О загадках природы и проблемах физики

    Итак, библиотечный читальный зал был полон. Но по условию Николая старшеклассников посадили на первые места, чтобы они могли задавать вопросы. Была доска и мел, а что ещё нужно настоящему учёному и оратору?
  Николай начал:
- Сегодня у нас необычная встреча, к нам приехал Александр Михайлович Дюрягин, доктор физико-математических наук, зав. кафедрой общей физики Казанского университета. Сегодня мы с ним хотим провести публичную дискуссию по поводу одной моей научной статьи. Поскольку статья не является чисто физической, а более философской, речь в ней идёт скорее об концептуальных подходах к пониманию современной физики, то, я полагаю, многое будет понятно уважаемой публике. По ходу дискуссии можно будет задавать вопросы, если они у вас возникнут. Но для начала, чтобы вы могли втянуться в обсуждаемые проблемы, я прочту небольшую вступительную лекцию – не возражаете?
Зал закивал, а потом захлопал в ладоши в знак одобрения.
 
- Сегодня мы с вами поговорим о загадках природы и проблемах физики. Одно порождает другое. Развитие физики до, примерно, последней четверти девятнадцатого века было практически гладким и безоблачным. Она хорошо объясняла, как движутся планеты в солнечной системе, как пар гоняет поршень в двигателе, как течёт ток по проводам… и многое прочее, при этом, не вступая в конфликт со здравым смыслом…

- А Эйнштейн говорил, что здравый смысл – это тот пласт предрассудков, который мы накапливаем до семнадцати лет! – не выдержал Артур, который и на уроках позволял себе реплики, Николай же почти никогда его не одёргивал, так как реплики были по делу.
- Верно. А почему он это сказал? – парировал Николай.
  Артур хотел было вскочить и начать отвечать, но вовремя понял, что вопрос риторический.
- Потому, что сам Эйнштейн был автором таких теорий и гипотез, которые противоречили так называемому «здравому смыслу», за что его часто критиковала не только «почтенная публика», но даже его коллеги. Однако вернёмся к развитию физики.  Почти до конца девятнадцатого века физика не покушалась на такие, казалось бы, простые и очевидные понятия, как НЕПРЕРЫВНОСТЬ тел, пространства и времени… То, что тела сплошные, казалось столь незыблемым и очевидным, что вроде и говорить тут было не о чем. Но постепенно, сначала в химии, а затем и в самой физике начала набирать силу ИДЕЯ ДИСКРЕТНОСТИ, то есть прерывности строения вещества.
 
   То, что все тела состоят из молекул, между которыми есть пустые от вещества промежутки, вы теперь узнаёте, что называется «с младых ногтей», но когда-то это было неочевидным. Однако благодаря трудам таких учёных как МАКСВЕЛЛ, БОЛЬЦМАН, ЭЙНШТЕЙН, ШТЕРН, ПЕРРЕН и многим другим постепенно идея молекул и атомов проникла в физику.  Физика нередко вступала в конфликт с философией.
  Тот же Больцман, работавший в Венском университете и разрабатывавший сложнейшие основы молекулярной теории, натыкался на скепсис коллег. Юм и другие физики, приходившие на его семинары, задавали вопрос: "А вы видели хоть одну молекулу?"
  Что мог ответить в то время Больцман, когда ещё не было никаких электронных и тоннельных микроскопов? А они смеялись. И уходили с его семинаров, устраивая ему публичную обструкцию. А ведь это и была «философская» реакция на то, что физика отдалялась от очевидности.
  Юм и его соратники были последователями философии позитивизма, в которой главный тезис был примерно таким: можно обсуждать и включать в научные теории только то, что очевидно, неочевидные же вещи нужно отсекать «бритвой Оккама».
    
