кислорода, испуская протон!
Так на физическую сцену вышел главный герой современной физики высоких
энергий - протон. У него пока почти все впереди. Он еще доставит десятки
бессонных ночей экспериментаторам, теоретикам, конструкторам уникальных
приборов. Одно упоминание о нем будет приводить в трепет правительственные
комиссии по финансированию науки. И в довершение всего он окажется на
редкость "неблагодарным" - первым из представителей микромира подаст глубоко
обоснованный протест по поводу столь привычного и безобидного
прилагательного "элементарный". Но все это впереди, а пока нам необходимо в
корне пресечь одно назревающее недоразумение.
Только что было сказано, что протон обнаружился при просмотре
фотографий. А можно ли сделать фотопортрет элементарного объекта, размеры
которого примерно в сто тысяч раз меньше атома? Любой начинающий
фотолюбитель скажет, что этого не может быть. И окажется вполне прав,
хотя... портреты протона все-таки существуют.
Фотопленка фиксирует, конечно же, не самих героев микромира, а следы,
которые они оставляют в том или ином веществе, и которые, как правило, видны
даже невооруженным глазом. Но наши герои - великие конспираторы: они никогда
не оставляют следов где попало. Поэтому вещество, в котором мы хотим
зафиксировать движение микрочастиц, должно быть приведено в особое состояние
и реагировать на появление долгожданных гостей так, чтобы глаза или
фотоаппарат могли уловить эту реакцию. В общем, это напоминает устройство
специальных полос разрыхленной земли вдоль государственных границ - любой
пешеход-нарушитель поневоле должен оставить свою "визитную карточку".
А теперь нам снова придется взглянуть на события достославного 1897
года. Взглянуть для того, чтобы исправить небольшую неточность и сказать:
это не просто дата рождения электрона, а дважды юбилейный год, ибо тогда был
создан прибор, который сами же физики называли "уникальным окном в ядерный
мир".
Итак, в 1897 году двадцативосьмилетний физик Ч. Вильсон, исследовавший
проблему конденсации облаков из водяного пара, открыл интересный эффект.
Известно, что в воздухе, перенасыщенном водяными парами, мельчайшие частички
пыли становятся центрами конденсации влаги. Из огромного количества таких
центров формируются симпатичные белые облачка и устрашающие "свинцовые"
тучи. Ч. Вильсон обнаружил, что после достаточно полной очистки воздуха роль
пылинок начинают играть заряженные частицы, например, ионы, вокруг которых
охотно образуются капельки воды. Отсюда немедленно следовала идея прибора -
регистратора невидимок.
В сосуде, снабженном поршнем, создавалось насыщение водяного пара,
затем с помощью поршня резко менялось давление и достигался нужный уровень
перенасыщения, а в такой ситуации попадавшие внутрь заряженные частицы
оставляли следы - полоски тумана. Так родилась знаменитая "камера Вильсона".
Вскоре она была использована для исследования характеристики электрона,
сослужила добрую службу в выяснении природы радиоактивности и, наконец,
помогла П. Блэккету открыть протон.
Физика элементарных частиц родилась в процессе исследования
всевозможных загадочных излучений. Поиски разгадок, несомненно, принесли
замечательные плоды, но эти плоды не имели даже привкуса окончательной
ясности и не сулили вкусившему их долгожданной радости. Катодные лучи -
поток электронов? Очень хорошо! А почему электрон несет заряд, составляющий
1,6021892.10-19 кулона? Почему электрический заряд протона по абсолютной
величине с поразительной точностью совпадает с зарядом электрона, тогда как
масса протона в 1836,15152 раза больше?
И конечно, существует множество других трудных вопросов, появившихся
вместе с первыми частицами и до сих пор не имеющих ответа.
(C) Александр Потупа (Alexander Potupa)
Бег за бесконечностью. Молодая гвардия (Эврика), Москва, 1977 (Run for
Infinity; переводы: на венгерский - Utazas az elemi reszecskek vilagaba.
Muszaki Konyvkiado,Budapest, 1980; на болгарский - Гонене на безкрайността.
