|||

1. ПОГРУЖЕНИЕ В ИСТОРИЮ. На дне

Попытки познания микромира человеком началось задолго до нашей эры. Человечество во все времена пыталось разобраться из чего же состоят предметы и вещества. Великие умы нашей цивилизации совершенно ясно понимали, что рассматривать проблемы мегамира, мира планет, звезд, галактик и Вселенной, а также макромира, мира человека, без учета процессов, которые происходят в микромире абсурдно, так как весь мегамир и макромир, в сущности, состоит из элементов микромира - мира молекул, атомов, элементарных частиц и эфира. Не познав нижний уровень вселенской иерархии, невозможно познать и более высокий.

 Об этом нас предупреждал Гермес Трисмегист, сочетающий в себе черты древнеегипетского Бога мудрости Тота и древнегреческого Бога Гермеса. О Гермесе Трисмегисте, как о божестве, упоминал Цицерон в его трактате « О природе богов». Христианский богослов Блаженный Августин и блестящий оратор из Африки Лактанций считали Гермеса Трисмегиста провидцем, который был старше по возрасту Пифагора и Платона, но моложе Моисея.

 В своем сочинении «Изумрудная скрижаль» - в одной из немногих работ, дошедших до нашего времени, - Гермес Трисмегист пишет: «То, что внизу, - подобно тому, что вверху. А то, что вверху, - подобно тому, что внизу. И это надо знать для того, чтобы обрести познание наичудеснейшего Единого! Все материальное возникло по замыслу Единого. Все материальные объекты стали проявленными – именно через уплотнение энергии Единым».

 То есть, Гермес Трисмегист показывает нам путь познания микромира через познание Вселенной и путь познания Вселенной через познание микромира. При этом, он однозначно связывает энергию с материей, признавая не только первичность энергии по отношению к материи, но и то, что материя – это, по сути, уплотненная энергия.

 Примерно за 400 лет до н.э. древнегреческий философ Демокрит задумался о мельчайших частицах, на которые можно было бы поделить вещество. Такую мельчайшую частицу он назвал атомом, что означает «неделимый». Тела, по мнению Демокрита, - это комбинация атомов. Как из букв слагаются разные слова, так и из атомов могут собираться различные вещества. В мире есть только атомы и пустота. Подобных взглядов придерживались философы древности Эпикур и Лукреций Кар.

 Однако, другой известный греческий мыслитель Аристотель придерживался иного мнения и считал, что основой всего окружающего мира являются пять первоэлементов, пять стихий: воздух, вода, земля, огонь и эфир. По Аристотелю Солнце – это огромное скопление эфира и его тепло порождается действием эфира. Он считал, что эфир заполняет весь космос. При этом, эфир – это та мельчайшая субстанция, из которой берет начало все, что создано во Вселенной. Взгляды Аристотеля являются продолжением суждений его учителя – Платона, который утверждал, что Бог создал мир из эфира.

 Вместе с тем, в средние века утвердилось мнение, что мир все же состоит из атомов, сцепленных друг с другом и из пустоты между ними. Атомы считались вечными и неразрушимыми. Конечно же, никаких определенных доказательств этому не было.

 О неделимых частицах уже в ХVII веке заговорили Р. Бойль и И. Ньютон, однако до детального представления атомной структуры и определения его свойств дело так и не дошло. В девятнадцатом веке стало понятным, что атом не конечная субстанция, и он сам состоит из элементарных частиц. Теория строения вещества получила новый толчок с открытием электрона – отрицательно заряженной элементарной частицы.

 Атомная модель Д. Томпсона предполагала, что атом состоит из отрицательно заряженных электронов, находящихся внутри положительного заряда, который заполняет все внутреннее пространство атома. Модель Д. Томпсона сравнивали с булкой с изюмом, в которой роль изюма выполняли электроны.

 В начале двадцатого столетия попытки заглянуть внутрь атома предпринял новозеландский физик Э. Резерфорд. Проводя уникальные эксперименты с естественными источниками радиоактивного излучения и оборудованием собственного производства, представлявшего собой пушку, испускающую поток направленных частиц, Э. Резерфорд сумел разработать свою собственную планетарную модель атома.

 Атом, по Э. Резерфорду, состоит из положительно заряженного компактного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра. Однако, создав модель атома, Э. Резерфорд не торопился ее активно внедрять в научную жизнь общества. Он понимал, что, изучив его модель, ему непременно зададут вопрос: «Если электрон вращается вокруг ядра, то он, естественно, испускает энергию. Должна ли эта энергия, какой бы она не была, неминуемо закончится и должен ли электрон в изнеможении упасть на атомное ядро?». Вопрос ставил в тупик всю теорию Э. Резерфорда, так как в природе падающих на ядро электронов пока не наблюдалось.

