Биосфера — от греческих слов «биос» (жизнь), «сфера» (шар), буквально — «сфера жизни». Биосфера — одна из земных оболочек, пространство, где обитают или обитали в прошлом живые организмы. Она охватывает тропосферу (нижний слой атмосферы высотой 10–15 км), гидросферу (водную оболочку), а также часть литосферы — твердой оболочки Земли до глубины 2–3 километров.
От состояния биосферы непосредственно зависит существование человека, так как зеленые растения, составляющие неотъемлемую часть биосферы, аккумулируют солнечную энергию в сложных органических соединениях, обеспечивая тем самым пищей животный мир нашей планеты, в том числе и человека. Биосфера является единственным каналом, через который к человеку поступает энергия, необходимая для жизни.
Создателем учения о биосфере является выдающийся русский и советский ученый, академик В. И. Вернадский. Наряду с биосферой он ввел также понятие ноосферы — материальной оболочки Земли, меняющейся в результате воздействия человека. «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом, становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого… Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете», — писал он.
Глобальные проблемы — проблемы, связанные с изучением природных или других процессов и явлений, охватывающих всю нашу планету. К числу подобных процессов относятся, например, атмосферные явления, определяющие изменения погоды и климата. Для познания закономерностей глобальных процессов их необходимо изучать в масштабах всей Земли, вести одновременные наблюдения определенных явлений по единой программе. Во второй половине XX столетия был осуществлен ряд подобных международных научных мероприятий, в которых приняли участие ученые многих стран. К их числу относятся Международный геофизический год (МГГ), Международный год спокойного Солнца (МГСС), а также ряд других международных исследований. В 1979 г. намечается провести глобальный эксперимент по изучению метеорологических процессов. В течение нескольких месяцев наблюдения по согласованной программе предполагается одновременно вести на всем земном шаре.
Магнитные полюса и магнитная ось Земли — изучение магнитного поля Земли показало, что в первом приближении оно совпадает с полем магнитного диполя (магнитный диполь — магнит, состоящий из двух жестко связанных друг с другом магнитных зарядов, положительного и отрицательного, то есть северного и южного), находящегося в центре Земли. Ось этого диполя расположена под углом 11° к направлению оси вращения нашей планеты. Поэтому точки пересечения оси диполя с поверхностью Земли — магнитные полюса не совпадают с положением географических полюсов, хотя и находятся от них не так далеко.
Согласно современным представлениям, земной магнетизм порождается в результате самовозбуждения магнитного поля вследствие движения электропроводящего вещества в ядре Земли (так называемый динамо-эффект).
Палеомагнетизм, или остаточный магнетизм. Им обладают многие горные породы, из которых состоит земная кора. Его возникновение относится к тем временам, когда эти породы, изверженные из земных недр, находились в разогретом состоянии. Под действием земного магнитного поля происходило их намагничивание. При остывании направление этого поля как бы закрепляется в веществе и впоследствии может быть обнаружено. Следы магнитного поля Земли хранятся и в осадочных породах. Когда мелкие зерна осадочных пород оседают на дно водоемов, они ведут себя подобно маленьким магнитным стрелкам, ориентируясь в соответствии с направлением земного магнитного поля в данном месте.
Сопоставляя эти данные с возрастом тех или иных пород, который определяется одним из имеющихся в распоряжении ученых методов, можно установить, какое направление имело в том или ином районе нашей планеты земное магнитное поле в определенные исторические эпохи.
Тектоника — тектонические процессы — процессы, протекающие в земной коре (ее толщина — несколько десятков километров: около 35 км на материках, 5–7 км под дном океанов) и связанные с движениями вещества, происходящими под влиянием различных причин. С тектоническими процессами, в частности, связаны такие катастрофические явления природы, как землетрясения.
Техносфера — физико-географическая среда, преобразованная человеком и предельно насыщенная продуктами человеческой деятельности.
Микромир
I. В глубины вещества
«Странный» мир
В этой главе мы познакомимся с некоторыми достижениями одной из наиболее фундаментальных областей современного естествознания — физики микромира, занимающейся изучением строения материи на уровне микропроцессов — атомов, атомных ядер и элементарных частиц.
Пожалуй, нет другой области науки, где бы с такой отчетливостью и убедительностью происходила периодическая смена представлений, где бы «привычное» постоянно уступало место «непривычному», иногда весьма странному, где бы углубление знаний неуклонно вело ко все большему отходу от «наглядного», к отрыву от непосредственно окружающей нас реальности и где бы, несмотря на все это, неизменно умножалось число все более кардинальных практических приложений. По существу, вся короткая история атомной физики и физики элементарных частиц — сплошная цепь удивительных открытий.
По мере все более глубокого проникновения в тайны строения материи физика неоднократно сталкивалась с явлениями, которые вначале казались исключительными, парадоксальными. Например, теория относительности А. Эйнштейна показала, что с увеличением скорости масса тел не остается неизменной, а растет, что не существует единого времени — его течение происходит по-разному в различных материальных системах, движущихся относительно друг друга.
С не менее удивительными фактами столкнулась и атомная физика. В частности, выяснилось, что в области так называемых молекулярно-атомных процессов, характеризующейся пространственно-временными интервалами 10–6–10–11 см и 10–17–10–22 секунды, невозможно одновременно точно определить скорость движения микрочастицы и ее положение в пространстве (так называемый принцип неопределенности). Таким образом, оказалось, что движение микрочастиц (например, электронов в атомах) существенным образом отличается от движения обычных макроскопических тел, которые всегда в тот или иной определенный момент занимают вполне определенное положение в пространстве и обладают вполне определенной скоростью.
Тем самым уже на одном из начальных этапов проникновения в микромир обнаружилось, что привычные понятия классической механики не только не могут быть автоматически перенесены на микроявления, но и совершенно недостаточны для их описания.
Проникновение в тайны строения атомов потребовало экспериментов с энергиями от нескольких электрон-вольт до сотен тысяч электрон-вольт. Когда же были достигнуты еще более высокие энергии — до сотен миллионов и, наконец, миллиардов электрон-вольт, — то оказалось, что при таких энергиях поведение микрочастиц отличается уже не только от поведения макроскопических тел, но и от поведения элементарных частиц в обычных условиях, например электронов в атомах.
Было обнаружено, что при достижении определенного, достаточно высокого уровня энергии начинаются сложные взаимопревращения частиц. Частицы одних типов превращаются в частицы других типов.
В течение последних десятилетий эта область науки бурно прогрессировала. Еще какие-нибудь 20 лет назад физикам было известно всего около десятка элементарных частиц и казалось, что именно из этих частиц и состоят все объекты окружающего нас мира. Но затем благодаря введению в строй гигантских ускорителей и применению электронно-вычислительной техники было открыто множество новых частиц, и сейчас их число измеряется сотнями.
На первых порах мир элементарных частиц казался разрозненным — в нем трудно было усмотреть общие закономерности, связывающие различные частицы между собой. Однако в результате усилий сначала экспериментаторов, а затем и теоретиков удалось обнаружить некоторые закономерности, позволяющие систематизировать элементарные частицы и построить их классификацию, подобную периодической системе Менделеева. И подобно тому как система Менделеева позволила предсказать существование неизвестных химических элементов, система элементарных частиц, построенная физиками, дала возможность предсказывать новые неизвестные явления, открывать новые частицы с весьма необычными свойствами.
Теория элементарных частиц наряду с астрофизикой всегда играла чрезвычайно важную роль в формировании новых представлений о явлениях окружающего нас мира. В частности, современная теория элементарных частиц не только знакомит нас со все новыми и новыми объектами, но и подводит к новым представлениям о том, что такое элементарность. Еще сравнительно недавно считалось само собой разумеющимся, что Вселенная представляет собой последовательность вложенных друг в друга физических систем — от Метагалактики до неделимых элементарных частиц, не имеющих внутренней структуры. Подобная картина хорошо согласовывалась и с нашим повседневным здравым смыслом, согласно которому целое всегда больше и сложнее любой из составляющих его частей.
Но теперь мы знаем, что элементарная частица может содержать в качестве своих составных частей несколько точно таких же частиц, как и она сама. Так, протон на очень короткое время распадается на протон и пи-мезон, а каждый пи-мезон — на три пи-мезона. Таким образом, в микромире теряют смысл привычные представления о целом и части, а следовательно, теряет смысл и привычное для нас представление об элементарности.
