Есть ли жизнь внутри... электрона? Из чего состоят протон и мезон? Из чего «построено» пустое пространство? Загадки квантовой механики. Взрыв, породивший мир, и первые мгновения после рождения Вселенной. Настанет ли время, когда ученые будут знать все на свете?.. Об этих и других удивительных проблемах, загадках и парадоксах рассказывается в книге, написанной физиком-теоретиком для школьников старших классов.
Введение
Мальчишкой я мечтал стать авиаконструктором. Это были первые послевоенные годы, и мое воображение, еще не остывшее от военных сводок информбюро, было захвачено проектами летающих танков-амфибий, сверхдальних бомбардировщиков, истребителей «без мотора» — на реактивной тяге. О физике я не думал, она казалась мне страшно скучной: динамометры, блоки, расчеты линз, нудные задачки на теплоемкость. Но однажды мне в руки попала небольшая книжечка с интригующим названием: «Лучи из мировых глубин». Откуда приходят к нам эти лучи, что их порождает и разгоняет в пустом пространстве космоса до сверхвысоких энергий — все было загадкой. Чтобы разгадать ее, ученые создавали сложные приборы, опускали их в глубины океана, оставляли в недрах темных пещер, поднимали на стратостатах в бескрайнюю голубизну неба. Опыты приносили новые загадки...
Оказалось, что физика — удивительно увлекательная и интересная наука! С одной стороны — море фантазии: взрывающиеся частицы, бездны атомов, миры и антимиры, а с другой — строгие доказательства, вязь математических формул, понятных лишь посвященным. И я пошел учиться на физический факультет университета.
С тех пор прошло сорок лет, и мне не наскучило заниматься физикой.
Сегодня физическая наука совсем не та, что была полвека назад. Современные институты похожи на крупные заводы с сотнями научных сотрудников, тысячами инженеров и рабочих. Залы, в которых размещаются физические установки, сравнимы с крупными стадионами. И все это начинено сложнейшей электроникой и автоматикой. Холод, при котором воздух становится жидким и течет как вода, соседствует с температурами в десятки миллионов градусов, когда любое вещество взрывается, как капля масла на раскаленной сковородке, мгновенно превращаясь в плазменный газ. Давление в тысячи атмосфер и глубокий вакуум, в котором редкие атомы удалены друг от друга, как звезды в космосе. Батискафы помогают физикам устанавливать приборы на дне глубочайших океанских впадин, а ракеты выносят их за пределы Солнечной системы.
Но, пожалуй, самое удивительное в современной физике — это неожиданно тесная связь Вселенной, как целого, со свойствами элементарных частиц — простейших, невидимых даже под микроскопом «кирпичиков», из которых «склеено» все окружающее нас вещество. Казалось бы, совсем различные и несоизмеримые объекты, но вот получается, что при определенных условиях Вселенная может обладать свойствами микрочастицы, а некоторые микрообъекты, возможно, содержат внутри себя целые космические миры. Во всяком случае, так говорит теория. Большое и малое, сложное и простое — здесь все перепуталось.
Глава I
Пять ступеней вглубь
Ступень молекул, ступень атомов... Сегодня известно пять таких ступеней, пять этажей мироздания. Что находится на самых нижних из них? Есть ли что-нибудь еще глубже? Куда ведет эта лестница — в бездну бесконечного или же, в конце концов, мы спустимся в самый нижний этаж, в подземелье, где спрятаны главные тайны нашего мира?
Какие законы управляют миром? Каждый этаж — удельное княжество, монастырь со своим собственным уставом или же это — рядовая губерния единого государства с обязательным для всех общим законом? Как устроено это государство — по принципу монархии, когда где-то глубоко в недрах материи есть самый главный Первоэлемент, или же по законам демократии с равноправными гражданами-частицами на каждом этаже?
Итак, как устроен и из чего состоит наш мир в самых глубинных его слоях?
А как туда заглянуть, с помощью какого микроскопа? Может быть, там прячутся «атомы пространства» — последние неделимые далее «пузырьки», внутри которых больше уже ничего нет?
Масса вопросов, один сложнее другого. Попытаемся ответить хотя бы на некоторые из них. Вступим на первую ступеньку лестницы, ведущей в недра материи.
Кто первым сказал «а»?
Знаменитый греческий ученый Фалес жил 2600 лет назад. Немногие свидетельства о его жизни, которые дошли до нас сквозь толщу тысячелетий, говорят, что это был общительный, жизнерадостный человек отменного здоровья, сочетавший занятия наукой со спортом. Он не раз завоевывал олимпийские призы. И умер он на стадионе от солнечного удара, когда в почтенном 78-летнем возрасте аплодировал соревнованию олимпийцев.
