birmaga.ru
добавить свой файл

1
атомы и пустота

На алтарь мысли Максим мог положить всё, даже предметы первой необходимости. Так, однажды он сказал:
-- Когда я думаю, что пиво состоит из атомов, мне не хочется его пить.


Владимир Шинкарев. Максим и Фёдор.
Und läg' er nur noch immer in dem Grase!
In jeden Quark begräbt er seine Nase.

Johann Wolfgang von Goethe. Faust.

//на вёрстку: умляуты в двух буквах «а»; пожалуйста проверьте!

//кроме того, греческие «атомос» во втором абзаце и «лептос» ближе к концу. спасибо.
В те далёкие времена, когда «превращения веществ» числились за наукой химией, а само вещество представлялось в виде гирлянды разноцветных шариков на пружинках, Лайнус Полинг горделиво возвестил: «Химики -- вот те, кто действительно понимает устройство мира». Прошло не так уж много времени, мяч оказался на стороне физиков, и, стоит признать, сегодня устройства мира не понимает никто. Впрочем, обо всём по порядку.
мировой порядок
Двадцать две основные буквы: Б-г их нарисовал, высек в камне, соединил, взвесил, переставил и создал из них всё, что есть, и всё, что будет.

Сефер Йецира, [2:2]

Основоположниками европейского атомизма считают эллинских философов Левкиппа из Милета и Демокрита из Абдеры: ещё в V веке до рождества Христова они придумали «атом» (от греческого ατομος -- неделимый), свели бесконечность вещей и явлений к недолговечному сплетению носящихся в пустоте начал* [сноска: *«в общем мнении существует цвет, в мнении сладкое, в мнении горькое, в действительности же -- лишь атомы и пустота»] и породили растянувшуюся на века полемику.

врезка [мне цицерон напел]: Сочинения Демокрита были утрачены в глубокой древности, и ныне его воззрения известны лишь благодаря усилиям критиков: «Ибо таковы бесстыдные утверждения Демокрита или ещё раньше Левкиппа», -- негодовал Цицерон, -- «будто существуют некоторые лёгкие тельца, одни шероховатые, другие круглые, третьи угловатые и крюкастые, четвёртые закривленные и как бы внутрь загнутые и из этих-то образовались небо и земля, причем это образование произошло по природе без всякого воздействия извне, но вследствие некоторого случайного стечения».
В чём не откажешь древним грекам и прочим римлянам -- так это в умении формулировать: Платон примерял на атомы свои идеальные формы, Эпикур -- пытался перелицевать их в «корпускулы», Галилей выискивал в них изъяны и каверны, Дальтон взвесил, Менделеев занумеровал и разложил по полочкам, и лишь в 1895 году усилиями Джозефа Томсона неделимое и неизменное стало просто неизменным, а для частей, на которые раскололся атом, пришлось изобретать новый термин: элементарные частицы.
элементарно, томсон?
The proof of the pudding is in the eating.

Английская пословица.

Блестяще станцевав первую фигуру научного балета, Томсон попытался сложить свежеизъятые из «катодных лучей» корпускулы (прижилось имя, данное Джорджем Стони: электроны) обратно в вещество. Получилось так себе. Однофамилец Джозефа, Вильям Томсон, более известный как лорд Кельвин, порекомендовал нашпиговать положительно заряженное атомное тесто электронами -- как пудинг изюмом. Увы, пудинг Томсонов не продержался и десяти лет, пав от руки Резерфорда, предложившего свою модель: массивные ядра-звёзды и электроны, снующие вкруг них подобно планетам.

