Возвращение чародея

Постоянное в потоке

Заканчивая чтение книги, многие, возможно, подумают: а не получается ли все же так, что в том древнем споре мудрецов (см. «Почерк природы»), вопреки утверждению автора, будто «все оказались правы», в действительности взяли верх сторонники той точки зрения, что природа — это вечное движение и нет в ней ровно никакого постоянства: уж слишком многочисленны и ярки примеры изменений, происходящих в ней.

Невозможно умалить глубины мышления сторонников этой точки зрения (назовем здесь некоторых из философов): Фалеса, Анаксимандра, Анаксимена, Гераклита Эфесского, Левкиппа, Демокрита. Все же, утверждаем это еще раз, были правы их противники — те, кто говорил о неизменном и стабильном в вечно изменяющемся мире: Анаксагор, Эмпедокл, Эпикур, Лукреций. Живи они в наши дни, они нашли бы особо убедительное подтверждение своей точки зрения в законах сохранения.

Собственно говоря, идея сохранения таится более или менее во многих законах физики. Возьмите первый закон движения Ньютона. Инерция по самому своему существу есть стремление к неизменности, неизменности настоящего положения.

Идея сохранения таится и в третьем законе Ньютона (нужно сказать, что он вообще представляет собой следствие в механике одного из законов сохранения, закона сохранения импульса). Мгновенно создавая противодействующую силу, природа словно печется о вечном равновесии (пусть иногда и динамическом) в своем Великом Царстве. Словно она боится, что неуравновешенная сила что-то вынесет из ее кладовых.

Законы сохранения — очень фундаментальные, очень общие законы физики. Они выражают несотворимость и неуничтожимость материи и ее движения. Но что значит здесь «несотворимость и неуничтожимость»? С естественнонаучной точки зрения это — постоянство некоторых характеризующих материю и ее движение величин при тех или иных взаимодействиях, превращениях, движениях. Постоянство таких атрибутов (неотъемлемых признаков) возводит их в ранг основных величин, а изучение их уточняет физическую картину объективно существующей реальности.

Не сразу удалось узнать известные сегодня неизменные характеристики материи и ее движения. Даже постоянство массы (в пределах справедливых для классической физики) — ныне для любого школьника очевиднейшее свойство — выявилось не «одним прекрасным утром». Долго были разные точки зрения на то, «куда земля девается, когда кол вбивается». Прогресс химии многое прояснил в проблеме сохранения массы. Когда же в нашем веке атомная теория показала, что химические законы всего лишь следствие законов физики, дальнейшее уточнение числа и формулировок законов сохранения стало привилегией физиков.

Исторически первой общей формулировкой принципа сохранения — «сохранения вещества и движения» — была формулировка М. В. Ломоносова.

«Но все встречающиеся в природе изменения, — писал он Леонарду Эйлеру 5 июля 1748 года, — происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимется у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется к какому-либо телу, столько же теряется у другого… Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила движения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому».

Аккуратной, чуждой равно расточительству и наживе изображена здесь вездесущая природа: «Что у меня — тем пользуюсь; своим не поступлюсь, добавок не желаю».

Теперь закон сохранения вещества (точнее, массы), впервые высказанный Ломоносовым, объединен с законом сохранения энергии, в открытии которого в 1841 году основная роль принадлежала немецкому врачу Юлиусу Роберту Майеру. В основе названного объединения — соотношение специальной теории относительности E = mc², показывающее, что каждому изменению энергии (Е) тела соответствует вполне определенное изменение его массы (m) и обратно.

Так как постоянный коэффициент здесь (с² — квадрат скорости света) колоссальная величина, то из этого соотношения вытекает, что уже ничтожное изменение массы сопровождается огромным изменением энергии.

С законом сохранения энергии тесно связан закон сохранения количества движения, или импульса. Импульс — это произведение массы на скорость. Подобно скорости, импульс тоже вектор, то есть величина, определяемая не только абсолютным значением, но и направлением. Обе величины характеризуют движение, но закон сохранения импульса есть, а закона сохранения скорости не существует. Это означает, что скорость рангом ниже импульса, что она не фундаментальная величина, а ей место среди других величин, вроде перемещений и т. д.

