Концепции современного естествознания

талкивает виртуальные электроны – по знакомому нам всем по школьным урокам закону притяжения разноименных и отталкивания одноименных электромагнитных зарядов. В результате вакуум поляризуется, поскольку заряды в нем оказываются разделенными пространственно.

Электрон окружен слоем виртуальных позитронов, как защитным экраном, и это уменьшает так называемый эффективный заряд электрона, проявляющийся в его взаимодействиях с другими частицами.

Поляризация вакуума – процесс, который должен играть чрезвычайно важную роль во многих физических событиях.

Каждая фундаментальная частица, как сегодня представляется физикам, движется в сопровождении целой свиты из частиц виртуальных. Член-корреспондент АН СССР Д. И. Блохинцев писал: «В результате поляризации вакуума вокруг заряженной частицы создается связанная с ней заряженная «атмосфера».

Но гораздо чаще облако виртуальных частиц вокруг частицы сейчас именуют шубой – и даже не ставят кавычек. Шуба может состоять из нескольких слоев, она пульсирует: то появляется, то исчезает, оставляя свою носительницу «голой».

Ситуацию, в которой квант света, столкнувшись с другой частицей и отдав ей энергию, порождает электрон и позитрон, можно представить по-разному. Можно так: квант света превратился в электрон и позитрон. Можно по Дираку: позитрон – только дырка в фоне электронов с отрицательной энергией, дырка на месте одного из них, выбитого фотоном.

Есть и третий подход. Если из вакуума родилась пара частица – античастица, то дело может обстоять и так, что пара эта не родилась, не образовалась и не появилась в момент, когда мы могли за нею проследовать, на самом деле частица и античастица были в вакууме и прежде, но «в скрытом виде», а квант своей энергией только проявил пару, дал ей наблюдаемое и, так сказать, легальное положение в мире.

Все такие подходы, можно сказать, сосуществуют в физике на равных правах, это описания одного и того же явления с разных точек зрения, разными словами и разными математическими способами.

Принцип дополнительности связан не только с формой, а с содержанием квантовой теории, более того – с тем, как устроен мир. Принцип этот, сформулированный Бором, гласит: получение в эксперименте информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к данным. Дополнительны друг для друга, например, координата частицы и ее импульс.

Двойственность фундаментальных частиц, их природа, требует разных

411

описаний, дополняющих, а не исключающих друг друга.

Впоследние десятилетия многие области знания, вовсе не имеющие как будто дела с микрообъектами, словно позавидовали трудному положению микрофизики и стали заимствовать – более или менее решительно

иудачно – ее опыт создания таких разных картин одного события или объекта, которые дополняли бы друг друга. Собственно, к этому общему применению своего принципа призывал и сам Бор.

Доклады о принципе дополнительности делают на конференциях психологов, биологов, историков; появляются теоретические работы, обосновывающие применение взаимоисключающих «дополнительных» классов понятий в литературоведении. Но право же, сама литература давно демонстрирует нам применение при описании людей собственного «принципа дополнительности». Сложный мир шекспировских героев, внутренняя противоречивость героев Достоевского, – можно без труда увидеть у великих писателей многосторонность подхода к людям.

Велика сложность Вселенной на микроуровне, но ведь и на всех остальных уровнях мир совсем – совсем не прост. Недаром же один из физиков задал вопрос: «Не объясняются ли наши успехи в физике ее простотой?»

Нередко говорят, замечает Виктор Вайскопф, видный американский физик XX века, что в атомном мире словно бы не хватает реальности. Перед нами призрачные образования, подчиняющиеся законам, которые будто не природой заданы, а изданы сумасшедшим королем.

Виртуальные частицы в вакууме (точнее, некоторые их виды) не находятся в состоянии хаотического беспорядка. При всей эфемерности своего существования во времени они образуют упорядоченную систему, то есть поле в вакууме имеет организованную структуру. Киржницу и Линде удалось показать, что этот порядок сродни тому, который характерен для поля в металле в состоянии сверхпроводимости.

Всверхпроводнике не затухают реальные электрические токи, в вакууме им соответствуют не встречающие сопротивления и не затухающие движения виртуальных частиц, в том числе и не несущих электромагнитного заряда.

