Текст книги "Охота за кварками"

Автор книги: Юрий Чирков

Наш лучший из миров!

Незадолго до смерти, в 1924 году, В. Брюсов написал стихотворение «Мир N измерений». Начиналось оно так.

 
Высь, ширь, глубь. Лишь три координаты.
Мимо них где путь? Засов закрыт.
С Пифагором слушай сфер сонаты,
Атомам дли счет, как Демокрит.
 

Дальше поэт говорит о мирах N измерений. О том, что тем, кто в них живет (эти существа он условно называет богами), наш мир кажется ограниченным и смешным.

 
Наши солнца, звезды, все в пространстве,
Вся безгранность, где и свет бескрыл,
Лишь фестон в том праздничном убранстве,
Чем их мир свой гордый облик скрыл.
Наше время – им чертеж на плане.
Вкось глядя, как мы скользим во тьме,
Боги те тщету земных желаний
Метят снисходительно в уме.
 

Миры N измерений – абстракция, придуманная ученым, фантазия поэта?

Не только. В начале 20-х годов нашего века математики Т. Калуза и Ф. Клейн предприняли еще одну попытку унифицировать гравитацию и электромагнетизм.

Для этого они вообразили некий пятимерный мир и вычислили его пятимерную кривизну, так же как это делал А. Эйнштейн для четырехмерных пространства-времени.

Результат этих математических манипуляций поразил исследователей. Дополнительные уравнения, которым подчинялись компоненты кривизны в пятом измерении, оказались просто уравнениями электромагнитного поля, давно выведенными Дж. Максвеллом! Похоже было, что электрический заряд действительно связан с пятым измерением и его кривизной.

В последние годы, полстолетия спустя после публикации работы Т. Калуза и Ф. Клейна, наблюдается взрыв интереса к подобного же рода исследованиям. Многие ученые верят в то, что пятое измерение существует.

A не замечаем мы его только потому, что оно «свернулось в кольцо» очень малого радиуса, размером менее 10 ^-33сантиметра. И произошло это за первые 10 ^-43секунды после возникновения Вселенной в процессе Большого Взрыва. В результате пятимерное пространство-время свелось к четырехмерному, которое мы воспринимаем, а пятое, фактически скрытое от нас, косвенным образом проявляется в заряде.

Если эти мысли верны, то можно пойти и дальше.

Кроме гравитации и электромагнетизма, существуют еще два проявляющих себя в микромире взаимодействия: сильное и слабое. Не означает ли это необходимость увеличения числа измерений? Не на этом ли пути произойдет объединение всех четырех главных сил в одну, объединение, о котором рассказывалось в главе 3?

Полный ответ на эти вопросы пока отсутствует, но предварительные оценки показывают, что мы скорее всего живем вовсе не в трехмерном, как это обычно принято считать, мире, а во Вселенной, имеющей в качестве основы число измерений, по меньшей мере, равное 11.

Но в момент зарождения Вселенной 8 из 11 «координат» мироздания начали катастрофически сжиматься, превратившись в итоге в точечные образования, обусловливающие характерные свойства элементарных частиц. И только трем координатам «повезло»: высота, длина, ширина, выражаясь условно, не схлопнулись, а, наоборот, стали «выпячиваться», «раздуваться» до гигантских размеров, составив то, что и называется ныне нашей Вселенной.

Вот так оказывается, что разговоры об N-мирах не пустые слова. И эту интересную тему можно продолжить в несколько ином направлении. Можно объяснить (наука на это уже способна!), почему мы живем именно в трехмерном мире.

Разгадка этого вопроса такова. Двухмерие слишком бедно возможностями, слишком «тесно» для возникновения в нем сложных форм материи, полноцепная жизнь там развиваться не может хотя бы потому, что в двухмерном мире атомы были бы сверхстабильными – электроны было бы невозможно оторвать от ядер. В 1907 году в Лондоне был издан роман с необычным содержанием.

«Эпизод во Флетленде» – так он назывался. В нем было все – и любовь, и война, и катастрофы, и желанный хэппи энд – счастливый конец. Отсутствовало в романе лишь… третье измерение.

