Кварки, протоны, Вселенная

Чтобы представить себе, что тогда может произойти вспомним, как ведет себя в электрическом поле атом. Он поляризуется: орбиты его электронов смещаются, вытягиваются вдоль силовых линий поля, и он становится электрическим диполем. Если смещения орбит не слишком велики, то величина диполя пропорциональна напряженности электрического поля. Коэффициент пропорциональности называется электрической поляризуемостью. Эта величина хорошо известна; ее значения для разных атомов и молекул указаны в справочниках. Она как раз и характеризует степень жесткости атома. Чем жестче атом, тем меньше его поляризуемость. Для абсолютно жесткого, недеформируемого атома поляризуемость была бы равна нулю.

Так что же произойдет в сильном электрическом поле с протоном? Останется он по-прежнему похожим на заряженный шарик или же, подобно атому, вытянется в направлении поля?

Конечно, величина деформаций частицы зависит не только от того, насколько она жестка. Важное значение имеют также ее размеры. Силы внешнего поля действуют на каждую дольку вещества частицы, поэтому общее усилие, которое деформирует частицу, пропорционально ее объему. Другими словами, при одинаковой жесткости большую частицу легче сжать или растянуть, чем маленькую. И деформируемость протона должна быть во много раз меньше, чем у атома, ведь радиус протона в 100 тысяч раз меньше самого маленького из них — атома водорода.

Но, может быть, свойства внутрипротонного вещества совсем не похожи на свойства других физических тел и протон вообще нельзя деформировать? Когда имеешь дело с элементарными частицами, надо предусмотреть и проверить все. Кто мог бы предсказать заранее, что протон, неделимая и элементарная частица, на самом деле представляет собой сгусток, каплю полурастворившихся в энергии взаимодействия, почти потерявших свою индивидуальность частиц, которые, в свою очередь, состоят из кварков? Неожиданности подстерегают физика здесь на каждом шагу.

Первыми за дело взялись теоретики. Задача, стоявшая перед ними, была очень трудна — ведь строгой теории, которая позволяла бы рассчитать внутреннее строение, элементарных частиц, не существовало. Нет ее и сегодня. Тем не менее группе теоретиков в Дубне и в Москве удалось вывести формулы, которые связывали электромагнитную деформацию протона и нейтрона с другими, уже измеренными на опыте величинами. После этого удалось вычислить и деформацию частиц.

О своей работе теоретики рассказали на международной конференции физиков в Венеции. Недалеко от площади Святого Марка, единственной площади изрезанного каналами города, расположен небольшой городок Сан Джорджио со старинными монастырскими постройками. Туда от площади ходит небольшой пароходик. Там в одном из залов, с желтыми дубовыми скамьями и черным распятием на белой стене, и проходили заседания конференции. Советский доклад был встречен сдержанно. В теоретическом отношении он был безупречен, но с экспериментальной точки зрения большинству участников конференции показался бесперспективным. Из формул следовало, что в сильном электрическом и магнитном полях протон и нейтрон действительно должны поляризоваться — сжиматься и растягиваться, но величина таких деформаций крайне мала — в 100, а может быть, и в 1000 триллионов раз меньше, чем атома водорода.

Чтобы наглядно представить себе величину этих деформаций, вообразим, что протон находится возле границ тяжелого атомного ядра. Здесь действует самое сильное электрическое поле, какое только нам известно в природе. Если бы мы захотели создать такое поле в плоском конденсаторе с расстоянием между пластинами в 1 сантиметр, нам потребовалось бы напряжение в 10 триллионов вольт. Так вот, под действием такого колоссального поля протон изменит свои размеры менее чем на одну-две десятых доли процента. В реальных экспериментах электрическое поле намного слабее, значительно меньшей будет и деформация. Ясное дело, что измерение такой малой величины — дело очень далекого будущего. И есть ли смысл особенно задумываться на ним? Уж очень тонким должен быть эксперимент.

Но что интересно — сама по себе жесткость внутрипротонного вещества сравнительно невелика, она всего лишь раз в 10 превосходит жесткость атомов — больших и рыхлых систем по сравнению с протоном. А что протон деформируется все же очень слабо, объясняется в основном малыми размерами этой частицы.

Нет, эксперимент возможен, и ждать его придется не так уж долго! Идея опыта родилась в физическом институте имени П. Н. Лебедева, в группе, которой руководили теоретик А. М. Балдин и экспериментатор В.И. Гольданский. Теперь и тот и другой уже академики, а тогда они были мало кому известными молодыми научными сотрудниками и, конечно, участниками шумных туристских походов и альпинистских восхождений.

Если протон изменяет свою форму в зависимости от действующего на него поля, то это должно происходить и при рассеянии гамма-квантов на протоне, под действием их электромагнитного поля. Протон в таком поле вытянется, а вытянутый протон должен взаимодействовать с гамма-квантом иначе, чем круглый. Рассеяние пучка гамма-квантов будет отличаться от рассеяния на строго сферическом протоне, появится дополнительная величина, связанная с деформацией. Измеряя ее, можно в принципе определить и величину деформации протона.

Сама по себе идея нехитра, но осуществить ее на практике крайне трудно. Прежде всего потребуется чрезвычайно высокая точность эксперимента, ведь деформация очень мала, и необходимо исключить десятки причин, которые могли бы замаскировать ожидаемый эффект. Кроме того, надо еще тщательно подобрать анергию гамма-квантов. Если она будет слишком мала, кванта не хватит на то, чтобы растянуть протон, а если, наоборот, слишком велика, в игру вступят другие детали структуры протона, которые заслонят собой вклад поляризуемости. Участники дискуссий на острове Сан Джорджио не напрасно сомневались в успехе опытов.

И тем не менее В. И. Гольданскому и его сотрудникам такой эксперимент выполнить удалось. Он был настолько сложен, что в течение целых 15 лет оставался единственным. Лишь недавно другая группа сотрудников ФИАНа сумела повторить его, применив еще более совершенную методику.

