Текст книги "Вселенная в электроне"

Автор книги: Владилен Барашенков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 18 страниц)

В.С. Барашенков
Вселенная в электроне

Введение

Мальчишкой я мечтал стать авиаконструктором. Это были первые послевоенные годы, и мое воображение, еще не остывшее от военных сводок информбюро, было захвачено проектами летающих танков-амфибий, сверхдальних бомбардировщиков, истребителей «без мотора» – на реактивной тяге. О физике я не думал, она казалась мне страшно скучной: динамометры, блоки, расчеты линз, нудные задачки на теплоемкость. Но однажды мне в руки попала небольшая книжечка с интригующим названием: «Лучи из мировых глубин». Откуда приходят к нам эти лучи, что их порождает и разгоняет в пустом пространстве космоса до сверхвысоких энергий – все было загадкой. Чтобы разгадать ее, ученые создавали сложные приборы, опускали их в глубины океана, оставляли в недрах темных пещер, поднимали на стратостатах в бескрайнюю голубизну неба. Опыты приносили новые загадки…

Оказалось, что физика – удивительно увлекательная и интересная наука! С одной стороны – море фантазии: взрывающиеся частицы, бездны атомов, миры и антимиры, а с другой – строгие доказательства, вязь математических формул, понятных лишь посвященным. И я пошел учиться на физический факультет университета.

С тех пор прошло сорок лет, и мне не наскучило заниматься физикой.

Сегодня физическая наука совсем не та, что была полвека назад. Современные институты похожи на крупные заводы с сотнями научных сотрудников, тысячами инженеров и рабочих. Залы, в которых размещаются физические установки, сравнимы с крупными стадионами. И все это начинено сложнейшей электроникой и автоматикой. Холод, при котором воздух становится жидким и течет как вода, соседствует с температурами в десятки миллионов градусов, когда любое вещество взрывается, как капля масла на раскаленной сковородке, мгновенно превращаясь в плазменный газ. Давление в тысячи атмосфер и глубокий вакуум, в котором редкие атомы удалены друг от друга, как звезды в космосе. Батискафы помогают физикам устанавливать приборы на дне глубочайших океанских впадин, а ракеты выносят их за пределы Солнечной системы.

Но, пожалуй, самое удивительное в современной физике – это неожиданно тесная связь Вселенной, как целого, со свойствами элементарных частиц – простейших, невидимых даже под микроскопом «кирпичиков», из которых «склеено» все окружающее нас вещество. Казалось бы, совсем различные и несоизмеримые объекты, но вот получается, что при определенных условиях Вселенная может обладать свойствами микрочастицы, а некоторые микрообъекты, возможно, содержат внутри себя целые космические миры. Во всяком случае, так говорит теория. Большое и малое, сложное и простое – здесь все перепуталось.

Хитро устроена природа! Как говорится, поди разберись, где тут начало того конца, которым кончается это начало!

Космология – наука, изучающая свойства и развитие Вселенной в целом. Она пытается ответить на самые сокровенные вопросы мироздания: откуда произошел наш мир, был он всегда или же «родился» из какой-то иной формы материи, чем закончится его «жизнь» и закончится ли вообще? И самый главный вопрос: почему наш мир таков, каков он есть? Разве не может быть Вселенной, где, например, размеры всех атомов в десять раз больше, свет распространяется в несколько раз быстрее, и кроме длины, ширины и высоты, есть еще четвертое, а может быть, даже пятое и шестое измерения? Возможно, такие миры где-то существуют? А если нет, то почему?

Если космология интересуется бескрайними далями, то физика элементарных частиц, наоборот, устремлена в глубинные недра материи. Ее предмет – микромир. Основной вопрос, на который она ищет ответ, – из чего построен наш мир, что является его исходным «дном» и есть ли вообще такое «дно». Она исследует первичные частички вещества – «семена вещей», как говорили древние ученые, изучает сложные процессы их взаимопревращений.

Еще недавно космология и физика элементарных частиц считались совсем разными науками. Теперь между ними выявлена тесная связь. Здесь еще много нерешенных вопросов, тайн и поразительных парадоксов. Предполагается, что было время, когда Вселенная имела размеры микрочастицы. Там в океанах бурлящей плазмы обитали кентавры и сфинксы микромира – необычайно тяжелые, не дожившие до нашего времени частицы. Время тогда вело себя неспокойно, оно то вдруг поворачивало вспять, то опять выправлялось и текло в «нормальном» направлении. Пространство тогда распадалось на отдельные порции-кванты, а вещество превращалось во всполохи волн. Там часть могла быть больше целого, левое не отличалось от правого, целые области пространства могли сворачиваться, как раковина, схлопываться и проваливаться в «черные дыры». Безудержная фантазия писателей-фантастов бледнеет перед диковинами, которые открывают нам породнившиеся космология и физика элементарных частиц!

