Помоги проекту - поделись книгой:
Значит, пропорциональность соблюдена природой не так уж точно? Нет, просто физика и астрофизика далеко не всегда те сверхточные науки, какими мы еще за школьной партой привыкаем их считать. В научных статьях по иным разделам физики можно прочесть эпически спокойное замечание «возможна ошибка в два-три порядка». А ведь это значит в 100–1000 раз!
А однажды мне довелось прочесть в научном журнале статью, автор которой отмечал в работе другого ученого ошибку «на десять порядков» — в 10 миллиардов раз. И тем не менее статья винила в ошибке не столько ученого, сколько чрезвычайную сложность явлений, с которыми он имел дело.
К тому же для отклонений Земли от пропорции можно найти объяснения.
Словом, сопоставив все данные измерений, Блэкет предложил считать появление магнитного поля вокруг вращающегося тела новым общим свойством материи.
Понятен интерес физиков всего мира к этой работе. И может быть, его особенно разжигала одна деталь формулы нового гипотетического закона. В нее входили и скорость света (то есть электромагнитных волн вообще) и гравитационная постоянная. Это могло означать, что тут встретились теории полей — гравитационного и электромагнитного. Это подтверждало мысль об их глубоком родстве и единстве.
Гипотеза Блэкета могла стать краеугольным камнем для здания единой теории поля — теории, на попытку создания которой потратил бóльшую часть жизни Альберт Эйнштейн. От этой формулы мог открыться путь к познанию глубочайших основ и законов строения материи.
Однако прошло почти пять лет, и гипотеза, которую отстаивали Шустер, Лебедев, Блэкет, поблекла в глазах физиков. Сделала это опять-таки модель. Модель Земли. Любопытна она сверх всего прочего тем, что абсолютно непохожа на свой прототип ни по форме, которая была ей придана, ни по материалу, из которого она изготовлена. Это двадцатикилограммовый золотой цилиндр. Золотой потому, что нужен немагнитный материал. Цилиндр потому, что форма здесь решающего значения не имела, можно было просто выбрать наиболее удобную для опыта. Модель оказалась воистину драгоценной! Поставил опыт с нею сам Блэкет. Со времен Лебедева точность приборов выросла — вернее, физики научились ставить опыты с достижением большей точности. И вот в чистом поле — подальше от стальных конструкций города, от всего, что может вызвать «чужие» магнитные поля, — строится специальное здание. Попросту, почти сарай — неприхотливое сооружение без каких-либо железных деталей.
К золотому цилиндру, помещенному в этот сарай, подносится чувствительнейший магнитометр. Цилиндр, конечно, вращается? Нет. Блэкет считает, что вполне достаточно вращения цилиндра вместе с Землей.
Два года уходит на подготовку и проведение опыта: время почти всегда самое дорогое в современном физическом эксперименте. И — ничего! Магнитного поля у цилиндра не обнаружено. А чувствительность приборов позволяла заметить поле в одну десятимиллиардную долю гаусса. Этого было бы достаточно, если бы формула Блэкета была справедлива.
Статья Блэкета, которая появилась в результате опыта, была гораздо длиннее знаменитой его статьи 1947 года. Но смысл ее сводился к следующему: тонко поставленный эксперимент опроверг теоретические предположения экспериментатора.
Гипотеза «покончила самоубийством». Большинство ученых не сомневалось, что ей уже не воскреснуть, хотя признавалось это не без оговорок. Но…
Но начался космический век человечества. И вслед за Шустером, Лебедевым и Блэкетом в защиту гипотезы, о которой я рассказываю, выступили сначала Венера, а потом и сам Юпитер.
У Венеры почти нет магнитного поля. А Юпитер? Он обнаружил магнитное поле, которое удалось даже измерить.
Ракета туда, как известно, не посылалась, но во время одной вспышки на Солнце ученые сумели проследить путь потока его излучения к Юпитеру. А потом исследователи приняли родившиеся при взаимодействии солнечной радиации и магнитного поля Юпитера радиоволны. По их мощности и прикинули, каково оно, это магнитное поле. А масса Юпитера, скорость его вращения и еще кой-какие нужные детали были известны раньше.
И снова: если разделить магнитный момент Юпитера на его угловой момент… Представьте себе: отношение оказалось довольно близким к тому же числу Блэкета.
