Удивительная космология - Лев Шильник

Современная физика все дальше уходит от наглядности, оперируя категориями, которые могут быть адекватно описаны только на языке строгой математики. Еще совсем недавно атом рисовали в форме миниатюрной солнечной системы: положительно заряженное ядро в центре в роли крохотного светила и отрицательно заряженные шустрые электроны, крутящиеся наподобие планет вокруг ядра. Сегодня мы знаем, что эта идиллическая картинка не имеет с реальностью ничего общего. Во-первых, электроны не могут располагаться на произвольных орбитах вокруг ядра, а вынуждены занимать жестко фиксированные уровни, которые определяются энергией, имеющейся в распоряжении того или иного электрона. Отчасти это напоминает лестницу: скакать со ступеньки на ступеньку можно сколько угодно, а вот висеть между ними – извините-подвиньтесь! Во-вторых, электроны совсем не похожи на твердые планеты-шарики, хотя мы и говорим, что электрон вращается вокруг ядра. На самом деле ни о каком движении в привычном понимании этого слова здесь не может быть и речи: электрон не крутится как заведенный, но находится в некотором определенном состоянии, которое описывается сложной волновой функцией. Иными словами, мы имеем право говорить только лишь о вероятности пребывания электрона в той или иной точке.

И не спешите восклицать, что этого не может быть. Бывает всякое, и если так называемый здравый смысл откровенно пасует, отказываясь отделять зерна от плевел, это еще не повод, чтобы выбрасывать в мусорную корзину головоломные научные построения.

Можно вспомнить эпизод из повести братьев Стругацких «Улитка на склоне», когда Перец (один из главных героев) безуспешно пытается попасть на прием к директору некоего загадочного Управления по делам не менее загадочного Леса. Ким, начальник Переца, его утешает и говорит, что со временем все образуется, а когда Перец в сердцах кричит, что эта нелепая секретность ему уже поперек горла и он желает знать хотя бы такую малость, как директор выглядит, то получает исчерпывающий ответ.

– Какой? Невысокого роста, рыжеватый <…>

– А Тузик говорит, что он сухопарый и носит длинные волосы, потому что у него нет одного уха.

– Это какой еще Тузик?

– Шофер, я же тебе рассказывал.

Ким желчно засмеялся.

– Откуда шофер Тузик может все это знать? Слушай, Перчик, нельзя же быть таким доверчивым.

– Тузик говорит, что был у него шофером и несколько раз его видел.

– Ну и что? Врет, вероятно. Я был у него секретарем, а не видел его ни разу.

– Кого?

– Директора. Я долго был у него секретарем, пока не защитил диссертации.

– И ни разу его не видел?

– Ну естественно! Ты воображаешь, что это так просто?

– Подожди, откуда же ты знаешь, что он рыжеватый и так далее?

Ким покачал головой.

– Перчик, – сказал он ласково. – Душенька. Никто никогда не видел атома водорода, но все знают, что у него есть одна электронная оболочка определенных характеристик и ядро, состоящее в простейшем случае из одного протона.

Во многом знании много печали, говорили наши мудрые предки. Для чего попусту апеллировать к здравому смыслу? Если некое теоретическое утверждение целиком и полностью согласуется с опытными данными, его следует признать верным, а не заниматься пустой схоластикой. Построена крепкая и надежная модель, и покуда она работает – чего ж вам боле? Перестанет работать – ее место займет другая. Наука не религия, ее не увлекает сакраментальный вопрос «что есть истина». Наука не предлагает окончательных решений, а строит модели. Но при этом не следует забывать, что любая модель расплывчата и несовершенна; она ни в коем случае не реальность, а только ее отпечаток, и боровская модель атома ничуть не похожа на подлинный атом.

И если популяризаторы от физики толкуют о дуализме свойств, изначально присущих всему населению микромира, нужно всегда помнить, что это не более чем фигура речи. Нельзя сказать, чтобы они сильно погрешили против истины, поскольку электрон действительно ведет себя как заправский фокусник, в мгновение ока меняющий обличье: то обернется волной, а то от души продемонстрирует свои корпускулярные свойства. На самом деле всему виной наши удушливые стереотипы, которые имеют к природе вещей самое косвенное отношение. Электрон не является ни волной, ни частицей, поскольку изнанка вещей творилась не под человека; электрон – всего-навсего электрон, двуликий Янус, ведущий себя так, как ему предначертано. В одних случаях он выступает как частица, а в других – как волна, оставаясь при этом непостижимой вещью в себе, с фиксированной массой, отрицательным зарядом и полуцелым спином.