Труды не пропали даром — результаты экспериментов определенно свидетельствовали о том, что протон действительно деформируется в поле рассеивающегося гамма-кванта, и величина этой деформации находится в согласии с предсказаниями теоретиков. Более того, в опыте удалось расщепить деформацию протона на две части: на деформацию под действием одного лишь электрического поля и деформацию под действием поля магнитного. Магнитная деформация оказалась еще меньшей, чем электрическая: приблизительно раз в 10. Правда, точное ее значение пока измерить не удалось, но то, что «магнитная жесткость» протона на порядок больше «электрической жесткости», уже не вызывает сомнений.

Результаты экспериментов были очень важными. И не только потому, что удалось получить сведения, необходимые для построения моделей, которые позволили бы еще глубже заглянуть внутрь частиц. Физики суме-ли впервые воздействовать на свойства частицы. Не просто наблюдать эти свойства, а именно воздействовать на них, изменять их! Это был принципиально новый шаг в исследовании субъядерных явлений. Новое обоснование получило также положение о том, что структура окружающего нас мира бесконечно многообразна! Элементарные частицы не только ведут себя как чрезвычайно сложные пространственно-протяженны системы, но и обнаруживают способность изменять свои свойства. А из этого, если вдуматься, следует очень очень многое...

Опыты московских физиков хорошо согласовались с представлением о протоне как о сложной частице, состоящей из крепко сцементированного ядра (керна) и разреженной оболочки периферических мезонов. Такую оболочку, естественно, легче деформировать, чем плотную сердцевину протона. И хотя масса вещества в мезонном облаке сравнительно невелика — в этом физики убедились еще давно, когда «просвечивали» протон пучками быстрых электронов,— расчет показывает, что результаты опытов с гамма-квантами можно целиком объяснить деформацией только этого облака. Деформация керна почти ничтожна.

Кажется, все ясно!

Однако керн и мезонная оболочка — это еще не вся структура протона. Его электрический заряд испускает кванты электромагнитного поля. И хотя время, которое эти кванты живут, покуда протон не поглотит их обратно, очень мало, некоторые из них успевают превратиться в пару частиц, электрон и позитрон, которые затем быстро аннигилируют, снова превращаясь в гамма кванты. В результате наряду с мезонным облаком вокруг протона успевает образоваться облако электрон-позитронных пар. Его плотность мизерна — несравнимо меньше, чем плотность мезонов на периферии протона. Это как бы ультраразреженная стратосфера вокруг планеты-протона. Электроны и позитроны намного легче мезонов, слабее связаны с ядром протона и поэтому могут удаляться на гораздо большее расстояние от его центра. Облако этих частиц почти в 100 раз больше облака мезонов и очень подвижно — оно легко изменяет свою форму под действием внешних полей. И вот расчет показывает, что, несмотря на разреженность электрон-позитронной стратосферы протона, ее поляризуемость в электромагнитных полях должна быть приблизительно в 1000 раз больше, чем у облака мезонов.

Но почему же тогда опыты с рассеянием гамма-квантов показали значительно меньшую величину — только ту, что соответствует деформации мезонной оболочки? Может быть, в наши представления о слоистом строении протона вкралась ошибка?

Нет, дело в другом — в условиях измерении. Чем дальше от центра протона взаимодействует гамма-квант, тем слабее действующие там силы, а следовательно, меньше и угол, на который отклоняется гамма-квант от своего первоначального направления. Поэтому те кванты, которые испытали взаимодействие с удаленной электронно-позитронной оболочкой и несут информацию о ее свойствах, рассеялись на очень малые углы. Но здесь все забивает пучок первичных нерассеявшихся гамма-квантов. Отстроиться от этого пучка чрезвычайно трудно, поэтому измерения удается выполнить лишь для больших углов, а туда попадают только те гамма-кванты, которые взаимодействуют с мезонной оболочкой протона. Сведений об электрон-позитронной стратосфере там нет. Другими словами, в опытах с рассеянием гамма-квантов мы рассматриваем протон под таким углом зрения, что просто не видим его электронных облаков. Рассказать об их свойствах могут пока только теоретики.

Еще труднее изучать деформацию нейтрона. В природе нет мишеней, которые состояли бы из одних нейтронов. Для изучения деформаций нейтрона приходится использовать атомные ядра, куда наряду с нейтронами входят и протоны. А это вносит дополнительные ошибки, так как строение атомных ядер и действующие в них силы мы знаем еще недостаточно. Вот почему зондировать строение нейтрона намного труднее, чем протона.

Первая попытка выяснить, деформируется ли нейтрон электрическим полем, была предпринята в Физико-энергетическом. институте в Обнинске, под Москвой. Два сотрудника этого института, Игорь Бондаренко и Юрий Александров, придумали, как превратить атомное ядро из помехи, из врага, в друга, облегчающего измерения. Они предложили изучать рассеяние пучка нейтронов мишенью из очень тяжелых ядер и на очень малые углы, куда попадают лишь те нейтроны, которые

взаимодействуют с далекой периферией ядра. Ядерные силы там слабы, а электрические, наоборот, велики. Они будут деформировать нейтроны, и это должно привести к дополнительному рассеянию.

Опыты дали удивительный результат: получалось,

что по сравнению с протоном нейтрон — очень мягкая частица. Его способность к деформации в сотни раз превзошла деформацию мезонной оболочки протона ту, что наблюдалась в опытах с гамма-квантами.

Это было совершенно неожиданно и совершенно не понятно. Ведь все экспериментальные и теоретические данные говорили за то, что мезонные облака внутри нейтрона перекрываются таким образом, что происходит почти полная компенсация их зарядов. А электрически нейтральная частица не может испускать электромагнитные кванты, и вокруг нее не может образоваться облако электрон-позитронных пар. Поэтому жесткость нейтрона, казалось бы, должна зависеть только от его внешней мезонной оболочки. Природа сил, стягивающих эту оболочку, та же, что и у протона. Почему же тогда она такая мягкая по сравнению с протоном?

Этот вопрос долго интриговал физиков. Потребовалась целая серия новых опытов и многолетние теоретические расчеты, прежде чем удалось выявить некоторые неизвестные ранее особенности ядерных взаимодействий, проливших свет на мягкость нейтрона.