Вот об этом и пойдет речь в нашей книге. Ее цель – познакомить юного читателя с тем, как устроен окружающий нас мир в самом большом и самом малом, рассказать о проблемах, надеждах и трудностях, лежащих на пути ученых, пробивающих узкие тропки в Страну Неизвестного, которые превратятся потом в просторные шоссе технического прогресса. Читатель увидит, какое благодатное поле предоставляет физика для умелых рук и пытливого ума тех, кто изберет ее делом своей жизни.

История науки учит, что всякий раз, когда человечество овладевает очередной ступенькой лестницы, ведущей в глубь вещества, это приводит к открытию нового, еще более мощного вида энергии. Горение и взрыв связаны с перестройкой молекул. Внутриатомные процессы сопровождаются выделением в миллионы раз большей энергии. С еще более мощным энерговыделением мы встречаемся на уровне элементарных частиц. А что будет на следующих ступенях? Изучение строения вещества – это одновременно и поиск новых источников энергии. Не зря говорят, что нет ничего практичнее хорошей теории!

Когда речь идет о переднем крае науки, где самим ученым еще далеко не все ясно, возникает трудная задача: как рассказать об этом так, чтобы было достаточно просто и вместе с тем донести до читателя суть того, что волнует специалистов. Кто-то, возможно, искренне удивится: в чем, собственно, проблема? Ведь речь идет о вещах, хорошо знакомых ученому. Что стоит, мол, ему поведать о том, что у него, как говорится, в зубах навязло!

Пожалуй, самое трудное здесь – это язык. Ученый говорит и думает на емком профессиональном языке, где за каждым словом – уйма специальных понятий. Экстраполяция, изоспин, интерференция, квантование – эти и множество других терминов используются в разговорах ученых как нечто само собой разумеющееся. Если запретить их, ученый буквально онемеет, потеряет язык. А как быть с читателем, которому все эти термины как колдобины на дороге? Попытаться переложить их на обиходный язык? Но тогда суть дела просто утонет в объяснениях, и ваш рассказ не станут ни читать, ни слушать. Вот и приходится использовать аналогии, заменять сложные понятия очень приближенными, зато наглядными образами.

Впрочем, так поступают и сами ученые, когда разъясняют своим коллегам новые понятия и идеи.

Трудные вопросы обладают свойством тянуть за собой вереницу новых. Никогда нельзя сказать: я понял все. На заднем плане всегда остается частокол «как» и «почему». Один из физиков любил повторять, что у понимания есть три стадии: первая – когда кажется, что все ясно, вторая – когда появились вопросы, и третья – когда эти вопросы затмили тот, с которого все началось. Это, конечно, шутка, но в ней скрыта глубокая мысль. Чем глубже мы понимаем проблему, тем серьезнее становятся рожденные ею новые вопросы.

По своему опыту знаю, что книги о науке полезно читать дважды. Первый раз быстро, чтобы составить общую картину и в главных чертах уяснить, что к чему. Потом еще раз – медленно и вдумчиво, разбирая детали, а главное, постоянно задавая себе вопрос: почему? Бальзак как-то верно заметил, что ключом ко всякой науке является вопросительный знак.

И еще одно. На переднем крае науки надо быть готовым встретиться с идеями и фактами, которые покажутся несовместимыми со здравым смыслом. Не следует только забывать, что «здравый смысл» – это всего лишь основанная на опыте привычка видеть ход вещей в определенном свете, привычка, которая может подвести в области новых явлений. Здесь надо семь раз подумать, прежде чем сказать: это невозможно, этого не может быть.

Очень поучителен случай, который произошел в Парижской Академии наук в конце XVIII века. Тогда большинство ученых отказывалось верить многочисленным свидетелям падения метеоритов. Такого не может быть, и все, камней на небе нет! И когда пришло очередное сообщение, подписанное мэром и многими жителями одного из гасконских городков, академики приняли специальное решение о необходимости более энергичной борьбы «с суеверием». Но камни с неба продолжали падать, и Парижской Академии не оставалось ничего другого, как забыть о своем опрометчивом решении.

