иллюзия простотыНередко сходство протона и нейтрона подчеркивают и называют обе частицы нуклонами. Обрыв схемы на нуклонно-электронном уровне уже несколько устарел. Строго говоря, под ним есть еще один – кварковый. Но об этом будет сказано потом. Ядра и ядерная материя выделены в отдельный уровень. Все ядра, кроме ядра атома водорода, –сложные структуры, состоящие из нуклонов. Тяжелые ядра при их субмикроскопическом размере напоминают макроскопические тела. Успех имела глубокая аналогия ядра урана с каплей жидкости, позволившая понять природу распада ядра урана под воздействием нейтронов. Но ядерная материя существует и в поистине макроскопических масштабах. Она заполняет внутренние области звезд. Открыты нейтронные звезды, которые целиком состоят из нейтронов. Схему завершает Вселенная. В последние десятилетия Вселенная целиком, как некая структура, изменяющаяся с ходом времени, – объект изучения физики. Не укладываются в приведенную схему пространство и время. До работ Эйнштейна в начале ХХ века пространство и время не были, строго говоря, физическими объектами. Большинством физиков они воспринимались априорными понятиями, существующими для описания всего, что есть и происходит в Мире. * * * Усложнение объектов снизу вверх по схеме подсказывает: физика ставит себе задачу уметь понять (осмыслить) законы, действующие на любом из уровней, на основе свойств частиц, которые принято считать элементарными. Это выделяет законы, управляющие движением элементарных частиц. Они воспринимаются как основные законы природы. Размер статьи не позволяет описать основные законы природы сколько-нибудь подробно. Ограничимся лишь тем, что назовем разделы современной физики, в которых основные законы формулируются и используются. С их помощью описываются элементарные частицы: их движение, превращение и образование из них всего, что расположено на вышестоящих уровнях. Эти разделы – квантовая механика и теория относительности, или релятивистская механика. Принято отдельно называть электродинамику, хотя в применении к элементарным частицам она не столь специфична, как это было, когда механика Ньютона и электродинамика Максвелла исчерпывали основные законы природы. Особняком (надеюсь, только пока) стоит теория гравитации. Часто ее называют общей теорией относительности. Среди физических объектов есть макроскопические тела, состоящие из огромного количества частиц. Поэтому специфические разделы физики, предназначенные для исследования конгломератов частиц, входят в число основных законов природы. Это статистическая термодинамика и физическая кинетика. Не удивляйтесь, что мы присоединили их к законам, которые нужны для понимания свойств элементарных частиц. Для этого есть основания. И не только их важность. Оказывается, даже такое, казалось бы, очевидное понятие, как отдельная частица, строго говоря, требует пересмотра, когда мы пытаемся добраться до самой сути. И при этом знание законов, управляющих совокупностями частиц, необходимо. Наверное, у каждого интересующегося устройством Мира есть своя точка зрения на то, какой уровень понимания его удовлетворяет. Я не предполагаю, что все размышляют на эту довольно абстрактную тему, но и интересующихся много. Я принадлежу к их числу. Выше говорилось, что понимание явлений и свойств начинается со знания свойств элементарных частиц. Надеюсь, всем понятно, что использованный глагол «начинаться» здесь не означает, что развитие физики началось с субатомных частиц. Логика структуры современной физики показывает, что, придерживаясь описания от более простого к более сложному, от состоящего из меньшего числа частиц к более крупным объектам, надо начинать снизу и двигаться вверх по стрелкам. Свойства частиц в какой-то мере можно описать, используя обычный язык, например сказав, что электрон и протон – заряженные частицы и что их заряды одинаковы по величине и противоположны по знаку. Но словесного описания недостаточно. Необходимо знание численных характеристик. Не зная численного значения величины заряда электрона и протона, невозможно построить теорию простейшего атома – атома водорода. Мало того, надо знать значения масс электрона и протона. Построение теории атома – задача квантовой механики. В уравнение квантовой механики (его называют уравнением Шредингера) входит постоянная Планка – еще одно число. Можно построить и релятивистскую теорию движения электрона, но надо при этом воспользоваться уравнением Дирака, а в него, как во все релятивистские формулы, входит скорость света. Но мы еще не перечислили все индивидуальные черты (свойства) электрона. Как ни странно, электрон обладает собственным моментом количества движения – спином. Не за счет того, что он движется вокруг какого либо центра, как в атоме водорода, например, а всегда, в