно разглядеть бактерию. С помощью электронного микроскопа можно сфотографировать вирусы и даже крупные атомы. Но вот увидеть элементарную частицу, а тем более то, что происходит внутри нее, уже нельзя. Масса этой частицы так мала, что каждое взаимодействие со световым или электронным лучом резко меняет ее пространственное положение, или, говоря другими словами, отбрасывает ее в сторону, и нам уже просто нечего рассматривать. То, что наблюдают в опыте,— это усредненный результат большого числа таких взаимодействий с различными частицами, некая размытая интерференционная картина. Сведения об отдельной частице и о ее внутренних деталях можно получить только путем математического анализа — через призму длинных и сложных формул. Увидеть, таким образом, частицу можно лишь мысленным взором. А для этого нужна соответствующая теоретическая подготовка.

Во-вторых, свойства объектов, с которыми физик встречается на микроуровне, настолько сложны и многогранны, что привычных образов окружающего нас обычного мира не хватает для их описания. Это все равно, что с помощью букв и нотных знаков попытаться растолковать человеку, глухому от рождения, всю прелесть музыкального произведения. Наша интуиция отказывается служить в микромире, где надо быть готовым встретиться с фактами, которые кажутся порой несовместимыми со здравым смыслом. Не следует только забывать, что «здравый смысл» — это всего лишь основанная на опыте привычки видеть ход вещей в определенном свете, привычка, которая при встрече с новыми явлениями может и подвести. Нелегко привыкнуть, например, к выводу теории относительности о расширении пространства и времени, трудно представить себе пространство, в котором нет ни правого, ни левого. А как согласовать со здравым смыслом вытекающий из опытов вывод о том, что внутри протона есть мезон, а сам мезон, в свою очередь, содержит протон?

И тем не менее ведь сами-то ученые используют в своей работе какие-то наглядные образы и аналогии. Неужели их нельзя растолковать человеку, который усвоил основы школьной физики? При условии, конечно, что он не ждет готового ответа, который остается лишь запомнить, а будет размышлять, сопоставлять, сравнивать.

Мне очень захотелось совершить эту попытку. Но все оказалось значительно сложнее, чем я себе представлял. Потребовалось несколько лет, чтобы сначала в лекциях и журнальных статьях, а затем уже в объемистой рукописи так обработать и отшлифовать материал, чтобы из него получилась научно-популярная книга. Книга эта, которую я теперь предлагаю на суд читателя, представляет собой очерки о самых трудных, во многом еще спорных, загадочных и вместе с тем очень важных, принципиальных вопросах современной физики, связывающих микромир с космосом.

Читатель узнает о вещах и явлениях, которые с первого взгляда могут показаться ему просто невозможными, противоречащими законам логики,— о рождении Вселенной из точки, о бесконечном мире с конечным объемом, об объектах, части которых больше целого, о микрочастицах, содержащих внутри себя тела космических размеров, о движении без энергии... Впрочем, развитие науки не раз передвигало границы между возможным и невозможным. Идея ученых о шарообразности Земли когда-то тоже казалась «очевидной нелепостью».

Один из моих знакомых физиков как-то заметил, что книга о проблемах современной науки должна писаться таким образом, чтобы озадаченный вначале и, возможно, даже несколько рассерженный читатель с мыслью «ну, этого просто не может быть» устремился бы в глубь текста с целью уличить автора в ошибках и по мере приближения к концу книги постепенно превращался в союзника автора. Мне бы очень хотелось, чтобы после прочтения книги у читателя возникла цельная картина строения окружающего нас мира: от суперэлементарных частиц — кварков — до самого большого из всех известных нам космических объектов, который называют «наша Вселенная». И чтобы читатель понял, что открытые и предсказываемые наукой удивительные и невероятные явления означают лишь более глубокое проникновение в природу, отражение новых, неожиданных граней неисчерпаемого материального мира, где нас ждет много всяких диковин.

О трудных и парадоксальных проблемах я старался рассказать с разных точек зрения. Поэтому кое-где в книге есть повторения, но они помогают лучше понять суть дела.

Когда заходит речь о самом большом и самом малом, где нашим знаниям противостоит область загадочного и неизвестного, никак нельзя обойтись без философии. И мы без нее не обойдемся: в основе наших рассуждений лежит диалектический материализм, по поводу которого один из его основоположников, Фридрих Энгельс, говорил, кстати, что это не свод застывших, раз и навсегда установленных правил, а живой, динамичный метод, чутко откликающийся на каждое фундаментальное открытие в естествознании. Наше понимание пространства, времени, материи становится все более общим и вместе с тем все более точным. Как и естественные науки, марксистская философия развивается: в ней возникают новые проблемы и новые их решения.

ГЛАВА ВТОРАЯ,


в которой рассказывается об истории открытия атомов и) элементарных частиц и делается попытка объяснить, каким образом в протоне оказывается мезон, а в мезоне — протон

Кварки, протоны, Вселенная

Еще со школьной скамьи нам известно, что вещество — твердые тела, жидкости, газы — все это состоит из атомов. В свою очередь, каждый атом — это как бы маленькая солнечная система: в центре солнце-ядро, вокруг вращаются планеты-электроны. Сегодня эту схему можно встретить даже на политических плакатах.

Размеры атома чрезвычайно малы. Он в десятки миллиардов раз мельче макового зернышка, а его ядро еще в десятки тысяч раз мельче. Ультрамикроскопические пылинки, почти точки! Но ведь это означает, что окружающие нас тела и мы сами состоим в основном из пустоты! И как ни удивительно, но это факт! В исчезающе малом объеме ядра заключена практически вся масса атома, на вращающиеся планеты-электроны приходятся лишь сотые доли процента. Плотность ядерного вещества в десять триллионов раз превосходит плотность стали.

Атомное ядро, как мы помним тоже со школьных времен, состоит из протона и нейтрона. По внешнему виду оно похоже на шарик слипшихся маковых зернышек. В ядре водорода таких зернышек всего одно — один-единственный протон; в ядрах тяжелых элементов, например в свинце или уране, их уже более двухсот, причем протонов приблизительно столько же, сколько и нейтронов.

Ну а дальше, из чего состоят протон, нейтрон, электрон? И как глубоко в недра материи спускается лестница таких «ступенек»? В русских народных сказках рассказывается о дремучем лесе, в середине которого высится гора, на ее вершине растет дуб, на дубе висит сундук, в нем сидит утка, в ней — яйцо, в яйце — игла, а на ее кончике Кощеева смерть. Может, природа устроена по такой же схеме, и существует последняя, «самая глубокая» ступенька — неделимые далее элементарные объекты, из которых, как из деталей детского конструктора, собрана вся Вселенная? Или же лестница структурных форм материи бесконечна?

Эти вопросы важны не только потому, что нам интересно знать, как устроен окружающий мир. История науки свидетельствует, что всякий раз, когда человечество овладевало очередной ступенькой, ведущей в глубь вещества, это приводило к открытию нового, еще более, мощного вида энергии.

Химическая энергия горения и взрыва связана с перестройкой электронных оболочек атомов и состоящих из них молекул. Процессы деления и слияния атомных ядер сопровождаются выделением в миллионы раз большего количества энергии. С еще большим выделением энергии мы встречаемся на уровне элементарных частиц, например в процессах аннигиляции, то есть взаимоуничтожения протона и антипротона. Словом, изучение строения вещества — это одновременно и поиски новых энергетических возможностей. Когда думаешь об этом, не устаешь удивляться: атом сначала придумали, изобрели и только потом открыли — через две с половиной тысячи лет! Изобрели его древнегреческие ученые Левкипп и. Демокрит. Они учили, что мир состоит из бесчисленного числа твердых неделимых далее частичек. Слово «атом» как раз и означает в переводе с греческого «неделимый». Атомы, согласно Левкиппу, могут быть самой различной формы: круглые, пирамидальные, плоские. Поэтому и свойства состоящего из них мира неисчерпаемо разнообразны. Цепляясь друг за друга крючочками, атомы образуют твердые тела и жидкости.

Но как можно было говорить об атомах, если в то далекое время не было даже микроскопа? Не была ли атомная теория древнегреческих ученых просто выдумкой, наподобие тех, что изобретают в своих книгах писатели-фантасты, а потом оказалось, что она случайно совпадает с атомистикой нашего времени?

Нет, не была. Греческая атомистика родилась не на пустом месте. Сначала она возникла чисто логически: если бы все на свете делилось бесконечно, рассуждали упомянутые философы, то материальный мир не мог бы существовать. Значит, есть предел делимости, есть неделимые частицы. Затем атомистика начала предлагать простое и наглядное объяснение многим очевидным, но не совсем понятным тогда фактам: почему, например, от прикосновений верующих стирается позолота со статуй богов и сами статуи становятся тоньше, почему мел остается мелом, как бы тонко его ни истолкли. Подобных загадок было много. Конечно, их можно было объяснить и без атомов. Но атомисты объясняли эти загадки со своей позиции. Сначала Демокрит, за ним — Эпикур. Для того чтобы их гениальная гипотеза превратилась в научный факт, понадобилось почти двадцать пять веков.

Прощупали атом сравнительно недавно — в 1909 г. Сделал это с помощью альфа-частиц английский физик Эрнест Резерфорд. Он первым «рассмотрел» и атомное ядро. Двадцать лет спустя немецкий физик Вернер Гейзенберг и его советский коллега Дмитрий Дмитриевич Иваненко, ныне профессор Московского университета, выдвинули быстро подтвердившуюся на опыте гипотезу о том, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Дальше открытия посыпались как из рога изобилия. Перед второй мировой войной был открыт мезон, а после войны редкий год не приносил какой-либо новой частицы или теории, предсказывавшей дальнейшие открытия. На сегодняшний день известно несколько сотен элементарных частиц. За последние два десятка лет наука узнала о строении мира больше, чем за все предшествующие столетия.

Вернемся теперь к вопросу о том, из чего состоят частицы ядра — протон и нейтрон. Они настолько похожи друг на друга по своим свойствам, что физики считают их как бы двумя состояниями одной и той же частицы — нуклона. Когда у нуклона нет электрического заряда — это нейтрон, когда же в результате взаимодействий он получит заряд, возникнет протон. В каком-то смысле нуклон напоминает монету: одна ее сторона — протон, а другая — нейтрон.

Подобным же образом можно сгруппировать и другие частицы с близкими свойствами. Каждая из них представляет собой как бы сторону единого многогранника. Частицу мезон, например, о которой еще пойдет у нас речь, можно уподобить трехгранной пирамиде: одна ее сторона соответствует отрицательно заряженному мезону, вторая — мезону с положительным зарядом, а третья — их нейтральному собрату.

Иногда думают, что научно-популярная статья или книга — дело нехитрое: ведь речь идет о вещах, хорошо знакомых автору. Начинай и рассказывай! Это и так и не так. Предмет действительно автору хорошо знаком, по есть одна серьезная трудность — язык. Ученый говорит и думает на емком профессиональном языке, где за каждым словом кроется уйма специальных понятий. Например, для описания свойств заряженных и нейтральных частиц в физике вводится особая величина — изотопический спин. Это нечто вроде момента количества движения вращающегося штопора, только вращающегося не в обычном пространстве, а в зарядовом. Когда изотопический спин нуклона направлен вверх — частица является протоном, когда вниз— нейтроном. Изотопический спин мезона имеет три направления — вверх, вниз и вбок. Есть частицы, чей спин обладает еще большим количеством направлений. Попробуйте переложить все это на обиходный язык! А если пуститься в подробные объяснения, вас просто перестанут слушать. Вот и приходится прибегать к аналогиям, заменять сложные и точные понятия более простыми и приблизительными. Проигрываем в строгости, зато выигрываем в наглядности.



Каждый из нас не раз наблюдал за жонглером, который так быстро бросает и ловит шарик, что его мелькание воспринимается как целое облако шариков. Сходным образом ведут себя протон и нейтрон. Очень быстро испуская и поглощая легкую частицу мезон, они создают вокруг себя облако электрических зарядов. Продолжительность каждого отдельного акта испускания и поглощения очень мала, но благодаря многократным их повторениям возникает некая пространственная структура. Точечная частица превращается в протяженную, или, как говорят физики, в размазанную.

Испустив положительно заряженный мезон, протон становится нейтроном, а нейтрон, испустив отрицательно заряженный мезон, превращается в протон. Если же испускается нейтральный мезон, то протон так и остается протоном, а нейтрон— нейтроном.

С первого взгляда все это противоречит здравому смыслу. Известно ведь, что нейтрон тяжелее протона. Как же может протон превратиться в более тяжелый нейтрон, да еще и оторвав от себя довольно увесистый «кусочек» в виде мезона?

Во всех этих процессах масса двух конечных частиц действительно больше массы исходной частицы. И в силу закона сохранения энергии такие процессы невозможны. И тем не менее они происходят, а закон не нарушается.

Благодаря особенностям волнового движения микрочастиц их траектории (можно сказать, даже сами эти частицы) как бы размазаны в пространстве. При этом скорость, а следовательно, и энергия частицы в течение очень короткого времени оказываются несколько неопределенными — как раз настолько, чтобы скомпенсировать кажущееся несохранение энергии. С точки зрения обычной школьной физики понять это нелегко, но в науке всегда приходится кое-что принимать сначала на веру, прячась за спасительной формулой: это следует из опыта. Теоретическое обоснование в таких случаях приходит потом.

Частицы, которые рождаются и быстро исчезают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии, часто называют виртуальными, то есть возможными. Их рождение можно рассматривать как квантовые флюктуации (колебания, отклонения от нормы) массы и энергии, благодаря чему у любого физического тела эти величины в каждый момент времени оказываются чуть-чуть неопределенными. Точное значение они имеют лишь в среднем — для больших интервалов времени. Как мы увидим далее, рождением виртуальных частиц объясняются многие удивительные явления микромира.

Облако виртуальных мезонов внутри протона впервые было обнаружено в опытах с рассеянием быстрых электронов на ядрах водорода. Для этих опытов в Калифорнии был построен специальный ускоритель — огромная установка, разгонявшая электроны до скоростей, которые только на десятитысячные доли процента не достигали скорости света. Оказалось, что электроны рассеиваются совсем не так, как это происходило бы, будь протон заряженной точкой. Получалось, что протон — вовсе не точка, а довольно крупный объект с радиусом, который всего лишь в три раза меньше радиуса ядра углерода.

А вот когда подобные опыты проделали с нейтронами, результат получился совершенно неожиданный. Радиус облака электрических зарядов в нейтроне оказался равным нулю! Внутри этой частицы было что-то такое, что нейтрализовало заряд мезонного облака. Это «что-то» долго оставалось загадкой. Для ее объяснения предлагалось множество гипотез, но ни одна из них не выдержала проверки экспериментом и теорией.

Помню, был такой случай. Один известный московский теоретик (не буду сейчас называть его имени) изучал спонтанное, то есть самопроизвольное, рождение античастиц внутри нейтрона. Если они появляются на очень короткое время, то, как и испускание мезонов, это не нарушает закона сохранения энергии, но может повлиять на распределение зарядов в нейтроне. До конца теоретику решить задачу не удавалось, но промежуточные результаты выглядели настолько обнадеживающими, что было решено сообщить о них на ближайшем международном конгрессе. По некоторым причинам сам теоретик на этот конгресс поехать не мог и передал рукопись доклада одному из своих коллег. И надо же было так случиться, что уже во время доклада тот внезапно обнаружил: в рукописи недостает нескольких страниц с наиболее важными выкладками! Остались они в Москве или же выпали во время таможенных осмотров на границах, не известно. Ясно было одно — восстановить выкладки по памяти не удастся, слишком уж они сложны.

Зал конгресса притих, ожидая, что предпримет докладчик.

И вот тут, в те несколько минут, пока тот лихорадочно перебирал свои бумаги в безнадежных попытках найти утерянные листки, он вдруг увидел совершенно новый путь к решению задачи — более простой, а главное, доводивший решение до конца.

Одна за другой выстраивались на доске длинные цепочки формул. В зале уже поняли идею расчета и по страничкам блокнотов забегали карандаши. И зал и докладчик закончили расчет одновременно: радиус

нейтрона получился не равным нулю. Раздался общий вздох разочарования.

— Опять нам не повезло, нейтрон никак не хочет расстаться со своей тайной! — подвел итог докладчик и, сопровождаемый аплодисментами и смехом зала, вернулся на свое место.

Тайна была раскрыта спустя несколько лет. И как это уже не раз случалось в истории науки, природа оказалась куда изобретательнее физиков. Выяснилось, что при определенных условиях мезоны могут как бы слипаться, образуя новые, необычайно короткоживущие частицы. Из таких частиц-«капель» в основном и состоит мезонная «шуба» нуклона. Одиночные мезоны встречаются в ней редко.

В протоне условия благоприятствуют образованию заряженных мезонных «капель», в нейтроне—нейтральных, поэтому электроны и не чувствуют электрической мезонной шубы нейтрона. Для них она прозрачна. Нейтрон ведет себя как протяженная частица с размазанными в пространстве массой и магнитным моментом и равным нулю радиусом распределения электрических зарядов.

Если вспомнить аналогию с жонглером, то можно сказать, что он подбрасывает сразу несколько шариков, которые иногда слипаются в нары и тройки.

Тяжелые и легкие частицы располагаются в нуклоне не вперемешку, а в определенном порядке. Чем тяжелее испускаемая частица, тем быстрее происходит ее обратное поглощение и тем меньшее расстояние успевает она пройти. Поэтому тяжелые частицы тяготеют к центру нуклона. И этот центр должен быть значительно плотнее и тяжелее, чем периферия. Просвечивание в электронных и мезонных пучках подтвердило это. Вещество в нуклоне, как и в атоме, сконцентрировано главным образом в его сердцевине. Но если атом состоит в основном из пустоты, то в нуклоне нет резкой границы между оболочкой и центральным остовом — керном. Атом своим строением напоминает Солнечную систему, а нуклон больше похож на планету с массивным центральным ядром и окружающей ее протяженной атмосферой. Радиус керна в нуклоне всего лишь в несколько раз меньше размеров мезонной шубы.

Пожалуй, еще лучше сравнить нуклон со спелым абрикосом или персиком. В центре косточка керн, а вокруг — мякоть, плотная внутри и очень мягкая, рыхлая снаружи.

И еще одно важное отличие строения нуклона от атома. Электрон присутствует в атоме всегда, а мезон рождается и тут же исчезает. Нуклон как бы пульсирует или, лучше сказать, мигает. Вспыхнет мезонным «светом» и погаснет, снова вспыхнет и снова погаснет... Его структура — это усредненный или, как говорят физики, динамический эффект.

Получается, что при малом увеличении окружающие нас тела —твердые, а при большом увеличении они выглядят как динамические пульсирующие системы.

Сложной внутренней структурой должны обладать все частицы; любая из них окружает себя облаком рож-дающихся и исчезающих дочерних частиц. Правда, сведения об этом пока еще скудны, но о мезоне, например, кое-что определенное уже известно.

Прежде всего внесем важное уточнение. Открыто много различных типов мезонов — несколько десятков. Друг от друга они отличаются массой и другими свойствами. Один из самых легких, входящий в состав нуклона мезон, называют пи-мезоном. Он раз в семь легче протона. Частицы, образующиеся при слиянии двух и трех пи-мезонов, называют ро- и омега-мезонами. Все эти названия происходят от соответствующих греческих букв π, ρ, ω, которыми физики обозначают частицы.

Есть впрочем, еще К-мезоны, свойства которых в свое время так поразили физиков, что они отнесли эти частицы к разряду странных. Это название так за ними и сохранилось. Их масса составляет около половины массы нуклона. Ну, а самые тяжелые мезоны, обозначаемые большими буквами X и Y, весят раз в сто больше протона и нейтрона — примерно столько же, сколько атом брома или даже молибдена! Не исключено, что в природе существуют и более тяжелые частицы.

Можно составить целый каталог мезонов. Все они — нестабильные, короткоживущие частицы. Самый устойчивый и самый легкий из них, мю-мезон, живет приблизительно миллионную долю секунды и распадается на электрон и нейтрино. Заряженные пи-мезоны живут в 100 раз меньше, а их нейтральный брат еще в 100 миллионов раз меньше — около 10-10 секунд. Нейтральный пи-мезон почти мгновенно распадается на два фотона с большой энергией: вещество превращается в коротковолновое электромагнитное излучение.

Кстати сказать, с открытием пи- и мю-мезонов произошла занятная путаница. В середине 30-х годов мезон был теоретически предсказан физиком Хидеки Юкавой. Понадобился он для того, чтобы объяснить сильное притяжение нуклонов внутри ядра. Из расчетов следовало, что мезон должен быть в 200—300 раз тяжелее электрона. Вскоре частицу с такой массой обнаружили в космических лучах. Однако, к удивлению физиков, она легко проходила сквозь толстые железные и свинцовые экраны, и оставалось загадкой, каким же образом столь слабо взаимодействующая частица может так плотно связывать нуклоны в ядрах. Ответ был найден уже после войны. Оказалось, что существует не один, а два мезона: один — более легкий и слабо взаимодействующий (его-то и открыли в предвоенные годы) и другой — предсказанный Юкавой сильно взаимодействующий пи-мезон. Физиков сбила с толку близость масс этих частиц. Да никто в то время и не думал, что мезонов, может быть много. Все были уверены, что раз частицы «элементарные», то их число невелико.

Овальное, плоское, как изображение на медальоне, лицо с короткими прямыми бровями и высоким, почти квадратным лбом — таков портрет знаменитого теоретика Юкавы (до женитьбы его имя было Хидеки Огава, но, женившись, он, по японскому обычаю, взял фамилию жены — Юкава). Жизнь Юкавы не богата внешними событиями. Он не строил реакторов и не создавал атомных бомб, как Энрико Ферми, и не бежал из оккупированного фашистами родного города в бомбовом отсеке самолета, подобно Нильсу Бору. Если не считать коротких научных командировок, то всю свою жизнь он прожил в древней столице Японии Киото — небольшом, тихом научном городке вблизи Токио. Много зелени,-храмов, памятников старины...

Юкава был пятым ребенком из семи, родившихся в семье известного профессора географии. Первые шаги в науке он сделал в конце 20-х годов, когда на Западе физика была взбудоражена идеями квантовой теории и каждый номер физического журнала приносил сенсационные новости. А в университете, где Юкава получил место ассистента, в то время не было ни одного человека, который мог бы читать лекции по квантовой механике. Сам Юкава познакомился с нею во время публичной лекции приезжего профессора из Европы. Трудно поверить, что всего лишь через шесть лет появилась его знаменитая мезонная теория.

Недавние совместные опыты советских и американских физиков привели к выводу, что предсказанный Юкавой пи-мезон имеет почти такой же радиус, как и протон. Поразительный результат: часть имеет такие же размеры, что и целое! Мало того, теория предсказывает, что пи-мезон должен обладать слоистой структурой, периферия которой образуется в результате его распада на несколько... точно таких же пи-мезонов! Рождаясь, они сильно взаимодействуют между собой и быстро слипаются вновь в один пи-мезон. Получается такая же «мигающая» структура, как и у протона. В ее центральных областях рождаются и поглощаются тяжелые частицы. Центр мезона должен быть более, плотным и массивным, чем его периферия.

Насколько верна эта картина, покажут дальнейшие эксперименты. Слишком необычен внутренний мир частиц, чтобы можно было заранее быть в чем-нибудь уверенным.

Заряженные пи-мезоны распадаются за стомиллионную долю секунды, время жизни наименее устойчивых частиц изображается десятичной дробью более чем с двумя десятками нулей после запятой. Эти частицы распадаются, едва образовавшись. Тем не менее физики успевают рассмотреть даже такие эфемерные объекты. В соответствии с теорией относительности, когда частица движется, ход времени для нее замедляется и время ее жизни возрастает. Чем больше скорость частицы, тем дольше она живет. Быстрый космический мю-мезон, например, успевает за свою жизнь пройти сквозь всю толщу земной атмосферы. Если же время жизни частицы остается все-таки слишком коротким и приборы не успевают его заметить, то ее свойства определяются с помощью анализа вторичных, образовавшихся при ее распаде частиц. Это очень сложная задача; для ее решения часто приходится использовать мощные вычислительные машины.

Особенно трудно что-либо сказать о внутреннем строении электрона, хотя, казалось бы, известен он давно и к нему все привыкли. Дело в том, что радиус электрона, как показывают расчеты, должен быть по крайней мере в тысячу раз меньше радиуса протона. Песчинка рядом с валуном! Как заглянуть в глубины такой песчинки, если и «валун» до конца не исследован!

Впрочем, в том факте, что электрон так мал, можно усмотреть и счастливое обстоятельство: точечный электрон может служить хорошим снарядом для прощупывания других, более крупных частиц.

Удивительная природа элементарных частиц! Но самое, наверное, удивительное, с чем мы сталкиваемся, изучая их строение, это то, что внутри частицы и качестве ее составной части может находиться точно такая же частица или даже несколько таких частиц. Например, как уже говорилось выше, протон состоит из протона и пи-мезона, который не уступает ему в размерах, пи-мезон, в свою очередь,— из трех таких же мезонов и так далее. Это напоминает одно из упражнений буддийских монахов, когда путем поста и молитв человек доводит себя до галлюцинаций. Ему кажется, что из его пупка вырастает стебель с цветком лотоса, в чашечке которого сидит Будда, из пупка которого растет еще один цветок с Буддой, и так далее — живая цепь, уходящая в бесконечность.

Привычные для нас представления о простом и сложном, о целом и части в мире частиц часто оказываются неприменимыми. Мы привыкли к тому, что целое всегда сложнее и больше любой своей части. В микромире же часть может быть не менее сложной и более массивной, чем целое. В атоме, к примеру, энергия почти целиком сконцентрирована в его ядре и в орбитальных электронах. Энергия связи их составных частей невелика, и их взаимодействие практически не сказывается на их свойствах. Здесь применимы наши обычные представления о соотношении целого и части. Ядро атома — уже значительно более плотная система, однако и здесь на энергию связи протонов и нейтронов приходится не более одного процента полной энергии, и наши представления о целом и части остаются незыблемыми: ядро, как из кирпичиков, сложено из нуклонов, и их размеры меньше ядра. Пока все в порядке.

Но вот в самом протоне уже все смешалось. Энергия связи его частей настолько велика, что внутри образуемого ими целого они теряют индивидуальность. Утверждение о том, что частица состоит из других частиц, теперь приобретает уже весьма условный характер. Идея чисто механической делимости вещества больше не применима.

Нуклон еще как-то можно представить себе наглядно, но чтобы представить себе мезон, надо вообразить что-то вроде трех проникающих друг в друга пульсирующих пузырей с уплотнениями в центрах. К этому надо добавить еще несколько тяжелых бусинок, изображающих нуклоны и антинуклоны внутри пузырей. Даже не бусинок, а тоже пузырей с размерами, как у самого мезона. Полная путаница и каша! Но ничего не поделаешь: объекты микромира с их противоречивой сущностью нельзя изобразить одной картинкой: они чересчур сложны для этого. Физики представляют себе их с помощью моделей. Это как бы проекции под разными углами. Каждая из них выделяет одно или несколько свойств частицы, оставляя другие в стороне. Иначе ничего не получается.

Наглядное представление о мезоне и нуклоне — это набор многих отдельных картинок, которые отчасти даже противоречат друг другу. Ну а насколько согласованной и полной получается при этом общая картина, это уже зависит от знаний, опыта, воображения и таланта того, кто создает картину. Как бы то ни было, ясно, что современную физику нельзя просто выучить, к ней надо еще и привыкнуть.



Итак, поскольку все частицы взаимодействуют между собой, каждая из них образует вокруг себя облако, состоящее из частиц всех сортов, легких — на периферии, тяжелых — в глубине. Можно сказать, что элементарная частица состоит сразу из всех элементарных частиц, в том числе и из подобных себе. Своеобразная «ядерная демократия»! Иногда это называют еще принципом шнуровки: всякая частица распадается на несколько других, те распадаются, в свою очередь, и так далее. Получается единая крепко сплетенная сеть, где нет ни начала, ни конца и все частицы одновременно являются и элементарными и сложными.

На современных ускорителях — этих локаторах микромира — удается прощупать лишь внешние, периферические слои частиц. О том, что находится глубже, можно лишь строить догадки. Подобно тому как близорукий человек не замечает без очков мелких подробностей, так и нынешний ускоритель не способен разглядеть, что творится глубоко в недрах частицы. Для этого нужны машины со значительно большей энергией.

Но почему же тогда протон, мезон и другие частицы называют элементарными? Ведь они устроены так сложно. Неужели в мире нет ничего более простого, действительно элементарного.

Характерная особенность частиц, которые относят к разряду элементарных, состоит в том, что в любых известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга — взаимопревращаются. Как в волшебной сказке, где заколдованный лев вдруг превращается в маленького мышонка, тот — в кошку, а кошка еще в кого-нибудь. Сталкиваясь, частицы, подобно льву или мышонку, изменяют свою форму, и никаких более простых «кусков» от них не отцепляется. В то же время из них, как из кирпичиков, можно построить весь окружающий мир.

Частицы называют элементарными по традиции, но физики отдают себе отчет в том, что каждый такой «элемент» — сложная материальная система.

И все же недавно физики нащупали еще один этаж в строении вещества — нашли частицы, которые по сравнению со всеми открытыми раньше можно считать сверхэлементарными. Это кварки и антикварки — микрообъекты, которые находятся внутри элементарных частиц и которые пока никак не удается выделить в свободном виде. Тем не менее в их существовании уверены сегодня все физики.

Полагают, что кварк и антикварк имеют по нескольку состояний (вспомним аналогию с многогранником, разные стороны которого обладают различными свойствами). Сложение трех кварков в различных состояниях дает нуклон и гипероны — тяжелые, чем-то напоминающие нуклон частицы с очень коротким временем жизни. Сложение кварка и антикварка дает мезоны различных типов. В общем, из кварков и антикварков, как из блоков, можно «составить» нуклоны, мезоны и все остальные частицы.

Как самостоятельные частицы кварки и антикварки существуют где-то глубоко внутри элементарных частиц. На их периферии кварки могут находиться лишь в форме связанных сгустков, например в виде пи-мезонов. И вот что удивительно: «кварковый конструктор», или, как говорят физики, «кварковый счет», объясняет большое число экспериментальных фактов, с его помощью открыты новые типы элементарных частиц, и в то же время все попытки обнаружить свободные кварки в эксперименте терпят неудачу.

И еще более удивительный факт. Хотя кварка никто никогда не видел, тем не менее есть способ его «пощупать» и при этом не только определить заряд, магнитный момент и другие характеристики этой таинственной частицы, но даже оценить ее размеры. Кварк еще не открыт, но ощутить его уже можно!

Скептик может сказать, что рассуждать о свойствах частицы, которую никто не видел,— это все равно, что делить шкуру неубитого медведя. Но не будем торопиться. Вспомним про электрон, размеры которого очень малы, благодаря ему с его помощью можно исследовать самые мелкие детали глубоко внутри протона. Если бы протон представлял собой единую, монолитную систему, то вели-чина импульса столкнувшегося с ним и отскочившего в обратном направлении электрона давала бы нам сведения о скорости протона как целого. Но что получится, если протон состоит из отдельных частиц? Совсем другая картина: каждый раз электрон будет отскакивать от какой-то одной из них. И по характеру этих отскоков мы как раз и могли бы судить о распределении входящих в состав нуклона частиц, об их скоростях и других свойствах.

Похоже на радиолокацию, не правда ли? При слежении за летящим самолетом отраженный луч дает оператору сведения о его размерах и скорости, точь-в-точь как в опытах с рассеянием электронов на монолитном нуклоне! На экране локатора видна яркая светящаяся точка. Если же самолет будет поражен ракетой и разлетится на осколки, каждый из них отразит свой луч, к оператору придет целый набор лучей, и он увидит на экране размазанное световое пятно. Если же осколки разлетятся далеко друг от друга, на экране возникнет группа светящихся точек.

Так вот, электроны отскакивают от протона так, будто это целый рой отдельных частичек. Такой же результат дают опыты с рассеянием нейтрино на протонах и нейтронах. Анализ экспериментов показывает, что размеры частиц, рассеивающих электроны и нейтрино, по крайней мере раз в 10 меньше радиуса протона и что их свойства в точности совпадают с тем, что предсказывает теория кварков.

Тут сразу же, конечно, возникает вопрос, почему же тогда не удается обнаружить свободные кварки, не связанные в пары и тройки. Может, опыты недостаточно точны?

Нет, дело не в этом. Опыты повторялись много раз и в разных лабораториях. И все они были выполнены с высокой точностью. И тем не менее всякий раз результат был отрицателен: кварк оставался неуловимым! Создается впечатление, что мы видим туманные контуры чего-то совершенно непохожего на все, с чем мы до сих пор имели дело, и любая попытка описать это «нечто» на языке привычных представлений сразу же приводит к противоречиям. Американский физик Алекс Пановский, который первым обнаружил зернистое строение протонов, как-то заметил: природа, видимо, старается показать нам что-то очень простое, чего, однако, никто не видит...

В начале нашего века, анализируя философские, проблемы, которые выдвинуло развитие физики, В. И. Ленин высказал знаменитую мысль о неисчерпаемости электрона. Развитие науки подтвердило этот вывод, причем и философам, и физикам стало ясно, что под неисчерпаемостью следует понимать не только чисто механическую делимость, когда каждая часть состоит из еще более мелких частей. «Более глубокое» — это не всегда «меньше по размеру». На каждой ступени лестницы, ведущей в недра материи, мы находим множество новых свойств и новых физических объектов. Для их объяснения нам приходится спускаться на следующую ступень, и этот процесс углубления может быть бесконечным. Может, однако, случиться и так, что, изучая микромир, мы будем встречаться со все большей и большей энергией, и круг, так сказать, замкнется: в микромире мы снова встретимся с объектами и явлениями макроскопического порядка. Вот что такое истинная неисчерпаемость, понимаемая широко и в философском, и в физическом смысле.

Скорее всего, дело именно так и обстоит. Как подсказывает нам теория относительности, пространственно-временные масштабы микромира могут «переворачиваться», подобно песочным часам, и то, что было очень большим, может стать очень малым, а что было очень малым, наоборот, очень большим. Не будет чрезмерным преувеличением сказать, что в недрах элементарных частиц природа спрятала еще одни ворота в космос. Может быть, даже главные!

Это очень сложный вопрос. Мы вернемся к нему после того, как подробнее познакомимся с другими необычными свойствами микроявлений и разберемся в причинах неуловимости кварков.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ.


В ней говорится о том, что находится за порогом неизвестного: об универсальном конструкторе, об анатомии кварка, о таинственных хиггсонах и других вещах, которые обсуждают теоретики, но никогда еще не видели экспериментаторы

Кварки, протоны, Вселенная

По преданию, великий древнегреческий ученый Архимед открыл свой знаменитый закон, купаясь в ванне. Погруженное в жидкость тело теряет в своем весе ровно столько, сколько весит вытесненная им жидкость. Сегодня об этом знает каждый школьник. Так вот, при взаимодействии частиц происходит нечто похожее. Частицы оказываются погруженными в силовое поле, в своеобразную силовую ванну, и их массы уменьшаются — частицы становятся легче. Излишняя масса в виде излучения выплескивается в окружающее пространство. То же самое происходит при слиянии атомных ядер — здесь «брызги энергии» разлетаются во все стороны в виде быстро движущихся частиц и электромагнитных волн.

Выделение энергии в процессах слияния может быть огромным, как это происходит, например, при взрыве водородной бомбы, когда из каждых двух ядер тяжелого водорода, содержащегося внутри бомбы, образуется ядро гелия. Чем больше высвобождается энергии, тем более плотной и крепко связанной оказывается составная система — ядро или частица и тем труднее расщепить ее на части. Интенсивное силовое поле внутри такой системы напоминает густой сироп, в котором плавают ягодки-частицы.

Но вот что сейчас нам важно усвоить: масса поля, связывающего протон и нейтроны в ядро тяжелого водорода, в тысячи раз меньше их собственной массы. Поэтому, объединяясь в ядро, эти частицы не теряют своей индивидуальности — остаются сами собой. А вот внутри самого протона и нейтрона связи настолько сильны, что кварки, мезоны и другие частицы, из которых слеплен нуклон, почти полностью, если можно так выразиться, растворены в энергии их взаимодействия. Внутри элементарной частицы на связь ее частей уходит значительная доля общей энергии и массы. Это как раз и отличает элементарную частицу от тех частиц, которые мы называем составными, хотя и те и другие имеют сложную внутреннюю структуру.

Энергию связи вычислить нетрудно. Она равна разности массы частицы и суммы масс частиц — ее компонентов. Зная эту энергию, мы сразу можем сказать, элементарная перед нами частица или же составная, сложная.

Плохо только, что элементарных частиц набирается слишком уж много — несколько сотен, список их продолжает расти, и конца ему пока не видно. А если верить теории, то при слиянии любой пары частиц должна образоваться новая частица, поэтому число элементарных частиц вообще может оказаться бесконечным. Расчеты показывают, что, например, частиц, которые в 2—3 раза тяжелее протона, должно быть сотни тысяч, а частиц с массой в 5 раз тяжелее протона — сотни миллионов!

Трудно, по правде говоря, согласиться с тем, что природе понадобилось такое огромное количество простейших «строительных деталей». Весь наш предшествующий опыт свидетельствует о том, что природа всегда экономна в своих средствах. Но, с другой стороны, какое природе дело до нашего опыта и наших привычек?

В целом вся эта картина напоминает атомистику Демокрита и его последователей с бесконечным числом первичных элементов. Выходит, мы не так уж и далеко ушли от древних. С этим тоже не хочется соглашаться. Невольно напрашивается мысль о каком-то более глубоком уровне «суперэлементарных» частиц, будь то кварки, о которых говорилось выше, или еще что-то. Тем более что нечто подобное в истории науки уже было — с атомами химических элементов. Их ведь тоже немало, а когда-то все они тоже считались элементарными — равноправными и неделимыми.

Когда имеешь дело с выступающим из берегов океаном элементарных частиц, первое, что хочется сделать,— это попытаться все-таки выделить какие-то «наиболее элементарные» частицы, из которых можно составить все остальные. Таких попыток было много. Однако из них пока ничего не вышло: все частицы оказались в равной степени «элементарны», и любую из них можно включить в группу основных, из которых строятся все остальные.

И все-таки многолетние усилия физиков не пропали даром. Было установлено, что частицы можно разбить на группы — мультиплеты, и члены каждого из них можно рассматривать как различные состояния одной и той же частицы. Были найдены мультиплеты, состоящие из восьми и десяти частиц, — так называемые октеты и декуплеты. Известны мультиплеты, содержащие всего лишь по одной частице; их называют синглетами.

Мультиплеты объединяются в более сложные семейства — супермультиплеты. Уже неплохо изучены супермультиплеты, состоящие из 35 и 56 частиц. И самое главное, выяснилось, что мультиплеты и супермультиплеты не изолированы друг от друга, они связаны определенными соотношениями — правилами симметрии.

Получается нечто вроде периодической системы частиц, похожей на ту, благодаря которой Менделеев навел порядок среди химических элементов. И подобно тому как менделеевская система помогла открыть не известные ранее элементы, симметрия мультиплетов тоже предсказывает существование новых элементарных частиц, в том числе и кварков.

Все мы помним, что менделеевская таблица начинается с простейшего химического элемента — водорода, ядро которого состоит из одного протона. В той же клетке таблицы помещается собрат водорода — дейтерий с ядром из двух «слипшихся» частиц — протона и нейтрона. Эти два внутриядерных «кирпичика», образующие двухчастный мультиплет нуклон, и лежат в основе всей таблицы. «Периодическую таблицу» элементарных частиц возглавляет мультиплет, состоящий из трех кварков. Их можно считать «самыми элементарными», потому что из них можно построить все другие частицы — иногда простым «сложением», как атомные ядра из протонов и нейтронов, а иногда как возбужденные состояния уже построенных частиц.

Теперь самое время сделать важную оговорку. Кварки все же не универсальный «строительный материал». Из них нельзя «слепить» все без исключения элементарные частицы, а только сильновзаимодействующие. Кроме этих частиц, есть еще такие; интенсивность взаимодействия которых, а точнее сказать — его вероятность, намного меньше. По крайней мере в тысячу раз. Это известный нам электрон и три мезона, которые обозначают греческими буквами «мю», «тау» и «эпсилон». Впрочем, правильнее

было бы назвать их не мезонами, а тяжелыми электронами, так как они обладают такими же свойствами, что и электрон, только весят больше и в отличие от электрона они радиоактивны, то есть подвержены распаду.

Физикам до сих пор неясно, зачем природе потребовалось несколько различающихся по массе «изданий» электрона.

К этим частицам следует добавить еще и нейтрино, которое можно считать электроном, потерявшим заряд и массу, так сказать, «выродившимся» электроном. В газетах и даже научных журналах, правда, сообщалось, что в точных экспериментах у нейтрино обнаружена маленькая масса, однако контрольные опыты этого пока не подтвердили (хотя и не опровергли). Работать с этой частицей необычайно трудно, так как она удивительно слабо взаимодействует с веществом. В этом отношении нейтрино рекордсмен. Поток нейтрино, почти не ослабевая, проходит не только сквозь Землю, но и сквозь гигантское по сравнению с нею Солнце.

Так вот, нейтрино и другие слабовзаимодействующие электроноподобные частицы нельзя построить из кварков. Они составляют совершенно особое, изолированное семейство. Это частицы-точки, их размеры по крайней мере в тысячу раз меньше, чем у сильновзаимодействующих частиц. Физики называют их лептонами, а все сильновзаимодействующие частицы — адронами.

Названия эти происходят от греческих слов «легкий» и «тяжелый». Они возникли, когда физики еще не знали частиц тау и эпсилон. Электрон и мю-мезон, не говоря уже о нейтрино, действительно легче всех сильновзаимодействующих частиц. Но как можно назвать легким недавно открытый эпсилон-мезон, который весит столько же, сколько ядро бора,— в десять раз больше протона! Названия «лептон» и «адрон» сделались уже чисто условными, фактически синонимами эпитетов «слабо-» и «сильновзаимодействующий». Но такова уж сила привычки — физикам трудно отказаться от прочно вошедших в язык терминов.