Такое совпадение у двух звезд и двух планет, да еще загадка Венеры, — тут уж трудно представить себе, чтобы все это было делом случая, фокусом теории вероятности.
Но… что же тогда произошло в лаборатории Блэкета? Ошибка? Описание опыта говорит, что для нее не оставалось места.
Факты противоречат друг другу. Помирить их можно двумя способами.
Во-первых, теория вероятности вовсе не запрещает самые удивительные совпадения. Она говорит только о редкости и малой вероятности их. Но известен же такой официально запротоколированный случай, когда при сдаче карт каждому из четырех партнеров досталось целиком по одной масти — от шестерки до туза!
Однако такое рассуждение, говоря по совести, очень похоже на бегство от фактов. Так, во всяком случае, мне кажется.
Ну, а второй способ? Знаете, а ведь Блэкету, наверное, надо было все-таки заставить цилиндр вращаться. Рассуждения физиков, стоящих на этой точке зрения, можно пересказать примерно так.
Известно, что у электрического заряда возникает при движении магнитное поле. Так вот, его, это поле, согласно так называемому закону Био и Савара, нельзя обнаружить, если двигаться вместе с зарядом. Может быть, что-то похожее происходит и здесь, когда магнитное поле возникает при вращении тела? Ведь Блэкет и его приборы вместе с самим золотым цилиндром вращались вокруг земной оси.
Правда, мы с вами, двигаясь вместе с поверхностью Земли, можем пользоваться компасом, то есть замечаем земной магнетизм. Что же, кроме эффекта вращения, магнетизм может быть вызван чем-то еще — во всяком случае, на Земле. Одно другому не мешает.
Кстати, Блэкет собирался, окончив опыт с неподвижным цилиндром, поставить второй эксперимент, в котором хотел заставить его вращаться. Но, как он сам писал, после неудачи охладел к этой идее.
И может быть, зря.
Может быть, но не наверняка. Пока вопрос остается открытым. Нужны новые опыты и новые факты. Возможно, решение проблемы принесет новый модельный опыт. А возможно, оно придет со стороны — в подлинном и даже космическом смысле этого слова.
Эй, на Плутоне, как у вас там с магнитным полем?!
А теперь: история третья.
Луну делают на Земле
Герой «Записок сумасшедшего» утверждал: «Луну, как известно, делают в Гамбурге». Что ж, гоголевский Поприщин ошибся только адресом. Луну действительно делают на Земле. Конечно, не всю, а кусочки, своего рода модели лунной поверхности.
Луна хорошо видна на нашем небе. Мы сумели познакомиться даже с ее оборотной стороной. Но мы пока можем смотреть на наш естественный спутник только как ребенок на игрушку в витрине. Витрину заменяют почти 400 тысяч километров космического пространства. Электромагнитные волны — свет и радиоизлучение — вот наши разведчики. Они показали нам горы и равнины Луны, дали возможность измерить температуру и даже электропроводность и теплопроводность ее поверхности. Советская ракета показала нам лунные камни. Но… представьте себе, что инопланетная космическая станция приземлилась бы на Земле посередине Сахары. Поверили бы те, кто послал ее, что вся Земля — пустыня? Словом, по наблюдениям в одной точке рано судить о поверхности всего космического тела. И ученые только догадываются, делают предположения о строении и составе лунной тверди.
Гипотезы не выносят одиночества. Сменяя одна другую, сосуществуя большой и не очень дружной семьей, собрались они в научных книгах и журналах. Что же они утверждают?
Самая старая из гипотез смотрит на вещи просто. Луна покрыта горными породами типа земных, только более темными. Воздуха нет, воды нет — нечему разрушать скалы, они сохраняются в неприкосновенности целые миллионолетия. Но… радиоизмерения показали, что теплопроводность поверхностного слоя Луны в миллион раз меньше, чем земного гранита, который, по нашим понятиям, слабо проводит тепло. Ни одно плотное тело не может иметь такую низкую теплопроводность.
Тогда пыль, говорит другая гипотеза, пыль покрывает лунный шар. Она лежит всюду, где тонким покровом, где потолще, а моря заполняет слоем в десятки и сотни метров. Космические частицы, ультрафиолетовые лучи крошат лунные породы. Эта космическая терка работает медленно и верно. Правда, нет ветра и воды, чтобы разносить пыль по всей Луне. Но вместо них трудятся удары микрометеоритов, тепловое движение молекул, лунотрясения.
