Текст книги "Удивительная философия"

Лилипуты пространства и времени. Элементарные частицы

После революционных открытий в физике на рубеже XIX–XX вв. было установлено, что атомы делимы и имеют сложное строение – состоят из более мелких частиц, взаимодействующих одна с другой, благодаря чему возможны разные внутриатомные изменения и превращения. Эти частицы были названы элементарными (от лат. elementarius – «первоначальный, простейший»). Сначала они считались (вместо атомов) последним и неделимым пределом вещества, основой всех материальных объектов или физических тел. Однако в скором времени ученые осознали условность, или относительность, термина «элементарный», потому что выяснилось, что элементарные частицы вовсе не неделимы и совсем не просты, а, наоборот, представляют собой сложные микрообъекты с определенной структурой (устройством или строением), то есть оказалось, что они никак не элементарны. Тем не менее исторически сложившееся название продолжает существовать.

Дальнейшее проникновение науки в глубины микромира было связано с переходом от уровня атомов к уровню элементарных частиц. В качестве первой из них в конце XIX в. был открыт электрон, а затем в первые десятилетия ХХ в. – фотон, протон, позитрон и нейтрон. В середине нынешнего столетия благодаря использованию современной экспериментальной техники было установлено существование более 300 видов элементарных частиц.

Основными их свойствами являются масса, заряд, среднее время жизни и участие в тех или иных типах взаимодействия. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы. Это фотоны. Другие частицы по массе делятся на лептоны (от греч. leptos – «легкий»), мезоны (от греч. mesos – «средний») и барионы (от греч. barys – «тяжелый»). Все известные частицы обладают положительным, отрицательным или нулевым электрическим зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. Не так давно была высказана гипотеза о существовании частиц с дробным электрическим зарядом (⅓ или ⅔ от заряда электрона). Они были названы кварками. Экспериментального подтверждения эта гипотеза пока не нашла. По времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно они играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны. Они существуют около 10^-24 – 10^-10 с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10^–23 – 10^-22 с называются резонансами. Вследствие краткого времени существования они распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Эти частицы вычислены теоретически, обнаружить их в реальных экспериментах пока не удается.

Важной характеристикой элементарных частиц является тип взаимодействия. По современным представлениям в природе существуют четыре вида взаимодействия в порядке убывания интенсивности: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии не более ≈10^-13 см. Сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего возникают атомные ядра, обладающие большой прочностью. Они являются весьма устойчивыми, и их трудно разрушить. Электромагнитное взаимодействие в тысячу раз слабее сильного, радиус его действия не ограничен. В результате этого взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, а атомы – в молекулы. Слабое взаимодействие ответственно за многие распады элементарных частиц. Оно действует на расстоянии от 10^–22 до 10^–15 см. Гравитационное взаимодействие – самое слабое, не учитываемое в теории элементарных частиц. В космических масштабах оно, наоборот, имеет решающее значение, так как представляет собой не что иное, как всемирное тяготение (взаимное притяжение огромных космических объектов – планет и звезд). Расстояние, на котором оно действует, неограниченно.