Наука и изкуство (Еврика), София, 1980)
ГЛАВА ВТОРАЯ,
УВЛЕКАЮЩАЯ НАС В НЕБОЛЬШОЕ ПУТЕШЕСТВИЕ ПО ВРЕМЕНАМ И ТЕОРИЯМ
Вероятно, время такое же круглое,
как наша Земля. Иначе, почему человек,
направляясь в будущее,
рано или поздно оказывается в прошлом.
Ф. Кривин
КОЕ-ЧТО О ПУТЕШЕСТВИЯХ ВО ВРЕМЕНИ
Человек обречен на определенные трудности - он вынужден устраивать свою
жизнь сразу в трех временах. Каждый шаг, каждое решение в настоящем
неразрывно связаны с нашим предыдущим поведением, и не только с ним, но и с
опытом предшествующих поколений. В то же время большинство наших решений
зависит от планов на будущее, от того, как мы представляем себе свое
положение в завтрашнем дне.
Например, мечтая стать физиком, школьник стремится поступить на
физический факультет университета и, естественно, уделяет любимой науке
особое внимание. Ясно, что особые отношения с физикой могут формироваться
под действием многих факторов, но, как правило, основную роль играет хорошее
знакомство с доброкачественной научно-популярной литературой. Кого не
способны привести в изумление увлекательные рассказы о цепочке открытий,
изменяющих самые глубокие представления о мироздании! А приложения
абстрактных физических теорий, ведущие к радикальной перестройке современной
техники и технологии!
Конечно, одного изумления мало. Можно преклоняться перед красотой
физических идей и всю жизнь писать стихи или искать нефть. Тут вступают в
игру и многие другие факторы. Во-первых, изумление должно быть настолько
сильным, чтобы превратиться в неукротимое желание принять участие в
дальнейшей судьбе данной науки. Во-вторых, неплохо иметь способности к
соответствующим занятиям. И, наконец, необходимо огромное упорство. Ведь
сколько раз юношеское воображение, густо усеянное туманными образами
фотонных звездолетов, наталкивалось на трудные пороги монотоннейших
вычислений и противных, как зубная боль, капризов измерительной аппаратуры!
Так что поведение нашего школьника довольно сложным образом зависит от
того, как он представляет себе историю физики, современное положение и
перспективы работы в этой области, в частности, перспективы собственной
деятельности в будущем. Вот и приходится путешествовать во времени,
отвлекаясь от сегодняшних важных проблем. Без таких путешествий жизнь стала
бы сплошным потоком серой текучки, а все горизонты стянулись бы в
бессмысленную точку. И все же, в чем секрет увлекательных экскурсий?
В небольшом романе "Меж двух времен" американский писатель Дж. Финней
придумал следующий литературный ход. Его герой то переходит в прошлое лет на
60 назад, то снова попадает в наши дни. Достигается это довольно простым
способом. Героя поселяют в старинной квартире, окружают старинными вещами,
даже вид из окон соответствует тому времени, в которое он должен попасть.
Постепенно он настолько в это вживается, что в один прекрасный день выходит
на прогулку и... застает город в том состоянии, в котором он находился
многие десятилетия тому назад. Впоследствии молодой человек начинает
устраивать подобные удивительные трансформации довольно регулярно и успевает
совершить (вместе с очаровательной героиней) все необходимые подвиги.
Роман Дж. Финнея пронизан ностальгией по безвозвратно ушедшим "старым
добрым временам". В конце концов, его герои предпочитают насовсем остаться в
прошлом. Для нас же важно здесь несколько иное.
Основная идея автора глубоко научна - время для человека не
отсчитывается по каким-то абсолютным часам, а метится по происходящим
событиям. И в наши дни не так уж сложно попасть в такие места, где царствует
техника тысячелетней давности. Представитель племени, живущего по такому
укладу, оказавшись внезапно в стеклянных чертогах современного аэропорта,
перенесется в собственное будущее, на многие века вперед.
Отсутствие абсолютных часов приводит и к интересному обратному эффекту.
