Вселенная в электроне

Введение

Мальчишкой я мечтал стать авиаконструктором. Это были первые послевоенные годы, и мое воображение, еще не остывшее от военных сводок информбюро, было захвачено проектами летающих танков-амфибий, сверхдальних бомбардировщиков, истребителей «без мотора» — на реактивной тяге. О физике я не думал, она казалась мне страшно скучной: динамометры, блоки, расчеты линз, нудные задачки на теплоемкость. Но однажды мне в руки попала небольшая книжечка с интригующим названием: «Лучи из мировых глубин». Откуда приходят к нам эти лучи, что их порождает и разгоняет в пустом пространстве космоса до сверхвысоких энергий — все было загадкой. Чтобы разгадать ее, ученые создавали сложные приборы, опускали их в глубины океана, оставляли в недрах темных пещер, поднимали на стратостатах в бескрайнюю голубизну неба. Опыты приносили новые загадки…

Оказалось, что физика — удивительно увлекательная и интересная наука! С одной стороны — море фантазии: взрывающиеся частицы, бездны атомов, миры и антимиры, а с другой — строгие доказательства, вязь математических формул, понятных лишь посвященным. И я пошел учиться на физический факультет университета.

С тех пор прошло сорок лет, и мне не наскучило заниматься физикой.

Сегодня физическая наука совсем не та, что была полвека назад. Современные институты похожи на крупные заводы с сотнями научных сотрудников, тысячами инженеров и рабочих. Залы, в которых размещаются физические установки, сравнимы с крупными стадионами. И все это начинено сложнейшей электроникой и автоматикой. Холод, при котором воздух становится жидким и течет как вода, соседствует с температурами в десятки миллионов градусов, когда любое вещество взрывается, как капля масла на раскаленной сковородке, мгновенно превращаясь в плазменный газ. Давление в тысячи атмосфер и глубокий вакуум, в котором редкие атомы удалены друг от друга, как звезды в космосе. Батискафы помогают физикам устанавливать приборы на дне глубочайших океанских впадин, а ракеты выносят их за пределы Солнечной системы.

Но, пожалуй, самое удивительное в современной физике — это неожиданно тесная связь Вселенной, как целого, со свойствами элементарных частиц — простейших, невидимых даже под микроскопом «кирпичиков», из которых «склеено» все окружающее нас вещество. Казалось бы, совсем различные и несоизмеримые объекты, но вот получается, 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 перепуталось.

Хитро устроена природа! Как говорится, поди разберись, где тут начало того конца, которым кончается это начало!

Космология — наука, изучающая свойства и развитие Вселенной в целом. Она пытается ответить на самые сокровенные вопросы мироздания: откуда произошел наш мир, был он всегда или же «родился» из какой-то иной формы материи, чем закончится его «жизнь» и закончится ли вообще? И самый главный вопрос: почему наш мир таков, каков он есть? Разве не может быть Вселенной, где, например, размеры всех атомов в десять раз больше, свет распространяется в несколько раз быстрее, и кроме длины, ширины и высоты, есть еще четвертое, а может быть, даже пятое и шестое измерения? Возможно, такие миры где-то существуют? А если нет, то почему?

Если космология интересуется бескрайними далями, то физика элементарных частиц, наоборот, устремлена в глубинные недра материи. Ее предмет — микромир. Основной вопрос, на который она ищет ответ, — из чего построен наш мир, что является его исходным «дном» и есть ли вообще такое «дно». Она исследует первичные частички вещества — «семена вещей», как говорили древние ученые, изучает сложные процессы их взаимопревращений.

Еще недавно космология и физика элементарных частиц считались совсем разными науками. Теперь между ними выявлена тесная связь. Здесь еще много нерешенных вопросов, тайн и поразительных парадоксов. Предполагается, что было время, когда Вселенная имела размеры микрочастицы. Там в океанах бурлящей плазмы обитали кентавры и сфинксы микромира — необычайно тяжелые, не дожившие до нашего времени частицы. Время тогда вело себя неспокойно, оно то вдруг поворачивало вспять, то опять выправлялось и текло в «нормальном» направлении. Пространство тогда распадалось на отдельные порции-кванты, а вещество превращалось во всполохи волн. Там часть могла быть больше целого, левое не отличалось от правого, целые области пространства могли сворачиваться, как раковина, схлопываться и проваливаться в «черные дыры». Безудержная фантазия писателей-фантастов бледнеет перед диковинами, которые открывают нам породнившиеся космология и физика элементарных частиц!

