На берегу океана непознанного: иллюзия простоты

М. Каганов
«Квант» №4, 2012, «Квант» №5–6, 2012

Памяти Л. Н. Розенцвейга

Недавно я вспомнил Генриха мореплавателя. Был в XV веке такой португальский принц, о котором я узнал в школьные годы, читая о великих географических открытиях. Получил он свое прозвище, никогда не принимая участия в морских походах. В течение сорока лет принц снаряжал и посылал многочисленные морские экспедиции. Для этого он основал обсерваторию, открыл мореходную школу и построил верфь для строительства каравелл — своеобразный форпост на юго-западной оконечности Португалии. Отсюда естественно было начинать путь туда, куда направлялись посылаемые им суда, — на юг вдоль атлантических берегов Африки. Детище Генриха Мореплавателя получило название Вилла-до-Инфанте. Он был третьим сыном короля Португалии Жоана I. Вилла стала центром притяжения для видных ученых, картографов и астрономов того времени.

О Генрихе Мореплавателе я вспомнил, когда читал переведенные на русский язык научно-популярные книги по физике. Задумался и решил, что физика, почти как всегда и как во времена Ньютона, находится на берегу океана непознанного. В моем юношеском сознании Генрих Мореплаватель остался одним из тех, кто стремился к знанию. Его помыслы мне были неизвестны. Желая себя проверить, заглянул в интернет. Я не ошибся. Он стремился узнать, что есть там, где не побывал ни один европеец до отправленных им экспедиций. Его помыслы, как и следовало ожидать, были меркантильны. Им, точнее его экспедициями, были сделаны первые шаги по пути формирования мощной колониальной империи Португалии. Посланцы Генриха Мореплавателя привозили не только золото, но и первых в истории Европы черных рабов. Но у Генриха Мореплавателя была и жажда знаний. Великие географические открытия, предвозвестником которых он, несомненно, был, совершались после его смерти. Даже до открытия мыса Доброй Надежды не дожил любознательный инфант.

О Генрихе Мореплавателе, по-моему, не следует забывать, думая о сложном многовековом пути познания Мира человечеством. Поэтому, пытаясь поделиться своими мыслями о проблемах, обозначенных довольно точно названием статьи, я выбрал упоминание о Генрихе Мореплавателе в виде преамбулы.

* * *

Береговая черта океана непознанного — явное свидетельство существования материка познанного. Современная наука приводит к непрерывному росту размеров этого материка, сдвигает береговую черту и изменяет ее форму. При этом рост материка познанного сопровождается ростом океана непознанного, приводя к пониманию того, что теперь требуется постичь. Требование это жесткое, оно ощутимо научным сообществом: что на очереди, диктует логика развития науки.

Наука, даже в пределах физики, о которой только и пойдет речь в этой статье, в настоящее время многообразна. Оставаясь в пределах географической аналогии, надо сказать, что отнюдь не все физики участвуют в экспедициях в океан непознанного или даже трудятся вблизи береговой черты. На материке познанного много белых пятен и недостаточно изученных областей. Логика развития науки требует заполнить знанием белые пятна и составить более детальное представление о том, что (иногда неожиданно) проявило непонятные черты. Без ликвидации белых пятен простая картина Мира, создание которой, по мнению Альберта Эйнштейна, есть истинная цель науки, не завершена. Кроме того, по словам того же Эйнштейна, большинство ученых не думают о создании простой картины Мира. Они видят свое призвание в открытии новых явлений и свойств, которые могут помочь развитию техники. Их сфера деятельности — белые пятна и плохо исследованные области на материке познанного.

Наука стала дорогой. Между учеными существует конкуренция. Иногда ученые, прогнозирующие сравнительно скорое техническое использование своих будущих результатов, ополчаются против ассигнований на сооружения дорогих гигантских ускорителей и не менее дорогих приборов для получения надежных сведений из далеких областей Вселенной, хотя все понимают, что без них нельзя проникнуть в океан непознанного. Думаю, и с Генрихом Мореплавателем спорили, добиваясь, чтобы он выделял деньги не только на новые морские экспедиции, но и на караваны, следующие известными маршрутами.

Деление физики на области, существующие на первый взгляд независимо, не ликвидирует ее единства. Физика твердого тела невозможна без атомной физики и электродинамики, физическая кинетика служит всем областям физики. Ни одна физическая дисциплина не может обойтись без других. Расположены дисциплины на материке познанного по-разному. Положение дисциплины определяется ее историей, но не всегда. Иногда дисциплина, исторически расположенная в глубине материка познанного, казалось бы, далеко от берега океана непознанного, в своем развитии использует достижения совсем новых дисциплин, место которых либо у самой береговой черты, либо даже в просторах океана непознанного. А бывает, что давно существующая область физики преподносит открытие, место которого вдали от береговой черты — в океане непознанного.

Вот один из примеров. Физика твердого тела и физика магнитных явлений вполне заслуженно давно принадлежат материку познанного, но в каждой есть глава «Ядерный магнетизм», название которой подчеркивает близость к береговой черте. Правда, положение ядерной физики в последние десятилетия определить не так просто. С одной стороны, ядерная физика уже довольно далеко отошла от береговой черты и заняла устойчивое положение на материке познанного. С другой стороны, она не может существовать без физики элементарных частиц. Физика элементарных частиц по идее должна формировать береговую черту. Однако, само понятие элементарная частица не неизменно, а следовательно, непросто указать место береговой черты.

Другой пример. Сотрудники американской компании «Белл» Арно Аллан Пензиас и Роберт Вудро Уилсон (Вильсон) в начале 1960-х годов исследовали, почему не удается избавиться от шумов радиоаппаратуры (радиофизика давно находится на материке познанного), и открыли реликтовое излучение, заполняющее Вселенную со времен ее возникновения. Исследование реликтового излучения — одна из возможностей получить сведения из далеких областей океана непознанного, понять, какова была Вселенная в первые мгновения ее возникновения. Неудивительно, что Арно Пензиас и Роберт Уилсон за свое открытие были удостоены Нобелевской премии по физике (1978 г.).

* * *

Написанные мною статьи, обзоры, монографии, прочитанные лекции — всё, чем я занимался и в чем принимал личное участие, связано с физикой твердого тела: с физикой металлов и физикой магнитных явлений. Начиная с 30-х годов прошлого века, использование квантовой механики при решении задач макрофизики стало общепринятым, и тем самым физика конденсированного состояния заняла, похоже навсегда, место на материке познанного. Конечно, это не означает, что в этой области нет белых пятен или недостаточно подробно исследованных областей. Не преувеличивая своих заслуг, могу сказать, что вместе со своими учителями и коллегами я принимал участие в ликвидации нескольких белых пятен в теории металлов и в теории магнетизма. Вопросы, о которых идет речь в этой статье, не слишком занимали меня тогда, когда я решал конкретные задачи. Я не задумывался, ликвидирую ли я белое пятно или только выясняю новые черты недоисследованного явления. Мне очень нравилось то, чем я занимался, а тему всегда старался выбрать так, чтобы в результате выяснить нечто новое.

Мои интересы не ограничивались исключительно теми областями физики, в которые я пытался внести свой вклад. К сожалению, физика столь разнообразна, а методы теоретической физики столь сложны, что глубоко знать всю теоретическую физику я не мог. Похоже, Лев Давидович Ландау и Ричард Фейнман — последние энциклопедисты теоретической физики. Не сравнивая себя с гениями, могу честно признаться, что я знал много физиков-теоретиков, даже в моем непосредственном окружении, с более глубокими и широкими знаниями, чем у меня. Но мне было интересно, что происходит и в тех областях, где моего участия вовсе не было. Обзорные статьи и научно-популярная литература помогали знакомиться с тем, что происходило в океане непознанного, а главное, как меняет свои контуры береговая черта материка познанного.

* * *

Хорошо известно, что всё окружающее нас состоит из микроскопических частиц. Их научились различать, исследовать, о них накоплено достаточно знаний, чтобы объяснять наблюдаемые явления и существование тел с самыми разными свойствами. Понимание строения материи — одно из основных достижений науки. Микроскопические частицы объединены в структуры разной сложности. Атомы, молекулы, твердые тела — примеры таких структур. Структуры можно расположить по мере их усложнения. Возникает своеобразная лестница уровней, иерархия. Каждая структура имеет определенное место в иерархии, располагается на определенном уровне, как это условно показано в таблице 1.

Таблица 1

Эта таблица перечисляет объекты, которые изучает физика. Следует заметить, что название макроскопические тела выбрано ради стилистического единообразия. Объекты физики — не макроскопические тела или предметы с их устройством, а вещества, из которых они образованы (газы, жидкости, кристаллы, аморфные вещества, плазма и даже ядерная материя, из которых состоят некоторые звезды).

По таблице видно, что принадлежащий данному уровню объект состоит из того, что расположено на более низких уровнях. Молекулы состоят из атомов или ионов, атомы — из ядер и электронов, ядра — из протонов и нейтронов. Видно, что не обязательно все объекты нижнего уровня входят в состав объекта с верхнего уровня. Есть тела, состоящие из ионов, а есть тела, в которых ионов в идеале нет совсем, а если случайно там окажется ион, то воспринимается он как примесь. Не всегда для ответа на вопрос, из чего состоит данный объект, надо обращаться к соседнему нижнему уровню. Так, ядерная материя состоит из ядер, а в металлах и в плазме кроме ионов есть электроны, не входящие ни в ионы, ни в нейтральные атомы.

Надо подчеркнуть, что таблица эта не полна. Нет в ней фононов, нейтрино, хотя теперь хорошо известно, что и фононов и нейтрино во Вселенной очень много. Строго говоря, их надо поместить на нижний уровень. Мною руководило желание зафиксировать здесь те объекты, которые помогают ответить на вопрос, из чего состоит то, что нас окружает, то, что непосредственно мы ощущаем, что используем. Мы убедимся ниже, что опущены не только фононы и нейтрино.

Отсутствие уровней под уровнем «электроны, протоны, нейтроны» означает, что при составлении схемы принято электроны, протоны и нейтроны считать элементарными. Как известно, нейтрон нестабилен, время жизни его в свободном состоянии около 15 минут. Нейтрон превращается в протон, электрон и нейтрино. Так как в нерадиоактивных ядрах нейтрон стабилен, а по атомно-ядерным масштабам времени 15 минут это по сути бесконечность, то наравне с протоном его можно считать таким же элементарным. Нередко сходство протона и нейтрона подчеркивают и называют обе частицы нуклонами. Обрыв схемы на нуклонно-электронном уровне уже несколько устарел. Строго говоря, под ним есть еще один — кварковый. Но об этом будет сказано потом.

Ядра и ядерная материя выделены в отдельный уровень. Все ядра, кроме ядра атома водорода, — сложные структуры, состоящие из нуклонов. Тяжелые ядра при их субмикроскопическом размере напоминают макроскопические тела. Успех имела глубокая аналогия ядра урана с каплей жидкости, позволившая понять природу распада ядра урана под воздействием нейтронов. Но ядерная материя существует и в поистине макроскопических масштабах. Она заполняет внутренние области звезд. Открыты нейтронные звезды, которые целиком состоят из нейтронов.