Итак, все окружающее нас вещество можно скомпоновать всего из трех «кирпичей»: электрона, кварка и антикварка. Кроме того, требуются еще три безмассовые частицы: глюон, фотон и гравитон, то есть кванты склеивающих полей — межкваркового, электромагнитного и гравитационного (поля тяготения). Кварк и антикварк нужны, чтобы с помощью глюонного «клея» слепить протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра, и связывающие их пи-мезоны; электроны — чтобы с помощью электромагнитных сил построить атомы и молекулы. Эти же силы объединяют различные вещества в жидкости и твердые тела. Гравитация же нужна для образования космических объектов — планет, звезд, галактик и самой Вселенной.

Рассуждая таким образом, мы чувствуем, что все остальные частицы просто лишние. А их сотни — мезоны различных типов, гипероны и так далее. Да и в самом деле, зачем они, если без них можно обойтись?

Однажды мой сосед, бухгалтер, стал налаживать свой телевизор. Экран вскоре засветился, а сосед с гордостью продемонстрировал мне кучку ненужных, по его словам, сопротивлений и конденсаторов. Правда, через несколько минут что-то заискрило, запахло горелым, а механик из радиомастерской потом удивлялся, как у нас вообще квартира не сгорела.

То же с частицами. У природы нет лишних деталей. Если назначение некоторых из них остается неясным, это свидетельствует лишь о низком уровне наших знаний, а отнюдь не о склонности природы к излишествам. И серьезные исследования обычно это подтверждают.

С тех пор как теоретики выдумали кварки, прошло 20 лет. И хотя эти удивительные частицы еще никому не удалось наблюдать в «живом виде», они помогли объяснить так много экспериментальных данных, что физику сейчас просто невозможно обойтись без них. По мнению большинства ученых, если кварков как реальных объектов и не существует в природе, то это само по себе было бы поразительной, величайшей загадкой.

Знаменитый французский математик Анри Пуанкаре как-то заметил, что всякой истине суждено одно мгновение торжества между бесконечностью, когда ее считают неверной, и бесконечностью, когда она становится тривиальной. И хотя к кваркам успели уже привыкнуть, до тривиальности здесь еще далеко. Кварки во многом еще таинственны, не похожи ни на что. Взять хотя бы их электрический заряд: ведь если протон, заряд которого равен единице, состоит из трех кварков, значит, у этих кварков заряды дробные? А до сих пор считалось непреложным законом — и об этом написано во всех учебниках,— что самый маленький электрический заряд у протона и электрона и равен он не дроби, а целому числу. Принимался он всегда за единицу — положительную и отрицательную. И вот теперь выясняется, что заряды у кварков еще меньше: они составляют одну и две трети заряда протона.

В древнегреческих мифах рассказывается о кентаврах— полулюдях-полулошадях. Таким вот кентавром среди элементарных частиц и выглядит кварк. У него не только дробный электрический заряд — он еще по своим свойствам должен одновременно считаться нуклоном, мезоном и гипероном! Всем сразу. С таким необычным, противоречивым объектом физики еще не встречались. Чтобы описать его сложные свойства, сначала предположили, что он имеет три состояния. Вскоре, однако, были открыты новые типы элементарных частиц — так называемые прелестные и очарованные частицы,— пришлось ввести в обиход еще два кирпичика-кварка. Теоретики убеждены, что должен существовать еще и шестой кварк. Недавно получены экспериментальные доказательства этой гипотезы. Может быть, список кварковых состояний этим не исчерпывается.

Хороша «самая простая», «суперэлементарная» частица, не правда ли? Целое семейство из шести братьев-компонентов, а то и больше!

Но и этого мало. Когда мы строим частицы из кварков, нельзя размещать их внутри частиц произвольно. Для них, как для зрителей в театре, отведены вполне определенные, строго пронумерованные «квантовые места». И вот выяснилось, что внутри некоторых частиц билет с одним и тем же номером получают сразу несколько кварков. Чтобы восстановить порядок, физикам пришлось допустить, что кресел в зале вполне достаточно, но они различаются не только своими номерами, а и цветом: под одним и тем же номером значатся кресла трех цветов — синие, красные и зеленые. Соответственно и билеты пришлось покрасить в три цвета, то есть допустить, что каждое из шести состояний кварка делится еще на три. Так возникла выдвинутая советскими и японскими физиками гипотеза о цветных кварках.

Конечно, никакого цвета в обычном понимании этого слова у кварков нет. Ведь цвет — это свойство тела, зависящее от того, какую часть спектра падающего на него света тело поглощает, а какую рассеивает.

Кварк только рассеивает свет, поглощать его он не может, так как для этого он должен был бы быть не простейшим кирпичиком, а системой со сложной структурой (с электронными уровнями), на возбуждение которой и пошла бы энергия поглощенного света. «Цвет кварка» — это только удобный термин, такой же, как «странность», «очарование» или «прелесть», которыми физики обозначают определенные свойства частиц. В последнее время стало общепринятым говорить еще и об «аромате» кварка — так называют все его параметры, не зависящие от «цвета». Физики предпочитают пользоваться необычными названиями — они легко запоминаются! Хотя, спору нет, выражения вроде «аромат прелестного кварка» или «опыт по измерению очарования» звучат для непривычного уха более чем странно.

Давайте подсчитаем теперь, сколько же осталось самых элементарных», не сводимых друг к другу частиц.

Прежде всего это кварк и антикварк плюс связывающая их частица глюон. Ее название происходит от английского слова glue — клей. Глюонное поле связывает кварки и антикварки, подобно тому, как электромагнитное поле и его кванты — фотоны — «привязывают» электроны к ядру в атоме. Хотя глюоны тоже еще никогда не наблюдались в «живом виде», без них нельзя построить адронов. В список «самых элементарных» придется также включить упомянутый фотон и опять же не наблюдавшуюся еще частицу поля тяготения — гравитон. Еще семь лептонов — электрон, нейтрино трех типов, мю- и тау-мезоны и соответствующие антилептоны.

Итак, вместо нескольких сотен — всего лишь два десятка основных элементов. При этом почти треть их еще экспериментально не открыта. Однако без них не удается построить последовательной теории — она рассыпается. Но, с другой стороны, и два десятка, а точнее 19 «самых элементарных»,— это многовато. И почему, собственно, 19, а не 14 или, скажем, не 27? Невольно возникает подозрение, что эти «первоэлементы» не все независимы и число их, наверное, можно еще уменьшить.

Правда, на первый взгляд это просто невозможно — уж очень сильно различаются по своим свойствам эти девятнадцать. Например, электрон — это частица, которая может иметь любую скорость, быть и быстрой, и медленной, а вот фотон или нейтрино всегда летят с скоростью света. Массы частиц и силы, с которыми он взаимодействуют, различаются в сотни и тысячи раз; Казалось бы, ничего общего.

И тем не менее некоторые из этих частиц могут оказаться родными братьями и сестрами. Хотя это пока — чистая теория, как шутят физики,— из области фантастики и, может быть, даже не совсем научной.

Несколько лет назад известный пакистанский физик Абдус Салам (он возглавляет Международный институт Теоретической физики в Триесте), и английский физик Джордж Пати выдвинули смелую гипотезу о том, что лептоны — не самостоятельные частицы, а всего лишь четвертое цветное состояние кварка. Их не смутило, что свойства частиц, объединенных ими в кварк, различаются столь сильно. Они полагали, что это всего-навсего результат влияния окружающего фона. Ведь согласно современным представлениям каждая частица играет роль как бы затравочного центра, вокруг которого образуется облако спонтанно рождающихся и быстро исчезающих частиц. Это облако экранирует частицу изменяет ее свойства. Такие заэкранированные, закутанные в облако частицы с измененными или, как говорят эффективными свойствами, мы всегда и наблюдаем в опытах. Невозможно ведь изолировать частицу от взаимодействия со средой, даже если это глубокий вакуум. Ничто на свете не существует само по себе, и «голый» квант в том числе.

Теперь мы подходим к самому трудному. Мы видим, что каждая микрочастица — это сложная корпускулярно-волновая структура. Ее плотность и состав зависят от заряда и других характеристик. Поэтому у одного состояния частицы одна масса, у другого — другая. Возникает разница и в силе взаимодействия. Состояния частицы «расщепляются» по массе и взаимодействию. Одни состояния становятся очень легкими, другие — тяжелыми, и исходное взаимодействие «голой» (абстракция!) частицы распадается на три — на слабое, электромагнитное и сильное.

Можно сказать, что в своих различных состояниях квант универсального «склеивающего» поля носит «шубы» различного покроя. В одних случаях «шуба» очень тяжелая, и тогда облачившийся в нее квант переносит взаимодействие лишь на ультрамалые расстояния. Далеко от центра частицы такие кванты почти не встречаются, и связанное с ними взаимодействие проявляется там очень слабо. В других случаях кванты набрасывают па себя легкую «шубу», и тогда они способны участвовать во взаимодействии на больших расстояниях.

Влияние фона спонтанно рождающихся частиц может быть настолько сильным, что на энергию связи и различные компенсирующие эффекты уходит целиком вся масса «голого» кванта. Надев «шубу», он становится «бестелесной» частицей с нулевой массой. Так возникает фотон и связанные с ним дальнодействующие электромагнитные силы.

Как не вспомнить здесь Корнея Чуковского, у которого «волки от испуга скушали друг друга», или известную шутку о том, как змея сама себя проглотила!

Почему так происходит — это сложный вопрос. Даже для специалистов-теоретиков здесь еще не все ясно. Можно только сказать, что в теории Салама и Пати для этого требуется, чтобы экранирующие облака кварков содержали шесть частиц, каждая из которых, в свою очередь, окутана облаком виртуальных частиц, состоящих из тех же частиц и... пар кварков и антикварков.

И опять, только на более глубоком «ультраэлементарном» уровне, мы приходим к самосогласованной, «зашнурованной» системе частиц, когда любая из них содержит в себе все сорта частиц, в том числе и себя самое. Складывается впечатление, что в этом проявляется какая-то общая закономерность, свойственная микромиру.

Что касается шести частиц, из которых сшита «шуба» кварка, то три из них — многокомпонентные глюоны. Из них «склеен» и фотон. В теории Салама и Пати фотон — не самостоятельная частица, а сложное «наложение», суперпозиция нескольких нейтральных состояний глюонов. Весьма неожиданный вывод! Три другие частицы в «шубе» кварка называются хиггсонами — по имени английского физика Хиггса, который первым начал разрабатывать теорию таких частиц. Это уж совсем необычные объекты даже для притерпевшихся ко всему теоретиков. От хиггсонов зависят свойства вакуума.

Оказывается, и вакуум, то есть, по нашим традиционным представлениям, ничто, пустота, может пребывать и различных состояниях, подобно тому как, скажем, углерод может быть в состоянии графита или в состоянии алмаза. Но как же это, ведь вакуум — это «чистое пространство»? Обстоятельный ответ на этот вопрос увел бы нас далеко в квантовую теорию поля — один из самых сложных разделов современной физики. Сейчас нам важно просто знать, что между состояниями вакуума нет переходов; во всяком случае, мы не знаем, как они выглядят, но знаем, что любое из этих состояний может служить основой Вселенной. А то или иное состояние вакуума как раз и определяют поля частиц Хиггса.

Мы не знаем пока ни массы, ни других свойств этих частиц — все это зависит от варианта пока еще не завершенной и развивающейся теории. Даже число хиггсонов изменяется от одного варианта теории к другому. Что требуется обязательно, так это то, чтобы эти частицы могли взаимодействовать между собой напрямую — без посредничества частиц других типов. Такое «самодействие» и образует основной «уровень мира»—его вакуум. Физикам это напоминает прозрачный эфемерный студень неодинаковой густоты.

Может быть, поля Хиггса являются всего лишь приблизительным, модельным описанием на слишком привычном для нас языке каких-то глубоких и еще не понятых нами свойств природы? Ведь все попытки найти реальные частицы Хиггса пока безрезультатны. Впрочем, здесь нам стоит остановиться, иначе мы рискуем запутаться в дебрях теоретических схем и гипотез тем более что они, прямо скажем, еще весьма неопределенны и неоднозначны.

Теория Салама и Пати была одной из самых первых — разведкой в неведомую еще область. Она дала общее представление о том, что нас там ожидает, обнаружила первые подводные камни, наметила пути. Но сегодня физики отдают предпочтение уже другим, более совершенным версиям. Гёте говаривал: смелые мысли подобны вырвавшимся вперед шашкам в игре. Они гибнут, но обеспечивают победу. Их можно сравнить также, с семенами, из которых вырастает дерево теории. Высказать верную идею часто означает — определить развитие науки на много лет вперед, хотя потом, с высоты развившейся теории, эта идея выглядит иногда чересчур наивной и простой.

В последние годы испробованы «на прочность» многие варианты теорий, объединяющих кварки и лептоны. Одни из них похожи на теорию Салама и Пати, другие, напротив, сильно отличаются от нее как числом частиц, тик и их свойствами. Но их всех объединяет идея о расщепленном взаимодействии. Пока трудно сказать, какой подход наилучший. Физикам предстоит еще очень много работы — горы расчетов, бесчисленная их проверка в опытах. Но, как говорится, лед тронулся, и перед нами псе отчетливее проступают контуры будущей теории.

Сто лет назад английский физик Джеймс Максвелл объединил три казавшиеся тогда совершенно не связанными между собой явления: свет, электричество и магнетизм. Возникла электромагнитная теория, принесшая нам и радио, и телевидение, и вычислительные машины, и прочие чудеса электроники. И вот теперь выясняется, что теория Максвелла — лишь частный случай более общей теории. Какие же фантастические возможности откроет нам новая теория!

Возможно, некоторым скептически настроенным читателям разговоры о новой теории покажутся чем-то вроде гадания на кофейной гуще. Какой смысл спорить о достоинствах того или иного варианта теории для частиц, которые сами еще под вопросом? Ведь ни кварков, ни глюонов никто никогда еще не видел. Физики, да и все ученые всегда говорили, что высший судья для них — опыт, но его-то как раз здесь и нет. Как же узнать, верна или нет новая теория?

Действительно, «великое объединение» взаимодействий — электромагнитного, слабого и сильного — долго не принимали всерьез даже многие из физиков. Масса темных мест, плохо обоснованных предложений и ничтожное количество экспериментальных данных. Все это было... Первый серьезный успех, заставивший поверить в новую теорию, был достигнут в начале 70-х годов, когда удалось найти согласующийся с опытом вариант теории, объединивший силы двух типов — электромагнитные и слабые. Одним из авторов этой теории был уже известный нам Абдус Салам, двое других — американцы Стив Вайнберг и Шелдон Глешоу. За это достижение несколько лет назад им была присуждена Нобелевская премия. В их теории взаимодействия передаются квантами, имеющими четыре различных состояния. В одном из них квант имеет нулевую массу — это всем хорошо известный фотон; три других состояния, наоборот, очень массивные — почти в 100 раз тяжелее протона. Обмен такими квантами, например, между электроном и нейтрино возможен лишь на очень маленьких расстояниях — 1000 раз меньше размеров протона. Там слабые взаимодействия становятся сильными.

Недавно тяжелые кванты (их называют Z- и W-мезонами) были обнаружены в эксперименте, проведенном в Международном центре ядерных исследований в Женеве. Их рождение было замечено в столкновениях разогнанных до очень высоких энергий протонов и антипротонов. В лобовых столкновениях таких частиц происходит почти мгновенное выделение огромной энергии, за счет которой и рождаются тяжелые кванты. Экспериментаторам, которые этим своим открытием доказали, что теоретики идут по правильному пути, тоже была присуждена Нобелевская премия.

Как видите, современные физические теории — это далеко не гадание на кофейной гуще.

Теперь перед физикой стоит задача добавить к объединенному «электрослабому» взаимодействию еще и сильное — объединить три взаимодействия из четырех на которых держится мир. Для этого нужно найти недостающие состояния кванта промежуточного поля — выяснить, сколько их, таких состояний, какие у них массы, заряды и все прочие характеристики. Работы много! Понятно, что, если искать простым перебором вариантов или, как еще говорят, методом проб и ошибок, наугад выбирая значения параметров, задача долго останется нерешенной. Особенно если учесть, что опыты стали очень трудными и дорогими. Нужна руководящая идея.

Роль такой идеи сегодня играют законы симметрий. Об этом стоит рассказать подробнее.

Свою теорию симметрий французский ученый Эварист Галуа написал в ночь накануне дуэли. Ему шел всего лишь двадцать первый год. Неудачи преследовали юношу. Первую его математическую работу напечатали когда ему было семнадцать лет, но в тот же год он провалился на вступительном экзамене по математике в Политехническом институте. Он послал свои работы знаменитым математикам Коши и Фурье, но Коши его статьи потерял, а Фурье неожиданно умер, не успев прочитать. С большим трудом Галуа удалось поступить в Высшую педагогическую школу — учебное заведение значительно низшее по уровню, чем Политехнический институт. Но и оттуда, он был вскоре исключен за недозволенную властями политическую деятельность. Рассказывали, что однажды во время банкета с гвардейскими офицерами он произнес тост за здоровье короля Луи Филиппа, но тут же выхватил кинжал и энергичным жестом показал, что следовало бы сделать с его величеством... Многие были убеждены, что дуэль была спровоцирована сторонниками короля, и страстный республиканец Галуа был убит наемным убийцей.

Произошло это сто пятьдесят лет назад. Сегодня теория симметрий Галуа — один из краеугольных камней математики и теоретической физики. На ее основе по нескольким известным семействам частиц, мультиплетам, можно установить связывающие их правила симметрии и вычислить все другие мультиплеты. В свое время она помогла предсказать существование кварков; теперь она используется для испытания кандидатов на роль многокомпонентного промежуточного кванта в теории «великого объединения».

Установлено, что каждому типу симметрии отвечает определенный квант-мультиплет, и вместо перебора всех возможных случаев следует изучать лишь те, которые соответствуют этим симметриям. Задача, естественно, сильно упрощается, хотя и после этого она остается еще очень трудной — ведь типов симметрии много. Например, симметрии круга и шара, вращения и отражения в многомерных пространствах и так далее. Чем больше параметров требуется для описания частицы, тем более сложной и многоплановой становится симметрия.

Как тесно все переплелось в нашем мире! Абстрактные кварки и хрупкое кружево снежинок (тоже симметрия!). Физика и художника волнуют одни и те же законы...

Пока ни теоретики, ни экспериментаторы точно не знают, из каких частиц складывается мультиплет, ответственный за перенос единого взаимодействия. У каждого свой излюбленный вариант «великого объединения». Однако все согласны в том, что среди этих частиц непременно должен быть безмассовый, похожий на фотон глюон, который связывает цветные заряды кварков. Это как бы «цветной электромагнетизм». Там должны быть также частицы — переносчики взаимодействий между лептонами и кварками. Большинство моделей «великого объединения» предсказывают для этих частиц очень большие массы — приблизительно в 100 триллионов раз больше, чем у протона. Так много весит уже видимая глазом пылинка. Чтобы получить энергию, необходимую для рождения подобных частиц, пришлось бы построить ускоритель длиной в целый световой год! От Солнца до Земли свет пробегает всего за 8 минут, а тут бежал бы целый год. Представляете себе, какой длины был бы этот ускоритель!

Энергии космических лучей тоже не хватит для рождения сверхтяжелых квантов. Даже у самых быстрых из них энергия в 100 раз меньше той, которая была бы нужна.

Но все это не означает, что сверхтяжелые кванты никогда не будут открыты и что «великое объединение» навсегда останется недоказанной гипотезой. Чтобы убедиться в существовании предсказываемых теорией сверхтяжелых частиц, совсем не обязательно строить фантастический ускоритель. Это можно сделать косвенным способом. Сверхтяжелые кванты рождаются где-то глубоко в недрах нуклонов, мезонов и других частиц. На очень короткое время это, как доказывают физики квантовыми законами разрешается. И вот там, взаимодействуя со сверхтяжелым квантом, кварк может превратиться в лептон. Частица, внутри которой произошло такое превращение, сразу же распадается, так как частиц, состоящих из смеси лептонов и кварков, не бывает. Поэтому, если удастся обнаружить радиоактивный распад протона, который вне рамок «великого объединения» абсолютно устойчив, это будет убедительным подтверждением идеи такого объединения и связанных с нею сверхтяжелых квантов.

Вместе с тем это будет означать, что все атомы радиоактивны и с течением времени вся наша Вселенная прекратит свое существование — распадется. Произойдет это, правда, не скоро, так что волноваться по этому поводу нечего. Согласно расчетам, один распад протона в стакане воды происходит не чаще чем за 10 тысяч лет. Вселенная наша существует около 20 миллиардов лет. За это время внутри объема, равного земному шару, успело распасться всего около 100 тонн, или, иными словами, 10-18 процентов всего известного нам вещества Вселенной.

Заметить распад протона все равно, что найти иголку в стоге сена. Распад протона пытаются обнаружить по вспышкам света в прозрачной жидкости. Такая вспышка может быть результатом аннигиляции: позитрон столкнется с атомарным электроном, и образуются два кванта света. Измерения проводят глубоко под землей, чтобы толстый слой почвы поглотил мешающие измерениям космические лучи, и с огромными мишенями — целыми бассейнами прозрачной жидкости. Здесь все гигантское и все на пределе современных технических возможностей. Несколько раз на совещаниях физиков объявлялось, что в такой-то лаборатории наконец зарегистрировали долгожданный сигнал от распада протона. Но доказательства, увы, были не бесспорны, так что с полной уверенностью сказать, что распад протона наблюдался, нельзя. Тем не менее физики надежды не теряют. Они убеждены даже, что «великое объединение» — это не предел. Теоретики размышляют над более грандиозной программой — над «суперобъединением» всех известных сил природы: электромагнитных, слабых, сильных и гравитационных. Вот было бы поистине великое, нет — величайшее объединение!

Одним из первых идею «суперобъединения» выдвинул харьковский теоретик Дмитрий Васильевич Волков и его сотрудники. На окраине Харькова, в лесном массиве, расположены ускоритель электронов и научный городок Пятихатки. Вот там и родилась эта замечательная идея. Правда, как это часто бывает в науке, сходные мысли были высказаны и другими физиками — Ю. Ф. Гольфандом в Физическом институте имени П. Лебедева в Москве, а также И. Вейсом и Б. Зумино в Женеве. В современном мире, где происходит быстрый обмен информацией, новые идеи часто витают в воздухе.

В математическом отношении новая теория чрезвычайно сложна. Гросмановы числа, произведение которых зависит от порядка сомножителей, спиноры и спинтензоры, теория групп, весь аппарат современной дифференциальной геометрии... Но физический смысл теории прозрачен. Все элементарные частицы, в том числе и «суперэлементарные» кварки и глюоны, теория делит на два больших разряда: бозоны и фермионы. Отличительным признаком служит величина спина. Дело в том, что микрочастицы ведут себя подобно быстро вращающимся полчкам, а у каждого волчка есть момент количества движения. Это и есть спин. Частицы, у которых спин — дробная величина, называют фермионами, а у которых целое число — бозонами. Происходят эти термины от фамилий итальянского физика Ферми и индийского теоретика Бозе, которые первыми изучили зависимость свойств частиц от их спинов. К фермионам принадлежат кварки, протон, нейтрон, электрон, нейтрино и все другие лептоны, а также многие странные частицы. В разряд бозонов входит пи-мезон (его спин равен нулю, поэтому можно сказать, что это невращающаяся частица), а так же омега- и ро-мезоны и множество других короткоживущих частиц.

Так вот, идея суперобъединения, или суперсимметрии заключается в предположении, что у каждого бозона обязательно есть партнер-фермион, а у фермиона — бозон. Иначе говоря, при перестановке бозонных и фермионных частиц физические законы остаются неизменными (зеркально симметричными).

Мультиплеты такой теории объединяют частицы с разными спинами: кварки и лептоны, глюоны, фотон, гравитон и не найденные еще на опыте их суперсимметричные партнеры. «Многогранные» частицы-мультиплеты становятся очень сложными, их «компоненты-грани») могут быть частицами вещества и частицами — переносчиками взаимодействий.

Такое всеобъемлющее объединение частиц и полей по-видимому, действительно происходит на ультрамалых расстояниях порядка 10-33 сантиметров. Расстояния эти намного меньше тех, которые можно прощупать с помощью ускорителей. Но можно рассчитывать на то, что отголоски суперобъединения обнаружатся где-то в глубинах Вселенной, развитие и строение которой зависят от того, что творилось в ней в первые мгновения после ее рождения, когда она была меньше любой самой маленькой элементарной частицы. Об этом событии мы еще подробно поговорим в последующих главах.

Среди предсказаний новой теории одно из наиболее интересных — гипотеза о новом виде гравитации, о неизвестном до сих пор варианте всемирного тяготения. Его квантами-переносчиками служат гравитино — фермионные партнеры «обычных», известных нам, бозонных гравитонов. Расчеты показывают, что в отличие от гравитона, являющегося безмассовой частицей, гравитино весит раз в 100 больше протона. Существует ли в природе такая «тяжелая гравитация»? Открытие гравитино будет хорошим доказательством правильности идеи суперсимметрии.

Другое важное следствие анализа различных вариантов суперсимметричной теории элементарных частиц — гипотеза о составной природе кварков. Кванты суперсимметричного поля стали настолько сложными и многокомпонентными объектами, а их физические свойства — настолько разнообразными, что это само по себе наводит на мысль: не состоят ли кварки, глюоны и их компоненты из каких-то более мелких и простых частичек, принадлежащих следующему, «закварковому» уровню материи?

Что это за частицы, можно лишь гадать. Никаких экспериментальных данных об этом пока нет. Тем не менее теоретики уже создают и исследуют различные схемы с составными кварками. В одной из них кварки состоят из двух «пракварков», один из которых напоминает мезон, а второй по своим свойствам похож на электрон и имеет античастицу. Разработана схема, в которой кварки состоят из трех электроноподобных пракварков. Некоторые теоретики считают, что частями кварков могут быть протяженные объекты, похожие на тонкие длинные змейки или вибрирующие струны, с размерами порядка 10-33 сантиметров. Эти «змейки» похожи на хромосомы в клетках организмов. При столкновении кварков их «хромосомы» могут сливаться, скрещиваться и распадаться, образуя новые «хромосомы». В соответствии с идеей суперсимметрии они сочетают в себе свойства бозонов и фермионов. Изучение гипотетических «змеек-струн» — сегодня одно из основных направлений физики элементарных частиц.

Но все это — гипотезы. Что происходит на самом деле в области сверхмалых расстояний, сказать пока трудно. Суперобъединение переживает еще младенческую пору своей жизни. Пока это область теоретической фантазии, где вопросов и загадок намного больше, чем разгадок и ответов. Целый мир абстрактных образов! И благодатное поле для самых смелых предположений.

Теория в современной физике занимает исключительное место. Она строит мосты между островками разрозненных экспериментальных фактов и путем экстраполяции позволяет далеко уходить от них в область неизвестного.

Фиолетовые руки

на эмалевой стене

полусонно чертят звуки

в звонко-звучной тишине...

Эти знаменитые строки Валерия Брюсова невольно приходят в голову, когда глядишь на черные доски с узором затейливых формул, понятных лишь небольшом кругу посвященных... И в то же время, как мы все давно знаем, нет ничего практичнее хорошей теории!

Когда-то, лет 25 назад, на киноэкранах и на страницах книг появился образ физика-теоретика, этакого элегантного острослова, немного чудаковатого, немного резкого, утопающего, вытянув ноги, в современных мягких креслах или разгуливающего по бесконечным коридорам в окружении почтительно внимающих ему коллег экспериментаторов. Как же это все устарело! Да и было ли верно? Остроумный или просто умный — да, разумеется. Чудаковатый? Возможно. Но элегантный — нет. Элегантность нуждается в заботах и уходе, а у теоретика нет и никогда не было времени. Ни на поддержание элегантности, ни на праздное утопание в креслах. У него нет «нерабочего времени»! Физическая задача сродни головоломке — все становится простым, когда найдется «ключик». И мозг теоретика постоянно занят поискам этого «ключика» — за столом в рабочем кабинете, во время обеда, по дороге на работу и домой. Попытка за попыткой... И каждую догадку надо проверить расчетом. Растет стопка густо исписанных формулами и цифрам листов. И все не так, все напрасно... Не зря говорят, что теоретик работает в основном на корзину. Тяжелый неблагодарный труд, где озарения так редки. Но зато какие это бывают озарения!

Особой любовью у теоретиков пользуются «трепы» —шумные споры за стаканом чая или просто у окна в коридоре. Здесь можно услышать о последнем номере японского «Прогресса теоретической физики», о сенсационном фильме, о новом типе диаграмм, которые при думал стажер из четвертого сектора... Нередко долгожданная идея рождается тут же, у окна, в оживленной беседе. Неожиданный поворот мысли собеседника, упоминание о похожем случае, какие-то ассоциации — и вдруг ясно видите решение, над которым бились несколько дней.

Когда в Дубне строился новый корпус для теоретиков, Д. И. Блохинцев — он был в то время директором дубненского института — настоял на том, чтобы там была устроена специальная комната для «теортрепов», с самоваром, удобными креслами и большой черной доской во всю стену.

«Пусть говорят и спорят вволю, это себя окупит,— успокаивал он особенно ретивых администраторов, которым казалось, что теоретики слишком много времени проводят за разговорами. — Теоретик в современном институте — все равно что астролог при королевском дворе: он поднимает уровень дворцовой свиты!»

И слова его полностью оправдались...

Итак, казалось бы, «суперобъединение» четырех фундаментальных сил природы позволит рассчитать и объяснить любое физическое явление. Несколько уравнений, из которых можно вывести весь мир! И физику, и химию, и биологию, даже психологию — ведь в конечном счете в ее основе тоже лежат материальные, вещественные процессы. Тем самым будет достигнута основная цель науки, и ученым останется лишь применять раз и навсегда установленные законы природы к решению конкретных практических задач. Нужно будет только разложить изучаемое явление на более простые — и любая задача решена. Никаких больше тайн и загадок!

В одной из своих статей президент американской Ассоциации содействия науке А. Глэсс так и говорил: великие концепции, фундаментальные механизмы и основные законы природы теперь уже известны, остается, конечно, еще уточнить множество деталей, но бесконечных горизонтов науки больше не существует. Подобные высказывания о неизбежном конце фундаментальной науки, о постепенном сведении всех исследований к чисто прикладным в последнее время замелькали не только на страницах научно-популярных, но и специальных научных изданий.

С этим, однако, никак нельзя согласиться. Природа неисчерпаема, а посему, какой бы совершенной ни была теория, всегда найдутся явления, выходящие за ее рамки. Построить окончательную, всеобъемлющую теорию не удастся никогда.

Конечно, читатель может спросить автора: а откуда мы знаем, конечна в своем качественном разнообразии природа или бесконечна? Где у нас доказательства как того, так и другого? Например, Станислав Лем в примечаниях, написанных им специально для русского издания его книги «Сумма технологии», высказывает опасение, что «просто так», безоговорочно допустить бесконечность окружающего мира — дело весьма рискованное. Слишком уж коротка история человечества, чтобы этот вывод можно было считать твердо установленной истиной. По мнению Лема, может случиться так, что познание очень большого числа фактов и связей между ними приведет к своеобразным «высям познания», после чего число вопросов, не имеющих ответа начнет уменьшаться. Аналогичные мысли высказывает в своей книге «Характер физических законов» известный американский физик-теоретик Ричард Фейнман. Он тоже не исключает того, что может наступить время, когда мы будем иметь ответ сначала на 99 процентов вопросов, которые мы задаем природе, потом на 99,9, потом на 99,99 процента, после чего исследования потеряют смысл, так как мы будем знать уже практически все.

В конце концов — почему бы нет?

И действительно, физикам уже не раз казалось, что они почти достигли полного понимания законов природы, неясности касались лишь деталей. Но каждый раз получалось так, что избавиться от этого «почти» и создать полную, совершенно законченную и абсолютно непротиворечивую теорию не удается. Всегда оставались вопросы, которые упорно не находили ответа. Они превращались в парадоксы, в проблемы, а из них в конечном счете возникала новая теория. В самом конце XIX века физик Филипп, фон Жолли, учитель Макса Планка, говорил своему ученику: «Конечно, в том или ином уголке еще можно заметить или удалить пылинку, но система как целое стоит прочно, и теоретическая физика приближается к той степени совершенства, каким уже столетия обладает геометрия. Так что не советую вам тратить на нее время».

Сходные мысли по поводу основ математики высказывал Анри Пуанкаре, самый в ту пору авторитетный и талантливый математик.

И вот прошло всего несколько лет, и Макс Планк открыл ворота в необозримый мир квантовых явлений, а «царица наук» математика сотрясалась от глубоких противоречий, которые обнаружились в ее основах и которые до конца не устранены и по сей день.

В создаваемой физиками теории суперобъединения тоже немало вопросов, не имеющих ответа. Неясно, например, чем определяется величина скорости света, заряд электрона и другие мировые константы. Почему они именно такие, какие есть, а не иные? Что будет представлять собой грядущая «заквантовая» теория, которая, может быть, сумеет наглядно объяснить нам, что же в конце концов размазывает траектории квантовых частичек, когда они движутся в полной пустоте? И так далее.

Любая теория, какой бы общей она ни была, всегда содержит некоторые исходные положения, аксиомы или просто константы, которые не выводятся внутри данной теории, а задаются извне заранее, на основе анализа и обобщения опытных данных. Абсолютной, замкнутой самой в себе теории быть не может. Свое обоснование она может получить лишь в рамках более общего теоретического построения, которое, в свою очередь, получит определение в еще более общей теории. Этот ряд не имеет конца, и, как показывает опыт, число фундаментальных вопросов, возникающих в процессе развития науки, не только не уменьшается, как это предположил Фейнман, а, наоборот, становится все больше и больше. Можно сказать, что периметр, по которому наука соприкасается с областью неизвестного, все время удлиняется.

Как метко заметил однажды французский ученый Пьер Буаст, пределы наук похожи на горизонт: чем ближе подходят к ним, тем дальше они отодвигаются.

Более того, даже уже созданные, хорошо разработанные теории и те постоянно в движении — они видоизменяются, совершенствуются. Книги, популяризирующие нынешнее состояние знаний, скажем, в области физики, и притом лучшие из них, часто представляют дело так, как будто существуют две четко отделенные друг от друга области: область того, что наукой раз и навсегда установлено, и того, что еще до конца не выяснено. Представьте себе, что вы находитесь в волшебном, великолепном дворце, где то тут, то там лежат на столах таинственные головоломки. Вы покидаете дворец с уверенностью, что эти головоломки рано или поздно будут решены — в этом убеждает вас великолепие и стройность дворца и его покоев. И у вас даже не мелькнет и мысли, что решение этих головоломок может привести к разрушению половины здания. Притчу эту придумал тот же Лем в «Сумме технологии», и она очень точно характеризует процесс становления науки. Неизменной остается лишь задняя, тыловая часть здания, а фасад его всегда в лесах. Иногда это готический храм, поражающий строгостью своих линий, а иногда нечто конструктивистское, в духе домов-шестеренок 30-х годов... Впрочем, на что это похоже, не так важно — важно, что в вечной переделке, в лесах.

Ну а если представить себе противоположное — допустить, что в природе существует нечто абсолютно первичное, какие-то праобъекты и связывающие их первозаконы, то мы сразу же столкнемся с неразрешимым вопросом о том, чем определяются эти исходные элементы, откуда они произошли. Основа мироздания становится книгой за семью печатями. По существу, это не научный, а религиозный подход к пониманию природы.

Лестница структурных форм и связанных с ними физических законов неисчерпаема. С этой стороны нет никаких ограничений бесконечному развитию фундаментальных наук, хотя природа, конечно, не похожа на бесконечный ряд вложенных одна в другую матрешек. Мир устроен гораздо сложнее.

Надежды раз и навсегда построить Единую Всеобъемлющую Теорию природы несбыточны еще и в другом отношении. Верно, что в тех областях, где мы ее уже изучили, окружающий мир построен по принципу уровней-этажей. Фундаментом биологии, связанной со сложными белковыми молекулами, служит химия, законы которой, в свою очередь, основаны на атомной физике. Атомная физика покоится на теории атомного ядра, уходящей своими корнями в физику элементарных частиц. Но вот что важно: хотя рассматриваемый уровень всегда определяется более глубоким, первый ко второму никогда свести нельзя. При переходах с уровня на уровень происходит не только количественное усложнение, но и качественное изменение всех закономерностей. Самый настоящий качественный скачок в философском, диалектическом смысле.

Возьмем еще раз, к примеру, химию — науку о соединениях атомов и молекул. Простые соединения, скажем, двухатомную молекулу водорода, можно точно рассчитать с помощью квантовой механики. Но вот вычислить свойства многоатомных молекул уже не удается, так же как не удается вывести статистические законы газов из уравнений для отдельных газовых частиц. И дело не только в том, что уравнения становятся слишком сложными. В ходе расчетов обязательно приходится переходить от конечного числа элементов — атомов или газовых частиц — к обобщенному понятию «много», а этот переход связан с дополнительными предположениями, которые никак не вытекают из уравнений для конечного числа элементов. В этом-то как раз и состоит качественный скачок!

И уж совсем безнадежны попытки свести мышление к одним физическим законам. Двести лет назад французские ученые-энциклопедисты представляли себе мысль как нечто осязаемо материальное; они даже сравнивали ее с желчью, выделяемой печенью. Современная физиология от таких примитивных представлений ушла очень далеко. Безусловно, мысль возникает на основе физических процессов — в этом нет сомнения, однако соединить ее непрерывной ниточкой с физикой нельзя: на этой ниточке множество узелков и скачков-разрывов. В общем, у каждой науки — свое поле деятельности, и ни одну науку заменить другой невозможно.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ


в которой объясняется, почему мы не видим кварков, рассказывается о кварковых мешках, глюонных струнах и о новой науке — квантовой хромодинамике

Кварки, протоны, Вселенная

Один из моих знакомых журналистов, попав на семинар физиков-теоретиков, с удивлением слушал, как его участники вполне серьезно говорили о кварковом супе, глюонном клее и об эластичных мешках-авоськах, на полненных кварками. «Странное дело,— говорил он потом.— Они обращаются с кварками и глюонами так, будто это горох или картошка! Откуда такая уверенность, ведь эти частицы еще никто никогда не видел!»

Кварки вошли в физику подобно троянскому коню. Придумали их два американских теоретика, Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг, для того, чтобы сделать более симметричной составленную ими таблицу элементарных частиц. Название для новых частиц было взят из романа ирландского писателя Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Мало кто поначалу верил в реальность кварков. Уж очень необычными были их свойства. Большинство ученых считали их всего лишь неким теоретическим курьезом, временными строительными лесами на пути к более совершенной теории. Однако не успели физики оглянуться, как кварки проникли буквально всюду. Неожиданно для всех оказалось, что с их помощью очень просто и наглядно объясняются самые различные экспериментальные факты и сильно упрощаются теоретические вычисления. Без кварков теперь просто невозможно обойтись — так же, как, например, в химии нельзя обойтись без атомов и молекул. И конечно, самое поразительное то, что реальных кварков действительно еще никто не видел, хотя с тех пор как их изобрели, прошло уже два десятка лет. Подобно подпоручику Киже из рассказа Юрия Тынянова, кварки «присутствуют, но фигуры не имеют».

Так в чем же здесь дело? Еще не поставлен нужный опыт? Или, может быть, элементарную частицу просто нельзя разделить на кварки, как, например, нельзя разделить магнит на два несвязанных магнитных заряда — северный и южный? В детстве, наверное, каждый из нас не однажды проделывал такой опыт и убеждался, что все равно получаются два магнита и каждый с двумя полюсами.

Как и всякая заряженная частица, проходящая сквозь вещество, кварк взаимодействует с атомарными электронами. Их орбиты в удаленных атомах искажаются, а те электроны, которые находятся вблизи траектории кварка, срываются его электрическим полем, и атомы превращаются в заряженные ионы. Чем больше заряд частицы, тем большим числом поврежденных атомов усеян ее путь в веществе. Это свойство и используется в большинстве опытов по поиску кварков: ведь их электрические заряды отличаются от зарядов всех других частиц. Если заряд электрона принять за единицу, то заряд кварка, как мы уже говорили, будет дробным: у одного он скажется равным двум третям, у двух других — одной трети. Дробные заряды имеют также «прелестный» и «очарованный» члены кваркового мультиплета. Сравнивая плотность цепочки образовавшихся ионов с ионными следами известных частиц, можно определить заряд пролетевшей сквозь вещество частицы. Правда, плотность ионного следа зависит и от других параметров частицы — от ее массы и скорости, но их влияние можно учесть, вводя необходимые поправки. Прохождение заряженных частиц сквозь вещество хорошо изучено, и поправки вносятся с высокой точностью.

В отличие от нейтральных атомов ионы очень активны. Они служат центрами конденсации в среде, состоящей из пересыщенного пара, затравочными неоднородностями, вокруг которых мгновенно образуются пузырьки газа в перегретой, готовой закипеть жидкости. И в химическом отношении ионы активнее атомов: поэтому если облученное вещество обработать соответствующим составом-проявителем, траектории частиц станут видимыми и тем отчетливее, чем больше их электрический заряд.

В помещениях с повышенной радиоактивностью частицы оставляют свои «автографы» на фотопленке: метод фотоэмульсий — тщательно отработанный и хорошо себя зарекомендовавший метод наблюдения за невидимыми частицами. Дополнительные возможности наблюдать за ними дает магнитное поле. Оно изгибает траектории проходящих сквозь вещество заряженных частиц. Величина изгиба зависит от абсолютного значения заряда частицы, а его направление (влево она изгибается или вправо) — от знака заряда.

Словом, в распоряжении физиков немало способов сделать следы заряженных невидимок видимыми. Hо годятся ли они для поиска кварков? За последние 20 лет в разных странах проведено огромное количество опытов по поиску кварков. Частицы с дробными зарядами искали среди мезонов, рождающихся при аннигиляции протонов с антипротонами, в струях вторичных частиц, образуемых в мишенях высокоэнергетическими протонами, во многих других реакциях. Искали в космических лучах и на ускорителях. И конечно, использовали все методы регистрации, какие только изобретены. Но все безрезультатно.

В то же время, как уже было сказано, опыты по «просвечиванию» протонов и нейтронов пучками лептонов (электронов и нейтрино) определенно говорят за то, что эти частицы содержат внутри себя «зерна» с дробными электрическими зарядами и другими свойствами, какие должны быть у кварков. Парадокс!