Во Флетленде – стране плоскатиков – жили двумерцы, существа, выдуманные автором книги, преподавателем математики Г. Хинтоном. Жили в буквальном смысле плоско, трудно (обойти дерево двумерец не мог: должен был его по крайней мере свалить), ущербно, убого…

Но отправимся теперь на другой «полюс» – в четырехмерное (время не в счет!), к примеру, пространство.

Казалось бы, сколько тут открывается возможностей!

Однако, заметим, подобные путешествия (не то, что экскурсия по Флетленду) непросты. Наш интеллект легко может вообразить себе огнедышащего дракона с двенадцатью хвостами, но четырехмерный куб простая вроде бы фигура! – представить себе очень нелегко.

С этим справляется только натренированный и изощренный ум математиков.

Ученые мысленно проникли в многомерные миры и убедились – вход в них нам, людям, также категорически заказан. Еще в начале века нидерландский физик П. Эренфест показал, что в пространствах, где координат больше трех, устойчивые системы существовать не могут.

Тут проявляет себя другая крайность – сверхнестабильность. В таком мире планеты быстро бы по спирали упали на Солнце или улетели бы от него в бесконечность.

И электроны не смогли бы устойчиво обращаться вокруг ядер.

Выходит, наше счастье, что страна N-мерие, в которой мы живем, имеет «номерной знак» N = 3. А точнее следовало бы выразиться так: если бы Вселенная не была трехмерной, жизнь в ней, видимо, просто бы не возникла. И уж если продолжить тему «везения», то его признаки, это легко показать, проявляют себя буквально на каждом шагу. Ну хотя бы такой факт «удачи». Вселенная наша расширяется именно с такой скоростью, которая необходима для зарождения в ней разумной жизни. Можно показать, что при других темпах расширения биологическая эволюция просто не успела бы (если считать, что расширение Вселенной должно смениться ее сжатием!) совершиться…

Персонаж одной из философских повестей Вольтера Панглосс («Всезнайка»), который, как известно, преподавал юному Кандиду метафизико-теолого-космологонигологию, очень любил распространяться о том, что наш мир лучший из миров (точнее, он выражался так:

«В этом лучшем из возможных миров замок монсеньора барона был прекраснейшим из замков, а его супруга была лучшей из баронесс»).

В этих иронических словах проглядывает старая претензия человека считать себя центром мироздания, средоточием, пупом Вселенной. Н. Коперник, Д. Бруно и другие мыслители покончили с подобным самомнением, с мнением, что человек якобы занимает во Вселенной центральное, привилегированное положение.

Но, к сожалению, как это часто случается, в дальнейшем повсеместное распространение идей Коперника и Бруно привело к антидогме. Стали полагать, что жизнь, словно сорная трава, может произрастать на любой, даже очень каменистой, почве. Стало само собой разумеющиеся считать, что вообще положение человека в мирозданип не может быть привилегированным ни в каком смысле, что, конечно же, неверно, ибо необходимыми предпосылками существования жизни является целый ряд специальных благоприятствующих условий: температура, химический состав окружающей среды (ведь нет же жизни на ближайших к нам Марсе и Венере!) и многое другое.

И вот сейчас космологи хотят выправить крен, сформировать правильное уравновешенное понимание природы мироздания и нашего истинного места в нем. И итогн получаются удивительные: выходит, что мы таки все же живем в лучшем из миров! Мы обитаем в метагалактике, «сработанной» удивительно тонко и гармонично.

Это чрезвычайно удачное сочетание физических констант (в частности, электрон просто обязан быть лилипутам среди других элементарных частиц) представлялось бы просто невероятным, если бы существование «наблюдателей», то есть нас с вами, не было бы бесспорным фактом. И жизни необычайно повезло, что в момент Большого Взрыва набор основных физических констант оказался столь уникальным. Другие сочетания дали бы негармонические миры. В них ядра, атомы, звезды, галактики, не говоря уже о высокоорганизованных формах существования материи – живых созданиях, скорее всего бы отсутствовали…

«Сфинкс засмеется и жизнь на Земле иссякнет»

«Я не нашел в вашей «Небесной механике» бога, сударь», – сказал Наполеон Бонапарт выдающемуся французскому астроному и математику П. Лапласу. «Я не нуждаюсь в этой гипотезе, чтобы построить картину мира». вежливо ответил ученый.