Схему завершает Вселенная. В последние десятилетия Вселенная целиком, как некая структура, изменяющаяся с ходом времени, — объект изучения физики.

Не укладываются в приведенную схему пространство и время. До работ Эйнштейна в начале ХХ века пространство и время не были, строго говоря, физическими объектами. Большинством физиков они воспринимались априорными понятиями, существующими для описания всего, что есть и происходит в Мире. Объединив пространство и время в четырехмерное пространство-время и показав, что его геометрия зависит от существующей в нем материи, Эйнштейн «перенес» пространство и время из умозрительной философии в физику. Заняв в ней прочное место, они стали объектом внимательного анализа, но, как оказалось, на карте науки их постигла необычная судьба. Экспериментальное подтверждение удивительных предсказаний Эйнштейна, таких как искривление луча света или изменение хода времени, казалось, навечно поместило новые для физики объекты на материке познанного. Но требования к глубине понимания растут неудержимо. Ситуация изменилась: пространство-время сейчас далеко в океане непознанного. Это произошло не потому, что выяснилась ошибочность эйнштейновских теорий. Нет! Они безукоризненно описывают тот круг явлений, для понимания которых были созданы. Однако понимание фундаментальной роли квантовой механики изменило наши требования. Логика развития субатомной физики потребовала построения квантовой теории гравитации. Пока это не удается. И похоже, что до понимания далеко. Предстоят увлекательные экспедиции по океану непознанного. Но об этом позже...

* * *

Знание того, из чего состоит всё в природе, не является самоцелью. Оно необходимо для понимания всего, что нас окружает: свойств тел и веществ, из которых они состоят, природных явлений любого масштаба и результатов самых разных экспериментов. Необходимо, но не достаточно. Заведомо нужно знать те законы, которые управляют поведением соответствующих объектов. Изучение объектов каждого уровня привело к открытию и/или выводу различных законов и правил, свойственных объектам каждого уровня. Нет договоренности, какие из утверждений, формулировок, правил именовать законами. Законов очень много, пожалуй даже слишком. Одна из трудностей изучения физики (и, признаюсь, преподавания ее) — в необходимости знать их или, что даже важнее, знать, что они существуют, и при необходимости уметь эти законы вспоминать или выводить, понимать, как их использовать, и четко знать границы их применимости. Это особенно важно.

Усложнение объектов снизу вверх по схеме подсказывает: физика ставит себе задачу уметь понять (осмыслить) законы, действующие на любом из уровней, на основе свойств частиц, которые принято считать элементарными. Это выделяет законы, управляющие движением элементарных частиц. Они воспринимаются как основные законы природы.

Размер статьи не позволяет описать основные законы природы сколько-нибудь подробно. Ограничимся лишь тем, что назовем разделы современной физики, в которых основные законы формулируются и используются. С их помощью описываются элементарные частицы: их движение, превращение и образование из них всего, что расположено на вышестоящих уровнях. Эти разделы — квантовая механика и теория относительности, или релятивистская механика. Принято отдельно называть электродинамику, хотя в применении к элементарным частицам она не столь специфична, как это было, когда механика Ньютона и электродинамика Максвелла исчерпывали основные законы природы. Особняком (надеюсь, только пока) стоит теория гравитации. Часто ее называют общей теорией относительности. Среди физических объектов есть макроскопические тела, состоящие из огромного количества частиц. Поэтому специфические разделы физики, предназначенные для исследования конгломератов частиц, входят в число основных законов природы. Это статистическая термодинамика и физическая кинетика. Не удивляйтесь, что мы присоединили их к законам, которые нужны для понимания свойств элементарных частиц. Для этого есть основания. И не только их важность. Оказывается, даже такое, казалось бы, очевидное понятие, как отдельная частица, строго говоря, требует пересмотра, когда мы пытаемся добраться до самой сути. И при этом знание законов, управляющих совокупностями частиц, необходимо.

Наверное, у каждого интересующегося устройством Мира есть своя точка зрения на то, какой уровень понимания его удовлетворяет. Я не предполагаю, что все размышляют на эту довольно абстрактную тему, но и интересующихся много. Я принадлежу к их числу. Мне очень хочется, чтобы понимание устройства Мира привело к сравнительно простой картине. Поэтому так заинтересовали меня книги, перечисленные в списке рекомендованных. Все они написаны крупными учеными. Два автора, Стивен Вайнберг и Шелдон Глэшоу, — Нобелевские лауреаты по физике. Название книги С. Вайнберга «Мечты об окончательной теории» может служить заглавием ко всему перечню. Обратим внимание, что предполагается одна окончательная теория — теория, из которой выводятся все теории, описывающие поведение всех физических объектов на всех уровнях таблицы 1. Забегая несколько вперед, скажу: окончательная теория не создана, хотя, по-видимому, не потеряна надежда на возможность ее построения. Не окажется ли желанная окончательная теория столь неожиданной, что будут утрачены те важные элементы простоты, с которыми мы сроднились, прежде всего — законы сохранения? По-видимому, нет. Современные фундаментальные науки, вопреки такому предположению, не то что опровергают, а обосновывают (выводят) законы сохранения энергии, импульса, заряда.

Выше говорилось, что понимание явлений и свойств начинается со знания свойств элементарных частиц. Надеюсь, всем понятно, что использованный глагол «начинаться» здесь не означает, что развитие физики началось с субатомных частиц. Логика структуры современной физики показывает, что, придерживаясь описания от более простого к более сложному, от состоящего из меньшего числа частиц к более крупным объектам, надо начинать снизу и двигаться вверх по стрелкам.

Свойства частиц в какой-то мере можно описать, используя обычный язык, например сказав, что электрон и протон — заряженные частицы и что их заряды одинаковы по величине и противоположны по знаку. Если еще добавить, что это утверждение относится к любой паре электрон-протон, и обобщить сказанное, подчеркнув, что все электроны (как и все протоны) не только имеют одинаковые заряды, но они принципиально неразличимы, то словесное утверждение будет очень важным свойством, не учитывая которое невозможно подняться даже на вторую ступеньку схемы.

Таблица 2

Но словесного описания недостаточно. Необходимо знание численных характеристик. Не зная численного значения величины заряда электрона и протона, невозможно построить теорию простейшего атома — атома водорода. Мало того, надо знать значения масс электрона и протона. Построение теории атома — задача квантовой механики. В уравнение квантовой механики (его называют уравнением Шредингера) входит постоянная Планка — еще одно число. Можно построить и релятивистскую теорию движения электрона, но надо при этом воспользоваться уравнением Дирака, а в него, как во все релятивистские формулы, входит скорость света. Но мы еще не перечислили все индивидуальные черты (свойства) электрона. Как ни странно, электрон обладает собственным моментом количества движения — спином. Не за счет того, что он движется вокруг какого либо центра, как в атоме водорода, например, а всегда, в каком бы состоянии он ни находился. В таблице 2 приведены все перечисленные в тексте численные характеристики частиц, которые заполняют нижний уровень таблицы 1. Конечно, в таблицу 2 мы не поместили постоянную Планка и скорость света. Они, будучи характеристиками современного научного знания, принадлежат не отдельным частицам, а всей физике. Постоянную Планка и скорость света именуют фундаментальными константами (см. таблицу 3). До последней четверти прошлого века никто не сомневался, что все электрические заряды в природе равны целому числу элементарного заряда, а электрон и протон являются носителями элементарного заряда — каждый со своим знаком. В свободном пространстве не были обнаружены частицы с зарядом, меньшим электронного, или с нецелочисленным электронным зарядом, а поисков было предостаточно. Однако на упоминавшемся кварковом уровне дело обстоит не так, но об этом позднее. А пока будем по-прежнему считать численное значение заряда электрона и протона фундаментальной характеристикой и оставим его в таблице 2.

Таблица 3

Сделаем несколько замечаний к таблицам 2 и 3. В них приведены приближенные значения всех величин. Все они известны с гораздо большей точностью. Обратите внимание: нейтрон чуть тяжелее протона, что обеспечивает возможность распада нейтрона на протон, электрон и антинейтрино. Спин — квантовый вектор, он может ориентироваться в пространстве только двумя способами: либо вдоль оси, либо против. В свободном пространстве направление оси произвольно. Спин, равный 1/2, означает, что величины проекции собственного момента количества движения частицы равны ±(1/2)ħ. Величины μ_e, μ_р — это значения магнитных моментов электрона и протона согласно теории Дирака без поправок, μ_e = (eħ)/(2m_ec), где m_e — масса электрона, μ_р = (eħ)/(2m_рc), где m_р — масса протона. То, что у нейтрона магнитный момент не равен нулю, хотя он нейтрален, свидетельство того, что нейтрон «состоит» из заряженных частиц.

Глядя на таблицу 2, закрадывается мысль: много непонятного. Например, почему нет среди характеристик частиц их радиуса? Оказывается, надо считать, что электрон — точка. Именно так! Хотя, по-видимому, это вносит в теорию много осложнений. Попытки ввести конечный радиус, которые делались разными способами, не увенчались успехом. Значит, точка. Но ведь она крутится! У нее есть собственный момент количества движения — спин. Как же так? А что точка имеет массу и заряд, меньше удивляет? Посчитать нуклоны точками не удается: протон и нейтрон занимают некое пространство — сферу радиусом порядка 10^–15 м. Значит, протон в 100 000 раз меньше атома. Запомним этот факт и обратим внимание, что в таблице 2 есть еще одна строка, согласно которой все три частицы — электрон, протон, нейтрон — магнитики, правда очень маленькие, сверхмикроскопические. Значения их магнитных моментов приведены. И так как мы упомянули уравнение Дирака, то имеем право сказать: теория (квантовая электродинамика) позволила вычислить величину магнитного момента электрона с огромной точностью (с 13 знаками после запятой), и она совпала с экспериментом. Обратите внимание, какой точности достигает эксперимент! Значит, кое-что объяснено.

Однако на данном этапе нашего изложения не это самое важное. При построении теории атомов и молекул не слишком важно, каким путем выяснены численные характеристики элементарных частиц: получены они в результате экспериментов или как следствие более глубокой теории. Для того чтобы подниматься вверх по ступеням лестницы таблицы 1, достаточно знать об элементарных частицах то, что записано в таблице 2, добавив сведения о действующих между частицами силах. Силы, действующие между заряженными частицами, известны. Их описывает закон Кулона, хорошо знакомый по школьной физике. А какие силы действуют между нуклонами? Не зная их, нельзя даже пытаться строить теорию ядер атомов. Ясно, что не электрические силы удерживают протоны и нейтроны в ядре. Ведь достоверно известно, что в ядрах нет отрицательно заряженных частиц. Но есть специфические силы взаимодействия между нуклонами. Их природа понята, они подробно описаны. Их называют ядерными силами, а взаимодействие с их помощью — сильным взаимодействием. Мы вернемся еще к сильному взаимодействию. Пока только подчеркнем: введи мы в таблицу 2 информацию о ядерных силах — всё, что надо для построения грандиозного здания физики, у нас есть.

