Микромир частиц и Вселенная — Я. Зельдович

Микромир частиц и Вселенная - Я. ЗельдовичРассказывает академик Я. Зельдович.

Огромная роль науки в современном мире — в производстве, обороне, повсеместной жизни — не нуждается в доказательствах или примерах. Но иногда, особенно от молодежи, притом от лучших, мыслящих молодых людей неожиданно слышишь: а не забываем ли мы о душе человека?

Как же отвечает наука на самые общие вопросы?

Естественно, что я буду говорить прежде всего о том, что лежит в пределах моей специальности: физики и астрономии. Огромное число работ в области физики имеют прямой технический выход. За последние полвека появилась атомная энергетика. Катастрофа в Чернобыле не остановит ее развития, это событие только напоминает нам о необходимости более строго, более научно вести дело. Появилась радиолокация с ее вначале военными, а потом и гражданскими применениями. Появились лазеры с бесчисленными технологическими приложениями: от микрохирургии глаза до обработки металла и зондирования атмосферы. Появилась полупроводниковая техника: сначала с ней был связан прогресс радиовещания и телевидения, несколько позже родились вычислительная техника и информатика. Ясны пути массового создания роботов и освобождения человека от бездумного физического труда. Вероятно, именно полупроводники решат проблему освоения солнечной энергии. Не исключено, что при этом передача энергии будет осуществляться с помощью сверхпроводников.

Вот здесь пора подчеркнуть, что речь идет о применениях физики. Но стоит поговорить и об основе всех применений, о физике как науке фундаментальной. (Может быть, фундаментальная — это не самое удачное слово — придумайте лучшее.)

Первое впечатление ребенка, обретающего сознание, ощущение, которое великий Лев Толстой сохранил до конца жизни и так замечательно передал в «Казаках», — это ощущение бесконечной красоты и разнообразия, многоцветия окружающего мира! Откуда берется это разнообразие? Не противоречит ли оно любой попытке «навести науку» на все богатство и пестроту окружающей нас природы?

Современная наука дает четкий ответ: разнообразие всего сущего складывается из сравнительно небольшого числа (около ста) различных химических элементов. Это разнообразие такое же, как неисчерпаемое богатство архитектурных форм, которые могут быть построены из небольшого числа «типоразмеров» строительных деталей («кирпичиков»). В свою очередь, каждый кирпичик — атом — состоит из ядра (сколько-то протонов, сколько-то нейтронов) и окружающих ядро электронов. Электроны движутся вокруг ядра подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Ядро, заряженное положительным электричеством, притягивает к себе электроны, имеющие отрицательный заряд. Здесь снова проявляется явная аналогия с Солнечной системой: Солнце притягивает планеты силами всемирного тяготения. Однако здесь аналогия кончается. Планета или межпланетный корабль могут двигаться по той или иной орбите в зависимости от своего начального положения и начальной скорости. Но законы механики в атоме другие. Электронами управляет квантовая механика. В холодном атоме заранее предписан весь набор орбит электрона. Все атомы данного химического элемента в точности одинаковы. То же относится к движению протонов и нейтронов в ядре.

Почему выше было употреблено прилагательное «холодный» применительно к атому (или ядру)? Ответ состоит в том, что хотя все частицы в атоме движутся, извлечь энергию из этого движения невозможно: не существует таких орбит, энергия которых была бы меньше. Квантовая механика объяснила химические свойства элементов, свойства газов, жидкостей и твердых тел, в том числе проводников и изоляторов. В свою очередь, химия лежит в основе биологических процессов. Итак, наука объясняет формы, строение окружающей нас ‘ природы и явления, происходящие в ней. С одной стороны, основы оказались гораздо проще, чем можно было на первый взгляд ожидать. Но ценой этого была необходимость изменить законы механики, ввести ночую, «квантовую» механику. Исследование электрических и магнитных полей привело к огромным, революционизирующим успехам техники. Достаточно вспомнить об электроэнергии как основе промышленности и всей современной радиотехники. Освещение, радио, телевидение прочно вошли в быт. Но изучение электромагнитных явлений привело и к важнейшему идейному достижению — созданию теории относительности. Эта теория изменила наши представления о пространстве и времени. Оказалось, что утверждение «первое событие произошло раньше второго» не является абсолютным! Если эти события происходят в разных точках, далеко друг от друга, то разные наблюдатели, движущиеся с разной скоростью, дадут разный ответ на простой вопрос: «Какое событие было раньше?» Одновременно теория относительности установила связь между массой и энергией. Известно, что 4 атома водорода имеют массу большую, чем у одного атома гелия. Превращение водорода в гелий выделяет энергию — избыток массы водорода (или, как обычно говорят, недостаток, дефект массы гелия) дает 1018 эрг на грамм, и этого достаточно, чтобы обеспечить энергией излучение Солнца. Сумев полностью превратить 1 грамм вещества в энергию, мы получим 9*1020 эрг — примерно в 100 раз больше. В теории относительности меняются и законы механики при большой скорости движения: скорость света с=3 • 1010 см/с оказывается пределом при ускорении любой частицы и одновременно предельной скоростью передачи информации.

