Чем мир держится?

В этой книге нам часто придется вспоминать парадоксальное определение, данное Бором действительно глубоким истинам.

Уж, наверное, не случайно самая могучая из сил Вселенной оказывается одновременно и самой слабой. Огромен и неисчерпаем мир — вширь и вглубь. Но ученые знают только четыре типа работающих в нем сил, четыре разновидности взаимодействий в мире.

Самую могучую из этих разновидностей так и зовут сильной — говорят о «сильных взаимодействиях». Их сфера действия — элементарные частицы, атомное ядро. «Сильные силы» связывают его частицы воедино. Следующее по мощи взаимодействие — электромагнитное. Оно возникает между телами, несущими электрический заряд. Следующая ступенька вниз — и мы приходим к силам, проявляющимся в некоторых реакциях между элементарными частицами. Так они слабы, что их и назвали слабыми взаимодействиями. Гравитационное взаимодействие— несравненно слабее и этих сил, даже по названию слабых.

Вот два протона в атомном ядре. Между ними должны действовать все четыре вида мировых сил. Ядерные силы — раз (в ядре же эти протоны); электромагнитные — два (эти протоны несут положительный электромагнитный заряд); слабые (протоны же элементарные частицы) и, наконец, гравитационные — протоны, как все тела, имеют массу и притягиваются друг к другу по закону всемирного тяготения. Так вот сильное взаимодействие между протонами примерно в сто раз превышает по мощи электромагнитное. То, в свою очередь, сильнее слабого взаимодействия… в сто миллиардов раз. Но гравитационное «хуже» и слабого-то еще в десять триллионов триллионов (или в десять миллиардов квадрильонов) раз. Ради краткости это записывают так— 10²⁵. А уж между сильным и гравитационным взаимодействиями разрыв примерно в десять в тридцать восьмой степени раз — сильное мощнее в его квинтильонов квинтильонов раз.

Масса Земли равна примерно шести, помноженному на десять в двадцать седьмой степени граммов. Если для простоты расчета убрать множитель шесть, то получается, что Земля во столько же раз тяжелее миллиардной доли грамма, во сколько раз электромагнитные силы взаимодействия между протонами мощнее сил тяготения между ними же.

Еще более впечатляющую картину дает сравнение сил взаимодействия между двумя электронами (электромагнитный заряд у каждого из них по абсолютной величине тот же, что у протона, зато масса почти в две тысячи раз меньше массы протона). Здесь электромагнитные силы уже десять в сорок третьей степени раз больше гравитационных — как раз во столько же раз, во сколько раз Земля тяжелее одной десятиквадрильонной доли грамма.

Нет в нашем мире силы слабее, чем гравитация!

Но проигрывая в этом, гравитация- берет свое и на планете и во Вселенной благодаря другим своим качествам. Сильные взаимодействия сверхмогучи, но место действия у них очень ограниченное — атомное ядро.

У электромагнитных сил область приложения куда шире. Но и они по масштабам своего действия далеко уступают гравитации. Ведь частицы и тела могут иметь как положительные, так и отрицательные заряды, могут быть и нейтральными. В космических телах и масштабах эти заряды, естественно, складываются и почти целиком— по воздействию на окружение космического тела — «взаимоуничтожаются».

О слабых взаимодействиях, проявляющихся лишь на уровне элементарных частиц, и говорить нечего. Слишком узко поле их действия.

А слабой гравитации подвластно все — от света до звезд, и расстояние даже межзвездное для нее не преграда. Гравитационные заряды всегда «складываются». Мы не знаем вещества, которое бы не несло «гравитационного заряда». О гравитации порой говорят как о всеобщем свойстве материи. Это универсальная, самая «тотальная» из известных человеку сил природы.

