Схема гравитационного линзирования

Космические струны могут флуктуировать и колебаться, пересекаться и взаимодействовать между собой. Наблюдать их можно либо благодаря производимому ими эффекту гравитационных линз, отклоняющих световые лучи, идущие от далеких галактик, либо по всплескам гравитационного излучения в результате их продольных колебаний. По некоторым сценариям, гравитационное излучение космических струн можно будет открыть на новых сверхчувствительных детекторах гравитационных волн.

 

ЧУДЕСА М‑ТЕОРИИ

 

За свое полувековое существование суперструнная теория испытала много взлетов и падений. Неукротимое желание узнать, как устроена Природа на самых нижних этажах Мироздания, привело к тому, что в начале нашего века от нее отделилось новое направление, которое вскоре уже стало основным, – теория многомерных квантовых мембран (М‑теория). Сейчас среди «наимоднейших» умозрительных построений М‑теория занимает видное место, исследуя, по сути, те же струны, но в «плоской» модификации. Один из авторов «мембранного подхода», профессор Хуан Малдасена, как‑то заметил, что мембраны отличаются от струн примерно так же, как лепешки от макарон.

Таким образом, рассматривая разные версии струнной теории, можно прийти к выводу, что в основе всего этого лежит единая теория многомерных квантовых мембран. Это единство очень привлекательно, и работа над построением полной квантовой М‑теории интенсивно продолжается. Все же, несмотря на оптимистичные прогнозы, звучащие на «суперструнных» конференциях, всесторонняя разработка многомерных квантовых мембран еще очень далека от завершения. Самое любопытное в концепции суперсимметричных струн и мембран – это даже не проверка их реальности (об этом пока и речи не идет), а конструирование мысленных экспериментов, в которых эти удивительнейшие «суперквантовые» объекты хоть как‑то могли бы себя проявить.

В настоящей науке категорически запрещается строить проверку гипотез с помощью еще одних гипотез. К сожалению, теория квантовых стрингов здесь выглядит явным и очень неприятным исключением. Действительно, что прикажете делать молодым, рвущимся в бой физикам, если в окружающей реальности ни стринги, ни мембраны, не говоря уже о шрёдингеровских полуживых квантовых котах, ну никак себя не проявляют! И здесь в очередной раз палочкой‑выручалочкой выступают одни из самых загадочных небесных тел нашей Метагалактики – черные дыры застывших звезд‑коллапсаров (рис. 20 цв. вкл.).

Эти очень странные объекты буквально не сходят со страниц газет и журналов. Однако надо сразу же указать на одну большую нелепость, кочующую уже очень давно по средствам массовой информации. Черные дыры, как и кварки, не говоря уже о квантовых стрингах, – это гипотетические объекты. Таким образом, термин «коллапсар» без приставки «кандидат в» пока еще является грубым допущением или ошибкой, в зависимости от личного отношения к малопроверенным фактам. Разумеется, весь научный мир с восторгом воспримет достоверное сообщение о прямом наблюдении этих удивительнейших объектов и наверняка окажет авторам их реального открытия разные почести… но только после того, как….

Итак, не найдя ничего лучшего, обратимся к гипотетическим и очень парадоксальным замерзшим звездам. Коллапсары действительно могли бы стать вполне подходящими космическими лабораториями по изучению струнных (и не только!) теорий, поскольку эффекты квантовой гравитации важны даже для достаточно больших черных дыр. Вообще говоря, сколлапсировавшие объекты теоретически должны быть вполне наблюдаемы в межзвездной среде, испуская тепловое излучение со своей мнимой поверхности, называемой горизонтом. Так как струнная теория, помимо всего прочего, еще и тесно связана с теорией квантовой гравитации, она по идее должна хорошо описывать состояние черных дыр. Итак, дело за малым – надо найти (открыть!) подходящую черную дыру, послать к ней флотилию космических исследовательских зондов и зафиксировать проявление квантовых струн и мембран. Просто и ясно!

Стринги и браны

Образ вибрирующей струны или мембраны как основы всех элементарных частиц довольно ясен, несмотря на сложный математический аппарат. Разумеется, необходимо всегда помнить о глубокой условности всех образов суперструнных моделей М‑теории.

