Вселенная в электроне
Шрифт:
Правда, на краях интервала надежность наших знаний заметно снижается, здесь допустимо говорить лишь о грубо качественных, ориентировочных оценках. Природа «Биг Бэнга», долговременная судьба Вселенной — это пока интригующие, будоражащие воображение загадки. Можно думать, что многое прояснится, когда будет создана теория, объясняющая величину «мировых постоянных» — скорости света, электрического заряда электрона, его массы и так далее. Сегодня все они берутся из опыта, и мы не знаем, почему они именно таковы, какими мы их видим. В своем подходе к описанию мира современная физика еще во многом следует принципу, который один из писателей-юмористов сформулировал так: жизнь такова, какова она есть, и больше никакова. А почему, собственно, такова? Почему не может быть миров с другим значением скорости света, более тяжелым или, наоборот, более легким электроном, другими свойствами пространства и времени?
Однажды Эйнштейна спросили, как делаются открытия.
«Это
Всегда следует помнить, что перед нами безграничная Страна Неизвестного, и любая картина мироздания — лишь приближенный слепок с окружающего мира. Или что-то вроде фотографии, которая раз от разу становится все более четкой, но никогда не передает всех деталей — мир неисчерпаемо многообразен.
Вокруг нас все изменяется, переходит из одной своей формы в другую, а вот элементарные частицы почему-то всегда одни и те же. Вселенная старится, а электрон и другие частицы бессмертны. Расчет показывает, что даже небольшие изменения их свойств привели бы к наблюдаемым геологическим и астрофизическим эффектам — уменьшилось или увеличилось бы количество тепла, получаемого нашей планетой от Солнца (на ней были бы ледники или, напротив, океаны кипятка), изменилась бы скорость распада радиоактивных элементов в земной коре и их концентрация была бы совсем не та, что сегодня, и так далее. Например, если бы заряд электрона изменялся всего на сотую долю процента за миллиард лет, то есть на одну-две десятых процента за все время жизни нашей Вселенной, это было бы уже заметным. В общем, если частицы и старятся, то так незначительно, что Вселенная этого почти не чувствует. Или, может быть, они действительно абсолютно неизменны и никаких других миров просто не существует?
Современная наука на эти вопросы ответить не может. Это следующий, более глубокий уровень физики. Однако ученые уже сегодня пытаются нащупать подходы к нему. В надежде найти более общие и универсальные законы природы проверяются «на прочность» самые глубинные основы наших представлений об окружающем мире, которые многим кажутся твердо и навечно установленными истинами. Говоря словами А. С. Пушкина, «и предрассудки вековые и гроба тайны роковые». О нескольких далеких рейдах в Страну Неизвестного, где фантастика смешивается с реальностью, будет рассказано в следующей главе. Первыми в такие путешествия всегда отправляются теоретики. Они не связаны со сложными, дорогостоящими приборами и с помощью своих формул могут углубляться в области, куда экспериментаторы придут лишь через много лет. Физика наших дней — наука математическая, и часто оказывается так, что в ее уравнениях бывают скрыты неожиданные возможности, приводящие к замечательным предсказаниям и к выдающимся открытиям.
Глава III
Глубокая разведка
Основы нашего понимания мира… В физике это — квантовая механика. Она — следующая ступень за механикой Ньютона. А есть ли еще более глубокий уровень — «заквантовая» теория? И почему квантовая механика такая трудная наука? Даже студентов-физиков в университете знакомят с ней только на третьем курсе, когда они освоят уже массу других предметов. Может, дело в том, что физики просто еще не проникли в суть ее законов? Знаете, как бывает с арифметической задачей: можно провозиться с ней целый вечер, а если ввести x и составить уравнение, решение находится за несколько минут. Может, «заквантовая» теория тоже все упростит?
Фундамент любой физической теории — пространство и время. Но что это такое? Обычно этот вопрос даже не возникает, так как ответ кажется очевидным: вот оно пространство вокруг нас и вот часы, показывающие время! Однако, если попытаться ответить точнее, сразу же возникают трудности. Получается так, что самые обыденные и привычные для нас свойства окружающей природы вместе с тем — самые загадочные и непонятные. Действительно, что самое главное в свойствах пространства и времени? Для времени это, по-видимому, его течение от прошлого к будущему. Пространство обычно представляют себе чем-то вроде пустой арены, на которой располагаются все физические тела и разыгрываются все процессы. Но всегда ли так? Нельзя ли каким-то образом изменить направление времени на обратное, как это делают авторы научно-фантастических романов? И можно ли пространство считать всегда лишь ареной? Мы знаем, что его кривизна проявляется как сила тяготения, может, и все другие силы природы тоже всего лишь проявления каких-то свойств пространства?
