Кварки, протоны, Вселенная

Пространство и время никогда не наблюдаются сами по себе, они всегда связаны с материей и ее движением. Еще Лукреций Кар в поэме «О природе вещей» писал:

...Неизбежно признать, что никак ощущаться не может время само по себе, вне движения тел и покоя.

Можно думать, что в своем глубинном значении пространство — это то, что выражает устойчивость сосуществования различных явлений и объектов в мире, а время — то, что характеризует их взаимодвижение, изменяемость. Другими словами, пространство и время — это структура сосуществования и изменения всего материального в мире.

Чересчур абстрактно, общо? Ничего не поделаешь! Сами ведь пространство и время — предельно общие понятия, более общих придумать трудно.

Такие понятия изучаются философией, которая потому и является наукой о самых общих законах природы и общества. В физических теориях пространство и время обычно понимают не так широко, включая в их определение уже нами упоминавшиеся конкретные свойства: протяженность, направленность и тому подобное. Но ведь все эти свойства имеют ограниченную область применения. Математикам, например, известно много бесконечных пространств, где нет такого привычного для нас свойства, как длина. Возможно, некоторые из таких пространственно-временных структур реализуются где-нибудь в глубинах микромира. Ну а то, что пространство может не иметь такого свойства, как различие правого и левого,— об этом уже шла речь. Если различие правого и левого считать неотъемлемым свойством пространства, то пришлось бы признать, что некоторые микрообъекты существуют вне пространства. Нет, не напрасно, определяя пространство и время, философы прибегают к самым общим и абстрактным понятиям!

Общую математическую теорию пространства различного типа первым разработал немецкий математик Бернгард Риман. В его теории пространство может быть скрученным и изогнутым, причем в различных точках по-разному, может иметь разрывы и дырки, быть многомерным.

Древнегреческий ученый Пифагор был убежден в том, что законы мира — это законы чисел. Все свойства и закономерности природы, считал Пифагор, а вслед за ним и его ученики, проистекают из математики. По их мнению, это самое первичное, что есть в мироздании. В законах чисел, как в курином яйце — цыпленок или в бутоне — роза, заложена возможность материального «раскрытия мира». Сначала пифагорейцам казалось, что наконец-то понята таинственная суть мироздания, причина его удивительной симметрии, порядка и целесообразности. И вдруг обнаружилось, что некоторые величины нельзя выразить никаким числом. Например, отношение длины окружности к ее радиусу или отношение длины стороны квадрата к его диагонали. Сегодня мы знаем, что для этого надо использовать иррациональные числа, но для Пифагора и его учеников, знавших лишь целые числа и правильные дроби, это выглядело потрясающей загадкой, мистическим чудом. Они были настолько поражены своим открытием, что в течении многих лет тщательно скрывали его как одну из самых ужасных и необъяснимых тайн бытия.

Подобные коллизии случались и позднее. Природа любит преподносить ученым сюрпризы как раз тогда, когда какие-либо ее конкретные свойства и законы объявляются универсальными, действующими всегда и всюду.

В мире все имеет свою конкретную, ограниченную область применения, и мы должны быть готовы к тому, что наука еще откроет диковинные свойства пространства и времени, которые мы сейчас не можем себе и представить, а известные нам свойства, наоборот, в области новых явлений утратят свое значение.

ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ,

в которой обсуждаются «школьные» вопросы: что такое энергия и всегда ли она сохраняется? Читатель узнает о глубокой связи между энергией и временем и об удивительных парадоксах теории относительности

Во всех предыдущих главах, шла ли речь о явлениях внутри элементарных частиц или о процессах в далеком космосе, всегда упоминалась энергия. Она — краеугольный камень современной науки. Не исчезает, и не возникает, только переходит из одной своей формы в другую. Но ведь мы сказали, что в мире нет абсолютных свойств, почему же мы тогда так уверены в универсальности энергии?

Странный вопрос, скажет читатель. Ведь еще более 200 лет назад Парижская академия вынесла решение не рассматривать проектов вечного двигателя и только потому, что всякому двигателю нужна энергия... Верно, а как быть, если в каких-то процессах энергия просто не существует, когда нельзя даже ввести такого понятия?

