Про ластик и… Вселенную
Присмотритесь к ручке или ластику на своем письменном столе. Казалось бы, что может быть обыденнее?..
Но в электронный микроскоп видно, что он представляет собой сообщество молекул. А с помощью еще более тонких физических методов можно убедиться, что молекулы состоят из атомов, а те, в свою очередь, из еще более мелких частиц. Но почему, собственно, частиц? Почему мы не ставим перед этим словом приставку «анти»?
Вопрос этот издавна требует ответа.
Где Зеркало с Зазеркальем
Еще в начале прошлого века теоретики выдвинули концепцию: Вселенная родилась в результате так называемого Большого взрыва. То есть, говоря иначе, в некоем месте примерно 14 млрд. лет тому назад взорвалось нечто. Откуда оно взялось, если раньше там не было ничего, почему оно взорвалось — неизвестно.
Много непонятного и в дальнейшем развитии событий. После того как взрыв произошел, по идее должно было образоваться примерно одинаковое количество частиц и античастиц. Природа ведь любит равновесие.
Если есть левозакрученные молекулы, то обязательно существуют и те, что закручены вправо. Если бросать монетку, то рано или поздно можно убедиться, что «орел» и «решка» выпадают примерно поровну…
Однако из экспериментов на ускорителях известно, что частицы и античастицы при взаимном сближении вступают в реакцию аннигиляции, то есть взаимно уничтожаются, а вся их масса преобразуется в энергию излучения. И будь во Вселенной с самого начала поровну частиц и античастиц, вся Вселенная, не успев родиться, сразу бы исчезла.
На практике, впрочем, частиц материи оказалось почему-то больше, чем антиматерии. Причем настолько, что их хватило на образование галактик, звезд, планет и вообще всего, что наблюдается в окружающем нас мире.
Это, конечно, замечательно. И все же непонятно, почему одному виду материи было отдано столь явное предпочтение.
Теоретики нашли выход из этого парадокса, предположив, что, кроме нашего мира, где-то во Вселенной, словно в противовес ему, существует еще один, симметрично-зазеркальный, где место частиц нанимают античастицы, вместо правой стороны предпочтение отдается левой…
В 50-е годы прошлого столетия эксперименты на ускорителе дали косвенные подтверждения этого предположения.
«Почтальон» с той стороны?
Казалось бы, на том можно и успокоиться. Однако физиков, словно Алису из известной сказки, занимал вопрос: «Можно ли проникнуть в Зазеркалье?» Или, говоря иначе, сообщается ли «тот» мир с «этим»?
Алиса, как известно, попала в Зазеркалье просто: шагнула в зеркало. У физиков такой возможности нет. Более того, возможно, границы не существует вовсе. В ходе лабораторных экспериментов им удалось обнаружить частицы, с огромной частотой превращающиеся в свои собственные антиподы и возвращающиеся в прежнее состояние.
Речь идет о Bs-мезонах — представителях класса частиц, участвующих в так называемых сильных взаимодействиях. Поначалу думали, что это, возможно, ошибка эксперимента. И для проверки первоначальных результатов был затеян международный эксперимент DZero, объединивший 700 физиков из 90 институтов в десятках стран мира. И вот весной 2006 года выяснилось: Bs-мезон действительно переходит из состояния материи в антиматерию с частотой более 20 триллионов раз в секунду.
Впрочем, достоверность полученных результатов оценивается лишь в 90 %. Для полноценного же научного открытия достоверность результата должна составлять, по крайней мере, 99,99995 %. Поэтому на ускорителе «Теватрон» в США планируется провести вскоре дополнительные исследования.
Стабильностью и не пахнет?..
Пока экспериментаторы готовятся к продолжению опытов, теоретики ломают себе головы, пытаясь объяснить полученные результаты. Ведь они противоречат многим нынешним теоретическим моделям, могут повлиять на представления об окружающем нас мире.
Вспомним о том же ластике, упомянутом в начале статьи. На первый взгляд он весьма стабилен и покоится на достаточно твердом столе. Однако на самом деле, как уже говорилось, и ластик, и стол состоят из молекул. А те из атомов, составляющих кристаллическую решетку твердого тела. Причем решетка только так называется; на самом деле никакого переплетения прутьев нет, а сами атомы непрерывно колеблются в результате тепловых флуктуаций.
А что происходит внутри атома? Вокруг ядра снуют по своим орбитам электроны. Да и внутри его не так уж спокойно; иногда ядра могут самопроизвольно раскалываться…
В общем, мир наш и так был далек от стабильности. А теперь еще выясняется, что некоторые (а может, и все?) его частицы еще имеют возможность с огромной частотой превращаться в свои антиподы и возвращаться в исходное состояние. Так что «покой нам только снится»…
Причем по мере углубления наших знаний о микромире его относительная нестабильность только увеличивается. Скажем, в начале XX века устройство того же атома представляли аналогичным Солнечной системе: вокруг ядра-светила вращались по своим орбитам электроны-планеты. Затем выяснилось, что электроны уподоблять микро-планетам нельзя. Во-первых, потому, что их вещество и энергия «размазаны» сразу по всей орбите и не могут быть, согласно принципу неопределенности, определены однозначно. Во-вторых, сами электроны представляют собой, согласно принципу дуализма, то ли частицы, то ли волны…
А дальше — еще сложней. В конце XX века возник вопрос о том, верно ли мы понимаем строение всей Вселенной. В ней вдруг обнаружились скрытые материя и энергия, да еще в каком количестве? На них, говорят, приходится около 95 % всей массы окружающего нас мира! Да и сами планетные системы, звездные галактики, похоже, как и ластик на столе, стабильны лишь на первый взгляд…
Конечна или бесконечна?
