Масштабные эффекты
Масштабные эффекты
Признаться откровенно, я никогда не мог понять, почему все книги, стремящиеся рассказать доступно о том, что такое квантовая теория, теория относительности и другие трудные главы современной физики, не начинаются с объяснения, почему эти главы трудны для человека. Вероятно, хорошим введением в физику был бы рассказ о том, что ее трудности — следствие того, что она изучает вещи и явления, не похожие на человека и на привычный ему мир.
В самом деле, ведь человек — только часть природы, вполне конкретный сгусток материи, имеющий свои размеры, массу, диапазон скоростей и продолжительность существования. В известном смысле человек как бы сам собой измеряет окружающую Вселенную: инструменты, которыми он производит измерения, он создал в масштабах собственного тела. Мерки, применяемые человеком, — сантиметры, метры, километры, метры в секунду, секунды или часы — это всё такие мерки, которые, каждую в отдельности, легко представить (чуть ли не пощупать) и которыми, не пользуясь слишком большими числами и слишком дробными тоже, удобно измерять тела и явления нашей практики.
Но ведь мир, как все больше выясняется, много шире человеческих масштабов. Мир простирается и по ту, и по сю стороны человеческих ощущений: и в сторону титанических (с человеческой точки зрения) вещей, и в сторону предметов и явлений невидимок (назовем их так за невероятно малые размеры, короткие сроки жизни, быстрые скорости перемещения и т. д.).
Очередной балласт, который должен сбросить со своих плеч человек, чтобы правильнее понять природу, — это балласт «антропоморфности»: навязывания Вселенной на всех ее уровнях человеческих масштабов и закономерностей нашего мира.
Не сделав этого, человек немедленно даст волю тормозящим силам умственной инерции.
Увы, во власти такой инерции находятся еще очень многие.
До сих пор, например, не в диковинку встретить человека, любящего пофилософствовать на тему о повторяемости миров на разных уровнях. Мне пришло однажды письмо, в котором автор сочувственно цитировал слова известного английского астронома XVIII–XIX веков Вильяма Гершеля об обитаемости Солнца. «Я полагаю себя достаточно авторитетным в астрономии, — гордо говорил Гершель, — чтобы считать Солнце обитаемым миром. Его подобие остальным планетам Солнечной системы в отношении твердости, атмосферы и пересеченного характера поверхности, вращения вокруг оси, падения тяжелых тел — все это приводит к весьма вероятному предположению о том, что Солнце так же обитаемо, как и остальные планеты, и населено существами, органы которых приспособились к необычным условиям этого гигантского шара».
Ищут аналогию с земной жизнью и на другом конце масштабного спектра — в области микромира. В подобных случаях мне вспоминается знаменитое стихотворение Валерия Брюсова:
Быть может, эти электроны —
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков…
Гершель был великим астрономом, а Брюсов — образованным человеком своего времени. Но заблуждался и астроном, полагавший, что за необычайно яркой атмосферой Солнца находится непрозрачное, прохладное и очень твердое небесное тело, и поэт, размышлявший о цивилизации на электроне.
«Природа не похожа на матрешек», — сказал однажды известный французский физик-коммунист Поль Ланжевен. Он хотел выразить ту простую мысль, что переход от одного «мира» физики к другому не похож на простую смену масштабов, как это бывает при извлечении одной деревянной матрешки из другой. В физике такой переход обязательно связан с какими-то качественными изменениями. Это происходит потому, что природа многолика, и каждый ее «мир», обусловленный размерами тел или скоростями протекания процессов, имеет свое неповторимое лицо.
Представьте себе, что некая неведомая сила вдруг уменьшила вас в тысячу раз. Вам покажется, что вы попали на другую планету. Песчинки превратятся в каменные глыбы, трава — в непроходимый лес фантастических плоских деревьев с острыми вершинами, убегающими в бесконечность. Страшные, порывистые чудовища — муравьи — бросятся на вас и слопают в момент, если вы не успеете обрести свой обычный вид.
Одна и та же точка Вселенной — в пространстве и во времени — воспринимается по-разному существами, резко различающимися размерами. Одни увидят то, чего не видят другие; зато глаза первых будут закрыты на очевидное для вторых.
Возьмем другой пример. Нальем в стакан воды и перевернем его. Вода, конечно, выльется. Теперь опустим в воду стеклянную палочку и вынем ее. Что мы увидим? Несколько крупных капель одна за другой быстро скатятся и упадут, но последняя капля задержится и повиснет на палочке. Для третьего, столь же простого опыта воспользуемся пульверизатором. Струей воздуха превратим воду в тончайшую водяную пыль. Что же произойдет теперь с молекулами воды, совершенно одинаковыми с теми, что были и в первых двух случаях? Они не упадут на землю: образовавшиеся жидкие пылинки будут свободно парить в воздухе, не поддерживаемые никакими твердыми предметами.
Итак, налицо одни и те же физические тела — молекулы воды. Одни и те же силы действовали на них: силы тяжести, молекулярное сцепление, сопротивление воздушной среды (иначе говоря, сила трения воздуха). А результаты совершенно разные, потому что соотношения сил различались между собой. В одном случае преобладали силы тяжести, в другом — молекулярное сцепление, в третьем — сопротивление воздушной подушки. В конечном счете это привело к разным результатам.