Без преувеличения, то был звёздный час науки о веществе: планетарная метафора идеально отвечала высказанному ещё во времена Гермеса Трисмегиста алхимическому принципу «что наверху -- то и внизу», и, к тому же, была столь проста, что с лёту понималась и принималась «человеком с улицы». Что до специалистов… тут наметились проблемы: известно, что криволинейно движущийся электрон создаёт магнитное поле. Растрачивая энергию, он с необходимостью понижает орбиту, и, в скором времени, падает на ядро; следом за ним рушится весь мир, и включать свет в холодильнике становится некому и не для кого. Финал печальный, но в реальности -- сюрприз, сюрприз! -- не наблюдаемый.
Защиту мироздания взял на себя Нильс Бор -- великий физик, умевший изъясняться человеческим языком и при этом с лёгкостью повелевавший дикими атомными гусями: с помощью пары постулатов он запретил электронам пересекать сплошную разделительную, обложил квантовыми штрафами и придал планетарной модели видимую устойчивость. Дальнейшие манипуляции оказались далеки от широкой публики -- но не из-за того, что было что скрывать, а, напротив, из отсутствия умопостигаемых теорий.
спиной к спине и другие невероятные позиции
Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна, но она бесконечно существует […]

Владимир Ленин. Материализм и эмпириокритицизм.

Оставив непосвящённых играться с планетарной моделью (Валерий Брюсов даже посвятил ей довольно милые стишки), учёные пару раз попытались соотнести здравый смысл с тем безобразием, что диктовал научный метод, и, окончательно убедившись в их непримиримости, пожертвовали здравым смыслом. Начиная с 1927 года электрон превратился в этакого Неуловимого Джо, который либо мечется невесть где в прериях (но при этом мы уверены, что это Джо), либо подпирает стену салуна (но в этом случае мы уже с трудом узнаём его: это называется принципом неопределённости Гейзенберга).

Мало того, бедолаге Джо пришлось обзавестись некоей не имеющей материального смысла характеристикой -- спином; сделано это было, разумеется, для его же блага: теперь два Джо с противоположными спинами могли, не слишком стесняя друг друга, уместиться на одной лавке.
Другая странность Лимона… э-э-э… Электронного Джо стыдливо именуется «корпускулярно-волновой дуализм» и, простыми словами, заключается в следующем: с одной стороны, мы наблюдаем его как истого католика, малого набожного и корпускулярного, с другой -- имеются неопровержимые свидетельства о том, что он мормон, многожёнец и вообще волна. Многогранная личность, что и говорить.
один сломал, другой потерял
Наблюдая всё время в подзорную трубу, я увидел следующее: на полпути между обоими орудиями ядра столкнулись.

Рудольф Эрих Распе. Вечера барона Мюнхгаузена.
Если таковы легковесные электроны -- то чего ожидать от массивных (по мерками микромира, разумеется) атомных ядер? Довольно быстро удалось выбить из ядра первый нуклон -- положительно заряженный протон; через десяток лет за ним последовал нейтральный нейтрон. Казалось, вселенский пасьянс вот-вот сойдётся. Оставалась самая малость: энергия-масса до столкновения и после разнились на величину, которой никак не получалось пренебречь.

Первым сдался Паули, хотя решение далось очень и очень нелегко: в письме коллегам он сокрушался: «Сегодня я совершил ужасное. Физику-теоретику никогда не следует делать ничего подобного. Я ввёл в теорию нечто, что никогда не удастся проверить экспериментально». Речь шла о новой частице -- юркой и пронырливой; итальянец Энрико Ферми игриво окрестил её нейтрино, нейтрончик. Несмотря на опасения Паули, существование нейтрино всё же удалось подтвердить, но только в 1956 году -- спустя 25 лет после того, как частица родилась «на кончике пера».

врезка [выстрелы с той стороны]: Сперва поиск новых элементарных частиц вёлся, в буквальном смысле, «в тёмной комнате» -- поток излучения от естественного радиоактивного источника направлялся на мишень из фольги, а результаты наблюдались на экране, обработанном сульфидом цинка (этим же веществом, к слову, до недавнего времени покрывались кинескопы чёрно-белых телевизоров). Когда поиски заходили в тупик, физики отправлялись искать «под фонарём» -- использовали космическое излучение; так, в установленной на вершине Пайк в штате Колорадо камере Вильсона удалось зафиксировать первую из предсказанных Дираком античастиц -- позитрон (антиэлектрон, 1932), а пятью годами позже -- никем не предсказанный мюон. Рассказывают, будто, услышав о последнем, нобелевский лауреат Исидор Раби ворчливо поинтересовался: «Ну, а этот-то кто заказывал?»
о чём поёт морская птица
там их было всех сортов, всех размеров,
всех цветов…


Александр Пушкин. Царь Никита и сорок его дочерей.