В таинственных джунглях Страны Неизвестного следует быть очень осторожным. Плохо, если мы тигра примем за большую домашнюю кошку, но и горящие в темноте кошачьи глаза не следует путать с глазами монстра. Компасом тут служит эксперимент. Только он в конечном счете может сказать, правильны наши представления или нет.

Безусловно, в книге нет готовых ответов на все вопросы, которые возникнут у читателя. Часть ответов может найти сам читатель, если будет размышлять, сопоставлять и сравнивать прочитанное. А тем, кто захочет глубже заглянуть в суть проблемы, полезно будет заглянуть и в другие книги на эту тему.

Глава I

Пять ступеней вглубь

Ступень молекул, ступень атомов… Сегодня известно пять таких ступеней, пять этажей мироздания. Что находится на самых нижних из них? Есть ли что-нибудь еще глубже? Куда ведет эта лестница – в бездну бесконечного или же, в конце концов, мы спустимся в самый нижний этаж, в подземелье, где спрятаны главные тайны нашего мира?

Какие законы управляют миром? Каждый этаж – удельное княжество, монастырь со своим собственным уставом или же это – рядовая губерния единого государства с обязательным для всех общим законом? Как устроено это государство – по принципу монархии, когда где-то глубоко в недрах материи есть самый главный Первоэлемент, или же по законам демократии с равноправными гражданами-частицами на каждом этаже?

Итак, как устроен и из чего состоит наш мир в самых глубинных его слоях?

А как туда заглянуть, с помощью какого микроскопа? Может быть, там прячутся «атомы пространства» – последние неделимые далее «пузырьки», внутри которых больше уже ничего нет?

Масса вопросов, один сложнее другого. Попытаемся ответить хотя бы на некоторые из них. Вступим на первую ступеньку лестницы, ведущей в недра материи.

Кто первым сказал «а»?

Знаменитый греческий ученый Фалес жил 2600 лет назад. Немногие свидетельства о его жизни, которые дошли до нас сквозь толщу тысячелетий, говорят, что это был общительный, жизнерадостный человек отменного здоровья, сочетавший занятия наукой со спортом. Он не раз завоевывал олимпийские призы. И умер он на стадионе от солнечного удара, когда в почтенном 78-летнем возрасте аплодировал соревнованию олимпийцев.

Фалес долго прожил в Египте, стараясь проникнуть в тайны жрецов. Его знания по геометрии и астрономии поражали современников. Особенно после того, как он предсказал полное солнечное затмение. Это явление, когда солнце становится черным диском и наступает ночь среди бела дня, даже сегодня порождает подсознательный страх у многих людей. Можно представить, какое волнение и ужас вызывало оно две-три тысячи лет назад!

Но главная заслуга Фалеса в том, что он первым поставил вопрос об исходных элементах мира. Он раньше всех увидел лестницу, ведущую в глубь вещества.

Последующие двести лет греческие мудрецы, их называли философами – любомудрами, принимали за первичные различные вещества и процессы. Чаще всего это были вода (ей отдавал предпочтение и сам Фалес), воздух, земля, огонь. С современной точки зрения, весьма наивные попытки. Седобородые греческие мудрецы топтались на верхней площадке структурной лестницы, пытаясь ощупью найти ее ступени.

Приборы, которыми располагали греки, были очень примитивны. Главными из них были весы да еще сосуды для измерения объемов. Даже плохонькая физическая лаборатория какой-нибудь маленькой нынешней школы показалась бы им фантастической. Основным оружием древнегреческих ученых была логика. Оказывается, если иметь острый глаз и светлую голову, то уже самых обычных явлений окружающей жизни достаточно, чтобы получить важные выводы о глубинных свойствах вещей.

Это сделали последователи Фалеса – Левкипп и его ученик Демокрит. Они пропустили ступеньку молекул и сразу шагнули на ступень атомов.

Когда спрашивают, кто первым открыл атом, ответ всегда вызывает удивление. Его сначала придумали, почти на две с половиной тысячи лет раньше, чем открыли. Это случилось в небольшом, как теперь говорят, заштатном, греческом городке Абдеры. Хотя, по преданию, жители этого городка издавна почитались за простофиль и недотеп, этого нельзя сказать об их знаменитых согражданах Левкиппе и Демокрите. О первом известно мало. Труды Левкиппа не сохранились, его имя лишь изредка упоминается в книгах древних ученых. О Демокрите известно значительно больше. Он происходил из очень богатой семьи, но, как повествует легенда, все оставшееся ему наследство растратил на путешествия и учебу.

