Отмечая то обстоятельство, что свойства реального мира, открываемые в процессе научного исследования, могут вступать в противоречие с нашими привычными представлениями о нем, выдающийся физик XX столетия Макс Борн (1882–1970) подчеркивал, что решающим фактором развития естествознания является «необходимость признания человеком внешнего реального мира…, существующего независимо от человека и его способности идти вразрез со своими ощущениями там, где это нужно для сохранения данного убеждения».
Многие великие научные открытия основаны на способности ученого отвлекаться от своего обыденного опыта и гипноза наглядных представлений. Дело в том, что одна из характерных особенностей мира явлений, изучаемых современным естествознанием, состоит в том, что эти явления становятся все менее и менее наглядными.
В свое время некоторые философы считали: то, что нельзя наглядно представить, скажем замкнутый в себе мир, не может и существовать. Осознание того факта, что мир «странных», диковинных явлений реально существует и познается наукой, помогает освободиться от такого примитивного, неправильного подхода к пониманию природы и тем самым способствует прогрессу естествознания.
Очень многое из того, что изучают современная физика и астрофизика, нельзя представить себе наглядно.
Но понять можно! И в этом главное. Например, совершенно невозможно представить себе пространства со сложной геометрией. Но их свойства можно понять и описать с помощью соответствующего математического аппарата.
В то же время это вовсе не означает, что современные физики и астрономы в процессе научного исследования вообще не пользуются наглядными представлениями. Наглядные образы необходимы как в ходе научного поиска, так и при объяснении сложных явлений. Flo эти образы нельзя отождествлять с самим реальным миром: они носят условный, вспомогательный характер.
Копернику одному из первых удалось преодолеть гипноз наглядных представлений об окружающем мире и разглядеть за видимыми перемещениями небесных светил их подлинные движения в мировом пространстве.
Но и ряд последующих шагов, которые в конечном счете привели к построению картины мира классической физики, был также связан с преодолением, привычных представлений. Открывая свои «три закона», Кеплер преодолел распространенное в то время убеждение о круговом характере планетных орбит и движении планет с постоянными угловыми скоростями.
Формулируя свой «принцип инерции», Галилей должен был преодолеть представление о том, что равномерное прямолинейное движение тола происходит под действием постоянной силы.
Ньютон открыл закон тяготения вопреки убеждению о том, что планеты «подталкивают» какие-то неведомые таинственные силы…
И все же пока физика ограничивалась изучением таких процессов, с которыми человек сталкивается более или менее непосредственно, ее выводы не вступали в какие-либо особые противоречия с нашим повседневным опытом.
Когда же в начале XX столетия физика вторглась в мир микроявлений и занялась глубоким осмысливанием физических процессов космического масштаба, то она обнаружила ряд фактов, обстоятельств и закономерностей, которые оказались весьма странными и необычными не только с точки зрения обыденного здравого смысла, но и с позиций всего предшествующего классического естествознания.
Эти странности нашли свое отражение прежде всего в двух величайших теориях нашего века — квантовой механике и теории относительности.
Первая из них утвердила совершенно новые представления о свойствах мельчайших частиц материй — элементарных частиц. Оказалось, например, что не существует принципиальной разницы между частицей и волной, между веществом и излучением. В одних ситуациях частицы проявляют свои корпускулярные свойства, в других — волновые. Вещественные частицы могут превращаться в излучение, а порции излучения — фотоны — в вещественные частицы.
Одним из самых поразительных выводов квантовой физики, противоречащих как наглядным представлениям о мире, так и основам классической физики, явился так называемый принцип неопределенности, о котором было упомянуто в одной из предыдущих глав. Оказалось, что у микрочастицы никакими средствами невозможно одновременно точно измерить скорость и положение в пространстве. Это означало, что у микрочастиц нет траекторий движения в обычном понимании, а они представляют собой нечто вроде размазанного в пространстве облака.
Еще необычнее оказались выводы теории относительности. В частности, выяснилось, что многие физические величины, которые казались абсолютными и неизменными, например, масса какого-либо тола, длины отрезков, промежутки времени, в действительности являются-относительными, зависящими от характера движения системы, в которой происходят те или иные физические явления.