Свою гипотезу о строении вакуума на сверхглубоком уровне выдвинул

советский ученый К.П. Станюкович. У Станюковича в центре внимания тоже область расстояний в 10–33 сантиметров. Но ее заполняет не геометрическая вакуумная пена, а особые частицы, возможность существования

которых выводится на основе мировых констант. Их размеры как раз порядка 10–33 сантиметров, масса 10–5 граммов; так ничтожен их объем, что плотность частиц – при такой массе – чудовищна: 1095 г/см3. (предполо-

412

жение о существовании таких частиц было выдвинуто независимо от К. П. Станюковича М. А. Марковым. Марков назвал их максимонами за то, что они должны быть, по его мнению, среди элементарных частиц самыми большими по массе. Станюкович окрестил их планкеонами в честь Макса Планка.)

Иу Станюковича флуктуации вакуума, только носящие прежде всего физический характер, играют чрезвычайно важную роль во Вселенной.

Вот, например, как рассказывается о самом начале жизни Метагалактики по космической модели Станюковича в научно-популярной книге «Сила, что движет мирами», написанной им совместно с М. Васильевым и Н. Климантовичем: «Вообразите океан, а в нем множество пузырьков воздуха. Только в океане этом нет воды, это океан пустоты, в котором отсутствует и вещество в традиционном смысле...

То есть океан наш – это абсолютная пустота, гравитационный вакуум. Каждый пузырек в нем – планкеон».

А дальше авторы книги пишут: «Развивая идеи Уиллера можно пред-

ложить совершенно новую точку зрения на строение элементарных частиц... Если считать, что размер планкеона 10–33 см, то в одном кубическом сантиметре содержится приблизительно 1099 планкеонов, во Вселенной примерно 10108 элеметраных частиц.

Размер элементарной частицы 10–13 см3, объем ее 10–39 см, следовательно, в одной элементарной частице содержится… 1060 планкеонов. Каждый из них, «раскрываясь», высвечивает около 10–80 своей энергии, что и определяет энергию (массу) одной частицы».

Иэто, разумеется, тоже только гипотеза. Посмотрите, как с разных сторон подступают ученые в своих предположениях к вакууму. Они осторожно (а иногда и не очень!) пробуют разные подходы к выработке нового представления о мире, опираясь на идею особой и чрезвычайной роли в нем физического вакуума.

Какой из этих подходов окажется верным, гадать бессмысленно. Вероятно, многие предварительные мазки будут стерты с этой картины развитием науки, другие останутся и сольются когда-нибудь с тысячами иных, пока еще не сделанных, в единое целое.

Такое единое целое тоже не будет полным. Путь к абсолютной истине бесконечно долог... И это, между прочим, гарантия сохранения Науки. Потому что, как заметил Е. Виннер «если бы мы были полностью осведомлены о всех событиях в мире, повсюду и во все времена, то не было бы никакой пользы в законах физики – и фактически любой науки».

413

Теория физического вакуума очень далека пока до совершенства. И может быть, поэтому нет еще даже серьезных догадок, какие области физики могут указать направление, откуда приплывут облака - предвестники грозы.

Судивлением обнаружили когда-то путешественники-европейцы, что

умногих папуасских племен Новой Гвинеи нет специального слова для обозначения зеленого цвета. Это казалось тем более странным, что именно зеленый цвет господствовал в природном окружении обитателей тропических лесов. Прошло некоторое время, и лингвисты и этнографы пришли к выводу, что именно последнее обстоятельство и объясняло отсутствие столь необходимого, казалось бы, обозначения. Зелень была постоянным, непреходящим фоном жизни – названия нужны были для тех цветов, которые на этом фоне выделялись.

Не то же ли произошло с физическим вакуумом в XX веке?

Наука обращала прежде всего внимание на события, происходящие на его фоне, а сам фон оставляла поначалу без должного внимания.

В середине же XX столетия прозвучали слова Поля Дирака: «Проблема описания вакуума, по моему мнению, является основной проблемой, стоящей в настоящее время перед физиками. В самом деле, если вы не можете правильно описать вакуум, то как можно рассчитывать на правильное описание чего-то более сложного?»

Не будем же категорически настаивать будто «Все есть Ничто»; согласимся с тем, что Ничто в этом случае - Нечто и что Нечто, по крайней мере, имеет самое непосредственное отношение ко Всему.

