Кварки, протоны, Вселенная

О свойствах вакуума в ультрамалых областях пространства-времени можно получить представление только с помощью теории, предполагая, что там будут действовать известные нам физические законы. Это гипотеза, конечно, но иных законов мы не знаем.

Есть основания думать, что в области очень малых масштабов важную роль играет гравитационное поле. В обычных условиях оно имеет значение только для макроскопических явлений, его действие на элементарные частицы ничтожно — слишком уж малы массы (гравитационные «заряды») этих частиц. Однако на очень малых расстояниях гравитация становится сильной и существенно влияет на свойства микромира — при вакуумных флюктуациях возможны всплески чрезвычайно интенсивного гравитационного поля, которые сопровождаются спонтанным изменением геометрических свойств пространства и времени. Как следует из теории относительности, гравитация всегда связана с искривлением пространства, поэтому в ультрамалых пространственно-временных интервалах пространство, причудливо искривляясь и скручиваясь, может образовывать раковины, глубокие полости, почти самозамыкающиеся пузыри. Заполняющий пространство вакуум становится похожим на пену спонтанно раздувающихся, сливающихся и лопающихся пузырей. Фантастические, быстро сменяющие друг друга картины!

Такое строение вакуума мы могли бы увидеть лишь очень глубоко, на уровне 10^{– 33} сантиметров — в областях на 20 порядков меньше атомных ядер и на 15 меньше, чем ожидаемый радиус электрона. Есть основания думать, что это предельно малые расстояния, за которыми начинается квантование самого пространства-времени — его распад на порции минимальной длины и длительности. Хотя, может быть, это и не так. Ведь с помощью ускорителей физики достигли пока лишь расстояний порядка 10^{– 16} сантиметров, а расстояние в 10^{– 33} сантиметров лежит пока далеко за пределами наших экспериментальных возможностей. Это область теоретических предположений и экстраполяций, которые можно проверить лишь косвенно, по их очень отдаленным следствиям.

Пока часть теоретиков трудится над проблемой разбиения пространства и времени на предельно малые кванты, другая часть пытается построить весь мир, все его материальное содержание из «ничего», то есть из чистого вакуума.

Экспериментальные и теоретические данные все более настойчиво подсказывают нам, что в природе должно существовать некое единое «сверхполе», частными состояниями которого являются гравитация, электромагнетизм и все другие известные нам поля и частицы. Теоретики разработали уже несколько вариантов универсального взаимодействия, объединяющего все известные силы природы. Как показал еще Эйнштейн, одна из них, гравитация, имеет чисто геометрическое объяснение: ее можно трактовать как действие кривизны четырехмерного пространства-времени на погруженные в него физические тела (в теории Эйнштейна искривлено не только пространство, но и время). Кривизна старается направить их движение по определенному руслу — по своеобразным ложбинкам. Это и воспринимается как некая сила. Но ежели одно состояние сверхполя имеет геометрическую природу, то естественно допустить, что подобный характер имеют и другие его состояния. Все они — кривизна, кручения, самозамыкания наподобие ленты Мёбиуса и так далее — проявление определенных свойств пространства и времени.

Кажется, стрелка знания опять начала склоняться в сторону полной пустоты, но не будем торопиться с выводами...

Можно ли объяснить все свойства мира на основе свойств одного только пустого пространства? Поискам ответа на этот вопрос посвятил последние 40 лет своей жизни Эйнштейн. Он рассмотрел множество подходов к геометрическому описанию электромагнитного поля. Но ни Эйнштейну, ни его последователям не удалось построить чисто геометрической картины физических явлений. Одних только пространства и времени для этого оказалось недостаточно.

И тем не менее, несмотря на их неудачу, зерно истины в попытках построить мир из пустоты все же есть. Можно думать, что если не для всего мира, то для значительной части происходящих в нем явлений все-таки можно построить чисто геометрическую картину, но только в особом смысле. Если теория единого сверхполя будет когда-нибудь создана, она, видимо, действительно должна выражаться через величины, имеющие геометрический смысл. Во всяком случае те предварительные варианты теории, которые сейчас изучаются, обладают этим свойством. Однако чисто геометрическими такие величины можно назвать лишь формально. К окружающему нас пространству с координатами длины, ширины и высоты они не имеют отношения. Однако с математической точки зрения пространством можно назвать множество любых элементов, чьи характеристики связаны такими же соотношениями, что и координаты точек привычного нам пространства. Математика позволяет единым образом описывать объекты самой разной физической природы, и геометрическими их можно назвать лишь потому, что связывающие их соотношения имеют сходную математическую структуру. Величины, входящие в строящуюся теорию единого сверхполя, имеют смысл расстояний, углов, кривизны и других геометрических характеристик именно в таких абстрактных пространствах.

Итак, мы видим, что пустота в реальном мире так же неисчерпаема, как и вещество. Абсолютная пустота — не более чем теоретическая абстракция, реальная же пустота, или физический вакуум,— одно из состояний материи, из которого, быть может, и родилась наша Вселенная. Мир поразительно разнообразен и вместе с тем поразительно в своей основе един. В этом согласны и физики и философы.

ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ,

в которой автор пытается объяснить, что такое пространство и время, а также в чем состоит то главное, без чего пространство перестает быть пространством, а время — временем

Вся наша жизнь, все явления вокруг нас протекают в пространстве и времени. Но что это такое — пространство и время? Обычно мы не задумываемся об этом. Из философских словарей и энциклопедий мы узнаем, что пространство и время — это формы существования материи, и это совершенно справедливо. А что они представляют собой с точки зрения современной физики? Чем, например, пространство и время космических миров отличаются от пространства и времени внутри элементарных частиц? Различие масштабов здесь колоссальное — в 10⁴³ раз! Неужели не найдется и различия в свойствах?

Можно ли как-то воздействовать на эти свойства, например сжать пространство и растянуть время? Всегда ли материя (вся окружающая нас природа, весь мир) обладает такими свойствами? Возможны ли какие-нибудь виды материи, которые существуют вне времени и пространства? Вот лишь часть вопросов, которыми задается современная физика.

В мире есть два геометрических полюса — самое большое и самое маленькое. Самое большое из известного нам — размеры и возраст Вселенной. Оценки, основанные на теории Фридмана и наблюдательных данных астрономии, говорят, что наша Вселенная простирается на 10²³ километров и существует не меньше 10¹⁰ лет. Наиболее мощные оптические телескопы и радиотелескопы позволяют проникнуть в космос на 10²² километров, то есть рассмотреть ту часть пространства, которая образовалась за последние два-три миллиарда лет. По сравнению с полным объемом нашего мира это все равно, что шарик для пинг-понга в центре футбольного мяча. До «края» совсем недалеко: что значит оставшаяся десятка по срав-нению с 10²³! Но именно там, внутри оставшегося слоя, скрыто самое сокровенное — осколки первичного взрыва, «праматерия». Там ответы на многие волнующие загадки мироздания. И в недалеком будущем заглянуть туда ученым наверняка удастся.

Если верить теории Фридмана, то расстояние порядка 10²³ километров и длительность порядка 10¹⁰ лет — самые большие интервалы пространства и времени, с которыми мы можем иметь дело на практике. Большие величины могут быть, но лишь в теории.

На другом полюсе нашего мира, в области микроявлений, мы можем с помощью оптических микроскопов различать расстояния, скажем, в стотысячную долю сантиметра. Это длина волны видимого света, предел того, что мы можем увидеть непосредственно нашим глазом. Предметы меньшего размера световые волны огибают, отчего мы не в состоянии их увидеть.

Электронный микроскоп, в котором вместо светового луча на предмет направляется пучок быстрых, или, как говорят физики, жестких электронов, а изображение воспринимает не наша сетчатка, а светочувствительный экран или фотопластинка, позволяет продвинуться в тысячу раз дальше — приблизительно до стомиллионной доли сантиметра. И мы благодаря этому можем рассмотреть любые молекулы и даже отдельные атомы.

Электронным пучком можно высветить и более мелкие объекты, например, части атомных ядер — протоны и нейтроны. Но для этого необходимо увеличить энергию электронов, сделать их еще более жесткими. Дело в том, что, подобно световым частицам, фотонам, электроны обладают волновыми свойствами. Можно сказать, что пучок электронов как бы немного дрожит, траектории его частиц несколько размываются, и чтобы сфокусировать изображение, приходится пользоваться очень быстрыми электронами, у которых инерция движения способна превозмочь волновое дрожание пучка (оттого их и называют жесткими).

Чтобы проникнуть еще глубже, нужны ускорители частиц. Это громоздкие и очень сложные сооружения; их создание под силу только экономически развитым странам или группам стран. В последнее время все чаще создаются именно такие, интернациональные ускорители. Глубже всего в недра материи, вплоть до расстояний почти в тысячу раз короче диаметра протона, можно про-никнуть, сталкивая меж собой два ускоренных пучка частиц — одних протонов, протонов и антипротонов, электронов и протонов и так далее. Для этого пучок частиц из ускорителя с помощью системы магнитных линз загоняют в вакуумированное кольцо, помещенное в сильное магнитное поле, которое искривляет траектории частиц и удерживает их на круговой орбите. Импульс за импульсом добавляется к току частиц в таком кольце, а когда количество накопленных частиц становится достаточно большим, магнитное поле выключают, и частицы из кольца в едином порыве устремляются по прямой навстречу основному пучку частиц из ускорителя. Иногда частицами накачивают сразу два кольца, которые и разряжаются ими так, что те мчатся друг к другу. В Институте физики Сибирского отделения Академии наук таким образом сталкивают пучки электронов и позитронов. В Международном институте высоких энергий в Женеве сталкиваются пучки протонов и антипротонов — струи вещества и антивещества. Энергия относительного движения разогнанных навстречу друг другу частиц при этом так велика, что волновая «размазка» не сказывается до расстояний в 10^{– 16} сантиметров.