Все это выглядит довольно убедительно. Но вот сомнения. Почему пыль держится даже на крутых склонах гор? Ведь незаметно, чтобы горы в зависимости от крутизны меняли окраску. И потом, мелкую пыль должны выметать своим давлением лучи Солнца.
Американец Т. Голд отвел первое возражение, напомнив, что пыль может быть подвижна и текуча только на самой поверхности, ниже она так уплотнена, что в состоянии удержаться и на отвесной стене.
Итак, Луна насквозь пропылилась. Но какая это пыль — вот в чем вопрос!
Л. Радлова, Г. Юри и другие заявили, что пыль тут метеорная, принесенная из космоса. За миллионы лет слой ее должен достигнуть по меньшей мере сантиметровой толщины.
Наконец, сторонников «пыльных» гипотез примирил В. Шаронов. По его мнению, метеориты, падая на Луну, взрываются и, рассыпаясь, дробят, в свою очередь, лунный «грунт», пыль получается смешанной.
Впрочем, изобретение гипотез о строении лунной тверди отнюдь не остановилось, на это снова и снова толкала астрономов все та же теплопроводность! Пыль, слежавшись, не может быть столь малотеплопроводной.
И свет и радиоволны — электромагнитные колебания, только разной частоты. Волны света гораздо короче, поэтому они лучше «чувствуют» неровность Луны. Так бугорок, не замеченный настоящим автомобилем, останавливает игрушечный грузовичок. В результате для радиоволн поверхность Луны гладка, как бильярдный шар, но для света шероховата, как пемза. И как-то трудно представить, что могло бы придать пыли такую шероховатость. Может быть, все-таки грунт Луны не пыль? может быть, это что-то вроде шлака? К такому выводу пришла лаборатория планетной астрономии обсерваторий Ленинградского университета.
А чтобы выяснить строение лунной поверхности, из туфа изготовляли самые разные фигуры, его дробили, оплавляли. В разных лабораториях «образчики» Луны для полноты сходства обрабатывали потоками элементарных частиц и ультрафиолетовыми лучами, помещали в вакуум, подвергали действию жара и холода. Чего только с ними не делали!
На пути были и победы и почти курьезы. Вдруг оказалось, что полное соответствие характеру отражения от Луны света дает такая модель: плоскость с ровными углублениями квадратного сечения. Круглые и даже шестигранные ямки не подходили. Но ведь некому и нечему на Луне сделать такие геометрически правильные квадраты. Дробленный туф удовлетворяет многим требованиям. И все-таки, видимо, не всем. Работа продолжается. Надо же узнать, чем покрыта Луна!
А ученые из Горьковского радиофизического института создали модель всей Луны, Луны «целиком» — «Луну номер два», как они ее назвали.
Это был просто-напросто темный диск довольно больших размеров, установленный в Крыму, недалеко от Феодосии. На некотором, довольно большом расстоянии от диска находится радиотелескоп, который «переводит взгляд» с настоящей Луны на модель и обратно. Он принимает радиоволны и от Луны и от диска.
Ну, зачем направляют радиотелескоп на Луну, известно. Главным образом по характеру радиоволн судят астрономы о поверхности ее, о состоянии недр. Все гипотезы, о которых здесь шла речь, опираются и на результаты радиоастрономических исследований. Но эти исследования обычно не слишком точны. Вот горьковские ученые и вспомнили о старом верном методе повышения точности — сравнении с эталоном (на этом принципе построена, между прочим, работа во многих заводских отделах технического контроля). Вот Луна-2 и стала таким эталоном — ее поверхность испускает радиоволны разных частот точно известной мощности. Вы знаете, наверное, что пружинные часы, сделанные в средних широтах, на экваторе врут. А вот гиревые весы самого простого типа годятся всюду на нашей планете. Меняется из-за центробежной силы вращения Земли, разной на разных широтах, вес груза — меняется в точно той же степени и вес гири. Роль гири и играет у горьковчан Луна-2.