Может, дело в том, что силы, связывающие кварки и антикварки в элементарных частицах, так велики, что энергии современных ускорителей просто не хватает чтобы их разорвать? Оттого никто и не может увидеть свободных кварков? Предположим, что кварк — тяжелая, массивная частица, но только в свободном, изолированном состоянии, когда он находится вдали от других кварков. При сближении между кварками возникает сильное поле взаимодействия, взаимное притяжение которого нейтрализует, «гасит» большую часть их массы (с ними происходит то же, что и по закону Архимеда с телом, погруженным в ванну, только здесь они погружены в «полевую ванну»). Выбить кварк из «полевой ванны» можно, лишь выстрелив в него очень быстрой частицей, обладающей большой кинетической энергией. Поэтому, если кварки — частицы очень тяжелые, в современных ускорителях их «выковырять» невозможно.

Конечно, есть еще космические лучи, где встречаются частицы, чья энергия в тысячи и даже в миллионы раз превосходит ту, что можно получить в самых мощных ускорителях. Энергии сверхвысокоэнергетических частиц из космоса достаточно, чтобы расколоть самый твердый кварковый «орешек», но таких частиц мало, и опыты с ними не точны. Поэтому, может быть, и не были замечены те редкие случаи, когда космические частицы раскалывали нуклонные «орешки» на кварки. Таким образом, если кварки действительно очень тяжелые частицы, обнаружить их в реакциях расщепления будет неимоверно трудно, почти безнадежно. А строить ради этого фантастически мощные ускорители — дело очень сложное и дорогое.

Можно, однако, совершить обходной маневр и решить задачу иным способом.

Космические частицы сверхвысокой энергии очень редки, зато они падают на нашу планету уже несколько миллиардов лет, и за это время они могли образовать очень много кварков и антикварков. А однажды образовавшись, кварк и. антикварк уже не в состоянии исчезнуть — им некуда спрятать свой дробный заряд. Если кварк (или антикварк — все равно) распадется, то среди его осколков непременно окажутся частицы с дробным зарядом. Ведь электрический заряд сохраняется, и если вначале он был дробным, то и сумма зарядов продуктов распада будет тем же дробным числом. Если кварк будет поглощен какой-либо другой частицей, допустим, одним из нуклонов, то образуется новый объект, но опять-таки с дробным зарядом. От дроби никуда не денешься!

Рожденные космическими лучами кварки и антикварки должны постепенно накапливаться в веществе Земли, Луны и внутри блуждающих в космическом пространстве и изредка падающих на Землю метеоритов.

Конечно, блуждая по свету, кварк рискует столкнуться с антикварком, обладателем противоположного заряда, и тогда может произойти их аннигиляция — превращение в обычные частицы с целочисленными зарядами (если только суммарный заряд в конце и вначале будет равен нулю). Но мы уже знаем, что если кварки и содержатся в окружающем нас веществе, их концентрация там настолько мала, что вероятность встречи кварка с антикварком ничтожна,

Есть еще одна причина, почему окружающее нас вещество может содержать кварки. Это могло случиться на ранней стадии жизни нашей Вселенной, вскоре после Большого взрыва, когда Вселенная была еще сверхплотной, сверхгорячей и из «протовещества» рождались; и «выпадали в осадок» разные частицы, в том числе и кварки.

Тут неискушенный читатель может спросить: о какой ранней стадии жизни Вселенной идет речь, о каком таком Большом взрыве? Автор уже упоминал об этом, а теперь вот говорит снова. Столько лет нас учили, что у Вселенной не было начала и не будет конца, а тут — «ранняя стадия жизни». Может быть, у нее будет и, «поздняя стадия», то есть конец? Просим автора объясниться и рассказать об этих вещах подробнее.

Замечу сразу, что подробных рассказов было уже, немало. Сошлюсь прежде всего на вышедшую недавно в 1986 г., в московском отделении издательства «Наука» популярную книгу «Прошлое и будущее Вселенной», в которой собраны статьи на эту тему, написанные видными специалистами и печатавшиеся в журнале «Природа» в 1979—1985 гг. Сошлюсь и на собственную недавнюю статью «Штрихи раздувающегося мира», которую читатель найдет в № 10 журнала «Наука и религия» за 1986 г. (В том же журнале печатались в свое время обстоятельные обзоры И. Григорьева «После Большого взрыва» (1981, № 2) и «Нейтринная Вселенная» (1982, № 9).)

Тем не менее недоумение читателя должно быть рассеяно немедленно. Поэтому, отсылая его к соответствующей литературе, я, пусть в общих чертах, обрисую положение дел и на этих страницах. Да, представление о том, что у Вселенной нет ни начала, ни конца, очень долго было общепринятым. Однако постепенно накапливались научные данные, которые свидетельствовали о том, что когда-то, много миллиардов лет назад, вся Вселенная была сконцентрирована в очень небольшом, буквально точечном объеме. Представить себе плотность этого сгустка, конечно, трудно. Свойства пространства, времени и вещества тогда были совсем не такими, как теперь. В силу каких-то причин, каких — пока физики еще не разгадали, произошел грандиозной силы взрыв, и Вселенная стала «распухать» — расширяться со скоростью света во все стороны. Это расширение продолжается и по сей день.

Но рождение Вселенной из точечного объема противоречит философскому тезису о том, что материя не может родиться из ничего, так же как, скажем, исчезнуть без следа, возразят мне. Вот в Философском энциклопедическом словаре прямо сказано, что «существование мира вечно», а вечность — это «бесконечность времени существования материального мира, обусловленная несотворимостью и неуничтожимостью материи». А вы говорите о каком-то начале!

Никакого противоречия нет, и Философский словарь абсолютно прав (рекомендуем, кстати, познакомиться в нем со статьей «Космология»). Просто материя и связанные с нею пространство и время в процессе своего развития переходят из одной формы в другую. Сегодня нам еще не известны свойства протовещества, или, если угодно, той формы материи, которая предшествовала первичному взрыву, и мы можем лишь гадать, какими были тогда пространство и время. Но разве мы утверждаем, что до взрыва «ничего не было»? Просто мы не знаем, что именно было: не так-то просто заглянуть на 20 миллиардов лет назад. И космология, которая исследует сейчас эту проблему, не вступает ни в малейшее противоречие с материалистической философией, а напротив, подтверждает один из ее основных тезисов о том, что в мире нет неизменных, вечных свойств, что в природе все подвержено переменам, что все имеет свое начало и конец.

Кроме того, нельзя забывать, что философия имеет дело с очень общими, абстрактными категориями, смысл которых может меняться в зависимости от достижений естественных наук (вспомним замечание Энгельса о том, что диалектический материализм может изменять свою форму при каждом новом фундаментальном открытии естествознания). Но как бы ни менялись эти оттенки, основной тезис нашей философии о первичности материи и ленинское ее определение как объективной реальности остаются незыблемыми.

Сегодняшняя наука, особенно физика и космология, развивается так стремительно, что к сведениям, которые излагаются в учебниках, если не хочешь отстать, следует непременно добавлять данные из популярной или специальной научной и философской периодики.

Вернемся к Большому взрыву, вернее, к остывающему после него веществу. Расчеты показывают, что в сов-ременном мире на каждые несколько десятков миллиардов протонов должен приходиться один «изначальный» реликтовый кварк, родившийся еще тогда, когда протовещество было горячим. Столько же должно быть и антикварков. А все это означает, что в одном кубическом сантиметре вещества Вселенной должно содержаться около триллиона реликтовых кварков!

Но это — в среднем. На самом деле кварки могут распределяться весьма неравномерно, и в некоторых веществах их концентрация может быть еще выше. Ведь и по отношению к электронам различные вещества ведут себя по-разному: в одних материалах электрические заряды накапливаются быстро — вспомним например, как легко электризуется одежда из синтетики; другие материалы, наоборот, оказываются хорошими проводниками и сразу же теряют электрические заряды.

Блуждая в веществе, например в воде океанов, кварки с отрицательным электрическим зарядом будут «прилипать» к положительно заряженным ядрам атомов Образуются «кварковые атомы», и их физико-химические свойства будут немного отличаться от свойств обычных атомов с чисто электронными оболочками. Поэтому с помощью современных химических методов можно сначала повысить их концентрацию в исследуемых образцах, а затем попытаться выделить их в чистом виде. Нечего и говорить, что этот способ был испробован, причем он был так тщательно отработан, что если бы в 10 кубометрах воды (по объему это приличная цистерна) содержался всего один кварк, он был бы обнаружен. Увы! Кварков не обнаружилось. Ни в океанской воде, ни в земной коре, ни даже в лунном веществе.

Это можно было бы понять, если допустить, что кварки — не просто тяжелые, а очень тяжелые частицы Концентрация частиц, образующихся внутри горячей Вселенной, зависит от их массы. Чем тяжелее частицы, тем труднее происходит их выделение из протовещества. В своих расчетах теоретики исходили из предположения, что кварк в 5—10 раз тяжелее протона. Чтобы объяснить отрицательный результат экспериментов приходится допустить, что масса кварков в миллиарды миллиардов раз больше массы протона. Но мы уже знаем, что это уже масса пылинок, танцующих в солнечном луче. Кажется просто невероятным, чтобы часть протона была в миллиарды миллиардов раз больше его самого!

Но почему все-таки это невероятно? В последние годы открыто немало такого, что несколько десятков лет назад показалось бы абсолютно невозможным. Ведь даже в существование дробного заряда ни один физик четверть века назад не поверил бы!

Физики вообще народ весьма недоверчивый, и лишь эксперимент или какие-то глубокие теоретические аргументы могут заставить их отказаться от утвердившихся идей. Но, с другой стороны, опыт убедил физиков в необходимости анализировать любую, даже самую «сумасшедшую» возможность, если она не противоречит известным законам. Поэтому гипотезу сверхтяжелых кварков нельзя отбросить «с порога», хотя многим физикам (в том числе и пишущему эти строки) она представляется малоубедительной.

Можно было бы попытаться обнаружить «растворенные» в веществе кварки с помощью метода, которым американский физик Милликен в начале нашего века измерил заряд электрона. Милликен изучал падение заряженных капелек в электрическом поле конденсатора. Капельки были такие маленькие и легкие, что изменение их суммарного заряда всего лишь на один заряд электрона заметно влияло на скорость их падения.

Между прочим, однажды он наблюдал капельку, заряд которой был на треть меньше заряда электрона. Этот результат показался ему настолько странным, что он просто его отбросил, решив, что в опыт вкралась какая-то погрешность. Лишь несколько лет спустя в одной из своих статей Милликен вскользь упомянул об этом факте. Возможно, так оно и было — произошел один из тех непонятных «сбоев», которые иногда случаются и портят столько крови экспериментаторам. Слишком уж мала ожидаемая концентрация сверхтяжелых кварков, чтобы можно было обнаружить такую частицу внутри мельчайшей капельки.

Но все это было давно — современные экспериментальные возможности несравненно богаче! И вот в США, в Стенфордском университете, решили поставить опыт, напоминающий опыт Милликена. Чтобы манипулировать большими крупинками вещества, использовалось магнитное поле, которое компенсировало силу земного притяжения. Крупинка висела в воздухе, между пластинами конденсатора (подобно легендарному гробу Магомета). Сдвинься она на долю микрона, это отразилось бы на величине ее электрического заряда: недаром точность опыта в десятки тысяч раз превосходила ту, которой достигал в свое время Милликен.

И представьте себе, экспериментаторам удалось обнаружить положительный и отрицательный заряды, равные трети заряда электрона! В прибор один за другим помещались пять маленьких шариков из ниобия, и два из них оказались с дробными зарядами.

Трудно сказать, насколько достоверен этот результат. Скорее всего он все-таки обусловлен какими-то неучтенными особенностями эксперимента. Например, шарики из ниобия должны, были быть, абсолютно круглыми — симметричными по форме и по составу. Даже небольшое отклонение от симметрии сразу же породило бы силы, которые сместили бы положение равновесия шарика, а с ним и его заряд. В том, что шарики круглые, можно было, конечно, убедиться с помощью микроскопа. Гораздо труднее доказать, что у них не было внутренних неоднородностей.

Как бы то ни было, для того чтобы поверить в кварковое происхождение дробного заряда, такой эксперимент нужно повторить очень много раз и с различными образцами-шариками. Заряды кварков точно равны одной и двум третям заряда электрона, экспериментальные же погрешности такой точности, естественно, давать не будут.

В целом доводов «против» кварков в этом эксперименте пока значительно больше, чем «за». Такого мнения придерживается большинство физиков, хотя об открытии дробных зарядов уже сообщили газеты и журналы, и к нам в институты поступает масса писем с вопросами, чему же в конце концов верить— сообщениям об открытии кварков или осторожным комментариям физиков.

Подобные коллизии с желанием побыстрее рассказать об удивительной находке в последние годы случались не раз. И дело тут не в недобросовестности или легкомыслии журналистов. Некоторые факты и выводы должны ждать своего подтверждения многие годы. Такова их специфика. Но беда в том, что именно такие, еще не признанные всеми, часто загадочные явления как раз и вызывают наибольший интерес. Они будят воображение, вдохновляют на поиски. Плохо другое — когда недостоверный, а то и просто сомнительный факт подается как сенсация и при том сопровождается намеками: наука, мол, его пока не признает, мало ли чего она сначала не признавала, а потом признала, да и кто сказал, что ей все уже известно... За примерами ходить далеко не надо: у всех на памяти полуфантастические репортажи о кожном зрении, о телекинезе, телепатии и тому подобных чудесах.

Взять хотя бы телекинез — передвижение предметов усилием воли. Принципиальную возможность подобных явлений обычно обосновывают тем, что нам недостаточно еще известны механизмы мозга. Да, это так, но вместе с тем можно с полной уверенностью утверждать: какими бы свойствами ни обладал мозг, его воздействие на физические тела не может не передаваться посредством какого-то материального агента, какого-то физического поля, и притом чрезвычайно сильного, если оно может двигать предметы. Но мы уже достаточно знаем устройство мозга, чтобы сказать: столь сильные поля мозг создавать не может. А коли так, сообщения о телекинезе либо мистификация, либо самообман.

Несколько иначе обстоит дело с телепатией — передачей чувств и мыслей на расстояние. Нельзя в принципе исключить того, что электромагнитные колебания, которыми сопровождается процесс мышления, могут улавливаться другим сверхчувствительным приемником-мозгом. Явного противоречия с физикой здесь нет. Хотя с точки зрения количественных оценок это выглядит крайне маловероятным. Все силы убывают с расстоянием. Исключение составляют, пожалуй, лишь межкварковые силы. Они должны быть совсем другими. Только этим и можно объяснить, почему нуклон не удается расщепить на отдельные кварки.

Большинство физиков склонны считать, что свободных, изолированных кварков в природе не существует. Кварки наглухо заперты внутри элементарных частиц, и никакими силами выбить их оттуда нельзя. Почему что так, мы точно еще не знаем, хотя некоторые объяснения этому удивительному свойству кварков теоретики уже нашли. Это действительно связано с особенностями поля, передающего взаимодействие между ними.

О квантах этого поля, глюонах, нам известно, по правде говоря, не больше, чем о кварках. Их ведь тоже никогда не наблюдали в свободном виде, как наблюдают, например, отдельные фотоны. Все, что мы о ни знаем,— результат теоретических расчетов и косвенных наблюдений.

У глюонов нет массы. Этим и некоторыми другими свойствами они похожи на фотоны. Но в отличие от них глюоны, так сказать, «саморазмножающиеся» частицы. Они сами, независимо от кварков, создают вокруг себя новое глюонное поле. Фотоны таким свойством не обладают, у них нет заряда и никакого нового электромагнитного поля вокруг их не образуется. Наибольшую интенсивность электромагнитное поле имеет вблизи заряда, его источника, а далее оно постепенно рассеивается в пространстве и ослабевает. Глюоны же — заряженные частицы. Они несут на себе специфический кварковый заряд — «цвет», который порождает новые глюоны, новые порождают следующие и так далее. Это приводит к тому, что глюонное поле не ослабевает, а наоборот, возрастает при удалении от порождающего его кварка. Выходит, как это ни парадоксально, кварки слабее всего связаны, когда они находятся на малых расстояниях друг от друга. Если же кварки пытаются разойтись, то сразу же возрастают стягивающие их силы. Другими словами, кварки становятся свободными не на поверхности элементарных частиц, а, наоборот глубоко внутри этих частиц.

В атомах и в их ядрах сильнее всего связаны внутренние слои. Кварковая структура элементарных частиц, наоборот, наиболее жесткой и крепко сцементированной оказывается на ее периферии. В общем, по сравнению с другими частицами у кварков все шиворот-навыворот. Острословию физиков на этот счет нет предела. Они, например, любят говорить о «центральной свободе и периферическом рабстве» кварков.

Не помню, кто это начал первым, кажется Абдус Салам, но вот уже много лет на конференциях физиков поддерживается забавная традиция изображать главную обсуждаемую ими проблему в виде веселого символического рисунка. Хорошо помню, например, рисунок американского физика Политцера, где он изобразил свое представление о свободе кварков в недрах элементарных частиц; ей была посвящена целая конференция

Если в один из кварков, находящихся внутри элементарной частицы, выстрелить очень быстрым электроном этот кварк получит большой импульс и отскочит. Но это движение будет продолжаться лишь до тех пор, пока удерживающие его глюонные силы не возрастут настолько, что их энергии станет достаточно для рождения пары кварка и антикварка. Антикварк и выбитый электроном кварк «слипнутся» в мезон, а оставшийся кварк займет внутри частицы место выбитого. И в результате все будет выглядеть так, будто кварк остался на месте и одновременно, как бы из ничего, родился мезон. Такой процесс «размножения» кварков и попытался изобразить Политцер...

Теперь должно стать понятно, почему не удается расколоть нуклон на три кварка: сколько по нему ни бей, из него всякий раз будут вылетать целые частицы, а не их осколки — кварки и глюоны!

Впрочем, все эти соображения о свойствах глюонных сил имеют пока только качественный характер. Ни теория, ни эксперимент не могут сказать, достаточно ли этих сил для полного удержания кварков внутри элементарных частиц. Специалисты предполагают, что это так, но здесь могут быть и сюрпризы.

Нельзя сказать, чтобы ученых удовлетворяло создавшееся положение. Один физик как-то заметил, что конференции по теорий кварков напоминают ему историю о том, как однажды мыши собрались на конгресс, чтобы решить, что им делать с разбойником-котом. Долго и с жаром спорили, судили, рядили, пока одна из них не предложила:

— Надо подвесить ему колокольчик!

— Правильно! — обрадовались остальные и, довольные найденным решением, стали расходиться.

— Но кто же это сделает? — нерешительно пискнул молодой мышонок.

— Детали — в рабочем порядке! — оборвал его председатель...

В любой науке, не только в физике, есть утверждения, доказательство которых приходится откладывать до лучших времен. А уж когда имеешь дело с экспериментом, гипотез никак не избежать. Строгая теория придет потом, а на первых порах это единственная возможность как-то осмыслить и привести в порядок результаты опытов.

Чтобы лучше понять природу и свойства сил, запирающих кварки внутри частиц, физики строят теоретические модели. Эти модели не только учитывают уже известные факты, но и содержат новые предположения. Результаты модельных расчетов проверяются опытом. Модель уточняется. За этим следуют новые эксперименты.

В правильности гипотезы «кварковой тюрьмы» внутри элементарных частиц, или «конфаймента» (в буквальном переводе с английского «тюремное заключение», как часто говорят физики, убеждают нас успехи хромодинамики. Так по аналогии с электродинамикой называют теперь раздел физики, изучающий кварк-глюонные взаимодействия. Электродинамика описывает взаимодействие фотонов с электрическим зарядом, хромодинамика — взаимодействие глюонов с цветовым зарядом. Она хорошо согласуется с опытом, и из ее формул следует, что связь «цветных» частиц действительно становится более сильной при увеличении расстояния между ними. К сожалению, точно решать уравнения хромодинамики мы умеем пока только для малых расстояний, в других случаях возможны лишь приблизительные модельные прикидки.

Неожиданный результат получается, если с помощью хромодинамики вычислить массу кварков на малых расстояниях, где они свободные, почти не взаимодействующие частицы. Оказывается, невзаимодействующие кварки очень легки: они весят в 100 раз меньше нуклона. Большей массой обладает кварк, входящий в состав странных частиц, но и он почти в 10 раз легче нуклона. Лишь у «очарованного» и «прелестного» кварка масса больше, чем у нуклона. Но эти кварки встречаются редко, окружающее нас вещество можно «слепить» почти без всякого их участия. Их было много лишь тогда, когда происходил синтез кваркового вещества.

С первого взгляда идея о легких кварках может показаться странной — как же из трех легких кварков «склеить» тяжелый нуклон? Откуда взять недостающую массу? Нельзя, однако, забывать о том, что нуклон состоит из трех кварков и окружающей их глюонной «шубы». Она-то в основном и дает недостающую массу. Легче всего «голые» кварки в центре нуклона. Но чуть только мы попытаемся «растащить» их, как тотчас возникнет сильное поле взаимодействия и кварки прибавят в весе. Чем дальше от центра частицы, тем они тяжелее, внутри элементарной частицы кварки ведут себя так, словно между ними натянуты некие эластичные нити.

На малых расстояниях эти нити расслаблены и не мешают движению кварков, а вот когда кварки пытаются разойтись, нити натягиваются и тем сильнее, чем дальше кварки удаляются друг от друга. Это самая простая модель «центральной свободы и периферического рабства» кварков.

Картина будет еще точнее, если читателю удастся представить себе пару взаимодействующих кварков в виде упругой глюонной струны с кварковыми зарядами на концах (вроде северного и южного полюса у намагниченного стержня), между которыми натянут жгут силовых линий глюонного поля. Когда кварки расходятся и струна натягивается слишком сильно, она может лопнуть и на месте разрыва сразу же вырастут два новых кварковых заряда. Разрывая такую струну, нельзя получить свободные кварки. А чтобы струна не сжалась в точку, можно предположить, что кварки вращаются вокруг ее центра. Возникающая при этом центробежная сила растягивает струну и компенсирует ее стремление сжаться. У частицы, как у вращающегося волчка, возникает момент вращения — спин.

Некоторые физики представляют себе элементарную частицу в виде эластичного пузыря, наполненного кварковым газом. Стремление оболочки пузыря сжаться уравновешивается внутренним давлением газа. Правда, «газ» внутри протона состоит всего лишь из трех кварков, а мезон наполнен «газом» из двух частиц — кварка и антикварка. Весьма условный газ, конечно, но на то и модель! Ее часто называют также «кварковым мешком». Физики, которые ее разрабатывают, разумеется, получили шутливое прозвище «мешочников». Между кварками внутри «мешка» можно ввести склеивающие силы. В зависимости от того, в каком состоянии взаимодействуют между собой эти частички, сам «мешок» по своим свойствам оказывается похожим на одну из известных нам частиц — на протон, гиперон, мезон и так далее. Массы этих частиц получаются очень близкими к тому, что наблюдается на опыте.

Научиться рассчитывать спектр масс частиц всегда было мечтой теоретиков. И никому это до сих пор не удавалось. И вот модель «кварковых мешков» впервые помогла теоретикам приблизиться к этой цели. Теперь «мешочники» пытаются изготовить кварковые «мешки» целиком из глюонного поля. Это позволило бы освободиться от грубого и все-таки очень приблизительного образа эластичной сжимающей оболочки и чисто теоретически рассчитать периферические силы сжатия. Одна из таких попыток связана с очень интересным явлением — образованием так называемых солитонов.

Давно было замечено, что в полях, обладающих самовоздействием (такие поля называются нелинейными) иногда образуются устойчивые волновые сгустки. Впервые это явление наблюдал еще в середине XVIII в. английский ученый Скотт Рассел на примере турбулентного движения воды. Вот как он сам описал его в одной из своих работ:

«Я наблюдал за движением баржи, которую с большой скоростью тянула по узкому каналу пара лошадей как вдруг баржа резко остановилась. Но отнюдь не остановилась приведенная ею в движение масса воды в канале. Неистово бурля, она стала собираться вокруг носовой части судна, а затем, вдруг покинув его, с огромной скоростью покатила вперед, приняв форму обособленного крупного возвышения — округлого, гладкого и резко очерченного скопления воды, которое продолжало свой путь по каналу без сколько-нибудь заметного изменения формы или уменьшения скорости».

Позднее такие волновые сгустки получили название солитонов — от английского слова solitary, что значит «отдельный», «уединенный». 1

Глюонное поле — нелинейное (вспомним о способности глюонов создавать вокруг себя новое глюонное поле), поэтому в нем могут образовываться солитоны! Расчеты показывают, что глюонные солитоны сами по себе, по-видимому, нестабильны и довольно быстро рассеиваются в пространстве. Однако есть надежда, что если в такой мешок-солитон поместить кварки, он приобретет устойчивость.

Конечно, все эти модели представляют собой сильно упрощенное и усредненное описание реального положения дел. Однако основанные на них расчеты дают спектр масс и многие другие характеристики, которые поразительно хорошо согласуются с опытом.

Нечто похожее в физике уже было, когда создавалась теория атома и квантовая механика. Тогда тоже существовали различные наглядные модели, с помощью которых ученые пытались если не объяснить, то хотя бы привести в систему новые факты. Например, очень популярной была модель, в которой атом рассматривался в виде набора механических резонаторов, отвечающих на внешние воздействия, подобно музыкальному инструменту. Английский физик Джон Томсон, незадолго до этого открывший электрон, представлял себе атом в виде положительно заряженной капли, внутри которой вибрируют электроны. Возникал и образ яблока из положительно заряженной мякоти с семечками-электронами. Резерфорд разрабатывал «солнечную» модель атома с планетами-электронами, вращающимися вокруг центрального ядра. Каждая из этих моделей была ступенькой на пути к современной квантовой картине.

Иногда приходит мысль: может, кварковые модели тоже всего лишь переходный мостик к какой-то совершенно новой картине микромира? Но едва ли... Квантовая механика принесла с собой принципиально новый закон движения. Мир точных устойчивых траекторий сменился расплывчатой, дрожащей картиной сталкивающихся и рассеивающихся волн. Как будто вы наблюдали за игрой футболистов на поле, и вдруг вам надели неподходящие очки и все перед вами расплылось. А с кварками ничего похожего. Изменились физические объекты, закон же движения остался прежним.

Впрочем, мы еще только прикоснулись к кварковым явлениям. Пока это клубок противоречивых гипотез и фактов. Как знать, может, для более точного описания этих явлений потребуется принципиально новая теория?

Рассказ о поисках свободных кварков был бы неполон, если бы мы не упомянули еще об одной «сумасшедшей» идее, появившейся недавно,— о гигантских кварковых «мешках» — целых астероидах и планетах из слипшихся кварков.

Физики давно уже заметили, что внутри атомных ядер иногда образуются очень плотные сгустки из нескольких нуклонов — кластеры. Впервые на это обратил внимание еще четверть века назад советский физик М. Г. Мещеряков и его сотрудники. Причины этого явления долго оставались невыясненными, но теперь теория кварков позволяет его объяснить: кластер — это «мешок» из шести и большего числа кварков. Нуклоны внутри ядра иногда очень близко подходят друг к другу, и их кварки объединяются в общий «мешок». Получается многокварковый супернуклон.

Расчеты теоретиков показывают, что на ранних этапах развития Вселенной, когда господствовала еще большая плотность и температура, слияние маленьких кварковых «мешочков» в гигантские «мешки» могли происходить очень часто. Вес таких «мешков» огромен — один кубический сантиметр их вещества весит столько же, сколько вся наша планета. Авторы гипотезы считают, что в таких «мешках» упаковано почти все (до 99 процентов!) видимое вещество Вселенной.

Вот только где они, эти «мешки»? Среди далеко разлетевшихся осколков Большого взрыва? Внутри квазаров? Или, может быть, они равномерно разбросаны по всей Вселенной? Но тогда почему мы не встречаем кварковых «крошек» — ведь они тоже должны были рождаться вместе с большими кварковыми «мешками». Возможно, изредка сталкиваясь с нашей планетой, они попросту тонут в ее веществе, как камешки в реке, и концентрируются в раскаленном земном ядре?

ГЛАВА ПЯТАЯ,


в которой речь идет о «скульптуре элементарного» — о форме элементарных частиц и ее изменениях. Читатель убеждается в том, что у науки и искусства очень много общего

Кварки, протоны, Вселенная

Когда говорят о свойствах элементарных частиц, обычно представляют их чем-то вроде маленьких шариков. А какую форму они имеют на самом деле? Например, протон и нейтрон — какие они? Круглые, как биллиардные шары, или, может быть, вытянутые наподобие куриного яйца? Остается ли их форма неизменной в любых условиях, или же она меняется под действием внешних сил? А если меняется, то возникают ли у частиц новые свойства и какие?

Простые вопросы, но в физике с ними связана целая эпоха. К их изучению удалось подойти лишь недавно — после того как были построены мощные ускорители, генерирующие пучки электронов и гамма-квантов (жестких фотонов) с энергией, позволившей провести глубинное зондирование элементарных частиц. Лет тридцать назад такие вопросы показались бы просто бессмысленными. «Скульптура элементарного» — в то время это звучало вроде «сухой воды» или «знойного холода»! Физики уверены были тогда, что элементарные частицы — это самые наипростейшие, изначальные физические объекты, а потому уж они никак не могут иметь размеров, а тем более деформироваться. Иначе из них можно выделить еще меньшие и, следовательно, более простые части, а таких частей в опытах никогда не наблюдалось. В представлении физиков частицы были похожи на безразмерные, хотя и материальные точки.

То, что протон и нейтрон — сложные пространственные структуры с плотной центральной сердцевиной-керном и рыхлой, разреженной периферической оболочкой, простирающейся до расстояний, немногим меньших размеров атомных ядер, это выяснилось лишь в середине 60-х годов. Только тогда стало возможно говорить о форме элементарных частиц и даже пытаться как-то воздействовать на свойства этих «наипростейших» объектов именно путем их деформации.

Но разве можно изменить форму частицы? Она ведь так ничтожно мала! А почему бы и нет — ведь и атомы когда-то считались предельно малыми объектами! С течением времени понятия большого и малого изменяются. И с тем же основанием, с каким мы говорим о форме разбросанных по полю каменных валунов, можно говорить о геометрической форме протона и нейтрона.

Может показаться, что все это — чисто академические вопросы. Но как знать... Об элементарных частицах нам известно еще очень мало. А вот деформация атомных ядер, например, оказалась связанной с тонкими внутриядерными эффектами, и ее исследование стало одним из важных разделов ядерной физики. Когда изучаешь глубины материи, никогда нельзя сказать заранее, к каким практическим результатам это приведет.

Первый вопрос, который возникает при изучении формы элементарных частиц: а как вообще увидеть их форму? Ведь частицу нельзя рассмотреть или сфотографировать под микроскопом, как это делают, например, с микробом. Способ один — изучать движение частиц под действием различных полей.

Электрическое поле, создаваемое заряженным телом, зависит от того, какую форму имеет это тело. Поле заряженной горошины отличается от поля, создаваемого заряженным чечевичным зерном, а поле вытянутой сигары не похоже ни на то, ни на другое. Внешнее электрическое поле тоже по-разному действует на тела с различной геометрической формой.

Теория говорит, что в мире элементарных частиц должно быть то же самое. Их взаимодействие также должно зависеть от их формы. Поэтому, наблюдая рассеяние сталкивающихся частиц, когда они сближаются на очень малые расстояния и поле их взаимодействия становится очень сильным, можно заметить различия в их форме.

Особенно удобно изучать взаимодействия частиц с электронами и гамма-квантами. И те, и другие в отличие от мезонов и нуклонов не чувствительны к ядерным силам. Законы, управляющие ядерными силами, известны пока еще не слишком хорошо, поэтому предугадать

их влияние на ход эксперимента трудно. Взаимодействие же электронов и гамма-квантов с частицами целиком обусловлено электромагнитными силами, свойства которых хорошо изучены и очень точно описываются теорией. Все это упрощает эксперимент и позволяет более надежно и однозначно интерпретировать его результаты. Все отклонения экспериментальных данных от теоретических формул, выведенных для безразмерных, точечных частиц, в этом случае можно целиком приписать влиянию формы и размеров частиц.

В последние 20—30 лет в различных физических лабораториях выполнено много опытов с рассеянием электронов и гамма-квантов на протонах. И во всех опытах протоны вели себя как абсолютно круглые, сферически симметричные частицы. То же самое обнаружилось и при рассеянии частиц на нейтронах. Они тоже оказались похожими на шарики — в целом электрически нейтральные, но имеющие внутри себя слои перекрывающихся положительных и отрицательных зарядов. Словом, самые точные эксперименты не обнаружили у протона и нейтрона никаких отклонений от сферической симметрии.

Недавно на самом большом советском ускорителе, в подмосковном городке Протвино, вблизи Серпухова, были закончены опыты с рассеянием пучков пи-мезонов на атомарных электронах. Результат таков: мезон — тоже сферически симметричный шарик.

О других элементарных частицах экспериментальных данных еще нет. Сведения об их форме можно получить лишь на основании теоретических соображений. А из этих соображений, в частности, следует, что форма частиц тесно связана с величиной их спинов. Как уже говорилось, многие частицы похожи на безостановочно вращающиеся волчки. Возможно, это вызвано какими-нибудь круговыми движениями в их недрах, вроде широтных течений в океанах или сейсмических волн в земной коре. Как бы там ни было, квантовые законы, которым подчиняются микропроцессы, разрешают передачу лишь дискретных, прерывистых порций энергии, поэтому вращательное движение внутри частиц происходит не с любыми, а только лишь с некоторыми дискретными угловыми моментами-спинами. Чем массивнее вращающееся тело, тем больше скорость и орбиты движения его частей, тем труднее остановить вращение или изменить направление его оси — тело сопротивляется. Вот эту сопротивляемость и характеризует величина углового момента. Чем она больше, тем движение устойчивее и энергичнее.

Частицы с небольшим спином можно назвать медленно вращающимися. Протон и нейтрон как раз таки частицы. К этой группе принадлежат также гипероны и многие из мезонов. Пи-мезон вообще не вращается, его спин равен нулю. Расчеты теоретиков показывают, что все медленно вращающиеся частицы должны иметь форму, очень близкую к сферической, а вот быстро вращающиеся, «высокоспиновые», как бы деформируются центробежными силами и могут стать вытянутыми, подобно упомянутой сигаре, или сжаться вдоль оси своего вращения, как чечевичное зерно. Такими свойствами должны обладать, например, так называемые резонансы-быстро вращающиеся состояния «слипшихся» мезона и нуклона, а также многие атомные ядра.

Не устаешь удивляться особенностям элементарных частиц! Обладают сложной структурой, разнообразием форм, и вместе с тем это последние, неделимые дальше крупинки вещества. Если верна гипотеза «кварковой тюрьмы» — конфаймента, то расщепить их на более мелкие составные части никогда не удастся.

Частицы могут изменять свою форму — растягиваться или сжиматься. Это когда на них действуют внешние силы. Если частицы расположены далеко друг от друг и действующие между ними силы не очень велики, деформацией частиц можно пренебречь и считать их «жесткими». Но вот как они поведут себя в сильных полях, когда они пролетают близко друг от друга или даже сталкиваются друг с другом?

Чтобы представить себе, что тогда может произойти вспомним, как ведет себя в электрическом поле атом. Он поляризуется: орбиты его электронов смещаются, вытягиваются вдоль силовых линий поля, и он становится электрическим диполем. Если смещения орбит не слишком велики, то величина диполя пропорциональна напряженности электрического поля. Коэффициент пропорциональности называется электрической поляризуемостью. Эта величина хорошо известна; ее значения для разных атомов и молекул указаны в справочниках. Она как раз и характеризует степень жесткости атома. Чем жестче атом, тем меньше его поляризуемость. Для абсолютно жесткого, недеформируемого атома поляризуемость была бы равна нулю.

Так что же произойдет в сильном электрическом поле с протоном? Останется он по-прежнему похожим на заряженный шарик или же, подобно атому, вытянется в направлении поля?

Конечно, величина деформаций частицы зависит не только от того, насколько она жестка. Важное значение имеют также ее размеры. Силы внешнего поля действуют на каждую дольку вещества частицы, поэтому общее усилие, которое деформирует частицу, пропорционально ее объему. Другими словами, при одинаковой жесткости большую частицу легче сжать или растянуть, чем маленькую. И деформируемость протона должна быть во много раз меньше, чем у атома, ведь радиус протона в 100 тысяч раз меньше самого маленького из них — атома водорода.

Но, может быть, свойства внутрипротонного вещества совсем не похожи на свойства других физических тел и протон вообще нельзя деформировать? Когда имеешь дело с элементарными частицами, надо предусмотреть и проверить все. Кто мог бы предсказать заранее, что протон, неделимая и элементарная частица, на самом деле представляет собой сгусток, каплю полурастворившихся в энергии взаимодействия, почти потерявших свою индивидуальность частиц, которые, в свою очередь, состоят из кварков? Неожиданности подстерегают физика здесь на каждом шагу.

Первыми за дело взялись теоретики. Задача, стоявшая перед ними, была очень трудна — ведь строгой теории, которая позволяла бы рассчитать внутреннее строение, элементарных частиц, не существовало. Нет ее и сегодня. Тем не менее группе теоретиков в Дубне и в Москве удалось вывести формулы, которые связывали электромагнитную деформацию протона и нейтрона с другими, уже измеренными на опыте величинами. После этого удалось вычислить и деформацию частиц.

О своей работе теоретики рассказали на международной конференции физиков в Венеции. Недалеко от площади Святого Марка, единственной площади изрезанного каналами города, расположен небольшой городок Сан Джорджио со старинными монастырскими постройками. Туда от площади ходит небольшой пароходик. Там в одном из залов, с желтыми дубовыми скамьями и черным распятием на белой стене, и проходили заседания конференции. Советский доклад был встречен сдержанно. В теоретическом отношении он был безупречен, но с экспериментальной точки зрения большинству участников конференции показался бесперспективным. Из формул следовало, что в сильном электрическом и магнитном полях протон и нейтрон действительно должны поляризоваться — сжиматься и растягиваться, но величина таких деформаций крайне мала — в 100, а может быть, и в 1000 триллионов раз меньше, чем атома водорода.

Чтобы наглядно представить себе величину этих деформаций, вообразим, что протон находится возле границ тяжелого атомного ядра. Здесь действует самое сильное электрическое поле, какое только нам известно в природе. Если бы мы захотели создать такое поле в плоском конденсаторе с расстоянием между пластинами в 1 сантиметр, нам потребовалось бы напряжение в 10 триллионов вольт. Так вот, под действием такого колоссального поля протон изменит свои размеры менее чем на одну-две десятых доли процента. В реальных экспериментах электрическое поле намного слабее, значительно меньшей будет и деформация. Ясное дело, что измерение такой малой величины — дело очень далекого будущего. И есть ли смысл особенно задумываться на ним? Уж очень тонким должен быть эксперимент.

Но что интересно — сама по себе жесткость внутрипротонного вещества сравнительно невелика, она всего лишь раз в 10 превосходит жесткость атомов — больших и рыхлых систем по сравнению с протоном. А что протон деформируется все же очень слабо, объясняется в основном малыми размерами этой частицы.

Нет, эксперимент возможен, и ждать его придется не так уж долго! Идея опыта родилась в физическом институте имени П. Н. Лебедева, в группе, которой руководили теоретик А. М. Балдин и экспериментатор В.И. Гольданский. Теперь и тот и другой уже академики, а тогда они были мало кому известными молодыми научными сотрудниками и, конечно, участниками шумных туристских походов и альпинистских восхождений.

Если протон изменяет свою форму в зависимости от действующего на него поля, то это должно происходить и при рассеянии гамма-квантов на протоне, под действием их электромагнитного поля. Протон в таком поле вытянется, а вытянутый протон должен взаимодействовать с гамма-квантом иначе, чем круглый. Рассеяние пучка гамма-квантов будет отличаться от рассеяния на строго сферическом протоне, появится дополнительная величина, связанная с деформацией. Измеряя ее, можно в принципе определить и величину деформации протона.

Сама по себе идея нехитра, но осуществить ее на практике крайне трудно. Прежде всего потребуется чрезвычайно высокая точность эксперимента, ведь деформация очень мала, и необходимо исключить десятки причин, которые могли бы замаскировать ожидаемый эффект. Кроме того, надо еще тщательно подобрать анергию гамма-квантов. Если она будет слишком мала, кванта не хватит на то, чтобы растянуть протон, а если, наоборот, слишком велика, в игру вступят другие детали структуры протона, которые заслонят собой вклад поляризуемости. Участники дискуссий на острове Сан Джорджио не напрасно сомневались в успехе опытов.

И тем не менее В. И. Гольданскому и его сотрудникам такой эксперимент выполнить удалось. Он был настолько сложен, что в течение целых 15 лет оставался единственным. Лишь недавно другая группа сотрудников ФИАНа сумела повторить его, применив еще более совершенную методику.

Труды не пропали даром — результаты экспериментов определенно свидетельствовали о том, что протон действительно деформируется в поле рассеивающегося гамма-кванта, и величина этой деформации находится в согласии с предсказаниями теоретиков. Более того, в опыте удалось расщепить деформацию протона на две части: на деформацию под действием одного лишь электрического поля и деформацию под действием поля магнитного. Магнитная деформация оказалась еще меньшей, чем электрическая: приблизительно раз в 10. Правда, точное ее значение пока измерить не удалось, но то, что «магнитная жесткость» протона на порядок больше «электрической жесткости», уже не вызывает сомнений.

Результаты экспериментов были очень важными. И не только потому, что удалось получить сведения, необходимые для построения моделей, которые позволили бы еще глубже заглянуть внутрь частиц. Физики суме-ли впервые воздействовать на свойства частицы. Не просто наблюдать эти свойства, а именно воздействовать на них, изменять их! Это был принципиально новый шаг в исследовании субъядерных явлений. Новое обоснование получило также положение о том, что структура окружающего нас мира бесконечно многообразна! Элементарные частицы не только ведут себя как чрезвычайно сложные пространственно-протяженны системы, но и обнаруживают способность изменять свои свойства. А из этого, если вдуматься, следует очень очень многое...

Опыты московских физиков хорошо согласовались с представлением о протоне как о сложной частице, состоящей из крепко сцементированного ядра (керна) и разреженной оболочки периферических мезонов. Такую оболочку, естественно, легче деформировать, чем плотную сердцевину протона. И хотя масса вещества в мезонном облаке сравнительно невелика — в этом физики убедились еще давно, когда «просвечивали» протон пучками быстрых электронов,— расчет показывает, что результаты опытов с гамма-квантами можно целиком объяснить деформацией только этого облака. Деформация керна почти ничтожна.