Итак, речь пойдет о «сумасшедших» идеях и теориях, выходящих далеко за рамки общепринятых научных взглядов. Скорее всего, большинство из них так и останутся «сумасшедшими», не подтвердившимися на опыте гипотезами. Но они помогают лучше понять окружающий мир и разведать пути дальнейшего развития физики. Без такой глубокой
«Пьяные» частицы
Американский физик-теоретик Ричард Фейнман как-то заметил, что хотя квантовая механика существует уже более полувека, ее до сих пор не понимает ни один человек в мире. И тут же добавил, что он может утверждать это вполне смело. Заявление, прямо скажем, удивительное, особенно из уст одного из самых знаменитых физиков нашего времени.
Как же так? Ведь с помощью квантовых законов рассчитываются тончайшие явления микромира и выводы подтверждаются с огромной точностью, иногда до миллиардных долей процента. Более того, квантовая механика уже давно используется на практике — например, лазер был изобретен, рассчитан и создан на основе квантовых законов. Эти законы управляют работой электронных микроскопов, используются при проектировании новых электронных приборов, с их помощью рассчитывают свойства сверхпроводников, способных без потерь передавать электрический ток на огромные расстояния. Квантовая механика нашла применение в химии и даже биологии. Как же можно говорить, что никто ее не понимает?!
И тем не менее в утверждении Фейнмана есть большая доля истины. Все дело в том, что поведение микрочастиц настолько непохоже на движение окружающих нас тел, что кажется противоречащим здравому смыслу. Неискушенному человеку часто трудно поверить, что такое может быть в природе. В нашей повседневной жизни мы привыкли к тому, что все тела движутся по строго определенным путям-траекториям. Если известна начальная скорость тела и действующие на него силы, то с помощью законов Ньютона его траекторию можно точно вычислить. Подобную задачу, наверное, приходилось решать каждому школьнику. В любой момент времени мы можем точно установить, в каком месте находится тело и какова его скорость. Точность законов Ньютона очень высока, с их помощью можно, например, предсказать движение небесных тел на многие десятки и сотни лет вперед. Но вот если попытаться применить эти законы к движению микрочастиц, то придем к поразительному выводу: частицу можно обнаружить в любой точке любой траектории, соединяющей начало и конец ее пути! Получается так, как будто частица движется сразу по всем траекториям либо совершает что-то вроде «броуновского движения» («броуновской пляски») в абсолютно пустом пространстве, многократно, без всякой видимой причины, изменяя направление своего движения и мгновенно перемещаясь из одной пространственной точки в другую.
Как известно, в начале прошлого века, наблюдая под микроскопом взвесь мелких частичек в жидкости, английский ботаник Роберт Броун заметил, что все они «пляшут» — выписывают запутанные зигзагообразные траектории. Как теннисные мячики, по которым случайным образом бьют невидимые ракетки. Сегодня мы знаем, что роль таких ракеток играют молекулы жидкости, которые сталкиваются с частицами взвеси и передают им свое хаотическое тепловое движение. Но что может толкать частицу в абсолютно пустом пространстве? Ведь не может же она сама по себе, по собственной воле, метаться по пустому пространству!
Было выполнено огромное количество экспериментов, и все они привели к одному выводу: размазка движения микрочастицы возникает как бы сама по себе, из ничего!
Иногда говорят, что микрочастица движется по траектории, которая расплылась по всему пространству. Не знаю, поможет ли это более наглядно представить движение микрообъектов, но, как бы там ни было, с точки зрения законов Ньютона, да и просто с позиций здравого смысла, это движение совершенно не предсказуемо. Оно выглядит так, как будто в микропроцессах нарушена связь между причиной и следствием, и, исходя из одних и тех же начальных условий, можно прийти к совершенно различным результатам. А главное, неизвестно, к каким. Один раз получается одно, в другой раз при точно таких же условиях — совсем иное. Похоже на блуждание пьяницы по пустой площади — движется под влиянием ему одному известных причин! Лишь в случае очень массивных, тяжелых частиц с большой инерцией движение начинает постепенно «стягиваться» к ньютоновской траектории, и будущее снова становится однозначным следствием прошлого. Опять как в броуновском движении. Там тоже сильнее всего «пляшут» легкие частицы, тяжелые ведут себя более степенно. Однако «беспричинное блуждание» еще не самая главная трудность, с которой мы встречаемся в микромире. Ведь начальные условия никогда не известны нам абсолютно точно, все величины измеряются с какой-то маленькой погрешностью. В принципе можно было бы рассчитывать на какое-то сложное обобщение уравнений Ньютона, которое было бы очень чувствительно к начальным условиям и в каждом конкретном случае позволило бы шаг за шагом проследить витиевато запутанную траекторию частицы. Более удивителен и непонятен другой факт: оказывается, одна и та же частица может быть сразу в нескольких местах.