Этот обмен репликами состоялся примерно два века назад. Но и в наши дни любой любознательный, но далекий от науки человек может сделать космологу замечание а-ля Наполеон Бонапарт. Услышав рассказ о Большом Взрыве, трудно удержаться от мыслей о каких-то сверхъестественных силах. Слова «бог», «создатель» так и просятся на язык.

«Что означает эта неизменная удача? – как-то при встрече спросил я у И. Розенталя. – Почему фортуна так к нам благосклонна? Невольно создается впечатление, что кто-то хочет, чтобы жизнь в нашей Вселенной обязательно состоялась. Как все это понять?»

«Есть два взгляда на этот счет. Многие ученые на Западе склоняются к теологической точке зрения. Фактически они толкуют об акте творения, о том, что мир создан (слово «господь-бог» тут можно произносить явно тгли нет – это роли не играет) именно таким, чтобы в нем мог существовать человек».

«Что же этому можно противопоставить?»

«То, что мир не один-единственный, что он вовсе не создан творцом, а что есть множество миров, образующихся по законам случая. И что со Вселенной нам просто чертовски повезло – мы вытянули, так сказать, счастливый номер в лотерее жизни. Могли быть варианты, которые не оставили бы для высокоразвитой жизни никаких шансов…»

* * *

Числа правят миром. Так полагали древние (Платон свое знаменитое учение об идеях в конце жизни переработал в духе пифагореизма, усматривая теперь источник идей «в идеальных числах»). Так думают и ныне живущие ученые. Но, конечно же, между космогонией древних греков и воззрениями современных физиков дистанция огромного размера. Неизмеримо возросли уровень и глубина понимания процессов, происходящих во Вселенной. А главное отличие все же в другом.

У древних космологов математика играла роль идеального кормчего в хаосе идей, вещей, явлений, буквально захлестывающих древних мудрецов. Это была палка слепца, с трудом нащупывающего дорогу. Современные же ученые ставят конечной целью понимание природы чисел, управляющих нашим миром. И нет сомнения: рано или поздно тут им будет сопутствовать удача. Вот этому пример.

Мы живем в трехмерии. Но это вовсе не означает, что, углубляясь в микромир, в средоточие материи, или же стремясь к бескрайности мегамира, к далеким галактикам, человек не может столкнуться с областями, где царит иное измерение, отличное от трехмерного.

Существует подозрение, что кварки, эти загадочные субчастицы, как бы обретаются в особом одномерном (мезонные кварки, в каждом мезоне сидит кварк и антикварк) или двухмерном (кварки, составляющие протон или нейтрон, тут они собраны по трое) мире. В свободном состоянии их никак не могут обнаружить. Возможно, трудность состоит здесь в том, что кваркам нелегко «вырваться» в пространство большего числа измерений: из одно– и двухмерия в наш трехмерный мир…

И еще замечание. Мы начинаем постигать, почему попытки понять Вселенную, несмотря на практическую бесполезность этого занятия, так необходимы натуре человека. Интуитивно мы чувствуем, что между нами и всей необъятной Вселенной как бы протянуты незримые нити. Что человеческая жизнь не просто завершение длинной цепочки случайностей, но что наше существование каким-то пока непостижимым образом предопределено с самого начала.

В одной из древнейших иероглифических надписей, найденных в Египте, сказано: «Когда люди узнают, что движет звездами, сфинкс засмеется и жизнь на Земле иссякнет».

Человек уже начал постигать механику небес. Вселенная как бы оказалась у него на ладони под увеличительным стеклом. Но пророчество-угроза не сбылась.

Что же, какой-нибудь египетский жрец объяснил бы это тем, что мы все еще не добрались до самого начала – начал мироздания, до его потаенного ядра. Ведь еще не разгадано, откуда берутся вселенные!

Кто мог бы на этот вопрос ответить? Пожалуй, только физики-теоретики. О них – следующая глава.

6
Блудные сыны науки

Жил однажды человек, который был очень крупным специалистом по драконам.

Он самым тщательным образом изучил разновидности драконов, их признаки и привычки, умел прекрасно отличать один вид драконов от другого. Но, к сожалению, за всю жизнь ему ни разу не пришлось встретить ни одного дракона. И он не слышал, чтобы кто-то другой видел дракона. Когда же этот ученый приблизился к старости и утомился от вдумчивого изучения драконов, он стал обучать своему опыту молодых людей, чтобы и они так же хорошо разбирались в этой важнейшей области знания – драконологии.