Так, оказалось, что масса тела возрастает с увеличением его скорости. И потому масса, скажем, протона или нейтрона, летящего со скоростью, близкой к скорости света, может в принципе превзойти массу Земли, Солнца и даже массу нашей звездной системы — Галактики.
Но все это были еще только самые первые шаги в тот удивительный, странный мир науки, который во второй половине XX столетия все стремительнее развертывается перед нами.
В глубинах микромира
Одной из наиболее фундаментальных областей современного естествознания является физика микромира, занимающаяся изучением строения материи на уровне микропроцессов — атомов, атомных ядер и элементарных частиц.
В течение последних десятилетий эта область науки бурно прогрессировала. Еще какие-нибудь двадцать лет назад физикам было известно всего около десятка элементарных частиц, и казалось, что именно из этих частиц и состоят все объекты окружающего нас мира. Но затем благодаря введению в строй гигантских ускорителей и применению электронно-вычислительной техники было открыто множество новых частиц сейчас их число измеряется сотнями.
Далее в физике микромира наступило заметное затишье. Во всяком случае, лет пять назад многие специалисты высказывали мнение, что эта область физической науки явно отступает на второй план.
Однако застой оказался временным, и в последние годы ситуация изменилась самым существенным образом.
Получила развитие особая область физики элементарных частиц — так называемых новых частиц. Были обнаружены так называемые пси-частицы, обладающие весьма интересными свойствами.
Еще в 1964 г. физики-теоретики М. Гелл-Манн в Г. Цвейг, исходя из некоторых теоретических соображений, выдвинули смелую и оригинальную идею об особых фундаментальных частицах кварках. Согласно этой идее существуют три кварка с дробными электрическими зарядами и три соответствующих им антикварка. Из кварков и антикварков могут быть построены протоны, нейтроны, гипероны, мезоны, их античастицы, а также некоторые другие элементарные частицы.
В теоретическом отношении гипотеза кварков оказалась весьма интересной и многообещающей. Во всяком случае, в мире элементарных частиц все происходит именно так, как если бы кварки действительно существовали.
С 1964 по 1970 г. во многих лабораториях мира предпринимались активные поиски кварков. Их искали на ускорителях элементарных частиц, в космических лучах и даже в образцах лунного грунта. Однако обнаружить кварки в свободном состоянии так и не удалось. Правда, время от времени в печати появляются сообщения о том, что эти частицы наконец открыты, по дальнейшие исследования подобные сообщения не подтверждают.
В связи с этим произошло некоторое охлаждение к гипотезе кварков. И в то же время без кварков было бы очень трудно объяснить многие свойства элементарных частиц. Поэтому, несмотря ни на что, гипотеза кварков продолжала развиваться. В результате теоретики пришли к выводу, что должен существовать еще один четвертый кварк, так называемый С-кварк, со своим антикварном.
В числе прочих физических характеристик этого кварка имеется новое, так называемое квантовое число, получившее название «очарования» или «чарма».
По если есть четвертый кварк, то должны существовать и частицы, в состав которых он входит. Именно одна из таких частиц — джей-пси-мезон и была обнаружена в ноябре 1974 г.
Есть предположение, что джей-пси-мезон представляет собой своеобразную атомоподобную систему, которая состоит из С-кварка и его антикварка. Эту систему назвали «чармонием».
Если это предположение соответствует действительности, то джей-пси-мезон, видимо, представляет собой нечто иное, как один из возможных энергетических уровней чармония.
Не исключена также возможность, что в природе существуют образования, состоящие из комбинаций «старых» и «новых» кварков. Сперва подобные объекты попытались «сконструировать» теоретики, а в конце 1976 г. появились сообщения об открытии чармированных мезонов и чармированного бариона. Любопытно отметить, что джей-пси-мезон оказался самым тяжелым мезоном среди всех известных современной физике. В то же время весьма велика и продолжительность жизни джей-пси-мезона. Она составляет около 10~20 с. Это примерно в тысячу раз больше, чем продолжительность существования других тяжелых частиц. А в 1977 г. была открыта ипсилон-частица, предсказанная теорией как комбинация шестого кварка и антикварка. Ее масса равна пяти массам протона. Тот факт, что пси-частицы оказались сравнительно долгоживущими, наводит на мысль, что, быть может, в природе есть некое еще неизвестное нам правило запрета, накладывающее «вето» на быстрый распад джей-пси-мезона и других подобных частиц.