 

ЗАГАДКА СИНГУЛЯРНОСТИ

 

С помощью суперструн надеются найти ответы на мучающие их вопросы и космологи. Долгое время в популярных статьях, книгах и учебниках, рассказывающих о разных сценариях рождения нашего мира, подчеркивалось, что Вселенная возникла из космологический сингулярности – состояния с бесконечными физическими параметрами, а следовательно, не имеющего физического смысла. Спрашивать о том, что такое сингулярность Большого взрыва и что было до нее, считалось совершенно неприличным, даже чем‑то говорящим о малообразованности спрашивающего… Когда я школьником прочитал нечто подобное, то, помнится, был весьма озадачен, поскольку тут же буквально на каждой странице утверждалось, что для науки нет нерешаемых вопросов…. И вот для пытливых и любознательных настали счастливые времена, когда мы наконец можем заглянуть за «железный занавес» сингулярности Большого взрыва.

Временная шкала, непосредственно примыкающая к некой условной точке «0» начала отсчета времени существования нашей реальности, полна загадочных событий. Стремящиеся в бесконечность плотности материи и энергии пока еще не могут быть описаны современной физикой. Тем поразительнее, что теория суперструн берет на себя немыслимую смелость моделировать не только сам момент Большого взрыва, но и предшествующее развитие событий. Существуют даже две модели, описывающие досингулярное состояние нашего мира. Одна из них основывается на известной симметрии обращения времени, в силу которой физические уравнения работают одинаково хорошо независимо от направления времени. По такому космологическому сценарию Вселенная в определенный промежуток времени до Большого взрыва расширялась с такой же скоростью, как и через подобный же интервал после него. Однако изменение скорости расширения в эти моменты происходило в противоположных направлениях: если после Большого взрыва расширение замедлялось, то перед ним оно ускорялось. Так Большой взрыв предстает не моментом возникновения Мироздания, а просто внезапным переходом от ускорения к замедлению.

В ином варианте точка космологической сингулярности Большого взрыва предстает подобием центра симметрии, относительно которого Вселенная перед Большим взрывом была почти идеальным зеркальным изображением самой себя после него. Если правы космологи, считающие, что расширение пространства‑времени будет продолжаться неопределенно долго, до тех пор, пока вся материя не превратится в разряженный атомарный газ, то Вселенная так же бескрайне простирается и в прошлое. Бесконечно давно она была почти пуста: ее заполнял лишь невероятно разреженный газ, содержащий в себе излучения и пылевидное вещество. Силы взаимодействия между частицами этого газа практически не существовали, однако с течением времени силы возрастали и стягивали материю воедино. Случайные неоднородности первичного вещества вызывали эффект гравитационного «снежного кома», приводя к скапливанию протовещества, с последующим ростом плотности до критического значения начала гравитационного коллапса. Так начали образовываться первичные черные дыры.

Внутри черной дыры пространство и время меняются ролями: ее центр – не точка пространства, а момент времени. Падающая в черную дыру материя, приближаясь к центру, становится все более плотной. Но, достигнув максимальных значений, допускаемых теорией струн, плотность, температура и кривизна пространства‑времени внезапно начинают уменьшаться. В момент такого поворота и возникает сингулярность космического катаклизма Большого взрыва. Получается, что если следовать такому суперструнному космологическому сценарию, то наш мир – это бывшая внутренность одной из страшных черных дыр.

Неудивительно, что столь необычный сценарий вызвал множество споров. Так, некоторые физики вполне обоснованно замечают, что для того, чтобы такая модель согласовывалась с наблюдениями, Вселенная должна была возникнуть из черной дыры гигантских размеров, значительно больших, чем масштаб длины в теории квантовых мембран. Но их оппоненты возражают, что поскольку уравнения М‑теории не накладывают никаких ограничений на размер черных дыр, то формирование Вселенной внутри достаточно большого коллапсара является случайным событием. Если же считать, что характер поведения материи и самого пространства‑времени вблизи сингулярности Большого взрыва был хаотическим, то в таком хаосе вполне мог возникнуть достаточно плотный газ «мембранных протомикроколлапсаров» в виде сверхмикроскопических массивных мембран, находящихся на грани превращения в черные дыры. Возможно, в этом содержится ключ к решению проблем загадочной сингулярности и не менее таинственного первичного расширения пространства‑времени в стандартной космологии Большого взрыва.