Альберт Эйнштейн

Теория относительности Альберта Эйнштейна (как специальная, так и общая) тоже противоречит нашему повседневному опыту. Если вы, читатель, способны наглядно вообразить искривленное трехмерное пространство, то честь вам и хвала, но большинство людей к таким подвигам решительно не готово. Между тем кривизна пространства вблизи массивных небесных тел – бесспорный факт, что не единожды было продемонстрировано экспериментально. А закон сложения скоростей в специальной теории относительности? Если водитель «копейки» едет со скоростью 60 километров в час, а велосипедист – со скоростью 30, причем оба они движутся в одном направлении, то даже ученик начальной школы без труда вычислит их скорость друг относительно друга.

А теперь представьте космический корабль, летящий вдогонку за световым лучом со скоростью 250 тысяч километров в секунду. Напомню на всякий случай, что скорость света в пустоте равняется 300 тысячам километров в секунду. Вопрос: с какой скоростью световой пучок убегает от корабля? Человек со средним образованием может подумать, что его держат за дурака, ибо ответ, казалось бы, напрашивается сам собой – 50 тысяч километров в секунду. Однако не тут-то было! Измерив скорость луча света, мы получим, как это ни странно, те же самые 300 тысяч километров в секунду. Более того, упомянутый космический корабль может впритык приблизиться к световому барьеру, но скорость света, измеренная на его борту, все равно не изменится ни на йоту и будет по-прежнему составлять 300 тысяч километров в секунду.

Дело в том, что скорость света в пустоте – величина абсолютная, это одна из фундаментальных констант. Еще более поразительно, что эта скорость отличается строгим постоянством. Из житейского опыта нам известно, что любое тело, двигающееся по инерции, раз затормозившись, не сможет набрать первоначальную скорость. Скажем, винтовочная пуля, пробив навылет дюймовую доску, полетит медленнее. А вот свет ведет себя совершенно иначе. Если поставить на пути светового луча стеклянную призму, скорость света уменьшится, потому что в стекле она меньше, чем в пустоте. Однако стоит только световому лучу вырваться на свободу, как его скорость вновь скачкообразно возрастет до 300 тысяч километров в секунду. В пустоте свет всегда распространяется с одной и той же скоростью, и повлиять на нее принципиально невозможно.

С другой стороны, все тела, имеющие ненулевую массу покоя, могут двигаться только со скоростями, меньшими, чем скорость света. И чем быстрее такое тело движется, тем больше возрастает его масса и тем медленнее идут установленные на нем часы. Теоретически можно разогнать элементарную частицу, например протон, до такой скорости, что его масса превысит массу всей нашей Галактики. Принять подобное утверждение нелегко, однако в действительности так оно и есть. Привычные представления о природе вещей оказываются несостоятельными при скоростях, приближающихся к скорости света.

И нельзя спрашивать, почему природа поступила именно так, а не иначе, подобный вопрос далеко не всегда корректен. Ровно с тем же успехом можно спросить, почему скорость света равняется 300 тысячам километров в секунду, а не другой величине – большей или меньшей. Можно поинтересоваться, для чего природе вообще понадобилось ограничивать скорость распространения сигнала некоей предельной величиной. Почему материальные тела не могут перемещаться со сколь угодно большой скоростью? Все это совершенно пустые вопросы, не имеющие права на существование. Почему, почему… Толочь воду в ступе можно до посинения. По кочану да по капусте! Так устроен мир, и переделать его никому еще не удавалось, что бы ни говорили по этому поводу ортодоксальные марксисты.

Закон сохранения энергии был сформулирован без малого 300 лет тому назад, но до сих пор ничего не известно о механизмах работы этого закона. Просто все процессы протекают так, что энергия сохраняется. Столь же нелепы рассуждения о том, что было, когда мира не было. Между прочим, это понимали еще древние. Блаженный Августин в свое время говаривал, что мир был сотворен не во времени, а вместе со временем, поэтому толковать о существовании чего бы то ни было до момента «ноль» не имеет никакого смысла. Что тут скажешь? Головастый был поп, и современные астрофизики подпишутся под каждым его словом.