 Этот вопрос, вполне предсказуемо, возник у датского физика Н. Бора, одного из основателей квантовой физики. Впрочем, не только у него. В 1913 году Н. Бор постарался решить проблему потери энергии электроном, принимая допущение, что электроны в атоме могут вращаться только по определенным орбитам. Вращаясь по этим орбитам, электрон не излучает и не поглощает энергию. Однако, при переходе с одной орбиты на другую, происходит или поглощение, или излучение энергии.

 Предложения Н. Бора, а также созданная им теория, свидетельствовали о совершенно новом подходе к описанию процессов, происходящих в атоме, и давали повод для дальнейших исследований в этом направлении. Однако, теория Н. Бора распространялась только на наиболее простые атомы – атомы водорода и не могла быть использована для других, более сложных атомарных структур. Дальнейшие поиски решения проблемы строения атома, его ядра и понимания внутренних атомарных процессов были безрезультатны и через непродолжительное время, по сути, остановились.

 Необходимо отметить, что этот застой в понимании микромира был предопределен недостаточным развитием технической базы, находящейся в распоряжении исследователей. Отсутствие мощных микроскопов и специального оборудования стало серьезным фактором, тормозящим движение научной мысли. Заглянуть во внутрь атома ученые пока не могли. Но хотели. Очень.

 Вполне естественно, лучшие умы человечества постарались обойти технические препятствия и попытались найти другие пути исследования микромира. Тем более, что определенная база научных результатов и теоретических положений, созданная У. Гамильтоном, И. Бальмером, В. Рентгеном, У. Томпсоном, Х. Нагаокой и Э. Резерфордом, уже имелась. Поэтому начало двадцатого века ознаменовалось появлением новых взглядов на физику. Не найдя ответов на строение атома с помощью классической физики, ученые активизировали вопрос о поиске более современной и точной физики, которая позволяла бы найти пути познания микромира. Наука – это всегда поиск, всегда нелегкий путь, который, к сожалению, не всегда может привести к заветной цели.

 В этих непростых условиях, начали закладываться основы будущей теории – квантовой физики. Впервые о квантах и квантовой физике заговорил М. Планк в 1900 году, презентуя научному миру фундаментальную постоянную – квант действия. Его взгляды послужили путеводной звездой для физиков-теоретиков того времени – Л. Больцмана, Т. Куна, А. Эйнштейна, Э. Шредингера, Х. Лоренца и многих других.

 Научный мир всколыхнулся в предвкушении революции в классической физике.

И такая революция началась. Основываясь на идеях М. Планка и Н. Бора, ученые начали активные исследования в области квантовой физики. Однако, уже с 1919 года проводятся эксперименты, готовятся доклады и конференции, которые обнаруживают некоторые несоответствия и ограничения в теории Н. Бора и его последователей.

 К 1925 году физики-теоретики вновь заговорили о кризисе физики и о ее тупиковом направлении развития.

 Практически одновременно, уже в 1925 - 1928 годах появляются работы В. Гейзенберга, П. Дирака, Э. Шредингера, В. Паули, в которых формируются основы еще более новой физики – квантовой механики. Суть квантовой механики заключалась в поисках методов, которые могли бы описать основные свойства и поведение атомов, молекул, ионов и элементарных частиц. Необходимость ее появления была вызвана невозможностью классической механики объяснить, по мнению физиков-теоретиков, способность электрона на большой скорости вращаться вокруг атомного ядра и не беспокоиться о расходе излучаемой энергии, не позволяющей ему упасть на ядро атома. Поэтому для понимания процессов, происходящих на уровне атомов и элементарных частиц и была необходима новая теория – квантовая.

 Классическая механика достаточно полно описывала поведение систем на уровне макромира. Но на уровне микромира ее законы были не способны корректно описывать поведение микроскопических систем. Так, очевидно, посчитали великие теоретики. Поэтому решили не разбираться в тонкостях микромира с помощью классической физики, а придумать нечто новое, более свежее.

 

 Но, может быть, этого и не требовалось? Может быть, классическая физика смогла бы решить, в том числе, и проблемы микромира? Может быть, нужно было более глубоко разобраться в структуре атома, его ядра и элементарных частиц и только после этого попытаться применять законы классической физики для описания систем микромира?