Но в каждом научном поколении из века в век, к счастью, существуют ученые, ощущающие потребность углубиться, выяснить происхождение свойств всего, с чем приходится иметь дело в процессе создания научной картины Мира. Они готовы пренебречь понятием «элементарные», чтобы попытаться найти ответ на вопрос: почему у частиц, названных элементарными, именно такие свойства, а не какие-то другие?

Хотя по совсем другому поводу, но прекрасно выразил эту эмоцию Борис Пастернак:

Во всем мне хочется дойти
До самой сути....
До оснований, до корней,
До сердцевины.

И поэт понимает, что выполнить желаемое необычайно трудно. Есть один путь:

Свершать открытья.

Пример «свершения открытий» будет приведен. А пока отметим: описание частиц, которое должно служить исходным для понимания структуры и свойств атомов и молекул, может и должно содержать не только числа, но и более сложные математические понятия. Как было уже показано, например — векторы. Не зная значений спина электрона и его магнитного момента (спин и магнитный момент — векторы), невозможно было бы построить теорию атомов и молекул, понять природу магнетизма атомно-молекулярных частиц.

Думаю, таблица 1, изображающая иерархию объектов, изучаемых физикой, не будет изменена. Возможно, к ней добавятся новые уровни. Об одном — кварковом — уже упоминалось, и мы к нему вернемся. Необходимо будет добавить уровень или даже уровни для темной материи и темной энергии непосредственно под самым верхним уровнем «Вселенная». Но уровни, которые уже есть в таблице 1, не могут быть ни отменены, ни заменены какими-либо другими: ведь атомно-молекулярное строение материи, существование планет, звезд, галактик и их скоплений — объективная реальность.

Наука — одна из наиболее динамичных сфер человеческой деятельности. Физика в этом процессе долгое время лидировала. Сейчас, пожалуй, наиболее быстро развивается молекулярная биология. Но ведь по большому счету молекулярная биология — часть физики. Мы даже укажем ее место в таблице 1.

В сферу научного исследования попадают объекты, ранее недоступные. Иногда они находятся в глубинах материи, иногда бесконечно удалены от Земли. А иногда они создаются: обычные вещества помещают в искусственно созданные условия или создают объекты, не существующие в природе, например печатные схемы, транзисторы, графен — моноатомную пленку углерода. Экспериментальная техника, теории и вычислительные возможности — все методы исследования совершенствуются с такой быстротой, что ощущение отставания нередко возникает в процессе работы над только что актуальной темой. Часть идей бесследно исчезают, оставаясь, возможно, интересными и важными только дотошным историкам науки. Лишь некоторые идеи навсегда остаются в поле зрения активно действующих ученых. У них завидная судьба: в дальнейшем они приобретают ореол классических.

Но вот что удивительно: основные представления квантовой механики и теории относительности не потребовали изменений. Самые неожиданные открытия удается объяснить, не прибегая к пересмотру основ. Как тут ни удивляться?! Созданные на малютке Земле, они справедливы в просторах Космоса. Для их формулировки, кроме сосредоточенной мысли, потребовались опыты, которые производились приборами, размещавшимися на лабораторном столе, а результаты, которые получены на гигантских ускорителях или с помощью телескопов, вынесенных за пределы Земли, не требуют их пересмотра.

Приведенная схема — структура современной физики — обладает важнейшим свойством, свидетельствующим о достигнутом уровне развития науки о природе. Назовем его условно научным консерватизмом. Физика беспрерывно развивается и изменяется. Научный консерватизм проявляется в поразительной устойчивости приведенной схемы. Либо новые открытия сдвигают береговую черту материка познанного, либо заполняют белые пятна, существовавшие на материке. Бывает, что к открытию приводит обнаружение белого пятна — возможности существования чего-то ранее неизвестного. На протяжении более полувека приведенная схема при этом не подвергалась сомнению. Не только в том смысле, что не подвергалась сомнению атомно-молекулярная структура материальных тел, но и не возникала необходимость пересмотра основ. Пока. Даже тогда, когда открытие произошло вне материка познанного.

* * *

Важным достижением науки является понимание, на какой уровень следует поместить практически любой объект макромира и из чего, скорее всего, надо исходить в попытках объяснить обнаруженное явление или свойство. Каждый объект неживой природы, каждое явление находит свое место на определенном уровне. Любая естественно-научная дисциплина (не только раздел физики) имеет свое место на схеме. Место химии — на уровне «атомы, ионы, молекулы», геологии и метеорологии — на уровне «макроскопические тела», геофизики и астрофизики — здесь же. Даже биофизика (физика живого и молекулярная биология) легко находит свое место на схеме — на уровне «атомы, ионы, молекулы».

Как нарисованная схема связана с представлением о материке познанного и об океане непознанного? Согласно более или менее общей точки зрения, все, что на всех уровнях, кроме нижнего и верхнего, находится на материке познанного. Это означает, что схема фиксирует: нам известно, из чего состоят объекты (структуры) на всех уровнях, кроме верхнего и нижнего, и, по крайней мере в общих чертах, известны основные законы, которым подчиняется поведение этих объектов. Как мы уже говорили, на карте материка познанного есть белые пятна и достаточно много плохо изученных областей. Почти в каждой из этих областей — свои важные, интересные, специфические задачи.

Граница материка познанного не зафиксирована. Развитие науки расширяет его границы. Например, ядерная физика лишь сравнительно недавно перенесена из океана непознанного на материк познанного. Структура атомных ядер в основном была ясна сравнительно давно. После открытия нейтрона (Джеймс Чедвик, 1932 г., Нобелевская премия 1935 г.) несколько физиков высказали предположение, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Предположение подтвердилось. Однако природа сил, действующих между нуклонами, была понята значительно позже. Думаю, тех, кто посвятит себя исследованию нейтронных звезд и других космических объектов, состоящих из нуклонов, ожидает много неожиданностей. Но, разгадывая загадки, исследователь может опираться на то, что известно о нуклонах. Поэтому-то эти структуры и находятся на материке познанного. Остановился на ядерной физике, потому что она одна из последних нашла свое место на материке познанного. Сравнительно недавно она была на нижнем уровне, наряду с нуклонами и электронами. Надо сказать, что, как мы увидим, нуклоны уже тоже можно считать принадлежащими материку познанного. Научно-популярная литература неизбежно отстает от жизни науки. Она всегда в прошлом. Кто-то даже высказал совсем еретическую мысль: энциклопедии содержат то, чем уже не занимаются ученые. Но само существование энциклопедий свидетельствует о том, что для движения науки вперед знание того, что наука освоила в прошлом, абсолютно необходимо.

Можно сказать совсем просто: новое открытие либо не отменяет старые, либо указывает, в чем допущена ошибка при открытии или описании установленного. Или, согласно сказанному выше: попавшее на материк познанного не покинет его, пока ученые не убедятся, что на материк попало нечто в результате ошибки. Такое случается относительно редко. Думаю, большинство ученых верят, что наука накапливает истинные знания о природе. Поэтому наука консервативна. Нет необходимости с каждым новым открытием пересматривать все полученные ранее результаты. Или, иными словами, открытие нового свойства, явления на одном из уровней (на любом, даже на самом нижнем или самом верхнем) не требует уже для своего объяснения смены или пересмотра основных законов природы, а также результатов, полученных на уровнях, расположенных ниже.

В формулировке важно наречие уже, т. е. теперь, в настоящее время. По масштабам истории (но не истории физики!) недавно, в прошлом веке, произошла научная революция. Рождение квантовой механики и теории относительности — грандиозные завоевания бескровной научной революции.

* * *

Приведем три примера для лучшего понимания термина «научный консерватизм».

Первый пример. Более сорока лет сверхпроводимость была дразнящей загадкой. Казалось, объяснить, почему электроны с понижением температуры начинают двигаться по металлу без сопротивления, удастся, только отказавшись от основ теоретических представлений о металлах. Предполагали даже, что нечто, чего мы пока не знаем, есть в самих электронах, что проявляется только тогда, когда металл переходит в сверхпроводящее состояние. Ныне сверхпроводимость принципиально объяснена. Это не потребовало отмены теории металлов и, тем более, открытия каких-то ранее неизвестных свойств электронов. Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер поняли, что обычные электроны, благодаря обычному электрон-фононному взаимодействию — тому самому, которое является причиной температурной зависимости сопротивления в нормальном состоянии металла, — при низких температурах могут образовать пáры. А пáры, как они показали, движутся, по металлу без сопротивления. Загадочное явление сверхпроводимости получило объяснение. Авторы в 1972 году заслуженно получили Нобелевскую премию, а Бардин (редчайший случай) — даже вторую (первую премию вместе с Уильямом Шокли и Уолтером Браттейном Бардин получил в 1956 году за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта). Консерватизм проявился в том, что объяснение загадочного явления не потребовало революционных преобразований в понимании структуры металлов. Надеюсь, это мое утверждение не умаляет заслуг авторов теории. Они проявили не только высокий профессионализм, но и редкую нестандартность мышления. Все знали о существовании слабого электрон-фононного взаимодействия, но не смогли преодолеть привычного представления о том, что слабое притяжение не может быть причиной образования связанного состояния (пáры). Оказалось, может.

Второй пример, наверное, более убедителен. В прошлом многим ученым — их называли виталистами, или сторонниками витализма — казалось, что для объяснения феномена жизни на микроскопическом уровне необходимо обнаружить какие-то особые свойства атомов и молекул. Активность живых организмов для виталиста — результат действия специфической «жизненной силы». Такая точка зрения высказывалась до замечательных успехов молекулярной биологии. Однако для понимания механизма наследственности, скажем, не понадобилось пересматривать известные физические свойства атомов и молекул или дополнять их новыми. Все полученные впечатляющие результаты молекулярной биологии не потребовали обнаружения у молекул и атомов, из которых состоят белки, ДНК, РНК, т. е. у макромолекул, осуществляющих специфические свойства живых организмов, каких-то особых свойств, которые отсутствуют у других атомов и молекул. Конечно, это не означает, что можно произвольно менять в белках, ДНК, РНК одни атомы на другие, не влияя на протекание жизненных процессов. Живой организм предельно чувствителен к составу входящих в него молекулярных структур. Но объяснение любого свойства, характерного для живого организма, насколько я знаю, всегда осуществляется пониманием того, как перемещаются из одной структуры в другую атомы или куски молекул. Происходит это строго по тем же законам физики, что и реакции в неживой природе. И никогда не была обнаружена особая «жизненная сила».

А вот и третий пример, относящийся к самому нижнему уровню. Долгое время существовала загадка β-распада — излучения радиоактивным ядром электрона. Бета-распад — результат распада нейтрона на протон и электрон. В чем была загадка? В том, что при каждом акте распада с несомненностью нарушался закон сохранения энергии. Вопиющее нарушение одного из наиболее фундаментальных законов природы, к тому же в элементарном процессе, ставило в тупик. Нильс Бор даже высказал крамольную идею, что закон сохранения энергии имеет статистическую природу, выполняется только в среднем, а в каждом отдельном акте может нарушаться. Положение изменилось, когда Вольфганг Паули (в 1930 году неофициально, а в 1933 официально на Сольвеевском конгрессе) высказал утверждение, что вместе с электроном из ядра вылетает нейтральная частица, получившая в дальнейшем название нейтрино, уносящая часть энергии — ту, которой не хватало для выполнения закона сохранения. Нейтрино очень сложно обнаружить непосредственно, но в конце концов это удалось. Еще до его обнаружения научный мир согласился с тем, что β-распад сопровождается вылетом трудно уловимого нейтрино. Картина β-распада усложнилась или упростилась? Конечно, упростилась. Признание нарушения законов сохранения энергии и/или импульса в каждом физическом процессе означало бы катастрофу — непоследовательность всей стройной естественно-научной картины природы. Подчеркнем, что открытие нейтрино подтвердило консервативность физических законов: установленный на совершенно других, макроскопических, явлениях закон сохранения, как выяснилось, не нарушается и тогда, когда в явлении участвуют элементарные частицы.

