Кварки, протоны, Вселенная - Владилен Барашенков

Итак, мы видим, что пустота в реальном мире так же неисчерпаема, как и вещество. Абсолютная пустота — не более чем теоретическая абстракция, реальная же пустота, или физический вакуум,— одно из состояний материи, из которого, быть может, и родилась наша Вселенная. Мир поразительно разнообразен и вместе с тем поразительно в своей основе един. В этом согласны и физики и философы.

ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ,

в которой автор пытается объяснить, что такое пространство и время, а также в чем состоит то главное, без чего пространство перестает быть пространством, а время — временем

Вся наша жизнь, все явления вокруг нас протекают в пространстве и времени. Но что это такое — пространство и время? Обычно мы не задумываемся об этом. Из философских словарей и энциклопедий мы узнаем, что пространство и время — это формы существования материи, и это совершенно справедливо. А что они представляют собой с точки зрения современной физики? Чем, например, пространство и время космических миров отличаются от пространства и времени внутри элементарных частиц? Различие масштабов здесь колоссальное — в 1043 раз! Неужели не найдется и различия в свойствах?

Можно ли как-то воздействовать на эти свойства, например сжать пространство и растянуть время? Всегда ли материя (вся окружающая нас природа, весь мир) обладает такими свойствами? Возможны ли какие-нибудь виды материи, которые существуют вне времени и пространства? Вот лишь часть вопросов, которыми задается современная физика.

В мире есть два геометрических полюса — самое большое и самое маленькое. Самое большое из известного нам — размеры и возраст Вселенной. Оценки, основанные на теории Фридмана и наблюдательных данных астрономии, говорят, что наша Вселенная простирается на 1023 километров и существует не меньше 1010 лет. Наиболее мощные оптические телескопы и радиотелескопы позволяют проникнуть в космос на 1022 километров, то есть рассмотреть ту часть пространства, которая образовалась за последние два-три миллиарда лет. По сравнению с полным объемом нашего мира это все равно, что шарик для пинг-понга в центре футбольного мяча. До «края» совсем недалеко: что значит оставшаяся десятка по срав-нению с 1023! Но именно там, внутри оставшегося слоя, скрыто самое сокровенное — осколки первичного взрыва, «праматерия». Там ответы на многие волнующие загадки мироздания. И в недалеком будущем заглянуть туда ученым наверняка удастся.

Если верить теории Фридмана, то расстояние порядка 1023 километров и длительность порядка 1010 лет — самые большие интервалы пространства и времени, с которыми мы можем иметь дело на практике. Большие величины могут быть, но лишь в теории.

На другом полюсе нашего мира, в области микроявлений, мы можем с помощью оптических микроскопов различать расстояния, скажем, в стотысячную долю сантиметра. Это длина волны видимого света, предел того, что мы можем увидеть непосредственно нашим глазом. Предметы меньшего размера световые волны огибают, отчего мы не в состоянии их увидеть.

Электронный микроскоп, в котором вместо светового луча на предмет направляется пучок быстрых, или, как говорят физики, жестких электронов, а изображение воспринимает не наша сетчатка, а светочувствительный экран или фотопластинка, позволяет продвинуться в тысячу раз дальше — приблизительно до стомиллионной доли сантиметра. И мы благодаря этому можем рассмотреть любые молекулы и даже отдельные атомы.

Электронным пучком можно высветить и более мелкие объекты, например, части атомных ядер — протоны и нейтроны. Но для этого необходимо увеличить энергию электронов, сделать их еще более жесткими. Дело в том, что, подобно световым частицам, фотонам, электроны обладают волновыми свойствами. Можно сказать, что пучок электронов как бы немного дрожит, траектории его частиц несколько размываются, и чтобы сфокусировать изображение, приходится пользоваться очень быстрыми электронами, у которых инерция движения способна превозмочь волновое дрожание пучка (оттого их и называют жесткими).