 

 Но не найдя ответы на вопросы, которые встали перед учеными при изучении микромира, исследователи отдали приоритет вероятностным моделям, введению принципа неопределенности, различных запретов и некой очень малой величины (h= 6,62606957(29) х 10-34 Дж * C), названной постоянной Планка.

 Квантовая механика, впитав в себя оригинальные, но сомнительные идеи, оказалась в непростом положении. Описывая достаточно простое линейное поведение элементарных частиц, квантовая механика вполне адекватно отвечала на вопрос «что?» и «куда?». Однако, теория совсем не отвечала на более глубокие вопросы – «как?» и «почему?». Вопрос «почему?» просто обходился стороной, оставляя нераскрытыми структуру и состав элементарных частиц, атомного ядра и атома. Таким образом, главным достоинством теории было только элементарная констатация экспериментальных данных и выведение на их основе математических зависимостей, отвечающих протекающему процессу.

 Вместе с тем, принятая теория продвигаясь в своем развитии, требовала новых уточнений, новых условностей, парадоксов, запретов, уравнений, новых обоснований и терминов. Обилие новых и непонятных терминов свидетельствовало о том, что путь, избранный исследователями был далеко не прост и удивительно напоминал ту длинную дорогу из Парижа в аэропорт, которая не гарантировала своевременного прибытия, но уверенно предопределяла трудности, потери и лишения.

 Поэтому возникал еще один вопрос: «Может быть, лучше разобраться со структурой атома и элементарных частиц, а затем решить – нужна ли новая квантовая или относительная теория или можно просто обойтись классической физикой без непонятных терминов и ограничений?».

 Это вопрос имеет под собой достаточно веские основания. Ведь мир един. Мега, макро или микро – не важно. Важно, что он един. Законы, царящие в этом мире, также едины. Иначе и не может быть! Не может быть раздела – здесь действуют законы одной физики, а здесь – другой. Если мы не можем понять, сформулировать и объяснить то или иное явление с помощью уже проверенной теории, то это вовсе не означает, что нужно немедленно отказаться от того, что надежно работает и приступить к созданию чего-то, что еще должно доказать свою пригодность.

 Поэтому, может быть, более правильно было бы поискать решения загадок микромира с помощью классической физики? Может быть, изменение масштаба изучаемого мира не является причиной изменения действия законов природы и устройства мира? Может быть, собственная неспособность понять и объяснить не является веским аргументом к изменению проверенных аппаратов познания? Может быть. К сожалению, ученые девятнадцатого – двадцатого века избрали другой путь. Модерн победил классику. Надеюсь, что временно.

 Раз уж так произошло и мы не можем ничего изменить, то предлагаю двигаться дальше. Времени у нас мало, а разбираться с завалами на дороге ведущей в заросли непроходимых джунглей, не самая интересная работа. Впереди еще много неясного и непонятного. Попробуем найти верный путь.

 Жизнь показала, что победоносная квантовая механика не является универсальной теорией. Изучая вопросы микромира, квантовая механика сумела добраться только до описания и предсказания поведения атома и не затрагивала вопросов физики высоких энергий и физики элементарных частиц. Эти вопросы требовали новой теории, которая была сформулирована и названа квантовой теорией поля. Квантовая теория поля выступила инструментом познания в физике элементарных частиц. На основе положений физики элементарных частиц была построена ее Стандартная модель. Ученые физики считают, что Стандартная модель единственная физическая теория, адекватно описывающая устройство микромира.

Вместе с тем, Стандартная модель не описывает ни темную энергию, ни темную материю и не включает в себя все известные виды взаимодействий. Это касается гравитации. Ученые признают, что к Стандартной модели еще имеются вопросы и она не в полной мере отвечает реалиям микромира.

 В физике элементарных частиц принято представлять взаимодействия – электромагнитное, сильное и слабое, как обмен виртуальными частицами. При этом, не исключается, что частицы могут превращаться во взаимодействие, а взаимодействие – в частицы. Идея сама по себе интересная, однако, экспериментальных подтверждений она пока не получила.

 В качестве фундаментальной частицы в Стандартной модели принят кварк – фундаментальная частица, обладающая электрическим зарядом, но не наблюдающаяся в свободном состоянии. Считается, что протон и нейтрон состоят из трех кварков каждый. На современном этапе развития физики фундаментальных частиц обнаружено 6 кварков и 6 антикварков, отличающихся своими зарядами и массами.