А в лаборатории доктора химических наук Августы Константиновны Лаврухиной в Институте геохимии и аналитической химии имени В. И. Вернадского изготовляют модели… метеоритов. Материалом для них может служить хотя бы спрессованный железный порошок. Пакетики с ним помещают под поток ускоренных частиц, заменяющих собой космическое излучение. На этих моделях исследуют, с какой скоростью и какие изотопы образуются в обычных метеоритах под воздействием лучей, как зависит количество этих изотопов от размеров и формы метеорита. А. К. Лаврухина говорит: «Имея такие данные, ученые смогут по изотопному составу метеоритов судить о первоначальных размерах и форме, которыми обладали космические пришельцы до вторжения в атмосферу. Помимо того, что мы приобретаем ценные сведения о природе метеоритов, облегчается оценка общего количества космической материи, падающей на Землю».
Ядерный маскарад
Итак, наука знает немало моделей, с помощью которых пытались объяснить магнетизм Земли. Однако эти модели, как правило, взаимно исключают друг друга. Будь прав Гильберт со своим железным шаром, не нужно было бы кольцо Лебедева, а уж золотой цилиндр Блэкета и вовсе оказывается тут не у дел. Однако бывают случаи, когда модели не сменяют друг друга, а ведут, так сказать, политику мирного сосуществования. И эти случаи не так уж редки, поэтому надо поговорить о них особо. Тем более что с «двое-, трое- и большевластием» приходится особенно часто сталкиваться там, где разгадываются самые глубокие тайны материи.
Взять, скажем, атомное ядро.
Есть капельная модель ядра. Это не значит, разумеется, что ядро объявляется обыкновенной каплей воды. «Просто» при расчетах принимается, что ядерные частицы, нуклоны, передвигаясь внутри ядра, часто сталкиваются между собой, и длина пробега без столкновений так же мала по сравнению с диаметром ядра, как средняя длина свободного пробега молекулы в капле воды по сравнению с диаметром капли. Принимая за основу эту модель, находят много сходства между разрывом капли на две и распадом атомного ядра. Энергия, приобретенная одним нуклоном, так же быстро передается другим, как энергия одной молекулы воды ее соседкам. Но «свойства капли» ядро проявляет при сравнительно высоких энергиях. При низких же — уравнения гидродинамики и гидростатики оказываются уже непригодными. И тогда ядро сравнивают уже с пузырьком газа — принимают за основу расчетов газовую модель ядра.
Прибегают ученые и к так называемой оптической модели ядра, когда его рассматривают как однородную преломляющую среду. Особенно же широко используется оболочечная модель, считающая ядро состоящим из нескольких слоев оболочек.
И все это — модели одного и того же ядра, «перевоплощения» его. Поневоле вспомнишь о басне, в которой звери принимали зеркало за картину и не могли сговориться насчет того, что они на ней видят. Или о чудовищном порождении фантазии древних греков — Химере, с телом козы, головой льва и хвостом дракона. Или о детской картинке, на которой заяц стоит на «курьих ножках». Ядро оказывается единым во многих лицах, не хуже, чем сам господь бог согласно христианскому учению. Но на самом деле «лиц» у атомного ядра даже не три и не четыре — ведь число моделей его не ограничивается теми, что здесь перечислены.
Как же так? Что за многоликость? А дело в общем проще, чем может показаться. Примерно та же история, что с обыкновенным «твердым телом» — предметом гораздо более и конкретным и близким нам. В механике Ньютона оно рассматривается как идеально твердое. Другой прославленный английский физик, Роберт Гук, рассчитывал случаи, в которых оно ведет себя как идеально упругое; и то и другое, хоть не до конца, в отдельных случаях оказывается почти верно.
Наука вообще любит «идеальных героев», своего рода «рыцарей без страха и упрека». Но, как известно, нет героев — ни в жизни, ни в хорошей литературе — без недостатков. Реальные предметы не совпадают полностью по своим свойствам ни с моделью Ньютона, ни с моделью Гука. И хорошо, что не совпадают.
Будь права ньютоновская механика, признавшая все тела идеально жесткими, мы жили бы в удивительном мире. Здесь нельзя было бы забить гвоздь, срубить дерево, разорвать лист бумаги. Ведь согласно этому представлению при взаимодействии двух твердых тел могли измениться скорость и направление движения каждого из них, но не они сами.