Другой популярный в научных кругах физиков‑теоретиков космологический суперструнный сценарий носит название экпиротического (от греч. ekpyrotic – пришедший из огня). В нем предлагается модель досингулярной Вселенной как одной из мембран, дрейфующих в многомерном пространстве. При столкновении таких мембран происходит множество прообразов нашего Большого взрыва, рождающих новые миры. Экпиротический сценарий имеет и циклический вариант, когда мембраны, сталкиваясь, отскакивают друг от друга и расходятся, затем снова притягиваются и соударяются, снова расходятся, – и так практически до бесконечности. Расходясь после удара, они немного растягиваются, а при очередном сближении снова сжимаются. Когда направление движения мембраны сменяется на противоположное, она расширяется с ускорением, поэтому наблюдаемое сейчас ускоренное расширение Вселенной может свидетельствовать о грядущем грандиозном катаклизме мембранного столкновения.

Сейчас уже можно сказать, что одной из главных проблем космологической теории квантовых суперструн является то, что она не может предсказать, какая именно Вселенная реализуется в реальности после тех же множественных столкновений мембран. Некоторые физики‑теоретики настойчиво обращают внимание на то, что теория космических суперструн настолько неопределенна, что из ее различных вариантов можно получить любое конечное состояние нашего мира. Космологи комментируют этот парадокс с помощью своеобразного «научного заклинания»: «ландшафт суперсимметричных мембран качественно мультивариантен». Вообще говоря, это очень простая в переводе на «человеческий» язык фраза: любая теоретическая придумка найдет себе место в теории стрингов. А в «высокоинтеллектуальном» смысле это означает, что теория имеет критический уровень научной спекулятивности и ее вообще нельзя опровергнуть: любой результат любого эксперимента можно объяснить какой‑нибудь модификацией суперструнной модели.

Однако было бы совершенно необоснованным считать, что физики‑теоретики наслаждаются подобной ситуацией, с легкостью поглощая и тут же трансформируя в свою пользу любые контраргументы. Скорее наоборот, большинство из них с нетерпением ждут, что при внимательном изучении вопроса все же вскроется какой‑то механизм сворачивания многомерных бран в наше привычное трехмерное пространство (теоретики любят называть его четырехмерным многообразием Минковского, имея в виду и временное измерение). Разумеется, поиск такого механизма представляет собой чрезвычайно сложную научную проблему, поэтому большинство исследователей надеются хотя бы отчасти «надрубить» данный «суперсимметричный» гордиев узел М‑проблематики новыми экспериментальными фактами, с нетерпением ожидая сенсационных новостей с Большого адронного коллайдера.

За гранью Большого взрыва

Притягиваясь, мембраны сжимаются в направлении, перпендикулярном движению. Их соударение порождает начало Большого взрыва, преобразуя кинетическую энергию в материю и излучение. После удара мембраны расходятся и начинают расширяться, а материя проходит все стадии формирования от элементарных частиц до скопления галактик. В циклической модели силы притяжения замедляют движение расходящихся мембран, затем мембраны останавливаются и снова начинают сближаться, порождая новый Большой взрыв, – и так до бесконечности…===

 

ОТ ЧАСТИЦ К СТРУНАМ

 

Разумеется, никто не может лучше рассказать о теории суперструн, чем один из ее создателей, директор Института теоретической физики при Университете штата Калифорния в Санта‑Барбаре Дэвид Джонатан Гросс. В своей статье «От частиц к струнам» он довольно убедительно аргументирует, что теория струн представляет собой теорию нового типа, олицетворяющую разрыв физики со своей прошлой историей. Гросс пишет:

«Традиционно мы добивались прогресса в фундаментальной физике за счет зондирования материи на все меньших расстояниях и обнаружения там все более фундаментальных ее составляющих. За века мы узнали, что материя состоит из атомов, а атомы из плотных ядер, окруженных электронами, которые даже сегодня представляются нам неделимыми точечными частицами. Однако само ядро имеет структуру. Заглянув внутрь атомного ядра, мы выяснили, что оно состоит из нуклонов – протонов и нейтронов. В прошлом столетии мы прозондировали протон и нейтрон и открыли, что они состоят из кварков – казалось бы, по‑настоящему точечных частиц. Стандартная модель как раз и основана на кварках и лептонах в качестве точечных элементарных частиц. Казалось бы, следующая стадия объединения будет связана с выявлением еще более мелких точечных частиц, неких субкварков и сублептонов. Однако на этот счет теория струн однозначно отвечает „нет“. Если бы у вас был некий идеальный микроскоп с разрешением на уровне длины Планка, то вместо точечных частиц вы бы увидели в него протяженные струны. Согласно теории струн, базовыми составляющими материи являются не точечные частицы, а протяженные одномерные струны. Это важный разрыв с исторической традицией, складывавшейся в течение двух тысячелетий.

Итак, теория струн видоизменяет подход к теории строения материи, заменяя фундаментальные частицы в роли первичных составляющих материи различными модами колебаний единственной протяженной струны. Однако во всем остальном теория струн не вносит радикальных изменений в начала физики. И это мудро. Принципиально изменить фундаментальный каркас физической науки очень непросто. Такие изменения – крайне редкое явление в истории физики. Со времен Ньютона до эпохи Эйнштейна и Гейзенберга радикальных изменений в физике было крайне мало. Большинство попыток изменить концепции и модифицировать фундаментальные законы физики противоречат либо экспериментальным данным, либо здравой логике. Любое видоизменение фундаментальных физических законов требует предельной осторожности. Следует видоизменять как можно меньшее число принципов. И теория струн пока что изменила концептуальную модель фундаментальной физики лишь в том смысле, что вместо точечных частиц в качестве первоэлементов мы теперь имеем струны».

В этом вопросе Гроссу возражает не менее видный физик‑теоретик Ли Смолин, который в своей сенсационной книге «Неприятности с физикой: Взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует» предостерегает от необоснованных ожиданий от теории струн в будущем. Профессор Смолин категоричен во мнении, что с помощью суперструн окончательно объединить все силы природы не удастся. И сейчас физикам требуется выработать новые концепции пространства и времени для решения застарелых парадоксов квантовой гравитации и космологии. Научные амбиции таких ученых, как Гросс и Брайан Грин, прославившийся своими бестселлерами «Элегантная вселенная (суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории)» и «Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности», вызывают у Смолина глубокие сомнения. Он считает, что молодые физики потеряют слишком много времени на блуждание в дебрях суперструнных теорий, беспочвенно пытаясь революционизировать наши представления о пространстве и времени. Между тем теория струн продолжает все дальше отдаляться от реальной физики окружающего мира, и единственная ее ценность состоит в создании новых математических структур, методов и идей, о которых математики раньше просто не задумывались. Именно поэтому математики и разработчики суперструнных теорий проводят так много совместных исследований в таких сугубо абстрактных разделах математики, как алгебраическая геометрия.

В свою очередь, Д. Гросс оппонирует Л. Смолину, что теория струн, кроме всего прочего, мотивировала новые умозрительные идеи, стимулирующие новые эксперименты. Он аргументирует это следующим образом:

«Одна из самых захватывающих связана со сверхбольшими пространственными измерениями. Первоначально считалось, что дополнительные пространственные измерения теории струн закольцованы в малые разнообразия с размерами не более планковских. Но в последние годы пришло осознание, что некоторые из этих дополнительных измерений могут, напротив, быть очень масштабными и даже бесконечными, а не воспринимаем мы их лишь по той простой причине, что сами прикованы к трехмерной броне – гиперповерхности в мире с большим числом измерений.

