Охотники за частицами: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Однажды я отправился с группой альпинистов на Памир. Восхождение было тяжелым. В день удавалось пройти совсем немного. Быстро наступал вечер. Как всегда в горах, сумерек почти не бывало. Солнце сваливалось за горы, и сразу наступала ночь, а с нею холод.

На ветру разбивались палатки, разогревался немудреный альпинистский ужин, и мы залезали в спальные мешки, тревожно прислушиваясь к тому, как ветер свистит и рвет полу палатки. Начинались разговоры, обычно веселые, иногда даже разгорались споры, несмотря на то что за день все доходили до свинцовой усталости.

И однажды кто-то из нас, будучи, видимо, в философском настроении, сказал: «Братцы, а чего мы, собственно говоря, лезем в горы? Что нам, внизу места мало?»

Вопрос, конечно, был полушутливым. Но разгорелся жаркий спор. Ребята в основном были студенты и два-три научных работника. Может быть, поэтому тема спора быстро «съехала» на то, чтó вообще заставляет человека искать неизведанное, подвергать себя трудностям и лишениям. Причем делать это добровольно и не задумываться над тем, что ждет в конце пути.

«Я думаю, что внизу, в обжитых местах, просто скучновато, — сказал один из нас, огромный парень с совершенно детскими глазами. — Ну, чего я там не видел? А вот здесь, на горе, — все новое, даже облака новые, ветер дует по-другому, чем в долине. А простор какой!»

«Простор в самом деле огромный. На сотни километров видно», — согласился с ним другой студент, такой щуплый на вид, что было просто непонятно, как он тащит на себе рюкзак соизмеримых с ним размеров. Он считался у нас философом, поэтому над ним охотно подтрунивали.

«А зачем тебе видеть на сотни километров? — невинно спросила молодая наша спутница. — Ты что, хочешь быть орлом?» Мы все на минуту представили себе нашего философа в роли орла и весело рассмеялись.

«Нет, братцы, серьезно! — не сдавался он. — Орлу можно позавидовать. Ему бы еще наши мозги. Чтобы он умел обобщать результаты своих наблюдений. Гениальная птичка была бы!»

Мы опять посмеялись и еще немножко поспорили о том, что, в сущности, такое гениальные ученые. Но усталость взяла свое, и спор быстро погас.

Я вспомнил о нем, начав писать эту главу. Да, в словах маленького альпиниста была доля истины. Один из признаков гениальности ученого заключается именно в том, что он, подобно альпинисту, может высоко подняться над долиной привычного, каждодневного и увидеть мир в новом и резком свете гор.

Тяжел, очень тяжел этот подъем на гору. Идешь, идешь, а вершина все далеко. Она словно и не приближается к тебе. Открываются новые широкие просторы, но обязательно горизонт загораживают другие горы. И чем выше, тем круче подъем, тем меньше твердой почвы, на которую можно опереться, тем труднее дышать разреженным горным воздухом.

Но ничего не поделаешь. Любознательность, которая толкает ученых вперед, необорима.

Отряд альпинистов, совершающих восхождение на гору квантовой механики, множится с каждым годом, с каждым новым успехом. Одним из первых к этому отряду присоединяется молодой англичанин французского происхождения — Поль Адриен Морис Дирак.

Пока на горе места много. В квантовой механике еще тьма нерешенных проблем. На земном шаре физика пока еще не столь популярна, физики еще не в большом числе. А тех, кто безоговорочно уверовал в истинность новой теории, и того меньше. Как шутливо говорят ученые, давки еще нет.

Дирак разглядывает горизонты. Его внимание привлекает холм неподалеку. Верхушка холма теряется в тумане, но холм не кажется недоступным. Неприятно то, что он загораживает внушительную часть горизонта.

Дираку только двадцать с немногим лет, и он полон юношеского задора. Он решает отколоться от основного отряда альпинистов и в одиночку покорять холм. На языке физики сей холм называется — «синтез квантовой механики и теории относительности».

Старая квантовая теория Нильса Бора позволила подсчитать, что электроны в атомах движутся с весьма высокими скоростями — в десятки тысяч километров в секунду. Правда, это еще далековато от скорости света, которая составляет триста тысяч километров в секунду.

Теория относительности Альберта Эйнштейна — она в тот год может отметить свое двадцатилетие — говорит, что все удивительные вещи с телами начинают отчетливо проявляться лишь при скоростях тел, довольно близких к скорости света. Во всяком случае, при скоростях порядка сотни тысяч километров в секунду.

К таким скоростям электроны могут приближаться лишь в самых тяжелых атомах, заполняющих последние клетки периодической таблицы химических элементов. Но не это обстоятельство занимает сейчас Дирака. Раз в принципе околосветовые скорости электронов возможны, значит, в квантовую теорию надо включить и их. Если хотите — впрок.

С самого начала выясняется, что забраться на холм не так-то просто. Первые же камни, на которые ступает Дирак, ускользают из-под его ног.

Теория относительности резко разграничивает движения со скоростями меньше и больше скорости света. Первые — возможны, вторые — нет. Квантовая механика, однако, не столь категорична в своих суждениях. Вспомним хотя бы гейзенберговские соотношения неопределенностей. Они утверждают, что, чем определеннее мы пытаемся узнать место, где находится частица, тем более неопределенной становится ее скорость.

Это глубокое различие в подходе двух теорий — теории быстрых движений больших тел и теории медленных движений маленьких тел — в те годы еще не осознается физиками. Дирак видит лишь, что решения составленного им уравнения, которое является развитием основного уравнения квантовой механики на быстрые движения, не обладают релятивистской инвариантностью.

Страшные это слова — «релятивистская инвариантность». Страшные своей неумолимостью. Если теория не обладает этим свойством, физики без разговоров сдают ее в архив. Все равно прока от нее не будет.

Что же означают эти страшные слова? Не удивляйтесь: вам, оказывается, хорошо известен скрытый в них смысл. Еще в первые годы изучения физики в школе вы узнаёте такое важное понятие, как система отсчета для движения тел, и такое важнейшее положение, что законы движения тел не должны зависеть от того, как вами выбрана система отсчета, в которой изучаются эти движения. Это и понятно: представляете себе, какой произвол воцарился бы в мире в противном случае!

Вам известны и приводимые тому примеры. Если вы играете в волейбол на равномерно плывущем пароходе, то мяч летает точно так же, как если бы вы играли на лужайке. И уравнения движения этого мяча в «системе отсчета» судьи, сидящего на вышке, ничем не отличаются друг от друга в обоих случаях.

Точно так же нет различия между тем, как идут ходики в равномерно движущемся поезде или в доме стрелочника на полустанке, мимо которого проносится поезд. И в том и в другом случае движение маятника часов описывается одним и тем же уравнением.

На языке физики это положение называется принципом относительности Галилея. Почти три века в справедливости этого принципа никто не сомневался.

Но вот приходит Альберт Эйнштейн и доказывает, что принцип Галилея верен лишь для сравнительно медленных движений тел. Для быстрых движений он принимает иной вид. Теперь его надо заменять принципом относительности Эйнштейна.

Здесь мы не будем описывать открытия Эйнштейна. Это описание можно найти в любой популярной книге по теории относительности. Укажем лишь на гораздо более высокую требовательность этого принципа.

Принципу Галилея часто угодить довольно легко. Как выразился один физик, «этот принцип протестует только в том случае, когда к нему подносят на проверку теории неравномерных, ускоренных движений».