Кажется, все ясно!

Однако керн и мезонная оболочка — это еще не вся структура протона. Его электрический заряд испускает кванты электромагнитного поля. И хотя время, которое эти кванты живут, покуда протон не поглотит их обратно, очень мало, некоторые из них успевают превратиться в пару частиц, электрон и позитрон, которые затем быстро аннигилируют, снова превращаясь в гамма кванты. В результате наряду с мезонным облаком вокруг протона успевает образоваться облако электрон-позитронных пар. Его плотность мизерна — несравнимо меньше, чем плотность мезонов на периферии протона. Это как бы ультраразреженная стратосфера вокруг планеты-протона. Электроны и позитроны намного легче мезонов, слабее связаны с ядром протона и поэтому могут удаляться на гораздо большее расстояние от его центра. Облако этих частиц почти в 100 раз больше облака мезонов и очень подвижно — оно легко изменяет свою форму под действием внешних полей. И вот расчет показывает, что, несмотря на разреженность электрон-позитронной стратосферы протона, ее поляризуемость в электромагнитных полях должна быть приблизительно в 1000 раз больше, чем у облака мезонов.

Но почему же тогда опыты с рассеянием гамма-квантов показали значительно меньшую величину — только ту, что соответствует деформации мезонной оболочки? Может быть, в наши представления о слоистом строении протона вкралась ошибка?

Нет, дело в другом — в условиях измерении. Чем дальше от центра протона взаимодействует гамма-квант, тем слабее действующие там силы, а следовательно, меньше и угол, на который отклоняется гамма-квант от своего первоначального направления. Поэтому те кванты, которые испытали взаимодействие с удаленной электронно-позитронной оболочкой и несут информацию о ее свойствах, рассеялись на очень малые углы. Но здесь все забивает пучок первичных нерассеявшихся гамма-квантов. Отстроиться от этого пучка чрезвычайно трудно, поэтому измерения удается выполнить лишь для больших углов, а туда попадают только те гамма-кванты, которые взаимодействуют с мезонной оболочкой протона. Сведений об электрон-позитронной стратосфере там нет. Другими словами, в опытах с рассеянием гамма-квантов мы рассматриваем протон под таким углом зрения, что просто не видим его электронных облаков. Рассказать об их свойствах могут пока только теоретики.

Еще труднее изучать деформацию нейтрона. В природе нет мишеней, которые состояли бы из одних нейтронов. Для изучения деформаций нейтрона приходится использовать атомные ядра, куда наряду с нейтронами входят и протоны. А это вносит дополнительные ошибки, так как строение атомных ядер и действующие в них силы мы знаем еще недостаточно. Вот почему зондировать строение нейтрона намного труднее, чем протона.

Первая попытка выяснить, деформируется ли нейтрон электрическим полем, была предпринята в Физико-энергетическом. институте в Обнинске, под Москвой. Два сотрудника этого института, Игорь Бондаренко и Юрий Александров, придумали, как превратить атомное ядро из помехи, из врага, в друга, облегчающего измерения. Они предложили изучать рассеяние пучка нейтронов мишенью из очень тяжелых ядер и на очень малые углы, куда попадают лишь те нейтроны, которые

взаимодействуют с далекой периферией ядра. Ядерные силы там слабы, а электрические, наоборот, велики. Они будут деформировать нейтроны, и это должно привести к дополнительному рассеянию.

Опыты дали удивительный результат: получалось,

что по сравнению с протоном нейтрон — очень мягкая частица. Его способность к деформации в сотни раз превзошла деформацию мезонной оболочки протона ту, что наблюдалась в опытах с гамма-квантами.

Это было совершенно неожиданно и совершенно не понятно. Ведь все экспериментальные и теоретические данные говорили за то, что мезонные облака внутри нейтрона перекрываются таким образом, что происходит почти полная компенсация их зарядов. А электрически нейтральная частица не может испускать электромагнитные кванты, и вокруг нее не может образоваться облако электрон-позитронных пар. Поэтому жесткость нейтрона, казалось бы, должна зависеть только от его внешней мезонной оболочки. Природа сил, стягивающих эту оболочку, та же, что и у протона. Почему же тогда она такая мягкая по сравнению с протоном?

Этот вопрос долго интриговал физиков. Потребовалась целая серия новых опытов и многолетние теоретические расчеты, прежде чем удалось выявить некоторые неизвестные ранее особенности ядерных взаимодействий, проливших свет на мягкость нейтрона.

В науке так иногда бывает: кажется, что открыто новое явление, а потом находятся еще не использованные резервы старой теории, и жар-птица ускользает из рук. Так случилось и в этот раз. Споры о причинах аномального поведения нейтронов в столкновениях с тяжелыми ядрами все еще идут, но все равно уже ясно, что это поведение никак не связано с эффектами деформаций.

В этом убеждают нас, например, опыты по взаимодействию гамма-квантов с ядрами тяжелого водорода дейтерия. Эти ядра состоят из протона и нейтрона, поэтому если известна деформация протона, то можно обнаружить деформацию и у нейтрона. Конечно, для этого опять-таки приходится учитывать ядерные силы, но для простого ядра дейтерия это можно сделать значительно точнее, чем для тяжелых ядер. Так вот, из опытов с дейтерием следует, что по своей жесткости протон и нейтрон не слишком различаются между собой. Их деформации — одного порядка.

Как ни странно, у короткоживущего пи-мезона многие свойства изучены лучше, чем у нейтрона. Правда, мы говорим о заряженных мезонах: время жизни нейтрального пи-мезона в 100 миллионов раз меньше и его внутренние свойства вообще еще не изучались в опыте. А вот заряженные пи-мезоны, хотя и входят в состав протона, имеют размеры почти такие же, как и сам протон. Близкой оказывается и величина жесткости этих частиц. Это объясняется тем, что размеры кварков, из которых «слеплены» элементарные частицы, очень малы. Кварки — почти точки. Поэтому величина системы определяется не размерами кварков, а расстояниями между ними, то есть радиусом действия глюонных сил. А этот радиус — такая же неизменная, универсальная постоянная, как заряд электрона или скорость света.

Но тогда мы вправе ожидать, что жестокость всех сильновзаимодействующих частиц (адронов) приблизительно одинакова, одного порядка. Экспериментальных данных на этот счет пока нет, но некоторые сведения получить все-таки можно, если учесть симметрию в семействах кварков и антикварков. Поскольку адроны — различные комбинации членов этих семейств, между их свойствами также можно установить зеркальные соотношения. Например, получается, что жесткость протона должна быть совершенно такой же, как и у сигма-минус-гиперона Σ-, жесткость нейтрона равна жесткости тяжелого кси-нуль-гиперона Ξ° и так далее. Аналогичными соотношениями связаны мезоны.

Есть основания думать, что легкие частицы — мю-мезоны, электрон, позитрон — тоже испытывают деформации во внешних полях. Но так как эти частицы по крайней мере в тысячу раз меньше адронов, их деформации, по-видимому, очень малы. Быть может, в миллиард раз меньше, чем у адронов.

Скульптуру элементарного мы только еще начинаем познавать. Дальше шаров, сигар, чечевичных зерен пока не пошли. Но разве не может быть в этом мире тонких и толстых баранок, дисков, гантелей или еще более сложных фигур? Ведь есть же предсказания (и небезосновательные), что ядра некоторых сверхтяжелых элементов имеют форму бублика и даже полого пупыря.

Особенно сложные формы такого рода объекты могут принимать в ультрамалых областях, где возможно изменение самой топологии пространства, например его размерности. В одном месте оно может быть трехмерным, в соседней области — четырех- или пятимерным. По-разному изогнутым и скрученным. А на границах переходы, которые трудно даже выразить словами. Это скорее, образы искусства, нежели науки.

Между прочим, наука и искусство имеют значительно. больше общего, чем это принято думать. Есть два способа приобретения знаний об окружающем мире — логический, связанный с осознаваемой деятельностью нашего рассудка, и в основном выражаемый словами или иными знаками, и интуитивный, зависящий от скрытой работы нашего подсознания, когда происходит как бы непосредственное восприятие, усмотрение факта. Хотя резкой границы между ними нет, можно с уверенностью сказать, что в науке логический способ рассуждения преобладает. Однако без интуиции, путем одной логики, наука развиваться не может. Основанные на строгих законах логики компьютеры успешно доказывают теоремы (бывали даже случаи, когда они открывали еще неизвестные), но все это делается в жестких рамках программ. Изменить их, то есть создать новую теорию, компьютер не может. Одной логики для этого недостаточно. Лежащие в основе науки процессы творчества в значительной степени имеют интуитивный характер.

В искусстве интуитивный, неосознаваемый нами элемент, основанный на ассоциациях, нюансах впечатлений и других невыразимых на логическом языке вещах, является определяющим. Во всяком случае многое начинается с него. Логика играет здесь подчиненную роль: Компьютеры умеют сочинять стихи и музыку, они создают сложные и очень красивые орнаменты. Но это не искусство, ведь они работают, так сказать, машинально — по заданному им логическому рецепту. Это ремесло, которому может обучиться каждый. Истинный художник работает иначе, истоки его искусства иные, но он не чужд логике, научному мышлению и в процессе замысла, и на завершающем этапе.

Наука и искусство дополняют друг друга. Не случайно многие выдающиеся ученые, внесшие большой вклад в самые абстрактные области человеческого знания, были страстными почитателями искусства.

ГЛАВА ШЕСТАЯ,


в которой рассказывается о больших и малых черных дырах, о космических просторах внутри электрона, о крупинках вещества, каждая из которых — целая вселенная. Вместе с автором читатель приходит к выводу, что противопоставлять микромир космосу можно далеко не всегда

Кварки, протоны, Вселенная

Когда смотришь в объемное черно-синее небо, где на разной глубине повисли точечки звезд, трудно представить себе, что каждая из них — раскаленный и бурлящий огненный шар, вроде нашего Солнца. Мириады солнц! Яростно белых, с температурой в десятки тысяч градусов, и более спокойных красных гигантов с массой, во много раз большей, чем у нашего Солнца. Взрывающихся сверхновых и умирающих, сжимающихся в плотный сгусток нейтронных звезд. Гигантских звездных скоплений, сливающихся в нерасцепляемую глазом светящуюся искорку, и таинственных, источающих чудовищную энергию суперзвезд — квазаров.

Далекие светящие точки... Ближайшая из них в 250 тысяч раз дальше нашего Солнца. Свет от нее идет четыре года. А свет квазаров помчался к нам, когда еще не существовало, ни Земли, ни Солнца.

Звездная пыль Вселенной, звезды как атомы... А может, и вправду — атомы? Какого-то сверхмира, населенного гигантами, для которых наши звезды, как для нас элементарные частицы. А вдруг при очень большом увеличении мы обнаружим, что внутри электронов и кварков, в свою очередь, существуют миры, с миллиардами звезд и планет?

В разной форме гипотеза «многоэтажной вселенной» высказывалась в науке не раз. Она пришла к нам из глубокой древности. Более двух тысяч лет назад греческий философ Анаксагор говорил, что мир состоит из бесчисленного количества мельчайших частиц — гомеомерий, каждая из которых, в свою очередь, состоит из неисчерпаемо огромного числа еще более мелких гомеомерий и так далее, без конца. В отрывках из его дошедших до нас трудов говорится, что любая из этих частиц содержит в себе все свойства Вселенной. Внутри каждой из них, какой бы малой она ни была, «есть города, населенные людьми, обработанные поля и светит солнце, луна и звезды, как у нас».

Эта замечательная идея о бесконечной цепочке вложенных друг в друга миров поражала и занимала воображение многих ученых. В XVII в. ее разделял великий Лейбниц. Сходные мысли высказывал еще до него Джордано Бруно, а в XVIII в.— французские энциклопедисты. Подумывал о ней и XIX в. — уж очень привлекательна и вместе с тем правдоподобна была мысль о том, что в каждом зернышке, в каждой пылинке, пляшущей в луче света, спрятана целая бесконечность миров, где процветают какие-то формы жизни, может быть, похожие на нашу, а может быть, и совсем другие. Тем более что, кроме малоубедительных ссылок на Ветхий завет, этой идее трудно было что-либо противопоставить.

Бурное развитие экспериментального естествознания в XIX и XX вв., изучение молекул и атомов, открытие быстро распадающихся и превращающихся одна в другую элементарных частиц, казалось бы, полностью разрушили наивную картину мира, построенного на манер вложенных друг в друга матрешек. Однако в последнее время появились соображения, которые неожиданно заставляют серьезных ученых вернуться к идее бесконечной иерархии миров.

Развитие теории относительности привело к мысли о том, что резкой границы между космосом и микромиром нет, и в природе действительно могут существовать объекты, которые извне выглядят как микрочастицы, а изнутри — как безграничная Вселенная.

По-видимому, дело обстоит именно так. «По-видимому», так как это — выводы одной из самых трудных и плохо разработанных областей современной физики, лежащей на стыке квантовой механики и теории относительности. Здесь еще много нерешенных вопросов, и к теоретическим предсказаниям приходится относиться пока с осторожностью. В них можно было бы поверить, если теорию относительности Эйнштейна действительно допустимо экстраполировать на микроскопические явления. Но применима ли там эта теория или нет, никто пока не знает. Судьей будут эксперименты, которые еще только предстоит выполнить.

А началось все с математики. В 1922 г., исследуя уравнения общей теории относительности, мало кому в то время известный петроградский физик и математик Александр Александрович Фридман сделал сенсационное открытие. Он обнаружил, что уравнения Эйнштейна имеют решения, которые описывают полностью замкнутый мир.

Чтобы понять, что это значит, представим себе обычный шар. Его поверхность — двухмерный мир. Этот мир замкнут и в то же время безграничен — ведь по поверхности шара можно двигаться в любом направлении и нигде не натолкнуться на границу. Двухмерным существам на поверхности шара было бы очень трудно представить себе ограниченность их мира. Для этого им пришлось бы иметь дело с воображаемым трехмерным миром, который они могли бы изучать лишь с помощью математических формул.

Точно таким же образом решения Фридмана описывают замкнутый трехмерный мир — поверхность некоего четырехмерного мира. Реально никакого четырехмерного пространства не существует, иначе четвертое измерение проявлялось бы в наших экспериментах. Это всего лишь вспомогательный математический образ. Однако это не мешает трехмерному миру обладать свойством кривизны и, подобно двухмерной сфере, иметь конечный радиус.

В научно-популярной литературе идею о том, что окружающее нас пространство может быть искривленным и только в первом приближении кажется нам абсолютно плоским, часто связывают лишь с общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Это не точно. Еще раньше к этой идее пришел профессор Казанского университета Николай Иванович Лобачевский. Открытие им неевклидовых геометрий прямо поставило вопрос: какова же реальная геометрия нашего мира? Плоская евклидова или же искривленная неевклидова? Работы Лобачевского, а также выполненные независимо от него расчеты венгерского математика Яноша Бойяи и немецкого математика Карла Фридриха Гаусса послужили идейным фундаментом для всех последующих теорий искривленных пространств, в том числе для теории Эйнштейна и следующей из нее теории Фридмана.

В этой теории радиус искривленного мира зависит от его массы. Чем больше масса, тем большим радиусом

должен обладать мир. Они пропорциональны друг другу. Например, радиус замкнутого мира с такой же приблизительно массой, как у нашей Вселенной, составляет около триллиона триллионов километров, что выражается единицей с 24 нулями. Чтобы пересечь такой мир, световому лучу потребовалось бы более 10 миллиардов лет.

Если в искривленном пространстве не выходить за пределы областей, размеры которых много меньше радиуса мира, то его свойства (физики называют их локальными, местными) практически ничем не отличаются от свойств «плоского», не обладающего кривизной мира. В замкнутых мирах с большой массой такие «почти плоские» области могут иметь огромную протяженность. Их жители никогда и не заподозрят о кривизне и замкнутости своего мира. Окружающее их плоское пространство они будут воспринимать как «всю Вселенную», а идеи физиков о том, что, кроме этой кажущейся им бесконечной Вселенной, существует еще множество подобных миров, будут звучать для них как чистая фантазия. Ведь эти миры для них принципиально не наблюдаемы, словно их вообще нет в природе. Один мир по отношению к другому представляет собой «схлопнувшееся», самозамкнувшееся пространство. Если бы у них были внешние размеры, можно было бы говорить о разделяющем их пространстве, в которое они «погружены». Но они — точки, абсолютное ничто по отношению друг к другу, не имеющее ни физических, ни геометрических свойств. И естественно, что между ними нет никакой связи.

Выражаясь математическим языком, мы можем сказать, что формулы Фридмана описывают многосвязную Вселенную, состоящую из бесчисленного множества трехмерных миров, живущих в своем собственном ритме времени. Воображения не хватает все это себе представить!

Не стоит, впрочем, огорчаться из-за этого. Сами физики в наглядности не идут дальше двух или трех измерений, а более сложные фигуры представляют себе в виде как бы срезов, находя соответствующие двух- и трехмерные аналогии лишь для отдельных деталей. При известной тренировке можно держать в голове сразу нескольких таких срезов. Мысленный взор быстро их перебирает, и возникает иллюзия многомерного видения. Получается нечто вроде того, как мы восстанавливаем форму предметов по их теням.

Пожалуй, труднее всего уяснить себе, как может существовать сразу несколько «пузырей»-вселенных. Ведь, казалось бы, все же должно быть что-то такое, во что они погружены; и вот это «что-то», наверное, как раз и есть настоящая, единая для всех Вселенная.

Это было бы так, если бы на «пузыри»-вселенные можно было бы взглянуть со стороны. Но этого-то как раз и нельзя сделать. Согласно теории относительности на мир можно смотреть лишь изнутри — из «пузырей», и каждый наблюдатель увидит свою Вселенную и только ее одну. Чтобы представить себе это нагляднее, вообразим на минутку, что «пузыри» соединены сверхузкими коридорами — как бы микроскопическими проколами из одного мира в другой. Тогда все миры будут частями единой Вселенной. Такая Вселенная обнимает все пространство. Вне ее ничего нет. Если теперь коридоры будут становиться все уже и уже, то в конце концов мы получим парадоксальную картину разделенных и полностью замкнутых миров.

Но каким бы строгим с математической точки, зрения ни был вывод о множестве не ощущающих друг друга миров, в философском отношении они встречают серьезные возражения. Ведь одно из самых главных положений диалектики состоит в признании связи между всеми существующими, в природе явлениями, вследствие чего не может быть абсолютно изолированных пространственных областей и материальных объектов, принципиально недоступных познанию («вещей в себе» — как называл их Кант). Это противоречие заставляет думать, что формулы Фридмана — лишь первое приближение к более общей теории, в которой все миры непременно будут связаны между собой физическими процессами.

И действительно, если мы учтем квантовые поправки, «замкнутые миры» превратятся в «полузамкнутые». Если вернуться к рассмотренной выше модели соединенных каналами миров-«пузырей», то следует принять во внимание, что, когда толщина канала становится сравнимой с размерами элементарных частиц, в них начинаются процессы рождения и поглощения виртуальных частиц, и тем интенсивнее, чем уже канал. Эти процессы размывают границы, делают их диффузными и не позволяют каналу «сжаться в нуль». Иначе говоря, чем уже канал, тем сильнее препятствующее его сжатию давление «газа» виртуальных частиц. Поэтому все «пузыри»-вселенные остаются взаимосвязанными на уровне микромасштабов и образуют единое всеобъемлющее пространство-время. Противоречие устраняется.

И все же кажется просто невероятным: огромная Вселенная, Метагалактика, и в то же время — крохотный «пузырек» в пространстве и времени! В это трудно поверить. Тем более что непонятно, каким образом могут образоваться в природе почти замкнутые миры-вселенные...

Открытие Фридмана вызвало огромный интерес. Во многих странах ученые исследовали свойства найденных им решений, изучали условия, при которых могут существовать такие миры. Возникла целая наука — релятивистская космология. И вот в ходе этих исследований довольно быстро выяснилось, что среди многих физических явлений, предсказываемых теорией относительности, есть процесс, который как будто может приводить к образованию замкнутых миров.

Если масса тела велика, то расталкивающего действия излучений и мощных потоков вещества, порожденных ядерными реакциями в недрах этого тела, может оказаться недостаточно, чтобы противостоять стягивающим силам гравитационного притяжения. Равновесие нарушится, и тело сначала медленно, как бы нерешительно, а затем все быстрее и быстрее начнет сжиматься, «опадать». Это и понятно: чем меньше объем, в котором сконцентрирована масса тела, тем больше сила гравитации. Происходит то, что физики называют гравитационным коллапсом — катастрофическое сжатие тела в точку с бесконечной массой, «схлопывание» пространства-времени и полное «выпадение» тела из нашего мира. Правда, квантовые эффекты рождения элементарных и суперэлементарных частиц, по-видимому, остановят сжатие и предотвратят полное «выпадение» тела. От него останется «микрослед», но такой ничтожный по сравнению с исходными размерами тела, что им можно будет пренебречь и сказать: вот образовался еще один полузамкнутый мир, практически не связанный с нашим.

Это похоже на то, как если бы от большого пузыря отпочковался маленький. Связывающая их горловина становится все уже и, наконец, обрывается. Разумеется, это условная картина: так выглядел бы процесс образования нового мира в глазах наблюдателя, находящегося в воображаемом четырехмерном пространстве. В нашем реальном мире мы видим лишь стягивающуюся горловину, все остальное мы можем представить себе лишь с помощью формул.

Следует, правда, заметить, что далеко не все массивные тела, если ослабнут протекающие внутри них ядерные реакции, должны обязательно сжаться до микроскопически малых размеров. Так было бы, если бы в окрестностях сжимающегося тела не менялись свойства пространства и времени. Но гравитационное поле, то есть кривизна пространства и времени, становится там чрезвычайно большой, и, как предсказывают формулы теории относительности, ход времени при этом замедляется. Это значит, что скорость процессов, происходящих вблизи коллапсирующего тела, будет постепенно уменьшаться. Даже скорость света, которому все труднее и труднее станет преодолевать путы тяготения. Наконец, гравитационное поле сделается настолько сильным, что скорости всех процессов обратятся в нуль и время остановится — замрет. Ни свет, ни какие-либо другие излучения уже не смогут вырваться из гравитационного омута, и коллапсировавшее тело — звезда или целая галактика — станет невидимой для наблюдения черной дырой, которая поглощает все, что на нее падает, но сама ничего, абсолютно ничего не испускает. Оттого-то она и невидимка.

Правда, невидимкой черная дыра останется лишь для внешнего наблюдателя, рассматривавшего гравитационный коллапс со стороны. Для наблюдателя, который сам бы падал на коллапсирующее тело, все выглядело бы иначе. Подобно пассажиру кабины свободно падающего лифта, он не чувствовал бы тяготения, поэтому и скорости происходящих вокруг процессов оставались бы для него прежними. Конечно, когда перепады гравитационных сил сделались бы заметными на расстояниях, сравнимых с размерами самого наблюдателя, положение изменилось бы. Как ни странно, разные части его тела начали бы тогда жить в различном пространстве и времени. На него действовали бы растягивающие и разрывающие силы, подобные тем, что вызывают приливы и отливы на нашей планете. В конце концов сам бы он распался на молекулы и атомы, а затем превратился в пучок суперэлементарных частиц и геометрических квантов. Картина — прямо для романа ужасов!

Сам Фридман никаких соображений о черных дырах нам не оставил, хотя от его формул до гравитационного, коллапса рукой подать. Возможно, этому помешала его ранняя смерть — он умер через три года после того, как в немецком физическом журнале были опубликованы его две статьи о сжимающихся и расширяющихся мирах. Существование черных дыр предсказал незадолго до второй мировой войны вместе со своим ассистентом американский физик Роберт Оппенгеймер — тот самый, кто через несколько лет возглавил в Лос-Аламосе исследования по созданию атомной бомбы.

Интересно, что статья Оппенгеймера о черных дырах почти не привлекла внимания физиков — в то время уже ощущалось дыхание приближающейся войны и умами ученых овладевали волнующие и тревожные вопросы, связанные с использованием энергии атома. О черных дырах вспомнили после запуска первых советских спутников, когда космос с его загадками и тайнами стал вдруг совсем близким.

Чем массивнее тело, тем большую черную дыру образует оно в пространстве. Дыры, возникающие в результате сжатия галактик, в сотни и даже тысячи раз превосходят размеры нашей Солнечной системы. Триллионы километров в поперечнике! Сам термин «дыра» кажется здесь неуместным, лучше было бы говорить «черный провал».

Размеры самых маленьких черных дыр — километры. Такие дыры образуются при коллапсе тел с массой раза в полтора-два тяжелее нашего Солнца. Менее тяжелые тела вообще не могут коллапсировать — их гравитационное поле слишком слабо, чтобы превозмочь стабилизирующие вещество межатомные и ядерные силы. Для образования дыр, которые были бы меньше нескольких километров, нужен какой-то другой механизм. Указания на него мы находим все в той же общей теории относительности Эйнштейна.

Из полученных Фридманом формул следовало, что размеры нашего замкнутого мира не остаются постоянными, а изменяются с течением времени и что в некоторый «исходный момент» времени радиус мира мог быть равным нулю, а плотность содержащегося в нем вещества — бесконечности.

Конечно, если учесть квантовые эффекты рождения и поглощения виртуальных частиц, то сингулярности не получится, место точки займет очень малая пространственно-временная область, но по сравнению с нашими привычными масштабами ее все равно можно считать точкой. А в 1922—1923 гг., когда Фридман делал свои расчеты, квантовой физики вообще еще не было и в выводы русского ученого о нестационарности, о зависимости свойств Вселенной от времени, о ее рождении как бы из ничего, из точки — во все это было крайне трудно поверить. Выводы Фридмана резко расходились с принятой в то время картиной строения мира, согласно которой изменения могут происходить лишь в отдельных районах Вселенной, а в целом, в общих своих свойствах, она стационарна. По этой причине даже Эйнштейн решил сначала, что расчеты Фридмана ошибочны. «Эти результаты кажутся мне подозрительными»,— сказал он, прочитав статью Фридмана, и более того, выступил с ее критикой публично. Но уже через год, особенно после того как Фридман написал ему, что расчеты он перепроверил и продолжает на них настаивать, изменил свое мнение и написал: «Моя критика, как я убедился из письма Фридмана, основана на ошибках в вычислениях. Я считаю результаты Фридмана правильными и проливающими новый свет...»

Тем не менее большинство ученых продолжали относиться к теории Фридмана просто как к интересной математической модели. Однако в 1929 г. американский астроном Хаббл открыл так называемое красное смещение галактик, то есть получил доказательство предсказанного Фридманом расширения Вселенной. В 1965 г. было открыто реликтовое излучение, пронизывающее всю видимую часть Вселенной. Эти и другие факты вместе с новыми математическими расчетами привели физиков и космологов к выводу о том, что около 20 миллиардов лет назад произошел взрыв какого-то сверхплотного «правещества», породивший окружающий нас мир. И этот мир до сих пор продолжает расширяться — «распухать» в каждой своей точке, наподобие того, как растягивается пленка выдуваемого мыльного пузыря.

За неимением более подходящего наглядного образа первоначальную точку расширения Вселенной часто называют Большим взрывом, или, используя звучный английский термин, Биг Бэнгом.

В катаклизме этого первородного Биг Бэнга, в колоссальных перепадах давлений и плотностей могли возникать области очень малых размеров и такой большой массы, что вокруг них происходило почти полное сворачивание пространства-времени и возникали черные, дыры. Их размеры и массы могли быть самыми различными — от очень больших до субъядерных, как у элементарных частиц. Вот такие черные дыры-малютки и представляют сейчас для нас особый интерес. Для внешнего наблюдателя каждая из них и по размерам и по массе будет выглядеть как микрочастица, хотя может и содержать в себе целую вселенную космических тел. Точь-в-точь гомеомерии Анаксагора — мириады вселенных в пылинке!

Удивительным образом развиваются наши представления о мире. Часто бывает так, что на новом уровне мы вновь возвращаемся к старым, казалось бы, совсем обветшавшим и отброшенным идеям... Но еще больше удивляет другое: как без всяких экспериментов, одними чисто логическими рассуждениями, древние философы сумели угадать то, что современная наука открывает используя всю мощь доступных ей технических средств? Это выглядит каким-то чудом.

На самом деле их идеи, конечно, опирались не на одну «игру ума», но и на анализ повседневного опыта и тех сведений о свойствах физических явлений, которыми уже располагала наука того времени. Например, сохранение свойств веществ при измельчении и горстка семян, в каждом из которых уже заключено все многообразие свойств взрослого растения, наводили древних на мысль, что мир состоит из наипростейших элементов — атомов, и это же подсказывало идею строения мира в виде бесконечного ряда вложенных друг в друга «семян вещей» — гомеомерий. Не последнюю роль сыграло то обстоятельство, что древнегреческая наука с самого своего возникновения была не зависимой от религиозных догм и всегда старалась найти естественное, материалистическое объяснение мира. Ее основой была не вера, а логика. Правда, эмпирического, наблюдательного материала было еще мало, и выводы получались неоднозначными. На них можно было строить самые различные физические и философские системы, поэтому в учениях древних греков можно найти зачатки едва ли не всех позднейших мировоззрений.

В Вавилоне или в Древнем Египте наукой занимались служители культа, жрецы, и это заранее предопределяло ее характер. С точки зрения религии многие научные сведения были «нежелательными», оттого и сохранялись в глубокой тайне. Прикасаться к ним было равнозначно общению с темными силами и разрешалось лишь избранным. В Древней же Греции наука была гражданским, светским делом и развивалась в условиях кипучей политической жизни вольных городов — полисов.

Но вернемся к черным дырам-малюткам в современной теории относительности. Это удивительные по своим свойствам объекты. Физикам они преподнесли немало сюрпризов. Хотя они очень малы, их масса огромна. Черная дыра размером с протон весит в 1040 раз больше, чем протон, то есть около миллиарда тонн. Невидимая даже в самый сильный микроскоп пылинка, которую нельзя сдвинуть с места и не удержать ни в одном сосуде! Столкнувшись с нашей планетой, она пронзит ее до самого центра, как тонкая игла кусок теплого масла.

Но и это еще не все. Самое поразительное, что микроскопические черные дыры — неустойчивые объекты: они бурно испаряются в окружающее пространство. И чем легче и меньше они становятся, тем интенсивнее происходит этот процесс.

В это трудно поверить, ведь выше говорилось, что черная дыра в принципе не может ничего испускать, она лишь увеличивает свою массу, захватывая из окружающего пространства и вещество, и излучение. Это действительно так, но... без учета квантовых явлений, которые в мире микродыр становятся настолько важными, что классическая, не учитывающая их теория относительности, так хорошо описывающая все особенности больших черных дыр, здесь просто неприменима.

Английский физик Хоукинг первым обратил внимание на то, что вблизи границы черной дыры могут спонтанно рождаться пары виртуальных частиц — протон и антипротон, электрон и позитрон и так далее. Рождаются на краткий миг и, будучи сделанными из вещества и антивещества, так же быстро исчезают в процессе аннигиляции. Чтобы суммарный импульс оставался равным нулю, компоненты пары рождаются с противоположно направленными скоростями, и если одна из частиц

летит в черную дыру, то другая летит прочь от нее. Может случиться так, что черная дыра захватит летящую к ней частицу прежде, чем она успеет аннигилировать со своей партнершей, и тогда та станет независимой частицей. Если ее энергия достаточно велика, она преодолеет гравитационное притяжение дыры (она намертво держит лишь попавшие внутрь нее частицы) и улетит в пространство. Все это напоминает отделение частичек пара от поверхности кипящей жидкости, поэтому и говорят об испарении черных дыр.

Преодолевая гравитационное поле дыры, улетающие частицы уменьшают ее энергию и массу. Дыра постепенно сжимается, квантовые эффекты вокруг нее становятся более интенсивными, процесс испарения все ускоряется и, наконец, завершается взрывом, энергия которого эквивалентна взрыву миллиарда крупных водородных бомб! Удивляться нечему: ведь сама невидимая черная «дырочка» весит миллиарды тонн.

Расчеты показывают, что процесс интенсивного испарения черных дыр размером с протон продолжается один или два десятка миллиардов лет. Дыры меньших размеров испаряются быстрее. За 15—20 миллиард лет жизни нашей Вселенной большинство их уже распалось. Мы живем в эпоху, когда подходит к концу испарение микродыр, начальные размеры которых составляли около 10-13 сантиметров.

Вообще говоря, испаряются не только маленькие, и большие черные дыры, образующиеся при гравитационном коллапсе. Только время, необходимое для их испарения, чудовищно велико: 1060—1070 лет. Чтобы хоть как-то почувствовать, что это означает, представим себе, что интервал времени, прошедший с начала расширения нашей Вселенной, сжался настолько, что стал равным времени жизни самой короткоживущей элементарной частицы. В таком неимоверно быстро текущем времени наш реальный день будет длиться приблизительно 1030 лет. Но и при таком умопомрачительно быстром темпе для испарения больших черных дыр потребуется около 1035 лет.

Эти числа так велики, что их просто трудно воспринять. Никакие наглядные сравнения здесь почти не помогают.

Правда, при всех этих рассуждениях не следует забывать, что строгой теории, которая могла бы одновременно рассматривать гравитационные и квантовые явления, еще не создано. Квантовая теория гравитации — дело будущего. Пока можно заниматься лишь приближенными оценками. Будем надеяться, что они дают нам правильные представления о начальной стадии испарения черных дыр и о времени их жизни. Но вот расчет вероятности образования черных дыр в хаосе Большого взрыва, распределения их по размерам и массе, картина заключительной фазы распада микродыр — это пока за пределами наших возможностей. Неизвестно, чем заканчивается взрыв микроскопической черной дыры. Может статься, например, что в мире чрезвычайно малых масштабов, где под действием сильных квантовых флуктуаций начинают меняться свойства самого пространства и оно самопроизвольно изгибается, образует пузыри и поры, испарение прекращается и образуется устойчивый микрообъект.

Расчеты, выполненные академиком М. А. Марковым, показали, что такой исход весьма вероятен. Может испариться вся масса черной дыры, за исключением той части, которая связана с энергией нулевых, квантовых колебаний ее вещества. Такие колебания возникают вследствие того, что положение микрочастицы всегда несколько размазано — ведь она подчиняется волновым законам. Частица как бы колеблется, дрожит вокруг точки идеального равновесия. Энергию такого дрожания у нее отнять нельзя, во всяком случае там, где действуют квантовые законы. А раз так, остается неиспарившаяся масса, и она составляет около миллионной доли грамма независимо от того, какова была начальная масса черной дыры и какова масса полузамкнутого «внутреннего мира».

Но это опять всего лишь «оценки». Возможно, существуют еще неизвестные нам «заквантовые явления», которые продолжают процесс испарения до еще меньших остаточных масс.

Как бы там ни было, современная теория гравитации (общая теория относительности Эйнштейна) вполне определенно указывает на возможность существования устойчивых объектов, обладающих снаружи субмикроскопическими, а внутри вселенскими свойствами. М.А. Марков называет их в честь Фридмана — фридмонами, а другой советский физик, К.П. Станюкович, — планкеонами, в честь основоположника квантовой физики Макса Планка, подчеркивая тем самым квантовую природу этих удивительных объектов.

Вполне возможно, что фридмонами (мы будем называть их так) являются какие-то уже известные нам частицы, тот же, например, протон или кварки. А может быть, это частицы совершенно нового типа, которые еще только предстоит открыть. Теория пока не в состоянии ответить на этот вопрос. Правда, расчеты показывают, что радиус фридмона — узких «черных ворот» в другой мир — не превышает 10-32 сантиметров. Это во столько же раз меньше размеров известных как элементарных частиц, во сколько сами эти частицы меньше шара с диаметром в 100 световых лет. Но расчеты не запрещают того, чтобы фридмоном могла оказаться и известная нам частица. В принципе, как мы уже сказали и протон может быть фридмоном. Точнее, не он сам, а его сердцевина — крошечное ядрышко, вокруг которого в результате квантовых флуктуаций образуются облака виртуальных частиц — гипотетических пракварков, просто кварков и состоящих из них частиц. Эти сложные по своей структуре многоэтажные облака и определяют свойства элементарной частицы, в том числе характер ее взаимодействий с другими частицами. Фридмон самая глубинная часть элементарной частицы, как бы ее затравочное ядро. Но в этом крошечном, исчезающе малом ядре как раз и может скрываться новая вселенная.

Размышляя о бесконечности мира, мы нередко представляем себе ее чем-то вроде прямой, уходящей в область исчезающе малых интервалов, с одной стороны, и в область неограниченно больших масштабов — с другой. Гипотеза фридмонов подсказывает еще одну возможность: в природе может существовать своеобразный круг мироздания, когда в микромире мы снова встречаемся с явлениями и объектами космического масштаба.

Но было бы неверно думать, что «круг мироздания» замыкается только благодаря фридмонам. К тому же выводу приводят и другие соображения. Представим себе, что мы вместе с двухмерными существами находимся на поверхности шара и измеряем длину окружности постепенно увеличивая ее радиус. Эти существа ничего не знают об искривленности их мира, поэтому увеличение окружности с ростом ее радиуса им кажется вполне естественным. Однако, начиная с определенного радиуса, окружность, к их удивлению, начнет вдруг уменьшаться и, наконец, стянется в точку. В трехмерном мире аналогичная ситуация: уходя в космические просторы, мы опять попадаем в микромир. Современная теория с разных точек зрения настойчиво подсказывает нам самозамыкающуюся картину мироздания.

Впрочем, картина бесконечной последовательности вложенных друг в друга миров тоже весьма приблизительна. Весь наш опыт свидетельствует о том, что любой процесс, любая последовательность рано или поздно претерпевают качественное изменение. Мелкие изменения, постепенно накапливаясь, приводят к качественному скачку. Другими словами, развитие происходит не по кругу, а вдоль витков бесконечной спирали. Первый виток рисует нам общая теория относительности Эйнштейна, но каким будет следующий?

Ну а наша Вселенная, может ли она сама быть фридмоном? Ведь если теоретические предсказания верны, они верны, так сказать, в обе стороны —и «внутрь» и «наружу». Почему модель «вложенных миров» должна быть справедливой лишь в одном направлении — только вглубь?

Скажем прямо: ничего здесь пока неизвестно. Из формул Фридмана вытекает, что в замкнутых и очень близких к ним по внутренним свойствам полузамкнутых мирах имеется вполне определенное количественное соотношение между радиусом мира, то есть измеренным в астрономических наблюдениях размером Вселенной, и плотностью распределенного в ней вещества. Согласно последним вычислениям, средняя плотность вещества в нашей Вселенной пока раз в 100 меньше той, которая была бы необходима для ее замыкания. Пока, говорим мы, ибо еще неизвестно, учтены ли все виды вещества в космосе. В частности, нет полной уверенности в том, что равна нулю масса покоя нейтрино; если она нулю не равна и если существуют все-таки космические кварковые «мешки», средняя плотность окажется, безусловно, выше, а следовательно, Вселенная может быть и замкнутой.

Плотность вещества не может более чем в 10 раз превосходить критическую, при которой мир становится замкнутым. Иначе расширение нашей Вселенной давно бы уже прекратилось и она бы перешла в цикл сжатия.

Продолжительность фазы расширения тоже ведь зависит от плотности вещества. Мы же пока, как известно, расширяемся. Пока... Не исключено, что скоро наш мир начнет сжиматься. Скоро — в космическом масштабе, конечно. Реально это могут быть многие миллиарды лет, практически — бесконечность.

Экспериментальное обнаружение предсказанных теорией черных микродыр, их излучения и взрывов явилось бы важным аргументом в пользу гипотезы фридмонов. Микроскопические черные дыры, как мы уже говорили, ведут себя в пространстве подобно ярко искрящимся бенгальским свечам, а их взрывы дают мощные импульсы электромагнитных и корпускулярных излучений. По этим признакам их и пытаются обнаружить. И действительно, и астрономы с Земли и автоматические станции (например, «Венера») не раз фиксировали всплески интенсивного гамма-излучения. Однако утверждать, что это сигналы о взрывах черных дыр, нельзя. Их можно объяснить и другими причинами, например взрывами нейтронных звезд. Никаких экспериментальных данных о существовании в доступном нам космическом пространстве микроскопических черных дыр, к сожалению, пока нет.

Вот с большими черными дырами дело обстоит гораздо лучше. Хотя они и невидимки, их присутствие можно обнаружить по действию их сильного гравитационного поля на окружающие тела — на расположенные вблизи звезды или на облака космической пыли. Астрофизикам известно несколько объектов, которые могут быть черными дырами. Прежде всего это компактный по величине и очень тяжелый источник рентгеновских лучей в созвездии Лебедя. Многое говорит за то, что эти лучи испускает засасываемое дырой плазменное вещество звезды-соседки.

А недавно в центре одной галактики (астрономы называют ее объектом М-87) замечено темное образование с массой, в несколько миллиардов раз большей, чем у Солнца, и с чрезвычайно высокой плотностью — приблизительно в 100 триллионов раз плотнее свинца. Ближайшие окрестности этого необычного тела излучают энергию как 100 миллионов Солнц! Впечатление такое, что там происходит гравитационный коллапс: вещество галактики М-87 втягивается в черную дыру.

Есть еще несколько кандидатов в черные дыры, на-пример рентгеновский источник в Большом Магеллановом облаке, на расстоянии 180 тысяч световых лет от нас. Он, пожалуй, самый яркий из всех известных. Его интенсивность непрерывно изменяется, временами резко возрастает в 10—20 раз. Считается, что такие непостоянные источники являются двойными, спаренными системами, состоящими из нормальной звезды и какого-то невидимого компактного объекта — тяжелой нейтронной звезды или черной дыры. Вполне допустимо, что в Магеллановом облаке таким компактным объектом действительно является черная дыра. Некоторые астрофизики убеждены в том, что даже в центре нашей собственной Галактики — Млечного Пути — должна быть одна или даже несколько массивных черных дыр.