Такая возможность весьма естественным образом следует из теории струн. Вполне возможно, что мы привязаны к броне, в то время как есть и другие измерения, возможно даже бесконечные. Единственный для нас способ увидеть или почувствовать другие пространственные измерения – через гравитационные флуктуации „экстрапространства“. Примечательно, что подобные умопостроения не противоречат современным экспериментам. Многие не исключают возможности того, что новые эксперименты, скажем на LHC [ LHC – Большой андронный коллайдер. ], могут привести к открытию этих макроскопических дополнительных измерений. Существование сверхкрупных дополнительных измерений привело бы к очень интересным эффектам. По некоторым сценариям, шкала Планка и шкала теории струн находятся при значительно более низких энергиях, и тогда можно представить себе, например, образование черной дыры в результате столкновения протонов и наблюдение возбужденных мод струн в обычных частицах».

Смолин отвечает Грину и Гроссу следующим образом:

«Часть причин, по которым теория струн не делает новых предсказаний, заключается в том, что она предстает перед нами в бесконечном количестве версий. Даже если мы ограничимся теориями, которые согласуются с некоторыми базовыми наблюдаемыми фактами о нашей вселенной, такими, как ее огромный размер и существование темной энергии, мы останемся примерно с 10 500 различными струнными теориями, – что означает единицу с 500 нулями после нее, больше, чем количество всех атомов в известной вселенной. С таким чудовищным числом теорий почти нет надежды, что мы сможем идентифицировать результат эксперимента, который не был бы выполнен в рамках одной из них. Таким образом, что бы ни показывал эксперимент, теория струн не может быть опровергнута. Но обратное тоже имеет место: не будет сделано когда‑либо никаких экспериментов, которые смогли бы проверить ее правильность.

В то же время мы очень мало понимаем в большинстве из этих теорий струн. И лишь малое число мы понимаем во всех деталях, каждая такая отдельная теория расходится с сегодняшними экспериментальными данными обычно по меньшей мере в двух отношениях.

Так что мы стоим перед парадоксом. Те теории струн, которые мы знаем, как изучать, известны как ошибочные. Те же, которые мы не можем изучить, мыслятся существующими в таких гигантских количествах, что ни один мыслимый эксперимент никогда не сможет их все опровергнуть.

Это не единственная проблема. Теория струн покоится на нескольких ключевых предположениях, для которых имеются некоторые основания, но нет доказательств. Даже хуже, после всех научных усилий, потраченных на ее изучение, мы все еще не знаем, имеется ли полная и последовательная теория, которая как раз и могла бы отзываться на имя „теория струн“. Фактически то, что мы имеем, совсем не является теорией, а лишь большой коллекцией приблизительных расчетов вместе с сетью догадок, которые, если они верны, указывают на существование теории. Мы не знаем, каковы ее фундаментальные принципы. Мы не знаем, на каком математическом языке она должна быть выражена – возможно, в будущем должен быть изобретен новый язык, чтобы описать ее. В отсутствие обоих фундаментальных принципов (подтверждаемость, фальсифицируемость) и математической формулировки мы не можем сказать, что мы даже знаем, что провозглашает теория струн».

Прислушиваясь к дискуссии этих видных физиков‑теоретиков современности, нам, конечно же, хочется верить, что теория струн, так или иначе, откроет нам новые стороны окружающей объективной реальности, заполнив Вселенную космическими струнами межгалактических или даже вселенских размеров. Хотя, с другой стороны, понятно, что обычно струны крайне малы – их длина сопоставима с планковской. Для того чтобы растянуть их до макроскопических размеров, требуется поистине космическая энергия. И опять же, если считать, что наш мир возник в результате раздувания крошечной области пространства размерами порядка длины Планка, то изначальные «зародыши» суперструн вполне могли «взрослеть» вместе со всей остальной Вселенной, раздуваясь и растягиваясь.

Д. Гросс теоретизирует на эту тему следующим образом:

«Расширение Вселенной обеспечивало и необходимую энергию для растяжения струн, и теперь они могут иметь протяженность через всю Вселенную. Такие струны будут флуктуировать и колебаться, пересекаться и взаимодействовать между собой. Наблюдать их можно либо благодаря производимому ими эффекту гравитационных линз, отклоняющих световые лучи, идущие от далеких галактик, либо по всплескам гравитационного излучения в результате их продольных колебаний».