Фалес долго прожил в Египте, стараясь проникнуть в тайны жрецов. Его знания по геометрии и астрономии поражали современников. Особенно после того, как он предсказал полное солнечное затмение. Это явление, когда солнце становится черным диском и наступает ночь среди бела дня, даже сегодня порождает подсознательный страх у многих людей. Можно представить, какое волнение и ужас вызывало оно две-три тысячи лет назад!
Но главная заслуга Фалеса в том, что он первым поставил вопрос об исходных элементах мира. Он раньше всех увидел лестницу, ведущую в глубь вещества.
Последующие двести лет греческие мудрецы, их называли философами — любомудрами, принимали за первичные различные вещества и процессы. Чаще всего это были вода (ей отдавал предпочтение и сам Фалес), воздух, земля, огонь. С современной точки зрения, весьма наивные попытки. Седобородые греческие мудрецы топтались на верхней площадке структурной лестницы, пытаясь ощупью найти ее ступени.
Приборы, которыми располагали греки, были очень примитивны. Главными из них были весы да еще сосуды для измерения объемов. Даже плохонькая физическая лаборатория какой-нибудь маленькой нынешней школы показалась бы им фантастической. Основным оружием древнегреческих ученых была логика. Оказывается, если иметь острый глаз и светлую голову, то уже самых обычных явлений окружающей жизни достаточно, чтобы получить важные выводы о глубинных свойствах вещей.
Анатомия атома
В 1869 году внимание ученого мира было обращено к холодным и строгим шпилям Петербурга. Оттуда пришла сенсационная новость: 35-летний профессор Петербургского университета Д. И. Менделеев установил, что между атомами существует связь, которая проявляется в периодичности их свойств. Это было выдающимся открытием. И не только потому, что теперь можно было пересчитать все типы атомов, существующие в природе, в том числе и еще не открытые. Периодический закон Менделеева подсказывал, что в природе должно быть что-то еще более простое и первичное, чем атомы, то, что является причиной и порождает периодичность атомных свойств. Другими словами, должна быть следующая, заатомная ступенька. Неделимый атом должен делиться на части!
К такому выводу приводили и некоторые другие наблюдения. Так, было известно, что под действием высокого напряжения металлы испускают отрицательные электрические заряды. Московский физик А. Г. Столетов обнаружил, что такие заряды (их стали называть электронами) выбиваются из металлов лучами света. Все это наводило на мысль, что электроны входят в состав атомов. А отсюда сразу следовал другой вывод: в атоме есть положительно заряженная часть — ведь в целом-то вещество не имеет заряда, оно нейтрально.
Англичанин Дж. Томсон считал, что по своему строению атом похож на круглую булку с изюмом: положительно заряженное тесто с изюминками — электронами. За три года до конца XIX века Томсон измерил массу электрона. Оказалось, что он почти во столько же раз легче атома водорода, самого легкого из всех атомов, во сколько Земля легче Солнца. Возможно, именно эта аналогия навела француза Ж. Перрена на мысль о том, что атом устроен наподобие Солнечной системы — в центре тяжелое ядро с положительным электрическим зарядом, вокруг вращаются планеты — электроны. Статья Перрена, увидевшая свет в первый год нового, XX века, так и называлась: «Ядерно-планетарное строение атома».
Какая из этих двух моделей правильная — булка с отрицательно заряженным изюмом или микроскопическая солнечная система, — решили опыты Эрнста Резерфорда. Он первым потрогал, а лучше сказать — прощупал, атом с помощью альфа-частиц.
Альфа-частицы — это ядра атомов гелия. Они испускаются распадающимися атомами радия и, попадая на экран из светящегося материала, вызывают вспышки — маленькие искорки в тех местах, где частицы столкнулись с экраном. Точно так же экраны наших телевизоров светятся под действием пучка электронов. Так вот, пролетая сквозь атомы, альфа-частицы испытывают на себе действие их электрических полей, траектории частиц искривляются, и вместо одного светящегося пятнышка, которое оставил бы нерассеянный пучок альфа-частиц, на экране возникает россыпь искорок. При этом если экран установить в стороне, противоположной направлению движения первичного пучка, то на нем тоже иногда вспыхивают искорки — как будто некоторые альфа-частицы сталкиваются с чем-то очень тяжелым и отскакивают в обратном направлении, как горошины от стального бильярдного шарика. Роль такого шарика играет атомное ядро. Победила планетарная модель Перрена. «Это было похоже на то, — вспоминал впоследствии Резерфорд, — как если бы я увидел 16-дюймовый снаряд, отскочивший от листка газетной бумаги!» (В опытах Резерфорда в качестве атомной мишени использовалась тонкая фольга.)