Эти новые представления, разумеется, весьма необычны. Но в том, что по мере проникновения в тайны микроявлений подобные необычные представления возникают, нет ничего неожиданного. Теория элементарных частиц по мере своего развития ведет нас в глубины «все более странного мира», к открытию все более необычных, диковинных явлений. Но еще В. И. Ленин подчеркивал, что открытие диковинных явлений — «это только лишнее подтверждение диалектического материализма»[20].
Казалось бы, развитие физики, и в первую очередь тех ее разделов, которые изучают строение материи, должно «автоматически» служить укреплению атеизма, подрывать позиции религии.
Однако в действительности все обстоит значительно сложнее. Когда воздвигнутая классической физикой стройная картина, в которой все было строго определено и не оставалось места для каких-либо сверхъестественных сил, уступила место более глубокой, но зато и более сложной картине, «нарисованной» физикой XX столетия, теоретики богословия заметно оживились. Из революции, совершившейся в физике, они постарались сделать нужные им выводы: если классическая физика, отрицавшая идею бога, оказалась несостоятельной, значит, несостоятельны вообще любые попытки отрицать существование бога с точки зрения науки.
Как известно, в процессе становления новой физики выяснилось, что применение физических понятий за границами их применяемости неизбежно ведет к неполному и даже неверному описанию реальной действительности. Следовательно, в природе всегда существует некоторый круг явлений, описание которых остается за пределами возможностей современной науки. По-своему толкуя это бесспорное обстоятельство, теологи сделали вывод о том, что существует и такая область, в которую науке не удастся проникнуть никогда, — область сверхъестественного.
«У науки есть свои пределы… — утверждал известный теоретик православия митрополит Николай. — Но есть другая область, область другого, особого знания — это область веры»[21].«…Откровение вступает в действие там, где наука теряет возможность что-либо объяснить», — провозглашает, например, один из видных теоретиков современной католической церкви, епископ О. Шпюльбек.
Однако все разговоры о пределах, о том, что за этими пределами будто бы исчезает материя, что существуют нематериальные, сверхъестественные силы, лишены какого бы то ни было основания. Конечно, возможность ссылаться на «нечто», что недоступно пока научному объяснению, у богословов сохранится всегда. Но может ли факт существования явлений, еще не познанных, служить сколько-нибудь серьезным аргументом в пользу религии?
Разумеется, нет. Тем более что весь опыт развития естествознания вообще и физики в частности убеждает в том, что не познанное сегодня затем неизменно получает естественное объяснение и экспериментальное подтверждение, сводится к естественным объективным закономерностям окружающего мира. Это правило не знает исключений.
Не оставляют богословы попыток толковать в пользу религии и некоторые выводы современной физики.
Как известно, главными основами науки являются законы сохранения: закон сохранения энергии, сохранения заряда, сохранения импульса, сохранения барионного числа и т. д.
Они лежат и в фундаменте теории элементарных частиц. В частности, исходя из того, что не может нарушаться закон сохранения энергии, физики предсказали существование такой частицы, как нейтрино.
«Однако закон сохранения энергии, — заявляет все тот же епископ Шпюльбек, — не имеет больше… всеобщей силы. С тех пор как стало известно, что энергия может излучаться из массы и, наоборот, энергия протонов может превращаться в массу, закон сохранения получил тяжелый удар. Массу необходимо рассматривать как форму энергии…» И это написано в 1957 г., то есть тогда, когда физики на страницах множества книг и брошюр популярно разъясняли, что ни о каком переходе массы в энергию нет и не может быть речи, что в действительности совершается переход вещества в излучение (поле), то есть переход одной формы материи в другую, при которой выделяется некоторое количество энергии.
Другие богословы используют более отвлеченные рассуждения для нападок на принцип сохранения. Никто не может доказать, утверждают они, что со временем не будут открыты такие факты, которые окажутся несовместимыми с принципом сохранения…
Может ли на самом деле произойти что-либо подобное? В принципе это возможно, то есть может быть, что сохранение как свойство материи также имеет свои определенные границы и в природе существуют условия, при которых это свойство не проявляется. Однако последовательный материалист и диалектик не увидит в этом факте ничего угрожающего его взгляду на мир. В конце концов важно не то, подчиняется или не подчиняется то или иное явление законам сохранения, а то, что любое явление всегда и во всех случаях подчиняется тем или иным объективным принципиально познаваемым законам.
Это положение, непосредственно вытекающее из принципа единства мира, носит фунда
ментальный характер. Оно имеет первостепенное, можно сказать, решающее значение для естествознания, для всего процесса познания человеком мира. Важно подчеркнуть и обратное. Тот факт, что в действительности реальный мир, даже такие его сокровенные глубины, как элементарные частицы и атомные ядра, на практике поддается научному исследованию, — наиболее убедительное свидетельство в пользу его материального единства, отсутствия области действия сверхъестественных сил.
Развитие физики микромира, несомненно, еще поставит перед наукой немало сложных философских и методологических проблем. Но, опираясь на основополагающие работы В. И. Ленина в области философии естествознания, ученые-материалисты, безусловно, смогут правильно осмыслить любые новые явления природы.
Явлениям микромира в нашей естественнонаучной атеистической пропаганде, к сожалению, уделяется значительно меньше места, чем астрономии или физике вообще. Причина ясна. Как известно, религия, уделяя весьма значительное внимание вопросам мироздания, положения Земли и человека во Вселенной, строения Солнечной системы и движения небесных тел, почти совершенно не касалась вопросов строения материи, особенно глубинного. Это объясняется тем, что космос привлекал пристальное внимание людей еще много веков тому назад. Атомная же физика и физика элементарных частиц, реально показавшие всю неисчерпаемость, противоречивость и многообразие микромира, появились, по сути, лишь в начале XX в. Популяризация диалектико-ма-териалистического осмысления достижений науки в сфере микромира — насущная задача атеистической пропаганды, тем более, что теологи и идеалисты всех мастей при каждом удобном случае стараются обратить в свою пользу открытия в этой области знания.
Ученые дают интервью
Неклассическая наука и современный рационализмНа вопросы отвечает профессор Б. Г. Кузнецов
В последние годы в ряде стран резко усиливаются нападки на разум и науку. Их рассматривают как угрозу человечеству и противопоставляют им алогическое мышление и религиозную веру. На чьей стороне в этом вековом споре между защитниками и противниками разума теория относительности и квантовая механика?
На стороне разума. Более того, современная неклассическая физика дает рационализму такие аргументы, каких он никогда еще не получал от науки. Вместе с тем она требует от рационализма, от апологии разума дальнейшего развития. Теория относительности изменила представление об евклидовой геометрии мира — многовековую основу рациональной познаваемости Вселенной. Напомню, что Достоевский в «Братьях Карамазовых» говорил об евклидовой геометрии мира как о рациональной схеме мироздания и о неевклидовой — как об иной, но также рациональной его схеме. Квантовая механика изменила саму логику рационального, научного мышления. Когда-то Лаплас писал, что человеческий разум испытывает меньше трудностей, когда он продвигается вперед, чем тогда, когда он углубляется в самого себя. Наука сейчас подошла к периоду очень быстрого «углубления разума в самого себя», очень быстрого перехода от одного логического строя к другому, от одного стиля научного мышления к другому.
Нужно подчеркнуть, что и в современной науке, стоящей на пороге систематического анализа парадоксальных процессов в космосе и в ультрамикроскопическом мире, и в современной культуре в целом речь идет не об отказе от рационалистического анализа, от детерминизма, не о каких-либо границах познания. Речь идет о более сложном, более парадоксальном рационализме, о более сложном детерминизме, о новых, еще более далеких от классических эталонов путях познания.
Мне кажется, в XX в. неклассическая физика перешла от характерного для науки XIX в. игнорирования элементарных процессов в макроскопической картине мира к переносу центра тяжести на индивидуальное, на то «элементарное», которое стало в современной науке очень сложным и тесно связанным с космическими процессами, со Вселенной в целом. Сейчас такая тенденция в физических представлениях о космосе и микрокосме стала еще более отчетливой. — С другой стороны, сейчас яснее видна связь неклассической физики с преобразованием энергетики и технологии, с характером труда, со стилем современного мышления, с судьбами современной культуры в целом.
Современный рационализм физической теории не может ограничиться познанием законов бытия, он включает трансформацию познавательных норм, логических правил, аксиом самого познания, и вместе с тем он ведет к рациональному преобразованию бытия. Классическая физика, и прежде всего законы механики, изложенные в «Математических началах натуральной философии» Ньютона, в известном смысле претендовали на роль вечных скрижалей науки. Большинство мыслителей XVIII–XIX вв. думали, что законы механики Ньютона представляют собой незыблемый фундамент естествознания. Классическая наука — это не только определенные аксиомы, но и уверенность в том, что это действительно аксиомы. Что же такое неклассическая физика? Иногда ее определяют чисто негативным образом: она «не классическая», в общем случае она отказывается от фундаментальных постулатов, из которых исходит классическая физика.
Но это лишь часть дела. С новыми открытиями в физике изменилось не только представление о самой науке. Теория относительности и квантовая механика не только заменили старые фундаментальные физические законы новыми. Эти новые законы уже не претендовали на окончательное решение основных проблем бытия.
В XIX в. Гельмгольц видел высшую и конечную цель науки в сведении всей картины мира к центральным силам, полностью подчиненным механике Ньютона. Современный же физик вообще не ставит перед собой какой бы то ни было окончательной цели. Подобные иллюзии утеряны навсегда. Неклассическая физика — это здание, которое не только растет вверх, но и углубляется в поисках все более глубокого фундамента, который, однако, никогда не будет последним.
Каждая эпоха в науке характеризуется некоторыми идеалами физического объяснения природы. Современный идеал науки отличается от классического не только своим содержанием, но и своей динамичностью. Современная наука даже в том идеале объяснения мира, к которому она стремится, видит нечто меняющееся уже на глазах одного поколения.
В чем же состоит этот динамический идеал науки второй половины XX в.? В чем состоят связанное с этим идеалом радикальное обновление стиля фундаментальных исследований и те новые принципы науки, которые несут в себе зародыш новой, послеатомной цивилизации?
Исходная область новой научной революции — теория элементарных частиц. Видимо, ближайшая ступень этой теории будет состоять в систематизации уже известных частиц и тех, что будут открыты. Есть также основания думать, что общей тенденцией дальнейшего развития науки будет уже наметившаяся тенденция, направленная к объяснению известных из эксперимента основных свойств элементарных частиц, к ответу на вопрос, почему частицы данного типа обладают именно такими, а не другими массами и зарядами.
Второй путь, который ведет к принципиально новым основаниям научной картины мира, — это современные космология и астрофизика. Оба эти пути все больше сливаются в один.
При рациональной организации общества этот путь развития науки приводит к существенному преобразованию роли человеческой личности: человек становится инициатором радикальных преобразований картины мира, характера труда, структуры производства, баланса используемых природных ресурсов. Современное учение о пространстве, времени, движении, веществе и жизни, наиболее фундаментальные исследования, которые иногда называют меганаукой, становятся непосредственным импульсом для самых радикальных, технических, экономических и экологических трансформаций. Отсюда — небывалый интерес в очень широких кругах к физике, к ее воздействию на другие науки, к возникновению и развитию неклассической науки, которая получает от современной физики импульсы, заимствует у нее понятия, применяет и конкретизирует ее выводы. И этот широкий интерес является существенным вкладом в современную идейную борьбу. Он направлен против иррационализма, он укрепляет доверие к разуму, он дает очень важную гарантию прогресса современной культуры.
По-видимому, практическое применение неклассической физики является одной из основ того интереса, о котором вы говорите?
Да, конечно. Важно отметить, что для такого применения требуется очень смелая постановка собственно познавательных задач. Здесь важны уверенность в том, что фундаментальные исследования не могут не принести важных практических результатов. Но эти результаты далеко не всегда можно предвидеть. Когда экспериментатор хочет установить новую, еще неизвестную закономерность, результат предстоящих исследований не может быть заранее известен. Когда мыслитель обдумывает кардинальные вопросы, на которые дадут ответы новые ускорители или новые телескопы, каждый из этих будущих ответов может поставить под сомнение самый смысл заданных вопросов. И во всяком случае, каждый такой ответ может быть совершенно неопределенным в смысле практических выводов. В космос и в микромир человека прежде всего ведет стремление к решению познавательных задач. Каковы бы ни были возможные практические результаты будущих астрофизических исследований или сооружения сверхмощных ускорителей элементарных частиц, отнюдь не эти результаты, которые нельзя определить заранее, служат непосредственным стимулом указанных исследований.
Теория относительности стала источником такого радикального практического результата, как атомная энергетика, именно благодаря общему, отвлеченному и чисто познавательному характеру поставленных в начале столетия вопросов о пространстве, времени, движении, массе, энергии… Сейчас перед наукой, и в первую очередь перед физикой элементарных частиц и астрофизикой, стоят еще более общие и еще более фундаментальные вопросы. И они, конечно, будут решаться независимо от определенности их будущих практических приложений.
Поэтому принципиальная уверенность в ценности разума, в ценности науки так важна сейчас для темпа исследовательской работы в области фундаментальных наук.
Все же можно ли сейчас нарисовать хотя бы самые общие контуры тех сдвигов в производстве, которые вызовет фундаментальная наука в ближайшие десятилетия?
Перспективы, скажем, до 2000 г. просматриваются довольно ясно и однозначно. К указанному сроку атомная энергетика станет преимущественной компонентой электроэнергетического баланса. Она будет опираться на реакторы-размножители, которые дают больше ядерного горючего, чем потребляют его. К этому времени основой технологии станет квантовая электроника. Кибернетика будет введена в основные производственные процессы. Молекулярная биология и особенно радиационная генетика позволят преобразовать органическую жизнь. Химия приблизится к возможности делать «все из всего» и коренным образом изменит сырьевую базу производства. Экономический эффект: в нашей стране производительность труда будет возрастать не только с большой скоростью, но и с непрерывным ускорением.
Что же касается более далеких прогнозов, которые еще не обрели хронологической определенности, то для них исходным пунктом являются теоретические коллизии современной физики и некоторые экспериментальные направления. Сейчас физика занята подготовкой вопросов, которые будут заданы природе с помощью новых, чрезвычайно мощных ускорителей частиц. Я имею в виду ускорители, которые будут превосходить самые мощные современные установки в десятки раз. Они дадут возможность проникнуть в очень малые пространственно-временные области — порядка 10–13 сантиметра и 10–24 секунды. Можно ожидать, что в этих областях наука столкнется с принципиально новыми явлениями. В частности, есть основания предполагать, что здесь частицы не движутся в обычном смысле, а возникают и исчезают, то есть основная проблема состоит не в поведении, а в бытии частиц.
Очевидно, развитие этого направления потребует не только огромных экспериментальных, но и весьма больших интеллектуальных усилий, преобразования логики научного мышления. А это в свою очередь не может не сказаться на общем интеллектуальном потенциале науки.
В свое время теория относительности не только привела к таким практическим выводам, как использование внутренней энергии атомного ядра, но и оказала заметное воздействие на цивилизацию вообще преобразованием самого стиля научного мышления. Современная физика, опираясь на изучение микромира и космоса, идет к еще более радикальному преобразованию научного мышления.
Можно ли сейчас сказать что-либо определенное о возможностях человеческой цивилизации, когда она овладеет тайнами микромира? Как будет выглядеть эта «послеатомная» цивилизация — эпоха, которая наступит тогда, когда практическое применение получат не только достижения атомной физики, но и физики элементарных частиц?
Контуры «послеатомной» цивилизации можно наметить лишь весьма неопределенно. Однако не исключено, что центральную роль в практических применениях «послеатомной» физики будут играть процессы трансмутации частиц, в том числе аннигиляции пар частица — античастица.
Сейчас такие процессы относятся к числу довольно экзотических. Но весьма вероятно, что именно они станут исходным научно-техническим звеном «послеатомного» века, подобно тому как экзотические для конца 30-х годов процессы деления ядер урана стали исходным звеном атомного века.
Процессы трансмутации частиц в принципе могут освободить всю энергию, соответствующую всей массе покоя вещества. Это примерно в тысячу раз больше, чем при делении ядер урана.
Если удастся изолировать античастицы, отделив их от частиц, мы получим аккумулятор, который сможет накапливать в каждом грамме вещества 9·1020 эрг энергии. Подобные сверхаккумуляторы найдут себе применение в космических кораблях и позволят достичь периферии Солнечной системы, а может быть, даже выйти за ее пределы.
С помощью достижений физики элементарных частиц станет возможной аккумуляция энергии в очень малых по размерам приборах, в которых на миллиметровых или еще меньших уровнях создаются мощные электромагнитные поля, высокие напряжения, температуры, давления… Высокоэнергетическая миниатюризация может радикально изменить всю технологию и силовой аппарат производства. Подобные сверхаккумуляторы найдут широкое применение и в медицине.
По-видимому, мир, который открывается перед современной физикой, — это все более «странный» мир?
Да, это так, но «странность» его — особая, специфическая для нашего времени. Очень крупные, эпохальные открытия всегда раскрывали «странную», непривычную, парадоксальную реальность. Такой реальностью была, например, гелиоцентрическая система.
Парадоксы неевклидовой геометрии стали парадоксами бытия, схемой реального «странного» мира в нашем столетии в рамках общей теории относительности и релятивистской космологии. Но даже не в этом специфическая «странность» современной картины мира. Сейчас новые фундаментальные представления о мире не перестают быть странными, не становятся традиционными. Из всех исторических традиций науки современная физика берет прежде всего «традицию антитрадиционализма» и делает ее необходимым условием научного творчества. Но именно в этом — отличие разума от рассудка: немецкая классическая философия присвоила рассудку функцию подведения наблюдений под известные законы, а разуму — функцию изменения законов. Современная наука (именно в этом «странность» ее результатов, именно в этом — смысл понятия «меганаука», именно в этом — основа характерной для нашего времени связи фундаментальных исследований с практикой) — апофеоз разума. И тем самым — беспрецедентное исключение иррационализма во всех его модификациях из современной культуры.
Д. А. Франк-КаменецкийОт мегамира к микромиру[22]
Какое значение для теории происхождения химических элементов имеет открытие новых необычных объектов во Вселенной, излучающих громадные количества энергии, в частности квазаров?
Эта проблема принадлежит к числу еще не решенных вопросов современной астрофизики. Существует довольно распространенная точка зрения, согласно которой для решения всех вопросов, связанных с происхождением элементов, достаточно рассмотрения процессов, происходящих в звездах. Что же касается космических процессов катастрофического характера (в частности, взрывных явлений), то они здесь ничем помочь не могут.
Однако я не согласен с подобной точкой зрения. Дело в том, что за последнее время накопился ряд данных, заставляющих предположить, что мы знаем еще далеко не все космические процессы, ответственные за фактически наблюдаемое распределение химических элементов во Вселенной. Вот хотя бы «проблема гелия». Согласно теории расширяющейся «горячей» Вселенной, в космических объектах должно содержаться не меньше 25–30 процентов гелия. Данные же астрономических наблюдений дают более низкое число — не больше 20 процентов. Известны отдельные звезды, в которых содержание гелия еще значительно ниже. С другой стороны, привести к почти полному разрушению гелия термоядерные процессы не могут. В связи с этим возникает подозрение, что в дозвездной стадии существования материи, теорию которой развивает В. А. Амбарцумян, могли происходить не термоядерные процессы, а процессы, связанные с очень высокой концентрацией электромагнитной энергии, способные приводить к разрушению гелия.
Вторая проблема — это «проблема дейтерия», тяжелого водорода. Дело в том, что в «земном» водороде содержится около одной шеститысячной доли дейтерия. Как известно, водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной. Однако содержание в нем дейтерия пока еще точно неизвестно. Но если оно совпадает с тем, что мы наблюдаем в земных условиях, возникает трудноразрешимая задача. Ведь при термоядерных реакциях в недрах звезд дейтерий очень быстро уничтожается, «выгорает». Между тем одна шеститысячная — это очень высокий процент содержания дейтерия в водороде. И если химические элементы образуются исключительно при термоядерных реакциях в звездах, то совершенно непонятно, как эти реакции могли обеспечить столь высокий процент.
Правда, высказывается предположение, что «земной» дейтерий образовался в результате так называемых холодных плазменных процессов в процессе образования Солнечной системы и, следовательно, его должно быть больше, чем вообще в космосе. Однако подобная гипотеза имеет много уязвимых мест. В частности, в реакции, о которой идет речь, должны принимать весьма существенное участие так называемые тепловые нейтроны. Но если бы таких нейтронов в период формирования Земли действительно было много, то некоторые редкоземельные элементы, поглощая их, должны были бы исчезнуть. А они существуют…
Так что есть основания ожидать, что и во Вселенной процент содержания дейтерия в водороде приближается к одной шеститысячной. Если наблюдения покажут, что это в самом деле, так, мы получим весьма убедительное свидетельство в пользу того, что химические элементы образуются не только при термоядерных реакциях в звездах, но и в результате плазменных процессов — холодного ускорения частиц.
Какую же роль во всем этом играют квазары?
Как известно, квазары являются источником очень мощного радиоизлучения. Согласно современным физическим представлениям, оно возникает при движении релятивистских электронов в мощных магнитных полях (так называемое синхротронное радиоизлучение). Однако в мощных магнитных полях могут ускоряться не только электроны, но и атомные ядра. А значит, создаются условия для холодных ядерных реакций.
Существует ли связь между изучением термоядерных, процессов во Вселенной и исследованиями физиков по управляемым термоядерным реакциям?
Исторически эти проблемы связаны между собой очень тесно. Ведь сама мысль о возможности земного технического применения термоядерных реакций возникла в результате изучения источников звездной энергии. На первых порах физики, работавшие в этой области, широко пользовались в качестве исходных данных количественными закономерностями, выведенными при изучении термоядерных реакций в звездах. Однако в дальнейшем эти две области исследований — наука о звездной плазме и об управляемых термоядерных реакциях — довольно сильно разошлись.
Дело в том, что существенно различается физика этих процессов. В звездах плазма удерживается мощной силой тяготения. В искусственных же условиях подобным методом воспользоваться нельзя, так как для этого потребовались бы гравитационные силы, в сотни раз превосходящие силу тяготения Земли. Земная физика пошла другими путями для удержания плазмы, она, например, стремится использовать электромагнитное поле[23].
Более общий вопрос: считаете ли вы, что все основные физические законы уже открыты и любое новое явление может быть объяснено с их помощью?
Конечно нет! Такому предположению противоречит хотя бы то обстоятельство, что физики непрерывно открывают все новые и новые элементарные частицы, общая полная теория которых пока не построена.
Это ответ на ваш вопрос, так сказать, с точки зрения эксперимента. Если же взглянуть на дело с точки зрения теории, то во всяком случае современная физическая теория не может считаться внутренне замкнутой. Существует теория, описывающая квантовые явления, но не включающая гравитации, и гравитационная теория, не включающая квантовых явлений[24].
Как, по вашему мнению, должно сказаться на мировоззрении современного человека то обстоятельство, что развитие фундаментальных физических представлений все еще совершается вопреки здравому смыслу?
По существу, так было всегда. Вспомните хотя бы историю с антиподами. Разве легко было в свое время нашим предкам привыкнуть к мысли о том, что где-то на другой стороне Земли люди ходят «вниз головой»? Разве это не противоречило здравому смыслу того времени?
Разница состоит лишь в том, что сейчас наука развивается быстрее и потому приходится гораздо чаще, чем прежде, приспосабливаться к новым идеям.
Я хотел бы подчеркнуть следующее. Идеалисты, как объективные, так и субъективные, считают, что все законы природы заложены в некоем духе мировом или в духе данного индивидуума. Но если бы дело действительно обстояло так, то в любых самых экстравагантных законах природы мы не должны были бы видеть ничего противного нашему здравому смыслу. То обстоятельство, что науки, и в первую очередь физика элементарных частиц, все чаще открывают законы и закономерности, вступающие во все большие противоречия со здравым смыслом, на мой взгляд, является одним из самых убедительных аргументов против религиозно-идеалистической точки зрения. Это свидетельствует о том, что сознание формируется под влиянием внешнего мира, а не наоборот.
Какие идеи в современной теоретической физике, на ваш взгляд, представляются наиболее интересными?
Лично мне весьма импонирует идея так называемых квазичастиц. Как известно, современная теоретическая физика исходит из идеи квантово-волнового дуализма. Элементарная частица рассматривается либо как частица, либо как волновой процесс. С другой стороны, любой волновой процесс можно «проквантовать», то есть разложить на частицы. Именно так в физике появились «частицы» света — фотоны, «частицы» тяготения — гравитоны и т. п.
В то же время любой вообще физический процесс может быть представлен как волновой, а следовательно, и проквантован. В этом смысле можно говорить о звуковых «частицах» — фононах, о плазменных «частицах» — плазмонах и т. д. Рассмотрение подобных «частиц» или, лучше сказать, квазичастиц имеет важное значение. Во-первых, оно лишает элементарные частицы их особых привилегий и позволяет взглянуть на разнородные физические явления с единой точки зрения. Во-вторых, изучение свойств квазичастиц имеет для современной физики ничуть не меньшее значение, чем исследование свойств элементарных частиц.
В связи с квазичастицами я хотел бы подчеркнуть еще одно, как мне представляется, чрезвычайно важное обстоятельство. Быть может, самая великая революция в физике состоит в том, что современная наука приходит к пониманию того факта, что не всегда сложное построено из более простого. Атом, разумеется, сложнее электронов и протонов, из которых он построен. Однако, проникая еще дальше в глубь атомного ядра, мы обнаруживаем, что там все обстоит еще значительно сложнее. И приходим к поразительному выводу: может быть, простое строится из сложного.
В поисках единой теорииНа вопросы отвечает доктор физико-математических наук В. С. Барашенков
Каково, на ваш взгляд, современное состояние теории элементарных частиц?
После некоторого периода кажущегося застоя в этом разделе современной физики произошел серьезный сдвиг. В частности, в области теории идут исследования проблемы объединения различных известных типов взаимодействия, в первую очередь слабых и электромагнитных, а также сильных. И делается все это на очень глубоком — кварковом уровне. Однако теоретических моделей, описывающих мир элементарных частиц, пока еще слишком много, и в настоящее время трудно какой-либо из них отдать предпочтение.
Важное значение для дальнейшего развития наших представлений об элементарных частицах будет иметь недавнее открытие так называемых пси-частиц, обладающих необычными свойствами. Хотя теоретические предпосылки, допускающие наличие в природе подобных частиц, существовали, само их экспериментальное обнаружение явилось все же довольно неожиданным.
С другой стороны, открытия новых частиц стали важным аргументом в пользу гипотезы кварков. Дело в том, что без этой гипотезы было бы очень трудно объяснить свойства частиц. Более того, существование пси-частиц подтвердило, что кварков должно быть не три, а четыре. К тому же мы сейчас знаем, что каждый из этих кварков имеет три различных «цвета».
Кстати, хотел бы заметить, что мысль о существовании трехцветных кварков еще несколько лет назад была высказана известным советским физиком-теоретиком академиком Н. И. Богомоловым. Теперь она получила убедительные подтверждения.
Какое место занимает теория элементарных частиц в современном естествознании?
Наряду с астрофизикой она всегда играла чрезвычайно важную роль в формировании новых представлений о явлениях окружающего нас мира. Так, она подводит нас к новым представлениям о том, что такое элементарность.
Еще сравнительно недавно считалось само собой разумеющимся, что Вселенная представляет собой последовательность вложенных друг в друга физических систем — от Метагалактики до неделимых элементарных частиц, не имеющих внутренней структуры. Подобная картина хорошо согласовывалась и с нашим здравым смыслом, согласно которому целое всегда больше любой из составляющих его частей.
Но теперь мы знаем, что элементарная частица может содержать в качестве своих составных частей несколько точно таких же частиц, как и она сама. Например, протон на очень короткое время распадается (диссоциирует) на протон и пи-мезон, а каждый пи-мезон на три пи-мезона. Таким образом, в микромире теряют смысл привычные представления о целом и части, о простом и сложном, а следовательно, теряет смысл и привычное для нас представление об элементарности. Появилась идея «прекварков» — еще более фундаментальных частиц, из которых состоят сами кварки.
Пожалуй, наиболее поражающим воображение обстоятельством является постепенно открывающаяся нам все более глубокая взаимосвязь между микропроцессами и макроскопическими явлениями, в том числе явлениями космического порядка. Становится все более ясно, что многие важные свойства космических объектов определяются в конечном счете свойствами микрочастиц.
Как известно, одним из основных положений материалистической диалектики является утверждение о всеобщей взаимосвязи явлений природы. Взаимосвязь микро- и макропроцессов — одно из конкретных выражений этой связи. В качестве объектов, где связь микро и макро реально проявляется, можно привести черные дыры с радиусом 10–13 сантиметров. Их масса должна составлять 108 тонн. Экспериментальное обнаружение таких удивительных объектов — одна из интереснейших задач современной физики.
Чего вы ждете в ближайшем будущем от теории элементарных частиц?
Прежде всего построения единой теории сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий. Кроме того, должна быть понята природа кварков и получен ответ на вопрос, почему их не удается наблюдать. Не исключена возможность, что кварки представляют собой особый тип образований, которые могут существовать только в совокупности и которые принципиально невозможно разделить.
Весьма интересных результатов можно ожидать и от дальнейшего изучения нейтрино, играющего очень важную роль в слабых взаимодействиях.
Нуждается ли, по вашему мнению, современная теория элементарных частиц в каких-то принципиально новых идеях?
Экспериментальных данных в этой области сейчас очень много, немало и непонятного. Не исключено, что стараниями теоретиков удастся преодолеть существующие трудности и объяснить экспериментальный материал, не прибегая к каким-то принципиально новым представлениям. Но могут потребоваться и совершенно новые идеи, в том числе и весьма необычные.
Считаете ли вы, что развитие теории элементарных частиц ведет к открытию «все более странного мира»?
Это и в самом деле так. Теория элементарных частиц ведет все дальше от наглядных представлений, она обрастает все более сложными математическими и другими образами, у которых нет аналогий в непосредственно окружающем нас мире.
С другой стороны, новые, непривычные понятия — непривычные даже для физика — постепенно осваиваются, входят в обиход и незаметно становятся привычными. Один из физиков как-то привел показательный пример. Когда он был молодым, в Физическом институте Академии наук однажды обсуждался вопрос о потенциальном барьере для альфа-частиц. И докладчик, чтобы сделать для присутствующих это новое тогда понятие более наглядным, сравнил этот барьер со слоем Хэвисайда, ионизированным слоем земной атмосферы, отражающим короткие радиоволны. А спустя несколько лет — это было уже в послевоенные годы — этому же физику пришлось стать свидетелем того, как один студент, объясняя другому, что такое слой Хэвисайда, сравнил его с потенциальным барьером для альфа-частиц.
Таким образом, по мере развития науки и освоения новых знаний происходит своеобразная переоценка ценностей. Совершается непрерывный процесс открытия и в то же время освоения «все более странного мира».
Если уж мы заговорили о «странном мире» элементарных частиц, то невольно возникает вопрос о так называемых сверхсветовых частицах, или тахионах. По этой проблеме в последние годы публикуется множество работ. Хотелось бы знать ваше мнение на этот счет.
Проблема, бесспорно, увлекательная. Само предположение о возможности существования сверхсветовых частиц не может не поражать воображение. Но если взглянуть на дело с чисто физической точки зрения, то окажется, что гипотеза. о существовании тахионов не противоречит специальной теории относительности. И даже не только не противоречит, а, наоборот, делает эту теорию более симметричной и внутренне согласованной, распространяя ее на мир, лежащий за световым барьером. Таким образом, гипотеза тахионов может быть верной или неверной, но она очень естественно вписывается в специальную теорию относительности, создавая цельную замкнутую картину. Разумеется, справедливость этой гипотезы может доказать только эксперимент.
Но, как известно, одним из основных положений специальной теории относительности является утверждение о предельном характере скорости света. Нет ли тут противоречия с предположением о существовании сверхсветовых частиц?
Я уже говорил, что идея тахионов теории относительности не противоречит. Это связано с тем, что запрет сверхсветовых скоростей не есть следствие, вытекающее из теории относительности, а лишь одна из аксиом, положенных в ее основание. Таким образом, специальная теория относительности в принципе не может запретить сверхсветовых процессов.
Согласно основному предположению, если тахионы действительно существуют, то они «обитают» за сверхсветовым барьером и не вступают ни в какое взаимодействие с «досветовыми» частицами нашего мира. Таким образом, речь идет о своеобразном распространении специальной теории относительности на гипотетические физические явления, протекающие по ту сторону сверхсветового порога. Мир тахионов, если он действительно существует, нигде не пересекается с миром досветовых скоростей. Эти миры, видимо, между собой не взаимодействуют.
В настоящее время физикам известны два типа частиц, между которыми не существует перехода, — «досветовые» и «световые», то есть частицы, движущиеся с досветовыми скоростями (протоны, нейтроны, электроны и т. п.) и со световыми скоростями (фотоны и нейтрино). Если бы оказалось, что тахионы действительно существуют, они составили бы третий тип частиц. Частица, принадлежащая к одному из этих типов, не может перейти в частицу другого типа ни при каких известных нам взаимодействиях. Я подчеркиваю: ни при каких известных нам взаимодействиях. На очень глубоком, еще не изученном современной физикой уровне это может быть и не так.
И все же возникает ощущение, что гипотеза сверхсветовых скоростей является чем-то вроде физической бессмыслицы?
Все дело в том, что вообще называть «физически бессмысленным». Соотношение или процесс, которые невозможны в круге привычных для нас явлений, могут реализоваться в другой области явлений. Иными словами, наши представления о возможном и невозможном носят относительный характер. Физически бессмысленными можно считать лишь такие теоретические выводы, которые вступают в противоречие с тем или иным известным фундаментальным законом природы в той области, где этот закон достаточно хорошо проверен. Гипотеза же тахионов, как мы видели, в подобные противоречия не вступает.
Но в таком случае при сверхсветовых сигналах должна нарушаться причинность: следствия могут опережать свои причины.
Да, действительно. Хотя гипотеза о сверхсветовых сигналах формально и не вступает в противоречие со специальной теорией относительности, предположение о существовании сверхсветовых частиц ставит ряд проблем принципиального характера. И главная из них связана с нашими современными представлениями о причинности.
Дело в том, что, согласно специальной теории относительности, два события А и В, происходящие в одной системе отсчета (скажем, на платформе железнодорожной станции), с точки зрения другой системы отсчета, движущейся относительно первой с некоторой скоростью (например, из окна подходящего к станции поезда), будут располагаться во времени несколько иначе.
В теории относительности вычислить, как меняется промежуток времени между двумя событиями при переходе от одной системы отсчета к другой, можно с помощью особых математических формул, которые носят название «преобразований Лоренца». Чем быстрее движется поезд, тем короче будет этот промежуток. Но хотя по мере приближения к скорости света промежуток между А и В будет становиться все короче и короче, последовательность событий останется одинаковой и для наблюдателя на платформе, и для пассажира поезда.
А если бы скорость поезда превосходила скорость света, то с помощью преобразований Лоренца мы обнаружили бы, что в этом случае промежуток времени между событиями А и В для наблюдателя в поезде сделался отрицательным. Другими словами, в этой системе отсчета события А и В меняются местами во времени — следствие возникает раньше причины. Предположение о существовании сверхсветовых частиц ведет к выводу, что в природе существуют процессы с неопределенным направлением развития, и можно выбрать такую систему отсчета, в которой причины и следствия поменяются своими местами.
Но в таком случае с помощью тахионного пучка можно было бы, так сказать, проникнуть в минувшее?
Да, можно было бы, скажем, создать телефон, направленный в прошлое. Или, например, выстрелить сейчас таким пучком и застрелить самого себя вчера, в 11 часов утра… Таким образом, возникают парадоксы. Кстати, если рассматривать область, где существуют только сверхсветовые взаимодействия, то в этой области никаких парадоксов нет. Они возникают лишь в тех случаях, когда сверхсветовые сигналы соседствуют с досветовыми. И если в подобной ситуации для микропроцессов нарушений причинности еще можно избежать, то для обычных макроскопических процессов они возникают с неизбежностью.
На языке современной физики это означает, что, допуская существование тахионов, мы приходим к нарушению принципа причинности — одного из фундаментальных положений современной науки. Наиболее общая его формулировка дана известным советским физиком академиком Н. Н. Боголюбовым: «Любое событие, происходящее в физической системе, может оказать влияние на эволюцию этой системы лишь в будущем и не может оказывать влияние на поведение системы в прошлом». В обычных условиях принцип причинности никогда не нарушается, по крайней мере нам такие случаи неизвестны.
Очевидно, можно сказать, что для процессов, протекающих со сверхсветовыми скоростями, противопоставление прошлого и будущего приобретает условный, относительный смысл?
Именно так… В процессах со сверхсветовыми сигналами временной порядок событий — какое из них происходит раньше, а какое позже — зависит от выбора системы координат. А направление потока информации, которое составляет основу причинно-следственной связи, при замене одной системы координат другой не меняется. Именно поэтому и происходит нарушение причинности. Кстати, при этом нарушается не только причинность. Для макроскопических явлений обратный во времени поток информации означает также нарушение такого фундаментального закона сохранения, как второй закон термодинамики — закон, запрещающий переход тепла от более холодных тел к более нагретым.
Вы не могли бы для наглядности привести пример какого-либо физического процесса, в котором при наличии сверхсветовых сигналов происходит нарушение причинности?
Представим себе, что в точке А расположен источник тахионов, в точке В — их приемник, а между ними находится щель, изменяя ширину которой мы можем менять интенсивность тахионного пучка, или, как говорят физики, его модулировать. Но так как тахионы движутся со сверхсветовой скоростью, то можно подобрать другую такую систему координат, в которой процесс будет протекать в обратном направлении, то есть тахионный пучок будет исходить из точки В. При этом он окажется модулированным еще до подхода к щели. Получается парадоксальная ситуация: щель как бы знает, как именно ей надо колебаться. В промежутке между точкой В и щелью факт модуляции тахионного пучка будет восприниматься как самопроизвольное, беспричинное, необъяснимое явление.
Существуют ли в таком случае какие-либо подходы к решению проблемы сверхсветовых частиц?
Некоторые зарубежные физики предлагают пересмотреть само понятие причинности — считать, что причина не обязательно должна опережать следствие, что это всего лишь некоторая связь, корреляция событий. Логически построить подобную схему, может быть, и можно, но такой подход противоречит физическому эксперименту. Во всяком случае, до расстояний 10–15 сантиметра никаких нарушений причинности в обычном понимании обнаружить не удалось. К тому же подход, о котором идет речь, неудовлетворителен и с методологической точки зрения: он отбрасывает самое главное — генетическую связь между событиями, то принципиальное обстоятельство, что одно событие порождает другое. В реальных физических процессах и экспериментах мы всегда предсказываем будущее по прошлому, а не наоборот.
Другое направление связано с попыткой пересмотреть специальную теорию относительности. Быть может, парадоксы возникают потому, говорят сторонники подобной точки зрения, что мы пытаемся применять соотношения этой теории за границами их применимости? В принципе подобная точка зрения неуязвима, ибо любая физическая теория имеет определенные границы применимости. Однако с практической точки зрения подобный подход ничего не дает. Если пойти по такому пути, то придется «выкинуть» всю современную физику.
Еще одна возможность состоит в признании того, что в природе существует некая «выделенная система координат» (выделенное не важно чем), в которой отсутствуют нарушения причинности. В такой системе специальная теория относительности заведомо неверна, и ее соотношения соблюдаются не обязательно. В принципе в природе подобная система отсчета, возможно, существует — это система, связанная с реликтовым излучением, возникшим на ранней стадии расширения Вселенной. Это единственный известный нам источник излучения во Вселенной, обладающий столь высокой изотропией и однородностью. Не исключено, что именно с этим обстоятельством могут быть связаны некоторые отклонения от теории относительности. В этом направлении, между прочим, открываются определенные возможности экспериментального поиска тахионов.
И все же наиболее интересный путь состоит в том, чтобы проанализировать сущность нарушений причинности, с которыми мы сталкиваемся при попытках ввести сверхсветовые сигналы, и попытаться выяснить, что они в действительности означают.
А как обстоит дело с экспериментальной точки зрения? Есть ли какие-либо экспериментальные указания на возможность существования тахионов и можно ли надеяться такие указания получить вообще?
Пока таких доказательств получить не удалось. Но, может быть, дело в том, что в подобных экспериментах не учитывались какие-то неизвестные нам пока свойства тахионов.
Одна из интересных возможностей — попытаться обнаружить тахионы по так называемому черенкозскому излучению. Теория утверждает, что при движении в вакууме сверхсветовые частицы должны излучать электромагнитные волны. Впрочем, если это и так, измерить подобное излучение будет весьма нелегко.
В последние годы много пишется и говорится о взаимосвязи между микропроцессами и явлениями космического порядка. Каково космологическое значение теории элементарных частиц в ее современном состоянии?
Взаимосвязь микро- и макропроцессов — одно из конкретных выражений диалектики природы, всеобщей взаимосвязи ее явлений.
Уже сейчас в ряде случаев трудно разделить, где космология, а где теория элементарных частиц. В центре внимания современной астрофизики находятся объекты, отличающиеся чрезвычайно высокой плотностью, а иногда и очень малыми размерами (вспомним об упоминавшихся выше микроскопических черных дырах с массой около 108 тонн). Подобные экстремальные состояния материи не могут быть описаны в рамках одной лишь общей теории относительности Эйнштейна, так как при столь больших плотностях неизбежно возникают специфические квантовые эффекты. Поэтому одной из важнейших задач современной физики является построение квантовой гравитационной теории, которая объединила бы общую теорию относительности и квантовую физику.
Чем, на ваш взгляд, поучительна теория элементарных частиц и история ее развития?
Эта область физики поучительна прежде всего тем, что здесь с особенной силой проявляется мощь научной теории. Ведь не случайно, например, кварки были изобретены, а не обнаружены в опыте. Поучительно и то, что в процессе развития этой теории то и дело возникает масса неожиданных понятий и образов, потрясающих привычные основы. Достаточно опять-таки напомнить о кварках. Тем самым наглядно и убедительно демонстрируется неправомерность любой абсолютизации научных знаний. Физика как наука никогда не исчерпаема.
Какие философские проблемы связаны с современной теорией элементарных, частиц?
Помимо выяснения сущности явления элементарности, о чем уже говорилось, одна из основных проблем, имеющих важное философское значение, состоит в выяснении того, что представляет собой пространство — время в физическом смысле. Еще одна важная проблема — обобщение существующего понятия причинности, которое в ряде случаев может оказаться недостаточным. Необходимо также понять, что означает несохранение направления времени при К-распадах.
Есть и еще ряд проблем методологического характера, так или иначе связанных с изучением элементарных частиц. Что значит — хорошая теория? Что значит — объяснить? Что значит — единая теория? Что предпочтительнее система уравнений или модель? И ряд других…
Существуют ли гравитационные волны!На вопросы отвечает доктор физико-математических наук В. Б. Брагинский
Что дает основание для вывода о существовании гравитационных волн?
Вывод о возможности существования волн тяготения (гравитационных волн) — одно из следствий общей теории относительности Эйнштейна. До сих пор каких-либо оснований сомневаться в справедливости этой теории у нас не было. Целый ряд предсказанных ею космических и физических явлений, в том числе такой фундаментальный факт, как расширение Вселенной, получили наблюдательные и экспериментальные подтверждения. Поэтому мы вправе ожидать, что оправдаются и другие ее предсказания, в частности и относительно существования гравитационных волн.
Всем хорошо знакомы электромагнитные волны. Они образуются в тех случаях, когда возникают возмущения электрического или магнитного полей. Эти возмущения отрываются от источника и распространяются в пространстве со скоростью, равной скорости света. Аналогичное явление в принципе должно происходить и при возмущениях поля тяготения, гравитационного поля…
Всякое ли возмущение поля тяготения приводит к возникновению гравитационных волн?
Нет, как показал Эйнштейн, только при определенных условиях возмущение гравитационного поля может оторваться от источника и начать самостоятельную жизнь. В космосе их могут, например, порождать двойные звезды (две звезды, обращающиеся вокруг общего центра масс) или столкновения двух звезд. По-видимому, гравитационные волны могут возникать и при вспышках сверхновых звезд, а также при гравитационном коллапсе — в момент образования «черных дыр».
Какое научное значение имело бы открытие гравитационных волн?
Прежде всего, тем самым получила бы добавочное подтверждение общая теория относительности Эйнштейна. К тому же гравитационные волны от внеземных источников, если они будут обнаружены, могут стать чрезвычайно важным каналом для поступления астрофизической информации. В частности, с их помощью можно будет получать интереснейшие данные о гравитационном коллапсе звезд, о рассеянии материи космическими объектами, о динамике многих других космических процессов.
Они также способны принести уникальные сведения буквально о самых первых мгновениях расширения Вселенной.
Вы сказали: «Если удастся обнаружить». Как это следует понимать?
Все дело в том, что заключение о существовании гравитационных волн не является однозначным выводом из общей теории относительности. На пути от уравнений этой теории к интересующему нас выводу делаются различные допущения физического порядка. При этом одни ученые считают, что подобные допущения вполне оправданны, а другие разделяют прямо противоположную точку зрения. Лично я придерживаюсь того мнения, что гравитационные волны существуют. Но, разумеется, окончательным судьей в этом споре может быть только эксперимент.
В свое время в печати появлялись сообщения о том, что американскому физику Веберу удалось зарегистрировать гравитационные волны. Что бы вы могли сказать по этому поводу?
Вебер сконструировал специальные антенны для обнаружения всплесков гравитационных волн от внеземных источников. Чтобы исключить влияние каких-либо иных физических процессов, например сейсмических толчков, две установки были разнесены на 1000 километров одна от другой. Учитывались только те воздействия, которые фиксировались одновременно обоими детекторами. И уже в первых сериях наблюдений был зарегистрирован ряд таких совпадений. Сообщения об этом произвели настоящую сенсацию, в ряде стран стали спешно создаваться аналогичные устройства для повторения подобных наблюдений. Эта своеобразная «гонка», продолжавшаяся около двух с половиной лет, закончилась, однако, ничем. Никому результатов Вебера повторить ни разу не удалось. Видимо, он все-таки ошибся. Хочу, впрочем, подчеркнуть, что ошибка эта отнюдь не относится к категории тривиальных. Ведь речь идет о длительных, многомесячных измерениях весьма малой физической величины, измерениях, которые к тому же требуют абсолютной гарантии от каких бы то ни было помех.
В таком случае возникает естественный вопрос: что же регистрировали в действительности приборы Вебера?
Еще в 1972 г. сотрудники одного из советских научно-исследовательских институтов провели интересное исследование. Они вложили в электронно-вычислительную машину результаты наблюдений Вебера, а также данные о ходе ряда других природных явлений за тот же период, в том числе и о вариациях магнитного поля Земли, пятнах и вспышках на Солнце. Оказалось, что между всеми этими явлениями существует определенная взаимозависимость. Впоследствии аналогичную работу проделали американские ученые и пришли к такому же результату.
А как вы относитесь к предположению о том, что Веберу удалось зарегистрировать гравитационное излучение, исходящее из центра нашей Галактики?
Как я уже сказал, Вебер, видимо, вообще регистрировал не гравитационные волны. Что же касается гравитационного излучения из центра нашей Галактики, то в принципе те физические процессы, которые там происходят, вероятно, могут порождать гравитационное излучение. Но если бы оно действительно оказалось таким, каким его зарегистрировал Вебер, то всего за 100 тысяч лет вся центральная часть нашей звездной системы должна была бы превратиться в гравитационное излучение. Совершенно очевидно, что подобный результат вступает в явное противоречие с многомиллиардным возрастом Галактики.
Каковы же перспективы дальнейших исследований в области изучения гравитационных волн?
В настоящее время в разных странах, в том числе и в Советском Союзе, ведутся интенсивные работы по созданию новых, более чувствительных приемников гравитационного излучения. Я думаю, в ближайшем будущем в этой области появятся новые результаты, которые значительно расширят наши знания о фундаментальных закономерностях мироздания.
ПОЯСНЕНИЕ НЕКОТОРЫХ СПЕЦИАЛЬНЫХ ТЕРМИНОВ
Античастицы. — В конце 20-х годов текущего столетия знаменитый английский физик Поль Дирак разработал теорию движения электронов в атомах. Из этой теории вытекало, что элементарные частицы могут отличаться не только массой, но и своими электрическими и магнитными свойствами. В частности, его теория предсказывала существование «антиэлектронов» — частиц с массой электрона, но обладающих положительным зарядом.
Прошло всего четыре года, и в 1932 г. при изучении космических лучей американский физик К. Андерсон обнаружил частицу, свойства которой совпадали со свойствами «антиэлектронов» Дирака. Новая частица получила название позитрона. В настоящее время физикам известны антинейтроны, антипротоны и многие другие античастицы. Любопытно, что частицы и античастицы не могут сосуществовать. При соприкосновении друг с другом они аннигилируют — взаимно уничтожаются с выделением большого количества энергии, полностью превращаясь в излучение.
Атом водорода. — Водород — простейший и в то же время самый распространенный химический элемент во Вселенной. Атом водорода состоит из положительно заряженного ядра — протона и движущегося вокруг него электрона. Электрические заряды электрона и протона одинаковы, но противоположны по знаку. Масса протона в 1836 раз больше массы электрона. Масса атома водорода в граммах составляет 1,67·10–24 грамм.
Масса электрона — 9,1·10–28 грамм. Диаметр атома водорода не может быть точно определен, его граница размыта, приблизительно он равен 10–8 сантиметра. Эта единица, равная одной стомиллионной доле сантиметра, в честь шведского ученого Андерса Ангстрема названа ангстремом.
Радиус протона примерно в 100 тысяч раз меньше радиуса атома водорода. Он составляет 1,3·10–13 сантиметра. Длина 10–13 сантиметра принята за ядерную единицу длины. Она получила название ферми в честь знаменитого итальянского физика Энрико Ферми. Плотность вещества в протоне фантастически велика — около 200 миллионов тонн в кубическом сантиметре. Приблизительно такова же плотность вещества во всех атомных ядрах.
Дейтерий. — Кроме обычного водорода в природе существует еще так называемый тяжелый водород, или дейтерий, который был открыт в 1932 г. Электронная оболочка атома дейтерия, так же как и у водорода, состоит из одного электрона, но его ядро — дейтон — примерно вдвое тяжелее и состоит из двух частиц — протона и нейтрона.
Дейтерий применяется в современной ядерной технике как взрывчатое вещество. В будущем он будет использоваться как горючее в термоядерных энергетических установках. Запасы термоядерной энергии дейтерия, имеющиеся в воде земных океанов, примерно в 100 миллионов раз превосходят запасы энергии ископаемого топлива (угля, нефти, газа, торфа).
Инвариантность — неизменяемость. В математике и физике инвариантные величины — величины, не меняющие своего значения, при том или ином классе преобразования играют весьма важную роль.
В широком — философском — смысле инвариантность — это независимость от способа описания.
Камера Вильсона. — В конце прошлого столетия физик Ч. Вильсон, работая на горной обсерватории в Шотландии, обратил внимание на любопытные оптические явления, возникающие при освещении солнечными лучами облаков и тумана. Ученый решил воспроизвести подобное явление в лаборатории и провел несколько экспериментов, получая искусственные облака путем расширения паров. Эти опыты натолкнули Ч. Вильсона на плодотворную идею, которая и легла в основу знаменитой камеры для регистрации элементарных частиц, названной его именем. В камере Вильсона пролетающие частицы оставляют видимые следы из капелек воды в парах, образующихся в результате быстрого расширения. Эти следы можно фотографировать.
Масса и энергия. — Из теории относительности следует, что полное количество энергии, содержащейся в некотором количестве материи, равно произведению массы этой материи на квадрат скорости света в вакууме. Поэтому в физике высоких энергий массы измеряются в единицах энергии — так называемых миллионах электрон-вольт (мэв). В этих единицах массы электрона и позитрона равны примерно 0,5 мэв, а массы протона и нейтрона — 940 мэв. Иногда используется более крупная единица, равная одному миллиарду электрон-вольт (гэв), — гигаэлектрон-вольт. Масса одного грамма вещества выражается астрономическим числом — 6·1023 гэв.
Мезоны. — Изучая взаимодействия частиц, входящих в состав атомного ядра, японский физик Юкава пришел к выводу, что их взаимное притяжение является результатом непрекращающегося обмена особыми частицами — мезонами. Юкава предсказал также, что масса мезона должна примерно в 200 раз превосходить массу электрона. Впоследствии были открыты три мезона с близкими массами, но с разными электрическими зарядами: положительный, отрицательный и нейтральный. Эти ядерные мезоны получили название пи-мезонов. Кроме того, открыты еще два мю-мезона — положительный и отрицательный. Они возникают при распаде соответственно положительного и отрицательного пи-мезонов.
Нейтрон и нейтрино. — Нейтрон — частица с массой 1838,6 электронной массы — был открыт в 1932 г. английским ученым Д. Чедвиком. Вне атомного ядра нейтрон не стабилен. Средняя продолжительность его жизни 17 минут. Затем нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино (распад).
В свое время физики обнаружили, что нейтрон может самопроизвольно распадаться на протон и электрон. Однако при этом обнаружилось странное нарушение закона сохранения энергии. Общая энергия продуктов реакции оказалась меньше, чем следовало из теоретических расчетов. Известный швейцарский физик В. Паули высказал предположение о том, что недостающую энергию уносит с собой неизвестная частица. Однако обнаружить эту частицу, названную по предложению Э. Ферми нейтрино (что одновременно означает «маленький» и «нейтральный»), удалось лишь сравнительно недавно.
Главная отличительная особенность нейтрино — удивительная способность беспрепятственно проходить сквозь громадные толщи вещества. Длина свободного пробега нейтрино в космосе сравнима с радиусом доступной современным исследователям области Вселенной.
Пузырьковая камера. — Одно из наиболее эффективных устройств для регистрации явлений, вызываемых частицами высоких энергий. Принцип ее работы сходен с принципом работы камеры Вильсона. Жидкость, наполняющая камеру, перегревается и приобретает способность легко вскипать. Благодаря этому вдоль пути, пройденного заряженной частицей, образуется видимый след, состоящий из пузырьков газа.
Поле. — Особая форма существования материи. Представим себе мощный радиопередатчик, излучающий электромагнитные волны. Где бы мы ни помещали антенну нашего приемника, они будут возбуждать в ней движение электронов, электрические токи, которые после соответствующего усиления и преобразования создают звук в динамике. Энергия, излучаемая передатчиком, заполнила определенную область пространства. Но энергия — это свойство материи, которое не может существовать отдельно, независимо от самой материи. Она всегда должна иметь материального носителя. В данном случае носителем энергии является электромагнитное поле. О материальной природе электромагнитного поля говорит и то обстоятельство, что оно способно оказывать на помещенные в него объекты не только электрическое, магнитное, но и прямое механическое воздействие. Так, электромагнитные (например, световые) волны производят определенное давление на преграды, а излучатели таких волн испытывают реактивный эффект, получая ускорение в противоположном направлении, как если бы выбрасывали обычные частицы вещества.
Типы взаимодействий. — Современной физике известны четыре типа взаимодействий между элементарными частицами.
Взаимодействие большой интенсивности, обусловленное обменом пи-мезонами и удерживающее в атомном ядре протоны и нейтроны, называется сильным взаимодействием.
Несколько слабее — электромагнитное взаимодействие, притяжение и отталкивание разноименных и одноименных зарядов.
Третий тип — слабые взаимодействия, возникающие при распадах и столкновениях частиц со средними и малыми массами.
Последний тип взаимодействия — притяжение масс, или гравитация. Однако в микромире гравитационные силы почти не играют никакой роли, так как они во много раз слабее других сил.