каком бы состоянии он ни находился. В таблице 2 приведены все перечисленные в тексте численные характеристики частиц, которые заполняют нижний уровень таблицы 1. Конечно, в таблицу 2 мы не поместили постоянную Планка и скорость света. Сделаем несколько замечаний к таблицам 2 и 3. В них приведены приближенные значения всех величин. Все они известны с гораздо большей точностью. Обратите внимание: нейтрон чуть тяжелее протона, что обеспечивает возможность распада нейтрона на протон, электрон и антинейтрино. Спин – квантовый вектор, он может ориентироваться в пространстве только двумя способами: либо вдоль оси, либо против. В свободном пространстве направление оси произвольно. Спин, равный 1/2, означает, что величины проекции собственного момента количества движения частицы равны ± (1/2h). Глядя на таблицу 2, закрадывается мысль: много непонятного. Например, почему нет среди характеристик частиц их радиуса? Оказывается, надо считать, что электрон – точка. Именно так! Хотя, по-видимому, это вносит в теорию много осложнений. Попытки ввести конечный радиус, которые делались разными способами, не увенчались успехом. Значит, точка. Но ведь она крутится! У нее есть собственный момент количества движения – спин. Как же так? А что точка имеет массу и заряд, меньше удивляет? Посчитать нуклоны точками не удается: протон и нейтрон занимают некое пространство – сферу радиусом порядка 10 м ^-15. Значит, протон в 100000 раз меньше атома. Однако на данном этапе нашего изложения не это самое важное. При построении теории атомов и молекул не слишком важно, каким путем выяснены численные характеристики элементарных частиц: получены они в результате экспериментов или как следствие более глубокой теории. Для того чтобы подниматься вверх по ступеням лестницы таблицы 1, достаточно знать об элементарных частицах то, что записано в таблице 2, добавив сведения о действующих между частицами силах. Силы, действующие между заряженными частицами, известны. Их описывает закон Кулона, хорошо знакомый по школьной физике. А какие силы действуют между нуклонами? Не зная их, нельзя даже пытаться строить теорию ядер атомов. Ясно, что не электрические силы удерживают протоны и нейтроны в ядре. Но в каждом научном поколении из века в век, к счастью, существуют ученые, ощущающие потребность углубиться, выяснить происхождение свойств всего, с чем приходится иметь дело в процессе создания научной картины Мира. Они готовы пренебречь понятием «элементарные», чтобы попытаться найти ответ на вопрос: почему у частиц, названных элементарными, именно такие свойства, а не какие-то другие? Хотя по совсем другому поводу, но прекрасно выразил эту эмоцию Борис Пастернак: Во всем мне хочется дойти И поэт понимает, что выполнить желаемое необычайно трудно. Есть один путь: Свершать открытья. Пример «свершения открытий» будет приведен. А пока отметим: описание частиц, которое должно служить исходным для понимания структуры и свойств атомов и молекул, может и должно содержать не только числа, но и более сложные математические понятия. Думаю, таблица 1, изображающая иерархию объектов, изучаемых физикой, не будет изменена. Возможно, к ней добавятся новые уровни. Об одном – кварковом – уже упоминалось, и мы к нему вернемся. Наука – одна из наиболее динамичных сфер человеческой деятельности. Физика в этом процессе долгое время лидировала. Сейчас, пожалуй, наиболее быстро развивается молекулярная биология. Но ведь по большому счету молекулярная биология – часть физики. В сферу научного исследования попадают объекты, ранее недоступные. Иногда они находятся в глубинах материи, иногда бесконечно удалены от Земли. А иногда они создаются: обычные вещества помещают в искусственно созданные условия или создают объекты, не существующие в природе, например печатные схемы, транзисторы, графен – моноатомную пленку углерода. Экспериментальная техника, теории и вычислительные возможности – все методы исследования совершенствуются с такой быстротой, что ощущение отставания нередко возникает в процессе работы над только что актуальной темой. Часть идей бесследно исчезают, оставаясь, возможно, интересными и важными только дотошным историкам науки. Лишь некоторые идеи навсегда остаются в поле зрения активно действующих ученых. У них завидная судьба: в дальнейшем они приобретают ореол классических. Но вот что удивительно: основные представления квантовой механики и теории относительности не потребовали изменений. Самые неожиданные открытия удается объяснить, не прибегая к пересмотру основ. Приведенная схема – структура современной физики – обладает важнейшим свойством, свидетельствующим о достигнутом уровне развития науки о природе. Назовем его условно научным консерватизмом. Физика беспрерывно развивается и изменяется. Научный консерватизм