Если физические тела состоят из молекул, молекулы – из атомов, а атомы – из элементарных частиц, то логично было бы предположить, что элементарные частицы складываются, в свою очередь, из более мелких частиц. Однако такой вывод сделать невозможно, потому что на элементарном уровне существуют совершенно иные законы и все, к чему мы привыкли в макромире, там абсолютно не действует. Например, мы прекрасно знаем, что если какое-нибудь тело распадается на части, то любая часть будет и по размерам, и по массе меньше исходного целого тела. А если распадется элементарная частица, то вполне может быть, что продукты ее распада окажутся по размерам и по массе больше исходной распавшейся частицы. Это невероятно с позиций привычных представлений. Поэтому правильнее было бы говорить, что элементарные частицы не распадаются, а преобразуются или превращаются. Как это ни удивительно, но одна частица может превращаться в другую. Так же почти каждая элементарная частица может быть как бы «составной частью» любой другой элементарной частицы. Если частицы способны к превращениям и другим сложным изменениям, значит, они имеют какую-то внутреннюю структуру или устройство. Какое? На этот вопрос современная наука пока не в состоянии ответить. Единственное, что можно утверждать, – несомненное наличие у элементарных частиц этой структуры. Однако невозможно говорить, как мы увидели, что она состоит из еще более мелких частиц. Здесь мы сталкиваемся с неведомым пока уровнем существования материи, который лежит глубже сферы элементарных частиц и представляет собой нечто совершенно для нас новое, непривычное, необыкновенное, невыразимое в существующих ныне научных понятиях и не укладывающееся в современные научные представления и теории. Дальнейшее проникновение в глубинные тайны микромира, по всей видимости, будет делом науки XXI в.

Мириады далеких галактик. Освоение мегамира

Мегамир, как нам уже известно, – это область бескрайних космических просторов. Его главными объектами по современным представлениям являются звезды и планеты. Почти все вещество Вселенной (97 %) сосредоточено в звездах. Они представляют физические тела гигантских размеров. Для пояснения скажем, что диаметр Солнца, которое является небольшой звездой, равен приблизительно 1 400 000 км, в то время как диаметр Земли – это приблизительно 12 700 км, то есть Солнце превосходит Землю по диаметру примерно в 110 раз. А это значит, что по объему оно больше нашей планеты приблизительно в миллион раз. Звезды – это плазменные космические объекты. Плазму часто называют четвертым состоянием вещества. Первые три – это твердое, жидкое и газообразное. Одним из различий между этими тремя состояниями является температура. Так, например, вода при одной температуре может быть льдом (то есть может находиться в твердом состоянии), при более высокой – водой (жидкое состояние), а еще при более высокой – паром (газообразное состояние). Под плазмой чаще всего понимается вещество с огромной температурой. Проще ее можно было бы назвать раскаленным газом. Таким образом, звезды – это очень горячие газовые тела колоссальных размеров.

В недрах звезд температура достигает 10 миллионов градусов. При таких условиях ни макротела, ни молекулы, ни даже атомы существовать не могут. Электроны по чти полностью или абсолютно все отделены от своих атомов. Лишившиеся электронов атомные ядра вступают во взаимодействие друг с другом, благодаря чему водород, имеющийся в изобилии в большинстве звезд, превращается при участии углерода в гелий. Эти и подобные ядерные превращения являются источником огромного количества энергии, уносимой излучением звезд. Те же силы, которые высвобождаются при взрыве водородной бомбы, образуют внутри звезды энергию, позволяющую ей излучать свет и тепло в течение миллионов и миллиардов лет. Звезды выступают в качестве своеобразной «кузницы атомов», или «плавильного тигля» Вселенной: основная эволюция (развитие) вещества в ней происходила и происходит в недрах звезд. Благодаря протекающим в них превращениям элементарных частиц образуются атомные ядра, а на окраинах и в окрестностях звезд, где температура намного ниже, возникают атомы, которые, как известно, взаимодействуя друг с другом, приводят к образованию молекул, а те в свою очередь складываются в макротела (твердые, жидкие и газообразные).

Звезды существуют не изолированно, а в виде гигантских скоплений, которые называются галактиками. В настоящее время астрономы насчитывают около 10 миллиардов галактик. Наша Солнечная система находится внутри одной из них. Эта Галактика состоит приблизительно из 120 миллиардов звезд (то есть в ней содержится 120 миллиардов космических тел, подобных Солнцу). Наша Галактика имеет форму утолщенного диска. Его диаметр равен 100 тысячам световых лет (чтобы попасть из одного конца нашей Галактики в другой, надо лететь 100 тысяч лет со скоростью света). Толщина галактического диска равна 1500 световых лет. Этот диск можно сравнить с толстым стеклянным блюдцем. Если мы посмотрим на него сверху, то какую геометрическую фигуру увидим? Круг. А если посмотреть на утолщенное блюдце сбоку, то мы увидим широкую линию. Если это блюдце разрезать пополам и посмотреть на его разрез, то видна будет также широкая линия. На темном небосводе в безлунную и ясную ночь можно увидеть огромную, тянущуюся через все небо широкую линию белесого цвета. Это Млечный Путь, глядя на который мы видим именно разрез нашего галактического диска.