Достоверное обнаружение больших черных дыр существенно повысило бы доверие к гипотезе фридмонов. Ведь если есть большие дыры в космосе, то возможны и маленькие. К сожалению, нет пока ни одного объекта, о котором можно было бы с абсолютной уверенностью сказать: да, это черная дыра. Энтузиасты выдвигают аргументы, скептики же, которых, как всегда, не меньше, чем энтузиастов, — контраргументы. И это, без сомнения, очень хорошо. В науке скептики играют важную роль, предохраняя ее от поспешных выводов, от ошибок. Оценка достоверности наблюдения всегда субъективна. Хорошо, если доводы «за» или «против» резко перевешивают, тогда вероятность ошибки невелика. Но вот когда и «за» и «против» почти уравновешены, ошибиться очень легко: очень многие ученые склонны чуть-чуть преувеличивать весомость тех аргументов, которые подтверждают их позицию. Желаемое выдается за действительное, и мы сталкиваемся с сенсацией, за которой, увы, не кроется ничего, кроме эмоций. Можно ли осуждать за это тех, чей дар убеждать оказывается сильнее? Нет, конечно: каждый человек ищет подтверждения своим идеям, и мало кто старается выискать опровержения. Люди есть люди.

Выдающийся ученый, как правило, обладает способностью, умением правильно оценивать относительный вес каждого из множества разнородных факторов. Но это такой же природный дар, как склонность к живописи или музыке. Можно быть исключительно изобретательным человеком, подлинным генератором идей, но каждый раз спотыкаться на их оценке. Бывают и такие.

Вот тут-то и требуется, настоятельно требуется скептик! Сомнение — один из главных двигателей науки.

Теория обладает замечательным свойством: в ней часто содержится много такого, чего никак не ожидали увидеть даже ее создатели. Так получилось и с черными дырами. Сегодня доводов в пользу существования этих удивительных объектов больше, чем против. То же и с фридмонами или почти то же. Уж очень просто и естественно в рамках современной теории возникают космические объекты с микроскопическими свойствами! И это вселяет надежду на то, что в один прекрасный день фридмоны будут обнаружены в эксперименте. Как подчеркивает академик М.А. Марков, первый исследовавший эти замечательные объекты, исключительная привлекательность гипотезы фридмонов состоит в том, что она позволяет достичь единого подхода к элементарным частицам и к грандиозным космическим объектам, вплоть до строения всей Вселенной. Физика элементарных частиц тесно переплетается с космологией, а привычное для нас разделение окружающего на микромир и макромир теряет абсолютное значение и сохраняет, смысл лишь в определенных границах.

ГЛАВА СЕДЬМАЯ,


в которой читатель знакомится с историей открытия античастиц и узнает о том, как в пекле первичного взрыва «сварилось» вещество нашего мира и куда девался антимир

Кварки, протоны, Вселенная

В своих лабораториях физики уже давно научились создавать частицы антивещества. Но вот в окружающей нас природе мы почему-то не встречаем тел из антивещества. Может быть, они сосредоточены где-то далеко в космосе и нам еще только предстоит их открыть? Или же существуют какие-то физические законы, в силу которых Вселенная обязана быть только из вещества? Или, наоборот, из антивещества, которое нам, естественно, кажется веществом?

История открытия антивещества связана с электроном. С ним люди знакомы уже почти 100 лет. Он был первой элементарной частицей, открытой физиками. Электроны входят в состав всех атомов, потоки электронов работают в радиолампах. Каждый вечер они высвечивают изображения на экранах наших телевизоров. Именно электроны когда-то первыми упорно не желали подчиняться трем знаменитым законам Ньютона. Во многих случаях их движение походило скорее на распространение волн, чем на движение корпускул. Подобно волнам, пучки электронов огибали препятствия, отражались и интерферировали между собой.

Для описания этих явлений пришлось создать совершенно новую науку — квантовую механику.

Молодой английский теоретик Поль Дирак попытался объединить только что созданную квантовую механику с теорией относительности. Ведь электроны могут двигаться очень быстро, почти со скоростью света, когда масса частицы начинает заметно зависеть от ее скорости. В этом случае без теории относительности уже не обойтись. И вот оказалось, что уравнение, описывающее движение электрона, имеет два решения. Одно из них соответствовало обычной частице с положительной энергией, а другое — частице с отрицательной энергией и массой.

Сначала Дирак просто отбросил это решение, подобно тому как мы отбрасываем отрицательное, «нефизическое» решение квадратного уравнения, когда в ответе получается, например, что число землекопов равно ± 2. Однако положительное и отрицательное решения оказались тесно связанными между собой. Получалось так, что при определенных условиях частицы с отрицательной энергией могут возникать из частиц с положительной энергией, и наоборот. Нельзя было отбросить ни одно из решений, не разрушив всей картины.

Можно было, конечно, вообще отказаться от уравнения с такими странными свойствами и искать другой путь построения теории. Вероятно, многие на месте Дирака так бы и поступили. Но Дирак принадлежал к ученым, которые убеждены, что если удалось найти достаточно простое и симметричное по форме обобщение теории («красивое», как говорят физики), то, скорее всего, оно отражает какие-то важные физические закономерности и поэтому должно соответствовать явлениям природы. А если это не так, то и для этого должны быть глубокие основания, нередко опять-таки связанные с какими-то еще нам не известными физическими принципами.

В новом здании Московского университета на Ленинских горах есть комната, где часто собираются физики-теоретики. По традиции наиболее почетные гости пишут на стенах этой комнаты какую-нибудь мысль, которую каждый из них считает наиболее важной. Дирак написал: «Физический закон должен быть математически изящным».

Найденное им электронное уравнение и в самом деле было очень изящным. Из него можно было как частный случай вывести уже известные уравнения квантовой механики, получить законы Ньютона. И Дирак настойчиво старался понять физический смысл частиц с отрицательной энергией.

Наконец, решение было найдено. И очень неожиданное. Оказалось, что частицы с отрицательной энергией — это ... дырки в вакууме! Чтобы уяснить себе, в чем состояла эта идея Дирака, следует познакомиться с еще одним важным свойством электрона, открытым незадолго до этого швейцарским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули.

Анализируя движение электронов в атомах, Паули заметил, что никогда не бывает так, чтобы у нескольких электронов одновременно были бы совершенно одинаковые параметры. Всегда чем-нибудь да они отличались друг от друга — энергией, направлением движения или еще какой-либо характеризующей их величиной. Получалось, иначе говоря, что любое физическое состояние, возможное в природе, может быть занято только одним электроном. Это правило часто называют принципом Паули. Его корни лежат глубоко в волновых свойствах микрочастиц и даже глубже — в свойствах окружающего нас пространства. Многое здесь стало понятным совсем недавно — в связи с разработкой «супертеории», объединяющей гравитационные и другие типы взаимодействий. А полвека назад, когда Дирак решал свое уравнение, принцип Паули рассматривался просто как подсказанное экспериментом и не знающее исключений правило.

Так вот, основываясь на принципе Паули, Дирак предположил, что все состояния с отрицательной энергией уже заняты электронами — в каждом из них находится по одной частице. А так как наблюдать мы можем лишь изменения, то сама по себе вся эта система бесконечно большого числа частиц остается для нас незаметной. Дирак назвал ее морем отрицательных энергий. Она воспринимается нами как пустота, как вакуум и играет роль фона, на котором протекают наблюдаемые физические явления. Если, однако, из этого моря выбить электрон, то новое состояние — «море с дыркой» — будет обладать по сравнению первоначальным фоном положительной энергией и положительным электрическим зарядом (вспомним, что вычитание отрицательной величины эквивалентно прибавлению положительной. И дырка будет наблюдаема. Она может перемещаться в море, и это перемещение мы воспримем как движение обычной частицы с положительной энергией и положительным зарядом.

В целом процесс выбивания электрона из моря будет выглядеть для нас как рождение в пространстве пары частиц с разными зарядами. Для этого надо, конечно, затратить энергию, например энергию электромагнитного поля.

Для наглядности можно представить себе график: горизонтальная прямая, выше которой положительная

энергия, ниже — отрицательная. Чтобы поднять электрон снизу вверх, надо, как при подъеме ведра из колодца, потрудиться — затратить энергию.

Возможен и обратный процесс: электрон «проваливается» в дыру. Мы увидим, что произошла аннигиляция двух столкнувшихся частиц с противоположными зарядами, в результате чего выделилась энергия излучения — образовались фотоны.

Таким образом, хотя уравнение Дирака и предсказывает существование частиц с энергиями обоих знаков в эксперименте всегда будут наблюдаться частицы с положительной энергией, а отрицательные энергии, подобно мнимым числам в математике, останутся как бы за кулисами событий — на уровне математического аппарата теории.

В конце 20-х годов, когда Дирак вывел свое знаменитое уравнение и предложил «теорию дырок», была известна всего лишь одна элементарная частица с положительным электрическим зарядом — протон. Однако его нельзя было считать «дыркой» в море отрицательных энергий, так как массы электрона и «дырки» должны быть одинаковы, протон же почти в две тысячи раз тяжелее электрона. Поэтому пришлось допустить, что наряду с электроном в природе должна существовать еще одна такая же частица, только положительно заряженная. А так как при столкновении они аннигилируют и их вещество полностью переходит в энергию излучения, их стали называть частицей и античастицей.

Так в науку вошла идея антивещества.

Электрон часто обозначают значком е-, а антиэлектрон е+. Процесс аннигиляции, рождение двух гамма-квантов, выражается формулой е- + е+—> 2γ. Гамма-квантов обязательно два, один гамма-квант родиться не может. Это легко понять, если рассмотреть аннигиляцию неподвижных частиц. Их импульс — нуль. По третьему закону Ньютона импульс сохраняется, поэтому должно родиться две частицы, разлетающиеся в противоположных направлениях. Их суммарный импульс равен нулю. В принципе может родиться и больше частиц, тогда закон сохранения импульса тоже, конечно, будет выполняться, но такие события происходят очень редко.

Уравнение Дирака сразу же оказалось в центре внимания физиков. Его обсуждали на семинарах и международных физических конгрессах. Это было главное научное событие конца 20-х — начала 30-х годов. Однако идею об античастицах-дырках поначалу серьезно не воспринимали.

Три столетия назад немецкий математик и философ Готфрид Вильгельм Лейбниц писал: «Мнимые числа — это поразительный полет духа божьего; это почти амфибии, находящиеся между бытием и небытием». Сегодня эти числа изучают в школе, с ними имеют дело техники и инженеры. Диракова теория дырок-античастиц сначала тоже показалась странной и непонятной. Многие физики рассматривали ее как некий теоретический фокус.

Когда история крупных научных открытий рассматривается сквозь призму времени, с высоты накопленных знаний и опыта, часто кажется удивительным, как это люди не замечали столь естественного порядка вещей, а тем более отказывались понимать его после того, как его уже обнаружили. Но дело как раз в том-то и состоит, что естественным представлялся совсем другой порядок, а осознание открытия часто требует отказа от того, что всеми считается очевидным. Для тех, кто знает современную физику, античастицы — такая же привычная вещь, как отрицательные или мнимые числа для математиков. Но полвека назад, повторяем, положение было совсем иным.

Однако в 1932 г. антиэлектрон неожиданно был открыт в эксперименте. Неожиданно — потому, что открывший его американский физик Карл Андерсон вообще не был знаком, с теорией дырок. Он изучал космические лучи, пользуясь камерой Вильсона. Это закрытая емкость, заполненная пресыщенными парами воды или спирта; заряженные частицы оставляют в ней следы — ленточки тумана, толщина и плотность которых зависят от массы частицы. Если же камера к тому же находится в магнитном поле, которое изгибает траектории частиц (положительные — в одну сторону, отрицательные — в другую), то можно установить и знак заряда частиц. Такой метод исследования космических лучей был разработан советским физиком, академиком Д. В. Скобельцыным. Им и воспользовался Андерсон. К слову сказать, сходным методом физики пытаются обнаружить следы кварков.

Открытую им частицу с положительным зарядом Андерсон назвал позитроном. С тех пор антиэлектрон e+ так и называют.

После открытия позитрона стало ясно, что у протона и нейтрона также есть «антипартнеры», так как, подобно электрону, они подчиняются принципу Паули и поэтому должны образовать моря отрицательных энергий. А отсюда сразу следовал вывод: наряду с веществом, атомы которого состоят из протонов, нейтронов электронов, в природе должно быть антивещество, состоящее из антипротонов, антинейтронов и позитронов.

Однако обнаружить антинуклоны оказалось дело очень трудным. Если не считать пяти военных лет, когда европейским и американским физикам было не до частиц, то для открытия антипротона и антинейтрона потребовалось около двух десятков лет. Мощных ускорителей частиц не было ни в 30-х, ни в 40-х годах, и существенным источником тяжелых античастиц могли быть только космические лучи. В разных странах один за другим ставились эксперименты — на поверхности земли, на самолетах и высотных шарах-зондах. Были открыты новые элементарные частицы, неизвестные ранее ядерные реакции, но антипротоны и антинейтроны не встречались никому.

Теперь мы знаем, в чем дело. В готовом виде тяжелых античастиц в космических лучах нет (точнее, они попадаются очень редко). Античастицы рождаются в ядерных реакциях при прохождении космических лучей сквозь атмосферу или при взаимодействии этих лучей с веществом физических приборов. Для этого требуете в 5—6 тысяч раз больше энергии, чем для рождения позитрона. Но космических частиц с такой большой энергией чрезвычайно мало. Кроме того, каждая такая частица, подобно камню, брошенному с горы, создает разветвленную лавину вторичных частиц, среди которых очень трудно заметить антипротон, а тем более незаряженную частицу — антинейтрон.

Все это стало известно значительно позже, а 30—40 лет назад неудачи поисков антипротона и антинейтрона не находили никакого объяснения. С течением времени этот вопрос становился все более острым. Не имея на него ответа, нельзя было развивать физику элементарных частиц. Некоторые ученые, рассматривая неудачу экспериментов как выражение какого-то нового за-кона, стали даже разрабатывать теории, которые обосновывали отсутствие тяжелых античастиц в природе.

Открыли антипротон только в 1955 г. после того как в Калифорнии был запущен бэватрон — гигантский по тем временам ускоритель частиц, рассчитанный на энергию в 6 с половиной миллиардов электронвольт. Через полгода был открыт и антинейтрон.

Проходя сквозь вещество, антипротон и антинейтрон аннигилируют — взрывают и себя, и встретившиеся им на пути протон или нейтрон. Только характер этих взрывов оказывается совсем не таким, как при столкновении позитрона с электроном.

Электрон и позитрон — источники электромагнитного поля; это поле остается и после их аннигиляции. Протон, нейтрон и их «антипартнеры» связаны со значительно более сильным мезонным полем. Здесь полного «сгорания» вещества не происходит, часть его превращается в массу осколков. Тем не менее даже с учетом несгоревших «шлаков» энергия антипротонного и антинейтронного взрывов в несколько тысяч раз больше энергии, выделяющейся при аннигиляции легких частиц — электрона и позитрона. Это самое мощное выделение энергии, которое мы можем осуществить в лабораторных условиях.

«Антипартнеров» имеют не только протон, нейтрон и электрон. Они есть у всех элементарных частиц. Некоторые, например не имеющий электрического заряда пи-ноль-мезон π° или квант света фотон, совмещают частицу и античастицу в одном лице. Но таких «двуполых» частиц немного. Как правило, частицы и античастицы сильно различаются по своим свойствам. Получается так, что в природе действует замечательное правило симметрии: природа состоит как бы из двух налагающихся друг на друга половинок—мира и антимира.

Одно обстоятельство, однако, с самого начала вызывало серьезное беспокойство физиков. Введенное Дираком море отрицательных энергий позволяло наглядно трактовать различные процессы с античастицами, но само оставалось принципиально невидимым. Составляющие его частицы с отрицательной энергией, подобно мнимым числам, существовали лишь в теории, на практике же наблюдать их было нельзя, даже косвенно. Закрадывалось подозрение, что это всего лишь приближенный способ описания новых явлений на языке привычных нам физических образов.

В физике такое случается нередко. Вспомним, например, о теплороде, которому посвятили столько работ физики XVIII в. Сегодня каждый школьник знает, что тепло связано с движением молекул и атомов, и никакого теплорода не существует. Но когда о молекулярном строении вещества еще не было известно, теплород был очень удобным физическим образом для того, чтобы наглядно представлять себе механизм передачи тепла. С его помощью французский инженер Сади Карно открыл основные законы термодинамики. Наглядные модели типа теплорода, упругих силовых линий в электродинамике, летучего флогистона в химии и тому подобного — это своего рода леса вокруг строящегося здания теории. Время идет, и сослужившие свою службу модели и идеи становятся лишь достоянием истории.

Исключить из теории ненаблюдаемые отрицательные энергии удалось после того, как физики стали более глубоко понимать свойства вакуума. Сегодня нам известно, что вакуум — это не абсолютная пустота, а скорее, особая среда, состоящая из бесчисленного множества спонтанно рождающихся и тут же исчезающих частиц и античастиц. Под действием внешних сил, получив дополнительную энергию и импульс, они могут оторваться от вакуума и начать жить самостоятельной жизнью. Вот такие оторвавшиеся частицы и описывает уравнение Дирака.

Вакуум в его современном понимании заменил менее точную и устаревшую «морскую» картину Дирака. В отличие от дираковского моря вакуум — наблюдаемый объект. Он взаимодействует с погруженными в него атомами и молекулами, он изменяет их свойства. О его собственных свойствах и особенностях пойдет речь в следующей главе.

А теперь самое время вернуться к исходному вопросу: если все физические законы, управляющие частицами и античастицами, совершенно одинаковы, как об этом свидетельствуют и эксперимент, и теория, то почему же тогда ни на Земле, ни в космосе мы не встречаем антивещества? Почему все атомы в окружающем нас мире устроены так, что их ядро непременно состоит протонов и нейтронов, а оболочка — из электронов?

Ведь если атомы антивещества удается синтезировать в лаборатории, то они должны существовать и просто в природе? Разве невозможны целые планеты из антивещества, звезды, даже галактики? Где же находится этот антимир?

В 50-х годах многие физики и астрономы были убеждены, что вещество и антивещество распределены во Вселенной вперемежку: большие и малые острова и архипелаги, разделенные океаном космической пустоты. Так как по внешнему виду области, заполненные веществом и антивеществом, не отличаются ничем, некоторые ученые предполагали, что антимиры расположены совсем рядом — может быть, даже в соседних созвездиях. В нескольких странах, в том числе и в СССР, были разработаны специальные исследовательские программы по поиску следов аннигиляционного излучения от случайно залетевших в атмосферу нашей планеты «антиметеоритов» — оторвавшихся и блуждающих в пространстве кусочков антивещества. На автоматических шарах-зондах и высотных самолетах в стратосферу поднимались чувствительные детекторы излучений. Специальные телескопы-спектрографы тщательно анализировали яркие вспышки метеоров в ночном небе.

К сожалению, эта теория не подтвердилась. Самые тщательные поиски аннигиляционного излучения, которое должно было бы рождаться в космосе на границе зон вещества и антивещества, где перемешиваются пыль и газы, состоящие из частиц и античастиц, не привели к успеху. Ни разу не удалось обнаружить следов аннигиляции и в спектрах излучения сгоревших метеоритов. Дал отрицательные результаты, наконец, и анализ состава космических лучей. Эти лучи на 96 процентов состоят из протонов, остальное — альфа-частицы и немного ядер тяжелых элементов. Если бы острова вещества и антивещества были распределены в космосе более или менее равномерно, то в космических лучах должна была быть значительная примесь антипротонов и антиядер. Правда, очень небольшое число антипротонов (сотые доли процента) все-таки было там замечено, но расчеты показывают, что они образовались в ядерных реакциях при столкновениях высокоэнергетических протонов и ядер с веществом межзвездной пыли и газа.

Можно, конечно, предположить, что Вселенная лишь в целом сбалансирована по числу частиц и античастиц, а в пространственном отношении она неоднородна, и антимиры существуют и находятся где-то далеко — за пределами видимости наших приборов. А коли так, то открытие антимиров — лишь вопрос времени.

В пользу этой гипотезы, казалось бы, говорят и данные космологии. Когда 15—20 миллиардов лет назад произошел Большой взрыв, разлетевшееся во все стороны правещество было не только сверхплотным, но и чрезвычайно раскаленным. Что происходило в первые мгновения этого взрыва, нам трудно даже себе представить. Однако когда аморфное вещество расширилось и несколько остыло, из него стали выделяться частицы — сначала очень тяжелые, для рождения которых требуется много энергии, а потом все более и более легкие. Вселенная стала своеобразным «кварковым супом», где кварки, антикварки и окружающий их глюонный бульон слипались в адроны и тут же под действием огромных температур снова распадались. А когда плотность вещества снизилась до уровня атомных ядер образовались протоны, нейтроны и соответствующие античастицы. Это случилось всего через одну десятитысячную долю секунды после начала Большого взрыва. Диаметр Вселенной не превышал в то время 30 километров. Большая часть образовавшегося тогда вещества сгорела в пламени аннигиляционных процессов и превратилась в более легкие частицы и электромагнитное излучение, а меньшая, оставшаяся, распалась на ядра и антиядра, сконденсировавшиеся затем в туманности, галактики и прочие космические объекты. Вся сложная цепочка ядерных процессов завершилась за несколько миллионов лет — мгновение по сравнению с 15—20 миллиардами, прошедшими с того времени. И все эти миллиарды лет осколки первичного взрыва разлетались в различных направлениях. Поэтому можно думать, что расстояния, разделяющие миры и антимиры колоссально велики: они сравнимы с размерами Вселенной.

Остается, однако, загадкой, каким образом в бурном океане Биг Бэнга могли образоваться и удерживаться обширные неоднородности с «перекосом» в сторону вещества (или антивещества). Не так давно была выдвинута гипотеза о том, что образование неоднородностей связано с микроскопическими черными дырами. Гравитационная энергия этих дыр интенсивно переходит в энергию испускаемых, «разбрызгиваемых» потоков частиц и античастиц, а это означает, что каждая из них является мощной фабрикой антивещества. Расчет показывает, что если черная дыра вращается, то частицы и античастицы должны разлетаться в противоположных направлениях. Не будем пока объяснять, почему так происходит; поверим теории. Заметим только, что это связано с асимметрией микропроцессов по отношению к правому и левому. Для нас сейчас важен сам факт асимметричного вылета частиц и античастиц. Он-то и создает условия для пространственного разделения вещества и антивещества. На современном этапе эволюции Вселенной микроскопических черных дыр, видимо, недостаточно для того, чтобы вырабатывать значительное количество антивещества. Но на ранних стадиях, когда плотность расширяющегося сгустка материи была очень велика, достаточно было небольшого случайного ее увеличения, чтобы произошло замыкание в черную дыру. Выработка антивещества тогда совершалась в огромных масштабах, причем тут же происходило разделение частиц и античастиц. Тогда-то и могли образоваться разделенные зоны вещества и антивещества.

Могли — если только не было какого-то дополнительного перемешивания. А это опять предположение, которое требует обоснования. И по-прежнему остается загадкой «перекос» Вселенной в сторону вещества. Почему его больше? Как могло случиться, что частицы рождались чаще античастиц, если они всегда появляются парами?

Вспомним теорию «великого объединения», которая предсказывает распад протона. Такой же радиоактивной частицей является и антипротон. Время их жизни фантастически велико — в миллиард триллионов раз больше нынешнего возраста самой Вселенной. Однако так было не всегда. В первые доли секунды после Большого взрыва, чрезвычайно высокая температура вещества способствовала распадам частиц и античастиц. Они быстро распадались и так же быстро восстанавливались. Существовало равновесие. Но температура снижалась, восстановление все больше отставало от распада, и число тяжелых частиц уменьшалось. Правда, одновременно снижалась и скорость распадов, поэтому мало-помалу снова установилось равновесие — на уровне, близком к современному.

И вот теперь мы подходим к самому главному. Оказывается, скорость накопления вещества и антивещества во взорвавшемся сгустке первичной материи были различны. И это приводило к тому, что, охлаждаясь, Вселенная становилась асимметричной по содержанию в ней вещества и антивещества. Частиц в среднем рождалось несколько больше, чем античастиц.

Хотя сами по себе, по своим свойствам частицы и античастицы симметричны, некоторое различие между ними все же есть. Они чуть-чуть различаются по особенностям своих распадов. Лет 20 назад американские физики наблюдали распад странных частиц, К-мезонов, который указывал на несколько различное поведение частиц и античастиц. Правда, распады с нарушенной симметрией происходят крайне редко и только у К-мезонов, во всех других случаях частицы и античастицы ведут себя совершенно одинаково. Идея о том, что симметрия частиц и античастиц должна сильно нарушаться в условиях сверхвысоких температур и давлений, пока чисто теоретическая. Она следует из моделей «великого объединения», которые предсказывают небольшой перевес вещества над антивеществом. Когда спустя много времени после Большого взрыва установилось равновесие, все частицы аннигилировали — превратились в нейтрино и электромагнитное излучение. Осталась лишь небольшая часть некомпенсированного античастицами вещества. Но из этой части и образовались все атомы нашей Вселенной.

Если такая картина верна, то антимиров просто нет — они давно сгорели в бурных реакциях распада и аннигиляции. В крайнем случае отдельные острова антивещества могли уцелеть где-нибудь на краешке Вселенной, среди других осколков Большого взрыва. Что вероятнее? Скорее всего, первый вариант: у Вселенной нет частей, состоящих из антивещества. Жаль, конечно расставаться с красивой мечтой о зарядовом зазеркалье, об антимире, отделенном от нас стеной аннигиляционного огня, но и теория, и опыт говорят за то, что античастицы в современном мире — лишь редкие гости, рождающиеся в ядерных реакциях.

А. А. Фридман открыл самое грандиозное явление природы из всех, которые мы можем сегодня себе представить. Рождение и расширение всей Вселенной — что может быть грандиознее?! Но его открытие касалось

лишь геометрии пространства и времени; теорию Большого взрыва, в котором из праматерии образовалось вещество нашего мира, создали четверть века спустя другие ученые, и прежде всего Георгий Гамов.

Как и Фридман, он наш соотечественник, вернее родом из России, даже из того же Петрограда, где перед самой революцией и в течение нескольких лет после нее протекала деятельность Фридмана. В 30-х годах Ленинградский политехнический институт послал Г. Гамова в командировку в США, где он и решил остаться навсегда. Если говорить о научных результатах, то жизнь этого необычайно талантливого человека может показаться более чем благополучной. Еще сотрудником Ленинградского физико-технического института он приобрел мировую известность своими работами по квантовой механике. В США он принимал участие в расчетах, связанных с атомной бомбой, одним из первых расшифровал генетический код. Его астрофизические исследования были незаурядны, если не сказать больше. Но в частной жизни это был внутренне издерганный, одинокий человек, прятавший тоску за деланной веселостью. Семейная жизнь у него не сложилась. Работа да еще сочинение научно-популярных брошюр — это все, что у него оставалось.

Я познакомился с Гамовым в середине 50-х годов на конгрессе по теоретической физике, в одном из больших шумных городов на Тихоокеанском побережье США. Высокий седой человек в элегантном сером костюме и с ярким галстуком, он говорил сразу на нескольких языках, шутил, балагурил. Но когда мы вышли пройтись по парку, он вдруг сделался задумчивым и печальным. Расспрашивал о физиках, которых когда-то знавал, об условиях работы в наших новых институтах. В его расспросах чувствовалась грусть и горечь. В номере гостиницы, который он занимал, меня поразил застоявшийся запах виски. Неубранная постель, на столе и на двух креслах разбросаны листы рукописи, виноградные косточки, кожура бананов...

Как-то я спросил его напрямик, не хочет ли он вернуться на родину.

— Поздно. Жизнь не стрелки часов, ее нельзя повернуть обратно. В молодости мы не думаем об этом...

И тут же рассказал какой-то американский анекдот, стараясь отогнать неприятные мысли.

Через несколько лет Гамов умер. Говорят, в полном одиночестве.

Идея рождения мира «из точки» в огненном пекле Биг Бэнга нашла среди ученых признание далеко не сразу. С энтузиазмом ее встретила лишь католическая церковь, объявившая новую теорию научным подтверждением библейского мифа о сотворении мира. Мне как-то пришлось видеть статью в популярном американском журнале, где говорилось буквально следующее: «Когда с большим трудом ученые поднялись на вершину знаний о Вселенной, они с удивлением встретили там давно поджидавших их теологов». Редкая статья или книга, посвященная религиозной трактовке современной науки (а таких изданий за границей выходит множество), обходилась тогда без ссылок, на теорию Большого взрыва.

Да, безусловно, проблема, происхождения окружающего нас мира интересовала человека с незапамятных времен. В трудах древнегреческих ученых, живших две с половиной тысячи лет назад и позже, уже можно найти различные модели бесконечной в пространстве и неограниченной во времени Вселенной. В их основе была и логика, чистое рассуждение, и анализ наблюдений. О происхождении, мира размышляли еще раньше — в Древнем Египте, в Шумере и Аккаде, в Ассирии и Вавилоне, в Иудее и Персии, в Индии и Китае. Но эти размышления воплощались не в научных теориях, пусть даже и наивных, а в мифах и легендах. Из них-то и исходило широко распространившееся христианство, провозгласившее в качестве едва ли не одного из своих догматов ограниченность мира в пространстве и времени. В этом смысле его космогония была по сравнению с древнегреческой (от религии, как мы говорили, независимой) шагом назад. В трудах греческих ученых признавалось лишь то немногое, что не противоречило новой религии; большая же часть их сочинений была объявлена языческой ересью. Такую же позицию занял распространившийся спустя несколько веков ислам. По отношению к науке, особенно к космогонии и космологии обе враждовавшие между собой религии проявляли редкое единодушие.

Угодная религия, а по существу, древнемифологическая идея ограниченного в пространстве и времени мира, погруженного в нечто не доступное человеческому разумению, не имеющее ни длительности, ни протяженности

владела умами в течение многих веков. Возврат к древнегреческим представлениям о вечном и беспредельном мироздании наметился лишь в XVI в. Пламя костра, на котором в 1600 г. был сожжен ученый монах Джордано Бруно, ярко осветило ветхость религиозных представлений об устройстве Вселенной, обострило сомнения, подтолкнуло к размышлениям. Церковь еле сдерживала натиск науки Возрождения, а с наукой Нового времени бороться уже не могла. Галилей был последней ее жертвой. Убеждение в вечном существовании мира, у которого нет ни конца, ни края, постепенно сделалось основой научного понимания природы. Среди образованных людей стало общепризнанным, что Вселенная в круговороте своих форм бесконечна, и если в одном месте в какой-то момент времени что-то заканчивает свое существование, то это «что-то» неизбежно снова возникнет в другом месте и в другое время. Такое миропонимание хорошо согласовывалось с астрономическими наблюдениями. Вопросы о том, откуда произошел мир, может ли наступить его конец, стали считаться схоластическими, ненаучными, даже праздными.

Никакая, однако, научная теория, не может претендовать на универсальность. Мир неисчерпаем; неисчерпаем, следовательно, и взгляд на него: рано или поздно всякая теория заменяется более общей, а ее предшественница становится ее частным случаем. То же произошло и с классической космологией. Ей на смену пришла теория Большого взрыва и расширяющейся Вселенной.

За свою долгую историю люди придумали много научных и ненаучных объяснений природы. Различаются они тем, что научные выводы, даже самые удивительные и диковинные, в отличие от ненаучных, чаще всего религиозных,— это не просто утверждения, в которые можно верить или не верить. Все научные выводы могут и должны быть проверены опытом. В этом главное различие научного и религиозного подходов к объяснению природы. Было бы ошибочно думать, что в науке все строго обосновано и доказано. В ней всегда присутствует интуитивный элемент веры — допущения и гипотезы. Полностью избавиться от него нельзя, да и не следует избавляться; как это ни парадоксально, но без веры наука развиваться не может. Однако в отличие от религиозной вера научная непременно, по крайней мере в принципе, допускает экспериментальную проверку и с течением времени либо отбрасывается как ложная, либо просто входит в тело науки в качестве уже не веры, а знания.

Именно опыт, результаты наблюдений убедили ученых в том, что теория Бит Бэнга и расширяющегося пространства точнее других теорий описывает пространственно-временную структуру нашего мира. Прежняя стационарная модель мироздания с неизменным, инертным пространством оказалась применимой лишь к сравнительно небольшим временным интервалам, не слишком удаленным от нашей эпохи. В масштабах миллиардов лет уже нельзя не учитывать эволюции мира. И уж совсем не подходит стационарная модель ко временам начала расширения Вселенной, когда за ничтожные доли секунды Вселенная изменялась больше и резче, чем за миллиарды лет ее последующего более спокойного развития.

Когда в четвертой главе мы рассказывали о реликтовых кварках, уже говорилось, что никакого «творения из ничего» в подлинном смысле этого слова (когда сначала не было абсолютно ничего и вдруг стало) не произошло. Обнаруженная Фридманом особая точка в пространстве-времени — это переломный момент, когда радикальным образом изменились основные свойства мира — заполняющей его материи, пространства, времени Почему это произошло, откуда «вынырнула» наша Вселенная, каковы были свойства мира до ее появления — это во многом еще только предстоит выяснить. О некоторых гипотезах и «сумасшедших» идеях физиков теоретиков на этот счет мы поговорим в главе одиннадцатой, посвященной нерешенным проблемам пространства и времени.

ГЛАВА ВОСЬМАЯ,


где рассказывается о загадке, вот уже сто лет не дающей покоя физикам, о поиске магнитных зарядов-монополей, о частицах-«убийцах», одно присутствие которых вызывает распад окружающего вещества

Кварки, протоны, Вселенная

Недавно мне на глаза попался журнал с короткой заметкой, которая предварялась броскими, набранными жирным шрифтом фразами-анонсами: «Открыто магнитное вещество! Частица-монополь! Изолированный магнитный полюс!» Далее сообщалось о том, что сверхчувствительный прибор-анализатор, построенный в одном из американских университетов для поиска магнитных зарядов, зафиксировал импульс — след прошедшей сквозь прибор магнитной частицы.

Автор заметки, как ясно всякому специалисту, перестарался. На основании одного-единственного импульса еще нельзя сделать надежных заключений. Это могло быть и капризом аппаратуры. Как ни изощряйся, какие предосторожности ни принимай, такие капризы случались не раз прежде, случаются и в наши дни. Об открытии говорить рано, нужны подтверждения.

Нечто подобное как раз было несколько лет назад. На одной из международных конференций группа американских физиков сообщила, что высоко над землей, в космических лучах, им удалось обнаружить частицу, у которой вместо электрического заряда был магнитный. Сенсация быстро облетела все лаборатории мира. Сообщение американцев обсуждалось на семинарах и в рабочих кабинетах, в коридорах и в столовых. Еще бы если есть хоть одна такая частица, то почему не быть целому миру, в котором «все, как у нас», но электрические заряды заменены магнитными? Магнитные атомы, магнитные молекулы... Как в волшебном зеркале: все, что было электрическим, стало магнитным, а магнитное — электрическим. Может, и в нашем мире удастся создать когда-нибудь такое необычное «магнитное вещество»?

А потом все затихло. Оказалось, что результаты наблюдений можно объяснить без магнитных зарядов. Манящая дверь в волшебный магнитный мир так и не открылась.

Но возможен ли вообще такой мир? Откуда физики взяли, что между электрическими и магнитными свойствами природы должна быть симметрия?

Для того, чтобы ответить на эти вопросы, придется мысленно перенестись на 150 лет назад — в Англию позапрошлого века. Это было время бурного развития промышленности. По всей стране возникали фабрики и заводы со сложными (по тем временам, разумеется) станками и механизмами. Для их создания и совершенствования требовались научные изыскания. Важными становились разделы науки, еще недавно считавшиеся чисто кабинетными, не имеющими никакого практического значения. А это, в свою очередь, подталкивало ученых к исследованию новых явлений, тем более что физические приборы были еще очень просты, и любой человек со средствами, даже относительно скромными, мог создать домашнюю лабораторию, оборудованную на «уровне мировых стандартов».

Наверное, тогда и вошел в литературу образ гениального ученого-одиночки, ниспровергающего мировые законы в подвале своего дома. Как мало это похоже на современную науку! Ученые тогда, по существу, еще только приступали к детальному изучению окружающей природы, и их интересовало все. В поисках новых законов они сопоставляли и связывали явления, которые до того, казалось, не имели межу собой ничего общего. Исследования «на вольную тему», эксперименты для проверки «сумасшедшей» идеи — все это было обычным делом. И результаты часто бывали просто поразительными. Настоящий калейдоскоп открытий! Именно тогда была установлена связь трех явлений, на первый взгляд не имеющих между собой ничего общего: электричества магнетизма и света. Человечество обязано этим нескольким ученым, но прежде всего Майклу Фарадею.

Самое важное достижение Фарадея — открытие электромагнитного поля. Оказалось, что электричество и магнетизм — это две части единого целого — распределенного в пространстве поля. Если до того считалось, что мир состоит из вещества, то теперь к этому добавилась новая сущность — электромагнитное поле, которое может быть либо «привязанным» к зарядам и токам, порождая действующие вокруг них силы, либо отрываться от них в виде светового излучения.

Сотни опытов проделал Фарадей, изучая свойства открытого им электромагнитного поля и его взаимодействие с веществом. Целый каскад неожиданных догадок и остроумных гипотез! Можно только поражаться фантазии и изобретательности этого человека. И вот что интересно: каждый новый эксперимент свидетельствовал о замечательной симметрии электричества и магнетизма. Любому электрическому явлению всегда можно было, как в зеркале, найти соответствующее магнитное.

Когда знакомишься с поражающим воображение перечнем опытов, проделанных Фарадеем, может показаться, что он действовал методом слепого перебора вариантов, или, как грубовато говорят физики, «методом тыка», перебирая наугад различные комбинации. Но, это не так. Атмосфера смелых экспериментов, свойственная его времени, безусловно, наложила отпечаток на творчество ученого, однако в процессе своих опытов Фарадей сумел составить глубокие и в целом правильные представления о природе электромагнетизма. Эти представления и были тем внутренним компасом, которым он руководствовался при постановке все новых и новых экспериментов.

Правда, в статьях Фарадея нет ни одной математической формулы, его представления были наглядно-качественными, с помощью его силовых, линий и трубок трудно делать точные расчеты. Строгий математический вид электромагнитной теории придал другой великий английский физик — Джеймс Клерк Максвелл, родившийся на 40 дет позже своего предшественника, как раз тогда, когда тот сделал главное свое открытие — доказал, что магнетизм может превращаться в электричество.

Современникам новая теория казалась чрезвычайно сложной. Даже значительно позже, уже в начале нашего столетия, профессор Московского университета Станкевич говорил своим студентам: «Теперь мы переходим к новой главе нашего курса. Это теория Максвелла, которая настолько сложна, что лекционному изложению не поддается. Вы можете с ней познакомиться по моему монографическому курсу, а курс приобретите у швейцара Андрея. Переходим к следующей главе».

Физическим теориям свойственна одна замечательная особенность: если их математические формулы правильно отражают природу, то они не просто описывают некий опыт, а являются его обобщением; по этой причине их содержание значительно богаче исходных экспериментальных данных. Они предсказывают новые, неизвестные факты, экспериментальное подтверждение которых убеждает нас в правильности теории. Все это относится и к теории Максвелла. Вместе с механикой Ньютона она составляет фундамент физики. Правда, вскоре после eе создания ученые заметили удивительную особенность. Несмотря на то что электрическое и магнитное поля являются двумя равноправными половинками единого поля или, точнее, двумя сторонами одной модели и входят в уравнения теории Максвелла совершенно симметрично, полного равноправия электричества и магнетизма все же нет. Электричество имеет источники-заряды, а магнитных зарядов нет: магнетизм порождается токами, то есть опять-таки электрическими зарядами, только движущимися. Каждый школьник знает что, распилив магнит, он не получит двух кусков с разными магнитными зарядами — каждый кусок снова окажется магнитом с двумя полюсами. Другими словами, в природе встречаются только двухполюсные или как говорят физики, дипольные магнитные системы и нет изолированных полюсов-монополей.

Даже элементарные частицы, и те, подобно магнитной стрелке, имеют по два магнитных полюса. Ведь каждая из них окутана облаком испущенных ею виртуальных частиц. Их движение создает внутренние электротоки, и весь объект становится похожим на микроскопический электромагнит. Например, магнитные свойства протона обусловлены в основном током заряженных мезонов в его периферической оболочке. Электрон, правда, в этом смысле сложнее. Никаких внутренних частей у него не обнаружено, во всех опытах он проявляет себя как точечная частичка, и в то же время он магнит. Впрочем, у протона тоже есть небольшая часть магнетизма, которую не удается объяснить движением входящих в его состав зарядов. Некоторые физики связывают это с глубинной, кварк-глюонной структурой. Не исключено, впрочем, что магнитные свойства частиц имеют и более глубокие корни — где-то внутри самих глюонов и кварков.

Как бы там ни было, факт остается фактом: электрические заряды есть, а одиночные магнитные полюса никогда и нигде не наблюдались. Сразу же возникает вопрос: для чего природе потребовалась такая асимметрия, разве не проще было бы иметь два типа зарядов — электрические и магнитные? Почему природа не воспользовалась такой возможностью, а пошла по более сложному пути — ведь просто так ничего не бывает? Эта загадка уже давно не дает физикам покоя.

Может быть, это всего лишь свойство той части Вселенной, где мы живем, а в других ее областях, наоборот, есть магнитные, но нет электрических зарядов? А может, нас окружает совершенно симметричный нашему электромагнитный мир, только магнитные заряды-монополи мы по какой-то причине еще не обнаружили? По какой же?

На этот счет существует несколько гипотез. Но и о них чуть позже. А пока вернемся в Англию.

Первым проблему монополей стал всерьез исследовать английский физик Оливер Хевисайд. Ему удалось записать уравнения Максвелла в симметричном виде — с электрическими и магнитными зарядами. Однако его статья осталась почти не замеченной. Даже сегодня мало кто о ней слышал, хотя она на 40 лет опередила схожую с ней работу Дирака, с которой сегодня знакомы все физики. Сыграла, очевидно, свою роль репутация Хевисайда, как очень талантливого, но непонятного «кустаря-одиночки», чьи научные выводы, быть может, и верны, но выглядят не очень убедительно.