Из книги В. П. Шелеста «Осколки»

История науки хранит в своей памяти следующий курьезный случай. В 1912 году немецкий физик (не теоретик!) Дж. Франк принимал кафедру физики в Пражском университете. Заканчивая беседу с ним, декан сказал:

– Мы хотим от вас только одного – нормального поведения.

– Как? – поразился Дж. Франк. – Неужели для физика это такая редкость?

– Не хотите же вы сказать, что ваш предшественник был нормальным человеком? – возразил декан…

А предшественником Дж. Франка был Альберт Эйнштейн.

Наука XX века требовала бунтарей, еретиков, радикалов, безумцев, восставших против очевидностей физики XIX века. Настоятельно требовалась и постепенно оформилась в физике (как из маленькой затравки в расплаве вырастает прекрасный кристалл) и совершенно новая, необычная профессия, профессия, требующая большого напряжения духовных сил, умения в мыслях ворочать целыми мирами, из мертвых математических символов и животворных фактов эксперимента лепить правильно работающую физику. Короче, наука требовала профессии физика-теоретика.

О добрых старых временах

Первыми задумались об устройстве мира и о своем месте в нем древние греки. Эти поиски они называли философией (буквально с греческого – любовь к мудрости или любомудрие).

И отголоски этой страсти к знаниям у древних эллинов живы в науке и сейчас. Еще и в наши дни на Западе ученый после защиты диссертации неважно, в области математики это или биологии – удостаивается степени доктора философии, хотя естественнее было бы употребить тут слова «доктор такой-то науки».

На фоне поисков, длящихся долгие тысячелетия, удивительно, что слово «ученый» – изобретение сравнительно недавнего времени.

В английском (видимо, и в других языках) еще века полтора назад этого слова не было. Тогда исследователей законов природы просто называли «людьми науки».

Даже в 1895 году лондонская газета «Дейли ньюс» объявляла слово «ученый» американским новшеством, а английский писатель-фантаст Г. Уэллс до конца своих дней считал выражение «человек науки» наиболее правильным.

Показательно и то, что еще пару веков назад тон в науке задавали непрофессионалы (сейчас бы их назвали дилетантами, любителями).

Открывший людям с помощью микроскопа мир микроорганизмов А. ван Левенгук был купцом, занимался торговлей мануфактурой и галантереей. Создатель учения о фотосинтезе Дж. Пристли был священником. Один из основоположников термодинамики, С. Карно, был профессиональным военным.

Ах, эти блаженные дни, дни юности науки! В созданном людьми науки «Лунном обществе» (Англия) живо и непринужденно обсуждались проблемы не только научные.

Изобретатель паровой машины Д. Уатт спорил о музыке с крупнейшим астрономом и музыкантом В. Гершелем. Э. Дарвин размышлял об эволюции теорию которой суждено было создать его внуку Ч. Дарвину, – а по пути домой сочинял стихи.

Но времена менялись. Постепенно в Англии – она была тогда самой развитой капиталистической державой – стали возникать чисто научные учреждения: Лондонское королевское общество, позднее – Королевский институт. В 1900 году была основана Британская академия…

На смену широким дискуссиям за бокалом доброго вина, которые некогда велись при мягком свете свечей, пришли все более специальные доклады на собирающих множество людей семинарах, коллоквиумах, конференциях и симпозиумах. Для специалиста той или иной науки это удобный способ отвести душу, вдосталь наговориться на своем ученом, тарабарском для посторонних жаргоне, обсудить во всех деталях и подробностях проблему необнаруженных кварков, синтез аминокислот или особенности строения усиков у дрозофилы.

Трудно точно сказав, когда в науке началась эра специализации. Но она началась, и наука все более стала напоминать сокровищницу за семью печатями, доступную лишь избранным, где хранятся сундуки с драгоценностями и бирками «Физика», «Химия», «Бшшния»…

Каждый сундук заперт на замок с секретом, открыть его может только тот, кто посвящен в тайну его механизма. А в сундуках – множество ящиков и ящичков с надписями: «Ядерная физика», «Кристаллография», «Цитология», «Биофизика».