Растратить наследство в Древней Греции считалось одним из самых тяжких преступлений и каралось изгнанием. Однако когда на суде Демокрит зачитал свой труд, где излагалась идея атомов, жители Абдер – представьте себе! – не только простили его, но даже наградили деньгами, оценив его труд суммой, большей чем потерянное наследство!

С Демокритом связана масса легенд. Рассказывают, что даже смерть его была необычной. Столетним старцем, почувствовав ее приближение, он, чтобы не портить праздника своим родным, сумел продлить свою жизнь, вдыхая запах горячих хлебов.

Слово «атом», точнее «атмон», было известно задолго до Левкиппа и Демокрита. В переводе с греческого оно означает «неделимое». Так греки называли и букву алфавита. По Левкиппу и Демокриту, атомы – буквы материальной азбуки природы, бесконечное число твердых, неделимых далее частичек. Подобно семенам растений, атомы могут быть различной формы: они круглые, пирамидальные, плоские и так далее. Поэтому и состоящий из них мир неисчерпаемо богат в своих свойствах и качествах. Цепляясь друг за друга крючками и крючочками (такие крючочки есть и у семян растений), атомы образуют твердые тела. Атомы воды, наоборот, гладкие и скользкие, поэтому она растекается и не имеет формы. Атомы вязких жидкостей обладают заусеницами. Воздух – это пустота, в которой носятся отдельные редкие атомы. Даже у огня, учил Демокрит, есть свои атомы. Они острые и колючие, поэтому огонь и жжется.

Американский физик Ричард Фейнман, много сделавший для нашего понимания глубинных этажей микромира (об этом еще пойдет речь ниже), как-то заметил, что если бы Земле грозила гибель и нужно было бы предельно кратко закодировать наше самое главное и ценное научное достижение, он выбрал бы слово «атом». В нем огромный информационный заряд.

Атомистика Левкиппа и Демокрита предлагала простое наглядное объяснение многим непонятным тогда фактам: почему от прикосновений верующих стирается позолота и «худеют» руки статуй богов, почему мел остается мелом, как бы тонко его ни истолкли, как распространяются запахи. Ведь иногда стоит только коснуться какого-либо вещества, и его запах много часов, а то и дней, сохраняется на руках и одежде. Подобных загадок было много. Конечно, их можно было объяснить и по-другому, поэтому древнегреческая атомистика – это только предположение, гениальная гипотеза. Для того чтобы превратить ее в строгий научный вывод, потребовалось почти двадцать пять веков.

В средние века, когда место науки заняла слепая вера в то, что ответы на все вопросы содержатся в святом писании, атомистику причисляли к изобретениям дьявола. Сторонников атомного учения преследовали еще в XVII веке. В 1624 году в Париже был издан специальный декрет, грозивший смертной казнью за устное или письменное распространение этого учения.

Права гражданства атому вернули лишь в начале прошлого века в связи с успехами быстро развивавшейся химии. Без этого нельзя уже было разобраться в разнообразии химических реакций. Главную роль в восстановлении прав атома сыграл английский химик Джон Дальтон. Он же воскресил и стал широко использовать в своих трудах забытое греческое слово «атом».

Атомная теория Дальтона не была простым повторением древнегреческой атомистики. В новой теории число различных типов атомов хотя и велико – много десятков (на сегодняшний день известно 109 различных атомов), но все же не бесконечно, как у Демокрита. Дальтон нашел много фактов, убедивших ученых в том, что атомы – это неделимые частицы ограниченного числа наипростейших веществ – химических элементов. Все остальные вещества состоят из тесно связанных больших и малых групп атомов – молекул. Они могут быть самыми различными – от одноатомных молекул металлов до страшно сложных, состоящих из десятков тысяч атомов белковых молекул. Это самая первая ступенька структурной лестницы, атомы – следующая.

Анатомия атома

В 1869 году внимание ученого мира было обращено к холодным и строгим шпилям Петербурга. Оттуда пришла сенсационная новость: 35-летний профессор Петербургского университета Д. И. Менделеев установил, что между атомами существует связь, которая проявляется в периодичности их свойств. Это было выдающимся открытием. И не только потому, что теперь можно было пересчитать все типы атомов, существующие в природе, в том числе и еще не открытые. Периодический закон Менделеева подсказывал, что в природе должно быть что-то еще более простое и первичное, чем атомы, то, что является причиной и порождает периодичность атомных свойств. Другими словами, должна быть следующая, заатомная ступенька. Неделимый атом должен делиться на части!