Оказывается, что прежде, чем как-то оценить давно минувшие или грядущие
события, необходимо проделать большую и весьма тонкую работу:
реставрировать, а иногда и воссоздать заново отдельные детали, постараться
правильно разглядеть целостную картину прошлого или грядущего. Последнее
особенно нелегко. Ведь современный исследователь всегда смотрит на
отдаленные явления сквозь призму представлений своего века, а то и
десятилетия. В этом смысле понимание прошлого и будущего сильно зависит от
уровня, достигнутого в настоящем.
Еще каких-нибудь сто лет назад ученые не имели ни гигантских
радиотелескопов, ни радиоактивных методов анализа... Не было, иными словами,
даже способа датировки таких важных для естественной истории событий, как
образование наблюдаемого участка вселенной или нашей планеты. Не
расшифровывались многие древние письмена, не были обнаружены важнейшие
звенья великой эволюционной цепочки "обезьяна - человек"... Так что немало
значительных событий пребывало еще вне научной картины мира, искажая тем
самым в большей или меньшей степени представление о прошлом.
Конечно, недостающие элементы вводились теоретически, и в таких
гипотезах, как в капле воды, концентрировалось мировосприятие ученых того
времени. Скажем, сама постановка проблемы возникновения вселенной считалась
антинаучной, а попытки обсуждения пресекались как бесполезные богословские
сказочки. Еще отчетливей роль "призмы своего века" видна в прогнозах на
будущее. Во многих случаях эти прогнозы кажутся изрядным нагромождением
нелепостей - летающие аппараты с огромными паровыми двигателями, телеграфный
кабель между Землей и Луной, бурение скважин с помощью гигантских оптических
линз... Но не будем забывать, что наряду со всем этим предсказывались полеты
к другим планетам и проникновение в тайны атомов! И кроме того, задумаемся:
не улыбнутся ли через сто лет наши дорогие потомки по поводу большинства
наших перспективных проектов?..
Итак, для путешествия в далекое (а потом и более близкое) прошлое науки
об элементарных частицах нам придется учитывать довольно сложное
взаимодействие времен. Конечно, этот учет не будет вестись "с бухгалтерской
точностью", очень многое будет сознательно упрощаться. Но упрощения не грех,
если они не слишком сильно искажают истинное положение дел и оставляют
простор для более глубоких размышлений.
МАРШРУТ © 1. НЕУЛОВИМЫЕ АТОМЫ
Физика элементарных частиц действительно очень молодая наука, но она
имеет чрезвычайно древние корни, которые постепенно, в течение более двух
тысячелетий, оплетали научные представления о структуре вещества. Как
говорилось, непосредственный прорыв в мир частиц произошел 80 лет назад,
когда Дж. Дж. Томсон объявил об открытии электрона. Однако значение его
открытия намного выходит за рамки блестящего финала исследований природы
катодных лучей.
Судя по имеющимся источникам, идеи о существовании "первокирпичиков"
материи сформировались в Древней Греции. Первые формы атомистической
гипотезы встречаются, по-видимому, у Фалеса Милетского, чья плодотворная и
долгая (почти столетняя!) жизнь примерно поровну разделилась между VII и VI
веками до нашей эры. Но настоящий расцвет античной атомистики относится к
более позднему периоду и связан с именами Левкиппа и Демокрита. Именно
последнему принадлежит очень важная идея о хаотическом движении атомов в
пустоте как истинной причине изменчивости наблюдаемых вещей.
Ход рассуждений Демокрита и большинства других атомистов древности был
довольно прозрачен и состоял приблизительно в следующем. Обычные куски
вещества можно делить на множество более или менее мелких частей, причем
каждая часть сохраняет ряд свойств целого, например, вода, разлитая из
большого кувшина по малым сосудам, остается водой. Существуют ли наименьшие
порции, сохраняющие основное свойство вещества "быть именно данным
веществом" и не способные к дальнейшему делению? Если существуют, то любой
объект можно рассматривать как огромную совокупность атомов (в буквальном
переводе - неделимых), связанных между собой определенными силами.