- Но вернусь к идее атомов и молекул. Известно, что пришла к нам она из древности, ещё от Демокрита, а это, примерно, пятый век до нашей эры! Как они тогда додумались до этого, если даже в конце девятнадцатого века люди, учёные сомневались в этой идее?
- Да Вы же нам рассказывали! – воскликнула Надя Варакосова.
- Ну, давай Надя! Нам нужно это вспомнить вслух, чтобы пойти дальше.
- Да, Вы говорили, что греки вот… делили капельку воды. Ну, в общем… делили-делили. А дальше я… забыла… - Надя покраснела, но выручил её Артур, который уже рвался в бой, вытянув вверх свою длинную руку.
- Ну, давай, Артур!
- И вовсе они не делили капельку воды, ну то есть в реальности, а рассуждали о делимости тел. Как долго чисто теоретически можно делить какое-либо тело? Одни отвечали банально, мол, можно делить бесконечно, если были бы инструменты и зрение острое, а другие, во главе с Демокритом,  говорили, что природа не может терпеть долго такие «издевательства» и должна поставить предел делимости и запретить дальше определённого уровня или размера делить вещество. Эти, уже неделимые частички, они и назвали «атом», что значит «неделимый».

 - Да, Вы ещё говорили, что понятие «атом» и понятие «элемент» по своему содержанию очень близки. «Элемент» переводится как «простейший», а простейший по своему определению не может быть сложен из чего-то ещё, иначе тогда он сложный. А раз он состоит только из самого себя, то он не может быть разделён, а, значит, он неделим, то есть «атом».
- Радует, что вы всё это помните. Так вот, химики, которые приняли эстафету от алхимиков, постарались избежать их ошибок. Чего хотели алхимики?
- Найти философский камень! – опять воскликнула Надя Варакосова, которая очень хотела реабилитироваться за прошлый промах.
- Зачем, Надя? Он что, им философию лучше помогал понять?
- Нет, он мог превращать все вещества в золото. По крайней мере, они так думали.
- Верно, но постепенно в ходе проведения многочисленных реакций алхимики и вслед за ними химики обнаружили, что среди всех веществ есть такие, которые ни во что не превращаются, ни на что не распадаются, а остаются собой. Их поэтому назвали элементами, то есть простейшими. А остальные вещества есть комбинация этих простейших, то есть сложные. И к несчастью для алхимиков оказалось, что золото относится к таким простейшим – элементам. То есть в ходе химических реакций ни один элемент не может превратиться в золото. Элементы стали называть атомами.

- Но вот о «поле» было твердое мнение, что оно сплошное. Напомню, что понятие «поле» ввел в физику МАЙКЛ ФАРАДЕЙ. Это вид материи (наряду с веществом), который передаёт взаимодействие между телами. А вещество – это вид материи, из которого состоят тела.
  Видно было, как ученики соглашаются – все это они разбирали с учителем на уроках в школе.
- Но вот настал очередной драматический момент в развитии физики, её идей и представлений о природе. Произошло это в 1900 году. Как раз на рубеже веков.
 -Помните, я вам рассказывал об открытии МАКСА ПЛАНКА?

- Но вот что я не рассказал вам тогда, так это некоторые важные подробности. Сегодня придётся о них упомянуть, чтобы вы лучше понимали дальнейшую логику рассуждений, особенно в нашей грядущей дискуссии. Начнём. Гениальный МАКСВЕЛЛ ещё в конце третьей четверти девятнадцатого века построил чисто теоретически функцию распределения молекул газа по скоростям и получил вот такой график:
 
 Николай взял мел и быстро начертил на доске график. 
- Ну, вот примерно так. Потом это распределение было блестяще подтверждено в опытах ШТЕРНА. А Макс Планк бился над проблемой описания спектра излучения «абсолютно чёрного тела». В то время была очень популярна тема исследований в физике – всякие излучения. Были открыты, ещё в начале 19 века: инфракрасное, ультрафиолетовое, затем в конце века – рентгеновское. Все измерения спектра излучений наложили на систему координат и получили график, очень похожий на то, что Максвелл получил для молекул газа (только вместо скорости по оси абсцисс была отложена частота).