Солнце и его девять планет находятся на окраине Галактики. Солнечная система вращается вокруг ядра Галактики, делая полный оборот за 200 миллионов лет (так называемый галактический год). Ядро Галактики состоит из очень плотного огромного скопления звезд. В настоящий момент Солнце движется в той части галактического пространства, где ядро закрыто от него пылевой туманностью (громадным облаком космической пыли). Через несколько миллионов лет Солнечная система выйдет из-за этой завесы и будет подвержена излучениям, идущим от ядра. Им будет подвергаться также и наша планета. Возможно, что если бы Земля не была защищена пылевой туманностью, а была открытой, то излучения галактического ядра влияли бы на состояние и развитие жизни на ней.

Галактики существуют не изолированно, а в виде гигантских скоплений. Если, несмотря на огромные расстояния между галактиками (в десятки и сотни миллионов световых лет), провести сравнение между молекулами макротела и галактиками в скоплениях, то окажется, что галактические скопления можно уподобить очень вязкой среде. Взаимодействующие скопления галактик образуют Метагалактику. Греческая приставка «мета» означает «над», «сверх», «более» и так далее, то есть Метагалактика – это Сверх– или Супергалактика. Она включает в себя все известные нам космические объекты. Поэтому можно считать, что Метагалактика и Вселенная – одно и то же. Однако современная наука допускает возможность возникновения и существования множества других миров, кроме нашей Метагалактики, называемых внеметагалактическими объектами. Все они вместе с Метагалактикой и образуют Вселенную. Однако данное утверждение – всего лишь гипотеза (предположение).

Помимо звезд важными космическими объектами являются планеты. Они представляют собой твердые физические тела, которые по своим размерам и массе намного меньше звезд. Планеты имеют сложную внутреннюю структуру, включающую ядро, литосферу (от греч. lithos – «камень»), или твердую кору, а в ряде случаев – атмосферу и гидросферу. Звезды и планеты составляют планетные системы, одной из которых является Солнечная система. Поскольку вследствие огромных космических расстояний планетные системы других звезд ненаблюдаемы, то проблема происхождения планет рассматривается на примере Солнечной системы.

Первые гипотезы о ее происхождении были выдвинуты немецким философом Иммануилом Кантом и французским ученым Пьером Симоном Лапласом. Их предположения вошли в науку как некая коллективная космогоническая гипотеза Канта – Лапласа. Космогония (от греч. kosmogonia – «происхождение мира») – наука о происхождении и эволюции как Вселенной, так и ее отдельных объектов. По гипотезе Канта – Лапласа, Солнечная система образовалась из огромной газово-пылевой туманности, находившейся во вращательном движении, в результате которого в ее центре возникло сгущение, позже превратившееся в Солнце. Продолжение вращательного движения привело к образованию вокруг Солнца других сгущений, ставших впоследствии планетами. Иную гипотезу высказал уже в нынешнем столетии английский физик Джеймс Джинс. По его предположению, Солнце некогда столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, остывая и сгущаясь, преобразовалась со временем в планеты. Однако колоссальные расстояния между звездами делают такое столкновение маловероятным. Кроме того, Солнечная система представляет собой очень стройный механизм: все планеты вращаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и находятся по чти в одной и той же плоскости, каждая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая. (Последовательность расположения планет от Солнца такова: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон.)

Учитывая эти закономерности строения Солнечной системы, трудно предположить, что планеты являются осколками космической катастрофы. Позже была предложена еще одна гипотеза, которую выдвинули шведский физик Ханнес Альвен и английский физик Фред Хойл. Они утверждают, что первоначальное газовое облако, из которого образовались Солнце и планеты, было сильно ионизированным (состояло из ионов) и поэтому подвергалось влиянию электромагнитных сил. После того как из огромного газового облака посредством концентрации (сгущения) образовалось Солнце, на очень большом расстоянии от него остались небольшие части этого облака. Гравитационная сила стала притягивать остатки газа к образовавшейся звезде – Солнцу, но его магнитное поле остановило падающий газ на разных расстояниях – как раз там, где сейчас находятся планеты. Гравитационная и магнитная силы привели к сгущению этого газа, в результате чего образовались планеты. Вообще гравитационное и электромагнитное взаимодействия, по современным научным представлениям, обусловливают рождение и эволюцию не только планет, но также звезд и галактик, то есть являются основными факторами многих процессов во Вселенной. Все высказанные идеи относительно происхождения Солнечной системы носят гипотетический характер. Назвать какую-либо из них достоверной (точной) современная наука не в состоянии. Дальнейшее исследование космогонических проблем – дело будущего.

Помимо звезд и планет вещество Вселенной представлено также диффузной (от лат. diffusio – «распространение, растекание, рассеивание») материей. Она существует в виде разобщенных атомов и молекул, а также гигантских облаков пыли и газа – газово-пылевых туманностей. Значительную долю материи во Вселенной занимают излучения разных видов. Следовательно, космическое межзвездное пространство никоим образом не пусто.

Рождение Вселенной Гипотеза. Большого взрыва

Точно ответить на вопрос о происхождении Вселенной современная наука пока не может (и вряд ли будет в состоянии это сделать в ближайшее время – настолько он сложен). Однако у нее есть более или менее обоснованные предположения. Одно из них в настоящее время наиболее распространено, популярно и достаточно убедительно. Это гипотеза Большого взрыва, предложенная еще в 1940-е гг. и утвердившаяся в естествознании в 1970-е гг.

Наблюдая существующее вокруг нас, можно заметить одну интересную закономерность: все большое образуется из малого. Вы бросаете в землю крохотное зернышко, едва различимое глазом, а из него вырастает мощное дерево, превосходящее породившее его зернышко по своим размерам и массе в миллионы раз. Кроме того, невзрачное зернышко по чти бесформенно и кажется предельно простым, недостойным внимания объектом. А могучее дерево поражает красотой и величием своих форм: огромные корни, простирающиеся по земле на многие метры, широкий и высокий ствол, тянущиеся во все стороны сильные ветви, замысловатого рисунка кора и несчетные мириады разного оттенка листьев, шелестящих на ветру, укрывающих от дождя и спасающих от палящих солнечных лучей. Как ни удивительно, но это огромное дерево выросло из ничтожного, по чти незаметного зернышка. Значит, оно в нем было запрограммировано, уже содержалось в некоем сжатом, или свернутом, невидимом состоянии. А человек за девять месяцев до своего рождения является мельчайшим микроорганизмом – клеткой, которую можно разглядеть только в мощный микроскоп. Однако в ней уже заложен весь будущий человеческий организм с руками, ногами, головой и всем прочим. Итак, все большое берется из малого. Ни одна вещь не является исключением из этого правила. Почему бы не предположить, что данная закономерность распространяется и на Вселенную в целом?