Размер определяет круг явлений, в который попадает испытуемое тело. Хотя основные законы природы, разумеется, остаются неизменными на всех размерных уровнях, но соотношение между влияющими факторами настолько изменяется, что приходится говорить о разных «классах взаимодействий». Мы уже не имеем права сказать, что вода во всех случаях упадет на землю, если ее оставить без сосуда. Приходится оговаривать условие ее падения: когда поперечник занимаемого ею пространства соразмерен с величиной «сантиметр», иначе говоря, когда изучаемое тело принадлежит к миру, воспринимаемому человеком непосредственно при помощи своих органов чувств.
Сейчас для этого мира придумали особое название: «макромир», от греческого слова «макро» — «большой». Сюда относят все тела, начиная с больших молекул. Тысячелетиями люди в своей практике имели дело только с ним и даже не догадывались, что существуют иные круги явлений, обусловливаемые очень сильным изменением размеров. Даже Исаак Ньютон был убежден, что обнаруженные им законы механического движения и всемирного тяготения действуют на все тела совершенно одинаково и что они главенствуют повсюду, независимо от степени малости тел. Увы, он заблуждался. Но люди узнали об этом совсем недавно, какие-нибудь пятьдесят — шестьдесят лет назад. Узнали, лишь расколов атом и убедившись, что существует мир элементарных частиц, или, как его стали называть, «микромир» (от слова «микро», что значит «очень малый»).
Итак, «масштабный эффект» проявляет себя даже в пределах макромира — мира «видимых» вещей. Но, конечно же, он неизмеримо значительнее, когда мы с помощью тонких физических приборов или умозрительно обращаем взор в недра микромира, то есть мира молекул, ионов, атомов, атомных ядер и элементарных частиц. Там властвуют силы, незаметные или слабо заметные в макромире. А такая могучая причина процессов, которую мы уважительно называем всемирным тяготением, там исчезающе ничтожна. Как выяснилось, электростатическое отталкивание между двумя электронами в 4,17?1042 раз превышает гравитационное притяжение между ними! Неудивительно, что физики, изучающие атом, обычно пренебрегают силой тяготения, сбрасывают ее со счетов.
Проникновение человеческого сознания в микромир началось на стыке последних двух веков. Раздвинув створки этого мира, ученые приступили к выяснению действующих там законов. Постепенно была создана основная теория процессов микромира — квантовая механика. Примерно до середины 50-х годов XX столетия физики трижды спускались по ступенькам вглубь: сперва от больших тел к атому, потом от атома с характерным для него размером в 10-8 сантиметра к атомному ядру размером в 10-12 сантиметра, затем от атомного ядра к его составной частице — нуклону (протону и нейтрону) с характерным размером в 10-13 сантиметра.
В 1955 году первая из 30 тогда известных элементарных частиц — протон — перестала считаться неделимой. Работающий в Стэнфордском университете (США) молодой физик Роберт Гофштадтер доказал экспериментально (обстреливая протоны электронами, разогнанными на линейном ускорителе), что внутри протона есть своего рода твердое ядро — «керн» — размером примерно в десять раз меньше размера всей частицы. Этот керн имеет электрическую природу, поэтому его называют иногда также «электрическим облаком», в отличие от внешнего «нуклонного облака», соответствующего размеру 10-13 сантиметра.
Последующие шесть лет принесли Гофштадтеру новые успехи: керн был обнаружен и в нейтронах. А в 1961 году все эти работы отмечены высшей наградой Шведской академии наук — Нобелевской премией.
Так был сделан как бы еще один — четвертый — шаг в глубь материи, в область, ограниченную размером 10-14 сантиметра.
Обозревая пройденные ступени, легко впасть в тот же грех примитивизма, который даже умных людей заставлял подозревать, что на Солнце и на электронах живут разумные существа. «Ага, — могут сказать иные, — дальнейший прогресс физики микрочастиц предельно ясен. За четвертой ступенькой начнется пятая — внутри керна обнаружат какую-то еще меньшую сердцевину; потом шаг шестой — находка сердцевины сердцевины керна; и так далее без конца…»
В действительности все гораздо сложнее.
Существуют определенные свидетельства тому, что дальнейшее дробление вещества на части становится невозможным и практически и теоретически. Более глубокое «упрощение» материи если и возможно, то уже не в результате уменьшения размеров. Гениальная догадка В. И. Ленина о неисчерпаемости материи в наши дни у физиков вызывает совсем не геометрические ассоциации.
Мы не будем подробнее говорить об этом. Скажем лишь, что «масштабный эффект» может проявить себя и не при резких изменениях размеров. Эффекты теории относительности, например, проявляют себя лишь при очень высоких скоростях (приближающихся к скорости света, то есть к 300 тысячам км/сек), а также при очень больших массах. Размеры тел для теории относительности совершенно безразличны: ее законы применимы к электронам в той же степени, как и к звездам-гигантам.
Масштабные эффекты для тел очень маленьких размеров интересуют в первую очередь раздел современной физики, называющийся квантовой механикой.
Но прежде чем говорить о квантовой механике, нам надо поговорить о другом разделе физики: о мерах, точнее, об учении о мерах, или о метрологии (от греческих «метрон» — «мера» и «логос» — «слово», «мысль», «понятие»). Ведь чем тоньше мир, тем, чтобы его познать, человеку трудней его измерить. А измерять его тем более необходимо, что он далек от обычной человеческой жизни. Так легко неверно его представить («по-своему» — антропоморфно). В тонких областях материи измерения играют особенно большую роль.