С появлением ускорителей производство новых частиц встало на поток: уже в конце сороковых академик Вавилов подтрунивал над ядерщиками: «Что ни сезон -- то мезон!», а к шестидесятым число «элементарных» перевалило за несколько сотен. Большинство из них составляли короткоживущие адроны, или тяжёлые частицы, и для приведения этого мерцающего зоопарка к единому знаменателю явно требовалось что-то делать. Мысли великих сходятся: Гелл-Манн и независимо от него Цвейг решили помыслить адроны состоящими из более мелких частиц (поскольку обозначение «элементарные» оказалось дискредитировано, сошлись на термине «фундаментальные»).

Гелл-Манн называл новые частицы кварками, позаимствовав имя из второй книги «Поминок по Финнегану»** [сноска: **вот какую песню поют бакланы безумному дублинцу: Three quarks for Muster Mark!//Sure he hasn't got much of a bark//And sure any he has it's all beside the mark.]; воистину, одно то, что физик нашёл в себе силы прочесть джойсовский роман (по крайней мере -- до половины) делает ему честь. Учёные досуги Цвейга, похоже, составляли иные развлечения: он собирался назвать кварки тузами. То, что изначально кварков было три, склонило научную общественность к предложению Гелл-Манна. Однако вскоре кварков стало четыре (вот тут тузы пригодились бы!), потом пять (хм… скажем, четыре туза и джокер), а потом и шесть (всё, я пас, пусть будут кварки).

врезка [а если синий на антисинего налезет]: На сегодняшний день открыты -- или, вернее сказать, придуманы -- кварки шести разновидностей (ароматов), а именно: нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный и правдивый. Кроме того, каждый кварк может быть окрашен в один из трёх цветов: красный, синий и зелёный (это не настоящие цвета, а такая же абстракция, как и «правдивость»), либо в один из трёх «антицветов» -- антикрасный, антисиний и антизелёный. Выносить свою масть «на люди» кварки стыдятся, и группируются таким образом, чтобы погасить цвет друг друга: например -- пара синий и антисиний (так составляются «средние» адроны -- мезоны), либо тройка красный+синий+зелёный (считается, что в результате выходит белый: так образуются «тяжёлые» барионы).

Реальность кварков до сих пор под вопросом -- несмотря на то, что опыты вроде бы свидетельствуют о наличии у нуклонов (к примеру, у протона) трёх центров, партонов, на роль которых кварки неплохо подходят; строго говоря, существование партонов говорит лишь о неоднородности нуклонов, и не больше. С завидной регулярностью появляются сообщения об открытии частиц, не укладывающихся в стандартную модель, но сторонникам кварковой теории до сих пор удавалось выворачиваться. Посмотрим, что будет дальше: вдруг нам повезёт и мы станем свидетелями рождения пары новых ароматов -- допустим, «стойкого» и «хитроумного».
куда подевался кондратий, или список потерь
Видишь суслика? Нет? И я не вижу. А он есть.

Из фильма.
Помимо семейства из шести кварков, стандартная модель числит фундаментальными шесть лептонов (от греческого λεπτός, лёгкий), в число которых входят: электрон (привет, Джо!), мюон, тау-лептон и три сорта нейтрино; а также частицы-переносчики -- 8 глюонов, «склеивающих» кварки, и калибровочные бозоны (одним из которых является фотон). Если прочитать этот абзац несколько раз, всё станет понятно. Ну, фотон. Он ещё светится, помните? Вот и славно. Идём дальше.

Частица-переносчик гравитационного взаимодействия, гравитон, до сих пор не найдена, и о перспективах её обнаружения физики выражаются даже более осторожно, чем некогда о нейтрино. Мало того, для придания массы калибровочным бозонам потребовалось ввести в теорию бозон Хиггса -- очередную частицу, о которой известно почти всё*** [сноска: ***Хиггсоновский бозон, или просто Хиггс, действует подобно загорающей топлесс девушке, что притягивает взгляды мужчин вне зависимости от семейного положения и массы последних. А вот фотон -- не притягивает. Вероятно, фотон близорук.], кроме того, где её искать.