Но тогда нет и массы, возразят мне, ведь из теории относительности известно, что энергия и масса, пропорциональны друг другу, вспомните знаменитую формулу Е=mc² !

Вот как раз в общей теории относительности и проявляются трудности с энергией и массой. Да еще такие, что некоторые ученые сомневаются в ее справедливости. Не так уж много, говорят они, у этой теории экспериментальных подтверждений... Как бы то ни было, именно в этой области сегодня центр споров и теоретических дискуссий.

Еще древние греки пришли к мысли о том, что ничто в природе не исчезает без следа и не возникает из ничего. Но строгое количественное выражение эта мысль получила значительно позже. Наш соотечественник Михаил Васильевич Ломоносов и французский химик Антуан Лавуазье сформулировали закон сохранения вещества, а 100 лет спустя, в середине прошлого века, немецкие ученые Роберт Майер, Герман Гельмгольц и английский инженер Джеймс Джоуль установили закон сохранения и превращения энергии.

И как это часто бывает с великим открытием, его идея витает, в воздухе, догадки и намеки встречаются в работах многих современников, и вместе с тем решающий шаг требует не только гениальной интуиции, но и просто большой силы воли и смелости. Новую идею легко критиковать — одним она кажется ненужной и необоснованной, другие указывают на ее логическое несовершенство, третьи борются с ней потому, что не доверяют ее автору.

Майеру его открытие принесло несчастье. Мысль о сохранении и превращении энергии пришла к нему во время морского путешествия, в тропиках, когда он, будучи судовым врачом, оперировал больного. Он заметил, что у того венозная кровь не такая темная, какой она бывает в северных странах. Сначала он даже испугался: не задел ли артерию? А затем догадался, что на юге для поддержания теплоты при более высокой температуре в организме должно окисляться меньше питательных веществ, чем на севере.

Идея о круговороте энергии, о бесконечной ее циркуляции из одних форм в другие целиком завладела Майером, и всю последующую жизнь он посвятил ее доказательству. К сожалению, его рассуждения на первых порах содержали много неточностей физического характера, будучи основанными на примерах из физиологии и химии, они с трудом воспринимались физиками. Близкие люди совсем его не понимали; его одержимость научной идеей они принимали за помешательство. Он пытался покончить самоубийством, получил тяжелое воспаление мозга и несколько лет провел в доме для душевнобольных.

С позиции современных знаний просто поразительно, почему с таким трудом воспринималась мысль о том, что всеми явлениями природы «управляет» одна и та же величина — энергия, которая никогда не исчезает, а только переходит из одного своего вида в другой. А ведь частные случаи этого закона были хорошо известны, например для механических процессов (именно к этому случаю и относилось решение французских академиков не рассматривать проектов вечного двигателя).

Крупные теоретические обобщения всегда сопровождаются ломкой привычных представлений и поэтому принимаются с большим трудом. Сто лет назад сопротивление и споры вызывала идея всеобщности энергии, а теперь многим из нас кажется невероятной мысль о том, что в природе могут быть явления, в которых нет энергии. Мы привыкли считать энергию абсолютной, универсальной величиной, существующей и применимой всегда и всюду. Теории, в которых нет закона сохранения энергии, обычно уже заранее трактуются как неверные. Но оправдано ли это? Не напоминает ли эта предвзятость знаменитый аргумент из чеховского «Письма к ученому соседу»: «...этого не может быть, потому что этого не может быть никогда»? Когда дело касается новой теории, категориями «возможного» и «невозможного» следует пользоваться очень осторожно. Процессы или соотношения, невозможные в круге одних, привычных явлений, могут стать возможными в круге других явлений. Заведомо неверными следует считать лишь те теории, которые противоречат законам природы в той области, где они, эти законы, хорошо и надежно проверены.

Долгое время законы сохранения вещества и энергии существовали порознь, пока специальная теория относительности не объединила их с помощью упоминавшегося уже соотношения = mc². Получается, что масса и энергия неразрывно связаны между собой, и в системе, где скорость света равна единице, они просто равны друг другу. Однако из этого вовсе не следует, что вещество — не что иное, как «уплотненная» энергия. Ведь масса — не само вещество, а одно из его свойств, величина его инертности, сопротивляемости изменению движения. И вот эта величина равна энергии — другой величине, характеризующей движение.