Владилен Барашенков - Кварки, протоны, Вселенная

Размышляя об этом, некоторые ученые пришли к мысли, что, может быть, пространства и времени в микромире... вообще нет. И наблюдаемая устойчивость связана с тем, что они — излишний, по существу, ни на что не влияющий элемент теории, который мы по привычке принесли из области макроскопических явлений. В физике подобные «разоблачения» случались уже не раз — проводились более точные эксперименты, и старые, незыблемые до того представления оказывались ненужными. Так было и с теплородом, и с флогистоном, и с эфиром, и со многими другими мифическими вещами. Может, и с пространством-временем произойдет то же самое? О них с уверенностью можно говорить в макромире, а в субатомных масштабах их просто нет, как нет там температуры или цвета! Бессмысленно ведь говорить о температуре и цвете одной или двух элементарных частиц; лишь когда частицы образуют макроскопическое тело, цвет и температура возникают как некий усредненный эффект — результат большого числа взаимодействий. Может, пространство-время тоже представляет собой нечто такое, что возникает лишь на определенной ступени сложности?

Мы уже говорили: чтобы добраться до очень малых расстояний, нужны частицы с очень большой энергией. Но эти частицы так сильно взаимодействуют на изучаемый объект, что после этого он оказывается совсем не таким, каким был вначале. При столкновении рождается много новых частиц, а исходная частица-мишень вообще исчезает. Измеряя, мы ломаем то, что хотели бы измерить. Измерение очень мелких деталей внутри частиц, казалось бы, становится принципиально невозможным. А это как раз и означает, что понятие пространства теряет там свой смысл, становится чисто теоретическим.

На первый взгляд соображения весьма убедительны. Однако так было бы для частиц, движущихся по точным траекториям, когда траектория либо пересекает частицу-мишень, либо нет. Если пересекает, то происходит взаимодействие и мишень портится, если проходит мимо — то никакого взаимодействия нет и говорить не о чем. Для реальных микрочастиц картина получается совсем- иная. Они, как мы знаем, движутся по размазанным волновым траекториям; волна же всегда огибает края препятствия, рассеивается им. Поэтому всякий раз, когда поток частиц сталкивается с мишенью, наряду с взаимодействиями, разрушающими мишень, происходит и упругое рассеяние, при котором сталкивающиеся частицы отскакивают друг от друга совершенно невредимыми, подобно биллиардным шарикам. Изучая такое рассеяние, можно получить сведения о свойствах пространства и времени внутри самих частиц.

Составить наглядное представление о связи упругого рассеяния с поглощением довольно трудно. Возможно, кое-что здесь останется для читателя не совсем ясным. Но детали и не нужны. Важно понять одно: в природе существуют процессы, с помощью которых можно изучать пространство и время в микромире, и никаких принципиальных препятствий на этом пути не видно. Трудности связаны лишь с получением частиц высокой энергии. Гипотеза о макроскопическом происхождении пространства-времени оказывается неверной, хотя и по сей день ее нет-нет да и встретишь на страницах какого-нибудь журнала.

Можно многое рассказать о свойствах пространства и времени и о том, какие удивительные метаморфозы они могут претерпеть при переходе от привычных нам масштабов к ультрамалому и ультрабольшому. Но все-таки, что же это такое — пространство и время?

Как заметил один мудрец, пока меня не спрашивают об этом, я знаю, что это такое. И действительно, интуитивно каждый из нас представляет, что такое время и что такое пространство. Можно перечислить различные их свойства — протяженность, размерность, непрерывность и так далее. Но вот сказать, что же составляет суть, этих феноменов,— задача чрезвычайно сложная.

Кант вообще считал, что пространство и время — это лишь свойства нашего рассудка, наша прирожденная способность приводить в порядок расположение вещей и событий. Трудно, конечно, согласиться с тем, что пространство и время существуют лишь в нашей голове. Наоборот, все, что мы о них знаем, убеждает нас в том, что это — реальные, существующие независимо от нас свойства природы. Только эти свойства настолько общие, что трудно дать им конкретное физическое определение (о философском мы уже упоминали).

Пространство и время никогда не наблюдаются сами по себе, они всегда связаны с материей и ее движением. Еще Лукреций Кар в поэме «О природе вещей» писал:

Можно думать, что в своем глубинном значении пространство — это то, что выражает устойчивость сосуществования различных явлений и объектов в мире, а время — то, что характеризует их взаимодвижение, изменяемость. Другими словами, пространство и время — это структура сосуществования и изменения всего материального в мире.

Чересчур абстрактно, общо? Ничего не поделаешь! Сами ведь пространство и время — предельно общие понятия, более общих придумать трудно.

Такие понятия изучаются философией, которая потому и является наукой о самых общих законах природы и общества. В физических теориях пространство и время обычно понимают не так широко, включая в их определение уже нами упоминавшиеся конкретные свойства: протяженность, направленность и тому подобное. Но ведь все эти свойства имеют ограниченную область применения. Математикам, например, известно много бесконечных пространств, где нет такого привычного для нас свойства, как длина. Возможно, некоторые из таких пространственно-временных структур реализуются где-нибудь в глубинах микромира. Ну а то, что пространство может не иметь такого свойства, как различие правого и левого,— об этом уже шла речь. Если различие правого и левого считать неотъемлемым свойством пространства, то пришлось бы признать, что некоторые микрообъекты существуют вне пространства. Нет, не напрасно, определяя пространство и время, философы прибегают к самым общим и абстрактным понятиям!

Общую математическую теорию пространства различного типа первым разработал немецкий математик Бернгард Риман. В его теории пространство может быть скрученным и изогнутым, причем в различных точках по-разному, может иметь разрывы и дырки, быть многомерным.

Древнегреческий ученый Пифагор был убежден в том, что законы мира — это законы чисел. Все свойства и закономерности природы, считал Пифагор, а вслед за ним и его ученики, проистекают из математики. По их мнению, это самое первичное, что есть в мироздании. В законах чисел, как в курином яйце — цыпленок или в бутоне — роза, заложена возможность материального «раскрытия мира». Сначала пифагорейцам казалось, что наконец-то понята таинственная суть мироздания, причина его удивительной симметрии, порядка и целесообразности. И вдруг обнаружилось, что некоторые величины нельзя выразить никаким числом. Например, отношение длины окружности к ее радиусу или отношение длины стороны квадрата к его диагонали. Сегодня мы знаем, что для этого надо использовать иррациональные числа, но для Пифагора и его учеников, знавших лишь целые числа и правильные дроби, это выглядело потрясающей загадкой, мистическим чудом. Они были настолько поражены своим открытием, что в течении многих лет тщательно скрывали его как одну из самых ужасных и необъяснимых тайн бытия.