Введение

Когда появились первые микроскопы, люди с удивлением обнаружили, что в обыкновенной капле воды существует целый мир, живущий своей, скрытой от человека, бурной жизнью. Масштабы этого "микромира" казались тогда поразительно малыми, какие-то ничтожные доли дюйма, но какая богатая, какая сложная структура!

Надо сказать, что уже в Древнем Египте, Древней Греции, на Древнем Востоке мысль о том, что за видимым многообразием окружающего мира скрывается некая единая основа, будоражила умы лучших ученых прошлого. Что будет, если взять острый нож и начать резать, скажем, яблоко на более мелкие части? Можно ли получить бесконечно малый кусочек яблока? Делимость вещества до бесконечности претила многим, кто размышлял над этим. В результате появилась идея "атома" ("неделимый" в переводе с греческого) - наименьшей частицы вещества.

Эта идея, то затухая, то разгораясь, принимая разные обличья и оттенки, вот уже в течение 2500 лет освещает трудный путь в познании устройства природы.

К началу XVII в. чисто умозрительные, хотя порой и очень прозорливые, заключения стали считаться недостаточными для истинных, достоверных суждений о явлениях. Его величество Опыт занял наконец в натуральной философии (так называли тогда естествознание) подобающее ему место и стал главным оружием в битве за знания. Ученые, затаив дыхание пристально всматривались через окуляр микроскопа в разворачивающиеся перед ними туманные дали микромира, не менее интересного, чем горизонты звездного неба, и, кажется, столь же безграничного. Но как раздвинуть горизонты микромира? Выход один: увеличить разрешающую силу линз, изменить конструкцию трубки, усилить освещение!

...Атом. Что дальше?..

Труды не пропали даром - за 300 лет, прошедшие с тех пор, доступные исследованию величины расстояния удалось уменьшить от десятой доли сантиметра до... Представьте себе, как мысленно вы разделяете сантиметр сначала на тысячу частей, потом каждую получившуюся часть еще на тысячу, потом... нет, это слишком медленно, делить снова на тысячу, теперь лучше уж сразу на миллиард частей! Это, пожалуй, даст вам некоторое представление о том, до каких глубин микромира добралась современная физика!

- Да что же там может быть на таких чудовищно ничтожных "отрезках"? Наверное, ничего, пустота?

И правда, что может быть меньше, чем любой атом любого вещества? И что же это за микроскоп, с помощью которого можно разглядеть столь фантастически малые участки... даже трудно сказать - чего?

- Да, микроскопы для этих целей действительно выглядят как-то необычно, во всем мире их считанные единицы. Если микроскоп XVII в. Занимал не очень много места на обыкновенном деревянном столе, то современный "супермикроскоп", позволивший заглянуть внутрь атомного ядра, занимает площадь в десятки квадратных километров. Странно, правда? Чем меньших размеров рассматриваемый объект, тем больших размеров нужен прибор. И вот что интересно: для разглядывания все больших расстояний обратного явления не происходит - телескопы не делают меньших размеров, когда хотят расширить границы видимой Вселенной. Совсем наоборот. Впрочем, свойства Вселенной "в большом", оказывается, очень зависят от того, что некогда было в очень "малом".

Если 200 - 300 лет назад все энергозатраты при работе с микроскопом сводились к нескольким свечкам, которыми снабжались нехитрые оптические устройства, то нынешний "супермикроскоп" требует энергии, которую вырабатывает целая электростанция, да еще сложнейшего электронного оборудования.

Если раньше ученый, поглядывая в окуляр, сам перерисовывал свои наблюдения на бумагу, то теперь для обработки наблюдений, произведенных с помощью "супермикроскопа", не обойтись без мощного вычислительного центра, оснащенного ЭВМ последних моделей.

Если во времена Левенгука для исследований в области микромира хватало денежных средств и экспериментального мастерства самого исследователя, то теперь счет идет на сотни миллионов рублей, долларов, франков, а в самих исследованиях заняты тысячи специалистов высокой квалификации. Да и "микроскопы" эти теперь называют совсем по-другому - ускорители, тэватрбны, коллайдеры... И при всех этих разительных переменах сам принцип изучения свойств малых объектов совершенно не изменился.

Антони Ван Левенгук - изобретатель микроскопа, ХII век

- Как же так? Ведь, работая с микроскопом, люди просто рассматривают, скажем, каплю воды, ничего с ней не делая. А в ускорителях разгоняют в электрическом поле заряженные частицы до огромных энергий, потом направляют их на исследуемый объект - "мишень", "бьют" пучком частиц по мишени и смотрят, что из этого выйдет.