Кое для кого «специализация» – бранное слово. Такие считают: ученый обязан быть универсалом, должен выходить за тесные рамки своей профессии, а главное – активно вторгаться в жизнь. Это еще одна тенденция науки, яркая примета нашего времени.

Дитя века телевидения

Худой, бледный, лысеющий профессор занимает место перед телекамерой. Растерянно жмурясь от ослепительного света, он неловко разворачивает заранее составленный текст и прерывистым голосом слово в слово перечитывает его содержание.

Заметно нервничая, он торопливо отвечает на вежливые вопросы репортеров, пересыпая свою речь туманными техническими и научными терминами.

Интервью, к счастью, длится недолго, и ученый наконец получает возможность незаметно ускользнуть в любезную его сердцу лабораторию, где, окруженный рядами колб и пробирок, в насыщенной едким запахом формалина атмосфере он может спокойно отдаться делу своей жизни.

Таков привычный классический образ ученого.

Так было, так есть, но вряд ли все это сохранится и в будущем. Наука непрерывно и очень быстро меняется, и сейчас на авансцену выходят ученые совершенно нового типа.

Профессор Стэнфордского университета (США) биолог, специалист по чешуекрылым насекомым П. Эрлих в научном мире известен своими исследованиями в области антологии и демографической биологии. Он автор ряда учебников и около сотни научных работ. Все это дает основание считать его полноценным ученым.

Однако среди широкой аудитории его имени сопутствует совсем иная слава. Его перу принадлежат несколько бестселлеров – его книги «Демографическая бомба» (1968), «Как остаться среди живых» (1971) и «Конец эры благосостояния» (1974) разошлись многомиллионными тиражами.

Знаменит П. Эрлих и как популярный лектор, и как энергичный пропагандист своих научных взглядов. Широко пользуясь методами коммерческой рекламы, он настойчиво требует решительного обуздания демографического взрыва.

П. Эрлих не принадлежит к числу ученых, робеющих перед ярко освещенной рампой эстрады, его не смущают переполненные аудитории или дотошные телерепортеры и журналисты. Беседуя с корреспондентами или обращаясь к миллионам телезрителей, он мастерски сочетает природные данные оратора с эффектными жестами и умением вовремя сгустить краски, чтобы с большим драматизмом подчеркнуть мысль.

Живость, непринужденность, едкий юмор, дерзкое инакомыслие, яркость образов – характерные черты стиля его выступлений. Вот краткий образчик его речи:

– Утверждать, что проблема демографического взрыва касается только недоразвитых стран, это все равно, что говорить сидящему рядом с тобой пассажиру: «Берегитесь, ваша честь, корабль тонет…»

Однако П. Эрлих не только дитя века телевидения и массовой продукции дешевых книжных изданий. Он еще и порождение серьезных качественных изменений, которые претерпевает сейчас вся наука.

И ученые нового типа (П. Эрлих лишь наиболее яркий их представитель) пытаются приспособиться к процессу модернизации науки. Они нащупывают новые пути влияния и новые каналы связи между наукой и обществом.

Сейчас многие ученые решительно поднимают свои голос в борьбе за мир. Так, академик М. Марков – также и председатель Советского Пагуошского (Пагуош – местечко в Канаде, где было положено начало ежегодным встречам ученых, выступающих за предотвращение мировой термоядерной войны и научное сотрудничество) комитета, автор многих статей, где говорится об ответственности ученых за сохранение человечества.

Другие исследователи отдают свое время популяризации научных знаний. Среди них примечателен А. Азимов, в прошлом профессор биохимии (Бостонский университет, США), а ныне широко известный писатель-фантаст. Им же написано больше сотни (!) научно-популярных книг.

Пока сами ученые взваливают на свои плечи дополнительное бремя забот. При этом, конечно, они вынуждены быть непрофессионалами: дилетантами от политики, от журналистики и т. п. Но, видимо, положение это временное. Скорее всего в будущем университеты будут готовить людей, соединяющих в одном лице ученого и популяризатора, ученого и специалиста по научной рекламе, ученого-международника и так далее.

Мы видим: сейчас в науке есть ученые самых разных стилей, окрасок и мастей. И все же среди этой пестроты трудно не приметить стоящую особняком удивительную фигуру Теоретика.