Внутри ядра
После того как Резерфорд «разглядел» в недрах атома его крошечное ядрышко, многим казалось, что наконец-таки наука достигла самого дна природы — глубже этого уже ничего нет. Но прошло всего каких-то двадцать лет и был открыт нейтрон — частица по всем своим свойствам такая же, как ядро атома водорода — протон, но только без электрического заряда. Нейтральный протон. Физикам открылась еще одна, теперь уже четвертая по счету, ступенька в глубинах микромира.
Назвать протоном ядро самого легкого и маленького по величине атома предложил все тот же Резерфорд. Этот термин он образовал от греческого слова «протос» — первый. Одновременно это напоминает протеин — простейший белок, основу, из которой построены клетки всех живых организмов. Резерфорд был уверен, что ядра тяжелых атомов тоже каким-то образом должны быть связаны с протоном. В имени его нейтрального собрата, нейтрона, отражено основное отличительное свойство этой частицы — отсутствие заряда. Она не отталкивается электрическим полем ядра и, как нож в теплое масло, проникает внутрь атомных ядер, разваливая их на части или образуя новые ядра. Нейтрон оказался чрезвычайно удобным «щупом» для зондирования внутренности ядер. После его открытия ядерная физика двинулась вперед семимильными шагами.
В известной сказке А. Толстого длинноносый Буратино и его друзья открыли волшебную дверь в каморке папы Карло маленьким золотым ключиком, который мудрая черепаха Тортила нашла в глубоком илистом пруду. Для физиков таким сказочным золотым ключиком стал нейтрон, с его помощью им удалось отомкнуть кладовую атомной энергии. Но это уже совсем другая история...
Вернемся, однако, к атомному ядру. Вскоре после открытия нейтрона два теоретика, немец Вернер Гейзенберг — тот самый, кто позднее руководил работами по созданию атомной бомбы в фашистской Германии, — и советский физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко — ныне он профессор Московского университета — выдвинули гипотезу о том, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Согласно их теории, оно по внешнему виду напоминает плод граната с тесно прижавшимися друг к другу ягодками-частицами. В ядре водорода таких частиц всего одна — один-единственный протон, в ядрах тяжелых элементов — например, в свинце или уране — их уже более двух сотен. Опыты блестяще подтвердили эту теорию. Но оставалось загадкой, какие силы так крепко связывают в ядерные капли заряженные и нейтральные частицы.
Мезонный бадминтон
Шел 1905 год. В России бушевал шторм революции. В студенческих аудиториях бурлили сходки. Профессора университетов уходили в отставку, протестуя против жестоких расправ царя с рабочими и студентами. А в далекой спокойной Швейцарии Альберт Эйнштейн, молодой и мало кому известный сотрудник патентного бюро, напечатал в журнале статью, в которой доказывал, что свет — это поток частиц. Незадолго до этого он закончил учебу, но, не найдя лучшей работы, ему пришлось временно стать чиновником.
Его статью мало кто принял всерьез. Идею о том, что свет состоит из отдельных частичек-корпускул, высказывал еще великий Ньютон, но опыты не подтвердили его гипотезы и в течение двух последующих столетий ученые не сомневались в волновой природе света. О том, что свет, радиоизлучение, тепловое излучение нагретых тел — все это разновидности электромагнитных волн, можно было прочитать в любом учебнике физики. А из статьи Эйнштейна вытекало, что световые частицы одновременно имеют свойства волны и корпускулы. Это частицы, которые движутся по волновым законам. Когда энергия невелика, на первый план выступают их волновые свойства. Образно говоря, они в этом случае чувствуют себя нетвердо, их движение неровно и запутанно, как у пьяного. Наоборот, набрав энергии, они приобретают уверенность, и их поведение тогда мало чем отличается от потока быстрых электронов.
Частицы света похожи на двуликого Януса: с одной стороны — частица, с другой — волна! Это нелегко себе представить, недаром даже самые лучшие физики отказывались признать теорию Эйнштейна. Однако опыты приносили ей все новые и новые подтверждения, и постепенно она завоевала всеобщее признание. Частицы электромагнитного поля назвали фотонами от греческого слова «фотос» — свет.
Когда заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, они обмениваются фотонами — как будто играют в бадминтон. Одна частица испускает воланчик-фотон, вторая его ловит и отбрасывает обратно. Чем частицы ближе одна к другой, тем живее идет игра и тем сильнее их взаимодействие. Воланчик — фотон — мелькает так быстро, что между партнерами протягивается что-то вроде связывающего их ремня. Правда, он не сплошной, но это неважно — ведь и обычный ремень при большом увеличении, как мы видели выше, состоит в основном из пустоты!
Но вот нейтрон в такой бадминтон не играет. У него нет заряда, и фотоны он просто не замечает. Ему нужны какие-то другие воланчики.