* * *

Знание строительного материала для всего, что составляет окружающий нас Мир и нас самих, единство законов природы во всем познанном Мире, понимание, что область принципиально понятого непредставимо огромна, — внушали и внушают чувство, похожее на восторг и на благоговение. Вот как я описал свои ощущения в статье «Из чего все состоит», опубликованной несколько лет назад в журнале «Наука и жизнь»:

«Ночью, когда в небе нет облаков, не видна Луна и не мешают фонари, небо заполнено ярко сияющими звездами. Не обязательно искать знакомые созвездия или стараться найти близкие к Земле планеты. Просто смотрите! Постарайтесь представить себе огромное пространство, заполненное мирами и простирающееся на миллиарды миллиардов световых лет. Только из-за расстояния миры кажутся точками, а многие из них так далеки, что не различимы в отдельности и сливаются в туманности. Кажется, мы — в центре мироздания. Теперь мы знаем, что это не так. Отказ от геоцентризма — заслуга науки. Потребовалось много усилий, чтобы было осознано: малютка Земля движется в случайном, казалось бы ничем не выделенном, участке необозримого (буквально!) пространства.

Но на Земле зародилась жизнь. Она развилась столь успешно, что сумела произвести человека, способного постигать окружающий его мир, искать и находить законы, управляющие природой. Достижения человечества в познании законов природы столь впечатляющи, что невольно испытываешь гордость от принадлежности к этой щепотке разума, затерянного на периферии заурядной Галактики.

Учитывая разнообразие всего, что нас окружает, поражает воображение существование общих законов. Не менее поразительно то, что всё построено из частиц всего трех типов — из электронов, протонов и нейтронов».

К восторгу и благоговению (оправданным, по-моему) добавим несколько чисел. Они смогут помочь представить себе материк познанного и даже оценить океан непознанного.

Современные телескопы помогают ученым улавливать электромагнитные волны, дошедшие до Земли от источников, расположенных на расстояниях более десяти миллиардов световых лет. Расшифровывая их, умеют получать достоверную информацию, позволяющую сделать вывод, что представляет из себя источник. За год свет проходит приблизительно 9 460 730 472 580 820 метров. Если чуть округлить, 1 световой год составляет 10¹⁶ метров. Значит, современная физика обладает информацией, получаемой из сферы, радиус которой около 10²⁷ метров. Сколь ни огромен радиус сферы, всё же ограничение есть: из более далеких областей Вселенной получить непосредственную информацию пока не удается.

Ограничение есть и в получении информации из глубин материи. Если исходить из таблицы 1, то физике доступна информация об источниках, размер которых приблизительно равен или больше 10^–15 метра. Таков приблизительно радиус нуклона. Нуклоны признаны элементарными частицами. Теперь представим себе шаровой слой, внешний радиус которого порядка 10²⁷ метров, окружающий сферический слой, малый радиус которого в 10⁴² раз меньше радиуса внешней границы слоя. Если вспомнить сказанное обо всем, что расположено на схеме между верхним и нижнем уровнями, то придем к выводу, что шаровой слой — это схематическое изображение материка познанного.

Мы подчеркивали, что на материке познанного есть множество белых пятен, т. е. множество фактов, явлений, свойств до сих пор не получили объяснения. В чем же разница между белым пятном и «пространством» вне материка познанного?

Главное отличие в том, что, имея дело с объектом или явлением, заведомо принадлежащим материку познанного, мы уверены: все происходящее в неживой природе со всеми состоящими из электронов и нуклонов объектами может бытъ уже понято на основе известных законов. Точнее надо сказать так: до настоящего времени на материке познанного не обнаружено ничего, что противоречит уже установленным законам. А ведь ныне обнаруженных и понятых фактов неописуемо много. Многие факты — явления, свойства — раньше были предсказаны, а потом обнаружены, что особенно важно для уверенности в истинности понимания открытых законов. Конечно, почти каждый новый результат потребовал усилий и удачи. Есть настолько удивительные явления, что для понимания их природы и построения их теории понадобились глубокие идеи и нетривиальные расчеты, но все они основывались на известных законах и являются их следствием. Так было, напомню, не всегда, но со второй половины XX века это так.

Многие, а возможно почти все, активно и плодотворно работающие ученые-естественники, исходя из подобных рассуждений, а некоторые, не задумываясь и следуя традиции, абсолютно уверены, что имеют вполне надежную основу как для получаемых результатов исследований, так и для выводов из них. Эта уверенность не противоречит тому, что все, находящееся на материке познанного, не исчерпывает информацию, которой владеют физики. Будем считать, что для физиков это сигналы из океана непознанного. О чем идет речь? Здесь укажу только на обнаруженные частицы — мюоны и особые мюонные нейтрино. Мюоны похожи на электроны, но тяжелее их приблизительно в 200 раз. Какова их роль в Мире, пока не вполне ясно. Будут и другие примеры. Но вот что важно: физики, исследования которых относятся к области вне материка познанного, не сомневаясь, пытаются делать выводы, основываясь на тех же законах, которые успешно действуют на материке познанного. Ими руководит такая мысль: сколько раз казалось, что обнаружено нечто необъяснимое, но объяснение удавалось получить, не пересматривая квантовой механики и релятивистской теории. Каждый раз оказывалось, что фундамент надежен и для сомнений нет оснований. Возможно, правда, пока.

Восхищение непредставимыми размерами материка познанного несколько тускнеет, а бывает и исчезает, когда задумываешься, сколь неоднородно исследован материк познанного. Еще более грустные и тревожные мысли приходят в голову, когда вспоминаешь, как по-разному использует человечество приобретенные им знания. Речь пойдет о двух недостаточно хорошо освоенных областях на материке познанного. Обе они находятся на том уровне, который предоставлен макроскопическим телам, конкретно — о метеорологии и геофизике. Обе они изучают Землю — место нашего обитания. О заселении других планет идут только разговоры. Судьба человечества пока неразрывно связана с Землей.

Великие географические открытия — далекое прошлое. Шли годы. Корабли избороздили все океаны и моря, открыты и исследованы не только все материки, но и любые клочки суши, которые трудно разглядеть на самых подробных картах, люди побывали на обоих полюсах Земли, заселили научными станциями покрытый вечным ледяным покровом самый неприветливый материк Антарктиду, покорили вершину мира Эверест, сделав его доступным альпинистам. Наверное, еще есть места, куда нога человека не ступала, но причина этого не в невозможности туда попасть, а в отсутствии желания, в понимании, что экспедиция туда ценного знания скорее всего не принесет.

Не только в эпоху великих географических открытий, а и в близкие к нам времена усилия, которые тратили люди, достойны памяти. История сохранила навеки имена многих. Хочется вспомнить, например, английских исследователей Африки Давида Ливингстона (1813–1873) и Генри Мортона Стэнли (1841–1904). Ливингстон был первым европейцем, увидевшим водопад Викторию, а Стэнли разобрался с тем, где начинаются великие реки Нил и Конго. Почему я вспомнил именно о них? Потому что они полностью посвятили свои жизни ликвидации белых пятен на мало изученном материке. Описанием их путешествий я зачитывался в юности. И не только: будучи взрослым, с интересом читал их собственные сочинения. Советую.

Понимаю, вы прекрасно знаете, что Земля подробно исследована. Но будем точны: речь идет не о Земле, а о поверхности Земли, о географии, а не о геофизике и метеорологии. Геофизика изучает процессы, которые происходят в толще Земли, а метеорология — в ее атмосфере. Об атмосфере известно много, а о внутренности Земли — меньше, и знания более схематичны. Причина ясна: внутрь трудно заглянуть. Мне показалось, что, скажем, у атомной или ядерной физики накоплен заметно больший запас знаний о подведомственных им «территориях», чем у геофизики и даже метеорологии. Возможно, мое впечатление ошибочно.

Освоенность материка познанного определяется не только накопленным на нем знании, но и тем, как это знание используется. Развитие техники невозможно без научных достижений, а эволюция образа жизни в большой степени определяется техническими возможностями. Особенно ощущается это в последние годы, когда заметные изменения происходят за время, которое зачастую много меньше времени жизни одного поколения, и нетрудно проследить, как и какое научное открытие привело к тому или иному техническому результату, заметно изменив нашу жизнь.

Есть разные точки зрения относительно того, полезно или вредно ускорение прогресса. Не берусь высказывать свое мнение, оно у меня не выработалось. Но есть две сферы человеческой деятельности, неразрывно связанные с наукой, о которых я смогу высказать свое вполне определившееся мнение, сравнивая их.

Думаю, все хорошо знают, каких усилий и, прежде всего, концентрации научного интеллекта потребовалось для создания невиданного ранее атомного, или, более точно, ядерного оружия. Ученых, которые создали атомную и водородную бомбы для Соединенных Штатов и их союзников, я знаю по их научным трудам. С некоторыми из основных участников Советского атомного проекта был знаком лично. Исаак Константинович Кикоин, Юлий Борисович Харитон, Яков Борисович Зельдович, Андрей Дмитриевич Сахаров... — все они были не просто очень крупными учеными, они были первыми в тех областях, в которых работали, и они были высокими интеллектуалами. Как и их коллеги за океаном, все свои способности, все свои силы, весь свой интеллект и весьма заметную часть своей жизни они посвятили созданию эффективного способа уничтожения. И государства не жалели затрат, чтобы замыслы ученых были осуществлены. Знаю, что всегда все или почти все, кто работал над созданием супербомб, были уверены, что заняты делом первой необходимости. Не со всеми аргументами согласен, но спорить я не хочу и не имею морального права — хотя бы потому, что сейчас они не могут мне возразить, а тогда, в первые годы после второй мировой войны, аргументы против создания атомной бомбы не приходили мне в голову. Свою роль я вижу в другом: хочу подчеркнуть, что для решения задачи создания атомного оружия человечество необычайно эффективно, не жалея усилий и трат воспользовалось накопленным на материке познанного знанием, а там, где его не хватало, срочно его добывало.