В школе изучают закон сохранения импульса под названием третьего закона Ньютона, гласящего, что «действие всегда по величине равно, а по направлению противоположно противодействию». Не менее распространена, однако, и другая формулировка: «в отсутствие внешних сил полный импульс замкнутой системы частиц неизменен». Подчиняясь этому закону, импульс ружья при отдаче сразу после выстрела равен и противоположен по знаку импульсу пули; бегущий человек отталкивает ногами Землю назад (стань наша планета на миг по массе сравнима с ним, он вынудил бы ее крутиться наперекор извечному движению) и т. д.

Среди других важнейших законов сохранения — закон сохранения момента импульса (в простом случае тела, вращающегося по окружности, величина момента импульса равна произведению импульса на радиус окружности, по которой вращается тело).

Закон сохранения момента импульса утверждает, что полный момент импульса замкнутой системы остается неизменным. Если вы захотите испытать действие этого закона на себе, сядьте с двумя гирями в руках на винтовой «пианинный» стул. Раскрутитесь и постарайтесь вращаться, не опираясь ни на что. Горизонтально вытянув руки — с гирей в каждой из них, — вы будете вращаться довольно медленно. А потом согните руки, приблизьте их к груди. Скорость вашего вращения резко возрастет.

Фигуристы, выступающие на коньках, акробаты на трапеции, балерины, делающие пируэт, — все они с успехом применяют закон сохранения момента импульса, хотя, может быть, не догадываются об этом.

Среди широкоизвестных законов сохранения — закон сохранения энергии, о котором мы уже говорили. Физика называет и другие законы сохранения, например закон сохранения электрического заряда. Он гласит, что заряд не может ни появиться, ни уничтожиться; одна незаряженная нейтральная частица не в состоянии, например, превратиться в одну заряженную, хотя бы это превращение не противоречило всем остальным законам сохранения.

Галерея генералиссимусов

Квантовая механика показала, что и в микромире справедливы все законы сохранения, открытые для мира больших тел (хотя голоса сомнений в этом звучали далее в кабинетах корифеев). Вместе с тем в микромире выявились новые законы сохранения, такие, например, как сохранение «барионного заряда» и «лептонного заряда».

Барионами называются самые тяжелые элементарные частицы — протоны, нейтроны, гипероны и их античастицы; все они, за исключением протона и антипротона, распадаются сами собой и превращаются в конце концов в протоны, то есть снова в барионы; это одно из проявлений закона сохранения числа барионов или барионного заряда. В главке «Почерк природы» мы говорили, что благодаря этому закону частицы, из которых состоят все тела, никогда не смогут полностью превратиться в электроны и нейтрино.

Лептонами называются самые легкие элементарные частицы — нейтрино, электроны и их античастицы.

Последние исследования показали, что, кроме точных законов сохранения, существуют еще и приближенные, неточные законы сохранения. Бывает так, что некоторая физическая величина приблизительно сохраняется, если процессы идут очень быстро и заканчиваются в короткое время. Но в процессах медленных эта величина не сохраняется.

Типичным примером является такая квантовомеханическая, встречающаяся только в микромире и широкой публике неизвестная величина, как странность. Установлено совершенно строго, что если процесс протекает приблизительно за 10^-23 секунды, то странность сохраняется. А в иных, более медленных процессах, протекающих за время приблизительно 10^-10 секунды (в десять триллионов раз медленнее первых), странность не сохраняется.

Такая же картина наблюдается и для другой квантово-механической величины, так называемой четности. И эта величина сохраняется (во всяком случае, приблизительно) в быстрых процессах и не сохраняется в процессах медленных.

У вдумчивого читателя может возникнуть вопрос: «А от чего, собственно, зависит скорость процессов в микромире?»

Скорость процессов в микромире зависит в основном от рода сил, вызывающих этот процесс.

Мы говорили, что и во времена Ньютона и вплоть до самого начала нашего века ученым было известно только два рода фундаментальных сил природы: электромагнитные и тяготения. Все остальные, с которыми люди сталкивались в своей практике, были лишь следствием этих основных сил.

Микромир открыл перед человеческим взором еще два рода сил.