XX век - ускоритель

- Правильно. Но что значит "просто посмотреть"? В темноте, например, ничего не увидишь, сколько ни смотри. Чтобы увидеть, нужно осветить. А что значит "осветить"? Это значит направить пучок света на предмет. Свет же, как известно, представляет собой множество особых, не имеющих массы частиц - фотонов. Фотоны ударяются об интересующий нас предмет (например, каплю воды), о те части, из которых он состоит, и отскакивают, как мячи, в разные стороны. Часть отскочивших фотонов попадает через микроскоп на сетчатку глаза и вызывает в мозгу наблюдателя процесс, формирующий зрительный образ. Наблюдатель видит.

Частицы

То же самое (если не отвлекаться на детали) происходит в ускорителе. Только там глаз человека заменен детектором, регистрирующим отскочившие от мишени частицы, а в качестве "света" в большинстве случаев удобнее использовать электроны или протоны - ядра атомов водорода. Так что микроскоп, по своей сути, остался микроскопом, хотя и называется теперь иначе.

- Что же есть на тех сверхмалых расстояниях, до которых добралась физика сегодня, уж не пустота ли?

- Совершенно верно, пожалуй, самый главный объект, видимый под "супермикроскопом", - это действительно пустота.

- Тогда зачем же это все? Не уподобились ли нынешние физики ученым с летающего острова Лапуту, высмеянным еще Джонатаном Свифтом?

- Конечно нет! Надо иметь в виду одно обстоятельство: пустота... отнюдь не пуста! В ней скрыта основа всего, что нас окружает. Но "пустота не пуста" - звучит не очень-то понятно. В науке же парадоксы - от неправильного понимания. Поэтому будем говорить так: "Вакуум. Вакуум не пуст". Это уже звучит лучше. Но, увы, вакуум - это всего лишь перевод слова "пустота" на латинский язык. Фактически, конечно, дело не в терминологии. Просто оказалось, что пустоты как таковой в природе не существует в полном согласии со старинным правилом: "Природа не терпит пустоты" (хотя уже и в совершенно новом понимании). Поэтому мы будем пользоваться термином "вакуум", исторически укоренившимся в современной физике для обозначения "непустой пустоты", в которой ученые увидели ключ к пониманию Природы.

Вы, наверное, уже почувствовали по этим парадоксальным названиям, что физика микромира полна необычных, с точки зрения повседневного житейского опыта, явлений и понятий.

Бесконечный процесс познания, все более приближающий нас к абсолютной истине, - одна из характерных особенностей исторического развития человеческого общества, его неотъемлемое свойство, необходимое условие самого его существования. Стремление ко все более полному познанию природы выросло, как известно, из нужд повседневной практики. По мере развития общества углублялась специализация во всех областях целенаправленной деятельности. В науке это, в частности, выразилось в органической связи фундаментальных и прикладных исследований. Граница между этими двумя видами научного творчества весьма условна, они не могут существовать друг без друга, являясь как бы двумя сторонами одной медали. Задачи, которые ставит и решает фундаментальная наука, возникают на пути познания природы, а также определяются потребностями народного хозяйства. Именно фундаментальные исследования создают тот идейный простор и запас, без которых немыслим никакой научно-технический прогресс.

Физика микромира, или, что то же самое, физика высоких энергий, - это одно из главных направлений в фундаментальных исследованиях природы. Конечный продукт фундаментальной науки - новые знания о мире, в котором мы живем. Но не только это. Как волны от быстро идущего флагманского корабля, расходятся от физики микромира по всем направлениям мощные импульсы новых идей и методов в вычислительной математике, электронике, материаловедении, химии, медицине, биологии... "Отражаясь", многие из этих импульсов возвращаются к "кораблю" в виде новых приборов, новых, более мощных вычислительных машин, заставляя его двигаться еще дальше, еще быстрее! Как добываются эти знания, мы увидим дальше, проследив за судьбой электрона.

Фундаментальная, прикладная науки

С электроном тесно связана история величайших достижений физики - теории относительности и квантовой механики. Электрон - символ эпохи ЭВМ. Но вот уже 90 лет прошло с момента его открытия, за это время стало известно строение молекул и атомов, атомных ядер и нуклонов... а электрон?

Его строение все еще остается загадкой. Сквозь самые мощные "микроскопы" - ускорители - ученые "видят" электрон, грубо говоря, как материальную точку - без размеров, без каких-либо признаков внутренней структуры. Удастся ли увидеть внутренний мир электрона, когда исследователи получат на вооружение еще более мощные ускорители, остается только гадать. Но некоторые физики-теоретики уже сейчас, не дожидаясь опыта, развивают теории, в которых электрон - такая же составная, сложная система, как, например, атом. Только состоит он из новых субмикроскопических частиц - преонов. Из них же должны состоять и все остальные частицы, с которыми имеют дело физики. Допустим, что это действительно так. Но тогда сразу же возникает вопрос: а из чего состоят сами преоны?

Вопросам нет конца. Но в процессе ответов на них зачастую мы наталкиваемся на такие открытия, о которых и помыслить не могли ранее. И в истории с электроном это случалось не раз.

Строение электрона