В последние годы я неоднократно наблюдал ужасные последствия цунами, землетрясений, ураганов, торнадо. Неужели знаний всего научного сообщества не хватает, чтобы ну пусть не ликвидировать стихийные бедствия, а хотя бы вовремя и надежно предупреждать о них, дабы была возможность принять адекватные меры? Особенно горько мне было, когда я видел гоняющихся за торнадо молодых людей с кинокамерами на автомашинах или мотоциклах, как мне кажется, рискующими своей жизнью не столько в попытках получить необходимое знание о разрушительных явлениях, сколько в поисках сильных ощущений. Вспоминал я о бездне работ по гидро- и газодинамике, по кинетике газов и по неравновесной термодинамике, о теориях зарождения вихрей, т. е. торнадо и ураганов. Теоретики дискутируют между собой... Собрать бы ученых, мечтал я, интеллект которых соизмерим с тем, какой понадобился для создания атомного оружия. Не только был бы найден способ более раннего предупреждения, но и удалось бы разработать эффективные меры ослабления кошмарных в настоящее время последствий штормов, торнадо. Более того, мне кажется, наука об атмосфере находится уже на таком уровне, что пора задуматься, как воспользоваться накопленным знанием для решения более амбициозных задач, чем увеличение интервала предупреждения штормов и торнадо и даже установка ветряных генераторов электроэнергии. В то же время ощущаю беспокойство, даже, честно говоря, страх, когда по выделению энергии разряд молнии сравнивают со взрывом атомной бомбы. Неужели знания будут использованы не на спасение людей от атмосферных катаклизмов, а на их уничтожение; неужели будут созданы (возможно, уже созданы?!) устройства, которые призваны вызывать атмосферные катастрофы на территории противника?

С геофизикой, похоже, сложнее. В общих чертах строение Земли известно. Но достаточно ли накоплено знаний, чтобы осуждать ученых, которые не создали надежных, своевременных методов оповещения об опасности? Мне кажется, нет, недостаточно. Если так, то почему бы не сосредоточить усилия геофизиков мира с целью — понять, как и где происходит накопление энергии сдвигов тектонических плит? Именно она освобождается с такими катастрофическими последствиями при землетрясении. Процессы в недрах Земли происходят медленно. Только в момент непосредственной близости к неустойчивости процессы идут так стремительно, что подготавливаться к последствиям поздно. Приближение к неустойчивости, думаю, как-то себя обнаруживает. Неужели оно не может быть зафиксировано и использовано для своевременного предупреждения? Сказанное почти дословно можно переадресовать и вулканологии.

***

Предыдущий раздел — это отступление. Вернемся к теме статьи. Каждый уровень в таблице 1 по смыслу включает не только принципиально познанные объекты, но и исследования всего того, чему на этом уровне полагается находиться. Это относится и к границам материка познанного — к уровням Вселенная и электроны, протоны, нейтроны.

Сейчас речь пойдет о нижнем уровне. По идее, он охватывает область физики, в которой объектом исследования служат самые мелкие представители материального мира — элементарные частицы. Название трех из них мы поместили на схеме. Они этого заслуживают: электроны, протоны, нейтроны — строительный материал Вселенной. Все, что расположено и исследуется на более высоких уровнях, построено из них.

Раньше чем приводить список элементарных частиц, выясним, какой смысл физики вкладывают в понятие элементарные частицы.

Первое. Считается, что из элементарных частиц все построено, что они — мельчайшие крупицы материи. В разное время претендентами на «звание» элементарных были разные частицы. В конце XIX — начале XX веков элементарными считались атомы. Правда, их было слишком много. Издревле казалось, что простейших сущностей, из которых все построено, должно быть немного. А атомов было известно около ста. Сейчас, с изотопами, их открыто значительно больше.

Второе. Предполагается, что элементарные частицы истинно элементарны, другими словами просты, что они — предел дробления материи. Когда выяснилось, что атом состоит из ядра и электронной оболочки, а ядро состоит из протонов и нейтронов, атомы потеряли титул элементарных. Их титул унаследовали электроны, протоны и нейтроны.

Смена претендентов на элементарность не остановила исследований самых мелких частиц материи. С развитием техники ускорения и всего инструментария экспериментальной физики темп исследования возрос и с необычной быстротой начал приносить плоды: было открыто множество частиц, несомненно имеющих законное право располагаться на том же самом уровне, где находятся электроны, протоны и нейтроны. Второму признаку они заведомо соответствовали. Все новооткрытые частицы так и именовались — элементарными.

Открылся целый мир субмикроскопических частиц. Только три из них служат материалом строения составных объектов материального мира. Систематизация субмикроскопических частиц потребовала новых характеристик открытых и открываемых частиц. Стало модным использовать для наименования этих новых характеристик слова из нефизического лексикона: странность, шарм, цвет, аромат... Появились цветные, странные частицы, с шармом и без. И ко всем частицам, оказалось, надо добавить и их античастицы: античастица электрона — позитрон, протона — антипротон. И позитрон, и антипротон имеют заряды противоположного знака по сравнению с соответствующими частицами. Но есть античастицы и у нейтральных частиц: у нейтрона — антинейтрон, у нейтрино — антинейтрино. Систематизация создает иллюзию понимания, но не только. Как правило, она есть важный шаг на пути к пониманию. Для понимания очень важно привыкание, иногда привыкание заменяет понимание. Но, не будем забегать вперед.

Остановимся и еще раз взглянем на схему. На нижнем уровне всего три хорошо и давно знакомые частицы. Мы к ним привыкли. А того, что мы о них знаем, достаточно для понимания их, пожалуй, главной роли — роли строительного материала всего во Вселенной, всего, что мы разместили над нижним уровнем.

Добавим на нижний уровень фотоны и нейтрино. В мировом пространстве и тех, и других очень много. Не назвав их, мы опустили бы нечто стабильно существующее во Вселенной и, кстати, давно обнаруженное и хорошо изученное. Фотоны и нейтрино не входят в виде составных частей в атомы, молекулы или в какие-либо другие сложные материальные объекты. Существуют они в виде газов, заполняя мировое пространство. Об этих газах многое известно. Особенно о газе фотонов, именуемом реликтовым излучением (о нем уже упоминалось).

Вот теперь действительно названы все частицы, из которых состоит, построен окружающий нас Мир. Правда, в последние годы все более серьезно изучают нечто, что назвали темной материей, состоящей из темной массы и темной энергии, подчеркнув тем самым отсутствие осведомленности о природе этих субстанций. Признаюсь, когда впервые услышал о том, что темная материя составляет более 90% материи Вселенной, я уверенно заявил: «Рассосется!» Но вот в прошлом году Нобелевскую премию по физике получили ученые, своими астрономическими наблюдениями и расчетами предоставившие важный аргумент в пользу существования темной энергии. Существование темной массы, похоже, тоже не вызывает серьезных сомнений. Придется об этом не забывать. Они есть — значит, принадлежат Вселенной. Но куда их отнести? Проще всего считать, что они находятся в океане непознанного. Когда мы будем заниматься самым верхним уровнем, мы вспомним о темной материи.

Вернемся на нижний уровень. Пока мы рассматриваем его как береговую черту океана непознанного. Повторим: впечатляющие открытия, происходившие в основном во второй половине XX века, заполнили этот уровень несколькими сотнями частиц и открыли среди них необычные частицы, по-настоящему странные. Стало ясно: все они не могут претендовать на титул элементарных. Их слишком много. Как они появились там? Откуда они взялись?

Метафора «береговая черта океана непознанного» будит воображение. Она напоминает об экспедициях, о Генрихе Мореплавателе. Не знаю, как вы, а я смотрю с восторгом не только на многомачтовое парусное судно, но и на небольшую яхту, когда она маневрирует у совсем неметафорического берега Антлантики, недалеко от которого я живу последние годы.

Конечно, открытие неизвестных до того частиц обходится без плавания по неизведанным морям. Для этого нужно только разогнать какие-либо из известных микрочастиц, заставить их столкнуться с другими частицами — подобными или другого сорта. Не только столкнуть, но и посмотреть, что из этого получится. Может ничего нового не получиться. Но иногда исследователям сопутствует удача, и им удается увидеть нечто, чего не видел никто. Из океана непознанного наиболее удачливые исследователи, как и в давние времена их далекие предшественники, привозят золото: открытие новой частицы нередко завершается Нобелевской премией.

Сравнение экспериментов по обнаружению ранее неизвестных частиц с экспедициями прошлого, открывавшими неизвестные земли, кому-то покажется кощунственным. Мне не кажется. В оправдание скажу: недавно в интернете увидел статистику по годам работ с большим числом соавторов. Рекорд принадлежит физической работе, в которой участвовали 2512 человек (2006 г.). Уверен, она была сделана на гигантском ускорителе.

Столкновения атомных и субатомных частиц бывают самые разные. Одни похожи на столкновения упругих шаров: столкнулись и разлетелись. Другие напоминают разбивание каких-либо предметов.

Разрушив молекулу, мы ожидаем, что осколками будут ее части — то, из чего она состоит. Молекулу сравнительно легко разделить на атомы или ионы. Следовательно, молекула состоит из атомов или ионов. От атома легче отделить оболочку из электронов, чем разделить ядро атома. Отсюда: атомы состоят из ядер и электронов. Ядра атомов состоят из нуклонов.

А как обстоит дело с элементарными частицами? Они, как мы думаем, ни из чего не состоят. Значит ли это, что столкновения между элементарными частицами всегда похожи на столкновения бильярдных шаров? Нет! Нет, хотя элементарные частицы и не могут быть разделены на составные части. Удивительное дело. С одной стороны, утверждается, что частица элементарна (т. е. проста, неделима), а с другой — что при столкновении с иной частицей (тоже элементарной!) появляются другие частицы. Любые? Нет, только такие, появление (рождение) которых не нарушает законов сохранения. Конечно, законов сохранения энергии и импульса, но не только. Сохраняются заряды, причем электрический не исчерпывает всех зарядов. Есть барионный и лептонный заряды. Барионный заряд указывает на принадлежность частицы к некому классу частиц, а именно к классу барионов — частиц типа протона и нейтрона. Лептонный заряд указывает на принадлежность к классу лептонов — частиц типа электрона, позитрона. К этому классу принадлежит и нейтрино. У протона и нейтрона барионный заряд равен +1, а у их античастиц он равен –1. Лептонный заряд у всех барионов равен нулю. Аналогично, у электрона и нейтрино лептонный заряд равен +1, а у позитрона и антинейтрино он равен –1. У всех лептонов барионный заряд равен нулю. Существуют у частиц и более экзотические характеристики. Мы их называли: цвет, странность .... Некоторые характеристики при реакциях между частицами строго сохраняются, другие могут изредка нарушаться, что приводит к различию в вероятностях появления разных частиц.

Обилие частиц на нижнем уровне, боюсь, плохо увязывается с тем, что Мир, нас окружающий, состоит только из трех частиц. Дело в том, что большинство из сотен новооткрытых частиц нестабильны — они самопроизвольно распадаются. Вот один пример. Мы уже говорили, что нейтрон в свободном состоянии распадается. Схема его распада такова:

нейтрон → протон + электрон + антинейтрино.

У нейтрона и протона барионные заряды одинаковы, их лептонные заряды равны нулю, электрон и антинейтрино имеют лептонные заряды противоположных знаков. Все перечисленные законы сохранения, как и следовало ожидать, выполняются. Раньше, говоря о распаде нейтрона, мы не уточнили, что рождается антинейтрино. Рождалось бы нейтрино, не выполнялся бы закон сохранения лептонного заряда. Заметим, что по сравнению с сотнями новооткрытых частиц нейтрон живет очень-очень долго, а внутри нерадиоактивных ядер нейтрон и вовсе стабилен. Мы говорим об этом, чтобы вся материя не казалась нестабильной.