По Гуку же выходило, что все тела меняют при воздействии на них свою форму строго пропорционально силе воздействия. А как только оно прекратится, немедленно возвращаются к прежней форме, не сохраняя никаких следов недавних изменений. Выходит так, словно эталон для всех тел на свете — каучуковый мячик, которым пользуются спортсмены для тренировки кисти руки.
Будь все это абсолютно верно, нельзя было бы ни прокатывать трубы, ни тянуть проволоку. Обыкновенный хомут оказался бы невозможен.
Разумеется, ни Ньютон, ни Гук и не собирались утверждать, что их модели верны во всех случаях и при любых условиях. То же относится и к многочисленным моделям атомного ядра.
Ну, а которая из них не только позволяет точнее рассчитывать происходящие в нем процессы, но и вернее раскрывать сущность их, структуру ядра?
Вот что пишут, например, такие известные советские физики, как Л. Ландау и Я. Смородинский: «Ясно, что никакая простая модель не может передать всех свойств столь сложной системы, какой является ядро… Не следует удивляться, если разные области явлений будут требовать для своего описания различные модели, иногда даже взаимоисключающиеся по своим свойствам». Вот как!..
В числе прочих причин очень мешает решению проблемы то, что на уровне элементарных частиц модели перестают быть наглядными.
Чтобы смысл этого превращения и значение его для науки стали яснее, начать придется издалека.
Страсть к наглядности
Есть имена, известные каждому культурному человеку. Одно из них — имя Пифагора. Даже марсианам в знак доказательства своей разумности герои Уэллса намеревались показать именно знаменитые «пифагоровы штаны». Но Пифагор был не только великим геометром, но и не очень великим мыслителем и политиком. Его ученики — пифагорейцы — довели недостатки гения до крайности. Они, например, захватывали города и учреждали там свою диктатуру, пытаясь провести в жизнь принципы — отнюдь не математические — своего учителя.
Даже города Великой Греции (включавшей собственно Грецию, Сицилию и побережье Малой Азии), терпевшие чуть ли не всякое тиранство в ту жестокую пору, восставали и изгоняли пифагорейцев.
Понятно, что у реакционной политико-философской организации было немало секретов. Но самая священная тайна учеников Пифагора была все-таки математической. Даже среди самих пифагорейцев в нее посвящались только избранные, достигшие высоких степеней посвящения. Это была тайна существования иррациональных чисел.
Для последователей Пифагора, славившего чистоту и ясность числа, объяснявшего сочетаниями чисел все в мире, утверждавшего, что все можно измерить, иррациональные числа были неприемлемы своей ненаглядностью, неопределенностью.
Здесь в крайней форме проявилось человеческое стремление к наглядности. Так уж устроено человеческое сознание, что ему удобнее постигать мир в конкретных формах, которые легко представить, обозреть, понять.
Все модели в конечном счете служат знанию, но можно попробовать все же выделить среди них модели познания сути — сути вещества, сути устройства мира. Здесь нет места, чтобы разобраться в их истории. Что ж, ограничимся примерами.
Знаете, что было первой моделью атома? Пылинка, пляшущая в солнечном луче! Когда-то Демокрит и за ним Лукреций пришли к выводу, что все в мире состоит из мельчайших невидимых частиц — атомов. Но о невидимом тоже нужно было составить представление. Вот его и помогла получить пылинка, «исчезающая» в темноте и «появляющаяся» в луче.
Я знаю серьезных физиков, считающих, что Демокрит не имел права на свою гениальную догадку; во всяком случае, говорят они, Демокрит должен был подчеркнуть гипотетичность положения об атомах — ведь на строгий опыт оно не опиралось. Однако за Демокритом, а не за человеком, впервые увидевшим атомы, осталась слава основателя атомистики.
А вот с микробами — «атомами» эпидемических болезней — вышло иначе. Слава их открытия принадлежит великому Левенгуку — тому, кто их увидел, но не понял их значения. Пастеру, увидевшему опасность микробов, вполне хватит своих признанных заслуг. Но и до Пастера и до Левенгука жил человек, утверждавший, что холеру и чуму переносят от человека к человеку мельчайшие, невидимые живые существа. И действовал он сообразно с этим утверждением — немецкий врач Филипп Теофраст Бомбаст Парацельс фон Гогенгейм. Правда, ему приходилось называть злостных невидимок маленькими злыми духами. Что делать — у каждой эпохи своя терминология, и откуда странствующему лекарю XVI века было взять определение «понаучнее»? Для нас важно здесь то, что «маленькие злые духи» были мысленными моделями неизвестных еще ядовитых микроорганизмов. Но эта модель была лишена наглядности — даже для суеверного XVI столетия. Идея погибла, едва родившись, чтобы воскреснуть лишь через триста лет.