проявляется в поразительной устойчивости приведенной схемы. Либо новые открытия сдвигают береговую черту материка познаного, либо заполняют белые пятна, существовавшие на материке. Бывает, что к открытию приводит обнаружение белого пятна – возможности существования чего-то ранее неизвестного. На протяжении более полувека приведенная схема при этом не подвергалась сомнению. Не только в том смысле, что не подвергалась сомнению атомно-молекулярная структура материальных тел, но и не возникала необходимость пересмотра основ. Пока. Даже тогда, когда открытие произошло вне материка познанного. * * * Граница материка познанного не зафиксирована. Можно сказать совсем просто: новое открытие либо не отменяет старые, либо указывает, в чем допущена ошибка при открытии или описании установленного. В формулировке важно наречие уже, т.е. теперь, в настоящее время. По масштабам истории (но не истории физики!) недавно, в прошлом веке, произошла научная революция. Рождение квантовой механики и теории относительности – грандиозные завоевания бескровной научной революции. * * * Первый пример. Более сорока лет сверхпроводимость была дразнящей загадкой. Казалось, объяснить, почему электроны с понижением температуры начинают двигаться по металлу без сопротивления, удастся, только отказавшись от основ теоретических представлений о металлах. Предполагали даже, что нечто, чего мы пока не знаем, есть в самих электронах, что проявляется только тогда, когда металл переходит в сверхпроводящее состояние. Ныне сверхпроводимость принципиально объяснена. Это не потребовало отмены теории металлов и, тем более, открытия каких-то ранее неизвестных свойств электронов. Джон Бардин, Леон Купер и Джон Шриффер поняли, что обычные электроны, благодаря обычному электрон-фононному взаимодействию – тому самому, которое является причиной температурной зависимости сопротивления в нормальном состоянии металла, – при низких температурах могут образовать пбры. А пбры, как они показали, движутся, по металлу без сопротивления. Загадочное явление сверхпроводимости получило объяснение. Авторы в 1972 году заслуженно получили Нобелевскую премию, а Бардин (редчайший случай) – даже вторую (первую премию вместе с Уильямом Шокли и Уолтером Браттейном Бардин получил в 1956 году за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта). Консерватизм проявился в том, что объяснение загадочного явления не потребовало революционных преобразований в понимании структуры металлов. Второй пример, наверное, более убедителен. В прошлом многим ученым – их называли виталистами, или сторонниками витализма – казалось, что для объяснения феномена жизни на микроскопическом уровне необходимо обнаружить какие-то особые свой-ства атомов и молекул. Активность живых организмов для виталиста – результат действия специфической «жизненной силы». Такая точка зрения высказывалась до замечательных успехов молекулярной биологии. Однако для понимания механизма наследственности, скажем, не понадобилось пересматривать известные физические свойства атомов и молекул или дополнять их новыми. Все полученные впечатляющие результаты молекулярной биологии не потребовали обнаружения у молекул и атомов, из которыхnсостоят белки, ДНК, РНК, т.е. у макромолекул, осуществляющих специфические свойства живых организмов, каких-то особых свойств, которые отсутствуют у других атомов и молекул. Конечно, это не означает, что можно произвольно менять в белках, ДНК, РНК одни атомы на другие, не влияя на протекание жизненных процессов. Живой организм предельно чувствителен к составу входящих в него молекулярных структур. Но объяснение любого свойства, характерного для живого организма, насколько я знаю, всегда осуществляется пониманием того, как перемещаются из одной структуры в другую атомы или куски молекул. Происходит это строго по тем же законам физики, что и реакции в неживой природе. А вот и третий пример, относящийся к самому нижнему уровню. Долгое время существовала загадка ; -распада –излучения радиоактивным ядром электрона. Бета-распад –результат распада нейтрона на протон и электрон. В чем была загадка? В том, что при каждом акте распада с несомненностью нарушался закон сохранения энергии. Вопиющее нарушение одного из наиболее фундаментальных законов природы, к тому же в элементарном процессе, ставило в тупик. Нильс Бор даже высказал крамольную идею, что закон сохранения энергии имеет статистическую природу, выполняется только в среднем, а в каждом отдельном акте может нарушаться. Положение изменилось, когда Вольфганг Паули (в 1930 году неофициально, а в 1933 официально на Сольвеевском конгрессе) высказал утверждение, что вместе с электроном из ядра вылетает нейтральная частица, получившая в дальнейшем название нейтрино, уносящая часть энергии – ту, которой не хватало для выполнения закона сохранения. Нейтрино очень сложно обнаружить непосредственно, но в конце концов это удалось. * * * «Ночью, когда в небе нет облаков, не видна Луна и не мешают фонари, небо заполнено ярко сияющими звездами. Не обязательно искать знакомые созвездия или стараться найти близкие к Земле планеты. Просто смотрите! Постарайтесь представить себе огромное пространство, заполненное мирами и простирающееся на миллиарды миллиардов световых лет. Только из-за расстояния миры кажутся точками, а многие из них так далеки, что не различимы в отдельности и сливаются в туманности. Кажется, мы – в центре мироздания. Теперь мы знаем, что это не так. Отказ от геоцентризма – заслуга науки. Потребовалось много усилий, чтобы было осознано: малютка Земля движется в случайном, казалось бы ничем не выделенном, участке необозримого (буквально!) пространства. Но на Земле зародилась жизнь. Она развилась столь успешно, что сумела произвести человека, способного постигать окружающий его мир, искать и находить законы, управляющие природой. Достижения человечества в познании законов природы столь впечатляющи, что невольно испытываешь гордость от принадлежности к этой щепотке разума, затерянного на периферии заурядной Галактики. Учитывая разнообразие всего, что нас окружает, поражает воображение существование общих законов. К восторгу и благоговению (оправданным, по-моему) добавим несколько чисел. Они смогут помочь представить себе материк познанного и даже оценить океан непознанного. Современные телескопы помогают ученым улавливать электромагнитные волны, дошедшие до Земли от источников, расположенных на расстояниях более десяти миллиардов световых лет. Расшифровывая их, умеют получать достоверную информацию, позволяющую сделать вывод, что представляет из себя источник. Ограничение есть и в получении информации из глубин материи. Если исходить из таблицы 1, то физике доступна информация об источниках, размер которых приблизительно равен или больше 10^;15 метра. Таков приблизительно радиус нуклона. Нуклоны признаны элементарными частицами. Теперь представим себе шаровой слой, внешний радиус которого порядка 10^27 метров, окружающий сферический слой, малый радиус которого в 10^42 раз меньше радиуса внешней границы слоя. Если вспомнить сказанное обо всем, что расположено на схеме между верхним и нижнем уровнями, то придем к выводу, что шаровой слой – это схематическое изображение материка познанного. Мы подчеркивали, что на материке познанного есть множество белых пятен, т.е. множество фактов, явлений, свойств до сих пор не получили объяснения. В чем же разница между белым пятном и «пространством» вне материка познанного? Главное отличие в том, что, имея дело с объектом или явлением, заведомо принадлежащим материку познанного, мы уверены: все происходящее в неживой природе со всеми состоящими из электронов и нуклонов объектами может быть уже понято на основе известных законов. Точнее надо сказать так: до настоящего времени на материке познанного не обнаружено ничего, что противоречит уже установленным законам. А ведь ныне обнаруженных и понятых фактов неописуемо много. Многие факты – явления, свойства –раньше были предсказаны, а потом обнаружены, что особенно важно для уверенности в истинности понимания открытых законов. Конечно, почти каждый новый результат потребовал усилий и удачи. Есть настолько удивительные явления, что для понимания их природы и построения их теории понадобились глубокие идеи и нетривиальные расчеты, но все они основывались на известных законах и являются их следствием. Так было, напомню, не всегда, но со второй половины ХХ века это так. Многие, а возможно почти все, активно и плодотворно работающие ученые-естественники, исходя из подобных рассуждений, а некоторые, не задумываясь иследуя традиции, абсолютно уверены, что имеют вполне надежную основу как для получаемых результатов исследований, так и для выводов из них. Эта уверенность не противоречит тому, что все, находящееся на материке познанного, не исчерпывает информацию, которой владеют физики. Будем считать, что для физиков это сигналы из океана непознанного. О чем идет речь? Здесь укажу только на обнаруженные частицы – мюоны и особые мюонные нейтрино. Мюоны похожи на электроны, но тяжелее их приблизительно в 200 раз. Какова их роль в Мире, пока не вполне ясно. Восхищение непредставимыми размерами материка познанного несколько тускнеет, а бывает и исчезает, когда задумываешься, сколь неоднородно исследован материк познанного. Еще более грустные и тревожные мысли приходят в голову, когда вспоминаешь, как поразному использует человечество приобретенные им знания. Речь пойдет о двух недостаточно хорошо освоенных областях на материке познанного. Обе они находятся на том