Согласно гипотезе Большого взрыва, очень давно (приблизительно 20 миллиардов лет назад) Вселенная была очень малых размеров. Ее радиус равнялся примерно 10^-12

см, что близко к радиусу электрона. Все бескрайнее невообразимое пространство нынешнего космоса, расстояния в котором измеряются миллионами световых лет, было спрессовано в предельно сжатом чрезвычайно малом объеме. Понятно, что плотность вещества в этом ничтожном объеме была колоссальной – приблизительно 10⁹¹ г/см³. Также ясно, что все бесконечное многообразие Вселенной было заложено в этот первоначальный микрообъект, содержалось в нем потенциально, то есть неявно, незримо, представляло собой возможность, которая должна была превратиться в действительность. Точно так же, как и большое дерево с многообразием своих форм потенциально содержится в маленьком зернышке, 20 миллиардов лет назад эта спрессованная точка размером с электрон, обладавшая неописуемой плотностью и энергией, взорвалась со страшной силой, результатом чего были образование и дальнейшая эволюция всех объектов Вселенной.

Есть и другое предположение о Большом взрыве. 20 миллиардов лет назад Вселенная была не ничтожно малым объектом, а вакуумом. Однако вакуум – это не абсолютное ничто, не Небытие. Чтобы подчеркнуть это, часто употребляют понятие физического вакуума, который представляет собой особое состояние материи. Говоря просто, физический вакуум – это такое ничто, в котором потенциально, скрыто, неявно содержится все. Он способен внезапно и резко перестраивать свою структуру, то есть меняться, переходить из одного состояния в другое. Такие переходы в физике называют фазовыми (например, переход воды в пар и лед). В результате одного из фазовых переходов физического вакуума, который и был Большим взрывом, он из пустоты (ничего) превратился во Вселенную (все).

Какой бы ни была Вселенная, по различным представлениям, до взрыва – сверхплотной точкой или физическим вакуумом, непроизвольно возникает вопрос: а что существовало до этой точки или вакуума, а также что находилось вокруг того или другого или, иначе, где была эта точка или этот вакуум? Такого рода вопросы отпадут, если мы вспомним теорию относительности. Ее основной идеей является утверждение, что материя, пространство и время – это не разные объекты, а по большому счету одно и то же и не существуют друг без друга. Когда мы спрашиваем, что было до сверхплотной точки или вакуума, то автоматически предполагаем, что время существовало само по себе, еще до появления материи. Понятно, что материя родилась из точки или из вакуума в момент Большого взрыва. Когда мы спрашиваем, где существовала сверхплотная точка или вакуум, то автоматически предполагаем, что пространство существовало само по себе, еще до появления материи. Вспомним, Эйнштейн убедительно доказал, что не может быть никакого пространства и времени без, помимо или вне материи. А это значит, что спрашивать о том, где находилась точка или вакуум, равно как и о том, что существовало до того или другого, нельзя, потому что если до взрыва не было материи, то не было и пространства со временем. А вернее, они являлись или этой сверхплотной точкой, или физическим вакуумом, и появились, как и материя, в результате Большого взрыва. Это утверждение кажется странным и необычным. Можно представить себе отсутствие материи, но как вообразить несуществование пространства и времени? То, что было до взрыва, можно условно назвать «ничто». Может ли в «ничто» что-то присутствовать? Конечно же, нет. В «ничто» не может быть ничего, в том числе пространства и времени.

Гипотеза Большого взрыва не является только умозрительным предположением. В ее пользу говорят различные наблюдения. Так, в 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл заметил, что свет далеких галактик несколько краснее ожидаемого. Из этого наблюдения путем сложных физических расчетов он сделал вывод, что Вселенная расширяется, причем одинаково во всех направлениях, то есть взаимное расположение космических объектов не меняется, а изменяются только расстояния между ними. Точно так же, как не меняется расположение точек на поверхности воздушного шара, но меняются расстояния между ними, когда его надувают. В настоящее время галактики «разбегаются» с огромной скоростью. Но если Вселенная расширяется, то обязательно возникает вопрос: а какие же силы сообщают разбегающимся галактикам начальную скорость и дают необходимую энергию? Современная наука предполагает, что исходным моментом и причиной нынешнего расширения Вселенной был Большой взрыв. Однако это предположение остается гипотезой и ждет своего подтверждения или опровержения в результате будущих научных исследований.