Кварки, протоны, Вселенная - Владилен Барашенков

Владилен Сергеевич Барашенков

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

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.