В науке так иногда бывает: кажется, что открыто новое явление, а потом находятся еще не использованные резервы старой теории, и жар-птица ускользает из рук. Так случилось и в этот раз. Споры о причинах аномального поведения нейтронов в столкновениях с тяжелыми ядрами все еще идут, но все равно уже ясно, что это поведение никак не связано с эффектами деформаций.

В этом убеждают нас, например, опыты по взаимодействию гамма-квантов с ядрами тяжелого водорода дейтерия. Эти ядра состоят из протона и нейтрона, поэтому если известна деформация протона, то можно обнаружить деформацию и у нейтрона. Конечно, для этого опять-таки приходится учитывать ядерные силы, но для простого ядра дейтерия это можно сделать значительно точнее, чем для тяжелых ядер. Так вот, из опытов с дейтерием следует, что по своей жесткости протон и нейтрон не слишком различаются между собой. Их деформации — одного порядка.

Как ни странно, у короткоживущего пи-мезона многие свойства изучены лучше, чем у нейтрона. Правда, мы говорим о заряженных мезонах: время жизни нейтрального пи-мезона в 100 миллионов раз меньше и его внутренние свойства вообще еще не изучались в опыте. А вот заряженные пи-мезоны, хотя и входят в состав протона, имеют размеры почти такие же, как и сам протон. Близкой оказывается и величина жесткости этих частиц. Это объясняется тем, что размеры кварков, из которых «слеплены» элементарные частицы, очень малы. Кварки — почти точки. Поэтому величина системы определяется не размерами кварков, а расстояниями между ними, то есть радиусом действия глюонных сил. А этот радиус — такая же неизменная, универсальная постоянная, как заряд электрона или скорость света.

Но тогда мы вправе ожидать, что жестокость всех сильновзаимодействующих частиц (адронов) приблизительно одинакова, одного порядка. Экспериментальных данных на этот счет пока нет, но некоторые сведения получить все-таки можно, если учесть симметрию в семействах кварков и антикварков. Поскольку адроны — различные комбинации членов этих семейств, между их свойствами также можно установить зеркальные соотношения. Например, получается, что жесткость протона должна быть совершенно такой же, как и у сигма-минус-гиперона Σ-, жесткость нейтрона равна жесткости тяжелого кси-нуль-гиперона Ξ° и так далее. Аналогичными соотношениями связаны мезоны.

Есть основания думать, что легкие частицы — мю-мезоны, электрон, позитрон — тоже испытывают деформации во внешних полях. Но так как эти частицы по крайней мере в тысячу раз меньше адронов, их деформации, по-видимому, очень малы. Быть может, в миллиард раз меньше, чем у адронов.

Скульптуру элементарного мы только еще начинаем познавать. Дальше шаров, сигар, чечевичных зерен пока не пошли. Но разве не может быть в этом мире тонких и толстых баранок, дисков, гантелей или еще более сложных фигур? Ведь есть же предсказания (и небезосновательные), что ядра некоторых сверхтяжелых элементов имеют форму бублика и даже полого пупыря.

Особенно сложные формы такого рода объекты могут принимать в ультрамалых областях, где возможно изменение самой топологии пространства, например его размерности. В одном месте оно может быть трехмерным, в соседней области — четырех- или пятимерным. По-разному изогнутым и скрученным. А на границах переходы, которые трудно даже выразить словами. Это скорее, образы искусства, нежели науки.

Между прочим, наука и искусство имеют значительно. больше общего, чем это принято думать. Есть два способа приобретения знаний об окружающем мире — логический, связанный с осознаваемой деятельностью нашего рассудка, и в основном выражаемый словами или иными знаками, и интуитивный, зависящий от скрытой работы нашего подсознания, когда происходит как бы непосредственное восприятие, усмотрение факта. Хотя резкой границы между ними нет, можно с уверенностью сказать, что в науке логический способ рассуждения преобладает. Однако без интуиции, путем одной логики, наука развиваться не может. Основанные на строгих законах логики компьютеры успешно доказывают теоремы (бывали даже случаи, когда они открывали еще неизвестные), но все это делается в жестких рамках программ. Изменить их, то есть создать новую теорию, компьютер не может. Одной логики для этого недостаточно. Лежащие в основе науки процессы творчества в значительной степени имеют интуитивный характер.

В искусстве интуитивный, неосознаваемый нами элемент, основанный на ассоциациях, нюансах впечатлений и других невыразимых на логическом языке вещах, является определяющим. Во всяком случае многое начинается с него. Логика играет здесь подчиненную роль: Компьютеры умеют сочинять стихи и музыку, они создают сложные и очень красивые орнаменты. Но это не искусство, ведь они работают, так сказать, машинально — по заданному им логическому рецепту. Это ремесло, которому может обучиться каждый. Истинный художник работает иначе, истоки его искусства иные, но он не чужд логике, научному мышлению и в процессе замысла, и на завершающем этапе.

Наука и искусство дополняют друг друга. Не случайно многие выдающиеся ученые, внесшие большой вклад в самые абстрактные области человеческого знания, были страстными почитателями искусства.

ГЛАВА ШЕСТАЯ,

в которой рассказывается о больших и малых черных дырах, о космических просторах внутри электрона, о крупинках вещества, каждая из которых — целая вселенная. Вместе с автором читатель приходит к выводу, что противопоставлять микромир космосу можно далеко не всегда

Когда смотришь в объемное черно-синее небо, где на разной глубине повисли точечки звезд, трудно представить себе, что каждая из них — раскаленный и бурлящий огненный шар, вроде нашего Солнца. Мириады солнц! Яростно белых, с температурой в десятки тысяч градусов, и более спокойных красных гигантов с массой, во много раз большей, чем у нашего Солнца. Взрывающихся сверхновых и умирающих, сжимающихся в плотный сгусток нейтронных звезд. Гигантских звездных скоплений, сливающихся в нерасцепляемую глазом светящуюся искорку, и таинственных, источающих чудовищную энергию суперзвезд — квазаров.