И дело не только в том, что во Вселенной все время происходят какие-то процессы: сталкиваются галактики, взрываются сверхновые, черные дыры поглощают материю и энергию, а квазары, напротив, ее исторгают…
Космологи задались еще и вопросом, конечен или бесконечен в пространстве наш мир. Новый всплеск споров на эту тему породили данные, полученные космическим зондом «Уилкинсон». Он фиксирует флуктуации температуры — своего рода рябь (отклонения от среднего уровня) на поверхности «океана» реликтового микроволнового излучения, заполняющего Вселенную с момента Большого взрыва.
Другими словами, реликтовое излучение — это своеобразное «эхо» Большого взрыва. Причем, как показывает теория, если Вселенная бесконечна, то флуктуации должны иметь не ограниченные по своим масштабам размеры — от самых мельчайших до самых огромных. Однако, как показывают замеры космического зонда, в действительности наблюдается некое ограничение флуктуаций, что свидетельствует о конечности размеров Вселенной.
Так что, по мнению американского астрофизика Дж. Уикса, Вселенная имеет не слишком большие размеры, но вводит ученых в заблуждение относительно ее масштабов и возраста. В ней существуют, например, некие пространственно-гравитационные эффекты, позволяющие нам видеть, словно в поставленных друг напротив друга зеркалах, многократно отраженные изображения одних и тех же галактик.
Мудрецы в одном тазу
Кстати, впервые о том, что наша Вселенная представляет собой некий ограниченный объем, заговорил еще в 20-е годы прошлого века петербургский теоретик Александр Фридман. А в 70-е годы XX века наш математик А. Марков показал, что подобные миры-сферы — ученый в честь Фридмана назвал их фридмонами — вполне могут существовать па самом деле. Причем снаружи фридмон может выглядеть маленьким, словно атом, а изнутри — огромным, как наша Вселенная.
Парадокс?.. Да, с точки зрения наших обыденных представлений. Однако не забывайте, что мы в основном оперируем понятиями трехмерного мира, а наша Вселенная по представлениям теоретиков многомерна, причем число измерений стремится к бесконечности, какие еще «чудеса» могут существовать в таком мире, ученым еще только предстоит выяснить.
Например, по мнению члена-корреспондента РАН Алексея Старобинского и его коллег, вполне возможно, что Вселенная существовала и до Большого взрыва. Только состояла она тогда целиком из первичной темной энергии. Часть ее оказалась неустойчивой, а потому и взорвалась. При этом возникла обычная материя, начались процессы зарождения галактик…
И это еще не все… Возможно, что наша Вселенная — всего лишь ничтожная часть неизмеримо большего мира. В нем таких вселенных, как наша, — великое множество. Они булькают, подобно мыльным пузырькам, в некоем огромном тазу, где идет большая стирка. И когда одни пузырьки-вселенные лопаются, им на смену возникают другие…
Но если взять такую модель за основу, возникает резонный вопрос: кто ведет стирку в этом супервселенском тазу? Ответ на этот вопрос знают люди верующие. «Это дело божье», — говорят они.
Ученые-материалисты с таким суждением не согласны. Но поскольку достоверной теории предложить пока не могут, среди обсуждаемых гипотез есть и такая: наш мир, дескать, родился в результате эксперимента, который ведет в своей лаборатории некая Сверхцивилизация.
В общем, споры о происхождении Вселенной и ее устройстве, похоже, по-настоящему только разгораются. И какими еще открытиями они нас удивят, ученые и сами предсказать не могут.
Максим ЯБЛОКОВ
Живые махолеты
Пчелы, как и майские жуки, и некоторые другие насекомые, летать не должны, утверждали исследователи в первой половине XX века, опираясь на известные им законы аэродинамики. Однако мохнатые летуны порхают и порхают над цветами в свое удовольствие. И лишь недавно ученые смогли разгадать их секрет, сообщает журнал Scientific American.
Оказалось, что эти насекомые в определенных условиях прибегают к не эффективному для других, но их удерживающему на высоте способу. В отличие от других летающих инсектов — мух или, например, плодовой мушки дрозофилы — пчелы в своем обычном полете делают короткие взмахи, поднимая и опуская крылья не более чем на 90 градусов, и при этом машут ими очень часто.
Этот феномен на примере вида Apis mellifera изучали сотрудники Калифорнийского технологического института. Группа под руководством Михаэля Диккинсона показала, что, если пчелы вынуждены летать в горах, на большой высоте, они прибегают к более широким взмахам, но при той же их частоте. При необходимости — например, в случае, если они набрали много нектара — пчелы могут развивать большую подъемную силу, чем обычно, изменяя угол наклона лопасти крыла по отношению к набегающему воздушному потоку.
Теоретическая же невозможность пчелиного полета впервые была определена в 30-х годах прошлого столетия французскими исследователями, которые опирались на расчеты, сделанные по тем же формулам, что используются при проектировании жесткого крыла самолета. Однако пчелы по своей аэродинамике ближе к геликоптерам. А еще лучше учитывать при этом, что пчелиное крыло делает не только до 240 взмахов в секунду, но и ведет себя весьма гибко в воздушном потоке, создавая управляемые вихри, которые и поднимают насекомое в воздух.
Единственное, что пока непонятно, смогут ли теперь использовать полученные знания ученые и конструкторы, чтобы создать летательный аппарат, способный по маневренности, экономичности, способности приземляться, где угодно, соперничать с той же пчелой?..
А. ПЕТРОВ