 - Я полагаю, посмотрел на этот график ПЛАНК, посмотрел, да и подумал, что раз графики похожи, то и формула должна быть похожа. Взял, да и подогнал её под формулу МАКСВЕЛЛА (я, конечно, сильно упрощаю творческий процесс Планка). И она блестяще совпала с экспериментальным графиком! Казалось бы, всё – победа! Формула, которую столь долго искали многие физики мира – найдена!
  Но тут его стали терзать смутные сомнения. А ведь нужно понимать характер Планка. Он был такой немец, до мозга костей! Любил во всём порядок и логику. Вот он нашёл формулу, но не вывел её из основательной теории, а «подогнал под ответ», как иногда делают плохие студенты с решением трудной задачи. Это пахнет каким-то жульничеством. Какая тут наука?! Где теория, где обоснования?!
 И он стал думать, но, видимо, ему в голову не пришло ничего иного как такое логическое рассуждение, что раз выводы похожи, то и основания должны быть схожи! И он придумал, что ИЗЛУЧЕНИЕ ТОЖЕ ДИСКРЕТНО! Носятся такие «молекулы» - кванты излучения в пространстве, а потому и график похож. И тут было сделано важнейшее открытие: он вместо скорости приписал кванту излучения частоту (что было видно из графиков), и вывел хорошо вам теперь известную формулу E = h;  для энергии кванта, вместо E = m;2/2  у Максвелла.
(увы, редактор Прозы.ру не позволяет использовать греческий алфавит...- примеч. ред.)
 Но и это ещё в данной драме идей не всё. Планк понимал, что он покусился на что-то негласно «святое» в физике. «Поле» – откуда это название, откуда это понятие, и как мы его себе можем представить? Ну, там силовые линии… Но главное – ему нет начала и конца, оно непрерывно. Ну, должно же быть хоть что-то непрерывно?!
 Оказывается – нет! И в конце своей статьи ПЛАНК пишет, что ему самому не очень нравится эта идея, ИДЕЯ ПРЕРЫВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ, ИДЕЯ КВАНТОВ, но он по-другому не может это объяснить и «призывает» других физиков – найти лучшее основание для его формулы, ведь формула-то блестяще описывает экспериментальные данные!
 
  Николай взял паузу, смотрел на аудиторию, ему казалось, что он разъяснил всё достаточно понятно. По внимательным взглядам ребят и взрослых он понял: «Зашло!»
- Итак, Планк стал революционером в физике поневоле, а не из желания выделиться.
- А вы нам ещё рассказывали, как он поступал в университет на физику, и что сказал ему профессор на экзамене… - Надя Варакосова снова подала реплику.
- Ну, про бесперспективность физики – подтвердил Артур.
- Верно! Потом я рассказывал вам, как эта идея квантов, даже вопреки мнениям самих авторов гипотез, пробивала себе дорогу в физике.
- А я запомнила про квантового ученика… - опять вставила Надя.

  Николай вспомнил, что вначале изучения темы "ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ" он попробовал дать понять ученикам её необычность. В его памяти возник класс и глаза учеников, с любопытством, скепсисом или даже со скукой смотревшие на него:
- Вот представьте, что в вашем классе появился «квантовый ученик». Так он ничем не отличается от других учеников, но перемещается как-то странно. Вот прогремел звонок. Колосков! Сядь! Не вставай, звонка не было, это я для примера говорю. Все ученики спокойно, не торопясь (вы же старшеклассники, негоже вам, как первоклашкам бежать сломя голову к двери?!) идут к двери, непрерывно перемещаясь от точки к точке пространства. А этот «квантовый» тут исчезнет, а там появится, снова там исчезнет – в другом месте появится. Вот так он перемещается, так «перемещаются» квантовые частицы, например, электроны внутри атома. Вам же рассказывают сначала, чтобы вас не шокировать, что электроны непрерывно летают по орбиталям. Так? А на самом деле всё не так, они «скачут» там, как блохи…

  Колосков воскликнул:
- Так это же телепортация! Вот бы мне так!
- Сначала изучи основы квантовой физики, а потом может что-то и получится.
- Ну вот, у вас, у учителей, всегда так скучно – сначала изучи… А мне бы сразу.
  Щёлк пальцами – и дома. Щёлк и в Москве или в Нью-Йорке.

  Но вернёмся в библиотеку.
- Да, С РАЗВИТИЕМ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ ФИЗИКА СТАНОВИЛАСЬ ВСЁ «БЕЗУМНЕЕ», всё дальше она уходила в своих моделях от наглядной реальности, но, тем не менее, всё точнее описывала микромир и строила на основе этих описаний новую надёжную технику. Давайте дадим слово нашему гостю Александру Михайловичу. Он нам ещё «безуминки» добавит. Правда, Александр Михайлович?
 
  Дюрягин вышел к доске:
- Мне придётся тоже начать с истории. Сразу скажу, что некоторые подробности, рассказанные нам Николаем Иванычем про ПЛАНКА – это, так сказать, его личный взгляд на дело. Никто точно не знает, как там было у знаменитого немецкого профессора. Но гипотеза действительно была слишком смелой и нашла дальше своё развитие у ЭЙНШТЕЙНА. Как вы должны знать, Эйнштейн предложил считать кванты света такими странными объектами, у которых сочетаются свойства частиц вещества (корпускул) и волн в некой среде. Корпускулярно-волновой дуализм. То есть вслед за Планком он развил гипотезу о том, что поток излучения дискретен (прерывен) и кванты – это такие квазичастицы – фотоны, от греческого «фотос» – свет. В классической физике такое немыслимо. Там либо это частицы – либо волны. Проявления у них слишком разные. Но свет ведёт себя в одних явлениях как поток частиц, в других – как волны. Вообще в квантовой физике чаще всего не бывает так или не так, а, напротив, и так, и эдак. Про кота ШРЁДИНГЕРА слышали?
Кое-кто из ребят закивал головами.
 
- Всё же, позвольте, я вам перескажу со своими пояснениями, так как это поможет нашему делу. Шрёдингер – это один из основателей квантовой механики. И вот, чтобы лучше объяснить её странности, он придумал, ставший теперь знаменитым, мысленный эксперимент. Еще раз повторю, эксперимент мысленный, так что ни одно животное во время него не пострадало!
  Ребята дружно засмеялись.  Так вот, представьте себе ящик, в который посадили кота. Александр Михайлович нарисовал на доске ящик с трубочкой. Ну вот, кот в нём сидит, но дышать он может только через трубочку. К трубочке, по которой кот получает воздух, прикреплена ампула с ядовитым газом. Яд из неё может попасть в трубочку. Но процесс этот чисто случайный и ни от чего не зависит. Никто не может сказать: уже попал туда яд или ещё не попал…  Таким образом, пока мы не заглянули в ящик, мы не знаем, жив кот или мёртв. С точки зрения классической логики и физики – кот либо жив, либо мертв.
- Ну…
- А по квантовой механике выходит, что пока мы туда не посмотрим, он одновременно и жив, и мертв!
- Это как?!... – ребята заволновались.
- Только когда мы проведём наблюдение за котом. Откроем ящик, кот перейдёт из этой суперпозиции состояний в одно из двух: он действительно будет или жив, или мёртв.
- Ерудна какая-то…
  Тут вмешался Николай:
- Александр Михайлович, можно я уточню!
- Пожалуйста!
- Поясню ещё одним примером. Помните, я говорил с вами о размерах атома и атомного ядра?
- А, это когда атом мысленно до метра увеличили!..
- Правильно, молодцы, помните…
- Там ещё ядро всё равно мизерное – правильно?..
- Да! Так вот. Представьте, что позади меня на доске настоящий увеличенный атом.
  В центре доски ядро, а где электрон?
- Ну, где – летает по орбитали…
- Я же вам говорил, что представление о том, что электрон летает по орбитали – неверное. Само слово «квант» - это примерно нечто конечное, ограниченное, типа – порция чего-либо, кусок. Особенность квантования заключается в том, что привычная нам непрерывность теряется. Всё происходит какими-то порциями, скачками, вспышками… Там, в микромире, всё раздробленно…
  Но вернёмся к электрону. Он хитрый! Пока я на него не смотрю (ведь он сзади меня), он находится везде, но с разной вероятностью. Везде одновременно! Это как шаловливый мальчонка, когда на него не смотрит строгая учительница, он успевает бегать везде.
- Это как так? Везде одновременно!?
- Но стоит мне развернуться и посмотреть на него, он перестает «хулиганить», и тут же оказывается на каком-то определённом месте! Тут или тут – Николай развернулся к доске и начал ставить точки вокруг «ядра» атома.
- А как он понимает, что Вы на него посмотрели?!
- Сие науке пока неизвестно! – отметил Дюрягин.
- Есть разные версии… - добавил Николай Иванович.
- Расскажите!

