Тайны пространства и времени - Комаров Виктор Ноевич - Страница 62

«Микро» и «мега»

Одним из величайших достижений естествознания во второй половине XX столетия явилось обнаружение взаимосвязи между явлениями, протекающими в глубинах микромира, и процессами космического порядка.

Хотя микромир и мегакосмос – это два как бы совершенно противоположных полюса окружающего нас мира, две крайности, исследования последних десятилетий в физике элементарных частиц и астрофизике убедительно показали, что эти «крайности» тесно соприкасаются, а иногда и переходят друг в друга. И в этом нет ничего неожиданного – такова диалектика природы.

К числу подобных феноменов относятся, например, проявления квантовых свойств материи в сугубо макроскопических эффектах. На существование таких явлений неоднократно обращал внимание известный советский физик-теоретик доктор физико-математических наук Я.А. Смородинский.

Как известно, любая квантовая система характеризуется так называемой постоянной Планка – h. Но, оказывается, существуют и такие макроскопические обстоятельства и ситуации, при которых постоянная Планка тоже «выступает на сцену». К их числу относится, например, открытый несколько лет назад эффект Джозефсона. Состоит он в следующем. Если имеются два сверхпроводника, между которыми находится слой изолятора, и к этим проводникам приложена разность потенциалов, между ними возникает барьер с туннельным переходом. И по разности потенциалов можно в этом случае с очень большой точностью измерить отношение h/e, где е – заряд электрона. А следовательно, поскольку величина е известна, можно получить значение h.

Если в недавнем прошлом считалось, что квантовая физика описывает одни лишь микроявления, то в последние десятилетия пришло понимание того, что в лабораторных условиях можно создавать квантовые макроскопические процессы и что весь окружающий нас мир представляет собой «квантовое явление». Поэтому нет ничего удивительного в том, что каждое новое достижение в физике элементарных частиц сейчас же проектируется на проблемы астрофизического порядка.

Целое и части

В последние годы в физике и астрофизике очень популярна идея множественности вселенных – «разноустроенных» космических миров. Ученые приходят к заключению, что в природе, в мироздании, наряду с нашей Вселенной может существовать бесчисленное множество других вселенных, обладающих различными свойствами и граничащих друг с другом сложным образом.

Но обратите внимание: в тех случаях, когда мы сопоставляем между собой пространственные «размеры» различных природных объектов, то невольно складывается представление о некой «иерархии» от мельчайших «элементарных микрочастиц» до Галактики и Метагалактики. И создается впечатление, что эта иерархия может тянуться бесконечно далеко в обе стороны. Что касается космических миров, то очень возможно, что подобное представление не так уж далеко от истины.

Но с микрообъектами все обстоит значительно сложнее. Как известно, современная физика высоких энергий с помощью гигантских ускорителей позволила заглянуть в сокровенные глубины микромира. Представлялось, что если увеличить мощность соответствующих экспериментальных установок, то удастся обнаружить еще более «мелкие» частицы материи, чем те, которые нам уже известны, и что подобное все более глубокое проникновение в микромир можно в принципе продолжать неограниченно. Стоит заметить, что с точки зрения классической физики и обыденного здравого смысла, подобная операция выглядит вполне осуществимой. Но, как мы знаем, многие утверждения и экстраполяции классической физики оказались ошибочными. Ненадежным основанием для далеко идущих заключений и выводов является и так называемый здравый смысл. Особенно в тех случаях, когда речь идет о фундаментальных свойствах и закономерностях окружающего нас мира. И вот еще один пример. Выяснилось, что в области микромира наши привычные представления о соотношении части и целого во многих случаях не оправдываются. В ходе исследований, проведенных в последние годы в области микропроцессов, обнаружились удивительные вещи. Так, например, оказалось, что элементарная частица может содержать в качестве своих составных частей несколько точно таких же частиц, как и она сама. В частности, протон (ядро атома водорода) на очень короткое время распадается на протон и еще пи-мезон, а каждый пи-мезон, в свою очередь, еще на три пи-мезона. Мало того, излучив входящий в его состав пи-мезон, протон может превратиться в более тяжелый нейтрон.

Таким образом, в микромире обычные представления о простом и сложном, о целом и части теряют свой привычный смысл. Часть может оказаться… массивнее целого и не менее сложной по своему строению. Следовательно, теряет смысл и привычное представление о том, что одна частица состоит из других частиц, а вместе с тем утрачивает смысл и сама идея бесконечной механической делимости материи. Может быть, недалеки от истины те физики, которые считают, что пространство нельзя делить бесконечно.

Среди адронов

Нельзя ли использовать некоторые свойства элементарных частиц для выяснения физической сущности тех или иных процессов космического порядка? В частности, закономерностей эволюции материи во Вселенной?

Одна из таких попыток была в свое время предпринята научным сотрудником Ереванского физического института доктором физико-математических наук P.M. Мурадяном.

Хотя с тех пор, как Мурадян проводил свои исследования, прошло уже довольно значительное время, мы тем не менее посчитали необходимым на них специально остановиться, поскольку, с одной стороны, они представляют несомненный интерес, открывая новую малоисследованную сторону взаимосвязи «микро» и «мега», а с другой, насколько нам известно, никто после Мурадяна этими вопросами всерьез не занимался.

Еще в 1960-е годы в теории сильных взаимодействий на основе работ итальянского физика Т. Рэдже была предложена формула для определения момента количества движения элементарных частиц, которая связывала величину этого момента с соотношением массы элементарной частицы с массой протона – ядра атома водорода.

Астрономам хорошо известно, что такие космические объекты как астероиды, планеты, звезды, галактики – вращаются. Собственное вращение – это такое же «врожденное» их свойство, как и наличие некоторой массы.

В этом отношении космические объекты, о которых идет речь, в какой-то мере подобны элементарным частицам, также обладающим собственным вращением. С этим вращением связана одна из важных физических характеристик элементарных частиц, так называемый спин. Его аналогом для обычных вращающихся тел, в том числе и космических, является момент количества движения.

В микрофизике, в теории так называемых сильных взаимодействий, есть довольно общая формула для определения спина элементарной частицы. Из этой формулы, которая при определенных допущениях может быть применена и к адронам, следует, что в зависимости от числа измерений частицы (то есть от того, является ли она «плоской» или «объемной») ее спин с увеличением массы может возрастать либо как некоторая величина в степени 3/2 – в «плоском» случае, либо в степени 4/3 – в «объемном» случае.

Р. Мурадян решил проследить, как связаны с массами моменты количества движения космических объектов: астероидов, планет, звезд, галактик, а также скоплений галактик. Эти моменты могут быть определены с помощью астрономических наблюдений.

И здесь обнаружилась весьма любопытная закономерность.

Оказалось, что моменты астероидов, планет и отдельных звезд связаны с массами космических тел соотношением, включающим в себя отношение их массы к массе протона в степени 4/3 («закон 4/3»), а моменты галактик и их скоплений относятся к массе протона в степени 3/2 («закон 3/2»).