Только будущее сможет показать, в какой степени может осуществиться предсказание Г.И. Наана и действительно ли настанет момент для признания положения: «Вакуум есть все, и все есть вакуум» [58].

Но наверное, уже сейчас современное представление о вакууме – хотя бы в первом приближении – должно стать такой же необходимой составной частью общей культуры каждого человека, какою стали научные образы Коперниковой Солнечной системы или атома по Резерфорду и Бору.

Спомощью свойств, присущих физическому вакууму, причем некоторые из этих свойств безусловно реальны, другие же предполагаются, современные теории и гипотезы объясняют или пытаются объяснить очень многое в мире – от природы всех взаимодействий до механизмов образования Метагалактики в ее нынешнем виде. Не просто большие – грандиозные надежды связывают физики с вакуумом, видя в нем ключ едва ли не ко всем замкам Вселенной.

Современная космология рассматривает в качестве одного из наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной, в рамках которого удается

414

решить большинство космологических проблем, сценарий, включающий инфляционную стадию. Основная идея инфляционной теории состоит в том, что расширение Вселенной и весь последующий ход ее эволюции рассматривается из состояния, когда вся материя была представлена только физическим вакуумом. Вакуум нашей Вселенной обладает вполне конкретными свойствами, определившими характер взаимодействий, специфику явлений, протекающих в нашем мире, размерность пространства, в котором мы живем. Возможно, наша Вселенная – это лишь миниВселенная, обитаемый островок, на котором возникла жизнь нашего типа. Инфляция (от латинского слова infiatio) означает «вздутие». Инфляционная стадия предполагает процесс вздутия Вселенной. При этом вакуум той эпохи Вселенной – «ложный вакуум». Он отличается от истинного вакуума (считается, что истинный вакуум - это состояние с наинизшей энергией) тем, что обладает огромной энергией. Квантовая природа наделяет «ложный вакуум» стремлением к гравитационному отталкиванию, обеспечивающему его раздувание. Этот «ложный» вакуум представляет собой симметричное, но энергетически невыгодное, нестабильное состояние, что на языке физики означает стремление его к распаду. Эволюция Вселенной представляет в контексте инфляционной теории как синергетический самоорганизующийся процесс. Если встать на точку зрения модели Вселенной как замкнутой системы, то процессы самоорганизации могут быть рассмотрены в ней как взаимодействие двух открытых подсистем – физического вакуума и всевозможных микрочастиц и квантов полей. Считается, что в процессе расширения из вакуумного суперсимметричного состояния Вселенная разогрелась до Большого Взрыва. Дальнейший ход ее истории пролегал через критические точки - точки бифуркации, в которых происходили спонтанные нарушения симметрии исходного вакуума. В эти моменты энергия из вакуума перекачивалась в энергию тех частиц и полей, которые из вакуума же и рождались. Причем ход этой эволюции, выбор путей дальнейшего развития в моменты бифуркаций оказался именно таким, что в результате появилась жизнь нашего типа.

Выделенность вакуума, его особая роль в космологических процессах возникновения и развития физического мира позволяет рассматривать его в качестве исходной абстракции в теоретической физике. Именно физический вакуум принимает непосредственное участие в формировании и качественных и количественных свойств физических объектов. Такие свойства как спин, масса, заряд проявляются именно во взаимодействии с определенным вакуумным конденсатом вследствие перестройки вакуума в результате спонтанного нарушения его симметрии.

415

А не породил ли вакуум когда-то Вселенную в целом, как сегодня он рождает частицы? И как он мог бы сделать это, не нарушая законов сохранения?

По выдвинутому в начале шестидесятых годов XX века предположению Г.И. Наана мировая пустота могла породить одновременно пару миров, пару Метагалактик, по аналогии хотя бы с рождением вакуумом электронно-позитронной пары виртуальных частиц.

Эта гипотеза, сверх всего прочего, способна как будто объяснить такой трудный и нерешенный до сих пор, несмотря на множество интересных гипотез, вопрос: почему знакомый нам мир состоит, насколько можно судить, практически из одного лишь вещества? Ведь скоплений антивещества, несмотря на поиски астрофизиков, не обнаружено ни поблизости от Солнечной системы, ни на дальних окраинах Метагалактики. Между тем известные нам физические законы как будто указывают, что при Большом взрыве вещество и антивещество должны были появляться в равных количествах.