- Собственно в этом и суть моей статьи. Есть современные ТЕОРИИ СТРУН И МЕМБРАН. Артур, глядя на Николая Ивановича, снова кивал, он читал популярные статьи об этой «новой волне» в теоретической физике и даже когда-то, вначале учебного года задавал вопросы учителю, но тогда Николай Иванович ответил уклончиво, что, мол, изучим кое-какие темы, тогда и будем разговаривать. Артур вовсе не обиделся, но обещание запомнил и всё ждал, когда же наступит такое время.
 
- В этих теориях, - продолжал Николай Иванович, - присутствует многомерность пространства, то есть общее количество измерений пространства больше трёх и доходит до десяти (а с учётом времени – и до одиннадцати). Вот тогда и объединяются теория гравитации с квантовыми теориями полей. Там присутствуют такие странные для нас объекты:  струны и браны. Ну, образ струн вам легко представить, а бранами называют некие многомерные «поверхности» в этих многомерных мирах. Всё, что мы наблюдаем – в физике микромира – это результат взаимодействия струн и бран. Николай нарисовал на доске плоский прямоугольник как бы в повернутой проекции, и «проткнул» его «струной».
- Вот это место, где струна пересекается с браной, мы и принимаем за элементарную частицу.
- А мы что, живем в этой плоскости? – задал вопрос Артур.
- Да, только она не двумерна, а трёхмерна. Это наша трёхмерная Вселенная. Но дело, с моей точки зрения, ещё интересней. Однако, сначала давайте поясним про трёхмерный мир – нашу вселенную-брану.
 Здесь нам поможет аналогия. Когда возникает граница раздела двух сред с разными свойствами, например, жидкость-газ, то возникает особое проявление электромагнитных сил – поверхностное натяжение. Помните, мы такую тему факультативно изучали? Они, эти силы, существенно двумерны, т.е. это двумерное проявление трёхмерной силы. Оно как бы «отщепляется» от электромагнитного взаимодействия, но условно. Вы сам понимаете, что это не какая-то новая сила природы, но особенности у неё есть. Даже своя формула зависимости от длины границы свободной поверхности жидкости. Если бы существовали двумерцы, тело которых было бы построено на этих силах, то они жили бы в этих поверхностях и наблюдали бы только то, что там есть. Их зрение и прочие органы чувств были бы двумерны.
 Николай нарисовал на «бране» такого смешного плоского человечка:
- Знакомьтесь – это двумерец, он же  плоскатик. Живет на границе раздела жидкость-газ.
  Николай показал рукой на доску, как будто поздоровался с нарисованным человечком. Ребята, лица которых были напряжены от слишком необычной информации, заулыбались. Этого-то Николай и хотел, а то обстановка становилась слишком тревожной. Могла потеряться нить рассуждений.
 