Одни возникают, когда два постепенно сближающиеся нуклона (протон — протон, нейтрон — нейтрон или протон — нейтрон, неважно, в каком парном сочетании) дойдут до расстояния 2,5·10^-13 сантиметра, они внезапно «почувствуют» такое сильное взаимное притяжение, что перед ним померкнет всякая другая сила. Этим силам дали название «сильных взаимодействий», и именно им обязаны быстрые процессы своим происхождением.

Другой род сил возникает при самопроизвольном распаде некоторых ядер с выделением электронов (или бета-распаде). Силы, выталкивающие электроны из ядер, много слабее сильных взаимодействий, и их назвали слабыми взаимодействиями.

Таким образом, в микромире действуют (если не считать исчезающе малых гравитационных сил) три рода сил: сильные взаимодействия, электромагнитные силы и слабые взаимодействия.

Силы действуют, притягивают или отталкивают частицы и обусловливают, как мы видели на примерах, действие или бездействие некоторых приближенных законов сохранения.

Соберем все наиболее важные законы сохранения вместе и назовем, дав самую краткую характеристику там, где это требуется:

Суммарный закон сохранения массы и энергии.

Закон сохранения импульса, или количества движения.

Закон сохранения момента импульса.

Закон сохранения электрического заряда.

Закон сохранения тяжелых частиц (барионов).

Закон сохранения легких частиц (лептонов).

Закон сохранения изотопического спина.

«Спином» (от английского слова «spin» — «кружение», «верчение») в физике называется величина, характеризующая, говоря нагляднее, ее собственный механический вращательный момент. Закон сохранения изотопического спина — квантовомеханический закон, справедливый лишь для сильных взаимодействий. Он говорит, что силы, действующие между двумя протонами, совершенно одинаковы с силами, действующими между протоном и нейтроном. Он подчеркивает, что для этих частиц электрический заряд не играет никакой роли (вспомните, что протон заряжен положительно, а нейтрон, как показывает его название, не имеет заряда). Поэтому указанный закон сохранения называют также законом зарядовой независимости. Из-за некоторого влияния электромагнитных сил закон сохранения изотопического спина может нарушаться в пределах до одного процента. То есть он относится к приближенным законам.

Закон сохранения странности. Квантовомеханический закон, справедливый для сильных и электромагнитных взаимодействий, но нарушающийся при слабых взаимодействиях.

Закон симметрии античастиц. Как и предыдущий закон, он нарушается при слабых взаимодействиях.

Закон сохранения четности. Тоже нарушается при слабых взаимодействиях.

Закон общей симметрии частиц — античастиц. Согласно этому закону, если любой физический эксперимент отразить в зеркале и если, кроме того, заменить все частицы соответствующими античастицами, нельзя принципиально сказать: отраженный или реальный опыт виден в зеркале. Полагают, что этот закон сохранения справедлив для всех взаимодействий.

Законы сохранения и симметрия мира

Одним из очень интересных вопросов для физиков последних двух поколений был вопрос: существует ли какая-нибудь связь между другими общими свойствами Вселенной и законами сохранения? Оказывается, существует, и самая непосредственная — она основывается на симметриях мира во времени и пространстве.

Первая из симметрий называется «однородностью времени»; неважно, когда начинается какой-либо физический процесс (если не обращать внимания на удобства экспериментатора): природа не изменится часом или годом позже против первоначального момента. Вторая и третья симметрии относятся к пространству. «Однородность пространства» означает, что законы физики одинаковы во всех местах Вселенной — на Земле, на Сириусе, в районе созвездия Лебедь и т. д. «Изотропность пространства» означает, что в пространстве все направления равноценны (этим, между прочим, пространство отличается от времени, у которого есть одно привилегированное направление — вперед).

Выяснилось, что из каждого указанного свойства симметрии вытекает «свой» закон сохранения. Как показала еще в 1918 году немка математик Эмми Нетер, из однородности времени следует закон сохранения энергии, из однородности пространства — закон сохранения импульса, из изотропности пространства — закон сохранения момента импульса.

А что, если вдруг окажется, что свойства пространства — времени не таковы, как мы предполагаем? Нарушатся ли в этом случае наши законы сохранения?

