Юрий Чирков - Охота за кварками
………………………….
Она — ее называют массой Планка — в 1019 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 mмакс.
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 электроныМиры, где пять материков,Искусства, знанья, войны, троныИ память сорока веков!
Еще, быть может, каждый атомВселенная, где сто планет;Там — все, что здесь, в объеме сжатом,Но также то, чего здесь нет…
Валерий БрюсовВ 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 натуралисты увидели за линзами сложные структуры, целые неведомые миры! — ядовито высмеял в стихах Д. Свифт.
Он писал:
Натуралистами открытыУ паразитов паразиты,И произвел переполохТот 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 жеИх бесконечность, как и здесь;Там скорбь и страсть, как здесь, и дажеТам та же мировая спесь.
Их мудрецы, свой мир бескрайнийПоставив центром бытия,Спешат проникнуть в искры тайныИ умствуют как ныне я…
Как относиться к подобным представлениям? Объявить вздором, нелепицей? Давайте не будем торопиться с выводами. Ученые уже много раз показывали, как относительны понятия «большого» и «малого».
Эстафета великих открытий
В 1915 году была создана общая теория относительности.
Было показано, что геометрические свойства пространства реального мира существенным образом зависят от того, как распределена в нем материя. Другими словами, было установлено: окружающий нас мир, подобно изогнутому листу бумаги, обладает кривизной, и эта кривизна связана с гравитационным полем.
Простой пример. Мы привыкли, так учит в школе геометрия Эвклида, что сумма углов треугольника равна 180 градусам, или, если углы измерять в радианах, равна числу π. Но это верно лишь для Эвклидовой геометрии.
В неэвклидовых — сумма углов треугольника может быть и больше (пространства с положительной кривизной) и меньше (пространства с отрицательной кривизной) числа π.
По Эйнштейну, вид геометрии в конечном итоге определяет плотность вещества, распределение материи в пространстве. Если плотность достаточно велика, то, скажем, отношение длины окружности к диаметру перестает быть равным π. Это отношение может даже стать равным нолю, а изучаемая система при этом превратится… в крохотную точку.
В 1922 году ленинградский математик А. Фридман, анализируя уравнения общей теории относительности, сделал сенсационное открытие. (Широта интересов А. Фридмана поразительна: он имел звание летчика — в 1914 году добровольцем ушел на фронт и получил за храбрость «Георгия», — занимался теорией бомбометания, метеорологией — в 1925 году с научной целью поднялся в аэростате на рекордную для того времени высоту 7400 метров… А. Фридман любил повторять слова Данте: «Вод, в которые я вступаю, еще не пересекал никто». Жаль, что этот так много обещавший ученый скончался так рано: в Крыму, куда он приехал отдыхать, он заразился брюшным тифом и умер в возрасте 37 лет.)
А. Фридман обнаружил, что уравнение Эйнштейна имеет решения, которые описывают необычный мир — замкнутый. Под действием гравитации в отдельных участках Вселенной материя может «схлопнуться», образовав самозамкнувшееся пространство.
Как представить себе это необычное явление?
Возьмем шар и вообразим, что мы из землян превратились в «сферян», ползающих по поверхности шара и ничего не подозревающих о существовании третьего измерения.
Поверхность сферы образует особый двухмерный мир.
Он замкнут и в то же время безграничен — ведь по поверхности шара можно двигаться в любом направлении, не опасаясь наткнуться на какую-то неодолимую преграду.
Сферяне не догадываются о трехмерности их мира.
Но они могут ставить опыты и, допустим, решили опытным путем проверить, безгранична или же ограниченна их Вселенная. Они начинаю! чертить на поверхности сферы окружности. И вот, к их великому удивлению, длина окружности, все возрастая по мере удаления от того места, где находятся сферяне-экспериментаторы, достигает максимума (на экваторе), а затем (поразительно!) начинает неуклонно уменьшаться, вплоть до ноля.