Ещё одна воображаемая частица -- пентакварк, и ей не повезло дважды: её умудрились сперва открыть (2003), а потом закрыть (2005). Дело было так: российские учёные предположили, что бесцветная комбинация кварков может быть составлена не только из пары или из тройки, но и из пятёрки (скучено живут российские учёные, что поделать). Не имея возможности проверить теорию экспериментально, они уговорили японцев поискать что-нибудь похожее на ускорителе LEPS. Японцы нашли. Вслед за ними частицу увидели американцы и немцы: да, явный пентакварк. Однако вскоре данные по пентакварку признали недостоверными и невоспроизводимыми; а саму частицу закрыли. Надолго ли?
две лицевых, одна изнаночная
-- Надеюсь, -- сказала про себя Алиса, -- она приведет меня всё же наверх! Как она кружит! Прямо штопор, а не тропинка!

Льюис Кэрролл. Сквозь зеркало и что там увидела Алиса.
Что и говорить, кварки с их цветами и ароматами -- презабавные зверьки; иногда кажется даже, будто Гелл-Манн нарочно привил своей теории толику студенческой бесшабашности, если не безбашенности: мало у кого хватит пороху спорить с тем, что изначально подаётся как гэг. Но мы -- из соображений, скажем так, научкорректности -- всё же упомянем об одной из альтернативных концепций: теории струн.

Модели, изображавшие атом в виде тора, или бублика, со смехом отвергались ещё во времена Резерфорда, однако в конце шестидесятых, незадолго до появления квантовой хромодинамики (науки, описывающей «цветовые» взаимодействия кварков), родилась теория, представляющая элементарные частицы в виде струн, звучащих на определённых нотах. Некоторые из струн замкнуты в кольцо, другие свёрнуты в поросячий хвостик -- но и те и другие образуют гармонично звучащий мир размерности 26.

Признаемся, это несколько больше, чем мы привыкли считать… три-четыре, да, но уж никак не 26! Перепроверив всё и вся, удалось свести число измерений до десяти (правда, потом пришлось откатиться к 11). Но адептов теории струн подобное обстоятельство уже не смущает -- мир-рояль объясняет некоторые явления (например, многострадальную гравитацию) изящней, чем вошедшая в фавор «стандартная модель», а то, что мы не часто наблюдаем лишние измерения -- это, верят они, с непривычки.
врезка: [учение ленина всесильно, поскольку оно верно] Перебирая институтские конспекты, с великим удивлением обнаружил, что ещё 1908 году Ульянов-Ленин высказался пусть недостаточно изящно, но веско: «"Сущность" вещей или "субстанция" тоже относительны; они выражают только углубление человеческого познания объектов, и если вчера это углубление не шло дальше атома, сегодня -- дальше электрона и эфира, то диалектический материализм настаивает на временном, относительном, приблизительном характере всех этих вех познания природы прогрессирующей наукой человека.»

Похоже, современная наука движется тем же манером, что и демокритовские атомы двухсполовинойтысячелетней давности**** [сноска: ****процитируем аристотелевскую «Физику»: «Левкипп же и приятель его Демокрит учат, что бытие нисколько не более существует, чем небытие, так как и пустота не менее реальна, чем тело, и […] движение существует благодаря пустоте».] -- за счёт пробелов в актуальной картине мира. Так что, если однажды вы обнаружите себя в пространстве размерности 11, окружённым крошечными арфами и альтами -- не пугайтесь и не думайте, что пришло время менять дилера; может статься, просто кто-то из учёных сделал очередной шаг к Великому Объединению. Маленький шаг человека, большой шаг человечества, всё такое. Вероятно, это даже будет забавно.

-=-=-=-
//редактору, на всякий случай: русский вариант эпиграфа из «Фауста»; можно дать сноской -- хотя цимес именно в слове "Quark"

* в переводе Бориса Пастернака:

О, если б он сидел в траве покоса

И во все дрязги не совал бы носа!