Владилен Барашенков - Кварки, протоны, Вселенная

Легко понять, что сталкивающиеся протоны взаимодействуют тем сильнее, чем меньше расстояние между их центрами. Перекрываясь своими частями, протоны как бы прощупывают друг друга. Изучая их рассеяние, можно представить себе картину распределения вещества внутри протона. И чем выше энергия сталкивающихся частиц, тем мельче подробности, которые удается различить. В недалеком будущем на этом пути удастся достичь расстояний порядка 10 -17сантиметров, то есть в 10 тысяч раз меньше протона. В Советском Союзе и в других странах проектируются и создаются необходимые для этого ускорители. Но это, по-видимому, близко уже к пределу. Вес, размеры, а главное, стоимость ускорителей становятся грандиозными. Неспроста современные ускорители элементарных частиц называют пирамидами XX века! Ясно, что старые физические и инженерные идеи себя исчерпали; чтобы двигаться далее в глубь материи, нужно придумать что-то принципиально новое. А пока единственным источником частиц сверхвысоких энергий остаются космические лучи. Среди частиц, входящих в их состав, встречаются такие, которые обладают энергией, в миллиарды раз превосходящей энергию частиц в самых мощных ускорителях. С помощью таких частиц можно зондировать расстояния до 10 -20сантиметров — в 10 миллионов раз меньше размеров протона! Плохо вот только, что космических частиц с такой большой энергией крайне мало, и опыты с ними трудно контролировать. Тем не менее, если немного пофантазировать, можно представить себе, что когда-нибудь в космосе будут построены ловушки-накопители таких сверхвысокоэнергетических частиц, которые можно будет использовать для изучения их встречных столкновений —так, как это делается в опытах со встречными пучками на ускорителях. И вот тогда можно будет добраться до расстояний порядка 10 -25сантиметров.

Возможно, что 10 -26сантиметров — это предельно малые пространственные размеры, которые доступны нам в природе. Меньших расстояний просто неясно, как достигнуть. Впрочем, заметим снова и снова: что касается прогнозов в физике, то с ними надо быть очень осторожными. Сама квантовая механика существует немногим более полувека, а до того никому и в голову не приходило, что в природе существует какая-то «волновая размазка» траекторий, которая будет основным препятствием нашему продвижению в недра материи. Трудно сказать, что нас ждет еще на этом пути. К тому же не обязательно ведь ломиться сквозь пространство, так сказать, напрямик. Может быть, существуют какие-то обходные, но более эффективные пути, какие-нибудь «проколы» искривленного пространства-времени или что-нибудь еще более неожиданное. Но это уже чистая фантастика.

А как быть с еще меньшими расстояниями? Ведь 10 -25сантиметров — это еще очень далеко до минимальной «порции» пространства — геометрического кванта размером приблизительно 10 -33сантиметров, существование которого предсказывает теория. Вот дальше идти действительно некуда — меньших размеров в природе, видимо, не существует, и порции-кванты в 10 -33сантиметров всегда проявляют себя как единое целое, у которого нет частей. Конечно, все это так, если теория справедлива, но это должен показать эксперимент, а какой пока неизвестно.

Вывод о том, что непрерывность пространства должна на самой большой глубине микромира смениться его дискретностью, прерывностью, получается и из чисто философских соображений. Философы говорят нам, что абсолютных, неизменных свойств в природе нет. Всякое свойство, в том числе и непрерывность, существует лишь при определенных условиях. Мелкие изменения, постепенно накапливаясь, приводят к качественному скачку, и свойство, изменяется коренным образом. Поэтому и непрерывность в центральных масштабах должна смениться дискретностью. Этот вывод безупречен, и кванты пространства встретятся, возможно, физикам когда-нибудь и в эксперименте. Но не исключено, что еще до того, как появятся эти кванты, физики откроют новые законы, которые упразднят противопоставление непрерывного и дискретного в определенных обстоятельствах. Ведь дискретность ультрамикроскопического пространства — это тоже гипотеза, которая может подтвердиться, а может и нет. Это обычная экстраполяция — в данном случае перенесение в сферу ультрамалых расстояний наших представлений о событиях и процессах большого масштаба.

Что касается времени микропроцессов, то представление о его величине можно получить, если вспомнить, что распространение света — самый быстрый процесс в природе. Ничего более быстрого мы не знаем. Минимальные расстояния в 10 -16сантиметров, которые еще можно разглядеть с помощью современных ускорителей, световая волна проходит за 10 -27секунд. Это самый короткий отрезок времени, с которым мы имеем сегодня дело в физических экспериментах. Кванту пространства в 10 -33сантиметров соответствует временной квант в 10 -44секунд, или «хронон», как его иногда называют. Меньших отрезков времени, если верить физическим теориям, в природе не бывает.

Чтобы почувствовать, насколько малы кванты пространства и времени, вообразим себе, что наша огромная Вселенная сжалась до размеров песчинки. Соответственно уменьшатся и все содержащиеся в ней тела. Так вот, размер песчинки в сжавшейся Вселенной будет сравним с квантом пространства, а время, за которое свет успеет пробежать по такой ничтожной частичке, равно кванту времени,

Итак, 10 23километров, то есть 10 28сантиметров, с одной стороны, и 10 -33сантиметров, с другой,— вот диапазон расстояний в нашем мире! От 10 18до 10 -44секунд — диапазон временных интервалов.

Как ни малы масштабы микромира, их все же можно себе представить — хотя бы путем сопоставлений. Гораздо труднее осознать, что значит «начало мира» и «край Вселенной». При этом сразу возникает масса вопросов. Ведь у каждого момента времени есть предшествующий, а что же тогда предшествовало «начальному моменту»? И как это вдруг мир появляется «из ничего»? И если наша Вселенная расширяется, то во что она расширяется, что находится за ее пределами? Можно представить себе картину, когда рождается и разлетается вещество, как осколки или газы при взрыве, но вот как может родиться и начать расширяться пространство? И опять возникает недоуменный вопрос — что же все-таки было до этого?

Однажды меня пригласили в телестудию рассказать об эволюции Вселенной. После выступления я получил десятки писем с одним и тем же вопросом: что находится «вне» и что было «до»? Ведь не может же быть, писали телезрители, чтобы там ничего не было, даже пустоты! Как может случиться, что объект, пусть даже такой большой, как Вселенная, вложен... ни во что? Ведь все, с чем мы имеем дело, всегда вложено во что-то еще большее! Иначе и быть не может. Да и куда может расширяться «не вложенная ни во что» Вселенная? Может быть, общая теория относительности, на которой основана современная физическая картина мира, чего-то не учитывает? Ведь ее выводы противоречат логике?