Справедливости ради предоставим все же заключительное слово в этой бурной полемике, идущей уже не одно десятилетие, своеобразному «адвокату дьявола», роль которого так хорошо подходит д‑ру Л. Смолину:

«Теория струн в тех пределах, в которых она понята, постулирует, что мир фундаментально отличается от мира, который мы знаем. Если теория струн верна, мир имеет больше измерений и намного больше частиц и сил, чем мы до сих пор наблюдали. Многие струнные теоретики говорят и пишут так, как если бы существование этих дополнительных измерений и частиц было установленным фактом, в чем не может не сомневаться хороший ученый. Неоднократно струнные теоретики говорили мне нечто вроде „Но ты имеешь в виду, что ты полагаешь возможным, что нет никаких дополнительных измерений?“. Фактически ни теория, ни эксперимент не предлагают совсем никаких доказательств существования дополнительных измерений. Одна из целей этой книги заключается в демистификации утверждений теории струн. Идеи прекрасны и хорошо мотивированы. Но чтобы понять, почему они не привели к большему прогрессу, мы должны точно выяснить, что поддержано доказательствами, а что все еще нет.

Поскольку теория струн является таким высокорисковым предприятием, – не поддержанным экспериментом, хотя очень щедро поддержанным академическими и научными сообществами, – имеются только два пути окончания этой истории. Если теория струн окажется верной, струнные теоретики окажутся величайшими героями в истории науки. На основе горсти рассуждений, – ни одно из которых не имеет недвусмысленного прочтения, – они смогли открыть, что реальность намного более безбрежна, чем это раньше воображалось. Колумб открыл новый континент, неизвестный королю и королеве Испании (равно как испанские монархи были неизвестны жителям Нового Света). Галилей открыл новые звезды и луны, а затем астрономы открыли новые планеты. Все это побледнеет перед открытием новых измерений. Более того, многие струнные теоретики верят, что мириады миров, описываемых гигантским числом струнных теорий, реально существуют – как другие вселенные, которые нам невозможно увидеть непосредственно. Если они правы, мы видим намного меньшую часть реальности, чем часть земли, которую когда‑либо видела любая группа обитателей пещеры. Никто в человеческой истории не мог когда‑либо точно догадаться о таком огромном расширении известного мира».

 

 

ГЛАВА ВОСЬМАЯ

В ГЛУБИНАХ МАТЕРИИ

 

В математике правильность интуитивной догадки проверяется логически; в физике же, изучающей мир вещей, верховный судья – эксперимент. Не обязательно каждый раз обращаться к нему для проверки теории, чаще всего теория опровергается или подтверждается при тщательном анализе сделанных ранее экспериментов или вытекающих из них соотношений. Теоретические построения в физике требуют постоянного согласования с тем, что мы уже знаем об окружающем мире. Физическая теория – не логическое следствие из принятых аксиом, а здание, построенное на правдоподобных предположениях, которые предстоит проверить. Казалось бы, здание строится на шатких основаниях, но слабые звенья постоянно заменяются более крепкими, и здание делается все прочнее.

А. Б. Мигдал, «Поиски истины»

 

ТАЙНЫ КАТОДНЫХ ЛУЧЕЙ

 

На протяжении всей второй половины позапрошлого века физики активно изучали феномен катодных лучей. Простейший аппарат, в котором они наблюдались, представлял собой герметичную стеклянную трубку, заполненную разреженным газом, в которую с двух сторон было впаяно по электроду: с одной стороны катод, подключавшийся к отрицательному полюсу электрической батареи; с другой – анод, подключавшийся к положительному полюсу. При подаче на электроды высокого напряжения разреженный газ в трубке начинал светиться. Это свечение ученые и приписали катодным лучам.

Дискуссия о природе катодных лучей сразу же приняла острый полемический характер. Большинство видных ученых придерживались мнения, что катодные лучи представляют собой, подобно свету, волновые возмущения невидимого эфира. Другие же придерживались мнения, что катодные лучи состоят из ионизированных молекул или атомов самого газа.

У каждой стороны имелись веские доказательства в пользу своей гипотезы. Наконец в 1897 году молодой английский физик Дж. Дж. Томсон положил конец этим спорам раз и навсегда, а заодно прославился в веках как первооткрыватель первой элементарной частицы – электрона.