А может, мы поспешили, назвав ее всеобщей, если она значительна только в макро- и мегамире, то есть в мире больших и гигантских величин? Пожалуй, нет, не поспешили. Да, в молекуле, атоме, атомном ядре гравитация не играет никакой роли. Слишком велики межатомные и даже межнуклонные расстояния при сверхничтожных размерах масс атомов и элементарных частиц. Но по мере нашего проникновения в глубь материн мы, быть может, выйдем к таким структурным частям элементарных частиц, расстояния между которыми окажутся настолько ничтожны (по сравнению с их массами), что гравитация вновь заявит здесь о себе во весь голос.

Мало того. Все остальные взаимодействия могут носить двоякий характер. Тела, несущие электромагнитные заряды одного знака, отталкиваются, тела с зарядами противоположного знака притягиваются. В атомном ядре на одном расстоянии сильное взаимодействие проявляется в притяжении нуклонов (протонов и нейтронов) друг к другу, на более близком расстоянии — во взаимоотталкивании я дер пых частиц. Слабое взаимодействие тоже может происходить по-разному…

А вот гравитация, тяготение, всегда проявляется только в притяжении тел, она в этом отношении демонстрирует завиднейшее постоянство. Есть, правда, гипотезы о том, что просто мы имели до сих пор всегда дело только с положительным гравитационным зарядом тел, а возможна, так сказать, отрицательная масса, с другими гравитационными свойствами. В своем месте мы еще о таких гипотезах поговорим, но пока что останемся на твердой почве достоверно известных фактов.

По крайней мере две с половиной тысячи лет человек сознательно стремится понять эту силу, определить ее, осмыслить, истолковать я использовать. Его борьба за познание природы тяготения необычайно поучительна. И не только сама по себе. Проблема тяготения стала ключом к раскрытию свойств движения, пространства, времени.

Каждый закон, открытый наукой, может рассматриваться как представитель всех законов природы. История каждого открытия, сделанного человеком, — зеркало, в котором отражаются не только свойства мира, но и свойства человечества.

Законы гравитации выступают в качестве своеобразного эталона среди физических законов, образца, с которым можно сравнивать, на который можно равняться.

Недаром ведь ньютоновский закон всемирного тяготения был назван величайшим обобщением, достигнутым человеческим разумом. Американский физик Ричард Фейнман в цикле лекций, который переведен и издан у нас в стране под названием «Характер физических законов», в качестве постоянного и характерного примера использует именно закон Ньютона — «может быть, потому, что этот великий закон был открыт одним из первых и имеет любопытную… историю. Вы скажете (продолжает Фейнман): „Да, но это старая история, а мне хотелось бы услышать что-нибудь о более современной науке“. Может быть, более новой, но не более современной. Современная наука лежит в том же самом русле, что и закон всемирного тяготения».

Можно добавить и. по-видимому, Фейнман не стал бы возражать против такого добавления, что именно закон Ньютона и стал началом этого русла, он был истоком реки, проложившей русло, в котором с тех пор развивается наука. Потому, в частности, что с ним в науку по-настоящему твердо и навсегда вошло число.

История проблемы — эти два слова образуют одно понятие, у которого есть, как полагается каждому уважаемому понятию, две стороны: в данном случае эти стороны можно определить как «физическую» и «историческую».

Понимание — пусть на популярном уровне — физической стороны дела открывает нам ни более ни менее как устройство Вселенной, «план мироздания», как сказали бы в прошлом веке. Понимание движения науки, ее исторического развития дает нам представление и о законах такого развития и о людях, которые законы открывали. А этого из учебника, как правило, не узнаешь: туда попадают одни только формулы в сопровождении лишь имен тех, кто их впервые написал.

Путь к одному открытию можно рассматривать как модель пути к любому другому открытию. Можно ли руководствоваться такой моделью, когда ты ищешь пути к новым открытиям?

Алгоритма, строгого набора правил перехода от старого открытия к новому, еще никто не создал, хотя сотни людей, занимающихся так называемым науковедением, в конечном счете, по-видимому, ищут именно такой алгоритм. Но во всяком случае история науки издавна оказалась хотя бы в одном отношении в более выгодной позиции, чем просто история: если кому-то могло показаться, что история ничему не учит, то об истории науки и самый отпетый скептик этого не осмелится сказать.