Далекие светящие точки... Ближайшая из них в 250 тысяч раз дальше нашего Солнца. Свет от нее идет четыре года. А свет квазаров помчался к нам, когда еще не существовало, ни Земли, ни Солнца.

Звездная пыль Вселенной, звезды как атомы... А может, и вправду — атомы? Какого-то сверхмира, населенного гигантами, для которых наши звезды, как для нас элементарные частицы. А вдруг при очень большом увеличении мы обнаружим, что внутри электронов и кварков, в свою очередь, существуют миры, с миллиардами звезд и планет?

В разной форме гипотеза «многоэтажной вселенной» высказывалась в науке не раз. Она пришла к нам из глубокой древности. Более двух тысяч лет назад греческий философ Анаксагор говорил, что мир состоит из бесчисленного количества мельчайших частиц — гомеомерий, каждая из которых, в свою очередь, состоит из неисчерпаемо огромного числа еще более мелких гомеомерий и так далее, без конца. В отрывках из его дошедших до нас трудов говорится, что любая из этих частиц содержит в себе все свойства Вселенной. Внутри каждой из них, какой бы малой она ни была, «есть города, населенные людьми, обработанные поля и светит солнце, луна и звезды, как у нас».

Эта замечательная идея о бесконечной цепочке вложенных друг в друга миров поражала и занимала воображение многих ученых. В XVII в. ее разделял великий Лейбниц. Сходные мысли высказывал еще до него Джордано Бруно, а в XVIII в.— французские энциклопедисты. Подумывал о ней и XIX в. — уж очень привлекательна и вместе с тем правдоподобна была мысль о том, что в каждом зернышке, в каждой пылинке, пляшущей в луче света, спрятана целая бесконечность миров, где процветают какие-то формы жизни, может быть, похожие на нашу, а может быть, и совсем другие. Тем более что, кроме малоубедительных ссылок на Ветхий завет, этой идее трудно было что-либо противопоставить.

Бурное развитие экспериментального естествознания в XIX и XX вв., изучение молекул и атомов, открытие быстро распадающихся и превращающихся одна в другую элементарных частиц, казалось бы, полностью разрушили наивную картину мира, построенного на манер вложенных друг в друга матрешек. Однако в последнее время появились соображения, которые неожиданно заставляют серьезных ученых вернуться к идее бесконечной иерархии миров.

Развитие теории относительности привело к мысли о том, что резкой границы между космосом и микромиром нет, и в природе действительно могут существовать объекты, которые извне выглядят как микрочастицы, а изнутри — как безграничная Вселенная.

По-видимому, дело обстоит именно так. «По-видимому», так как это — выводы одной из самых трудных и плохо разработанных областей современной физики, лежащей на стыке квантовой механики и теории относительности. Здесь еще много нерешенных вопросов, и к теоретическим предсказаниям приходится относиться пока с осторожностью. В них можно было бы поверить, если теорию относительности Эйнштейна действительно допустимо экстраполировать на микроскопические явления. Но применима ли там эта теория или нет, никто пока не знает. Судьей будут эксперименты, которые еще только предстоит выполнить.

А началось все с математики. В 1922 г., исследуя уравнения общей теории относительности, мало кому в то время известный петроградский физик и математик Александр Александрович Фридман сделал сенсационное открытие. Он обнаружил, что уравнения Эйнштейна имеют решения, которые описывают полностью замкнутый мир.

Чтобы понять, что это значит, представим себе обычный шар. Его поверхность — двухмерный мир. Этот мир замкнут и в то же время безграничен — ведь по поверхности шара можно двигаться в любом направлении и нигде не натолкнуться на границу. Двухмерным существам на поверхности шара было бы очень трудно представить себе ограниченность их мира. Для этого им пришлось бы иметь дело с воображаемым трехмерным миром, который они могли бы изучать лишь с помощью математических формул.

Точно таким же образом решения Фридмана описывают замкнутый трехмерный мир — поверхность некоего четырехмерного мира. Реально никакого четырехмерного пространства не существует, иначе четвертое измерение проявлялось бы в наших экспериментах. Это всего лишь вспомогательный математический образ. Однако это не мешает трехмерному миру обладать свойством кривизны и, подобно двухмерной сфере, иметь конечный радиус.

В научно-популярной литературе идею о том, что окружающее нас пространство может быть искривленным и только в первом приближении кажется нам абсолютно плоским, часто связывают лишь с общей теорией относительности Альберта Эйнштейна. Это не точно. Еще раньше к этой идее пришел профессор Казанского университета Николай Иванович Лобачевский. Открытие им неевклидовых геометрий прямо поставило вопрос: какова же реальная геометрия нашего мира? Плоская евклидова или же искривленная неевклидова? Работы Лобачевского, а также выполненные независимо от него расчеты венгерского математика Яноша Бойяи и немецкого математика Карла Фридриха Гаусса послужили идейным фундаментом для всех последующих теорий искривленных пространств, в том числе для теории Эйнштейна и следующей из нее теории Фридмана.

В этой теории радиус искривленного мира зависит от его массы. Чем больше масса, тем большим радиусом

должен обладать мир. Они пропорциональны друг другу. Например, радиус замкнутого мира с такой же приблизительно массой, как у нашей Вселенной, составляет около триллиона триллионов километров, что выражается единицей с 24 нулями. Чтобы пересечь такой мир, световому лучу потребовалось бы более 10 миллиардов лет.

Если в искривленном пространстве не выходить за пределы областей, размеры которых много меньше радиуса мира, то его свойства (физики называют их локальными, местными) практически ничем не отличаются от свойств «плоского», не обладающего кривизной мира. В замкнутых мирах с большой массой такие «почти плоские» области могут иметь огромную протяженность. Их жители никогда и не заподозрят о кривизне и замкнутости своего мира. Окружающее их плоское пространство они будут воспринимать как «всю Вселенную», а идеи физиков о том, что, кроме этой кажущейся им бесконечной Вселенной, существует еще множество подобных миров, будут звучать для них как чистая фантазия. Ведь эти миры для них принципиально не наблюдаемы, словно их вообще нет в природе. Один мир по отношению к другому представляет собой «схлопнувшееся», самозамкнувшееся пространство. Если бы у них были внешние размеры, можно было бы говорить о разделяющем их пространстве, в которое они «погружены». Но они — точки, абсолютное ничто по отношению друг к другу, не имеющее ни физических, ни геометрических свойств. И естественно, что между ними нет никакой связи.