Читатель вправе спросить: действительно ли все сказанное означает прогресс науки? Нет ли в развитии науки того, с чем мы встречаемся в эволюции дамских мод: макси — мини — миди — снова макси и т.д.? Вопрос законный, и на него есть вполне определенный ответ. Именно этот ответ позволит увидеть принципиальное отличие современной науки от античной или средневековой. Древние считали, что все состоит из четырех субстанций: огня, воды, воздуха и земли. Когда на смену этим поэтическим субстанциям пришли 92 элемента периодической системы Менделеева (не упоминаю следующие за ураном и созданные искусственно), то теория «четырех субстанций» оказалась неверной, опровергнутой. Она забыта, она не входит в учебники, не «работает» в промышленности и интересна только историкам науки.

Но не так обстоит дело последние 100 лет. В XX веке выяснилось, что атомное ядро не точка, что химические элементы не элементарны, что ядро можно расщеплять. Однако все это не изменило химии.

Еще нагляднее такая закономерность прослеживается в механике: механика Ньютона не отменена! Она сохраняет почетное место приближенной теории, которая тем вернее, чем меньше скорость и больше масса тела.

Анекдотический персонаж, который говорил: «Если прав Эйнштейн, то, значит, Ньютон просто обманщик», ровно ничего не поняв в специфике современного развития науки. Продвигаясь вперед, создавая все более точные и сложные теории, мы научились сохранять и находить правильное почетное место предыдущим теориям.

Более того, мы понимаем и преимущества приближенных теорий в их области применимости, их принципиальную простоту. В целом развитие физики и науки вообще — это прогресс, неумолимое продвижение вперед, а не капризные блуждания. Раскрыты ли все тайны природы? Конечно, нет. Уже то, что сказано выше, описывает упрощенную и устаревшую картину. Известно много других типов частиц, кроме вышеупомянутых протонов, нейтронов и электронов. Сами протоны и нейтроны оказались не элементарными, они состоят из более мелких частиц. Читатели, вероятно, знают про кварки и глюоны, но здесь я не хочу конкретизировать ситуацию.

Огромные материальные и духовные усилия тратятся на поиски истины, на проникновение все дальше в глубь материи, на выяснение все более трудных вопросов.

В настоящее время хорошо развита теория, которая берет массы элементарных частиц и их заряды как исходные величины. Но уже делаются попытки построения такой теории, в которой сами значения масс и свойства частиц, да и сам набор элементарных частиц, существующих в природе, получались бы как теоретический результат. Такая теория, разумеется, окажется сложнее нынешних. В будущей теории, вероятно, придется использовать пространство с большим числом измерений, выработать новые математические образы и приемы. С точки зрения той новой науки почти все то, чем занимаются сегодня экспериментаторы, можно назвать «низкоэнергетическим пределом будущей единой теории». Такое понятие того же типа, что и название классической механики — «низкоскоростной и с большими массами предел теории относительности и квантовой механики». Стоит ли трудиться над всего лишь «низкоэнергетическим пределом»? Да, стоит: и потому, что это практически важно, и потому, что так мы получаем важные намеки на то, куда двигаться дальше.

А стоит ли трудиться над будущей единой теорией? Да, и еще раз да, потому что только такая теория полностью удовлетворяет нашу потребность в понимании природы, понимании самых глубинных, исходных ев закономерностей. В какой-то мере — я возвращаюсь к началу статьи — представление о том, что все законы природы едины, получится из одного принципа — такое представление родственно религиозному чувству. Пока теория не построена, предположение о ее существовании — это вопрос веры! Но к вере добавляется знание истории науки, знание того, как постепенно, а иногда и скачкообразно, взрывами происходило нарастание и углубление наших знаний.

Именно теперь мы переживаем бурный — взрывной — период развития физики и космологии. И здесь мне снова хочется вспомнить Тютчева: «Блажен, кто посетил сей мир в его минуты роковые…»

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Оставить комментарий

Открыть меню
Знаете ли вы?
Степень компьютеризации в Иране намного выше, чем в России и работают за ними чаще женщины

Еще!