Итак, для путешествия в далекое (а потом и более близкое) прошлое науки об элементарных частицах нам придется учитывать довольно сложное взаимодействие времен. Конечно, этот учет не будет вестись «с бухгалтерской точностью», очень многое будет сознательно упрощаться. Но упрощения не грех, если они не слишком сильно искажают истинное положение дел и оставляют простор для более глубоких размышлений.
Маршрут № 1. неуловимые атомы
Физика элементарных частиц действительно очень молодая наука, но она имеет чрезвычайно древние корни, которые постепенно, в течение более двух тысячелетий, оплетали научные представления о структуре вещества. Как говорилось, непосредственный прорыв в мир частиц произошел 80 лет назад, когда Дж. Дж. Томсон объявил об открытии электрона. Однако значение его открытия намного выходит за рамки блестящего финала исследований природы катодных лучей.
Судя по имеющимся источникам, идеи о существовании «первокирпичиков» материи сформировались в Древней Греции. Первые формы атомистической гипотезы встречаются, по-видимому, у Фалеса Милетского, чья плодотворная и долгая (почти столетняя!) жизнь примерно поровну разделилась между VII и VI веками до нашей эры. Но настоящий расцвет античной атомистики относится к более позднему периоду и связан с именами Левкиппа и Демокрита. Именно последнему принадлежит очень важная идея о хаотическом движении атомов в пустоте как истинной причине изменчивости наблюдаемых вещей.
Ход рассуждений Демокрита и большинства других атомистов древности был довольно прозрачен и состоял приблизительно в следующем. Обычные куски вещества можно делить на множество более или менее мелких частей, причем каждая часть сохраняет ряд свойств целого, например, вода, разлитая из большого кувшина по малым сосудам, остается водой. Существуют ли наименьшие порции, сохраняющие основное свойство вещества «быть именно данным веществом» и не способные к дальнейшему делению? Если существуют, то любой объект можно рассматривать как огромную совокупность атомов (в буквальном переводе — неделимых), связанных между собой определенными силами.
В свете современных представлений Демокритов атом выглядит весьма наивно — нечто вроде очень маленького твердого шарика с крючочками, с помощью которых можно цеплять другие атомы. Наивность эта вполне оправдана, ведь в те времена люди не имели понятия ни о каких физических силах, кроме механического воздействия. Зато в последнем разбирались не так уж плохо были разработаны многие механизмы для вертикального и горизонтального передвижения тяжестей, откуда и заимствовались аналогии. Теперь мы хорошо знаем, что за структуру атомов и молекул отвечают электромагнитные силы, но тогда об электричестве известно было крайне мало — ходили слухи о каком-то таинственном свойстве янтаря.
В общем, античные атомы можно считать древнейшими предками современных элементарных частиц. Двадцатипятивековое «генеалогическое древо» — вполне достойное украшение дворца самой красивой дамы физического королевства. И все-таки трудно отделаться от впечатления, что ее каприз сыграл в появлении этого украшения не последнюю роль. Неужели предоткрытие элементарных частиц произошло так давно, когда мир еще ожидал Аристотеля, чтобы подвести итоги самого первого периода развития физики и вообще ввести в обиход ученых это замечательное слово — «физика»?
Что ж, удивление это в значительной степени справедливо. И мы попробуем убедиться в истинной глубине поставленного вопроса с помощью такого мысленного эксперимента. Пусть один из участников нашего воображаемого путешествия во времени решится на героический поступок — остаться среди современников Демокрита и объяснить им, что такое настоящие атомы и элементарные частицы. По условию эксперимента этот Просветитель (так мы будем условно обозначать смелого участника) должен использовать для своей деятельности только те приборы и материалы, которые он найдет в древнем мире, но может опираться на любые известные нам теоретические результаты и исторические факты. Что произойдет?
Наиболее вероятная схема развития событий выглядела бы так.
Просветитель может без особого труда отыскать несколько крупнейших философов ближайшего греческого полиса (так назывались сравнительно большие города) и даже собрать их вместе. Ученые мужи с уважением и вниманием заслушают сладкозвучные речи иноземца, с любопытством станут взирать на странные картинки, которые Просветитель рисует на влажном песке.
Его выслушают до конца, ему зададут множество вопросов. Где он видел удивительные светящиеся сосуды? Какую форму и цвет имеют эти самые янтарные частички («электрон» по-гречески — янтарь)? Горячие они или холодные? И наконец, последует главный вопрос: можно ли все-таки на них взглянуть или как-то их пощупать?.. В общем, слова словами, а где же, уважаемый иноземец, твои истинные атомы? Просветитель, конечно, пообещает в ближайшее время показать почтенному собранию опыты, которые покажутся абсолютно доказательными и т. д. и т. п. И, как говорится, на том, ко всеобщему удовольствию, и расстанутся.
Пройдет совсем немного времени, и Просветитель с ужасом поймет, что никаких настоящих демонстраций провести ему так и не удастся. Повторить известные ему эксперименты по установлению природы, например, тех же катодных лучей вроде бы и несложно. Да вот незадача — надо сначала открыть рецепт стекла, научиться стеклодувному делу, изобрести насосы для создания хорошего вакуума, придумать схему работы с электрическим и магнитным полями. Даже минимальный вариант — показать какую-нибудь далеко не элементарную, а просто не видимую невооруженным взглядом частичку — и то не проходит: где взять оптические линзы для микроскопа? Короче говоря, смелый Просветитель на собственном опыте убедится в колоссальной разнице технического уровня двух эпох. А если бы мы сделали условия мысленного эксперимента еще более реалистичными и запретили бы Просветителю пользоваться всеми знаниями о промежуточных этапах теории, ему пришлось бы заново открывать законы механики, электричества и магнетизма, физики газов, оптики — практически все те законы, на которые опирались первооткрыватели элементарных частиц в процессе постановки экспериментов, создания необходимых приборов и интерпретации результатов
А теперь нетрудно сообразить, что во время второй встречи с собранием мудрейших мужей Просветитель вынужден был бы ограничиться лишь немногими доступными ему средствами, и вряд ли его сведения добавили бы что-нибудь существенное к Демокритовым аргументам в пользу атомов Не исключено, что настоящее имя Просветителя попало бы впоследствии на первые страницы учебников по истории физики как имя выдающегося проповедника ранних атомистических гипотез Но разве этого он добивался! Однако для нас итоги мысленного эксперимента вполне удовлетворительны, а истолковать их можно следующим образом
Никакого предоткрытия двадцатипятивековой давности, разумеется, не было. Атомистические гипотезы тех времен не были, и что еще важнее, не могли быть включены в существовавшую тогда систему естественнонаучного знания. Выражаясь словами современных науковедов, научно-технический потенциал античного мира не позволял совершить такое включение. Поэтому ни Левкипп, ни Демокрит, ни другие античные атомисты не предсказывали и не могли предсказать существования тех атомов и элементарных частиц, которые были открыты в процессе развития науки; в противном случае мы вынуждены были бы приписать им собственные мысли, нарушить правила пользования «призмой времен». И все-таки факт остается фактом — атомы присутствовали в картине мира древних греков. В чем же здесь дело, нет ли противоречия? Чтобы ответить на этот вопрос, следует обратить внимание вот на какое обстоятельство.