Г.И. Наан пишет: «Грубую модель вакуума можно представить себе как бесконечно большой запас энергии одного знака, компенсируемый таким же запасом энергии другого знака».

Два возникших одновременно мира должны были различаться по знакам зарядов (как электрон и позитрон в паре виртуальных частиц). Один из них оказался составленным из вещества, другой - из антивещества. Мы с вами живем в первом (по нашим меркам), но «где-то там», может быть, лежит такой же большой и сложный антимир, без которого не было бы нашего мира «просто». И можно, повторяя и перефразируя Андрея Вознесенского, сказать примерно так:

Без глупых не было бы умных, Оазисов – без Каракумов. И нас бы не было – без Них, Стал антимир – чтоб мир возник. В начале той ночной поры Вы разошлись, антимиры.

Гипотеза Наана, по его словам, отвечает на кардинальнейший вопрос: почему существует Вселенная? Ответ такой: Вселенная существует потому, что «ничто» неустойчиво, поляризуется на «нечто» и «антинечто».

Особенностью физических уравнений, приложенных к фундаментальным частицам, является то, что эти уравнения всегда имеют два решения противоположных знаков. Например, с электроном эти уравнения связывают «антиэлектрон» (названный позитроном). Позитрон стол же «мате-

416

риален», как и электрон, но имеет положительный заряд. Нейтрино соотвествует антинейтрино, а каждому типу кварка – антикварк.

По Наану, мир и антимир возникают одновременно и связанно, а в дальнейшем существуют в разных, так сказать, пространственновременных каркасах, и их взаимодействие невозможно.

Нечто и антинечто обязаны существованием друг другу и вакууму, вместе они образуют Вселенную – такая суммарно-симметричная Вселенная в среднем состоит из одной лишь пустоты.

417

Глава 9. Основные представления и новейшие положения астрономии

Как жутко звездной ночью! Сам не свой, Дрожишь, затерян в бездне мировой. А звезды в буйном головокруженье, Несутся мимо, в вечность, по кривой.

Омар Хайям

Астрономия – древнейшая из наук. К сколь бы отдаленным периодам истории человечества мы ни обращали бы взор, мы сталкиваемся со следами изучения небесных светил [61].

Ради изучения движения Солнца по небосводу был создан первый научный измерительный прибор – гномон или, проще сказать, палка, воткнутая в землю, по длине тени которой можно установить наступление полудня. В интересах астрономии возводились такие исполинские каменные «теодолиты» как Стоунхендж.

Астрономия единственная из всех наук приобрела в античности собственную покровительницу – музу Уранию. Символом Урании был гораздо более сложный, чем гномон, измерительный прибор, не знавший себе в ту пору равных – армиллярная сфера.

Астрономия как самостоятельная научная дисциплина задолго до физики, химии и других естественных наук существовала уже в средневековых университетах. Первая ступень обучения студентов включала три искусства ведение диспута – грамматику, риторику и диалектику. А вторая ступень – арифметику, геометрию, музыку и астрономию.

Астрономы первыми оценили значение для науки экспериментальных данных и их строгой математической обработки. Астрономический спор о месте Земли во Вселенной в эпоху Возрождения перевернул все миросозерцание средневекового общества.

Ради астрономических определений долгот британские часовщики в VIII веке совершенствовали механические часы, и появление точных хронометров стало первым признаком грядущей промышленной революции. Зачинатели машинного производства учились в часовых мастерских. Именно у часовщиков они переняли умение воплощать технические идеи

вреальных действующих станках-роботах.

Вконце XIX века астрономы первыми среди ученых вступили на путь создания уникальных грандиозных научных установок, по сложности и стоимости превосходившие целые заводы.

Вдалеком Средневековье Бернард Шартрский говорил ученикам золотые слова: «Мы подобны карликам, усевшимся на плечах великанов; мы видим больше и дальше, чем они, не потому, что обладаем лучшим зрени-

418

ем, и не потому, что мы их выше, но потому, что они нас подняли и увеличили наш рост своим величием». Астрономы любых эпох всегда опирались на плечи предшествующих великанов.

По мере взросления человечества окружающий мир интересовал человека все больше и больше. И чем больше вопросов задавал человек Природе, тем больше ответов могла предоставить в его распоряжение наука о небе и его тайнах – астрономия. История астрономии – важная составная часть истории прогресса всей человеческой цивилизации.