Правильный ответ здесь, вероятно, таков: могут «разрушиться» лишь старые формулировки; потребуются новые формулировки. Принципы сохранения останутся, только выраженные точнее. Или они перейдут из категории точных принципов в категорию приблизительных. И все равно будут отражать постоянное в природе.

Хороший пример — недавняя сенсационная история с опровержением так называемого закона сохранения четности.

Этот закон был открыт для частиц микромира, основываясь на признании однородности и изотропности пространства, взятых вместе. Такое сочетание приводило к «зеркальной симметрии» — предположению, что законы природы не изменятся, если заменить все явления на их зеркальные отражения. Это значит, что, «правое» и «левое» равноценны. Ситуация напоминает ту, как если бы мы посмотрели на свое отражение в зеркале и вдруг узнали, что перед нами не зеркало, а окно. Мы увидим собственного двойника, только все, что у нас справа, — у него будет слева, и наоборот. Он будет повторять все наши действия «зеркально» и даже не почувствует разницы от того, что живет в «зазеркалье».

Так, во всяком случае, предполагалось, пока два американских физика Ли Дзун-дао и Янг Чжэнь-нин не открыли в 1956 году, что природа в некоторых случаях прекрасно разбирается, где правая, а где левая сторона: зеркальный распад некоторых частиц вовсе не совпадал с распадом «по сю сторону зеркальной плоскости». В природе обнаружилась несимметрия.

Это было убийством старого закона сохранения четности. Собственно говоря, кризис до конца не преодолен и поныне. Все же напряжение значительно разрядилось. Этим физика обязана советскому ученому академику Льву Давидовичу Ландау.

Ландау высказал идею, согласно которой нарушение симметрии наблюдается лишь потому, что вещество рассматривается отдельно от антивещества, то есть вещества, состоящего из частиц, противоположных тем, из которых состоит вещество нашей части мира. Инвариантность (неизменность) законов физических явлений восстановится, если зеркальное отражение сочетается с заменой частиц на античастицы, то есть если будет произведена, как говорят физики, «комбинированная инверсия». Если идея Ландау верна, то наш «зазеркальный человек» должен состоять не из протонов, нейтронов и электронов, как мы и все тела нашего мира, а из антипротонов, антинейтронов и позитронов.

Исследование законов симметрии мира продолжается, а это значит, что далеко не закончен еще и «свод законов сохранения».

Будущее сулит интересные находки, и, как знать, сколько удивительных сюрпризов еще встретим мы на этом продолжающемся пути.

Возвращение чародея

Почему-то многие убеждены, что чем человек взрослее, тем меньше для него чудес. Чудеса, мол, остаются в сказках, а взрослому они ни к чему. Умудренные пережитым, наученные опытом и знаниями, люди не верят больше сказкам.

Нет утверждения ошибочнее. В действительности волшебный мир у взрослого богаче. Ибо не сказка, а окружающая природа — главная обитель чудесного. Разве жил на свете сказочник, который напридумывал бы столько удивительных миров, такие необыкновенные превращения, какие есть на самом деле!

Взрослеть — значит умнеть (во всяком случае, большей частью). А чем человек умнее, тем лучше видит не только свое знание, но и свое незнание. Притягательная сила непонятного увеличивается для него, тайна все настойчивее манит возможностью разгадки.

Ум — это свеча, озаряющая ночь Неведомого. Когда все ясно, ее можно бы и не зажигать: свеча горит ярко в ночи, а на фоне Солнца ее лучи тускнеют. Только так уж получается, что всегда «все ясно» одним лишь глупым: Солнце сидят и они, а безбрежная чернота окружающего пространства для них сокрыта.

Когда-то на Земле царило беспредельное всеведение. Чудес не было никаких. Для существ, живущих на Земле, все было элементарно просто: трава, вода, хищник, детеныш, которого надо защищать. Потом появился человек. С умения видеть ночь началось умение озарять ее лучами света и надежды. Человек оторвался от животных, научившись трудиться и удивляться призракам. И не в том суть, что они его пугали, а в том, что пробуждали в нем непокорный дух, стремление рассеять тени мрака.