Хевисайд был действительно человек весьма оригинальный. Кажется невероятным, но, занимаясь расчетами, связанными с увеличением надежности телеграфных линий, с прокладкой кабеля через Атлантический океан, то есть имея дело с самыми передовыми по тому времени отраслями техники, Хевисайд впервые сел в автомобиль лишь в конце своей жизни (он умер в 1921 г.), да и то потому, что иначе нельзя было добраться до больницы. Гениальный чудак-отшельник, чьи открытия буквально озолотили телеграфные компании, Хевисайд жил и умер бедняком в одном из захолустных английских городков. Рассказывают, что, будучи избранным в члены Лондонского Королевского общества, самого почетного научного учреждения Великобритании, он не счел нужным хотя бы раз появиться на его заседаниях. Единственной его страстью была наука. Он не считал возможным тратить

время и силы на обоснование своих выводов, и научные журналы только и делали, что отвергали его статьи.

Полученные им результаты часто были необычайно остроумны, но пользоваться ими можно было с осторожностью, так как часто оставалось неясно, где они справедливы, а где нет.

Общественное мнение в науке значит очень много. В большинстве случаев оно защищает науку от скоропалительных гипотез и непроверенных фактов, но иногда и мешает признанию принципиально новых идей. К таким идеям принадлежало и то, о чем писал Хевисайд в статье про магнитные заряды.

Впрочем, не только Хевисайд размышлял о странной асимметрии электрических и магнитных зарядов. Пьер Кюри, открывший вместе со своей женой Марией Кюри-Склодовской радий, пытался экспериментально обнаружить магнитные заряды и их токи. Попытки его ни к чему не привели. В течение 20 лет австрийский ученый Эренхафт опубликовал в физических журналах более 50 статей, в которых доказывал, что в своих опытах он наблюдает магнитные заряды-монополи. Эренхафт наблюдал движение железных пылинок в магнитном поле. Когда пылинка освещалась сильным лучом света, ее движение изменялось так, как если бы свет выбивал с ее поверхности магнитный заряд. До сих пор непонятно, чем объясняется наблюдавшийся Эренхафтом эффект. А он не ошибался: его опыт был повторен другими физиками. Совсем недавно их еще раз повторили в Институте физики высоких энергий в Алма-Ате, и опять было замечено аномальное движение железных пылинок. Может быть, в эксперимент вкралась какая-то тонкая методическая погрешность? Во всяком случае опыты другого рода к открытию монополей не привели.

Конечно, может быть и так, что в каком-то одном, очень специфическом опыте монополь проявляется, а в других нет. Например, если опыт отличается большей точностью или в нем используются те свойства монополя, которые не сказываются в других экспериментах. К сожалению, опыты с железными пылинками не имеют преимущества ни в том, ни в другом отношении.

Но вернемся снова в Англию. Уж так получилось, что история монополя тесно связана с этой страной.

В 1931 г. к идее магнитных монополей пришел Поль Дирак, тогда двадцатидевятилетний теоретик из университета в Кембридже, получивший уже широкую известность благодаря выдвинутой им и блестяще подтвердившейся на опыте гипотезе об античастицах. Новая идея знаменитого физика сразу привлекла к себе внимание теоретиков и экспериментаторов. В отличие от Хевисайда Дирак был преувеличенно скрупулезен в обосновании своих выводов. Одно из его любимых выражений было такое: «Необходимо все хорошенько обдумать». Человек крайне немногословный, он старался выражать свою мысль как можно более лаконично и четко. Число статей и книг, написанных Дираком, невелико, но каждая из них стала классической.

Интересно, что по образованию Дирак был инженер, специалист по строительству гидроэлектростанций. После окончания института он не мог найти себе работу и вынужден был переквалифицироваться в физика-теоретика. По сравнению с профессией инженера это была не очень престижная специальность и денег сулила много меньше. Не знаю, потеряла ли что-нибудь от этого гидроэнергетика, но физика, несомненно, выиграла. Имя Дирака сегодня известно каждому, кто хотя бы немного соприкоснулся с квантовой физикой или просто читал о ней популярные статьи.

К идее монополей Дирак пришел, решая совсем другую задачу. Он старался понять, почему электрический заряд всегда принимает только дискретные значения, кратные заряду электрона. Масса, энергия, размеры макроскопических тел и микрочастиц могут быть любыми, никаких ограничений здесь нет, а вот их электрические заряды почему-то всегда пропорциональны заряду электрона и коэффициент пропорциональности — непременно либо целое число, либо нуль.

Этой закономерности, как мы уже знаем, не подчиняются кварки, заряд у них дробный — одна и две третьих заряда электрона. Но о кварках Дирак тогда еще ничего не знал. Если бы он выполнял свои расчеты в наше время, за минимальную порцию электричества ему пришлось бы принять не заряд электрона, а его треть — заряд кварка. Но дискретность зарядов остается экспериментальным фактом по-прежнему.

Размышляя о ее причинах, Дирак неожиданно обнаружил, что если в природе наряду с квантом электричества существует квант магнетизма, то в соответствии с теорией получается интересный парадокс: перемещая измерительный прибор по замкнутому контуру и выполняя измерения в одних и тех же точках, мы для некоторых величин при каждом повторном обходе будем получать новые значения, чего никогда не наблюдалось. Наоборот, во всех экспериментах наблюдаемые величины оказывались зависящими только от точек, в которых они измеряются, и ни от чего другого. Никакой «памяти о прошлом» у измеряемых величин нет. Казалось бы, этот парадокс — убедительное доказательство того, что никаких квантов магнетизма в природе быть не может.

И вот тут Дирак сделал важное открытие. Он заметил, что если величина электрического и магнитного зарядов такова, что их произведение равно целому или полуцелому числу, то все «неудобные» слагаемые в теоретических формулах, зависящие от числа обходов контура, обращаются в нуль. Получается, что гипотеза монополей не только делает теорию полностью симметричной по отношению к электричеству и магнетизму — на это обращал внимание еще Хевисайд,— но и приводит к квантованию электрического и магнитного зарядов. Иначе говоря, в природе возможны только такие заряды, которые удовлетворяют формуле Дирака.

По сравнению с теорией Хевисайда, которая в глазах современников выглядела необоснованной догадкой, теория Дирака была в высшей степени последовательна и сразу же получила признание. Однако ответить на вопрос, существуют в природе монополи или нет, она все равно не могла. Гипотеза монополей входила в нее как постулат. Верен он или нет, на это должен ответить эксперимент.

Вполне возможно, что никаких монополей в природе нет, ведь эти частицы потребовались Дираку лишь для того, чтобы объяснить дискретность зарядов, а она может иметь и другое происхождение. Не приходим ли мы здесь в противоречие со знаменитой бритвой Оккама, пытаясь объяснить «старую тайну при помощи новой загадки»? В средние века считалось позволительным строить длинные цепочки гипотез, где каждая последующая была нужна лишь для обоснования предыдущей. К этому прибегали особенно тогда, когда требовалось согласовать сложные явления окружающего мира с догмами священного писания. Английский философ и монах Уильям Оккам первым выдвинул принцип «не следует с помощью большего делать то, чего можно достигнуть меньшей ценой», и рекомендовал пользоваться им в качестве «методологической бритвы», срезающей излишние гипотезы и слабо обоснованные рассуждения. С тех пор бритва Оккама прочно вошла в методологию науки.

В современной физике этот принцип понимается несколько шире. Считается, что в мире может реализоваться любая возможность, которая не противоречит нашим основным представлениям о законах природы. Во всяком случае такую возможность следует во что бы то ни стало изучить, и если она существует лишь гипотетически, то это само по себе выглядит уже загадочным и, в свою очередь, нуждается в объяснении. Физика наших дней — наука математическая, и часто оказывается так, что в ее уравнениях бывают скрыты неожиданные возможности, приводящие к замечательным предсказаниям и к выдающимся открытиям. Примером такого предсказания и является гипотеза монополей Дирака.

Это та самая теоретическая возможность, которую невозможно упустить, мимо которой нельзя пройти. И неспроста она породила целую лавину исследований. Теоретики анализировали ее следствия, пытаясь обнаружить какие-либо противоречия, но так и не обнаружили, экспериментаторы в поисках монополей обшаривали все доступные им земные и космические материалы.

Естественно, монополь должен чем-то существенно отличаться от всех других частиц, иначе он попросту затеряется среди них и его можно прозевать. Среди его свойств должно быть что-то особенное, за что можно зацепиться при постановке эксперимента.

У монополя такое свойство есть. Из формул Дирака вытекает, что минимальная порция магнитного заряда по своей величине должна быть раз в 100 больше электрического заряда электрона, а раз так, то монополи должны сильно взаимодействовать с окружающим веществом. А это значит, что их можно сравнительно легко отделить от других, немагнитных частиц. К тому же, однажды родившись, монополь не может исчезнуть, так как магнитный заряд, как и электрический, сохраняется всегда. Исчезнуть монополь может, лишь столкнувшись с антимонополем, но вероятность такого события ничтожна. В этом отношении монополи подобны кваркам.

Один из способов обнаружить монополи — искать их следы в фотоэмульсии. У них должны быть очень «жирные» следы. Как раз такой необычно плотный след в стопке фотопластинок и пластиковых, пленок был обнаружен американскими физиками в опыте, о котором они рассказывали на международной конференции. На воздушных шарах они поднимали фотопластинки и пленки на большую высоту, почти в безвоздушное пространство, и там в продолжение нескольких суток все это облучалось в потоке космических лучей. Но скорее всего, это был след какого-то тяжелого иона — атома тяжелого элемента с ободранной оболочкой, который оставляет такой же плотный след в детектирующем материале. Исключить такую возможность американские физики не могли, и безжалостная бритва Оккама отсекла гипотезу обнаруженного ими монополя.

Монополи искали и среди частиц, родившихся на ускорителях. Такие опыты выполняются в хорошо контролируемых условиях, и точность здесь значительно выше, чем в космических лучах. Искали разными способами, используя самые совершенные и точные приборы, и ни намека на следы магнитных зарядов.

Пожалуй, наиболее точными были эксперименты, в которых раздробленные образцы различных материалов перемещались по оси соленоида. Если бы они содержали магнитные заряды, в катушке соленоида должен был бы возникнуть электрический ток (вспомним знакомый всем по школе знаменитый опыт Фарадея по превращению магнетизма в электричество!). Эксперимент проводили при очень низкой температуре, вблизи абсолютного нуля, когда металл соленоида становился сверхпроводящим и образовавшийся в нем ток должен был бы циркулировать практически неограниченное время. Многократно прогоняя исследуемый образец по оси соленоида, можно получить («накопить») значительный ток даже при очень малой концентрации монополей. Таким способом было обследовано множество минералов, выброшенное вулканами вещество земных недр, вода океанов, метеориты, много килограммов лунного грунта, даже контейнеры, в которых хранился этот грунт (может быть, в нем застряла часть монополей?). Если бы на 1028 атомов (несколько ведер) вещества приходилось всего только по одному монополю, их присутствие было бы замечено в этих экспериментах. Однако регистрирующие приборы молчали. Монополей не было ни в земном, ни в небесном веществе.

И все же утверждать, что, изолированных магнитных зарядов в природе не существует и все разговоры о магнитном веществе — ненаучная фантастика, было бы преждевременно. В сегодняшних ускорителях могут рождаться только такие частицы, которые не более чем в несколько сот раз тяжелее протона: для рождения более массивных частиц энергии недостаточно. Поэтому если монополи — очень тяжелые частицы, то в опытах на ускорителях они не могут образоваться. Монополи должны были бы рождаться под действием космических лучей, содержащих сверхвысокоэнергетические частицы. Но и здесь есть обстоятельство, которое мешает заметить рождающиеся монополи. Согласно теории магнитные частицы настолько сильно взаимодействуют с веществом, что растрачивают свою энергию почти сразу же после рождения, не успев далеко уйти от точки, где образовались. А поскольку закон сохранения заряда требует, чтобы монополи обязательно рождались парами — один с отрицательным, другой с положительным зарядом, — то, затормозившись, они скорее всего тут же аннигилируют и превратятся в обычные немагнитные частицы. Теория говорит, что в большинстве случаев это будут пучки жестких гамма-квантов.

Физики, изучающие космические лучи, в своих опытах не раз замечали узконаправленные вспышки очень интенсивного гамма-излучения. Вообще это можно было бы считать указанием на рождение и аннигиляцию монополей, однако имеются веские основания предполагать, что для рождения монополей не хватает энергии даже самых быстрых космических частиц.

Как бы там ни было, неудача всех попыток обнаружить следы магнитных зарядов охладила энтузиазм физиков. Ясно, что в природе есть что-то такое, что мешает осуществлению красивой идеи Дирака.

Когда разумно поставленная задача долго не находит решения, полезно взглянуть на всю проблему с совершенно иной точки зрения. Среди физиков популярен был когда-то анекдот о том, как решает задачу посредственный научный сотрудник. Задача была взята из истории зоопсихологии, представители которой а начале XX в. исследовали мышление обезьян. Там была, в частности, такая задача. Экспериментаторы прикрепили к

ветке дерева банан. Обезьяне требовалось достать его. Сначала она бросилась трясти дерево. Видит, не получается — крепко сидит банан. Подумала — схватила палку Опять неудача — коротка палка. Снова подумала — метнула камень и сбила банан. Дали ту же задачу научному сотруднику, замотанному разными планами и отчетами. Он тоже, не теряя времени, схватился за дерево — трясет, и чем дольше, тем с большим рвением. «Подумай», — подсказывают ему. «Некогда! — отвечает. — Работать надо!» Так до сих пор и трясет...

Проблема монополей приобрела «второе дыхание», когда на нее посмотрели с принципиально новой точки зрения — с позиций теории «великого объединения». Если ехать по одной из скоростных автострад из Нью-Йорка, то через час с небольшим добираешься до тщательно охраняемой местности, застроенной редкими зданиями похожими на цехи. Это Брукхейвенская лаборатория — один из основных атомных институтов США. В 50-х годах два сотрудника лаборатории Чженьнин Янг и Роберт Миллс изучали обобщение максвелловских уравнений, которое они надеялись использовать для описания нового класса частиц —подобных фотону, но в отличие от него несущих на себе электрический заряд. Так сказать, квантов заряженного света. Теория получалась на редкость стройной и изящной; усовершенствованием и интерпретацией ее математического аппарата занимались многие физики, до тех пор пока в конце 60-х годов эти исследования не привели к новой теории, объединившей электромагнитные и слабые силы (последние вызывают распад элементарных частиц и атомных ядер). Теперь-то мы знаем, что все это — проявление различных компонент одного и того же «электрослабого поля» которое в зависимости от условий воспринимается нами как электричество, магнетизм или как особое, слабое взаимодействие элементарных частиц. И вот тут гипотеза монополей неожиданно получила мощную поддержку.

Есть страшное явление природы — цунами. Далеко

в океане образуется необыкновенно устойчивая волна —изолированный всплеск, который, почти не изменяя своей формы и не растрачивая энергии, преодолевает огромные расстояния (в то время как обычная волна давным-давно успела бы угаснуть) и всю свою энергию одним ударом обрушивает на побережье. Такие события

иногда происходят у нас на Дальнем Востоке. В открытом море волна цунами плоская, заметить ее трудно, но энергия у нее колоссальная. У побережья, затормаживаясь, она вздымается метров на десять, а то и больше и разрушает причалы, смывает целые поселки.

Теория говорит, что это не простая волна, а особое самоподдерживающееся, нелинейное образование. Оказалось, что в результате возмущений, вызванных внешним воздействием, а при определенных условиях и под действием внутренних сил в электрослабом поле, как в океане, возможно образование особых всплесков-цунами. Первыми это явление обнаружили в своих расчетах советский физик А. М. Поляков и голландский Т’Хуфт. Они заметили, что каждое «полевое цунами» ведет себя в пространстве подобно частице, а также, что особенно важно, с каждым таким всплеском связан изолированный магнитный полюс, северный или южный. Другими словами, новая теория подтвердила гипотезу монополей! С математической точки зрения монополь — это особое решение полевых уравнений, а с физической — сгусток энергии, новая частица.

Правда, монопольные решения получаются не во всех вариантах электрослабой теории. Для них нужны весьма специфические условия, и в конечном счете опять-таки только эксперимент способен подтвердить, существуют монополи в природе или нет. Расчеты, например, показывают, что полевые цунами-монололи могут образоваться, лишь имея достаточно большую массу. Они должны быть приблизительно в 10 тысяч раз тяжелее протона, то есть весить чуть ли не столько, сколько молекула белка.

В сравнении с другими элементарными частицами они мамонты среди мышей. Но существуют ли они, эти мамонты, в природе?

Еще более удивительные частицы предсказывает теория «великого объединения», в которой электрослабое поле объединяется с сильным, ядерным. Эта теория — дальнейшее развитие идей Янга и Миллса, следующий шаг в построении единой теории поля. Хотя теория «великого объединения» еще весьма неопределенна, у нее много различных вариантов и плохо изученных возможностей, предсказание цунами-монополей получается почти в любом ее варианте.

Просто поразительно, как с разных сторон математический аппарат подсказывает нам идею магнитных частиц.

Монополи теории «великого объединения» — фантастически массивные частицы. Они по меньшей мере в 1016 раз тяжелее протона (умножьте массу протона на 10 тысяч триллионов!). Их масса больше, чем у бактерии! Их даже частицами называть неловко, а тем более элементарными. Конечно, ни один ускоритель не в состоянии породить такое «микрочудовище». Не под силу это и даже самым высокоэнергетическим космическим частицам. Столь массивные объекты могли выкристаллизоваться лишь из энергии первичного поля в момент рождения Вселенной, когда ее температура и плотность были фантастически велики и энергии хватало для рождения самых тяжелых частиц.

Конечно, скажет читатель, легко апеллировать к таинственному Биг Бэнгу: ведь о том, что происходило в те далекие времена, можно фантазировать как угодно. Все равно все сгорело... Но это не так. Криминалисты утверждают, что ни одно событие нашей жизни не уходит в прошлое, не оставив после себя следов, по которым многое можно восстановить спустя недели, месяцы, а иногда и годы. Космологи сродни криминалистам: они утверждают то же самое. Теоретические картины младенчества Вселенной — это не беспочвенные фантазии, хотя в них немало и гипотетического. У американского физика Стива Вайнберга, одного из авторов электрослабой теории, есть книга «Первые три минуты» (недавно она вышла в русском переводе), где очень хорошо рассказывается, как современная наука представляет себе развитие Вселенной, начиная с сотой доли секунды после начала Большого взрыва. Да, об этих секундах и минутах известно уже довольно много. Известно из анализа интенсивности и спектра реликтового излучения (инфракрасного излучения, образовавшегося во времена, когда Вселенная была еще очень горячей, распространившегося по всему ее объему и сохранившегося до наших дней), из сопоставления относительной распространенности водорода, гелия и других легких химических элементов, синтез которых начался сразу же после того, как Вселенная несколько остыла, и зависел от господствовавших в то время условий, и из некоторых других астрофизических данных и математических расчетов. Но вот что было с Вселенной в самые первые мгновения ее жизни, в тысячные и миллионные доли секунды, Вайнберг ничего сказать не мог. Еще 10 лет назад (книга его вышла в США в 1977 г.) это было сплошное белое пятно. Человеческого воображения не хватало, чтобы представить себе то, что там могло происходить.

Заглянуть в эту самую интригующую область нашей истории, вплоть до фантастически малых величин порядка 10-35 секунд, позволяет теперь теория «великого объединения». Это был мир первозданной плазмы, где еще не существовало элементарных частиц, а были только их составные части — первичные «кубики»-кварки и связывающее их поле сильного взаимодействия. Некоторые частички, находившиеся в этом огненном сиропе, возможно, несли магнитный заряд. Впрочем, какой это был заряд, сказать трудно. Температура была еще так велика, что в первые мгновения после своего рождения раскаленный мир оставался совершенно симметричным, любые его свойства проявлялись с равной вероятностью. Расщепление единого симметричного взаимодействия на электромагнитное, слабое, сильное — на те виды взаимодействий, которые действуют в современном мире,— произошло позднее, приблизительно через 10-14 — 10-13 секунд после начала расширения.

Расчеты показывают, что от тех давних «горячих денечков» нам в наследство должно было остаться довольно много тяжелых монополей. Сначала даже получалось, что монополей во Вселенной должно быть столько же, сколько протонов. Затем, при более детальном рассмотрении реакций в первичном огненном шаре, массу магнитного вещества пришлось уменьшить, но все равно она очень велика — на много порядков больше того, что следует из анализа экспериментальных данных.

По этим данным, кстати, выходит, что в пространстве рассеяно очень много невидимого нам вещества. Астрофизики называют его скрытой массой и утверждают, что эта масса не может превосходить массу светящегося, атомарного вещества более чем в 10 раз. Иначе масса Вселенной была бы больше критической и расширение пространства сменилось бы его сжатием. Если пренебречь вкладом в эту скрытую массу нейтронов, нейтрино и других нейтральных частиц, можно даже допустить, что невидимое вещество целиком состоит из монополей, а видимое, как давно известно,— из протонов. При этом масса всех монополей оказывается на порядок больше массы протона. Ну а если вспомнить, что по теории «великого объединения» каждый монополь весит столько, сколько 1016 протонов, то отсюда воспоследует, что в среднем во Вселенной на каждые 1015 протонов приходится не более одного монополя. Это несравненно меньше того, что предсказывает теория, но все же совсем немало. Чтобы ощутить эту величину, заметим, что в одном кубическом сантиметре вещества содержится приблизительно 1024 протонов, и значит, там должно быть около миллиарда монополей. Огромное количество!

Правда, это в среднем, если бы монополи распределялись равномерно. А они могут собираться в сгустки, концентрироваться в центре тяжелых планет или звезд, удерживаемые их гравитационным полем. Кроме того, астрофизики дают нам верхнюю оценку, на самом деле монополей, по-видимому, значительно меньше. По крайней мере в миллион раз. В противном случае они оказали бы очень сильное возмущающее влияние на магнитное поле Галактики, и оно имело бы совсем не ту структуру, которая наблюдается сегодня.

С точки зрения теории «великого объединения» открытие сверхтяжелых монополей имело бы исключительно важное, принципиальное значение. Этим была бы окончательно подтверждена правильность самой идеи «великого объединения», и теоретики могли бы с большей уверенностью рассматривать процессы, непосредственно связанные с Большим взрывом.

В последние годы во всем мире снова было выполнено много экспериментов по поиску сверхтяжелых монополей. Пока все опыты закончились неудачей. Учитывая чувствительность приборов, можно сказать, что в течение года каждый квадратный метр земной поверхности пересекает не более одного-двух монополей. Если бы их было больше, аппаратура бы их зафиксировала. Астрофизические оценки предсказывают в миллион раз меньший поток — несколько монополей на один квадратный километр. Это, конечно, осложняет дело.

Обнаружить предсказанные теорией «великого объединения» монополи невероятно трудно. Ко всему прочему, по меркам ядерной физики, большинство из них — довольно медленные частицы. Только такие «ленивые» частицы и могло удержать магнитное поле нашей Галактики, более энергичные давно уже успели ее покинуть и затеряться в безбрежных межгалактических просторах. Медленные же частицы ионизуют вещество слабо, и чтобы их заметить, нужны гигантские детекторы — в сотни, в тысячи раз больше существующих.

Сегодня много говорят об установке ДЮМАНД — глубоководном детекторе ливней, порождаемых слабо взаимодействующими частицами космического излучения. Это сложная система фотоумножителей, которая фиксирует едва уловимые световые импульсы, сопровождающие прохождение ливня частиц в морской воде. Размеры ДЮМАНДа — около кубического километра. Подумать только — куб с ребром в один километр! Оттого и предложено разместить эту сверхгигантскую установку в толще океана. На суше это было бы просто невозможно. Но даже ДЮМАНДа недостаточно, чтобы уловить слабое свечение, вызываемое сверхтяжелыми монополями.

Так обстоит дело со сверхтяжелыми магнитными частицами. Умеренно тяжелые монополи, которые предсказывает теория электрослабого взаимодействия, обнаружить еще труднее. Если они и существуют в природе, их концентрация по сравнению со сверхтяжелыми должна быть значительно меньше, и вот почему. Многие нейтронные звезды обладают сильным магнитным полем. Такое поле должно притягивать и разгонять падающий на звезду монополь до энергии, в сотни миллионов раз превышающей ту, которую можно получить в самых мощных современных ускорителях. Этой энергии достаточно, чтобы породить в плотном нейтронном веществе звезды интенсивный каскад новых монополей, которые, притягиваясь ее магнитными полюсами, будут компенсировать, «гасить» ее магнитное поле. А для этого, оказывается, достаточно всего лишь одного начального монополя. Наличие же у нейтронных звезд магнитных полей (астрофизики их наблюдают) свидетельствует как раз о том, что умеренно тяжелые монополи, предсказываемые теорией Полякова — Т’Хуфта, исключительно редки, настолько редки, что, по мнению некоторых ученых, за все время существования Земли вероятность ее столкновения хотя бы с одним космическим монополем не превысила нескольких шансов на миллион.

Этот вывод, по-видимому, зачеркивает все варианты теории электрослабого взаимодействия, которые предсказывают образование монополей: в этой теории они получаются слишком легкими. Каскадный механизм «тушения» магнитного поля нейтронных звезд не вступает в действие только в том случае, если массы монополей так велики, что энергии падающей на звезду первичной частицы не хватает для их множественного образования. Поэтому-то физики и считают, что, если монополи и существуют в природе, они должны быть чрезвычайно тяжелыми, о чем и говорит теория «великого объединения». Вот только число их согласно расчетам оказывается на много порядков больше, чем это нужно для объяснения астрофизических данных. Иными словами, эксперимент и теория пока согласуются плохо.

Однако неустранимого противоречия здесь все же нет. Ведь наши сведения об условиях, при которых протекали процессы в первые мгновения жизни Вселенной, еще весьма приблизительны. Некоторые физики доказывают, что условия в то время были таковы, что монополи стремились объединиться в группы, а это резко убыстряло процесс их аннигиляции и тем самым уменьшало их число. Есть и более радикальная идея: Биг Бэнгу предшествовала еще одна стадия развития Вселенной, в ходе которой сверхтяжелые монополи рассеялись по необозримо огромной области быстро раздувавшегося пространства. Биг Бэнг — это «взрывное нагревание» образовавшегося и уже медленнее расширяющегося мира. На этой стадии, как следует из расчетов, могли рождаться только умеренно тяжелые частицы.

Какой бы логически стройной и изящной ни была теория, ее следствия непременно должны быть подтверждены наблюдением или экспериментом. Иначе она останется гипотезой. Идея монополей возникла более полувека назад. Это очень большой срок для научной гипотезы. Обычно за такой срок гипотеза либо отбрасывается, либо подтверждается. Монополь — редкое исключение, он по-прежнему загадка. И вместе с тем это ключ к целому клубку проблем, связывающих два полюса наших знаний — физику элементарных частиц и космологию. Поэтому, несмотря на все трудности с экспериментами, интерес физиков к этой удивительной частице не только не ослабевает, а, наоборот, усиливается, тем более что теоретики открывают у монополя все новые и неожиданные свойства.

Недавно, например, было установлено, что монополь может служить эффективным ускорителем радиоактивного распада протонов. Согласно теории «великого объединения» протон — хотя и распадающаяся, но долгоживущая частица. Как мы уже говорили, живет он немыслимо долго: 1032—1033 лет. Но вот если рядом находится монополь, то протон мгновенно распадается на позитрон и мезоны, один или несколько. И что интересно, после этого «убийства» опять остается монополь, готовый к уничтожению следующего протона, и так далее. Точь-в-точь хорошо известный всем химикам катализ! Монополи разрушают окружающее их вещество. Такой вывод недавно был сделан теоретиками Института ядерных исследований из подмосковного научного городка Троицка.

При взаимодействии протона с монополем образуется необычная по своим свойствам неустойчивая система, распадающаяся на компоненты, среди которых есть монополь (магнитный заряд сохраняется!), но уже нет протона. Это уникальная реакция, подобных мы не знаем. Путь монополя в веществе должен быть отмечен цепочкой «протонных катастроф». Это подсказывает физикам новые подходы к поиску магнитных частиц. Трясти дерево в ожидании банана никто не собирается.

Можно усмотреть и более важное следствие протон-монопольного катализа. При распаде протона каждый раз выделяется значительная энергия, поэтому, будь в нашем распоряжении килограмм монополей (сегодня это, конечно, звучит сверхфантастично), физикам удалось бы удовлетворить все энергетические потребности человечества. Энергию можно было бы извлекать из любого вещества. Достаточно прикоснуться к нему монополем. Вот был бы действительно неисчерпаемый, бесконечный источник энергии. Космическим кораблям, а может, даже и самолетам, не пришлось бы брать с собой горючего. Звездолеты питались бы собираемой при полете космической пылью, а самолеты — просто воздухом! И никаких радиоактивных отходов, так как мезоны почти мгновенно бы распадались, а образующиеся в реакциях позитроны тут же аннигилировали в стенках реактора. Возникающее гамма-излучение нетрудно задержать поглощающими экранами. Чистая и безопасная атомная энергия!

Монополи можно было бы хранить в «магнитных бутылках» — специальных ловушках, магнитное поле которых действительно имеет форму бутылки и предохраняет содержащиеся в ней частицы от соприкосновения со стенками.

Пока это — только мечта. Но если законы природы ей не противоречат, рано или поздно наука ее осуществит.

Правда, есть и пугающий аспект проблемы: что произойдет, если хотя бы один монополь ускользнет из «бутылки»? Неуправляемый распад планеты? Загнать монополи обратно в «бутылку» потруднее, чем джинна в кувшин. Впрочем, надо сначала их найти...

Вот куда заводит, казалось бы, чисто теоретический вопрос о симметрии электричества и магнетизма! В физике всегда так: даже самые абстрактные проблемы рано, или поздно находят практическое применение. И в каждом таком приложении есть как положительные, так и отрицательные стороны. Такова диалектика природы и научного знания, диалектика жизни.

ГЛАВА ДЕВЯТАЯ,


посвященная движению со сверхсветовой скоростью, которое происходит в фантастическом мире, где будущее перемешивается с прошлым и можно встретить еще не родившихся потомков и давно умерших предков. Читатель знакомится со сверхбыстрыми тахионами, у которых по сравнению с обычными частицами все шиворот-навыворот

Кварки, протоны, Вселенная

Один из основных постулатов физики утверждает, что в природе существует максимальная скорость. Это скорость света в пустоте — около 300 тысяч километров в секунду. Считается, что ни одно тело не может двигаться быстрее. Безмассовые частицы — фотоны, нейтрино и спрятавшиеся в недрах других частиц глюоны — перемещаются в пространстве с максимальной скоростью. Все другие частицы и тела движутся медленно. Почему? Что им мешает? Ведь скорость света, мгновенная по сравнению с житейскими нашими скоростями, оказывается весьма скромной при переходе к космическим масштабам. Даже с аппаратами, исследующими ближайшие к нам планеты Солнечной системы, обмен сигналами происходит уже с весьма заметным запаздыванием. Может, в природе все-таки существуют частицы, движущиеся быстрее света, а мы их просто еще не обнаружили? Допущение с научной точки зрения не столь уж крамольное. А если не обнаружили, то где следует их искать и какими свойствами может обладать «сверхсветовое вещество»?

Вопрос о сверхсветовых скоростях — один из спорных пунктов современной физики. Хотя большинство ученых считает, что в природе таких скоростей нет, это мнение не имеет под собой безусловных оснований. Вопрос продолжает беспокоить физиков. В самых серьезных и респектабельных физических журналах время от времени появляются статьи, которые еще и еще раз, с новых точек зрения, анализируют следствия сверхсветовой гипотезы. Число посвященных ей работ—книг, статей, докладов на конференциях — давно перевалило за тысячу.

Все гипотетические тела, движущиеся со сверхсветовыми скоростями, независимо от их массы, размеров и других свойств, принято называть тахионами. Как и многие другие названия в физике, этот термин восходит к греческому корню: слово «тахис» означает «быстрый», «стремительный». Чтобы понять трудности, к которым приводит гипотеза о существовании в природе таких физических объектов, давайте сначала познакомимся со свойствами, которыми они теоретически должны обладать.

Хорошо известно, что масса тела зависит от его скорости: чем быстрее оно движется, тем оно тяжелее. При небольших скоростях увеличение массы незаметно. Но если тело разгоняется так, что его скорость становится близкой к световой, тогда масса увеличивается многократно. В современных больших ускорителях масса электрона возрастает в миллионы и даже миллиарды раз. Электрон становится тяжелее протона. Но чем больше масса тела, тем труднее его ускорять: требуется все больше и больше энергии. Чтобы разогнать одну частицу до скорости света, пришлось бы затратить бесконечное количество энергии — энергию всей Вселенной. Поскольку это невозможно, долгое время считалось, что тахионов в природе быть не может.

Советский физик Я. П. Терлецкий одним из первых обратил внимание на то, что этот вывод говорит лишь о невозможности перейти через световой барьер путем непрерывного наращивания скорости. Но существуют же частицы, с легкостью движущиеся со скоростью света,— фотоны и нейтрино! Они рождаются, сразу имея такую скорость, без всякого разгона А все оттого, что у них просто нет массы покоя (во всяком случае у фотона). Тахионы тоже должны иметь сверхсветовую скорость с самого момента рождения. Другими словами, это совершенно новая форма материи, отделенная от обычной непроходимым световым барьером. Переход происходит всегда скачком: частицы поглощаются и рождаются затем сразу по другую сторону барьера. Они как бы подныривают под него.

Заметьте, обычные частицы приближаются к световому барьеру, когда их скорость возрастает, а тахионы, наоборот, когда их скорость уменьшается. Теряя энергию, обычная частица замедляется, а тахион ускоряется. Эксперимент и теория убеждают нас в том, что вблизи светового барьера частицы с досветовыми скоростями сжимаются в направлении своего движения, а время их жизни (если они склонны к распаду) возрастает. Размеры распадающегося тахиона, напротив, растут — он как бы распухает в направлении движения, а течение времени для него резко убыстряется. В пределе, при бесконечно большой скорости, он вытягивается вдоль всей своей траектории. Словом, у тахионов все наоборот, и к этому выводу приводят нас строгие формулы теории относительности.

Впрочем, у тахионов есть еще более поразительные свойства. Оказывается, например, что порядок событий, в которых участвуют сверхсветовые частицы (какое из них раньше, какое позднее), зависит от выбора системы координат. Если в некоторой системе отсчета один атом испускает тахион, а второй атом его поглощает, то в системе координат, движущейся с иной скоростью, этот процесс может выглядеть как переход частицы в обратном направлении: от второго атома к первому. Взаимодействие со вторым атомом здесь происходит раньше, чем с первым. Иначе говоря, в тахионных процессах разделение времени на прошлое и будущее условно, как условно, например, противопоставление правого и левого в нашей обыденной жизни: для меня это — левое, а для стоящего ко мне лицом собеседника — правое. Так и для тахионов — в одной системе координат событие происходит в будущем, а в другой оно оказывается и прошлом.

В тахионном мире ничего не стоит подсмотреть, что произойдет завтра, послезавтра, через год. Нужно только сесть в экипаж, движущийся с подходящей скоростью. При этом возникают невероятные ситуации, в которых причинная связь событий нарушена.

У американского писателя-фантаста Рэя Бредбери есть знаменитый рассказ о том, как человек, отправившийся путешествовать в прошлое, пренебрег запретом «Ничего не трогай!» и, гуляя в древнем тропическом лесу, раздавил бабочку. Цепочка последовавших за этим причинно связанных событий привела к тому, что, возвратившись в свое время, неосторожный путешественник обнаружил свою страну такой же, какой она была прежде, только в фамилии человека, баллотировавшегося на пост президента, изменилась буква, и это был уже не умеренный буржуазный демократ, а потенциальный тиран. В мире со сверхсветовыми явлениями возможны и более удивительные происшествия: там можно устроить встречу давно умерших предков с их еще неродившимися потомками.

Свойства тахионов настолько удивительны, что возникают серьезные сомнения в возможности существования таких частиц. Правда, ускорение вместо торможения, распухание и размазывание по всей траектории — хотя и очень непривычные для нас вещи, считать их абсолютно невозможными нет оснований. Странно — не значит невозможно. К необычным явлениям и свойствам можно привыкнуть. Другое дело — причинность. Ее нарушение — вопиющее противоречие, не совместимое с естественным ходом вещей в нашем мире. Ведь в самом-то деле, не можем же мы беседовать со своими пращурами или давно умершими историческими личностями.

Как избавиться от нарушений причинности, к которым приводит гипотеза тахионов, и можно ли это вообще сделать, пока неясно. Этих трудностей нет в области очень малых пространственно-временных масштабов, где временной порядок событий, возможно, вообще нельзя установить или же он имеет смысл, весьма отличный от того, к которому мы привыкли в нашем макромире. Зависимость этого порядка от системы координат в этом случае не будет нарушать причинности. Некоторые опыты с элементарными частицами указывают на то, что в, субмикроскопических областях пространства и времени однозначно разделить прошлое и будущее действительно нельзя.

Тахионы останутся запертыми в области малых масштабов, если, например, все они короткоживущие частицы. Ведь, как говорилось выше, если время жизни распадающихся досветовых частиц растет с увеличением их скорости, то у тахионов оно, наоборот, уменьшается. Тахионы распадаются тем быстрее, чем больше их скорость, и это может произойти почти сразу же вблизи точек, где они родились. Наблюдать такие частицы в опыте будет крайне трудно. Вероятность их появления в макроскопических областях и, следовательно, вероятность нарушающих причинность явлений будут близки к нулю.

В последние десятилетия физики затратили много усилий на изучение так называемых нелокальных теорий, в которых на больших расстояниях все происходит, как обычно, а на малых взаимодействия совершаются со сверхсветовыми скоростями и поэтому как бы размазаны, не локализованы вокруг точек пространства и моментов времени. Такие сверхсветовые взаимодействия могут передаваться тахионами или иным каким-либо способом — в нелокальных теориях это не конкретизируется. Исследования выполнялись в общем виде: постулировали сверхсветовую скорость передачи сигналов и смотрели, к чему это приведет. Оказывается, можно построить такую нелокальную теорию, которая будет непротиворечива и на больших расстояниях. Более того, по сравнению с обычной теорией поля она даже более последовательна.

Существует ли в природе сверхсветовая нелокальность и удивительные тахионы или же это всего лишь математическая игра физиков-теоретиков? На этот вопрос должна ответить сама природа. Как бы там ни было, повторяем, что в настоящее время нет никаких, ни физических, ни философских, запретов участию тахионов в процессах, которые протекают в ультрамалых областях пространства-времени. Для больших областей вопрос, естественно, не так прост.

Но могут ли, спросит читатель, частицы со столь необычными свойствами взаимодействовать с обычным, досветовым веществом наших приборов? Некоторые ученые считают, что не могут. Если это так, то тахионы — ненаблюдаемые объекты, а досветовой и сверхсветовой миры оторваны друг от друга навеки точек соприкосновения у них нет. Трудно, однако, допустить, что в природе, где все взаимосвязано и взаимообусловлено, могут существовать материальные тела, которые ничем себя не проявляют и принципиально не наблюдаемы. Если же допустить, что между тахионами и досветовым веществом возможно взаимодействие, то тахионы должны рождаться в реакциях, происходящих при столкновениях досветовых частиц, и можно попытаться зафиксировать их с помощью имеющихся в нашем распоряжении приборов.

Таких опытов выполнено уже немало, но ни один из них не дал убедительных доказательств в пользу существования тахионов. В отдельных случаях, правда, проявлялись эффекты, которые в принципе можно было бы приписать сверхсветовым частицам, но им можно найти и другие объяснения. Бритва Оккама на страже!

Вместе с тем ни один из выполненных до сих пор экспериментов не доказывает и обратного: отсутствия тахионов. Во всех опытах можно увидеть методические просчеты, которые хотя бы отчасти объясняют их неудачу. Вот пример. В одном из опытов регистрировали случаи поглощения тахиона протоном или электроном. Первоначально покоившаяся частица должна при этом получить от тахиона импульс, который физики намеревались зафиксировать. Опыты проводились глубоко под землей, практически при полном отсутствии фона космических лучей. Точность измерений была очень высокой. Тем не менее не удалось обнаружить ни одного случая поглощения тахиона, и был сделан вывод: либо тахионы не существуют в природе, либо взаимодействуют они с досветовым веществом очень слабо — в 1029 раз слабее, чем протон с электроном. Последнее, как уже говорилось выше, представляется маловероятным, поэтому эксперимент, казалось бы, «закрывает» проблему тахионов. Однако это заключение становится неубедительным, если учесть другую, в определенном смысле даже более логичную интерпретацию отрицательного результата опыта: если нет специальных источников, испускающих тахионы, то это значит, что количество этих частиц в окружающем нас пространстве крайне мало, как мало, например, число световых квантов в темной комнате. Кстати, частиц антивещества в окружающем пространстве тоже ведь очень мало, в космических лучах их следы обнаружены лишь совсем недавно.

Таким образом, на вопрос, существуют ли в природе тахионы, следует ответить: пока не известно, это предстоит еще выяснить. Можно быть почти уверенным, что тахионов нет в макроскопических областях пространства. Иначе возникли бы парадоксы с причинностью, нарушались бы законы сохранения энергии и импульса. Тахионы и связанные с ними явления могут прятаться только где-нибудь внутри ультрамалых пространственно-временных интервалов, меньших 10-17 сантиметров и 10-27 секунд, там, где противопоставление прошлого будущему теряет смысл.

Но и здесь следует сделать оговорку. В экспериментах и теоретических расчетах, касающихся тахионов, всегда предполагалось, что эти частицы подчиняются формулам Лоренца. С помощью этих формул при вычислениях и при анализе опытов исследователи переходят из одной системы координат в другую. Но кто может поручиться за то, что формулы Лоренца верны и за световым барьером? Это гипотеза, которая, вообще говоря, может оказаться и неверной. А тогда условия причинности могут выглядеть совсем по-другому. По разным соображениям такая возможность кажется маловероятной, но все же в науках никогда не следует торопиться с отрицаниями и запретами.

Когда во время популярной лекции или доклада мне приходится рассказывать о свойствах тахионов, я обычно заканчиваю свой рассказ словами:

— А теперь я продемонстрирую вам сверхсветовую скорость. Не фокус, а самое настоящее сверхсветовое движение.

— С тахионами? — спрашивает кто-нибудь из слушателей.

— Нет, частиц со сверхсветовыми скоростями никто не видел, а вот сверхсветовое движение наблюдать легко. Давайте выключим все лампы, кроме одной, настольной. И вот теперь, поднеся к ней карманное зеркальце, я мазну световым зайчиком по противоположной стене. Если она далеко, а зеркальце поворачивать быстро, то зайчик побежит по стене быстрее света...