Итак, все частицы, кроме трех, распадаются, а фотон и нейтрино, родившись в какой-либо ядерной реакции, улетают в космос или поглощаются веществом. Они не есть строительный материал материи. А как дело обстоит с античастицами? Позитрон, антипротон и антинейтрон столь же стабильны, как электрон, протон и нейтрон. Почему же нет в природе антиматерии? Потому, что при встрече частиц и античастиц происходит их аннигиляция. Вопрос, почему же существует материя, не такой праздный, как может показаться. Почему-то при образовании Вселенной, в момент Большого взрыва или в первые мгновения после этого, родилось больше частиц, чем античастиц. Преимущество частиц над античастицами сохранялось, что бы потом ни происходило. Постепенно античастицы «вымерли». Сохранились только частицы. То, что античастицы — не выдумка, подтверждается экспериментом. Позитрон был открыт при исследовании космических лучей. Не из глубин Вселенной прилетел он, а появился на свет в результате столкновения первичной частицы с каким-нибудь из атомов земной атмосферы. В лабораториях античастицы рождаются при столкновениях и распадах наряду с частицами. Если их уберечь от встречи с частицами, то можно сделать античастицы участниками экспериментов и создать антиатомы. Это сделано! А вот понять, почему при рождении Вселенной нарушилась симметрия между частицами и античастицами, насколько я знаю, не удается.

То, что мы поместили фотоны на нижний уровень, оправдано тем, что в космическом пространстве существует газ фотонов (реликтовое излучение). Он есть. Есть в космическом пространстве и нейтрино. Фотоны не служат строительным материалом материи, но в возникновении из элементарных частиц структур они играют важную роль — они осуществляют взаимодействие между заряжеными частицами.

В этом месте чуть задержимся, чтобы вдуматься. Теория относительности утверждает, что никакой сигнал не может распространяться быстрее, чем свет. Значит, в природе не может быть дальнодействия. А как же закон Кулона, согласно которому сила, действующая между двумя зарядами, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними? Чуть сдвинули один из зарядов, сила между ними изменилась. Получается, второй заряд мгновенно «почувствовал» изменение силы? Такого быть не может. И такого нет. Дело в том, что закон Кулона, строго говоря, точен для неподвижных частиц. Если частицы движутся, закон Кулона справедлив приближенно — тем лучше, чем скорость движения зарядов друг относительно друга меньше. Сравнивать надо скорости частиц со скоростью света. Говорят так: закон Кулона — нерелятивистский предел более точного выражения, получаемого в квантовой электродинамике. Строго и удивительно точно закон Кулона описывает электростатическое взаимодействие. «Удивительно» употребил я вполне осознанно. По-моему, несомненно заслуживает удивления существование точного закона, который справедлив и на космических расстояниях, и внутри атомов. Таков закон Кулона.

Как же описывает квантовая электродинамика взаимодействие заряженных частиц друг с другом? Хотя вывод формул требует применения вполне серьезных математических вычислений, понять природу взаимодействия между зарядами не слишком трудно. Квантовая частица не остается в покое, она флуктуирует, т. е. колеблется возле своего положения равновесия. Колеблясь, заряженная частица излучает фотоны. Строго говоря, на это у нее нет энергии, но это ничего. Заряд не только испускает фотоны, но и поглощает. Испущенный фотон почти сразу будет поглощен, и нарушения закона сохранения энергии не произойдет. Фотоны, о которых мы говорим, называют виртуальными. Если на некотором расстоянии от одного заряда есть еще один заряд, то поглотить виртуальный фотон может не тот заряд, который его испустил, а другой. Но и он испускает фотон, который может поглотить не он. Происходит как бы обмен виртуальными фотонами. Это вполне реальный процесс, который изменяет энергию системы из двух электронов, причем энергия взаимодействия обратно пропорциональна расстоянию между зарядами, а тем самым сила взаимодействия между ними обратно пропорциональна квадрату расстояния. Вычисления показывают — знак силы такой, как требует закон Кулона: одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Кулоновское (электростатическое) взаимодействие не единственное между субатомными частицами. Нуклоны в ядрах притягиваются друг к другу с такой силой, что преодолевают отталкивание одноименно заряженных протонов друг от друга. Взаимодействие между нуклонами официально назвали сильным. Почему же, если оно так велико, оно нами не ощущается? Потому, что сильное взаимодействие вообще не проявляется на макроскопических масштабах. Оно действует только на ядерных масштабах: если расстояние между частицами порядка 10^–15 м или меньше, оно действует, а если расстояние заметно больше, то нет. Казалось бы, мало общего с электростатическим взаимодействием — например, нуклоны только притягиваются. Да, совсем мало общего, но все же есть. Сильное взаимодействие — тоже результат обмена виртуальными частицами. Нет, не фотонами, конечно, а настоящими частицами. Настоящими только в том смысле, что масса частиц, ответственных за сильное взаимодействие, не равна нулю, как у фотона. Предсказал их существование японский физик Хидэки Юкава в 1935 году, а в конце 40-х годов его предсказание подтвердилось — предсказанные частицы были открыты и получили названия π-мезонов. Греческую букву π добавили, так как ранее был открыт мезон, который обозначали греческой буквой μ, первой буквой древнегреческого слова μεσοζ, — промежуточный, средний. Почему добавили именно букву π, не знаю. Обе частицы назвали мезонами, т. е. промежуточными, средними, так как их массы больше массы электрона и меньше массы протона. Масса μ-мезона приблизительно в 207 раз превышает массу электрона, а π-мезона — в 273 раза, тогда как протон в 1800 раз тяжелее электрона. Часто μ- и π-мезоны называют мюонами и пионами. В 1949 году за предсказание существования мезонов Юкава был удостоен Нобелевской премии по физике.

Массу π-мезона Юкава предсказал довольно точно. Он знал, что сильное взаимодействие затухает с расстоянием экспоненциально, а между радиусом взаимодействия r_n и массой частицы-переносчика m существует простое соотношение: m ~ ħ/(r_nc). Здесь ħ — постоянная Планка, а c — скорость света. Если подставить значения величин, окажется, что значение m неплохо совпадет с массой π-мезона. Хотя мезоны притягивают любые нуклоны, а их два — протон и нейтрон, мезонов оказалось три: два заряженных (с зарядами +e и –e) и один нейтральный. Массы заряженных π-мезонов несколько больше массы нейтрального.

Все π-мезоны естественно поместить на нижний уровень схемы таблицы 1, как фотоны и нейтрино.

Соотношение между радиусом взаимодействия и массой частицы, которая осуществляет взаимодействие, объясняет, почему кулоновское электростатическое взаимодействие так медленно затухает с расстоянием, что проявляет себя в макромире: у фотона масса равна нулю, а при m = 0 радиус взаимодействия равен бесконечности.

Ясно, что если есть сильное взаимодействие, то должно быть и слабое. Оно действительно есть, и мы о нем уже говорили, не называя его. Оно проявляет себя в описанном нами распаде нейтрона. Понимаю, что звучит несколько странно: взаимодействие проявляет себя в распаде. Но представьте себе, что произошел обратный процесс: столкнулись протон, электрон и антинейтрино и образовали нейтрон. Тут вполне уместно добавить: благодаря слабому взаимодействию.

В далекий 1934 год Энрико Ферми построил теорию β-распада на основе предсказанного им распада нейтрона. Более десяти лет прошло до того, как распад нейтрона был открыт. Согласно теории Ферми, чтобы слабое взаимодействие себя проявляло, все частицы должны находиться в одной точке. Правда, тогда термина слабое взаимодействие еще не было. Во второй половине прошлого века слабое взаимодействие привлекало к себе внимание. Теперь теория слабого взаимодействия кардинально изменилась. Теорию Ферми даже переименовали в модель Ферми, чем понизили ее ранг. Отметим два обстоятельства.

Первое. Слабое взаимодействие обрело радиус действия, и были открыты частицы-переносчики. Их назвали W- и Z-мезонами. Называть их мезонами вроде странно: они почти в 100 раз тяжелее протона. Значит, радиус действия слабого взаимодействия значительно меньше радиуса сильного взаимодействия примерно в 100 раз. Эти W- и Z-мезоны, естественно, попадают на нижний уровень.

Второе. Оказалось, что два таких непохожих взаимодействия — электромагнитное и слабое — есть различные проявления единого взаимодействия. При энергиях выше энергии объединения (она порядка 10² ГэВ) оба взаимодействия, электромагнитное и слабое, сливаются в единое электрослабое взаимодействие. Между частицами-переносчиками есть распределение обязанностей: переносчики электромагнитного взаимодействия — это фотоны и W-мезоны, а слабого взаимодействия — W- и Z-мезоны. То, что у них есть общий переносчик, демонстрирует единство двух взаимодействий.

Объединение электромагнитного и слабого взаимодействий похоже на хорошо известное со времен Фарадея и Максвелла объединение электрических и магнитных свойств в электромагнитные. В статических условиях электрические и магнитные свойства не связаны между собой. Когда-то и не предполагали, что существуют электромагнитные волны.

Успех объединения электромагнитного и слабого взаимодействий добавляет оптимизма попыткам объединить все фундаментальные взаимодействия в одно, истинно фундаментальное, которое по-разному проявляет себя в разных условиях (при разных энергиях). Всех взаимодействий всего четыре, а теперь стало три: электрослабое, сильное и гравитационное. Похоже, для великого объединения — именно так именуют объединение трех взаимодействий без гравитационного — предстоит еще много экспедиций по океану непознанного.

Конечно, создание теории электрослабого взаимодействия — замечательное достижение. Оно в 1979 году отмечено Нобелевской премией по физике, которую присудили ее творцам Шелдону Ли Глэшоу, Стивену Вайнбергу (США) и Абдусу Саламу (Индия). Но, должен признаться, на меня более сильное впечатление произвело другое событие: открытие кварков. Происходящее в физике элементарных частиц в 60-е — 70-е годы прошлого века волновало многих, даже тех, кто работал в совсем другой области, как и я. Открытие новых частиц вызывало интерес. Выяснилось: новооткрытые частицы, их свойства, взаимодействия, распады упорядочиваются, а нуклоны занимают естественное место в многообразии новооткрытых частиц, если предположить, что нуклоны и новооткрытые частицы не элементарны, а состоят из частиц, которых никогда никто не наблюдал. Их-то и назвали кварками. Естественно, возникли дискуссии: существуют кварки или они лишь удобная математическая модель? К гипотетическим (пока) субнуклонным частицам привлекало все: от никогда не встречавшегося дробного электрического заряда (он кратен е/3, где е — заряд электрона) до названия. В 1969 году американский физик-теоретик Мюррей Гелл-Манн получил Нобелевскую премию по физике за открытие классификации новооткрытых элементарных частиц, а также их взаимодействия между собой и с нуклонами. Классификация получила название восьмеричный путь, взятое из буддизма. Теоретики (прежде всего Гелл-Манн, но не он один) поняли, что эту закономерность можно обосновать тем, что некоторые элементарные частицы (среди них нуклоны) состоят из более фундаментальных структурных единиц. Их-то Гелл-Манн и назвал кварками.