9.1. Из глубины веков

Если я видел дальше других, то лишь потому, что стоял на плечах гигантов.

И. Ньютон

Русское слово Луна сродни словам луч, люстра, иллюминация, и все они родственники латинскому люкс – свет. Луна это светило. Но в русском языке живет еще слово месяц в двух смыслах. Месяц на небе и месяц в календаре. Такие же близнецы стоят рядом в английском, немецком. Случайные совпадения? Нет, конечно. Все они ведут родословную от единого древнего индоевропейского корня VI тысячелетия до н.э. и означают одно и тоже – мерило.

Давно ли Месяц на небе взял на себя роль мерила времени? Очень давно. Уже в Ветхом Завете, самой древней части Библии говорится, что Бог «… сотворил Луну для указания времен …».

Библию начали писать во второй половине II тысячелетия до н.э., а истоки лунного месяца намного древнее. Они относятся к тем временам, когда человек писать еще вовсе не умел. Лунный месяц, и его четвертушка семидневная неделя добрались до нас из той эпохи, которую археологи зовут древним каменным веком – палеолитом.

ВВеликобритании на равнине Солсбери находится одна из удивительных построек каменного века – Стоунхендж. Его называют «восьмым чудом света». Эта постройка имеет форму кольца из вертикально врытых в землю огромных тесанных каменных столбов – по три человеческих роста, масса каждого около 25 т. Сверху кольцо столбов перекрыто горизонтальными плитами. Внутри кольца выделяются пять узких арок наподобие бойниц.

Встороне от всего сооружения, за основным каменным кольцом установлен особый «пяточный камень». Если смотреть из центра Стоунхенджа, то точно над этим камнем восходит Солнце в день летнего солнцестояния.

Камни Стоунхенджа указывают на точки восхода и захода Солнца на

419

небосводе в дни солнцестояний и равноденствий. Точно также отмечены в Стоунхендже точки восхода и захода Луны.

Древняя египетская цивилизация возникла в плодородной долине Нила. За три тысячелетия до нашей эры египтяне преуспели в разработке календаря. На небе ими была выделена стройная система групп звезд, которые служили для предсказаний смены времен года и измерения времени ночью, когда нет Солнца. Они конструировали сложные астрономические приборы: солнечные часы и водяные часы – клепсидры. Результаты наблюдения небесных светил находили отражение в религиозных верованиях и погребальных обрядах египтян, имели влияние на архитектуру, и проникли в литературу.

ВДревнем Египте усыпальницами фараонов служили гигантские каменные пирамиды, которые причисляли к семи чудесам света. При возведении пирамид их ориентация и взаимное расположение определялись по астрономическим данным.

Вавилонские жрецы, проникая в тайны окружающего мира, первыми

взяли на вооружение число и меру. В результате тщательных наблюдений за движением Солнца по небосводу они разделили окружность на 360°. Смещение солнца на величину его диска, т.е. угол под которым видны два как бы «сложенных» рядом солнечных диска, вавилоняне считали одним шагом Солнца «полный круговорот» Солнца по небосводу состоит ровно из 360 таких «шагов».

Школьники всех стран сегодня прилежно изучают шестидесятеричную систему счета. Не может быть, воскликните вы. Но в действительности это именно так и есть. По этой системе целое делится на 60 частей, деление градуса на 60 минут, а минуты на 60 секунд – это и есть применение на практике шестидесятеричной системы. Также поделены часы и минуты времени.

Наиболее важным научным центром античного мира стал город Александрия основанный в дельте Нила при Александре Македонском. В Александрии возникло невиданное ранее учреждение – Храм Муз – Музей или в греческом произношении Мусейон, который дал кров всем приглашенным в столицу Египта знаменитостям. Они писали книги, изобретали, строили приборы, упражнялись в ораторском искусстве.

Самой притягательной силой Храма Муз, которая влекла к себе ученых со всех концов античного мира, стала Александрийская библиотека.

Вгоды расцвета библиотеки в ней насчитывалось свыше полумиллиона рукописей.

ВАлександрии первыми в античном мире выполняли наблюдения положений звезд Аристилл и Тимохарис. Там же работал и Аристарх Са-

420