Но как же быть при этом с теорией относительности, которая утверждает, что скорость никогда не может перейти через световой барьер? Никакого противоречия с теорией относительности тут нет. Со сверхсветовой скоростью. перемещается эффект, а не вещество. Скорость света — максимальная скорость перемещения материальных тел, а световой зайчик никакого вещества по стене не переносит. Светового барьера, где бы масса и энергия обращались в бесконечность, для него не существует. Подобных сверхсветовых явлений физическая теория не запрещает.

ГЛАВА ДЕСЯТАЯ,


в которой речь идет о пустоте — обыкновенной пустоте, на поверку, впрочем, оказывающейся совсем не обыкновенной и даже не пустотой, а также о попытках ученых создать вещество из одного пустого пространства и, наконец, о мирах с различной пустотой-вакуумом

Кварки, протоны, Вселенная

Теперь, после того как мы познакомились с кунсткамерой элементарных частиц, обратимся к арене, на которой движутся и взаимодействуют эти частицы,— к пустоте. Казалось бы, о чем тут говорить. Ведь пустота — это когда ничего нет. Но мы уже говорили, что это не так. Пустота — сегодня один из основных объектов физики. Именно она определяет основные свойства нашего мира.

Идея абсолютно пустого пространства — вакуума — возникла несколько тысячелетий назад, как только человек попытался осознать, из чего состоит и откуда произошел окружающий его мир. Следы этой идеи можно найти в самых древних сказаниях и мифах. Кажется, это самое простое, не требующее никаких пояснений понятие — синоним полного «ничто». Что может быть проще? Однако квантовая физика убеждает нас в том, что вакуум — сложнейший объект, можно даже сказать, целый мир. Может быть, это самое сложное из всего, с чем до сих пор приходилось иметь дело науке: некая особая материальная среда, один из видов материи. В каком же смысле можно тогда говорить о пустоте, да и существует ли она в природе? Строго говоря, пустоты нет, а говорить о ней можно в любом смысле, кроме космологического и физического. Например, в житейском. Пустая комната, пустой человек...

Когда мы представляем себе вакуум в виде полной пустоты, вопрос о том, могут ли существовать различные вакуумы, просто не возникает — пустота может быть одна. Все прочее — просто не пустота. Другое дело, если вакуум материален, веществен. Тогда не исключено, что существуют миры с различным вакуумом, и, может быть, наш мир — только один из них. Ведь если все в природе изменяется, пребывает в различных формах, то почему вакуум должен быть исключением?

В действительности проблема вакуума еще сложнее. Некоторые ученые считают, что все материальное содержание мира представляет собой проявление различных свойств пустого, но сложным образом искривленного, скрученного пространства — вакуума.

Итак, с одной стороны, вакуум—это сложная материальная вещественная структура, а с другой, наоборот, оказывается, что само вещество — «искривленная пустота». Так что же такое в конце концов вакуум?

Понятие пустоты — не только объект физической науки, но и один из основных элементов наших представлений о мире в целом. Любая попытка понять его устройство, построить хотя бы приближенную его модель так или иначе связана с этим понятием. На протяжении многих веков оно неоднократно изменялось, отражая сдвиги в мифологическом, религиозном и научном мировоззрениях.

Различные физические и философские школы по-разному относились к понятию пустоты. Знаменитый древнегреческий мыслитель Фалес Милетский, который первым попытался разложить мир на исходные, первичные стихии — элементы, был убежден, что абсолютной пустоты в мире быть не может: любая, даже самая малая его часть заполнена водой, воздухом или еще какой-либо стихией. Демокрит же, напротив, считал пустоту истинной первоосновой мира, на фоне которой как раз и проявляется вся сложность наблюдаемых нами вещей и явлений. Только пустота, учил он, позволяет телам двигаться в пространстве. Если бы все вокруг было чем-то заполнено, то как и куда бы они перемещались? Сжатие тоже требует пустоты.

Пустоты нет, возражал ему Платон. Тела движутся, замещая собой заполняющую все пространство среду. Это подобно вращению колеса: одна его часть замещает другую, и нигде нет разрывов...

Конечно, это были лишь догадки, умозрительные заключения. Возможность практического изучения пустоты появилась много веков спустя. Но шли годы, развивалась техника, и опыт, постепенно убеждал людей в том, что, используя все более и более усовершенствованные приспособления, можно насколько угодно близко подойти к «полной пустоте». Представление о вакууме как о пространстве, из которого «вычерпано» все его материальное содержание, стало казаться самоочевидным, и проблема пустоты на некоторое время перестала волновать умы ученых. Ни у кого не возникало сомнений, что этот вопрос решен окончательно и бесповоротно.

Однако на фундаментальные вопросы, касающиеся свойств и структуры мира, раз и навсегда данного, окончательного ответа не существует. Любой ответ оказывается приближенным и рано или поздно требует дальнейшего уточнения. Более того, представления, казавшиеся ранее взаимоисключающими, на новом, более глубоком уровне знаний часто оказываются тесно связанными, даже выражаются одно через другое. Так случилось и с понятием пустоты. Вопрос о смысле этого понятия превратился в одну из основных физических проблем после того, как были открыты волновые свойства света, и буквально приковал к себе внимание ученых.

Каким образом световая волна бежит в вакууме, если там нет ничего, что могло бы передавать это движение от точки к точке? Не указывает ли сам факт распространения световой волны на то, что вакуум — это все же не пустота, а какая-то особая светоносная субстанция, скажем эфир? Субстанция до того тонкая, что проникает сквозь стенки всех сосудов и ее в отличие от воздуха в принципе нельзя ниоткуда откачать.

Три с половиной столетия назад Рене Декарт, французский математик, физик и философ, писал: «Мы считаем сосуд пустым, когда в нем нет воды, но на самом деле там остается воздух. Если теперь из кажущегося пустым сосуда убрать и воздух, в нем опять что-то должно остаться, но этого «что-то» мы просто не чувствуем». Вот это «что-то» и есть эфир.

Но почему тогда эта заполняющая все пространство субстанция не мешает движению небесных тел, которое веками остается неизменным, хотя для того, чтобы передавать световые волны, эфирная среда должна обладать весьма значительной плотностью? Почему ни в одном эксперименте не удается заметить «эфирный ветер»?

Несколько столетий все это оставалось загадкой. Ответ был найден квантовой механикой совсем недавно — в 20-х годах нашего века. Оказалось, что движение каждой отдельной световой частицы, фотона, настолько сложно и прихотливо, что с определенной вероятностью ее можно обнаружить в самых различных точках пространства. Строгие закономерности проявляются лишь при рассмотрении большого числа фотонов. И вот статистически, в среднем, световые частицы распределяются в пространстве таким образом, что их поведение выглядит как распространение волны. Поодиночке каждый фотон — частица, корпускула, а в совокупности они — волна. И никакой эфирной среды для этого не требуется, квантовые законы, описывающие поведение света, прекрасно действуют и в вакууме.

Для того чтобы сделать картину нагляднее, иногда говорят, что фотоны двигаются в пустом пространстве по нечетко определенным, размазанным траекториям, а «размазка» имеет форму волны. Это очень упрощенное описание того, что происходит на самом деле, но некоторое представление о характере явления отсюда получить можно.

Заметим, впрочем, что такими свойствами обладают не только фотоны, но и все другие микрочастицы. Каждая из них одновременно имеет корпускулярные и волновые характеристики. Таковы законы квантовой механики.

Казалось бы, квантовая механика окончательно «очистила» пространство от эфира. Но все не так просто. По мнению некоторых ученых, квантовую картину волнового движения в абсолютно пустом пространстве еще нельзя считать достаточно ясной. Дело не в том, что сама квантовая механика все еще выглядит странной и парадоксальной. Физики давно уже обжились в мире квантовых образов, а эксперимент убеждает нас в правильности новых законов. Никаких отклонений у них не обнаружено. Неудовлетворенность у некоторых ученых вызывает лишь то обстоятельство, что, научившись хорошо пользоваться квантовой механикой, мы все-таки точно не знаем, что же заставляет тождественные по своим свойствам частицы в совершенно одинаковых условиях вакуума двигаться по-разному.

Может быть, говорят эти ученые, квантовая механика — это всего лишь временная постройка, некое приближенное изображение истинной, скрытой пока от нас картины явлений, где частицы двигаются по строго определенным траекториям, но только эти траектории что-то размазывает, и это «что-то» мы пока еще не нащупали, не можем его выделить? Если это так, то таинственное «что-то» как раз и было бы подлинным материальным содержанием вакуума, так сказать, «заквантовым эфиром».

Было предпринято много попыток построить нестатистическую, «точную» теорию микропроцессов. Еще каких-нибудь 20—30 лет назад в физических журналах нередко можно было встретить статьи, в которых предлагались очередные варианты «заквантовой теории» с точными траекториями частиц. Но все попытки оказались безуспешными. И конечно, не потому, что их авторы были недостаточно искусны. Этой проблемой занимались многие выдающиеся физики. Сам Эйнштейн до конца жизни был убежден в том, что такая теория должна существовать, и пока она не создана, задача физики остается невыполненной. Однако опыт показывает, что чем глубже в микромир мы уходим, тем отчетливее становится статистический характер происходящих там явлений.

Причина этого в том, что микрочастица всегда взаимодействует с окружающей средой. Часто в момент своего рождения она опутана невообразимо сложным переплетением связей с другими микрочастицами, входящими в состав макроскопических тел. Связи эти, а с ними и воздействия на нее усложняются еще более, когда она проходит сквозь различные экраны, линзы и другие устройства, фиксирующие ее состояние. Даже если частицы движутся в вакууме, у каждой из них свои неповторимые начальные условия. Есть еще и другие специфически квантовые связи частицы с ее окружением, о которых здесь трудно рассказать. Вот все эти связи и размазывают, делают вероятностными траектории микрочастиц. Точно учесть все их просто невозможно. Как заметил однажды Вернер Гейзенберг, один из создателей квантовой теории, для этого пришлось бы принять во внимание состояние всей Вселенной. Поэтому можно быть уверенным в том, что любая «заквантовая теория» будет статистической. Такого взгляда в настоящее время держится подавляющее большинство физиков.

Итак, квантовая механика вернула вакууму статус абсолютной безэфирной пустоты, тем более что это подтверждалось и экспериментальными данными: в своих лабораториях физики научились создавать в сотни триллионов раз более разреженное пространство, чем окружающая нас атмосфера, а изучение процессов, происходящих в космосе, говорило за то, что межзвездное пространство практически совсем пустое — на каждый кубический сантиметр там приходится менее одного атома. Это такое же разрежение, как если бы в объеме земного шара имелась одна-единственная бактерия!

Стрелка научного знания сделала полный оборот — от пустоты к мировому эфиру и снова к полной пустоте.

Однако в самой квантовой механике было спрятано нечто такое, что вскоре буквально вывернуло наизнанку все представления о пустом и непустом. И стрелка побежала по новому витку спирали.

Оказалось, что пустое пространство «дышит»!

Каждому понятно, что если пространство пустое, то в нем не должно быть не только материальных тел, но и никаких полей — ни электромагнитных, ни каких-либо других. Ну а поскольку источником полей служат материальные тела, то, удаляясь на достаточно большое расстояние, можно было бы надеяться сделать эти поля какими угодно малыми. Чем дальше от фонаря, тем темнее. Казалось бы, все логично и все ясно.

И вот квантовая механика неожиданно показывает, что это совсем не так. Из ее формул следует, что в любом очень малом объеме пространства на очень короткое время может произойти флюктуация и «из ничего» выплеснется и снова быстро исчезнет электромагнитное или какое-нибудь другое поле. Это как раз тот процесс рождения виртуальных частиц — квантов спонтанно образующихся полей, о котором неоднократно и упоминалось выше. Виртуальные процессы действуют на движущиеся в вакууме частицы: экранируют их заряды, изменяют массы этих частиц, смещают уровни в атомах и так далее. Взаимодействие частиц с вакуумными флюктуациями — одна из причин размазывания их траекторий Под действием флюктуационных толчков микрочастица все время изменяет свое положение, как бы кружится вокруг положения равновесия. Это сложный нелинейный эффект, крепко связанный узел явлений: неопределенность траекторий делает возможными вакуумные флюктуации, а те, в свою очередь, порождают размазку траекторий.

Таким образом, пространство лишь кажется пустым и безжизненным. Такой вид оно имеет, когда его рассматривают «в среднем», имея в виду достаточно длительные временные интервалы и области значительно больших размеров, чем элементарные частицы. А при большом увеличении оно похоже на густой туман спонтанно рождающихся и тут же лопающихся частиц-капелек. Все это дрожит, мелькает, переливается световой радугой. И чем больше увеличение, тем насыщеннее становится вакуум. Представление о пространстве как об абсолютной, ничего не содержащей в себе пустоте оказывается совершенно неверным. При воздействии внешних полей такая «пустота» ведет себя как материальная среда. Например, в электрическом поле она поляризуется подобно диэлектрику в конденсаторе: положительно заряженные флюктуационные частицы смещаются в одну сторону, отрицательно заряженные — в другую. Такой эффект проявляется во многих экспериментах. Более того, выясняется, что вакуум кое-какими своими свойствами напоминает сверхпроводник — совсем уж, казалось бы, невероятная идея, если вспомнить, что сверхпроводимостью чаще всего обладают металлы. Сверхпроводящая пустота! Трудно придумать более противоречивое явление, но таковы факты. Как показывают расчеты, хорошо согласующиеся с опытом, в «газе» микрочастиц, которым «дышит» вакуум, устанавливаются коллективные, упорядоченные связи — подобно тому, как это происходит в электронном «газе» внутри охлажденного металла.

Если в вакуум ввести достаточное количество энергии, так сказать, сильно «нагреть» его, то он начнет испускать частицы. Но разве нагревать вакуум — не то же самое, что варить уху в океане? Нет, если это сделать быстро (например, создавая в пространстве столкновением быстрых ионов тяжелых атомов очень сильное электромагнитное поле), то небольшой «кусочек» вакуума можно довести до «кипения». Да, во многих отношениях действительно вакуум представляет собой своеобразную материальную среду.

Стрелка наших знаний сделала еще полоборота...

Мы уже не раз говорили о том, что на самом глубоком из известных нам уровней материя состоит из кварков и связывающего их глюонного поля. Это поле действует на цветные заряды кварков. Физикам известно уравнение этого поля, описывающее его распространение в пространстве. И вот среди решений глюонного уравнения неожиданно были найдены такие, которые описывают движение необычных микрообъектов — так называемых инстантонов (от английского слова instant — мгновение), спонтанно возникающих в вакууме частицеподобных сгустков глюонного поля с мнимым временем. При решении уравнений, как мы тоже уже говорили, часто появляются мнимые величины, вот и здесь получилось мнимое время. Начиная с Дирака, у которого получалась отрицательная энергия и масса, а за ними, как выяснилось, кроется целый мир античастиц, физики к мнимым величинам относятся с интересом. Не кроется ли и за этими сгустками с мнимым временем что-нибудь важное?

Чтобы понять физический смысл инстантонов, представим себе, что мы ищем решение уравнений ньютоновой механики в необычных условиях — внутри жесткого барьера, разделяющего надвое пространство с движущимися в нем частицами. В квантовой механике из-за размазывания траекторий возможен так называемый туннельный переход микрочастицы сквозь жесткую стенку. Например, если сначала все частицы были с одной стороны стенки, то проходит определенное время, и часть их оказывается уже по другую ее сторону, а некоторые из них — даже внутри стенки.

Никакого чуда тут нет. Даже нечто знакомое: похоже на поглощение света. Ведь даже в самых непрозрачных материалах световая волна, прежде чем она будет поглощена, успевает пройти некоторое расстояние. Квантовая частица движется по волновым законам, и, если барьер или стенка тонкие, она может пройти сквозь них — просочиться между атомами и молекулами, из которых они состоят. Это очень распространенное явление; именно таким путем, например, альфа-частицы испускаются из глубины атомных ядер.

Так ведут себя волны. В ньютоновой механике твердых тел подобное просачивание невозможно, и уравнения дают физически бессмысленный ответ: частицу внутри стенки можно обнаружить лишь при мнимом времени. Но если заранее знать о квантовой механике и о возможности туннельных переходов, то каждое решение ньютоновых уравнений с мнимым временем можно рассматривать как сигнал такого перехода. Поэтому и инстантоны можно тоже считать предупреждением о каких-то особых туннельных переходах, для описания которых можно разработать более точную квантовую теорию глюонного поля.

Но какие переходы могут быть в вакууме? Между чем и чем? Ведь там ничего нет!

Очевидно, только между различными состояниями самого вакуума. Если основываться на интуитивном представлении о вакууме как об абсолютной пустоте, эта мысль, естественно, покажется нелепой. Но вакуум — не пустота, а специфическая материальная среда, образованная «дымкой» виртуальных частиц, вступающих в сложные взаимодействия. В зависимости от характера этих взаимодействий вакуум может находиться в различных состояниях. А это означает, что наш мир не единственно возможный. В принципе могут существовать и другие миры — с другим вакуумом. Иначе говоря, вакуум, а значит, и связанный с ним физический мир расщеплены на отдельные состояния. В каждом мире свой вакуум — состояние с наименее возможной там энергией, пространство, из которого «вычерпана» вся материя за исключением вакуумных флюктуаций, удалить которые невозможно. Различным мирам соответствует различная плотность и структура вакуумных флюктуаций, различная «густота» и «консистенция» вакуума.

Вакуумная «дымка» пропитывает все тела, заполняет собой все пространство. Это исходный фундамент мира, всепроникающий эфир в его современном понимании. А поскольку скорость света зависит от свойств среды, в которой он распространяется, то в каждом мире ее величина должна быть своей. Различными могут быть и другие «мировые постоянные». Другими словами, следует думать, что именно вакуум определяет «калибровку» нашего мира.

Существование окружающей нас природы с определенными свойствами связано с одним из возможных типов вакуума. Как это произошло, почему нам выпала судьба жить именно в данном мире, мы пока не знаем. Можно лишь предполагать, что вакуум расщепился после Большого взрыва, в первые мгновения жизни нашей Вселенной, когда ее температура несколько снизилась, и так же, как это бывает с остывающим твердым телом, мир приобрел конкретное «фазовое» состояние с определенным вакуумом. В физике твердого тела это называется точкой Кюри. При более высокой температуре тепловое движение молекул мешает установлению устойчивой структуры. Ниже точки Кюри среда застывает, образуя различные кристаллические и аморфные состояния. Некоторые ученые склонны предполагать, что основные свойства вакуума были предопределены еще ранее — в момент рождения нашего мира из какой-то предшествовавшей ему фазы («профазы»), например путем квантового туннельного перехода из другой Вселенной.

Если размеры остывающей Вселенной, когда произошло расщепление вакуума, были уже весьма значительными, то не исключено, что в различных ее областях мог образоваться различный вакуум. Ведь скорости физических взаимодействий конечны, и «кристаллизация» Вселенной в разных ее областях могла происходить по-разному. А из этого следует, что в нашей Вселенной может быть несколько, возможно, даже много различающихся по своим физическим свойствам миров. В этих мирах могут быть различны массы электронов и других элементарных частиц, различные заряды; соответственно иными свойствами будут обладать атомы и каким-то другим будет макроскопическое вещество. Трудно представить себе, какие необычные явления могут происходить на стыке таких миров! Обо всем этом можно строить лишь догадки — теория множественных миров еще только создаётся.

Некоторые теоретики доказывают, что в пограничных областях должно происходить сгущение материи. Возможно, но в исследованной нами области Вселенной пока не видно больших районов с измененным вакуумом: скопления вещества на их границах должны были бы привести к наблюдаемым астрофизическим эффектам. Что из этого следует? А то, что миры с другим вакуумом, по мнению упомянутых теоретиков, следует отнести куда-то «за нашу Вселенную», например, внутрь «полузамкнутых миров», которые открываются в нашу Вселенную воронками черных дыр...

Недавно была предложена новая модель развития Вселенной. Предполагается, что вся энергия родившегося 20 миллиардов лет назад мира была заключена в его вакууме — в сложном переплетении заполнявших его квантовых флюктуаций. Состояние рождающейся Вселенной напоминало то, что бывает высоко в горах перед грозой: напряженная, густая, потрескивающая сполохами разрядов пустота, которая вот-вот превратится в заполняющий все пространство водяной потоп. Такое состояние продолжалось приблизительно 10-35 секунд. Все это время Вселенная быстро расширялась, заполняющий ее вакуум как бы растягивался без изменения своих свойств, и в результате мир перешел в крайне неустойчивое, энергетически напряженное состояние, похожее на состояние пересыщенного раствора, когда небольшой затравки, вроде случайно возникшей неоднородности, достаточно для того, чтобы вызвать лавинообразный процесс кристаллизации. И вот где-то «на уровне» 10-35 секунд начались интенсивная перестройка вакуума и выделение вещества за счет разности энергий его начального и конечного состояний. Вещество рождалось из вакуума! И как это всегда бывает в процессах, связанных с кристаллизацией, выделилось очень много тепла. Расчеты показывают, что при этом пространство почти мгновенно, за 10-32 секунд, раздулось в огромный раскаленный шар с радиусом на много порядков больше размеров видимой нами части Вселенной.

Так как перестройка вакуума и процесс «кристаллизации» вещества Вселенной в разных ее участках могли происходить по-разному, в огромном объеме раздувшегося мира могли образоваться большие области с различным вакуумом. Каждая из них расширялась далее по фридмановскому сценарию. И если правы физики, разрабатывающие такую модель, то области различного вакуума разделены гигантскими расстояниями и мы их просто не чувствуем.

Как обстоит дело в действительности, пока загадка. Однако в любом случае миры с другим вакуумом нам недоступны. Впрочем, развитие науки часто делает возможным экспериментальное исследование, казалось бы, принципиально недостижимых объектов. Ведь еще каких-нибудь 100 лет назад многие были твердо убеждены, что мы никогда не сможем узнать строение и химический состав звезд. Развитие спектрального анализа дало нам эту возможность.

Может быть, наступит время, когда ученые научатся создавать «куски» других миров с заранее программируемыми свойствами. Научились же мы изготавливать новое вещество — атомные ядра, которых нет в окружающей природе.

Пользуясь пучками ускоренных частиц, как щупами, физики достаточно хорошо изучили свойства вакуума вплоть до пространственных интервалов от 10-15 до 10-16 сантиметров и отрезков времени длительностью в 10-26 —10-27 секунд. В более «глубоких» областях вакуум может быть устроен по-другому. Мы наблюдаем лишь усредненную картину — результат наложения многих мелкомасштабных фрагментов.

О свойствах вакуума в ультрамалых областях пространства-времени можно получить представление только с помощью теории, предполагая, что там будут действовать известные нам физические законы. Это гипотеза, конечно, но иных законов мы не знаем.

Есть основания думать, что в области очень малых масштабов важную роль играет гравитационное поле. В обычных условиях оно имеет значение только для макроскопических явлений, его действие на элементарные частицы ничтожно — слишком уж малы массы (гравитационные «заряды») этих частиц. Однако на очень малых расстояниях гравитация становится сильной и существенно влияет на свойства микромира — при вакуумных флюктуациях возможны всплески чрезвычайно интенсивного гравитационного поля, которые сопровождаются спонтанным изменением геометрических свойств пространства и времени. Как следует из теории относительности, гравитация всегда связана с искривлением пространства, поэтому в ультрамалых пространственно-временных интервалах пространство, причудливо искривляясь и скручиваясь, может образовывать раковины, глубокие полости, почти самозамыкающиеся пузыри. Заполняющий пространство вакуум становится похожим на пену спонтанно раздувающихся, сливающихся и лопающихся пузырей. Фантастические, быстро сменяющие друг друга картины!

Такое строение вакуума мы могли бы увидеть лишь очень глубоко, на уровне 10-33 сантиметров — в областях на 20 порядков меньше атомных ядер и на 15 меньше, чем ожидаемый радиус электрона. Есть основания думать, что это предельно малые расстояния, за которыми начинается квантование самого пространства-времени — его распад на порции минимальной длины и длительности. Хотя, может быть, это и не так. Ведь с помощью ускорителей физики достигли пока лишь расстояний порядка 10-16 сантиметров, а расстояние в 10-33 сантиметров лежит пока далеко за пределами наших экспериментальных возможностей. Это область теоретических предположений и экстраполяций, которые можно проверить лишь косвенно, по их очень отдаленным следствиям.

Пока часть теоретиков трудится над проблемой разбиения пространства и времени на предельно малые кванты, другая часть пытается построить весь мир, все его материальное содержание из «ничего», то есть из чистого вакуума.

Экспериментальные и теоретические данные все более настойчиво подсказывают нам, что в природе должно существовать некое единое «сверхполе», частными состояниями которого являются гравитация, электромагнетизм и все другие известные нам поля и частицы. Теоретики разработали уже несколько вариантов универсального взаимодействия, объединяющего все известные силы природы. Как показал еще Эйнштейн, одна из них, гравитация, имеет чисто геометрическое объяснение: ее можно трактовать как действие кривизны четырехмерного пространства-времени на погруженные в него физические тела (в теории Эйнштейна искривлено не только пространство, но и время). Кривизна старается направить их движение по определенному руслу — по своеобразным ложбинкам. Это и воспринимается как некая сила. Но ежели одно состояние сверхполя имеет геометрическую природу, то естественно допустить, что подобный характер имеют и другие его состояния. Все они — кривизна, кручения, самозамыкания наподобие ленты Мёбиуса и так далее — проявление определенных свойств пространства и времени.

Кажется, стрелка знания опять начала склоняться в сторону полной пустоты, но не будем торопиться с выводами...

Можно ли объяснить все свойства мира на основе свойств одного только пустого пространства? Поискам ответа на этот вопрос посвятил последние 40 лет своей жизни Эйнштейн. Он рассмотрел множество подходов к геометрическому описанию электромагнитного поля. Но ни Эйнштейну, ни его последователям не удалось построить чисто геометрической картины физических явлений. Одних только пространства и времени для этого оказалось недостаточно.

И тем не менее, несмотря на их неудачу, зерно истины в попытках построить мир из пустоты все же есть. Можно думать, что если не для всего мира, то для значительной части происходящих в нем явлений все-таки можно построить чисто геометрическую картину, но только в особом смысле. Если теория единого сверхполя будет когда-нибудь создана, она, видимо, действительно должна выражаться через величины, имеющие геометрический смысл. Во всяком случае те предварительные варианты теории, которые сейчас изучаются, обладают этим свойством. Однако чисто геометрическими такие величины можно назвать лишь формально. К окружающему нас пространству с координатами длины, ширины и высоты они не имеют отношения. Однако с математической точки зрения пространством можно назвать множество любых элементов, чьи характеристики связаны такими же соотношениями, что и координаты точек привычного нам пространства. Математика позволяет единым образом описывать объекты самой разной физической природы, и геометрическими их можно назвать лишь потому, что связывающие их соотношения имеют сходную математическую структуру. Величины, входящие в строящуюся теорию единого сверхполя, имеют смысл расстояний, углов, кривизны и других геометрических характеристик именно в таких абстрактных пространствах.

Итак, мы видим, что пустота в реальном мире так же неисчерпаема, как и вещество. Абсолютная пустота — не более чем теоретическая абстракция, реальная же пустота, или физический вакуум,— одно из состояний материи, из которого, быть может, и родилась наша Вселенная. Мир поразительно разнообразен и вместе с тем поразительно в своей основе един. В этом согласны и физики и философы.

ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ,


в которой автор пытается объяснить, что такое пространство и время, а также в чем состоит то главное, без чего пространство перестает быть пространством, а время — временем

Кварки, протоны, Вселенная

Вся наша жизнь, все явления вокруг нас протекают в пространстве и времени. Но что это такое — пространство и время? Обычно мы не задумываемся об этом. Из философских словарей и энциклопедий мы узнаем, что пространство и время — это формы существования материи, и это совершенно справедливо. А что они представляют собой с точки зрения современной физики? Чем, например, пространство и время космических миров отличаются от пространства и времени внутри элементарных частиц? Различие масштабов здесь колоссальное — в 1043 раз! Неужели не найдется и различия в свойствах?

Можно ли как-то воздействовать на эти свойства, например сжать пространство и растянуть время? Всегда ли материя (вся окружающая нас природа, весь мир) обладает такими свойствами? Возможны ли какие-нибудь виды материи, которые существуют вне времени и пространства? Вот лишь часть вопросов, которыми задается современная физика.

В мире есть два геометрических полюса — самое большое и самое маленькое. Самое большое из известного нам — размеры и возраст Вселенной. Оценки, основанные на теории Фридмана и наблюдательных данных астрономии, говорят, что наша Вселенная простирается на 1023 километров и существует не меньше 1010 лет. Наиболее мощные оптические телескопы и радиотелескопы позволяют проникнуть в космос на 1022 километров, то есть рассмотреть ту часть пространства, которая образовалась за последние два-три миллиарда лет. По сравнению с полным объемом нашего мира это все равно, что шарик для пинг-понга в центре футбольного мяча. До «края» совсем недалеко: что значит оставшаяся десятка по срав-нению с 1023! Но именно там, внутри оставшегося слоя, скрыто самое сокровенное — осколки первичного взрыва, «праматерия». Там ответы на многие волнующие загадки мироздания. И в недалеком будущем заглянуть туда ученым наверняка удастся.

Если верить теории Фридмана, то расстояние порядка 1023 километров и длительность порядка 1010 лет — самые большие интервалы пространства и времени, с которыми мы можем иметь дело на практике. Большие величины могут быть, но лишь в теории.

На другом полюсе нашего мира, в области микроявлений, мы можем с помощью оптических микроскопов различать расстояния, скажем, в стотысячную долю сантиметра. Это длина волны видимого света, предел того, что мы можем увидеть непосредственно нашим глазом. Предметы меньшего размера световые волны огибают, отчего мы не в состоянии их увидеть.

Электронный микроскоп, в котором вместо светового луча на предмет направляется пучок быстрых, или, как говорят физики, жестких электронов, а изображение воспринимает не наша сетчатка, а светочувствительный экран или фотопластинка, позволяет продвинуться в тысячу раз дальше — приблизительно до стомиллионной доли сантиметра. И мы благодаря этому можем рассмотреть любые молекулы и даже отдельные атомы.

Электронным пучком можно высветить и более мелкие объекты, например, части атомных ядер — протоны и нейтроны. Но для этого необходимо увеличить энергию электронов, сделать их еще более жесткими. Дело в том, что, подобно световым частицам, фотонам, электроны обладают волновыми свойствами. Можно сказать, что пучок электронов как бы немного дрожит, траектории его частиц несколько размываются, и чтобы сфокусировать изображение, приходится пользоваться очень быстрыми электронами, у которых инерция движения способна превозмочь волновое дрожание пучка (оттого их и называют жесткими).

Чтобы проникнуть еще глубже, нужны ускорители частиц. Это громоздкие и очень сложные сооружения; их создание под силу только экономически развитым странам или группам стран. В последнее время все чаще создаются именно такие, интернациональные ускорители. Глубже всего в недра материи, вплоть до расстояний почти в тысячу раз короче диаметра протона, можно про-никнуть, сталкивая меж собой два ускоренных пучка частиц — одних протонов, протонов и антипротонов, электронов и протонов и так далее. Для этого пучок частиц из ускорителя с помощью системы магнитных линз загоняют в вакуумированное кольцо, помещенное в сильное магнитное поле, которое искривляет траектории частиц и удерживает их на круговой орбите. Импульс за импульсом добавляется к току частиц в таком кольце, а когда количество накопленных частиц становится достаточно большим, магнитное поле выключают, и частицы из кольца в едином порыве устремляются по прямой навстречу основному пучку частиц из ускорителя. Иногда частицами накачивают сразу два кольца, которые и разряжаются ими так, что те мчатся друг к другу. В Институте физики Сибирского отделения Академии наук таким образом сталкивают пучки электронов и позитронов. В Международном институте высоких энергий в Женеве сталкиваются пучки протонов и антипротонов — струи вещества и антивещества. Энергия относительного движения разогнанных навстречу друг другу частиц при этом так велика, что волновая «размазка» не сказывается до расстояний в 10-16 сантиметров.

Легко понять, что сталкивающиеся протоны взаимодействуют тем сильнее, чем меньше расстояние между их центрами. Перекрываясь своими частями, протоны как бы прощупывают друг друга. Изучая их рассеяние, можно представить себе картину распределения вещества внутри протона. И чем выше энергия сталкивающихся частиц, тем мельче подробности, которые удается различить. В недалеком будущем на этом пути удастся достичь расстояний порядка 10-17 сантиметров, то есть в 10 тысяч раз меньше протона. В Советском Союзе и в других странах проектируются и создаются необходимые для этого ускорители. Но это, по-видимому, близко уже к пределу. Вес, размеры, а главное, стоимость ускорителей становятся грандиозными. Неспроста современные ускорители элементарных частиц называют пирамидами XX века! Ясно, что старые физические и инженерные идеи себя исчерпали; чтобы двигаться далее в глубь материи, нужно придумать что-то принципиально новое. А пока единственным источником частиц сверхвысоких энергий остаются космические лучи. Среди частиц, входящих в их состав, встречаются такие, которые обладают энергией, в миллиарды раз превосходящей энергию частиц в самых мощных ускорителях. С помощью таких частиц можно зондировать расстояния до 10-20 сантиметров — в 10 миллионов раз меньше размеров протона! Плохо вот только, что космических частиц с такой большой энергией крайне мало, и опыты с ними трудно контролировать. Тем не менее, если немного пофантазировать, можно представить себе, что когда-нибудь в космосе будут построены ловушки-накопители таких сверхвысокоэнергетических частиц, которые можно будет использовать для изучения их встречных столкновений —так, как это делается в опытах со встречными пучками на ускорителях. И вот тогда можно будет добраться до расстояний порядка 10-25 сантиметров.

Возможно, что 10-26 сантиметров — это предельно малые пространственные размеры, которые доступны нам в природе. Меньших расстояний просто неясно, как достигнуть. Впрочем, заметим снова и снова: что касается прогнозов в физике, то с ними надо быть очень осторожными. Сама квантовая механика существует немногим более полувека, а до того никому и в голову не приходило, что в природе существует какая-то «волновая размазка» траекторий, которая будет основным препятствием нашему продвижению в недра материи. Трудно сказать, что нас ждет еще на этом пути. К тому же не обязательно ведь ломиться сквозь пространство, так сказать, напрямик. Может быть, существуют какие-то обходные, но более эффективные пути, какие-нибудь «проколы» искривленного пространства-времени или что-нибудь еще более неожиданное. Но это уже чистая фантастика.

А как быть с еще меньшими расстояниями? Ведь 10-25 сантиметров — это еще очень далеко до минимальной «порции» пространства — геометрического кванта размером приблизительно 10-33 сантиметров, существование которого предсказывает теория. Вот дальше идти действительно некуда — меньших размеров в природе, видимо, не существует, и порции-кванты в 10-33 сантиметров всегда проявляют себя как единое целое, у которого нет частей. Конечно, все это так, если теория справедлива, но это должен показать эксперимент, а какой пока неизвестно.

Вывод о том, что непрерывность пространства должна на самой большой глубине микромира смениться его дискретностью, прерывностью, получается и из чисто философских соображений. Философы говорят нам, что абсолютных, неизменных свойств в природе нет. Всякое свойство, в том числе и непрерывность, существует лишь при определенных условиях. Мелкие изменения, постепенно накапливаясь, приводят к качественному скачку, и свойство, изменяется коренным образом. Поэтому и непрерывность в центральных масштабах должна смениться дискретностью. Этот вывод безупречен, и кванты пространства встретятся, возможно, физикам когда-нибудь и в эксперименте. Но не исключено, что еще до того, как появятся эти кванты, физики откроют новые законы, которые упразднят противопоставление непрерывного и дискретного в определенных обстоятельствах. Ведь дискретность ультрамикроскопического пространства — это тоже гипотеза, которая может подтвердиться, а может и нет. Это обычная экстраполяция — в данном случае перенесение в сферу ультрамалых расстояний наших представлений о событиях и процессах большого масштаба.

Что касается времени микропроцессов, то представление о его величине можно получить, если вспомнить, что распространение света — самый быстрый процесс в природе. Ничего более быстрого мы не знаем. Минимальные расстояния в 10-16 сантиметров, которые еще можно разглядеть с помощью современных ускорителей, световая волна проходит за 10-27 секунд. Это самый короткий отрезок времени, с которым мы имеем сегодня дело в физических экспериментах. Кванту пространства в 10-33 сантиметров соответствует временной квант в 10-44 секунд, или «хронон», как его иногда называют. Меньших отрезков времени, если верить физическим теориям, в природе не бывает.

Чтобы почувствовать, насколько малы кванты пространства и времени, вообразим себе, что наша огромная Вселенная сжалась до размеров песчинки. Соответственно уменьшатся и все содержащиеся в ней тела. Так вот, размер песчинки в сжавшейся Вселенной будет сравним с квантом пространства, а время, за которое свет успеет пробежать по такой ничтожной частичке, равно кванту времени,

Итак, 1023 километров, то есть 1028 сантиметров, с одной стороны, и 10-33 сантиметров, с другой,— вот диапазон расстояний в нашем мире! От 1018 до 10-44 секунд — диапазон временных интервалов.

Как ни малы масштабы микромира, их все же можно себе представить — хотя бы путем сопоставлений. Гораздо труднее осознать, что значит «начало мира» и «край Вселенной». При этом сразу возникает масса вопросов. Ведь у каждого момента времени есть предшествующий, а что же тогда предшествовало «начальному моменту»? И как это вдруг мир появляется «из ничего»? И если наша Вселенная расширяется, то во что она расширяется, что находится за ее пределами? Можно представить себе картину, когда рождается и разлетается вещество, как осколки или газы при взрыве, но вот как может родиться и начать расширяться пространство? И опять возникает недоуменный вопрос — что же все-таки было до этого?

Однажды меня пригласили в телестудию рассказать об эволюции Вселенной. После выступления я получил десятки писем с одним и тем же вопросом: что находится «вне» и что было «до»? Ведь не может же быть, писали телезрители, чтобы там ничего не было, даже пустоты! Как может случиться, что объект, пусть даже такой большой, как Вселенная, вложен... ни во что? Ведь все, с чем мы имеем дело, всегда вложено во что-то еще большее! Иначе и быть не может. Да и куда может расширяться «не вложенная ни во что» Вселенная? Может быть, общая теория относительности, на которой основана современная физическая картина мира, чего-то не учитывает? Ведь ее выводы противоречат логике?

Это очень важные вопросы. Не имея на них ответа, нельзя понять, как устроен наш мир. Попытаемся в них разобраться.

Даже очень сложную вещь можно объяснить несведущему человеку, когда есть наглядная и привычная для него аналогия. Хуже, если речь идет о чем-то принципиально новом, не имеющем связи с нашим опытом, и объяснение основано лишь на рассуждениях. Особенно трудно принять то, что кажется противоречащим жизненному опыту: человек всегда склонен переносить его на новые ситуации, приспосабливать их к своему опыту. Но вспомним: многие истины, известные сегодня буквально каждому, когда-то казались нелепостью. Например, гелиоцентрическая система Коперника. Ведь, казалось бы, ее так легко опровергнуть — стоит только взглянуть, как движется Солнце по небосводу! А знаменитый аргумент против шарообразности Земли с антиподами: почему же тогда с нее не падают предметы, находящиеся на противоположной нам стороне? Стереотип мышления бывает очень стойким. Не удивительно, что картина мира, бесконечного, но замкнутого, расширяющегося, но ни во что не вложенного, тоже вызывает психологическое сопротивление. Как это себе представить?! Ведь ничего даже отдаленно похожего нам, кажется, никогда не встречалось. Всякий предмет, любой участок пространства всегда вписаны в нечто большее.

Последнее как раз не совсем точно. Математикам, имеющим дело с пространствами различной размерности, известны объекты без границ. Представьте себе для начала божью коровку, ползущую по проволочному кольцу. С точки зрения математики ее одномерный мир и ограничен и бесконечен вместе. Ограничен, так как, двигаясь все время вперед, божья коровка обязательно приползет в места, где она уже побывала, а бесконечен потому, что, сколько ни ползи по кольцу, никакого конца у него не обнаружишь — это замкнутая кривая. Одномерная Вселенная обладает краями лишь в мире с большим числом измерений — на плоскости или в пространстве. Именно так мы кольцо всегда себе и представляем — вписанным в пространство большей размерности. Но математик, привыкший иметь дело с формулами, способен мыслить одномерный мир с координатой X существующим независимо от координат Y и Z, как будто их вообще нет. Немножко воображения, и мы тоже сумеем представить себе одномерную Вселенную, охватывающую все пространство. У нее есть «радиус» («длина мира») —расстояние, преодолев которое живущие в ней одномерные существа попадают в ранее пройденные ими точки. Если этот «радиус» зависит от. времени (то он больше, то меньше), можно уже говорить о расширении или сжатии одномерного пространства. Для тех, кто не привык иметь дело с формулами, картина получается несколько странная, но с точки зрения логики и математики вполне последовательная и непротиворечивая. Да и тот, кто не имеет отношения к математике, быстро привыкает к ней.

Вопросы о том, во что вложен одномерный мир, куда он расширяется, имеют смысл лишь при условии, что в природе существуют еще и другие пространственные измерения. Если же их нет (а математически это легко себе представить), то миру просто некуда быть вложенным.

Эти рассуждения легко перенести на случай двухмерного мира. Для ползающей божьей коровки таким миром — самозамыкающимся, с конечным радиусом, и одновременно бесконечным — была бы поверхность глобуса. Если опять мыслить чисто математически и допустить, что в природе существуют только длина и ширина, а третьей координаты, высоты, нет, то двухмерная поверхность заполнит собой все пространство. Никаких других поверхностей в нем нет, так как иначе расстояния между их точками играли бы роль третьей координаты и пространство стало бы трехмерным. Чтобы заметить границы своего мира, божья коровка должна «привстать» над поверхностью глобуса, а в двухмерном мире это невозможно. Границы двухмерный мир получает лишь в том случае, если существует мир трех измерений.

