"Не каждая из выдумок теоретиков должна обязательно материализоваться: полагать так было бы слишком наивно. Вспомните, - настаивают они, историю теплорода (жидкости, якобы переносящей тепло от тела к телу) и флогистона - этого гипотетического начала горючести. С их помощью в XVIII веке прекрасно объясняли очень многие явления - от горения тел до их нагревания и охлаждения".
Теория теплорода была прекрасно разработана. С. Карно в 30-х годах прошлого века с помощью понятия теплорода создал, как известно, теорию паровых машин. Тем не менее после того, как в сознании физиков укрепилось понятие о законе сохранения и превращения энергии, теплород был отброшен и забыт. О флогистоне забыли еще раньше.
История науки знает и еще более убедительный пример. Столетиями укреплялось и развивалось представление о мировом эфире, который якобы заполняет пространство и служит средой для распространения электромагнитных волн. Никто и ни в каком опыте не обнаруживал присутствия эфира, но без него, казалось, никак нельзя было объяснить распространение света и другие важные электромагнитные явления.
Свойства эфира описывали, старались определить его плотность, некоторые крупные ученые вычисляли вес атомов эфира. Но теория относительности навсегда отбросила эту гипотезу.
А между тем все факты и наблюдения, которые заставляли признать реальность существования классического эфира и вроде бы неопровержимо "доказывали" его присутствие, остались. Они только получили новое объяснение.
"Как и эфир, кварки - плод умственных спекуляций, - продолжают скептики, - ведь нет пока ни одного эксперимента, который однозначно требовал бы их реального существования. Разговоры о кварках - это дележ шкуры неубитого медведя. И давайте говорить не об охоте и о рыбной ловле, а лучше уподобим физиков-экспериментаторов инспектору-детективу. С точки зрения детективной истории о преступнике-кварке известно многое, если не все: заряд, спин и целый ряд других характеристик-примет. Бывало, ученые находили частицы, зная о них значительно меньше. И если рассуждать в таком ключе, то, видимо, следует честно признать: на сей раз приметы преступника (кварки) оказались придуманы самим сыщиком! Классификация элементарных частиц на кварковой основе, несомненно, очень удачна и полезна, соглашаются критики, - но искать в природе сами кварки ей-ей не стоит..."
Пока идут эти пререкания и споры (ведутся они и в наши дни), стоило бы вспомнить слова Э. Хемингуэя.
Вот что он писал в повести "Зеленые холмы Африки":
"Настоящий охотник бродит с ружьем, пока он жив и пока на земле не перевелись звери, так же как настоящий художник рисует, пока он жив и на земле есть краски и холст, а настоящий писатель пишет, пока он может писать, пока есть карандаши, бумага, чернила..."
Добавим к этому: настоящий ученый не занимается спорами, а продолжает поиски. Разрабатывает все более совершенные методы для ловли кварков.
Так, в частности, в одной из недавних научных работ предложено воздействовать на поток капелек электростатической силой. Отклонение каждой капельки от первоначальной траектории пропорционально ее электрическому заряду. Поэтому капельки с дробным зарядом могут быть отделены от остальных.
А главное тут: при помощи этого способа можно исследовать тысячи (интенсификация поисков кварков!) капель в секунду.
* * *
Эта глава подошла к концу. Мы видим, что ядерное сафари пока успехом не увенчалось. Непойманные кварки остаются величайшей загадкой физики наших дней.
В чем тут дело? Может, в том, что мы еще плохо понимаем общие законы природы, правила ее игры? И поэтому стучимся в намертво заколоченные двери? Возможно, так.
И есть смысл сейчас поговорить об общих основаниях физики, о том, как эта наука в целом представляет себе окружающий нас мир.
3
В поисках простоты
Простота, простота и еще раз простота!
Пусть все дела ваши будут кап два или три, а не как сотня или тысяча; вместо миллиона считайте до полдюжины и все свои расчеты ведите на ногте большого пальца.
Генри Дэвид Тор о. Уолден, или Жизнь в лесу.
У человека на каждой руке всего лишь пять пальцев.
Не дюжина, не сотня! У всех цветков яблони пять лепестков. И вообще над живой природой явно довлеет "магия пятерки": пять органов чувств, пятилучевая симметрия у иглокожих, пять пар конечностей у многих насекомых...
Пять ли, два (самцы и самки у высших животных, третьего пола нет!), семерка ли (с этим числом у человека недаром связаны многие суеверия и фольклорные образы) не суть важно, отметим другое - природа оказывает явное предпочтение малым числам перед большими. Она как бы стремится к наивозможной простоте.
То же в природе неживой (а нас интересует физика).
Сортов зарядов только два: положительные и отрицательные. Обратная пропорциональность квадрату расстояния величин гравитационного и электрического взаимодействий. Трехмерно пространство, в котором мы существуем. Вновь похоже, что Природа, следуя совету Г. Торо, ведет свои расчеты на ногте большого пальца. Всячески избегает громоздкости больших чисел.
Что это: случайность или закон? Глубинное качество материи, упрятанное под многими слоями внешне кажущихся хаотическими нагромождений? Просты ли законы природы или же сложны?
Попробуем в этом хотя бы немного разобраться.
Нити в гобелене
Кто-то из ученых сравнил физику с лоскутным одеялом, где лоскутки-закономерности пригнаны друг к другу коекак, наспех, где проглядывают связывающие эти "заплатки" ниточки самых неподходящих (черное на белом!)
цветов. Да, такое впечатление может произвести природа на профанов. А вот профессионалы знают: сквозь этот сумбур и мельтешение отчетливо виден лик Простоты.
Вещество связывают в ядра, атомы, предметы, горы, планеты, галактики всего лишь четыре вида основных сил. Силы электромагнитные, гравитационные силы, силы сильные и силы слабые.
Тяготение, определяющее структуру космоса, и электромагнетизм, благодаря которому в наших приемниках звучит музыка и светятся экраны телевизоров, известны человеку сравнительно давно. Но лишь в начале нашего века благодаря успехам атомной физики были открыты еще два фундаментальных взаимодействия - сильное и слабое.
Для тяготения и электромагнетизма характерно дальнодействие - потому их так быстро и распознали. Власть этих сил простирается до безмерных далей, теряющихся в космических глубинах.
Иное у ядерных сил (силы сильные и силы слабые).
"Руки" у них коротки. Им по плечу только малые субъядерные расстояния. Сильные силы обусловливают целостность атомных ядер и частиц. Они связывают между собой протоны и нейтроны в атомном ядре и кварки внутри протонов и нейтронов. А вот силы слабые наоборот- именно они ответственны за развалы ядер и частиц.
Именно их стараниями в мире элементарных частиц целое распадается на части. Приведем только один, но важный пример могущества слабых сил. Если бы удалось "выключить" слабые силы, то погасло бы Солнце, иОо "выгорание" содержащегося в светиле водорода, его превращение в гелий прекратилось бы.
Итак, миром правят четыре силы. Но насколько различными они кажутся внешне! Взять хотя бы их величину.
Примем самые мощные из четверки сил - сильные взаимодействия - за мерило, за единицу. Ею будет величина сил, притягивающих друг к другу два протона-соседа Тогда электромагнитные силы, отталкивающие те же протоны (одноименные заряды отталкиваются), будут примерно в сто (10^-2) раз слабее.
Еще меньше - в 1Q-5 раз - слабые взаимодействия (слабые силы). И уж совсем ничтожны силы тяготения:
они слабее сильных в 10^-39 раз.
Как это представить? Если бы электроны были привязаны к атомному ядру не электричеством, а гравитацией, то атом водорода - самый маленький из атомов - был бы больше всей нашей (видимой человеку) Вселенной!
Всего четыре основных взаимодействия наблюдается н природе - как это все напоминает взгляды древних.
Горячее и холодное, сухое и влажное. Эти две пары противоположных характеристик неизменно приписывались тем основополагающим элементам, из которых, как полагали в античном мире и в средневековье, состоит весь окружающий мир - горячий, сухой огонь; горячий, влажный воздух; холодная, влажная вода; холодная, сухая земля.
Но гораздо удивительнее, пожалуй, другое совпадение. Согласно древнеиндийским Ведам четыре первоэлемента - воздух, огонь, вода, земля обязаны своим происхождением так называемому "акаша", имеющему, видимо, смысл первородного "пространства" или, что понятнее физикам, чего-то напоминающего мировой эфир.
Так рассуждали многие тысячелетия назад древние мудрецы. И удивительно схожим образом рассуждают современные ученые. По новейшим воззрениям физиков, об этом сейчас будет речь, четыре главные силы природы, как четыре основные нити в прекрасном, созданном руками искусного художника гобелене, всего лишь различные проявления одной основополагающей силы природы, одного основного начала.