 Принятая градация кварков, разделяет их на три поколения. Масса двух кварков первого поколения составляет примерно 4,79 МэВ и 2, 01 МэВ соответственно, двух кварков второго поколения – 95 МэВ и 1800 МэВ, и двух кварков третьего поколения - 4500 МэВ и даже 171 000 МэВ. Цифры вызывают законный интерес особенно, если учитывать, что масса протона и нейтрона, которые и состоят из этих самых кварков, составляет примерно 938 МэВ, а нейтрона 939 МэВ соответственно.

 Но если мы попробуем из кварков составить протон, то суммарная масса трех самых легких кварков будет существенно (в 60 раз!) меньше массы протона. При попытке поправить положение и попытаться составить протон из более тяжелых кварков, масса тяжелого кварка с двумя любыми другими будет значительно превышать массу протона. Как быть? Что делать? Положение явно незавидное. Я бы сказал - тупиковое. И его нужно как-то объяснять. Внятных объяснений пока не существует.

 Для того, чтобы хоть как-то сгладить ситуацию и придать ей большую таинственность, достойную только избранных, ученые приняли утверждение, что кварки вообще не существуют в свободном состоянии, т.е. их никто и никогда не увидит. И не старайтесь! Они загадочные, неуловимые, наполненные ароматами, цветом, очарованиями и странностями (это официальные характеристики этих прелестных таинственных существ). Даже придумали звучное название для их неуловимости – конфайнмент. Красиво и загадочно… Позиция очень удобная и никого ни к чему не обязывает. Кварки, вроде бы, есть, но увидеть их, совершенно точно, невозможно.

 Что же остается нам? Приходится только согласно кивать и делать умный вид, что это наука. Но не простая, а высокая. И, извините, только для избранных. Для тех, кто способен ее понять. Кто не путает интеграл с логарифмом, а К. Гаусса с Я. Бернулли. К сожалению, не всем дано.

 Ситуация напоминает замечательную сказку великого Ганса Христиана Андерсена про голого короля. В этой сказке двое обманщиков заявили, что могут выткать замечательную ткань и сшить из нее одежду для самого короля, обладающую чудесным свойством становиться невидимой для всякого человека, который или сидит не на своем месте, или непроходимо глуп.

 На самом деле, конечно же, никакой ткани не было, как не было и одежды сшитой из нее. Но, вместе с тем, не было и желающих признать это, так как никто не хотел рисковать своей должностью или репутацией. Включая и самого короля. Поэтому мошенники, получив огромные деньги и предусмотрительно сбежав из города, выставили голого короля на посмешище толпы во время церемонии показа нового платья короля. Люди в толпе также знали об удивительных свойствах ткани и также нахваливали несуществующую одежду на гордом, но абсолютно голом короле.

 Кроме одного мальчугана, который не занимал никакую государственную должность и пока не очень-то беспокоился об уровне своего IQ. У него все еще было впереди, и мир он воспринимал не таким, каким ему его преподносили, а таким, каков он есть на самом деле. И, конечно, мальчишке стало очень смешно от всей этой ситуации, и он громогласно и искренне удивленно воскликнул: «А король-то голый!». Люди из толпы подхватили слова невинного ребенка и стали передавать их друг другу. Пелена обмана мгновенно слетела с глаз собравшейся толпы, и весь народ согласно закричал, подтверждая истину, сказанную наивным мальчишкой.

 Но сказка на этом не закончилась. Интересен и поучителен конец этой замечательной сказки. Король, слыша крики толпы, не бросился наутек и не прервал процессию. Он понимал, что люди правы, но решил идти до конца. А что делать? Он величаво продолжал шествовать во главе своей свиты, а свита послушно несла за ним шлейф из таинственной несуществующей ткани. Шлейф, которого не было.

 Кстати, что потом случилось с мальчиком, никто не знает, но очень хотелось бы, чтобы он спокойно и радостно развивался, хотя бы до следующей королевской церемонии. Нет никаких сведений и о веселых мошенниках, но, думаю, что их вряд ли нашли и они спокойно дожили до своей старости, щедро распространяя свои плутовские гены по всей планете. Никто не помнит и имени глупого короля, но каждый запомнил, что и он, и вся его свита, понимая в какую недвусмысленную дурацкую ситуацию они попали, продолжали гордо шествовать по мостовой, несмотря на потоки правды, которая выплескивалась с обочин, занятых толпой.