Объем двухмерного мира может изменяться с течением времени — сжиматься или расширяться, но всякий раз он исчерпывает собой все пространство. Чтобы это стало очевидным, нужно немного потренировать воображение, сопоставляя одномерный и двухмерный миры. Другого способа нет: не зря говорят, что современную физику нельзя просто выучить, к ней надо еще и привыкнуть. Впрочем, тем, кто в средние века пытался перейти от Птолемея к Копернику, тоже, должно быть, приходилось упражняться в воображении. Наглядность и очевидность — дети практики.

Прибавляя координату за координатой, можно строить миры различной размерности и изучать их геометрические свойства. С математической точки зрения окружающий нас мир представляет собой трехмерную поверхность в воображаемом четырехмерном мире. Подобно двухмерной сфере, он одновременно бесконечен и замкнут. И так же, как нет границ у мира на глобусе, их нет и в нашем трехмерном мире. А так как никакого четвертого измерения в природе не существует, наш мир охватывает все пространство. У него нет краев, и вопрос о том, что находится за пределами расширяющейся Вселенной, просто не имеет смысла. Такого «места» в природе нет. Словосочетание «за пределами Вселенной» почти так же бессмысленно, как «белая чернота» или «жаркий холод».

Конечно, можно спросить: а откуда известно, что наш мир не вложен в пространство большего числа измерений? Не страдаем ли мы самоуверенностью или, что еще хуже, ограниченностью божьей коровки, ползущей по глобусу, и просто не замечаем четвертого, а может быть, и других измерений? Ответ дает эксперимент. Если бы в природе существовали эти измерения, мы встречались бы с массой поразительных явлений — ведь тогда между событиями в разных пространственно-временных точках нашего мира была бы связь через недоступные нашему восприятию размерности. Вокруг нас постоянно происходили бы чудеса, среди которых мгновенное перемещение тел или машины времени были бы самыми простыми и обычными вещами.

В последние годы в нашей стране и за рубежом были выполнены очень точные опыты, в которых проверялось, не нарушается ли причинность в процессах с элементарными частицами. И никаких отклонений не было обнаружено. Вообще говоря, высшие пространственно-временные размерности — четырехмерное или пятимерное пространство, многомерное время и так далее — могут существовать где-то очень глубоко в области ультрамалых расстояний и длительностей, куда еще не добрались наши приборы. Некоторые из современных теорий указывают на такую возможность.

Нет ничего мистического и в вопросе о начале мира во времени. Если данные астрономических наблюдений о распухании пространства повернуть обратно во времени, мы неизбежно придем к выводу, что в далеком прошлом, 15—20 миллиардов лет назад, Вселенная была почти точечной — с уже известными нам размерами около 10-33 сантиметров и даже меньше (если меньшие размеры могут быть в природе). Однако, как уже подчеркивалось в одной из предшествующих глав, такой вывод получается, если предполагать, что свойства времени, его «ритм», всегда оставались одинаковыми. Но это совсем не так! Если бы можно было установить наши часы в раскаленной юной Вселенной, их показания были бы совсем не такими, как у нас дома. Говорить о первых мгновениях жизни Вселенной, о времени в окрестностях ее «начала», где важную роль играли квантовые процессы и время, по-видимому, имело дискретный характер, можно лишь условно.

Вопрос о том, что было «до начала мира», например, 40 или 50 миллиардов лет назад, предполагает, что тогда сохранялись условия, к которым приложимо наше понятие времени. На самом же деле для описания процессов вблизи «начала мира» нужны совсем другие мерки. Использовать здесь наши часы так же бессмысленно, как измерять длину и вес тела термометром.

Пожалуй, самый простой способ примирить поразительные выводы теории с привычными нам представлениями — это допустить, что начало Вселенной в том виде, как оно известно нам сейчас, является концом какой-то другой фазы развития материи, где наши представления о пространстве и времени требуют иных и принципиальных обобщений. Рассказать нам об этом может только теория: следы предшествующей фазы, если таковая была, стерты огненным хаосом Бит Бэнга, и опыт здесь пока бессилен. Правда, только «пока». По-видимому, мы узнаем нечто новое, когда астрофизические приборы заглянут так далеко в космос, что смогут заметить разлетающиеся осколки древнего вещества Вселенной. Увидеть (в буквальном смысле этого слова), что творилось в момент ее рождения, когда, возможно, не оборвались еще связи с предшествующей фазой, мы сможем, когда научимся детектировать волны полей тяготения. Подобно тому как остаточное тепловое излучение космоса говорит нам о заключительной стадии «кипения» ядерного вещества в горниле Биг Бэнга, остаточные гравитационные волны, на которые не влияют высокие температуры, расскажут о самых первых мгновениях жизни Вселенной. Работы по созданию приборов, которые должны заметить и помочь нам расшифровать гравитационные следы процессов, бушевавших в только что родившемся мире, ведутся во многих странах, в том числе и в Советском Союзе.

Окрестность «начала мира» — предмет новой науки: квантовой космологии, которая еще только создается. Поэтому сегодня можно строить лишь грубые модели, чтобы хоть как-то с помощью известных нам физических законов попытаться получить наглядную картину рождения Вселенной. Одна из таких моделей предполагает, например, что существуют соприкасающиеся миры, каждый из которых в силу относительности пространственно-временных масштабов — элементарная частица в другом мире (вспомним о полузамкнутых мирах-фридмонах!). Точка соприкосновения — «прокол» из одного мира в другой. В одном мире это микроскопическая черная дыра, куда проваливается вещество (и, может быть, даже стягивается вся Вселенная), а в другом мире — «белая дыра», развертывающаяся в новую Вселенную. Растягивается и растет, как мыльный пузырь на проколотом футбольном мяче!

«Белая дыра» (извержение вещества из точки) может возникнуть и в том случае, если в невидимом нам мире, скрытом внутри фридмона, вдруг уменьшится масса, например «утонет» в самозамкнувшемся участке пространства. Тогда фридмон начнет распухать — раздуваться в огромную Вселенную.

В основе другой модели лежит мысль о том, что глубоко в микромире пространство-время имеет больше измерений, чем в макромире, причем привычных нам четырех измерений — длины, высоты, ширины и длительности — там может и не быть, так же как, например, в уже достигнутых нами микроскопических областях нет привычных нам левого и правого. С позиций знакомых нам ощущений вполне допустимо сказать, что материя находится там как бы вне времени и пространства, а точнее, в других пространственно-временных измерениях, которых нет в макромире. В силу каких-то причин, например, вследствие случайных флюктуаций, физических процессов, происходивших в праматерии, проявились известные нам пространственно-временные измерения, то есть материя вынырнула в «нашем пространстве», которое затем стало быстро расширяться.

Недостаток всех подобных моделей в том, что они не имеют под собой надежных экспериментальных оснований и поэтому сами содержат большое число загадок и темных пятен. Это гипотезы, которые еще предстоит обосновать и проверить.

Человек всегда стремился познать тайны окружающего его мира — найти первоэлементы, построить модель Вселенной как целого. Пожалуй, ни одна цивилизация не могла бы существовать, не обладая своей, пусть еще далекой от реальности картиной мироздания. Но когда дело касается моделей мира в целом, надо быть очень осторожным. С помощью различных гипотез на основе одних и тех же экспериментальных фактов могут быть построены различные модели, и узнать, какая из них ближе к реальности, не так-то просто. Теория должна преодолеть узкий пролив между Сциллой догматизма и Харибдой беспочвенной фантазии. В этом бурном проливе погибло уже немало теорий. Но немало и благополучно его миновали.

Однажды родившись, наша Вселенная вот уже 20 миллиардов лет непрерывно расширяется. А что станет с ней потом, например через 100 миллиардов лет? Чем ограничена сверху временная шкала?

Через 100 миллиардов лет мало что изменится. Разве только потухнут некоторые знакомые нам звезды. Существенные изменения произойдут, когда возраст Вселенной достигнет 100 триллионов лет — увеличится еще в тысячу раз. К этому времени все запасенное в звездах ядерное горючее будет исчерпано, Вселенная станет темной. Она будет похожа на газ с частицами из галактик, звездных скоплений и отдельных звезд. И как это всегда бывает в газовом облаке, между ними будет происходить множество случайных столкновений. Упорядоченные структуры распадутся, и входящие в их состав пылинки-звезды рассеются в огромном все еще раздувающемся пространстве Вселенной. Однако, как показывают расчеты, некоторая часть галактик и звездных систем, а также, случайно оказавшихся рядом с ними звезд под действием сил гравитационного притяжения сожмутся в массивные объекты, которые затем превратятся в черные дыры. На все это уйдет около триллиона триллионов лет. По сравнению с таким гигантским интервалом времени продолжительность всей предшествующей жизни Вселенной — все равно что год по сравнению с ее 20 миллиардами лет.

Если верна теория «великого объединения», то дальнейшая судьба мира будет зависеть от радиоактивного распада протонов. Это процесс очень медленный, и для того, чтобы все адронное вещество Вселенной превратилось в фотон-лептонный газ с вкрапленными в него черными дырами, потребуется 1032—1035 лет. Частицами света и легким лептонным частицам, образующимся при распадах адронов, распадаться будет уже некуда и не на что: это стабильные частицы, а посему единственный процесс, который будет происходить далее во Вселенной (не считая ее расширения),— испарение черных дыр. Самые большие из них будут испаряться не меньше 10100 лет. По сравнению с этим все другие фазы жизни Вселенной — ничтожный миг. За 10100 лет она раздуется в шар чрезвычайно разреженного фотон-лептонного газа с размерами в 10110 километров. Если его диаметр принять за единицу измерений, то сегодняшние размеры Вселенной окажутся меньше геометрического кванта.

Что произойдет с нашим миром дальше — неизвестно. Знаменитый немецкий философ Гегель назвал неограниченно развертывающийся процесс, в котором нет качественных изменений, «дурной бесконечностью». Едва ли нашему миру уготована такая судьба. Надо полагать, какие-то процессы изменят однообразную картину бесконечного расширения инертного фотон-лептонного газа. Какие и как? Все это пока далеко за пределами современной науки и даже научной фантастики.

Рассказанный нами сценарий бесконечного расширения Вселенной предполагает, что массы нашего мира недостаточно для его замыкания. В противном случае силы гравитационного притяжения остановят его расширение и начнется обратный процесс — сжатие. Когда начнется, сказать трудно. Большинство ученых склонны считать, что если это и случится, то, скорее всего, уже после распада протонов, где-то на стадии испарения черных дыр.

Но если существуют большие массы невидимого нам вещества, это может случиться и раньше. Сжатие закончится гравитационным коллапсом, после которого может начаться новый цикл расширения Вселенной, возродившейся, как Феникс из пепла.

И это — только одна из возможных гипотез. Что может произойти за порогом гравитационного коллапса, не знает никто. В начале был Большой взрыв, в конце — Большое сжатие (или, как говорят физики, схлопывание). Есть ли что-нибудь между ними там, вне нашего пространства-времени? Даже слово «между» мы употребляем незаконно, ведь там и времени-то в нашем смысле нет!

Оба сценария дальнейшей судьбы Вселенной — неограниченное расширение и сжатие — основаны на теории относительности. Когда будет создана более совершенная космологическая теория, в них, возможно, придется внести коррективы. На это указывают нам некоторые несоответствия современной теории и наблюдений. Теория говорит нам, что в разных направлениях Вселенная должна расширяться неодинаково. Вероятность образования практически однородной по своим свойствам Вселенной крайне мала. Но реальная Вселенная почему-то именно такова. Недавние измерения микроволнового космического радиоизлучения — «космического радиофона» — показали, что его изменения по разным направлениям составляют менее одной стотысячной. В чем причина столь высокой изотропии Вселенной — загадка. Сегодня это, пожалуй, основная проблема космологии.

Заставляет задуматься и тот уже отмеченный нами удивительный факт, что масса нашего мира близка к массе замкнутого мира. Различие не более, чем на порядок, а скорее всего, даже меньше. Что это — случайность? Ведь масса могла бы быть любой, а она почти, критическая.

Недавно теоретики из Физического института имени П.Н. Лебедева, а вслед за ними и американские физики, основываясь на теории относительности Эйнштейна и идее суперобъединения всех существующих в природе полей, предложили новую теорию. В ней Вселенная вскоре после своего «рождения» почти мгновенно раздувается до колоссальных размеров, которые неизмеримо больше тех, что подсказывают нам астрономические наблюдения и теория Фридмана. В огромном «пустом» пространстве происходит преобразование вакуума, нечто вроде конденсации вещества из эфира. При этом в разных областях Вселенной образуется различный вакуум, и, как это всегда бывает при конденсации, выделяется много энергии, что, естественно, разогревает образовавшееся правещество до чрезвычайно высокой температуры. Дальше заполненные раскаленным сверхплотным веществом области пространства расширяются уже в соответствии с теорией Фридмана.

Теория раздувающейся Вселенной позволяет устранить многие трудности современной космологии, но и сама порождает много новых вопросов. Как заметил однажды Бернард Шоу, наука всегда оказывается неправа: она никогда не решает вопроса, не поставив при этом десятка новых. Тем более это верно, когда речь идет о моделях мира в целом.

В великих тайнах Биг Бэнга и дальнейшей судьбы Вселенной, наверное, многое прояснится после того, как будет создана теория, объясняющая величину мировых постоянных — скорости света, заряда, электрона и других. Сегодня все они берутся из опыта, и мы не знаем, почему они именно таковы, какие есть. Науку же не. удовлетворяет такое положение вещей. Она должна перейти на следующий, более глубокий уровень. Хотя, честно говоря, пока у нее нет никаких идей, как совершить этот переход.

Различие пространственно-временных, масштабов на двух полюсах нашего мира — внутри элементарных частиц и в космосе — как мы убедились, огромно: более 40 порядков. Чудовищно различны и материальные объекты квазары и гигантские звездные скопления, с одной стороны; и почти мгновенно распадающиеся частицы-резонансы или практически точечные Кварки — с другой. И при всем этом многообразии свойства самого пространства-времени остаются удивительно постоянными. Как в космосе, так и в микромире мы описываем их теми же самыми непрерывными координатами.

Но некоторые важные различия все же имеются.

В конце 50-х годов работавшие в США китайские физики Ли, Янг и By сделали сенсационное открытие. Оказалось, что на малых расстояниях теряется различие между правым и левым.

Из нашей повседневной практики мы хорошо знаем о зеркальной симметрии — симметрии правого и левого. Между нашим пространством и зазеркальем нет принципиальных различий, и когда мы смотрим на себя в зеркало, мы совершенно уверены в том, что изображение полностью соответствует оригиналу. В микромире все иначе. Как это ни странно, но часть объектов и событий там просто не имеет зеркального отражения. Например, в природе нет частицы, которая была бы зеркальным отражением нейтрино. Другими словами, в микромире не у каждого «правого» есть «левое».

В 1964 г., был открыт еще более удивительный факт. Два молодых американских физика, Вэл Фитч и Джеймс Кронин, изучали нарушение зеркальной симметрии в распадах К-мезонов — короткоживущих частиц, которые можно получить с помощью мощного ускорителя. Распады фотографировались и тщательно измерялись. Ничего неожиданного не было замечено — опыт протекал так, как и предсказывала теория, и его материалы после обработки были сданы в архив. Однако спустя полгода физикам пришла в голову «сумасшедшая» мысль: а что если в микромире нельзя противопоставлять не только правое левому, но и будущее прошлому? В классической механике Ньютона для каждого процесса можно найти точно такой же, но протекающий в обратном порядке — так сказать, зеркально отраженный во времени. Если в обычном, прямом процессе человек вошел в комнату, то в обратном он, пятясь, выйдет из нее. И так для любого явления. А вот как будет в микромире?

Экспериментальный материал был заново пересмотрен, и среди двух десятков тысяч фотографий Фитч и Кронин, к своему удивлению и радости, обнаружили около нескольких десятков с реакциями, которые никак не должны были бы происходить в мире, зеркально симметричном по отношению к прошлому и будущему. Симметричная теория такие реакции запрещала строго-настрого.

Эти результаты произвели огромное впечатление на физиков. Они показали, что при определенных условиях в природе могут нарушаться, казалось бы, самые, фундаментальные свойства пространства и времени, что эти свойства не абсолютны, а относительны: в макромире одни, а в микромире могут быть совсем другие.

Есть еще один пункт, где можно ожидать существенного различия пространственно-временных свойств микро- и макромира. Это причинность.

Осенью 1956 г. в американском городе Сиэтле, на берегу Тихого океана, проходил Международный конгресс по теоретической физике. Это была одна из первых конференций, на которой после многих лет холодной войны, разделявшей Восток и Запад, встретились советские и американские ученые. Подводились итоги развития квантовой физики. Доклад следовал за докладом. Огромные доски, сплошь исписанные формулами, и (тогда это было еще новинкой) слайды с графиками и формулами, проецируемые на большой белый экран. Респектабельная академическая обстановка, лишь изредка нарушается веселым оживлением в зале, когда кто-либо из гостей-иностранцев смешно ошибался в английском языке.

«Температура» дискуссий резко поднялась после доклада академика Н. Н. Боголюбова. В докладе доказывалась теорема, позволяющая экспериментально проверить, не нарушается ли в микромире свойство причинности.

Причинность — это обусловленность одного явления другими. У философов есть более точные определения, но суть именно в этом — в такой связи событий, когда одно из них (причина) порождает другое (следствие).

Каждый из нас по собственному опыту знает, что беспричинных событий не бывает — в мире все взаимосвязано. Французский астроном, физик и математик Лаплас считал даже, что если бы в какой-то момент были точно известны движения всех тел и действующие между ними силы, то последующая судьба мира была бы определена однозначно, и можно было бы предсказать все — вплоть до направления полета маленькой мушки и траектории падения желтого листа с дерева. Однако число действующих в природе связей неисчерпаемо, они пересекаются так прихотливо, что возникает случайность, и исход явления начинает зависеть от множества второстепенных факторов. И тем не менее, терпеливо распутывая сложную сеть этих факторов, можно все более точно предсказать связанные с ними события.

Каждая физическая теория имеет свое понимание причинности — условий, при которых взаимодействие передается от одной пространственной точки к другой без помех во временном порядке событий. В механике Ньютона эти условия совсем не такие, как в квантовой теории. Чем совершеннее теория, тем точнее и детальнее определяется в ней причинность. Ясно, что это зависит и от того, какими свойствами теория наделяет пространство и время. Например, в теориях с обычным пространством-временем взаимодействия распространяются не так, как в общей теории относительности с ее искривленным пространством-временем, где могут быть даже самозамыкающиеся цепи событий, когда происходит возврат к исходному состоянию и вся история повторяется заново.

Первым такие цепи в теории относительности обнаружил австрийский математик и логик Курт Гёдель. Они напоминают ленту Мёбиуса. Возьмите полоску бумаги и склейте ее в кольцо так, чтобы верхняя сторона листа на одном конце соединилась на другом с его нижней стороной. Получится односторонняя поверхность: в каждой заданной точке у ленты две стороны — верхняя и нижняя, но их можно соединить непрерывной кривой. Так и со временем: у каждого момента есть две стороны — прошлое и будущее, и последнее можно соединить с первым непрерывной траекторией, двигаясь всегда при этом из прошлого в будущее. Существуют такие искривленные пространства (во всяком случае в математике), где это удается сделать. Хотя это пока только теоретический результат, но, может быть, где-нибудь в мире — в очень сильных гравитационных полях или внутри элементарных частиц — существуют такие удивительные кольца времени.

Причинность — один из самых сокровенных моментов любой физической теории. Недаром физики так много внимания уделяют этому вопросу. А изучая причинность, мы вместе с тем изучаем и свойства пространства-времени. Связь здесь самая прямая.

Так вот, теорема Боголюбова устанавливала соотношения между вероятностями различных процессов взаимодействия элементарных частиц, которые верны лишь в том случае, если выполняется причинность и нет никаких беспричинных явлений. Другими словами, новая теория позволяла проверить, насколько пригодна для описания микрочастиц современная формулировка причинности. Если бы обнаружились отклонения, это было бы указанием на какие-то новые свойства пространства и времени.

Изучением микропричинности ученые занимались и ранее. Однако для этого использовались приближенные модели, и в случае несогласия с опытом всегда можно было сказать, что это связано с несовершенством модели. Боголюбову впервые удалось вывести теорему из самых общих постулатов физики. Поэтому-то она так и взволновала участников конгресса в Сиэтле.

После конгресса советские физики побывали в нескольких институтах США, в том числе в знаменитом Институте высших исследований в Принстоне, под Нью-Йорком, где до конца своих дней работал Эйнштейн. И в каждом институте организовывался многолюдный семинар, где теоретики снова и снова возвращались к теореме о причинности, стараясь обнаружить какие-либо изъяны в доказательстве.

Опыты по проверке теоремы были выполнены сразу в нескольких советских и американских лабораториях. Никаких изъянов! По крайней мере до расстояний, которые в несколько сот раз меньше размеров протона.

Свойства пространства и времени оказываются необычайно устойчивыми. Но насколько глубоко простирается эта устойчивость? По мнению некоторых ученых, от теоремы следует ожидать отклонений на расстояниях, в десятки тысяч раз меньших, чем радиус протона,— там, где теряется зеркальная симметрия прошлого и будущего и где, возможно, существуют микрочастицы, движущиеся быстрее света. А если таких частиц все-таки нет, то могут быть какие-то другие явления, связанные с «перепутыванием» прошлого и будущего, которые тоже приведут к нарушению привычной для нас причинности. Но заглянуть в эту таинственную область мы пока не в состоянии.

Еще более радикальных изменений в свойствах пространства и времени можно ожидать в глубинных, ультрамалых областях. Физики, изучающие и разрабатывающие «теорию суперобъединения», все чаще высказывают мысль, что там не только пространство, но и время становится многомерным. Но все это пока одни предположения, а факты говорят о том, что пространство-время микромира в принципе такое же, как и в макромире. Чем же объяснить такую устойчивость?

Размышляя об этом, некоторые ученые пришли к мысли, что, может быть, пространства и времени в микромире... вообще нет. И наблюдаемая устойчивость связана с тем, что они — излишний, по существу, ни на что не влияющий элемент теории, который мы по привычке принесли из области макроскопических явлений. В физике подобные «разоблачения» случались уже не раз — проводились более точные эксперименты, и старые, незыблемые до того представления оказывались ненужными. Так было и с теплородом, и с флогистоном, и с эфиром, и со многими другими мифическими вещами. Может, и с пространством-временем произойдет то же самое? О них с уверенностью можно говорить в макромире, а в субатомных масштабах их просто нет, как нет там температуры или цвета! Бессмысленно ведь говорить о температуре и цвете одной или двух элементарных частиц; лишь когда частицы образуют макроскопическое тело, цвет и температура возникают как некий усредненный эффект — результат большого числа взаимодействий. Может, пространство-время тоже представляет собой нечто такое, что возникает лишь на определенной ступени сложности?

Мы уже говорили: чтобы добраться до очень малых расстояний, нужны частицы с очень большой энергией. Но эти частицы так сильно взаимодействуют на изучаемый объект, что после этого он оказывается совсем не таким, каким был вначале. При столкновении рождается много новых частиц, а исходная частица-мишень вообще исчезает. Измеряя, мы ломаем то, что хотели бы измерить. Измерение очень мелких деталей внутри частиц, казалось бы, становится принципиально невозможным. А это как раз и означает, что понятие пространства теряет там свой смысл, становится чисто теоретическим.

На первый взгляд соображения весьма убедительны. Однако так было бы для частиц, движущихся по точным траекториям, когда траектория либо пересекает частицу-мишень, либо нет. Если пересекает, то происходит взаимодействие и мишень портится, если проходит мимо — то никакого взаимодействия нет и говорить не о чем. Для реальных микрочастиц картина получается совсем- иная. Они, как мы знаем, движутся по размазанным волновым траекториям; волна же всегда огибает края препятствия, рассеивается им. Поэтому всякий раз, когда поток частиц сталкивается с мишенью, наряду с взаимодействиями, разрушающими мишень, происходит и упругое рассеяние, при котором сталкивающиеся частицы отскакивают друг от друга совершенно невредимыми, подобно биллиардным шарикам. Изучая такое рассеяние, можно получить сведения о свойствах пространства и времени внутри самих частиц.

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

Кварки, протоны, Вселенная

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.

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.

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.

Помог профессор математики Цюрихского политехникума Марсель Гроссман, с которым Эйнштейн дружил еще в студенческие годы. Один их общий знакомый вспоминал впоследствии, как, приехав однажды в Цюрих, усталый, измученный безуспешными попытками найти адекватное математическое выражение своей идее, Эйнштейн обратился к своему другу:

— Гроссман, ты должен мне помочь, иначе я сойду с ума!

Цюрихский математик слабо разбирался в физике, зато хорошо был знаком с теорией искривленных многомерных пространств, разработанной Риманом. Выслушав Эйнштейна, он сразу сообразил, что это как раз то, что ему нужно.

Чтобы создать теоретическую механику, Ньютону потребовалась совершенно новая область математики — дифференциальное и интегральное исчисление. Максвелл в основу своей электромагнитной теории положил новый математический аппарат — многомерные дифференциальные уравнения. Гравитационная теория продолжила эту тенденцию и ввела в физику многомерную риманову геометрию. Мощный математический аппарат помог Эйнштейну продвинуться очень далеко в понимании свойств гравитационного поля. Именно тогда Эйнштейн пришел к основным идеям общей теории относительности и к самой главной мысли о том, что силу тяготения следует связать с кривизной нашего пространства. Уравнения же этой теории вывел Гильберт.

Он был старше Эйнштейна почти на 20 лет, и это к нему по праву перешел от Гаусса негласный титул «короля математиков». Идеи Гильберта оказали на современную математику такое же влияние, как идеи Эйнштейна на физику. Но, пожалуй, самым важным, что сближало этих ученых, было то, что они оба стремились найти единую, цельную картину мироздания. Идеалом Эйнштейна была теория некоего единого поля, из которой, как частный случай, можно было бы вывести уравнения для всех известных нам частиц и связывающих их взаимодействий. Гильберт старался вывести всю математику и даже физику из нескольких максимально общих исходных аксиом. И хотя эти идеи оказались неосуществимыми — природу одной теорией описать нельзя,— метод Эйнштейна и Гильберта оставил глубокий след в науке.

Уравнения гравитационного поля Гильберт вывел почти одновременно с Эйнштейном; исходя из идей Эйнштейна, он опередил его всего лишь на две недели. Поэтому главные уравнения общей теории относительности мы называем уравнениями Гильберта—Эйнштейна (хотя сам Гильберт всегда подчеркивал приоритет Эйнштейна в создании этой теории).

Уравнения Гильберта—Эйнштейна устанавливают количественную связь сил всемирного тяготения с кривизной пространства. Там, где есть поле тяготения, пространство всегда искривлено. И наоборот, пространственная кривизна проявляется в виде сил гравитации. Новые уравнения предсказывают и позволяют рассчитать огромное количество новых физических явлений, в том числе и самое грандиозное явление, которое мы можем сейчас себе представить — Биг Бэнг. И вместе с тем всего лишь несколько ее предсказаний могут быть проверены на опыте или с помощью астрономических наблюдений. Остальные же либо находятся за пределами точности наших приборов, либо относятся к космическим объектам, которые еще только предстоит открыть. Даже черные дыры еще по-настоящему не подтверждены наблюдениями. Поэтому главным козырем общей теории относительности в ее конкуренции с другими, более поздними теоретическими построениями, которые тоже согласуются со всеми наблюдаемыми фактами, могла бы быть лишь большая и логическая последовательность и внутренняя непротиворечивость. Но в этом смысле она небезупречна.

Теория эта завоевала признание не сразу — уж очень необычными были ее выводы. Но постепенно к ним привыкли, и теория прочно утвердилась в учебниках. Вместе с квантовой механикой она сегодня составляет основу наших представлений об окружающем мире. И как это иногда бывает, стрелка общественного мнения (а оно и в науке играет важную роль) качнулась в другую сторону: недоверие к теории сменилось преклонением перед ней. Ее стали рассматривать как некий идеал — образец для всех других физических теорий. «Ни один вопрос,— писал один известный физик,— не остаётся в ней без ответа, нигде нет трудностей или неясностей даже в малейших деталях; если бы вся теоретическая физика достигла такой завершенности, наступил бы «седьмой день творения» для ученых и, увидев, что созданное хорошо, они могли бы отдохнуть от принципиальных вопросов и навсегда посвятить себя приложениям!»

Это, конечно, преувеличение. Курт Гёдель еще полвека назад доказал теорему о том, что в любой теории, какой бы стройной и самосогласованной она ни была, обязательно есть внутренние противоречия и вопросы, на которые она не может ответить, и общая теория относительности — не исключение. Серьезные трудности обнаружились сразу же после ее создания. Первым на них натолкнулся молодой австрийский физик Эрвин Шрёдингер. Из его расчетов вытекало, что некоторые простые тела, например материальная точка или шар, создают вокруг себя поле тяготения, которое, однако, не имеет энергии — она равна нулю во всех пространственных точках. Сила тяготения есть, а энергии нет!

Еще более удивительный результат получил немецкий физик Бауэр. Он показал, что если в совершенно пустом пространстве прямоугольные декартовы координаты заменить полярными, то там сразу же появится гравитационное поле, да еще с бесконечно большой энергией. Другими словами, если в качестве системы отсчета выбрать прямоугольный угол комнаты, то тяготения не будет, а если за начало координат взять круглую люстру на потолке и характеризовать положение тел, отсчитывая от нее лучи-отрезки, то пространство немедленно оказывается заполненным гравитацией. Ничего не нужно делать, только мысленно (заметьте—мысленно!) поменять систему координат, и пожалуйста: была нулевая энергия, стала бесконечная!

Эти парадоксы были хорошо известны и самому Эйнштейну. Устранить их ему удалось лишь очень дорогой ценой. Пришлось допустить, что гравитационное поле не имеет энергии в отдельных пространственных точках. Сохраняющейся энергией обладает лишь все поле в целом, сразу во всем бесконечном пространстве. Но и этого было еще недостаточно. Пришлось запретить полярную систему координат и вообще все системы, которые не переходят на бесконечности в декартову. Но это уже плохо — чем полярная система координат хуже декартовой? Ведь результаты расчетов не должны зависеть от точки зрения наблюдателя и от способа, какими их выполняют. По мнению многих ученых, проще предположить, что формула гравитационной энергии, послужившая основой для парадоксальных выводов Шрёдингера и Бауэра, еще недостаточно точна. Быть может, исправить положение удастся в будущем?

Прошло, однако, более полувека, а все попытки найти непротиворечивое выражение для энергии тяготения — а их за это время было немало — потерпели неудачу. Неудача, правда, не обескуражила физиков. Они уже привыкли к тому, что на первых порах физическая теория часто бывает противоречивой. Так, если с помощью квантовой теории рассчитать массу или электрический заряд электрона, то в ответе получится бесконечность. Квантовая теория, оказывается, не умеет рассчитывать такие величины, и с этим пока приходится мириться. На этом фоне трудности с энергией в общей теории относительности Эйнштейна выглядели не слишком уж страшными, и многие физики считали, что их устранение можно отложить до лучших времен, тем более что гравитационное взаимодействие намного слабее других взаимодействий. Например, сила кулоновского отталкивания двух электронов в 1042 раз больше их гравитационного притяжения. Это означает, что если бы электромагнитные силы, притягивающие электрон к атомному ядру, вдруг ослабли до уровня гравитационных, то атом водорода вырос бы до размеров чуть ли не всей Вселенной.

Можно, можно подождать! Звездолеты, которым для навигации понадобилась бы общая теория относительности, летают пока лишь на страницах научно-фантастических романов; теория имеет, скорее, философское, нежели физическое значение.

Так думали долго. Но в последние десятилетия начали возникать и физические вопросы, на которые нельзя ответить без этой теории. Без нее нельзя рассматривать развитие Вселенной в первые минуты после Большого взрыва, когда устанавливался химический состав и распределение вещества и антивещества в нашем мире (не говоря уж о более ранних периодах «кристаллизации» правещества). Формулы, теории относительности нужны для описания свойств квазаров, для расчетов опытов с гравитационными волнами, для решения проблем «суперобъединения» гравитационного и других полей. Вопрос об энергии поля тяготения стал одним из основных.

Пожалуй, здесь мы встречаемся с единственным по-настоящему фундаментальным противоречием современной физики, устранение которого, возможно, потребует каких-то принципиально новых концепций. В физике много неясных моментов; некоторые ее разделы до сих пор представляют собой клубок плохо стыкующихся моделей, тем не менее принципиальных противоречий между экспериментом и теорией или между отдельными ее разделами там нет. Лежащие в основе современной физики релятивистские и квантовые законы охватывают чрезвычайно широкий круг явлений, за пределы которого физикам еще не удалось выйти. Даже такие экзотические объекты, как глюоны и кварки, и те подчиняются этим законам. Но вот как обойтись без энергии, чем ее заменить — этот вопрос выводит нас далеко за рамки известных физических идей. Единого мнения, в каком направлении следует искать разгадку «энергетического парадокса», у физиков нет. Часть из них, следуя Эйнштейну, считает, что гравитационное поле вообще не имеет энергии в отдельных точках. Эта концепция станет более понятной, если мы вспомним, что в соответствии с теоремой Неттер физические процессы в неоднородном несимметричном пространстве должны протекать так, словно само пространство воздействует на находящиеся в нем тела. В теории Эйнштейна, где пространство и время имеют сложную искривленную форму, этот эффект проявляется как гравитационная сила. Из формул, полученных им, следует, что везде, где есть кривизна пространства-времени, непременно возникает тяготение. А раз так, то можно предположить, что в отличие от электромагнитного и других полей, представляющих собой пространственное распределение материи, поле тяготения — это чисто геометрическое свойство нашего мира, и поэтому понятия массы и энергии, к нему не применимы.

Гравитационное взаимодействие тел, их тяготение осуществляется волнами кривизны пространства-времени. Идея непривычная. Волна, не имеющая сама энергии, замедляет или ускоряет движение тел, то есть в конечном счете изменяет их энергию. Это одна из тех «сумасшедших» идей, которые могут привести к революции в физике. Но вот как последовательно довести эту идею до логического завершения и обойти все возникающие на ее пути препятствия, пока неясно. По мнению многих ученых, энергия и масса — слишком фундаментальные величины, чтобы можно было от них отказаться, не изучив всех возможностей. Не будем забывать о бритве Оккама! Тем более что для слабых гравитационных полей можно построить теорию в плоском пространстве, где гравитация обладает свойствами обычного материального, энергетического поля — такого же, как электромагнитное, мезонное и все другие известные нам поля. Такую теорию в середине 30-х годов создал советский физик М. П. Бронштейн. В ней физические тела притягиваются, обмениваясь квантами гравитационного поля — гравитонами.

Мысль о том, что гравитация обладает энергией, подсказывает современная теория суперобъединения, где гравитационное поле — всего лишь особое проявление единого поля. Поскольку другие его проявления имеют энергию, то кажется естественным, что она должна быть и у тяготения.

В общем, сомнений и трудностей, которые порождает отказ от энергии в общей теории относительности, много. Чтобы понять, как можно было бы их обойти, рассмотрим подробнее исходную идею Эйнштейна о чисто геометрической (пространственно-временной) природе сил тяготения. Великий физик пришел к ней, размышляя над особенностями свободного падения тел. Такие тела, например, человек в стремительно спускающейся кабине лифта, приобретают невесомость. При этом тяготение исчезает для всех тел одинаково, независимо от их массы и внутренних свойств. Получается, что гравитационное поле можно полностью уничтожить, сделать равным нулю простым преобразованием системы координат — путем перехода от неподвижной системы, связанной с. Землей, к движущейся системе типа лифта. А так как материальную субстанцию преобразованием координат устранить нельзя — она будет существовать независимо от того, с какой платформы, движущейся или неподвижной, мы ее наблюдаем,— из этого, казалось бы, неизбежно следует вывод о совершенно особой, «невещественной» природе поля тяготения.

Теперь остается только шаг, чтобы окончательно связать гравитацию с геометрией, ведь четырехмерное пространство-время — единственная известная нам «нематериальная сущность» природы, и если гравитация не материя, то, значит, она действительно чисто геометрического происхождения.

Конечно, можно лишь гадать, как рассуждал сам Эйнштейн, но, если судить по его статьям и книгам, мы, надо надеяться, не слишком отклонились от истины.

Насколько же убедительными и непоколебимыми являются все эти рассуждения с современной точки зрения? Нет ли другой возможности для объяснения происходящих вокруг мае гравитационных явлений?

Прежде всего заметим, что исходное положение о полном уничтожении тяготения подходящим выбором системы координат неточно. Это можно сделать лишь теоретически, если допустить, что сила тяготения совершенно одинакова во всех точках Вселенной. Иначе полной компенсации тяготения не получается: уничтожив его в одном месте, мы сохраним и даже усилим его в других. Например, скорость пикирования самолета, достаточная для создания невесомости на Земле, слабо скажется па весе его пассажиров в условиях массивной планеты Юпитер. Более того, теперь нам известно, что некоторые виды вещества «чувствуют» гравитацию в любой системе координат, независимо от ее скорости. Такими свойствами обладают, в частности, массивные быстро вращающиеся резонансы с большим спином. Действующие на них гравитационные силы зависят от их вращения, и полностью невесомыми эти частицы никогда не бывают.

Ну а если полная компенсация гравитационного поля невозможна, то и вывод о его геометрической природе теряет убедительность 1. Это не твердое следствие эксперимента, а всего лишь гипотеза. Она может быть верной, а может и ошибочной. В принципе теорию допустимо строить на основе и других гипотез.

Советские физики, академик А. А. Логунов и его сотрудники, считают гипотезу Эйнштейна о чисто геометрической природе тяготения неверной. По их мнению, сегодня нет достаточных оснований отказываться от энергии. Они убеждены, что гравитация — такое же вещественное поле как электромагнитные волны или нейтрино. Его особенность лишь в том, что все без исключения известные нам виды материи имеют гравитационный заряд (массу) одного и того же знака, и поэтому и гравитационные взаимодействия одинаковы. Тяготение играет роль некоего всеобщего фона, на котором происходят все физические процессы.

Исходя из этих соображений, можно построить новую теорию гравитации, у которой будет замечательное свойство. Оказывается, если из ее уравнений исключить поле тяготения, в них останется его «отпечаток» — уравнения будут выглядеть так, будто искривилось, стало изогнутым первоначально плоское пространство. Другими словами, в новой теории есть две равноценные возможности: либо вещественное гравитационное поле в плоском пространстве, либо искривленное пространство-время, но уже без поля.

Но как же возможна замена гравитационного поля пространственной кривизной? Вспомним одно схожее, но более простое и наглядное явление. В строгой теории элементарных частиц невзаимодействующие, изолированные протоны — точечные объекты. Однако, изолировать, полностью заэкранировать от всех других частиц их можно лишь теоретически: на самом деле протоны всегда взаимодействуют с мезонным полем. Вся их «жизнь», все процессы, в которых они принимают участие, протекают на фоне порождаемого ими поля мезонов, и этот фон, облако окружающих их мезонов, проявляется как пространственная «размазка» их заряда и массы. Тут тоже есть две возможности: можно иметь дело с точечными протонами и связывающим их мезонным полем или же забыть об этом поле и рассматривать столкновение протонов-шариков. В «жизни» протонов мезонное поле играет роль посредника.

Вот такую же роль посредника в теории Логунова выполняет и гравитационное поле. Оно не размазывает ни массы, ни заряда тел, но зато искривляет, делает неоднородным пространство и время в их окрестности.

В новой гравитационной теории нет трудностей с энергией. От одного тела к другому взаимодействие передается с помощью вполне материальных, обладающих энергией и импульсом гравитационных волн. А в предельном случае, когда тяготение становится достаточно слабым, общая теория смыкается с упоминавшейся выше теорией гравитонов Бронштейна.

Итак, мы видим, что «простой» вопрос, сохраняется ли энергия, оказывается очень непростым. Многое здесь неясно. Проблема гравитационной энергии — настоящая загадка. Безусловно, будет еще немало споров и острых дискуссий вокруг различных подходов к ее решению. Теория, разработанная Логуновым и его сотрудниками, — только одна из возможностей в этом направлении. Да и теория Эйнштейна, несмотря на противоречия, содержит много привлекательного и не собирается сдавать свои позиции.


***


Мы коснулись основных и, пожалуй, самых трудных проблем современной физической науки — там, где она углубляется в недра микромира и там, где выходит на просторы большого космоса. И оказалось, что все эти проблемы взаимосвязаны. Нельзя познать космос, не изучив законов микромира, и наоборот, новые идеи элементарных частиц проходят проверку в космологии.

Физика развивается стремительно. Строятся все более крупные и точные приборы. Современные исследовательские лаборатории стали похожи на большие промышленные предприятия. Огромные массивы получаемой в опытах информации обрабатываются на самых мощных и быстродействующих компьютерах. Более того, с помощью компьютера выполняются не только численные расчеты, но и сложнейшие алгебраические выкладки, которые не под силу даже большим коллективам ученых. А результатом всех этих исследований становятся не только новые технологические процессы, быстро изменяющие наш образ жизни, но и широкие мировоззренческие картины, которые ведут мысль человека к новым горизонтам научного знания. Этот процесс бесконечен и прекрасен. Как еще двадцать с лишним веков назад говорил греческий ученый Анаксагор, призвание человека — в обладании Знанием и проистекающей отсюда Свободой.

ЛИТЕРАТУРА



Фейнберг Дж. Из чего сделан мир? — М.: Мир, 1982.

Вайнберг С. Первые три минуты. — М.: Мир, 1981.

Киржниц Д. А., Линде А. Д. Фазовые превращения в физике элементарных частиц и космологии // В сб.: Наука и человечество. — М.: Знание, 1982.

Философские проблемы гипотезы сверхсветовых скоростей. — М.: Наука, 1986.

Барашенков В. С. Существуют ли границы науки? — М.: Мысль, 1982.

1

Для читателя, который желал бы детальнее разобраться в этом вопросе, заметим, что важна именно полная компенсация, полное уничтожение поля. В небольшой, ограниченной области пространства выбором системы координат можно скомпенсировать не только гравитационное, но и другие, заведомо материальные поля, например, силу электростатического притяжения заряженной частицы между пластинами конденсатора или силы, действующие на железную пылинку в однородном магнитном поле.


home | my bookshelf | | Кварки, протоны, Вселенная |     цвет текста   цвет фона   размер шрифта   сохранить книгу

Текст книги загружен, загружаются изображения
Всего проголосовало: 1
Средний рейтинг 3.0 из 5



Оцените эту книгу