Выражаясь математическим языком, мы можем сказать, что формулы Фридмана описывают многосвязную Вселенную, состоящую из бесчисленного множества трехмерных миров, живущих в своем собственном ритме времени. Воображения не хватает все это себе представить!

Не стоит, впрочем, огорчаться из-за этого. Сами физики в наглядности не идут дальше двух или трех измерений, а более сложные фигуры представляют себе в виде как бы срезов, находя соответствующие двух- и трехмерные аналогии лишь для отдельных деталей. При известной тренировке можно держать в голове сразу нескольких таких срезов. Мысленный взор быстро их перебирает, и возникает иллюзия многомерного видения. Получается нечто вроде того, как мы восстанавливаем форму предметов по их теням.

Пожалуй, труднее всего уяснить себе, как может существовать сразу несколько «пузырей»-вселенных. Ведь, казалось бы, все же должно быть что-то такое, во что они погружены; и вот это «что-то», наверное, как раз и есть настоящая, единая для всех Вселенная.

Это было бы так, если бы на «пузыри»-вселенные можно было бы взглянуть со стороны. Но этого-то как раз и нельзя сделать. Согласно теории относительности на мир можно смотреть лишь изнутри — из «пузырей», и каждый наблюдатель увидит свою Вселенную и только ее одну. Чтобы представить себе это нагляднее, вообразим на минутку, что «пузыри» соединены сверхузкими коридорами — как бы микроскопическими проколами из одного мира в другой. Тогда все миры будут частями единой Вселенной. Такая Вселенная обнимает все пространство. Вне ее ничего нет. Если теперь коридоры будут становиться все уже и уже, то в конце концов мы получим парадоксальную картину разделенных и полностью замкнутых миров.

Но каким бы строгим с математической точки, зрения ни был вывод о множестве не ощущающих друг друга миров, в философском отношении они встречают серьезные возражения. Ведь одно из самых главных положений диалектики состоит в признании связи между всеми существующими, в природе явлениями, вследствие чего не может быть абсолютно изолированных пространственных областей и материальных объектов, принципиально недоступных познанию («вещей в себе» — как называл их Кант). Это противоречие заставляет думать, что формулы Фридмана — лишь первое приближение к более общей теории, в которой все миры непременно будут связаны между собой физическими процессами.

И действительно, если мы учтем квантовые поправки, «замкнутые миры» превратятся в «полузамкнутые». Если вернуться к рассмотренной выше модели соединенных каналами миров-«пузырей», то следует принять во внимание, что, когда толщина канала становится сравнимой с размерами элементарных частиц, в них начинаются процессы рождения и поглощения виртуальных частиц, и тем интенсивнее, чем уже канал. Эти процессы размывают границы, делают их диффузными и не позволяют каналу «сжаться в нуль». Иначе говоря, чем уже канал, тем сильнее препятствующее его сжатию давление «газа» виртуальных частиц. Поэтому все «пузыри»-вселенные остаются взаимосвязанными на уровне микромасштабов и образуют единое всеобъемлющее пространство-время. Противоречие устраняется.

И все же кажется просто невероятным: огромная Вселенная, Метагалактика, и в то же время — крохотный «пузырек» в пространстве и времени! В это трудно поверить. Тем более что непонятно, каким образом могут образоваться в природе почти замкнутые миры-вселенные...

Открытие Фридмана вызвало огромный интерес. Во многих странах ученые исследовали свойства найденных им решений, изучали условия, при которых могут существовать такие миры. Возникла целая наука — релятивистская космология. И вот в ходе этих исследований довольно быстро выяснилось, что среди многих физических явлений, предсказываемых теорией относительности, есть процесс, который как будто может приводить к образованию замкнутых миров.

Если масса тела велика, то расталкивающего действия излучений и мощных потоков вещества, порожденных ядерными реакциями в недрах этого тела, может оказаться недостаточно, чтобы противостоять стягивающим силам гравитационного притяжения. Равновесие нарушится, и тело сначала медленно, как бы нерешительно, а затем все быстрее и быстрее начнет сжиматься, «опадать». Это и понятно: чем меньше объем, в котором сконцентрирована масса тела, тем больше сила гравитации. Происходит то, что физики называют гравитационным коллапсом — катастрофическое сжатие тела в точку с бесконечной массой, «схлопывание» пространства-времени и полное «выпадение» тела из нашего мира. Правда, квантовые эффекты рождения элементарных и суперэлементарных частиц, по-видимому, остановят сжатие и предотвратят полное «выпадение» тела. От него останется «микрослед», но такой ничтожный по сравнению с исходными размерами тела, что им можно будет пренебречь и сказать: вот образовался еще один полузамкнутый мир, практически не связанный с нашим.

Это похоже на то, как если бы от большого пузыря отпочковался маленький. Связывающая их горловина становится все уже и, наконец, обрывается. Разумеется, это условная картина: так выглядел бы процесс образования нового мира в глазах наблюдателя, находящегося в воображаемом четырехмерном пространстве. В нашем реальном мире мы видим лишь стягивающуюся горловину, все остальное мы можем представить себе лишь с помощью формул.

Следует, правда, заметить, что далеко не все массивные тела, если ослабнут протекающие внутри них ядерные реакции, должны обязательно сжаться до микроскопически малых размеров. Так было бы, если бы в окрестностях сжимающегося тела не менялись свойства пространства и времени. Но гравитационное поле, то есть кривизна пространства и времени, становится там чрезвычайно большой, и, как предсказывают формулы теории относительности, ход времени при этом замедляется. Это значит, что скорость процессов, происходящих вблизи коллапсирующего тела, будет постепенно уменьшаться. Даже скорость света, которому все труднее и труднее станет преодолевать путы тяготения. Наконец, гравитационное поле сделается настолько сильным, что скорости всех процессов обратятся в нуль и время остановится — замрет. Ни свет, ни какие-либо другие излучения уже не смогут вырваться из гравитационного омута, и коллапсировавшее тело — звезда или целая галактика — станет невидимой для наблюдения черной дырой, которая поглощает все, что на нее падает, но сама ничего, абсолютно ничего не испускает. Оттого-то она и невидимка.

Правда, невидимкой черная дыра останется лишь для внешнего наблюдателя, рассматривавшего гравитационный коллапс со стороны. Для наблюдателя, который сам бы падал на коллапсирующее тело, все выглядело бы иначе. Подобно пассажиру кабины свободно падающего лифта, он не чувствовал бы тяготения, поэтому и скорости происходящих вокруг процессов оставались бы для него прежними. Конечно, когда перепады гравитационных сил сделались бы заметными на расстояниях, сравнимых с размерами самого наблюдателя, положение изменилось бы. Как ни странно, разные части его тела начали бы тогда жить в различном пространстве и времени. На него действовали бы растягивающие и разрывающие силы, подобные тем, что вызывают приливы и отливы на нашей планете. В конце концов сам бы он распался на молекулы и атомы, а затем превратился в пучок суперэлементарных частиц и геометрических квантов. Картина — прямо для романа ужасов!

Сам Фридман никаких соображений о черных дырах нам не оставил, хотя от его формул до гравитационного, коллапса рукой подать. Возможно, этому помешала его ранняя смерть — он умер через три года после того, как в немецком физическом журнале были опубликованы его две статьи о сжимающихся и расширяющихся мирах. Существование черных дыр предсказал незадолго до второй мировой войны вместе со своим ассистентом американский физик Роберт Оппенгеймер — тот самый, кто через несколько лет возглавил в Лос-Аламосе исследования по созданию атомной бомбы.

Интересно, что статья Оппенгеймера о черных дырах почти не привлекла внимания физиков — в то время уже ощущалось дыхание приближающейся войны и умами ученых овладевали волнующие и тревожные вопросы, связанные с использованием энергии атома. О черных дырах вспомнили после запуска первых советских спутников, когда космос с его загадками и тайнами стал вдруг совсем близким.

Чем массивнее тело, тем большую черную дыру образует оно в пространстве. Дыры, возникающие в результате сжатия галактик, в сотни и даже тысячи раз превосходят размеры нашей Солнечной системы. Триллионы километров в поперечнике! Сам термин «дыра» кажется здесь неуместным, лучше было бы говорить «черный провал».

Размеры самых маленьких черных дыр — километры. Такие дыры образуются при коллапсе тел с массой раза в полтора-два тяжелее нашего Солнца. Менее тяжелые тела вообще не могут коллапсировать — их гравитационное поле слишком слабо, чтобы превозмочь стабилизирующие вещество межатомные и ядерные силы. Для образования дыр, которые были бы меньше нескольких километров, нужен какой-то другой механизм. Указания на него мы находим все в той же общей теории относительности Эйнштейна.

Из полученных Фридманом формул следовало, что размеры нашего замкнутого мира не остаются постоянными, а изменяются с течением времени и что в некоторый «исходный момент» времени радиус мира мог быть равным нулю, а плотность содержащегося в нем вещества — бесконечности.

Конечно, если учесть квантовые эффекты рождения и поглощения виртуальных частиц, то сингулярности не получится, место точки займет очень малая пространственно-временная область, но по сравнению с нашими привычными масштабами ее все равно можно считать точкой. А в 1922—1923 гг., когда Фридман делал свои расчеты, квантовой физики вообще еще не было и в выводы русского ученого о нестационарности, о зависимости свойств Вселенной от времени, о ее рождении как бы из ничего, из точки — во все это было крайне трудно поверить. Выводы Фридмана резко расходились с принятой в то время картиной строения мира, согласно которой изменения могут происходить лишь в отдельных районах Вселенной, а в целом, в общих своих свойствах, она стационарна. По этой причине даже Эйнштейн решил сначала, что расчеты Фридмана ошибочны. «Эти результаты кажутся мне подозрительными»,— сказал он, прочитав статью Фридмана, и более того, выступил с ее критикой публично. Но уже через год, особенно после того как Фридман написал ему, что расчеты он перепроверил и продолжает на них настаивать, изменил свое мнение и написал: «Моя критика, как я убедился из письма Фридмана, основана на ошибках в вычислениях. Я считаю результаты Фридмана правильными и проливающими новый свет...»

Тем не менее большинство ученых продолжали относиться к теории Фридмана просто как к интересной математической модели. Однако в 1929 г. американский астроном Хаббл открыл так называемое красное смещение галактик, то есть получил доказательство предсказанного Фридманом расширения Вселенной. В 1965 г. было открыто реликтовое излучение, пронизывающее всю видимую часть Вселенной. Эти и другие факты вместе с новыми математическими расчетами привели физиков и космологов к выводу о том, что около 20 миллиардов лет назад произошел взрыв какого-то сверхплотного «правещества», породивший окружающий нас мир. И этот мир до сих пор продолжает расширяться — «распухать» в каждой своей точке, наподобие того, как растягивается пленка выдуваемого мыльного пузыря.

За неимением более подходящего наглядного образа первоначальную точку расширения Вселенной часто называют Большим взрывом, или, используя звучный английский термин, Биг Бэнгом.

В катаклизме этого первородного Биг Бэнга, в колоссальных перепадах давлений и плотностей могли возникать области очень малых размеров и такой большой массы, что вокруг них происходило почти полное сворачивание пространства-времени и возникали черные, дыры. Их размеры и массы могли быть самыми различными — от очень больших до субъядерных, как у элементарных частиц. Вот такие черные дыры-малютки и представляют сейчас для нас особый интерес. Для внешнего наблюдателя каждая из них и по размерам и по массе будет выглядеть как микрочастица, хотя может и содержать в себе целую вселенную космических тел. Точь-в-точь гомеомерии Анаксагора — мириады вселенных в пылинке!

Удивительным образом развиваются наши представления о мире. Часто бывает так, что на новом уровне мы вновь возвращаемся к старым, казалось бы, совсем обветшавшим и отброшенным идеям... Но еще больше удивляет другое: как без всяких экспериментов, одними чисто логическими рассуждениями, древние философы сумели угадать то, что современная наука открывает используя всю мощь доступных ей технических средств? Это выглядит каким-то чудом.

На самом деле их идеи, конечно, опирались не на одну «игру ума», но и на анализ повседневного опыта и тех сведений о свойствах физических явлений, которыми уже располагала наука того времени. Например, сохранение свойств веществ при измельчении и горстка семян, в каждом из которых уже заключено все многообразие свойств взрослого растения, наводили древних на мысль, что мир состоит из наипростейших элементов — атомов, и это же подсказывало идею строения мира в виде бесконечного ряда вложенных друг в друга «семян вещей» — гомеомерий. Не последнюю роль сыграло то обстоятельство, что древнегреческая наука с самого своего возникновения была не зависимой от религиозных догм и всегда старалась найти естественное, материалистическое объяснение мира. Ее основой была не вера, а логика. Правда, эмпирического, наблюдательного материала было еще мало, и выводы получались неоднозначными. На них можно было строить самые различные физические и философские системы, поэтому в учениях древних греков можно найти зачатки едва ли не всех позднейших мировоззрений.

В Вавилоне или в Древнем Египте наукой занимались служители культа, жрецы, и это заранее предопределяло ее характер. С точки зрения религии многие научные сведения были «нежелательными», оттого и сохранялись в глубокой тайне. Прикасаться к ним было равнозначно общению с темными силами и разрешалось лишь избранным. В Древней же Греции наука была гражданским, светским делом и развивалась в условиях кипучей политической жизни вольных городов — полисов.

Но вернемся к черным дырам-малюткам в современной теории относительности. Это удивительные по своим свойствам объекты. Физикам они преподнесли немало сюрпризов. Хотя они очень малы, их масса огромна. Черная дыра размером с протон весит в 1040 раз больше, чем протон, то есть около миллиарда тонн. Невидимая даже в самый сильный микроскоп пылинка, которую нельзя сдвинуть с места и не удержать ни в одном сосуде! Столкнувшись с нашей планетой, она пронзит ее до самого центра, как тонкая игла кусок теплого масла.

Но и это еще не все. Самое поразительное, что микроскопические черные дыры — неустойчивые объекты: они бурно испаряются в окружающее пространство. И чем легче и меньше они становятся, тем интенсивнее происходит этот процесс.

В это трудно поверить, ведь выше говорилось, что черная дыра в принципе не может ничего испускать, она лишь увеличивает свою массу, захватывая из окружающего пространства и вещество, и излучение. Это действительно так, но... без учета квантовых явлений, которые в мире микродыр становятся настолько важными, что классическая, не учитывающая их теория относительности, так хорошо описывающая все особенности больших черных дыр, здесь просто неприменима.

Английский физик Хоукинг первым обратил внимание на то, что вблизи границы черной дыры могут спонтанно рождаться пары виртуальных частиц — протон и антипротон, электрон и позитрон и так далее. Рождаются на краткий миг и, будучи сделанными из вещества и антивещества, так же быстро исчезают в процессе аннигиляции. Чтобы суммарный импульс оставался равным нулю, компоненты пары рождаются с противоположно направленными скоростями, и если одна из частиц

летит в черную дыру, то другая летит прочь от нее. Может случиться так, что черная дыра захватит летящую к ней частицу прежде, чем она успеет аннигилировать со своей партнершей, и тогда та станет независимой частицей. Если ее энергия достаточно велика, она преодолеет гравитационное притяжение дыры (она намертво держит лишь попавшие внутрь нее частицы) и улетит в пространство. Все это напоминает отделение частичек пара от поверхности кипящей жидкости, поэтому и говорят об испарении черных дыр.

Преодолевая гравитационное поле дыры, улетающие частицы уменьшают ее энергию и массу. Дыра постепенно сжимается, квантовые эффекты вокруг нее становятся более интенсивными, процесс испарения все ускоряется и, наконец, завершается взрывом, энергия которого эквивалентна взрыву миллиарда крупных водородных бомб! Удивляться нечему: ведь сама невидимая черная «дырочка» весит миллиарды тонн.

Расчеты показывают, что процесс интенсивного испарения черных дыр размером с протон продолжается один или два десятка миллиардов лет. Дыры меньших размеров испаряются быстрее. За 15—20 миллиард лет жизни нашей Вселенной большинство их уже распалось. Мы живем в эпоху, когда подходит к концу испарение микродыр, начальные размеры которых составляли около 10-13 сантиметров.

Вообще говоря, испаряются не только маленькие, и большие черные дыры, образующиеся при гравитационном коллапсе. Только время, необходимое для их испарения, чудовищно велико: 1060—1070 лет. Чтобы хоть как-то почувствовать, что это означает, представим себе, что интервал времени, прошедший с начала расширения нашей Вселенной, сжался настолько, что стал равным времени жизни самой короткоживущей элементарной частицы. В таком неимоверно быстро текущем времени наш реальный день будет длиться приблизительно 1030 лет. Но и при таком умопомрачительно быстром темпе для испарения больших черных дыр потребуется около 1035 лет.

Эти числа так велики, что их просто трудно воспринять. Никакие наглядные сравнения здесь почти не помогают.

Правда, при всех этих рассуждениях не следует забывать, что строгой теории, которая могла бы одновременно рассматривать гравитационные и квантовые явления, еще не создано. Квантовая теория гравитации — дело будущего. Пока можно заниматься лишь приближенными оценками. Будем надеяться, что они дают нам правильные представления о начальной стадии испарения черных дыр и о времени их жизни. Но вот расчет вероятности образования черных дыр в хаосе Большого взрыва, распределения их по размерам и массе, картина заключительной фазы распада микродыр — это пока за пределами наших возможностей. Неизвестно, чем заканчивается взрыв микроскопической черной дыры. Может статься, например, что в мире чрезвычайно малых масштабов, где под действием сильных квантовых флуктуаций начинают меняться свойства самого пространства и оно самопроизвольно изгибается, образует пузыри и поры, испарение прекращается и образуется устойчивый микрообъект.

Расчеты, выполненные академиком М. А. Марковым, показали, что такой исход весьма вероятен. Может испариться вся масса черной дыры, за исключением той части, которая связана с энергией нулевых, квантовых колебаний ее вещества. Такие колебания возникают вследствие того, что положение микрочастицы всегда несколько размазано — ведь она подчиняется волновым законам. Частица как бы колеблется, дрожит вокруг точки идеального равновесия. Энергию такого дрожания у нее отнять нельзя, во всяком случае там, где действуют квантовые законы. А раз так, остается неиспарившаяся масса, и она составляет около миллионной доли грамма независимо от того, какова была начальная масса черной дыры и какова масса полузамкнутого «внутреннего мира».

Но это опять всего лишь «оценки». Возможно, существуют еще неизвестные нам «заквантовые явления», которые продолжают процесс испарения до еще меньших остаточных масс.

Как бы там ни было, современная теория гравитации (общая теория относительности Эйнштейна) вполне определенно указывает на возможность существования устойчивых объектов, обладающих снаружи субмикроскопическими, а внутри вселенскими свойствами. М.А. Марков называет их в честь Фридмана — фридмонами, а другой советский физик, К.П. Станюкович, — планкеонами, в честь основоположника квантовой физики Макса Планка, подчеркивая тем самым квантовую природу этих удивительных объектов.

Вполне возможно, что фридмонами (мы будем называть их так) являются какие-то уже известные нам частицы, тот же, например, протон или кварки. А может быть, это частицы совершенно нового типа, которые еще только предстоит открыть. Теория пока не в состоянии ответить на этот вопрос. Правда, расчеты показывают, что радиус фридмона — узких «черных ворот» в другой мир — не превышает 10-32 сантиметров. Это во столько же раз меньше размеров известных как элементарных частиц, во сколько сами эти частицы меньше шара с диаметром в 100 световых лет. Но расчеты не запрещают того, чтобы фридмоном могла оказаться и известная нам частица. В принципе, как мы уже сказали и протон может быть фридмоном. Точнее, не он сам, а его сердцевина — крошечное ядрышко, вокруг которого в результате квантовых флуктуаций образуются облака виртуальных частиц — гипотетических пракварков, просто кварков и состоящих из них частиц. Эти сложные по своей структуре многоэтажные облака и определяют свойства элементарной частицы, в том числе характер ее взаимодействий с другими частицами. Фридмон самая глубинная часть элементарной частицы, как бы ее затравочное ядро. Но в этом крошечном, исчезающе малом ядре как раз и может скрываться новая вселенная.

Размышляя о бесконечности мира, мы нередко представляем себе ее чем-то вроде прямой, уходящей в область исчезающе малых интервалов, с одной стороны, и в область неограниченно больших масштабов — с другой. Гипотеза фридмонов подсказывает еще одну возможность: в природе может существовать своеобразный круг мироздания, когда в микромире мы снова встречаемся с явлениями и объектами космического масштаба.

Но было бы неверно думать, что «круг мироздания» замыкается только благодаря фридмонам. К тому же выводу приводят и другие соображения. Представим себе, что мы вместе с двухмерными существами находимся на поверхности шара и измеряем длину окружности постепенно увеличивая ее радиус. Эти существа ничего не знают об искривленности их мира, поэтому увеличение окружности с ростом ее радиуса им кажется вполне естественным. Однако, начиная с определенного радиуса, окружность, к их удивлению, начнет вдруг уменьшаться и, наконец, стянется в точку. В трехмерном мире аналогичная ситуация: уходя в космические просторы, мы опять попадаем в микромир. Современная теория с разных точек зрения настойчиво подсказывает нам самозамыкающуюся картину мироздания.

Впрочем, картина бесконечной последовательности вложенных друг в друга миров тоже весьма приблизительна. Весь наш опыт свидетельствует о том, что любой процесс, любая последовательность рано или поздно претерпевают качественное изменение. Мелкие изменения, постепенно накапливаясь, приводят к качественному скачку. Другими словами, развитие происходит не по кругу, а вдоль витков бесконечной спирали. Первый виток рисует нам общая теория относительности Эйнштейна, но каким будет следующий?

Ну а наша Вселенная, может ли она сама быть фридмоном? Ведь если теоретические предсказания верны, они верны, так сказать, в обе стороны —и «внутрь» и «наружу». Почему модель «вложенных миров» должна быть справедливой лишь в одном направлении — только вглубь?

Скажем прямо: ничего здесь пока неизвестно. Из формул Фридмана вытекает, что в замкнутых и очень близких к ним по внутренним свойствам полузамкнутых мирах имеется вполне определенное количественное соотношение между радиусом мира, то есть измеренным в астрономических наблюдениях размером Вселенной, и плотностью распределенного в ней вещества. Согласно последним вычислениям, средняя плотность вещества в нашей Вселенной пока раз в 100 меньше той, которая была бы необходима для ее замыкания. Пока, говорим мы, ибо еще неизвестно, учтены ли все виды вещества в космосе. В частности, нет полной уверенности в том, что равна нулю масса покоя нейтрино; если она нулю не равна и если существуют все-таки космические кварковые «мешки», средняя плотность окажется, безусловно, выше, а следовательно, Вселенная может быть и замкнутой.

Плотность вещества не может более чем в 10 раз превосходить критическую, при которой мир становится замкнутым. Иначе расширение нашей Вселенной давно бы уже прекратилось и она бы перешла в цикл сжатия.

Продолжительность фазы расширения тоже ведь зависит от плотности вещества. Мы же пока, как известно, расширяемся. Пока... Не исключено, что скоро наш мир начнет сжиматься. Скоро — в космическом масштабе, конечно. Реально это могут быть многие миллиарды лет, практически — бесконечность.