 В этом ужасная правда нашей жизни и побороть лицемерие и глупость будет очень и очень трудно. Мало кто захочет признать свою наготу, да еще и перед обществом. Короли, к сожалению, тем более.

 Вот такая актуальная сказка.

 К глубокому сожалению, современная наука о микромире в настоящее время находится в очень похожем положении. Именно на современном этапе своего развития. Со своими вопросами, проблемами и парадоксами. Безусловно, физики-теоретики проводят огромную работу и выступают за дальнейшее расширение и совершенствование экспериментальной базы, парламенты и правительства многих стран выделяют на проведение дорогостоящих экспериментов огромные деньги, строители и инженеры возводят беспрецедентные по своим масштабам сооружения типа Большого адронного коллайдера, Нобелевский комитет поощряет исследователей за обнаружение еще одной новой частицы – все это, несомненно, важно и оправдано. Как процесс.

 

 Однако, возникает вопрос - а в том ли направлении движется наука? Правильно ли выбран маршрут движения и пункт назначения для разрабатываемых теорий? Обеспечат ли проводимые исследования дальнейшее процветание человечества и безопасное его существование? Сумеет ли наша цивилизация в ближайшее время перейти на новые энергетические источники, основанные на знаниях об энергии элементарных частиц и атомного ядра? Найдем ли мы пути их безопасного применения?

 

 Безусловно, эти вопросы чрезвычайно сложны и требуют очень глубокой и скрупулезной проработки с привлечением мощных научных учреждений и сообщества теоретиков и экспериментаторов мирового уровня. Необходимо сказать, что подобная работа уже проводится и достаточно давно. Проходят симпозиумы, конференции, читаются доклады, представляются результаты экспериментов, защищаются диссертации, издаются научные труды… Но нет пока на горизонте ни новых источников энергии, ни процветающей цивилизации, ни твердой уверенности в безопасности человечества. Создается устойчивое впечатление, что цивилизация в вопросах понимания микромира пока находится на самом дне.

 Потому что поиск новых направлений в исследованиях идет сугубо эмпирическим путем, проявляя неспособность внятно объяснить обнаруженные явления и спрогнозировать новые результаты экспериментов. Наука об обитателях микромира хоть и приобрела математическую обоснованность, но оторвалась от природных явлений и от философии исследований. Более того, излишняя математизация физики, по сути, раздавила последнюю, отдав приоритет математическим зависимостям перед физическими явлениями. В ней, на мой взгляд, больше превалирует наблюдательный характер, без глубокого понимания внутренних механизмов природных явлений, без поиска причинно-следственных связей.

 Современное состояние науки, касающейся знаний о микромире, уже давно не оправдывает производимых затрат на ее развитие. Позиция правительств некоторых стран в отношении щедрых расходов на фундаментальную науку, конечно, не может не радовать, но если сопоставить затраты на исследования с количеством реальных полезных человечеству результатов, то, к сожалению, тенденция к увеличению явно будет не в пользу последних.

 Мне трудно судить о всех достижениях и просчетах в теории микромира, квантовой механике или квантовой теории поля – я не обладаю высокими профессиональными компетенциями в этих вопросах. Я просто взглядом дилетанта-исследователя попытался понять то, что уже проработано, используется, является предметом обучения и неукоснительного следования в процессе научных изысканий. Мне хотелось увидеть суть проделанной работы, а не раствориться в бесчисленных математических формулах, описывающих гипотетические явления. К моему глубокому сожалению, ни увидеть, ни понять, ни познать чего-то фундаментального, значимого и всесторонне обоснованного мне не удалось. А жаль.

 Мои суждения могут быть для кого-нибудь неудобными, противоречивыми, абсурдными или даже обидными, но искренне прошу быть снисходительными и все же постараться разобраться в том, о чем уже сказано и понять то, о чем еще будет говориться. Может быть, совершенно неожиданно для себя, вы вдруг увидите что-либо полезное и нужное. Или же затронутые вопросы позволят выйти на новые понимания и найти какие-то более прогрессивные пути или решения. Я этому буду несказанно рад!

 Потому что уверен, что вектор исследований микромира должен быть изменен и направлен на глубокое изучение структуры атома, его ядра и элементарных частиц, на детальное понимание процессов, которые происходят при взаимодействиях и, особенно, в ходе ядерных реакций, на поиск путей управляемого освобождения и направления энергетических потоков, находящихся внутри элементарных частиц и атомных ядер, с целью эффективного их применения. Другого правильного пути нет. Во всяком случае, мы его пока не видим.