- Позвольте вопрос, - обратился к Николаю Дюрягин, - а почему мы не наблюдаем эти ваши многомерные миры? Ну, там четырехмерные, пятимерные… Ведь физика - все-таки наука экспериментальная и опирается именно на наблюдаемое.
- Вот позитивисты тоже так рассуждали, когда возражали Больцману. Аргумент типа: не видим, значит - нет, он не всегда срабатывает! – парировал Николай. И продолжил:
- Я отвечу на ваш вопрос несколько необычно. Давайте посмотрим внимательно на наши тела физические и органы чувств. Всё в них протекает только на одном виде взаимодействия – электромагнитном. Все биохимические реакции, все органы чувств, всё, что мы воспринимаем, вся информация о мире приходит к нам через электромагнитное взаимодействие. Остальные три фундаментальные взаимодействия никак напрямую в этом не замешаны, а играют роль только опосредовано, через влияние на электромагнитные силы.
  Теперь я постараюсь показать, что электромагнитные силы  существенно трёхмерны – это трёхмерное «отщепление» от многомерной Единой Силы или Единого Взаимодействия. Начнём с электромагнитной волны. Она может существовать только в пространстве трёх измерений, т.к. все три вектора, ее характеризующие: магнитная индукция, напряжённость электрического поля, скорость распространения – образуют тройку взаимно перпендикулярных  векторов – как трёхмерные оси декартовых координат.
 Почему они не существуют как чисто электромагнитные в четырёхмерном пространстве? – На чём построена моя гипотеза – на выводах КАЛУЦЫ о связи электрического заряда с движением  в четвёртом направлении. Как говорят, таким образом, заряд «геометризуется», т.е. сводится к уже простому и известному – к поступательному движению. Но тогда в четырёхмерном пространстве зарядов нет – есть просто движение! А нет зарядов – нет особого электромагнитного взаимодействия! Оно не исчезает, а согласно современной стандартной модели, превращается в электрослабое. Только вот в современной теории это объединение электрического и слабого происходит просто при высоких энергиях в том же трёхмерном пространстве, а с моей точки зрения, это связано с другим – с бОльшим количеством измерений пространства. Одно другому не противоречит, т.к. у меня есть даже формула, что при повышении количества пространственных измерений повышается базовая частота осцилляций вакуума, что связано с повышением энергий частиц в виртуальных парах. Николай выписал формулу на доске.
 -  Там уже не электрон с позитроном осциллируют, а частицы потяжелей. Наш трёхмерный вакуум я называю электрон-позитронным. В нём только эти истинно элементарные частицы могут в свободном виде перемещаться (о нейтрино особый отдельный разговор). 
   
 -Так вот, вернёмся к электромагнитным силам. Они есть трёхмерная «проекция» единого взаимодействия. Они создают наше физическое тело. И когда мы его «одеваем» при рождении в этом мире, то видим и ощущаем только трёхмерную реальность. Это как если бы ты надел очки, которые пропускают только ультрафиолет. Ты бы видел несколько иную реальность, чем невооруженным глазом.
Николай не заметил, как перешёл на научный диспут с применением разных неизвестных аудитории фактов и терминов.
  Он остановился. Дюрягин смотрел на него с пониманием, но с сомнением в глазах. Видно, что выставить какие-то аргументы против, он сейчас не может, но и принять столь экзотическое толкование физической модели реальности – тоже не может.
 
  Остальные смотрели на их дискуссию, как на разговор умных иностранцев на одном им понятном «птичьем» языке. Опомнившись, Николай, посмотрел на аудиторию, быстро оценил и понял ситуацию, которую нужно было спасать. Он обратился к старшеклассникам:
- Ребята, я понимаю, что трудненько вам все это воспринимать, но вы сейчас послушайте, попробуйте сформулировать вопросы. Хорошо?!
Ребята закивали. Впрочем, они были готовы к такому повороту событий. Глаша с ними поработала. Они воспринимали само присутствие на этом диспуте, как возможность соприкоснуться со сложным и заманчивым миром науки, в котором потом им хотелось бы жить и творить. Сама эта возможность уже вдохновляла их, чтобы потерпеть твердость и тяжесть «гранита науки».
- Дальше я попытаюсь говорить понятнее и меньше применять незнакомых вам терминов! – Николай говорил, как бы извиняясь. И извинения публикой принимались. Он это видел. Но, понимая, что столь много новой информации переварить не только юным, но и взрослым – слишком трудно, Николай предложил сделать паузу.
 
  Народ высыпал из библиотеки в сад. Кто-то из взрослых закурил. Кто-то отправился домой. Видимо не всем любопытствующим было по силам высидеть эту «говорильню» до конца. Глаша сказала своим старшеклассникам:
- Кто устал и не понимает, можете идти домой. Разговор это уже недетский.
Но никто из них не ушёл в наступившую темноту вечера.