Восьмеричный путь, буддизм, кварки... Романтика сопровождала и без того интереснейшие открытия. Начались безуспешные поиски свободных кварков — вне «бывших» элементарных частиц. Где только их ни искали... Но поиски оказались безуспешными. А реальность кварков внутри частиц делалась все более очевидной. Число кварков увеличилось. Их свойства уточнились, выяснилось, что из себя представляют частицы-переносчики. Их назвали глюонами, от английского слова glue — клей. Очень удачное название: они так склеивают кварки, что расцепить их не удается. Вне частиц они всегда склеены, в частности так, что заряд их равен в точности заряду электрона или протона. Глюоны наблюдать в свободном полете, похоже, тоже не удается, но есть факты, которые служат, по словам специалистов, строгим доказательством существования глюонов.

Понимание свойств кварков и глюонов позволило создать новую науку. Она названа квантовой хромодинамикой — КХД. Основанная на квантово-механических принципах, КХД описывает подавляющее большинство экспериментальных фактов, относящихся к наиболее (на сегодняшний день) глубокому уровню строения материи. Объекты квантовой хромодинамики — частицы, которые в настоящее время принято считать элементарными. Название хромодинамика — от древнегреческого цвет. Разными цветами называют специфические заряды кварков и глюонов. Цвета кварков не имеют отношения к обычному цвету. Выбор наименований оправдан тем, что смесь цветов трех кварков, составляющих нуклоны, бесцветна. Цветные заряды кварков и глюонов ответственны за сильное взаимодействие — аналогично тому, как заряды электрона и протона ответственны за электрическое взаимодействие.

В целом, можно сказать, что кварковая модель и все, что из нее вытекает (в частности, КХД), — наиболее общепринятая теория строения адронов (так называют частицы, подвластные сильному взаимодействию), которая способна объяснить имеющиеся экспериментальные данные. Другой попросту нет.

Кроме кварков и глюонов на новый, ныне самый нижний уровень надо перенести электрон, μ-мезон, и новооткрытый τ-мезон вместе со своими нейтрино. У каждого из лептонов свое нейтрино. К элементарности лептонов пока претензий нет. Частицы, которые принято считать элементарными, в кварково-лептонной теории — точки. Позже мы упомянем теорию, пытающуюся отказаться от этого предположения.

На рисунке, взятом из статьи в Википедии, обозначены все частицы, которые считаются элементарными. Это шесть кварков, они носят названия u, d, c, s, t, b — по первым буквам английских слов up, down, charm, strange, top, bottom. Протоны, нейтроны, ядра всех атомов, все, что мы видим, чем пользуемся, и мы сами — все состоит из самых легких u и d кварков; остальные рождаются только на короткое время при столкновении частиц на ускорителях при высоких энергиях. Из шести лептонов, которыми являются электрон, мюон, τ-лептон и три типа соответствующих нейтрино, в обычной материи встречаются только электроны, входящие во все атомы. Заметим, что μ- и τ-мезоны перестали называться мезонами. Они — подобия электронов, только заметно более тяжелые. «Лишние» кварки и лептоны, которые не встречаются в природе, нужны не «для полноты животного царства», они влияют на реальный мир и необходимы для того, чтобы понять, как реальный мир устроен. Правда, чем «занимаются» мюон и тау-лептон, я не знаю. Наверное, истинным специалистам в теории элементарных частиц это известно. Одно мне понятно: вся картина субмикромира при их участии поражает своей симметрией. В правом столбце приведенного рисунка помещены переносчики электрослабого и сильного взаимодействий. Для гравитационного взаимодействия места пока не нашлось. Большинство физиков-специалистов уверены, что гравитационное взаимодействие переносит особая частица — гравитон, масса которой, как у фотона, равна нулю, а спин равен 2. Но квантовой теории гравитации пока нет, и гравитоны еще не обнаружены.

За сильное взаимодействие ответственны кварки и глюоны. А как же π-мезоны? Их роль во взаимодействии нуклонов может быть выведена, исходя из знания строения нуклонов и самих π-мезонов из кварков.

Теперь мы можем окончательно выбрать, кого поселить на нуклонно-электронный уровень: протоны, нейтроны, электроны, фотоны, нейтрино и π-мезоны. Правда, это уже не самый нижний уровень. Под ним — кварковый. Береговая черта материка познанного заметно сдвинулась. Разрешим себе и на ныне самый нижний уровень поместить электроны, нейтрино и фотоны. Ведь мы знаем, что без них не «построишь» электрослабое взаимодействие. На нынешнем втором «этаже» они выступают в другой роли: без электронов нет атомов и, значит, всего сущего, а газы фотонов и нейтрино просто есть в космосе.

Картина, которую мы нарисовали (как вы догадываетесь, довольно грубо), носит название Стандартной модели микромира.¹ Она так хорошо описывает эксперименты, что физики-теоретики выражают недовольство: трудно найти, «к чему придраться», что подскажет, как двигаться дальше.

Может возникнуть вопрос: зачем? Прежде всего, маячит более глубокое понимание. Пока не удалось построить великое объединение. Теоретики уверены, что электрослабое и сильное взаимодействия — разные проявления одного более фундаментального. Настолько уверены, что заставили поверить и экспериментаторов, которые упорно ищут следствия великого объединения. В частности, конечности времени жизни протона. Если великое объединение существует, то, как обратил внимание Андрей Дмитриевич Сахаров, протон должен распасться на более легкие частицы. Правда, время распада по оценкам очень велико. Похоже, даже больше, чем согласно сделанным оценкам. Во всяком случае, пока распад протона не обнаружен.

А ведь есть и более амбициозная цель — теория всего. Это официальное название теории, которая призвана объединить все четыре взаимодействия, т. е. с тремя взаимодействиями, действующими в микромире, связать гравитационное, управляющее движением планет, звезд и знакомое нам не по учебникам, а с самого раннего детства по набитым синякам и шишкам. Есть ли возможность представить себе, как далеко в океан непознанного надо продвинуться в надежде достичь желанной цели? Переход от изучения атома к изучению строения нуклона означает переход от объектов размера ~10^–10 метра к объектам размера ~10^–15 метра. О каких масштабах надо думать, если пытаться создавать теорию всего?

Будем исходить из того, что теория всего должна строиться, как и все предыдущие теории, на основе теории относительности и квантовой механики. Мы уже отмечали: пока физики не встретились с фактами, которые заставили бы сомневаться в такой возможности. Теория гравитации Эйнштейна, или общая теория относительности, — релятивистская, но по самой своей сути классическая наука, не учитывающая квантовые эффекты. Но ведь пространство-время — физический объект, значит, и его свойства должны быть подчинены квантовым законам. Хотя, несмотря на многие попытки, до сих пор не удалось проквантовать пространство-время, квантовая теория гравитации должна существовать, и мы можем даже (!) оценить, на каких масштабах должна проявиться квантовая природа гравитации. В нашем распоряжении три мировые константы: постоянная Планка ħ , скорость света с и гравитационная постоянная G. Их значения приведены в таблице 3 (в первой части статьи). Из них можно построить комбинацию с размерностью длины — планковскую длину L_p = (ħG/c³)^1/2 . По порядку величины планковская длина равна 10^–35 метра, т. е. на двадцать порядков меньше, чем размер нуклона. В масштабе планковской длины нуклон занимает огромное пространство, в котором находятся кварки и глюоны. Можно ли их с точностью, какой требует планковская длина, считать точками? Не знаю. И, думаю, пока никто не знает.

Параллельно другим направлениям теории элементарных частиц активно развивалась теория струн, в которых элементарные частицы — линейные объекты масштаба планковской длины. Бурно развиваясь, теория струн превратилась в самостоятельную дисциплину, не имеющую выхода к эксперименту. Возможно, пока... Признаюсь, я так далек от проблем теории струн, что, строго говоря, не имею права даже на эти несколько строк о теории, которой занято много талантливых физиков-теоретиков и математиков.

Прежде чем покинуть нижние уровни, подведем нечто вроде итога. В таблице на приведенном рисунке шесть кварков. Два, самых легких, служат «кирпичами». Из них построены протон и нейтрон. Из них и из более тяжелых кварков построены все те сотни частиц, которые называют элементарными. Чему удивляться? Ядра атомов, а их с учетом не только стабильных изотопов, но и радиоактивных, известно более 2000, все построены из частиц всего двух типов — протонов и нейтронов. А кварков в распоряжении природы втрое больше. Но...

Но претерпели изменение, казалось бы, такие вполне очевидные понятия, как составная часть, состоит из... Можно ли считать, что нуклоны состоят из кварков, а кварки — составные части нуклонов, если они вне нуклонов или других адронов просто не существуют? Да и что это за строительный материал — четыре тяжелых кварка, если они неустойчивы и почти мгновенно распадаются на более легкие частицы?

Еще одно непривычное обстоятельство: некоторые кварки тяжелее адронов, «частью которых являются». Значит, между кварками притяжение очень велико. Оно, действительно, такое, что дефект масс ликвидирует это несоответствие.

Есть в кварково-глюонной теории и технические сложности: не работают в КХД многие методы расчетов, прекрасно зарекомендовавшие себя в электронно-фотонной квантовой электродинамике. Развитие вычислительной техники, думаю, помогает с этой трудностью справляться.

Теория — создание человеческого ума. Она должна нечто объяснять, для этого она создается. Но, как всякое человеческое творение, теория должна к тому же нравиться. Как часто, хваля теорию, произносится: «Она красивая!» Слова эти служат убедительным аргументом в пользу новой теории. При всей элегантности Стандартной модели микромира она не безупречна с эстетической точки зрения: слишком много в ней параметров, подобранных так, чтобы нуклоны, электроны, носители взаимодействий — все, что измерено и служит строительным материалом для Вселенной, было следствием этой модели.

Зная, куда в океан непознанного стремится мысль теоретиков, понимаем, что кварково-глюонная теория близка к берегу материка познанного. Если уж здесь открылось столько совсем нового, то что можно ожидать на пути к теории всего! Колумб, желая найти путь в Индию, открыл Америку. И не надо забывать, что руководило им понимание научной истины: он знал, что Земля — сфера. Лишь немногие в XV веке могли задумать экспедицию, основываясь на этом научном факте.

* * *

Теперь перейдем к самому верхнему уровню — Вселенная.

Добавить какие-либо уровни, примыкающие к самому верхнему, казалось бы, можно только под ним: ведь верхний уровень содержит все. Однако будем осторожны с выводами.

Как уже упоминалось, сравнительно недавно я познакомился с научными терминами, которые меня смутили не только тем, что в них присутствует эпитет «темная»: темная материя, состоящая из темной энергии и темной массы. Ясно: обозначенное этими терминами, невидимо, т. е. не излучает и не отражает электромагнитные волны. Конечно, лучше давать название не по отсутствующему свойству, а по свойству, которое есть. Первооткрыватели почувствовали, скорее всего, что не понимают, с чем они столкнулись, и хотели откровенно признаться в этом. Мое смущение, а вначале и недоверие, вызывало то, что темная энергия и темная масса составляют подавляющую часть массы-энергии Вселенной. Как тут не смутиться? Неужели наше знание, которое охватывает столь разнообразные структуры, заполняющие необозримый океан познанного, позволяющее понять самые причудливые явления природы, это всего лишь малая доля будущего знания о природе? Может быть, действительно так. Но не будем забывать, что современная наука консервативна: никто не отнимет и не изменит добытого знания, а темная материя проявляет себя таким образом, что, похоже, никогда человеку не придется вступить с ней в непосредственный контакт. Это не значит, что человечество оставит попытки понять, что из себя представляет темная материя? Нет, конечно!