Вот об этом и пойдет речь в нашей книге. Ее цель — познакомить юного читателя с тем, как устроен окружающий нас мир в самом большом и самом малом, рассказать о проблемах, надеждах и трудностях, лежащих на пути ученых, пробивающих узкие тропки в Страну Неизвестного, которые превратятся потом в просторные шоссе технического прогресса. Читатель увидит, какое благодатное поле предоставляет физика для умелых рук и пытливого ума тех, кто изберет ее делом своей жизни.

История науки учит, что всякий раз, когда человечество овладевает очередной ступенькой лестницы, ведущей в глубь вещества, это приводит к открытию нового, еще более мощного вида энергии. Горение и взрыв связаны с перестройкой молекул. Внутриатомные процессы сопровождаются выделением в миллионы раз большей энергии. С еще более мощным энерговыделением мы встречаемся на уровне элементарных частиц. А что будет на следующих ступенях? Изучение строения вещества — это одновременно и поиск новых источников энергии. Не зря говорят, что нет ничего практичнее хорошей теории!

Когда речь идет о переднем крае науки, где самим ученым еще далеко не все ясно, возникает трудная задача: как рассказать об этом так, чтобы было достаточно просто и вместе с тем донести до читателя суть того, что волнует специалистов. Кто-то, возможно, искренне удивится: в чем, собственно, проблема? Ведь речь идет о вещах, хорошо знакомых ученому. Что стоит, мол, ему поведать о том, что у него, как говорится, в зубах навязло!

Пожалуй, самое трудное здесь — это язык. Ученый говорит и думает на емком профессиональном языке, где за каждым словом — уйма специальных понятий. Экстраполяция, изоспин, интерференция, квантование — эти и множество других терминов используются в разговорах ученых как нечто само собой разумеющееся. Если запретить их, ученый буквально онемеет, потеряет язык. А как быть с читателем, которому все эти термины как колдобины на дороге? Попытаться переложить их на обиходный язык? Но тогда суть дела просто утонет в объяснениях, и ваш рассказ не станут ни читать, ни слушать. Вот и приходится использовать аналогии, заменять сложные понятия очень приближенными, зато наглядными образами.

Впрочем, так поступают и сами ученые, когда разъясняют своим коллегам новые понятия и идеи.

Трудные вопросы обладают свойством тянуть за собой вереницу новых. Никогда нельзя сказать: я понял все. На заднем плане всегда остается частокол «как» и «почему». Один из физиков любил повторять, что у понимания есть три стадии: первая — когда кажется, что все ясно, вторая — когда появились вопросы, и третья — когда эти вопросы затмили тот, с которого все началось. Это, конечно, шутка, но в ней скрыта глубокая мысль. Чем глубже мы понимаем проблему, тем серьезнее становятся рожденные ею новые вопросы.

По своему опыту знаю, что книги о науке полезно читать дважды. Первый раз быстро, чтобы составить общую картину и в главных чертах уяснить, что к чему. Потом еще раз — медленно и вдумчиво, разбирая детали, а главное, постоянно задавая себе вопрос: почему? Бальзак как-то верно заметил, что ключом ко всякой науке является вопросительный знак.

И еще одно. На переднем крае науки надо быть готовым встретиться с идеями и фактами, которые покажутся несовместимыми со здравым смыслом. Не следует только забывать, что «здравый смысл» — это всего лишь основанная на опыте привычка видеть ход вещей в определенном свете, привычка, которая может подвести в области новых явлений. Здесь надо семь раз подумать, прежде чем сказать: это невозможно, этого не может быть.

Очень поучителен случай, который произошел в Парижской Академии наук в конце XVIII века. Тогда большинство ученых отказывалось верить многочисленным свидетелям падения метеоритов. Такого не может быть, и все, камней на небе нет! И когда пришло очередное сообщение, подписанное мэром и многими жителями одного из гасконских городков, академики приняли специальное решение о необходимости более энергичной борьбы «с суеверием». Но камни с неба продолжали падать, и Парижской Академии не оставалось ничего другого, как забыть о своем опрометчивом решении.

В таинственных джунглях Страны Неизвестного следует быть очень осторожным. Плохо, если мы тигра примем за большую домашнюю кошку, но и горящие в темноте кошачьи глаза не следует путать с глазами монстра. Компасом тут служит эксперимент. Только он в конечном счете может сказать, правильны наши представления или нет.

Безусловно, в книге нет готовых ответов на все вопросы, которые возникнут у читателя. Часть ответов может найти сам читатель, если будет размышлять, сопоставлять и сравнивать прочитанное. А тем, кто захочет глубже заглянуть в суть проблемы, полезно будет заглянуть и в другие книги на эту тему.