Читаем Вселенная в электроне онлайн бесплатно

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.

Ступень молекул, ступень атомов… Сегодня известно пять таких ступеней, пять этажей мироздания. Что находится на самых нижних из них? Есть ли что-нибудь еще глубже? Куда ведет эта лестница — в бездну бесконечного или же, в конце концов, мы спустимся в самый нижний этаж, в подземелье, где спрятаны главные тайны нашего мира?

Какие законы управляют миром? Каждый этаж — удельное княжество, монастырь со своим собственным уставом или же это — рядовая губерния единого государства с обязательным для всех общим законом? Как устроено это государство — по принципу монархии, когда где-то глубоко в недрах материи есть самый главный Первоэлемент, или же по законам демократии с равноправными гражданами-частицами на каждом этаже?

Итак, как устроен и из чего состоит наш мир в самых глубинных его слоях?

А как туда заглянуть, с помощью какого микроскопа? Может быть, там прячутся «атомы пространства» — последние неделимые далее «пузырьки», внутри которых больше уже ничего нет?

Масса вопросов, один сложнее другого. Попытаемся ответить хотя бы на некоторые из них. Вступим на первую ступеньку лестницы, ведущей в недра материи.

Знаменитый греческий ученый Фалес жил 2600 лет назад. Немногие свидетельства о его жизни, которые дошли до нас сквозь толщу тысячелетий, говорят, что это был общительный, жизнерадостный человек отменного здоровья, сочетавший занятия наукой со спортом. Он не раз завоевывал олимпийские призы. И умер он на стадионе от солнечного удара, когда в почтенном 78-летнем возрасте аплодировал соревнованию олимпийцев.

Фалес долго прожил в Египте, стараясь проникнуть в тайны жрецов. Его знания по геометрии и астрономии поражали современников. Особенно после того, как он предсказал полное солнечное затмение. Это явление, когда солнце становится черным диском и наступает ночь среди бела дня, даже сегодня порождает подсознательный страх у многих людей. Можно представить, какое волнение и ужас вызывало оно две-три тысячи лет назад!

Но главная заслуга Фалеса в том, что он первым поставил вопрос об исходных элементах мира. Он раньше всех увидел лестницу, ведущую в глубь вещества.

Последующие двести лет греческие мудрецы, их называли философами — любомудрами, принимали за первичные различные вещества и процессы. Чаще всего это были вода (ей отдавал предпочтение и сам Фалес), воздух, земля, огонь. С современной точки зрения, весьма наивные попытки. Седобородые греческие мудрецы топтались на верхней площадке структурной лестницы, пытаясь ощупью найти ее ступени.

Приборы, которыми располагали греки, были очень примитивны. Главными из них были весы да еще сосуды для измерения объемов. Даже плохонькая физическая лаборатория какой-нибудь маленькой нынешней школы показалась бы им фантастической. Основным оружием древнегреческих ученых была логика. Оказывается, если иметь острый глаз и светлую голову, то уже самых обычных явлений окружающей жизни достаточно, чтобы получить важные выводы о глубинных свойствах вещей.

Это сделали последователи Фалеса — Левкипп и его ученик Демокрит. Они пропустили ступеньку молекул и сразу шагнули на ступень атомов.

Когда спрашивают, кто первым открыл атом, ответ всегда вызывает удивление. Его сначала придумали, почти на две с половиной тысячи лет раньше, чем открыли. Это случилось в небольшом, как теперь говорят, заштатном, греческом городке Абдеры. Хотя, по преданию, жители этого городка издавна почитались за простофиль и недотеп, этого нельзя сказать об их знаменитых согражданах Левкиппе и Демокрите. О первом известно мало. Труды Левкиппа не сохранились, его имя лишь изредка упоминается в книгах древних ученых. О Демокрите известно значительно больше. Он происходил из очень богатой семьи, но, как повествует легенда, все оставшееся ему наследство растратил на путешествия и учебу.

Растратить наследство в Древней Греции считалось одним из самых тяжких преступлений и каралось изгнанием. Однако когда на суде Демокрит зачитал свой труд, где излагалась идея атомов, жители Абдер — представьте себе! — не только простили его, но даже наградили деньгами, оценив его труд суммой, большей чем потерянное наследство!

С Демокритом связана масса легенд. Рассказывают, что даже смерть его была необычной. Столетним старцем, почувствовав ее приближение, он, чтобы не портить праздника своим родным, сумел продлить свою жизнь, вдыхая запах горячих хлебов.