О темной материи уже можно прочесть не только в оригинальных статьях и научных обзорах, но и в научно-популярных журналах. Я ограничусь несколькими фразами. Темная материя проявляет себя только по гравитационному воздействию в космических масштабах, причем темная энергия и темная масса проявляют себя различно.

Темная энергия заполняет все космическое пространство, и ее носитель по предположению обладает удивительным свойством — антигравитацией, благодаря чему расширение Вселенной ускоряется. Согласно теории, Вселенная возникла в результате Большого взрыва приблизительно 14 миллиардов лет назад и с тех пор расширяется, при этом разлет всего, что в ней образовалось, происходит со скоростью, пропорциональной расстоянию между космическими объектами. Чем дальше они друг от друга, тем скорость больше. Предполагали, что можно будет обнаружить уменьшение скорости разлета, вызванное притяжением космических объектов. Обнаружили... совсем не то: скорость не уменьшается, а возрастает. Нобелевская премия по физике в 2011 году присуждена трем астрономам — Солу Перлмуттеру, Брайану Шмидту и Адаму Риссу — за открытие ускоренного расширения Вселенной посредством наблюдения дальних сверхновых звезд. Значение открытия подчеркивается тем, что астрономия не входит в перечень наук, удостаивающихся Нобелевской премии. Несомненно, было принято во внимание то, что открытие — очень важный шаг в понимании физической природы истории Вселенной.

Темная масса неоднородно распределена в пространстве. Она есть там же, где и видимые объекты в виде гало вокруг галактик и их скоплений. Присутствие ее обнаруживается по скорости вращения наблюдаемых объектов. Но не только по вращению. Многие из космических объектов играют роль гравитационных линз, искривляя световые лучи — следствие общей теории относительности, предсказанное Эйнштейном. Действие гравитационной линзы зависит от распределения массы — безразлично, видимая она или темная. Гравитационные линзы подтверждают существование гало из темной массы.

Итак, есть все основания считать, что темная материя существует. Куда ее поместить? Казалось бы, ниже верхнего уровня (ведь он должен содержать все). Но при этом структура схемы будет нарушена: мы не знаем, из чего темная материя состоит. Оставим темную материю вне схемы. Может быть, пока.

***

Есть научные события, которые потрясают даже тогда, когда совершенно не затрагивают твою жизнь, жизнь твоих близких и даже вообще людей. Одно из таких событий (точнее, цепочки событий) — выяснение того, что было время, когда ничего не было, того, что Вселенная возникла в результате Большого взрыва, того, что возможен научный сценарий развития Вселенной, уверенность в том, что есть наблюдаемые следы происшедшего в первые моменты после Большого взрыва и среди них есть наиболее впечатляющий след — реликтовое излучение. Не знаю, как других, но меня все это потрясло. Даже на того, кому не по силам разобраться в логике научных посылок и следствий из них, уверен, произведет сильное впечатление книга Нобелевского лауреата Стивена Вайнберга (о нем уже говорилось) «Первые три минуты» с подзаголовком «Современный взгляд на происхождение Вселенной». Аннотация книги заканчивается словами: «Для читателей, интересующихся проблемами космологии». Таких, которые заинтересовались, и не только названием, оказалось много: книга стала мировым бестселлером.

Серьезное обсуждение космологии — за рамками этой статьи. Но несколько фраз все же позволю себе.

Так как образовавшаяся Вселенная в первые мгновенья невообразимо горяча, возникшие в ней частицы обладают энергиями, которые невозможно достичь на ускорителях и вообще в земных условиях. Частицы сталкиваются, происходят реакции, результаты которых может предсказать теория. Теория, к тому же, может предсказать, как будут развиваться события по мере остывания Вселенной. Какие-то продукты реакции выживут и, синтезируясь, создадут все то, что указано в таблице 1. Свойства этих объектов, явления, которые с помощью современной теории могут быть объяснены, не только показывают, справедливы или нет наши предположения и выводы, но и дают возможность установить, как ведут себя частицы в столь важных для теории экстремальных условиях. Вселенная стала уникальной лабораторией физики элементарных частиц.

Произошло это не сразу. Оценки показывают, что должно было пройти время порядка 10^&ndash'35 секунды, прежде чем Вселенная вступила на тот путь, первые три минуты которого описаны в книге Стивена Вайнберга. С трудом я заставил себя употребить обычные слова: не сразу, прежде и пройти к столь незначительному интервалу: 10^&ndash'35 секунды! Но лишь мелькнул этот интервал, и все, что происходило дальше, подчинялось законам, которые действуют до сих пор, которые были сформулированы на Земле людьми, совсем недавно ступившими на Луну — на ближайшее к Земле космическое тело, на спутник Земли. Рассмотреть, что происходило в первые мгновения, не удается не потому, что тогда не действовали земные законы (так, по-моему не думает никто), а потому, что не умеют пока объединить общую теорию относительности и квантовую механику — создать квантовую теорию гравитации. Мы по этому поводу уже сетовали.

Необходимость создания квантовой теории гравитации возрастает. В квантовой теории рождение новых физических объектов — не редкость. Надо, конечно, чтобы были выполнены законы сохранения, но фотон может «дать жизнь» электрону и позитрону, частице и античастице. Откуда они появились? «Из вакуума», — отвечают физики. Для релятивистской квантовой механики вакуум не пустота, не ничто в житейском смысле слова, а наинизшее по энергии, основное состояние всех материальных частиц, которые существуют, т. е. всего. Согласно идеологии релятивистской квантовой механики, свободный электрон не «падает» в состояния с отрицательной энергией (а они у электрона есть!) потому, что все состояния с отрицательной энергией заняты. Они составляют вакуум. Двух электронов в одном состоянии быть не может. Это запрещено одним из строгих следствий квантовой механики — принципом Паули. А вот если какой-нибудь электрон с отрицательной энергией поглотит энергию фотона и будет из вакуума извлечен, то вместе с ним появится свободное место — дырка. Она ведет себя как положительно заряженная частица. Это — позитрон. Такую картину нарисовал Поль Дирак для разъяснения факта стационарного состояния электрона с наименьшей положительной энергией.

Упоминание о рождении электрон-позитронных пар служит для того, чтобы сказать: если рождение Вселенной происходит по квантовым законам, то следует считать, что родилась Вселенная из вакуума. Значит ли это, что до рождения Вселенной, тогда, когда реально не было ничего, не существовало ни материи в известных нам формах, ни пространства и времени, в потенции было все? А каковы законы, которым будет подчиняться Мир, когда он родится и по которым рождается? Они были до всего, что произойдет потом?

Я не знаю ответов на эти вопросы. Боюсь, эти вопросы навсегда останутся без ответа. Возможно, каждый будет искать ответ самостоятельно...

С другой стороны, кое-что о квантовом вакууме Вселенной можно считать с большой долей вероятности известным. По-видимому, вакуум — весьма необычная субстанция. В частности, очень вероятно, что он обладает антигравитацией. Если так, то именно вакуум и есть темная энергия. Он, вакуум, проявляет себя только тем, что ускоряет расширение. Но если это так, то вакуум наблюдаем! Мне кажется, сейчас такова господствующая точка зрения. А вот о темной массе, по-моему, известно еще меньше. Предположение о сверхтяжелых нейтрино или о каких-то других ни с чем не взаимодействующих частицах представляется фантастичным. Однако вся история науки убеждает, что необычность, даже фантастичность новой теории не аргумент против нее, а, скорее, доказательство ее правильности. Время покажет.

* * *

Ну вот, я сказал почти все, что хотел. Верю, что читатель вместе со мной побывал на берегах океана непознанного. А вот об иллюзии простоты прямо не сказано. Думаю, несколько слов надо добавить. Простота — не объективное понятие. Конечно, объединение разных взаимодействий упростит картину мира, но какой ценой достигается объединение? У меня закрадывается крамольная мысль: если бы можно было «остановиться» на том уровне, где всего три частицы: протон, нейтрон и электрон, то для меня Мир был бы проще, чем теперь, когда я знаю, что под этим уровнем находятся кварки, глюоны, лептоны и океан непознанного манит новыми открытиями. А самый верхний уровень?! Как я радовался, что Вселенная — весь Мир — доступен изучению. И такое разочарование: темная материя. Не очень похоже, что вот-вот все станет простым. Оказывается, на материке познанного находится лишь малая доля того, что есть....

Последнее время я много думал, пытаясь осознать современную картину неорганического мира. Поэтому, возможно, более часто, чем нужно, использовал в этой статье первое лицо единственного числа. Я излагаю свое видение. У других физиков оно может быть другим.

* * *

Немного о посвящении статьи. Липа Натанович Розенцвейг — мой близкий друг, он умер, когда мы оба были молоды. Талантливый физик-теоретик, он не успел полностью проявить свои способности. Последние годы своей жизни он был занят проблемой красного смещения — эффекту, послужившему доказательством расширения Вселенной. У него была своя точка зрения на красное смещение, она не совпадала с принятой. Он не считал, что Вселенная расширяется. Думал, что при распространении из далеких областей Вселенной фотоны «стареют» — теряют энергию из-за рассеяния на флуктуациях плотности материи в космическом пространстве и что это и приводит к красному смещению. Очень трудоемкий расчет Липа Натанович не довел до конца. В настоящее время, похоже, обнаружены факты, которые противоречат теории старения фотонов. Тогда такие факты не были известны.

* * *

Я выражаю искреннюю благодарность А. И. Гордону, З. И. Кагановой, И. М. Кагановой, М. Л. Литинской, которые прочитали статью до публикации и высказали свои замечания. Замечания были мне полезны, и я их постарался учесть.

Иллюстрации В. Хлебниковой

Рекомендуемые книги:
1. Стивен Вайнберг. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. — М.: ЭКСМО, 2011.
2. Стивен Вайнберг. Мечты об окончательной теории. Физика в поисках самых фундаментальных законов природы. — М.: Едиториал УРСС, 2004.
3. Шелдон Ли Глэшоу. Очарование физики. — М.: R&C Dynamics, 2002.
4. Брайан Грин. Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. — М.: Либроком, 2011.
5. Брайан Грин. Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности. — М.: Либроком, 2011.
6. Брайан Грин. Скрытая реальность: Параллельные миры и глубинные законы космоса. — М.: Либроком, 2013.
7. Алекс Виленкин. Мир многих миров. Физика в поисках параллельных вселенных. — М.: Астрель, 2010.

¹ Эта статья была написана до открытия бозона Хиггса, который, по мнению специалистов, должен увеличить надежность Стандартной модели микромира. Подробнее об этом бозоне рассказывается в статье В. Рубакова. (Прим. ред.)

Рейтинг публикации:

0

Комментарии (0) | Распечатать

Добавить новость в: