Олег ФейгинТАЙНЫ КВАНТОВОГО МИРАО парадоксальности пространства и времени
ПРЕДИСЛОВИЕ
Вот уже второй раз именно на изломе веков, после бурной научной революции начала прошлого столетия, общественное мнение опять будоражат очень странные проблемы, колеблющие самые основы нашего мировоззрения:
— Что представляют собой темная материя и энергия, практически полностью заполняющие видимую часть Вселенной — Метагалактику?
— Как устроена самая пустая пустота, которую можно вообразить, — вакуум и почему в нем все время происходят очень странные процессы?
— Где лежат верхняя и нижняя границы размеров нашего мира и почему они все чаще соприкасаются на современном генеральном плане строения Мироздания?
— Существует ли единая теория абсолютно всех частиц и сил и не противоречит ли само ее существование фундаментальному философскому принципу бесконечного познания окружающей природы?
Вопросы, вопросы, вопросы… они возникают все чаще, становятся все острее, а ответы на них все неоднозначнее. Обычно такую ситуацию историки науки и философы связывают с первыми порывами грядущего урагана новых знаний, ломающего старые, отжившие представления, — научной революцией. Конечно, всякая научная информация, поток которой давно уже переполнил и продолжает захлестывать окружающий мир, по-своему интересна. Ее исследуют и анализируют множество специалистов, и она в любой момент может засиять настоящей сенсацией крупного открытия. Однако среди всех важных и необходимых наук есть фундаментальные, которые определяют основные направления прогресса человеческого общества. Так, часто можно услышать, что царицей наук является математика. Не будем оспаривать это мудрое изречение, а лишь добавим, что в современной науке, как и в современных цивилизованных странах, монархи царствуют, но не правят… Царствует в абстрактных высотах сложнейших формул и теорем математическая наука, а правит с ее помощью развитием естествознания иная научная дисциплина — физика.
Перед пытливыми молодыми умами сейчас открыто множество направлений, ведущих в фантастические дали науки будущего. И подавляющее большинство из них так или иначе связано с физикой: биофизика, геофизика, гидрофизика, радиофизика, астрофизика, космофизика, физикохимия, техническая и инженерная физика, квантовая физика, физика элементарных частиц, теоретическая физика и еще многие и многие подразделы этой поистине замечательной науки. Важно помнить простую истину: медицинские, биологические, химические, информационные и технические специальности изучают объекты и явления окружающего нас материального мира исключительно на основе знания физических закономерностей. Особенно наглядно видна роль физики в технике и электронике. Ведь такие ее чудеса, как персональные компьютеры, мобильные телефоны, Интернет, системы глобального позиционирования (поиска объектов с «маячками» со спутников), плазменные и жидкокристаллические телевизоры, искусственные органы вошли в наш быт всего лишь на протяжении одного поколения. Еще более поразительны достижения физической науки в промышленном и научном приборостроении: радиолокаторы, радиотелескопы, лазеры, синхрофазотроны и ядерные реакторы обязаны своим происхождением изначальным сравнительно простым физическим исследованиям.
Получается, что вне зависимости от профессии, возраста и образования современного человека в его культурный багаж обязательно должен входить некоторый минимальный объем физических сведений. Это крайне необходимо хотя бы для того, чтобы понимать общую структуру и смысл явлений в окружающей нас реальности. Иначе ведь просто очень неуютно чувствовать себя обделенным знанием среди современных образованных и интеллектуально развитых специалистов. Есть здесь и еще один аспект, кажущийся многим спорным, но во многом подтверждаемый реальным опытом. Это то, что постижение научных знаний, даже на самом популярном уровне, учит работать с потоком разнообразнейших сведений, ежесекундно обрушиваемых на нас СМИ. Проще говоря, постижение научного знания вырабатывает особый аналитический склад ума, логическое мышление и критическое отношение к действительности. Именно поэтому большинство скептиков, вооруженных методом критического осмысления окружающей действительности, редко попадают на удочку строителей финансовых пирамид, маркетинговых сетей и прочих аферистов, которых так много развелось в наше время.
Теперь уже читателю должно быть ясно, каким целям служит предлагаемая книга, чем-то напоминающая сборник репортажей с передовой научного фронта познания тайн природы, где каждая победа над неведомым расширяет круг знания, возвеличивая человеческий разум. Здесь доступно рассказывается не только о современном окончательном состоянии какого-либо научного вопроса, но и о неоднозначных поисках, ошибках, сомнениях искателей истины. Ведь подлинно интересно и увлекательно только то, что связано с победой над трудными научными проблемами, что не так-то легко и просто дается. Поэтому и настоящая наука начинается там, где кончается наше знание и начинается тернистый путь в неведомое. Отчасти эта книга и о том, как «делают науку», о поисках путей в неизведанное, о парадоксальных открытиях и таинственных загадках на пути к познанию природы.
Автор благодарит д-ра техн. наук, профессора, академика УАН Д. И. Корнеева, д-ра Уолтера Бабина (Канада), д-ра Амрит Среко Сорли (Словения), профессора В. А. Новикова (Латвия), д-ров В. М. Ваксмана и С. И. Доронина (Россия) за обсуждение профильной тематики. Особенно хочется отметить суровую, но конструктивную критику известного физика и популяризатора науки, академика РАН Э. П. Круглякова, возглавляющего Комиссию РАН по борьбе с лженаукой и фальсификацией научных исследований.
Современная лаборатория квантовой «алхимии», ЦЕРН, Женева, Швейцария
Наука будущего: проект космического исследовательского центра
ВВЕДЕНИЕВОЗРОЖДЕНИЕ ФИЗИКИ
О сколько нам открытий чудных
Готовит просвещенья дух
И опыт, сын ошибок трудных,
И гений, парадоксов друг,
И случай, бог-изобретатель…
Прежде чем рассказывать о чудесах современной науки, перелистнем несколько страниц истории. Минула эпоха античных мыслителей-метафизиков, прошел период противоречивых темных веков Средневековья, и на арену истории вышла новая наука Ренессанса — возрожденная физика. Среди нескольких предвестников современного научного подхода к окружающей природе — Николая Кузанского, Френсиса Бэкона, Николая Коперника, Джордано Бруно, Леонардо да Винчи выделяются имена величайших ученых в истории естествознания — Иоганна Кеплера и Галилео Галилея. Считается, и не без основания, что именно с работ Галилея началось развитие экспериментальной науки. Ведь именно этот ученый сумел замечательно соединить оригинальные мысленные эксперименты с движущимися телами и гениальные по своей простоте реальные опыты, которые может повторить любой, самостоятельно убедившись в справедливости предложенной физической модели.
Сама идея совмещения умозрительных моделей и проверяющих их физических экспериментов была в то время чем-то совершенно новым и по-настоящему радикальным, ведь столетиями, если не тысячелетиями, считалось, что исследовать Вселенную можно всего лишь с помощью правильных логических рассуждений. Подобные взгляды приводили ко множеству заблуждений, таких, как необходимость подталкивать стрелу в воздухе для продолжения ее полета, или о том, что все тела падают на землю со скоростью, пропорциональной их массе.
Чтобы понять идею опытов Галилея, надо всего лишь вспомнить, как ведут себя окружающие нас предметы под воздействием силы земного притяжения. Выпустите какой-нибудь предмет из рук — и он упадет на пол; при этом в первое мгновение скорость его движения будет равна нулю, но он тут же начнет ускоряться — и будет продолжать ускоряться, пока не упадет на землю. Вот поэтому Галилей и считал, что если он сможет описать падение предмета на землю, то затем будет уже нетрудно распространить это описание и на общий случай равноускоренного или равнозамедленного движения, так часто встречающегося вокруг нас.
Именно первопроходческий труд Галилея и проложил дорогу последующим триумфальным открытиям великого английского физика Исаака Ньютона (1642–1727), создавшего ту самую классическую механику, которую все мы изучали в школе. С именем Ньютона связано и открытие фундаментального физического закона всемирного тяготения (см. рис. 1 цветной вклейки, далее — цв. вкл.). Правда, здесь мы в очередной раз видим, что и великим свойственно заблуждаться, ведь Ньютон считал, что взаимодействие тел имеет характер дальнодействия — мгновенной передачи воздействия тел друг на друга через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействия. Однако концепция дальнодействия была признана не соответствующей действительности после открытия и исследования электромагнитного поля, играющего роль посредника при взаимодействии электрически заряженных тел. Возникла новая концепция взаимодействия — концепция близкодействия, которая затем была распространена и на любые другие взаимодействия. Согласно этой концепции, взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение — посредством гравитационного поля), которые непрерывно распределены в пространстве.
Тут надо заметить, что в науке позапрошлого века большую роль играли ложные представления о некой всепроникающей среде — эфире. На представления об эфире как переносчике электрических и магнитных взаимодействий опиралась вся физика того времени. Первоначально эфир понимали как механическую среду, подобную упругому телу, в котором распространение световых волн уподоблялось распространению звука в воздухе.