В свете современных представлений Демокритов атом выглядит весьма
наивно - нечто вроде очень маленького твердого шарика с крючочками, с
помощью которых можно цеплять другие атомы. Наивность эта вполне оправдана,
ведь в те времена люди не имели понятия ни о каких физических силах, кроме
механического воздействия. Зато в последнем разбирались не так уж плохо -
были разработаны многие механизмы для вертикального и горизонтального
передвижения тяжестей, откуда и заимствовались аналогии. Теперь мы хорошо
знаем, что за структуру атомов и молекул отвечают электромагнитные силы, но
тогда об электричестве известно было крайне мало - ходили слухи о каком-то
таинственном свойстве янтаря.
В общем, античные атомы можно считать древнейшими предками современных
элементарных частиц. Двадцатипятивековое "генеалогическое древо" - вполне
достойное украшение дворца самой красивой дамы физического королевства. И
все-таки трудно отделаться от впечатления, что ее каприз сыграл в появлении
этого украшения не последнюю роль. Неужели предоткрытие элементарных частиц
произошло так давно, когда мир еще ожидал Аристотеля, чтобы подвести итоги
самого первого периода развития физики и вообще ввести в обиход ученых это
замечательное слово - "физика"?
Что ж, удивление это в значительной степени справедливо. И мы попробуем
убедиться в истинной глубине поставленного вопроса с помощью такого
мысленного эксперимента. Пусть один из участников нашего воображаемого
путешествия во времени решится на героический поступок - остаться среди
современников Демокрита и объяснить им, что такое настоящие атомы и
элементарные частицы. По условию эксперимента этот Просветитель (так мы
будем условно обозначать смелого участника) должен использовать для своей
деятельности только те приборы и материалы, которые он найдет в древнем
мире, но может опираться на любые известные нам теоретические результаты и
исторические факты. Что произойдет?
Наиболее вероятная схема развития событий выглядела бы так.
Просветитель может без особого труда отыскать несколько крупнейших
философов ближайшего греческого полиса (так назывались сравнительно большие
города) и даже собрать их вместе. Ученые мужи с уважением и вниманием
заслушают сладкозвучные речи иноземца, с любопытством станут взирать на
странные картинки, которые Просветитель рисует на влажном песке.
Его выслушают до конца, ему зададут множество вопросов. Где он видел
удивительные светящиеся сосуды? Какую форму и цвет имеют эти самые янтарные
частички ("электрон" по-гречески - янтарь)? Горячие они или холодные? И
наконец, последует главный вопрос: можно ли все-таки на них взглянуть или
как-то их пощупать?.. В общем, слова словами, а где же, уважаемый иноземец,
твои истинные атомы? Просветитель, конечно, пообещает в ближайшее время
показать почтенному собранию опыты, которые покажутся абсолютно
доказательными и т. д. и т. п. И, как говорится, на том, ко всеобщему
удовольствию, и расстанутся.
Пройдет совсем немного времени, и Просветитель с ужасом поймет, что
никаких настоящих демонстраций провести ему так и не удастся. Повторить
известные ему эксперименты по установлению природы, например, тех же
катодных лучей вроде бы и несложно. Да вот незадача - надо сначала открыть
рецепт стекла, научиться стеклодувному делу, изобрести насосы для создания
хорошего вакуума, придумать схему работы с электрическим и магнитным полями.
Даже минимальный вариант - показать какую-нибудь далеко не элементарную, а
просто не видимую невооруженным взглядом частичку - и то не проходит: где
взять оптические линзы для микроскопа? Короче говоря, смелый Просветитель на
собственном опыте убедится в колоссальной разнице технического уровня двух
эпох. А если бы мы сделали условия мысленного эксперимента еще более
реалистичными и запретили бы Просветителю пользоваться всеми знаниями о
промежуточных этапах теории, ему пришлось бы заново открывать законы
механики, электричества и магнетизма, физики газов, оптики - практически все
те законы, на которые опирались первооткрыватели элементарных частиц в
процессе постановки экспериментов, создания необходимых приборов и
интерпретации результатов
А теперь нетрудно сообразить, что во время второй встречи с собранием
мудрейших мужей Просветитель вынужден был бы ограничиться лишь немногими
доступными ему средствами, и вряд ли его сведения добавили бы что-нибудь
существенное к Демокритовым аргументам в пользу атомов Не исключено, что
Новинки >> Русской фантастики (по файлам) | Форумов | Фэндома | Книг