Но вернемся к атому. Пылинка прослужила его моделью почти две с половиной тысячи лет. Зато потом ни одна модель его не могла удержаться на своем месте больше нескольких десятилетий.
Чем только не был атом — вернее, что только его не заменяло! И что-то вроде детской погремушки — модель, предложенная лордом Кельвином, представляла собой шар, по которому равномерно распределен положительный заряд, плюс — несколько «горошин», носителей электрических зарядов.
Резерфорд превратил атом из детской игрушки в солнечную систему, сосредоточив положительный заряд посередине его, а носителей отрицательных зарядов, электроны, сделав планетами. «Превратив», «сделав» — конечно, все эти слова относятся здесь не к самому атому, а к его модели.
Но в атоме — солнечной системе происходили совершенно невероятные вещи. Согласно «древним» законам Максвелла, заряженные тела, проходя через электромагнитное поле, должны терять энергию. Электроны при своем движении обязаны излучать часть своей энергии. И тогда… тогда непонятно, почему они до сих пор существуют! Ведь вместе с энергией неизбежно теряется масса. И электроны — все! — должны были давным-давно исчезнуть.
Тут-то великий земляк Гамлета Нильс Бор установил, что электроны теряют энергию только «порциями». Причем, для того чтобы такая порция — квант света — была излучена электроном, он должен перейти на новую орбиту вокруг ядра.
Знаете знаменитую английскую детскую сказку «Дом, который построил Джек»? Самуил Маршак перевел ее на русский язык. А физик В. Турчин из славного города Обнинска перевел на русский язык «физический» вариант этой сказки:
Написавший сказку англичанин посвятил свое сочинение ограбленному «Джеку, с извинениями».
Надеюсь, читатель простит мне размеры этой стихотворной вставки. Тем более что весь ряд названий элементарных частиц и повторений слова «распался» и в малой доле не передает сложность процессов микромира. Достаточно сказать, что именно перед возникновением «атома, который построил Бор», в начале XX века страсть ученых к наглядности начала терять шансы на взаимность.
Началось то, что можно назвать трагедией наглядности.
Но раньше, чем начать разговор об этой трагедии, надо договориться об определении самого понятия «наглядность». Чаще всего под ним понимают возможность представить себе явление или предмет в виде чувственного образа, то есть, собственно говоря, возможность подставить на его место такую модель, которая бы могла восприниматься непосредственно нашими органами чувств. Пылинка вместо атома у древних греков, планетная система вместо него же у Резерфорда удовлетворяют этому условию. А модель атома Бора — Гейзенберга, в которой энергия электронов излучается только строго отмеренными порциями и лишь при смене орбиты? Вот какого мнения на сей счет был сам Гейзенберг: «Квантовая теория лишила атом доступных органам чувств наглядных представлений, данных нам в повседневном опыте». Не более наглядно (в том смысле, который придает этому слову Гейзенберг) и искривленное пространство Эйнштейна, и частицы, являющиеся одновременно волнами, и многое другое.
Английский писатель Чарльз Сноу, по «первоначальной» профессии физик, достиг в науке не слишком шумных, но вполне ощутимых успехов. В своей книге «Поиски», в какой-то степени автобиографической, он рассказывает и о том, как совершился этот переворот в сознании физиков. Раньше они мысленно рисовали картины явлений; но эти картины (хотя бы атомов) становились все более запутанными и противоречивыми. Физики-«художники» оказывались не в состоянии дописать свои «произведения». И тогда, пишет Сноу, выход был найден: «Это будут все те же „атомы“, но мы опишем их определенным математическим методом, вместо того чтобы пытаться мысленно нарисовать картину явления».
А между тем уже столетия физики воспитывались на том, что любое явление можно промоделировать механически, создать для него модель в виде тел (если надо, то движущихся). Даже таинственный эфир, скажем, представляли в виде газа без цвета, вкуса и запаха — говоря точнее, рассматривали такой газ в качестве модели эфира.
Поделиться книгой: