Юрий Чирков - Охота за кварками
Одно из многих чудес квантовой механики - это так называемое "соотношение неопределенностей" Гейзенберга. Суть тут та, что. чем меньше размеры области, где заключен исследуемый объект, тем больше его скорость или энергия, или, что то же, - масса. Поэтому, чем в большие глубины забираются исследователи, тем с большими массами они обязаны иметь дело.
Понятно, подобные идеи не могли возникнуть ни у Демокрита, ни у Лукреция Кара, ни у физиков более позднего времени. И им поневоле приходилось довольствоваться примитивными матрешечными построениями.
И только в наши дни появился совершенно новый взгляд на структуру микромира, который даже пригрезиться не мог древним мудрецам. Не матрешки, вложенные одна в другую и становящиеся все меньше, а, так сказать, "антиматрешки", "матрешки наоборот": череда все более увеличивающихся в размерах куколок, размещающихся тем не менее в бесконечно малом объеме.
"Но откуда возьмутся такие великанши? - вправе спросить читатель. - Где эти громадины прячутся?"
Ответ таков: в ядре.
Эксперименты по рассеянию мезонов и других частицснарядов на нуклонах позволили "прощупать" (своеобразный рентген!) их внутреннее строение.
Основное вещество протона, как в атоме, сконцентрировано в его центральной части - керне (радиус керна около 5 x 10^-14 сантиметра). Однако если радиус атомного ядра приблизительно в сто тысяч раз меньше размеров самого атома, то радиус керна всего лишь в несколько раз меньше размеров протона (остальная часть протона - это мезонная оболочка, или "шуба").
Атом своим строением напоминает солнечную систему. Протон же скорее всего похож на планету с массивным центральным ядром и окружающей ее протяженной атмосферой. Примерно то же самое можно сказать и про нейтрон.
Строение керна пока остается загадкой. Возможно, как подозревают некоторые ученые, керн нуклонов сложен из плотных сгустков очень тяжелых частиц. Там, вероятно, и находятся матрешки-гиганта.
Существование вереницы все увеличивающихся в размерах матрешек вновь ставит перед учеными и философами старинный вопрос, только теперь он как бы вывернут наизнанку конечна шеренга увеличивающихся магрешек или же бесконечна?
Или по-иному скажем так: если в старой атомистике шел спор о существовании какой-то мельчайшей из малых частиц, то теперь законно сирость, а нет ли в природе элементарной частицы предельно большой массы, которая бы претсндовата на роль фундаментального "элемента" (слово взято в кавычки, ибо этот "элемент" по своим параметрам -- масса - явно аптиэлементарен!) матрешек?
Эти мысли (изложенные, конечно, строгим языком формул) впервые (1965) отчетливо выразил советский физик-теоретик академик М. Марков. Он же предложил назвать частицу с предельной массой "максимоном".
Спектр возможных масс элементарных частиц очень широк, но отчего бы не существовать его храыицам? Верхней - максимой и нижней - минимон (наименьшая отличная от нуля масса, это понятие также введено М. Марковым).
Готовой предельной массы природа не заготовила?
Что же, ее надо сконструировать!
Из скорости света с постоянной Планка h и гравитационной постоянной х можно образовать величину размерности массы:
.........._______..............
m макс.= V (hc/х)*10^-5 грамма.
...............................
Она - ее называют массой Планка - в 10^19 раз больше массы протона. Частица с такой массой и есть максимой.
Академик М. Марков полагает, что элементарная частица с такой чудовищной массой (обнаружить максимой на поверхности Земли нельзя: сила тяжести увлечет его, и он, разрывая слабые силы сцепления между атомами вещества, провалится к центру планеты!) должна ограничить спектр возможных частиц, что в природе не существует микрообъектов с массой больше, чем тмакс.
Прав ученый или нет - покажет будущее. Но уже сейчас можно утверждать о состоявшейся революции в наших взглядах на коренные аспекты мироустройства.
Имея в виду "опрокинутую" (не сверху вниз, к малому, а снизу вверх - к большому!) последовательность матрешек, М. Марков в одной из статей выразился так:
"Появление этой идеи можно рассматривать как самое яркое и значительное событие за всю тысячелетнюю историю наших представлений о веществе".
9
Вселенная в электроне?
Быть может, эти электроны
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!
Еще, быть может, каждый атом
Вселенная, где сто планет;
Там - все, что здесь, в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет...