Чтобы проникнуть еще глубже, нужны ускорители частиц. Это громоздкие и очень сложные сооружения; их создание под силу только экономически развитым странам или группам стран. В последнее время все чаще создаются именно такие, интернациональные ускорители. Глубже всего в недра материи, вплоть до расстояний почти в тысячу раз короче диаметра протона, можно про-никнуть, сталкивая меж собой два ускоренных пучка частиц — одних протонов, протонов и антипротонов, электронов и протонов и так далее. Для этого пучок частиц из ускорителя с помощью системы магнитных линз загоняют в вакуумированное кольцо, помещенное в сильное магнитное поле, которое искривляет траектории частиц и удерживает их на круговой орбите. Импульс за импульсом добавляется к току частиц в таком кольце, а когда количество накопленных частиц становится достаточно большим, магнитное поле выключают, и частицы из кольца в едином порыве устремляются по прямой навстречу основному пучку частиц из ускорителя. Иногда частицами накачивают сразу два кольца, которые и разряжаются ими так, что те мчатся друг к другу. В Институте физики Сибирского отделения Академии наук таким образом сталкивают пучки электронов и позитронов. В Международном институте высоких энергий в Женеве сталкиваются пучки протонов и антипротонов — струи вещества и антивещества. Энергия относительного движения разогнанных навстречу друг другу частиц при этом так велика, что волновая «размазка» не сказывается до расстояний в 10-16 сантиметров.

Легко понять, что сталкивающиеся протоны взаимодействуют тем сильнее, чем меньше расстояние между их центрами. Перекрываясь своими частями, протоны как бы прощупывают друг друга. Изучая их рассеяние, можно представить себе картину распределения вещества внутри протона. И чем выше энергия сталкивающихся частиц, тем мельче подробности, которые удается различить. В недалеком будущем на этом пути удастся достичь расстояний порядка 10-17 сантиметров, то есть в 10 тысяч раз меньше протона. В Советском Союзе и в других странах проектируются и создаются необходимые для этого ускорители. Но это, по-видимому, близко уже к пределу. Вес, размеры, а главное, стоимость ускорителей становятся грандиозными. Неспроста современные ускорители элементарных частиц называют пирамидами XX века! Ясно, что старые физические и инженерные идеи себя исчерпали; чтобы двигаться далее в глубь материи, нужно придумать что-то принципиально новое. А пока единственным источником частиц сверхвысоких энергий остаются космические лучи. Среди частиц, входящих в их состав, встречаются такие, которые обладают энергией, в миллиарды раз превосходящей энергию частиц в самых мощных ускорителях. С помощью таких частиц можно зондировать расстояния до 10-20 сантиметров — в 10 миллионов раз меньше размеров протона! Плохо вот только, что космических частиц с такой большой энергией крайне мало, и опыты с ними трудно контролировать. Тем не менее, если немного пофантазировать, можно представить себе, что когда-нибудь в космосе будут построены ловушки-накопители таких сверхвысокоэнергетических частиц, которые можно будет использовать для изучения их встречных столкновений —так, как это делается в опытах со встречными пучками на ускорителях. И вот тогда можно будет добраться до расстояний порядка 10-25 сантиметров.

Возможно, что 10-26 сантиметров — это предельно малые пространственные размеры, которые доступны нам в природе. Меньших расстояний просто неясно, как достигнуть. Впрочем, заметим снова и снова: что касается прогнозов в физике, то с ними надо быть очень осторожными. Сама квантовая механика существует немногим более полувека, а до того никому и в голову не приходило, что в природе существует какая-то «волновая размазка» траекторий, которая будет основным препятствием нашему продвижению в недра материи. Трудно сказать, что нас ждет еще на этом пути. К тому же не обязательно ведь ломиться сквозь пространство, так сказать, напрямик. Может быть, существуют какие-то обходные, но более эффективные пути, какие-нибудь «проколы» искривленного пространства-времени или что-нибудь еще более неожиданное. Но это уже чистая фантастика.

А как быть с еще меньшими расстояниями? Ведь 10-25 сантиметров — это еще очень далеко до минимальной «порции» пространства — геометрического кванта размером приблизительно 10-33 сантиметров, существование которого предсказывает теория. Вот дальше идти действительно некуда — меньших размеров в природе, видимо, не существует, и порции-кванты в 10-33 сантиметров всегда проявляют себя как единое целое, у которого нет частей. Конечно, все это так, если теория справедлива, но это должен показать эксперимент, а какой пока неизвестно.