Используя трубку новой конструкции, Томсон выяснил, что соотношение между электрическим и магнитным полями, при котором их действие уравновешивается, зависит от скорости, с которой движутся частицы. Проведя ряд измерений, Томсон смог определить скорость движения катодных лучей. Оказалось, что они движутся значительно медленнее скорости света, из чего следовало, что катодные лучи могут быть только частицами. Эти неизвестные частицы Томсон назвал «корпускулами», но вскоре они стали называться «электронами».

Сразу же стало ясно, что электроны обязаны существовать в составе атомов – иначе откуда бы они взялись? 30 апреля 1897 года – дата доклада Томсоном полученных им результатов на заседании Лондонского королевского общества – считается днем рождения электрона. И в этот день отошло в прошлое представление о «неделимости» атомов.

В повседневной жизни имеется два способа переноса энергии в пространстве – посредством частиц или волн. Чтобы, скажем, скинуть со стола костяшку домино, балансирующую на его краю, можно придать ей необходимую энергию двумя способами. Во‑первых, можно бросить в нее другую костяшку домино (то есть передать точечный импульс с помощью частицы). Во‑вторых, можно построить в ряд стоящие костяшки домино, по цепочке ведущие к той, что стоит на краю стола, и уронить первую на вторую: в этом случае импульс передастся по цепочке – вторая костяшка завалит третью, третья четвертую и так далее. Это – волновой принцип передачи энергии.

В обыденной жизни между двумя механизмами передачи энергии видимых противоречий не наблюдается. Так, в бильярде шары передают друг другу энергию при столкновении, как частицы, а произнесенное слово несет энергию звуковой волны.

Однако в квантовой механике все обстоит отнюдь не так просто. Даже из простейших опытов с квантовыми объектами очень скоро становится понятно, что в микромире привычные нам принципы и законы макромира не действуют. Свет, который мы привыкли считать волной, порой ведет себя так, будто состоит из потока частиц – фотонов, а элементарные частицы, такие, как электрон или даже массивный протон, нередко проявляют свойства волны.

Возьмем экран с двумя тонкими горизонтальными прорезями и направим на него луч света. Естественно предположить, что частицы света будут проходить через оба отверстия прямо и за экраном возникнут две четкие световые полосы. Однако на практике мы наблюдаем совершенно иной эффект. Каждая из прорезей играет роль независимого источника вторичных световых волн, как поплавок на воде, и за экраном образуется сложная картина из перемежающихся полос света. Причем часть из них будет располагаться в «мертвой зоне» вне прямой линии попадания света. Это полностью соответствует модели звуковых волн, исходящих из двух стереодинамиков и дающих пик громкости стереоэффекта на линии равного удаления между ними.

Итак, совершенно очевидно, что микрочастицы ведут себя принципиально иначе, чем окружающие нас объекты. Почему это происходит? Это очень важный и сложный вопрос, над которым околонаучные философы бьются уже целое столетие. На самом же деле корпускулярно‑волновой дуализм означает, что в любом материальном теле содержится «зародыш» его волновой природы. И чем меньше становится материальный объект, тем больше его вторая «волновая сущность». И электроны, и фотоны представляют собой не волны и не частицы, а нечто совершенно особенное по своей внутренней природе – и потому не поддающееся описанию в терминах нашего повседневного опыта.

Морис Эшер. Все меньше и меньше

Выдающийся голландский график иллюстрирует решение парадокса, возникшего еще в античные времена: что будет, если обыкновенное яблоко делить пополам бесконечное количество раз?

 

Сверхсложная элементарность

Элементарные частицы, в точном значении этого термина, – это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку большинство из них, по современным представлениям, – составные системы. Общее свойство этих систем заключается в том, что они не являются атомами или ядрами. Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, сейчас представляют в виде струн, мембран и просто как мерцающие сгущения полей.

 

Электронно‑лучевая трубка Дж. Дж. Томсона

В своем опыте Томсон использовал усовершенствованную катодно‑лучевую трубку, конструкция которой была дополнена электрическими катушками, создававшими внутри трубки магнитное поле, и набором параллельных электрических конденсаторных пластин, создававших внутри трубки электрическое поле. Благодаря этому появилась возможность исследовать поведение катодных лучей под воздействием и магнитного, и электрического поля.