уровне, который предоставлен макроскопическим телам, конкретно – о метеорологии и геофизике. Обе они изучают Землю – место нашего обитания. О заселении других планет идут только разговоры. Судьба человечества пока неразрывно связана с Землей. Великие географические открытия – далекое прошлое. Шли годы. Корабли избороздили все океаны и моря, открыты и исследованы не только все материки, но и любые клочки суши, которые трудно разглядеть на самых подробных картах, люди побывали на обоих полюсах Земли, заселили научными станциями покрытый вечным ледяным покровом самый неприветливый материк Антарктиду, покорили вершину мира Эверест, сделав его доступным альпинистам. Наверное, еще есть места, куда нога человека не ступала, но причина этого не в невозможности туда попасть, а в отсутствии желания, в понимании, что экспедиция туда ценного знания скорее всего не принесет. Не только в эпоху великих географических открытий, а и в близкие к нам времена усилия, которые тратили люди, достойны памяти. История сохранила навеки имена многих. Хочется вспомнить, например, английских исследователей Африки Давида Ливингстона (1813–1873) и Генри Мортона Стэнли (1841–1904). Ливингстон был первым европейцем, увидевшим водопад Викторию, а Стэнли разобрался с тем, где начинаются великие реки Нил и Конго. Почему я вспомнил именно о них? Потому что они полностью посвятили свои жизни ликвидации белых пятен на мало изученном материке. Описанием их путешествий я зачитывался в юности. И не только: будучи взрослым, с интересом читал их собственные сочинения. Понимаю, вы прекрасно знаете, что Земля подробно исследована. Но будем точны: речь идет не о Земле, а о поверхности Земли, о географии, а не о геофизике и метеорологии. Геофизика изучает процессы, которые происходят в толще Земли, а метеорология – в ее атмосфере. Об атмосфере известно много, а о внутренности Земли – меньше, и знания более схематичны. Освоенность материка познанного определяется не только накопленным на нем знании, но и тем, как этоnзнание используется. Развитие техники невозможно без научных достижений, а эволюция образа жизни в большой степени определяется техническими возможностями. Особенно ощущается это в последние годы, когда заметные изменения происходят за время, которое зачастую много меньше времени жизни одного поколения, и нетрудно проследить, как и какое научное открытие привело к тому или иному техническому результату, заметно изменив нашу жизнь. Есть разные точки зрения относительно того, полезно или вредно ускорение прогресса. Не берусь высказывать свое мнение, оно у меня не выработалось. Но есть две сферы человеческой деятельности, неразрывно связанные с наукой, о которых я смогу высказать свое вполне определившееся мнение, сравнивая их. Думаю, все хорошо знают, каких усилий и, прежде всего, концентрации научного интеллекта потребовалось для создания невиданного ранее атомного, или, более точно, ядерного оружия. Ученых, которые создали атомную и водородную бомбы для Соединенных Штатов и их союзников, я знаю по их научным трудам. В последние годы я неоднократно наблюдал ужасные последствия цунами, землетрясений, ураганов, торнадо. Неужели знаний всего научного сообщества не хватает, чтобы ну пусть не ликвидировать стихийные бедствия, а хотя бы вовремя и надежно предупреждать о них, дабы была возможность принять адекватные меры? Особенно горько мне было, когда я видел гоняющихся за торнадо молодых людей с кинокамерами на автомашинах или мотоциклах, как мне кажется, рискующими своей жизнью не столько в попытках получить необходимое знание о разрушительных явлениях, сколько в поисках сильных ощущений. Вспоминал я о бездне работ по гидро- и газодинамике, по кинетике газов и по неравновесной термодинамике, о теориях зарождения вихрей, т.е. торнадо и ураганов. С геофизикой, похоже, сложнее. В общих чертах строение Земли известно. Но достаточно ли накоплено знаний, чтобы осуждать ученых, которые не создали надежных, своевременных методов оповещения об опасности? Мне кажется, нет, недостаточно. Если так, то почему бы не сосредоточить усилия геофизиков мира с целью – понять, как и где происходит накопление энергии сдвигов тектонических плит? Именно она освобождается с такими катастрофическими последствиями при землетрясении. Процессы в недрах Земли происходят медленно. Только в момент непосредственной близости к неустойчивости процессы идут так стремительно, что подготавливаться к последствиям поздно. Приближение к неустойчивости, думаю, как-то себя обнаруживает. Неужели оно не может быть зафиксировано и использовано для своевременного предупреждения? Сказанное почти дословно можно переадресовать и вулканологии. Рекомендуемые книги © Copyright: Сибирская Хиджра, 2020.
Другие статьи в литературном дневнике:
|