К такому выводу приводили и некоторые другие наблюдения. Так, было известно, что под действием высокого напряжения металлы испускают отрицательные электрические заряды. Московский физик А. Г. Столетов обнаружил, что такие заряды (их стали называть электронами) выбиваются из металлов лучами света. Все это наводило на мысль, что электроны входят в состав атомов. А отсюда сразу следовал другой вывод: в атоме есть положительно заряженная часть – ведь в целом-то вещество не имеет заряда, оно нейтрально.

Англичанин Дж. Томсон считал, что по своему строению атом похож на круглую булку с изюмом: положительно заряженное тесто с изюминками – электронами. За три года до конца XIX века Томсон измерил массу электрона. Оказалось, что он почти во столько же раз легче атома водорода, самого легкого из всех атомов, во сколько Земля легче Солнца. Возможно, именно эта аналогия навела француза Ж. Перрена на мысль о том, что атом устроен наподобие Солнечной системы – в центре тяжелое ядро с положительным электрическим зарядом, вокруг вращаются планеты – электроны. Статья Перрена, увидевшая свет в первый год нового, XX века, так и называлась: «Ядерно-планетарное строение атома».

Какая из этих двух моделей правильная – булка с отрицательно заряженным изюмом или микроскопическая солнечная система, – решили опыты Эрнста Резерфорда. Он первым потрогал, а лучше сказать – прощупал, атом с помощью альфа-частиц.

Альфа-частицы – это ядра атомов гелия. Они испускаются распадающимися атомами радия и, попадая на экран из светящегося материала, вызывают вспышки – маленькие искорки в тех местах, где частицы столкнулись с экраном. Точно так же экраны наших телевизоров светятся под действием пучка электронов. Так вот, пролетая сквозь атомы, альфа-частицы испытывают на себе действие их электрических полей, траектории частиц искривляются, и вместо одного светящегося пятнышка, которое оставил бы нерассеянный пучок альфа-частиц, на экране возникает россыпь искорок. При этом если экран установить в стороне, противоположной направлению движения первичного пучка, то на нем тоже иногда вспыхивают искорки – как будто некоторые альфа-частицы сталкиваются с чем-то очень тяжелым и отскакивают в обратном направлении, как горошины от стального бильярдного шарика. Роль такого шарика играет атомное ядро. Победила планетарная модель Перрена. «Это было похоже на то, – вспоминал впоследствии Резерфорд, – как если бы я увидел 16-дюймовый снаряд, отскочивший от листка газетной бумаги!» (В опытах Резерфорда в качестве атомной мишени использовалась тонкая фольга.)

Зная число слабо рассеянных и число отскочивших назад альфа-частиц, можно вычислить размеры атома. Результат получился ошеломляющим: если сравнивать с горошиной, то атом в сто миллиардов раз меньше, а его ядро еще в несколько десятков тысяч раз мельче. Можно сказать и по-другому: если бы атом вдруг вырос до размеров куриного яйца, его ядро сравнялось бы по величине с микробом. Ну а само куриное яйцо стало бы в несколько раз больше нашей соседки Луны! Это означает, что окружающие нас тела и мы сами состоим в основном из… пустоты.

Герои научно-фантастического романа Георгия Гуревича «Темпоград» нашли способ сжиматься до размеров муравья. Человеческий волос выглядел для них длиннющей толстой змеей, а пыльца цветов – шарами величиной с арбуз. Воздух, который кажется нам прозрачным и чистым, оказался заполненным массой плывущего в нем мусора, подобно грязной реке в половодье. Это была поразительная картина! Но еще больше путешественники в микромир удивились, когда уменьшились до размеров атома. Их поразила пустота, царящая в мире. Даже плотный кусок железа оказался практически пустым. Лишь редко-редко, по одной на несколько кубических метров (в масштабе уменьшившихся путешественников), в нем расположены мелкие, едва различимые глазом пылинки – атомные ядра. Электронов вообще не видно – они в тысячи раз меньше ядер. Но вот если бы кто-то из путешественников попытался поднять ядро-пылинку, он был бы поражен его тяжестью: спичечная коробка такого вещества весит столько же, сколько средней величины гора! В исчезающе малом объеме ядра заключена практически вся масса атома, на электроны приходятся лишь сотые доли процента. Плотность ядерного вещества в десять триллионов раз превосходит плотность железа.