Великая истина бытия в том, что все, что было с родом, так или иначе повторяется и с индивидом.

Человек раскрыл впервые осмысленно глаза, и тотчас к нему приходит добрый чародей. Как на заре веков, он вновь раскидывает над вспыхнувшим сознанием шатер волшебных грез. И вновь, как некогда перед отцом и дедом, переливаясь красками, проходят перед юным человеком картины дивных сказок, вновь зовут куда-то издалека родные голоса.

Нет, не в одной реальности — в Стране Несбыточного тоже — формируется человек. Три первые свои открытия делает он там: во-первых, что не сила, а находчивость сильнее; во-вторых, что закономерность правит миром и, в-третьих, что истина вечна, «давным-давно» ее уж знали.

Конечно, он этого еще не понимает. Но не о первом ли говорит обычная ситуация — бедный, но разумный успешно борется с могучим, но тупым! Не о втором ли — обязательная победа добра над злом. Не о третьем ли — убедительность для малыша морали сказки, придуманной, возможно, тысячу лет назад.

На добрую, подготовленную почву падают потом зерна научных истин: вектор «больше», чем скаляр; все строго следует естественным законам; человек правильно видит природу, и то, о чем он догадался раньше, стало составной частью истины на последнем рубеже.

Вот так и соединяются грезы с жизнью. Тот, кто поверил еще сказке, что сила в разуме, потом и вооруженный знаниями будет ценить не грубый натиск на природу, а умное ее преобразование. Второй закон всех сказок — «победа правильного над неправильным» — закон и жизни: где бы ни работал человек, он должен постоянно помнить это и стараться никогда ни в чем не совершать ошибок. Третья сказочная идея — «истина вечна» — уж не такая сказочная. Было бы иначе — каждому поколению пришлось бы заново открывать все истины науки: люди двигались бы не вперед, а, скорее, пожалуй, пятились к пещерам предков.

Наука не отвергает сказки, ока ее лишь дополняет, развивает и делает еще прекраснее. Наука — это та же сказка, но научившаяся читать, считать, потом и решать сложнейшие уравнения.

Чародей возвращается с наукой. Мир грез не иссякает для человека.

Кое-что обо всем этом я и рассказал в своей книге.

Я пытался, как мог, наделить душу юного читателя мечтами, разум — мыслями, а сердце — воспоминаниями.

Как человек учился изучать природу

Бесстрашие ка заре… 5

Как ищут истину… 7

Великая сила «пустяков»… 11

Ненасытность науки… 14

Труднее или легче сегодня изучать науку?… 18

Ненасытность разума… 24

Открытия не умирают… 28

Наукой должны заниматься только честные, добрые люди… 31

Как приближенные представления о движении становились все точнее

Почерк природы… 36

Истинность предметных представлений… 40

Аристотель и Галилей… 44

«Быстрый разумом»… 48

Законы Ньютона… 49

«Покорный вектор» — величайшее изобретение человечества… 60

Тяготение в элементарном смысле… 69

«Вождь Великой Относительности»… 73

Ограниченность классической механики… 75

Как познавались законы и открывались тайники энергии

Путаница и разъяснение понятий… 80

Превращение энергии… 85

Красный цвет… 90

Три качества… 93

Спектр энергии… 98

Беспорядок, который нас пугает, а должен бы, напротив, радовать 111

Как в новых формах возродилось древнее учение о четырех стихиях

Облака — начало и примитив всего… 118

Твердое — первое состояние вещества… 126

Жидкое — второе состояние вещества… 132

Газообразное — третье состояние вещества… 138

Плазменное — четвертое состояние вещества… 140

Волшебный вкус квинтэссенции… 143

Как человеческая мысль преодолела барьер невидимого мира

Масштабные эффекты… 150

Три бесконечности учения о мерах… 156

В мире квантов… 157

С. И. Вавилов и предвидение открытий… 169

Рубиновая молния… 171

За символами математики… 185

Человек, теория относительности и космос… 190

Как законы сохранения подняли престиж неизменного в природе

Постоянное в потоке… 196

Галерея генералиссимусов… 199

Законы сохранения и симметрия мира… 202

Возвращение чародея… 204