Валерий Брюсов
В ясную безоблачную ночь кто из нас, запрокинув вверх голову, не разглядывал усеянное звездами бездонное небо? Вот Большая Медведица. Полярная звезда, вон щедрая россыпь Млечного Пути... Созвездия, галактики, мир всевозрастающих расстояний. Где же конец этой веренице исполинов, когда за большим следует еще большее?
Что там, за космическим, галактическим горизонтом?
Бесконечна ли Вселенная или ограничена? Если размеры ее конечны, то как их измерить?..
Эти и подобные им волнующие вопросы задавал себе каждый.
Неожиданный, парадоксальный, ошеломляющий ответ дает академик-секретарь отделения ядерной физики АН СССР М. Марков. Бесконечно большое, казалось бы, неизмеримое он предлагает охватить... бесконечно малым!
"Там та же мировая спесь"
В каждой частице, какой бы малой она ни была, "есть города, населенные людьми, обработанные поля, и светит солнце, луна и другие звезды, как у нас". Анаксагор утверждал это еще в V веке до нашей эры.
Трудно согласиться с подобными утверждениями, весь наш чувственный, житейский опыт противится. В жизни наш удел - малые скорости, ничтожно малые по сравнению со скоростью света, и массы веществ, в неизмеримое число раз превышающие массу атомов и исчезающе малые по сравнению с массами звезд.
Меру огромного дает нам космос. Даже невооруженным глазом человек может различить на всем (оба полушария) небе 6 тысяч звезд. Но это число начинает бешено расти, если наше несовершенное зрение усилить астрономическими трубами, оптическими телескопами, радиотелескопами.
Тут уж в одном лишь Млечном Пути человеку удалось бы различить, как показывают оценки, примерно 200 миллиардов звезд. А надо бы еще учесть, что галактик, подобных нашей, в космосе, утверждают астрономы, можно насчитать до 10 миллиардов!..
Звездные бездны страшили французского ученого и философа Б. Паскаля (1623-1662). Он много размышлял о месте человека ("мыслящего тростника", как он его называл) в этом беспредельном мире. Б. Паскаль говорил:
"Что такое человек в природе? Ничто в сравнении с бесконечностью и все в сравнении с ничем. Это середина между ничем и всем..."
Да, для нас малое - это атом, а большое - "толщи"
Вселенной. И по старинке мы упрямо строим большое из малого.
Пока эту идею исповедует большинство. И только отдельные люди - ученые, поэты, философы, мечтатели - восстают против очевидности.
В XVII веке мысли Анаксагора о вложенных мирах повторил немецкий философ и математик Г. Лейбниц (он вместе с И. Ньютоном, независимо, заложил основы дифференциального и интегрального исчислений). Он также считал, что в каждой, даже "наименьшей части материи существует целый мир созданий, живых существ, животных...".
Эти взгляды Г. Лейбница и других мыслителей - вскоре пришла эпоха микроскопов, потрясенные натураралисты увидели за линзами сложные структуры, целые неведомые миры! - ядовито высмеял в стихах Д. Свифт.
Он писал:
Натуралистами открыты
У паразитов паразиты,
И произвел переполох
Тот факт, что блохи ость у блох.
И обнаружил микроскоп.
Что на клопе бывает кяоп,
Питающийся паразитом,
На нем другой, ad infinitum...
Но вопреки всем этим насмешкам многие биологи упрямо полагали, что яблочное семечко заключает в себе крошечную яблоню - целое дерево с плодами, внутри которых опять-таки находятся еще более крохотные яблоньки. И так до бесконечности.
Подобной игре воображения предавались и некоторые физики. И даже в не очень отдаленные времена, когда Н. Бор предложил планетарную модель атома.
Ход мысли его был таков: электроны - планеты атомной системы - населены чрезвычайно малыми живыми существами, которые возводят свои домики, обрабатывают почву и изучают свою атомную физику. И на каком-то этапе они обнаруживают, что и их атомы также являются маленькими планетными системами...
А в начале нашего века В. Брюсов в стихотворении "Мир электрона" (этот маленький шедевр датирован 13 августа 1922 года) писал - смотри эпиграф к этой главе - про электроны, где скрыты целые вселенные и живут существа, подобные нам. Вот продолжение этого стихотворения:
Их меры малы, но все та же
Их бесконечность, как и здесь;
Там скорбь и страсть, как здесь, и даже
Там та же мировая спесь.
Их мудрецы, свой мир бескрайний
Поставив центром бытия,
