Если б Солнце по размерам было с яблоко, и Земля величиной была бы с ягоду, а время наше было бы замедленно, то мы бы это даже не заметили.
Евгений Кенеман
Быть может, эти электроны -
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!
Ещё, быть может, каждый атом -
Вселенная, где сто планет;
Там всё, что здесь, в объёме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.
Их меры малы, но всё та же
Их бесконечность, как и здесь;
Там скорбь и страсть, как здесь, и даже
Там та же мировая спесь.
Их мудрецы, свой мир бескрайный
Поставив центром бытия,
Спешат проникнуть в искры тайны
И умствуют, как ныне я;
А в миг, когда из разрушенья
Творятся токи новых сил,
Кричат, в мечтах самовнушенья,
Что бог свой светоч погасил!
Валерий Брюсов. Мир Электрона
Здесь не корпускулярный газ!
Мы не волна, не атом света!
Не расщепляй мою планету,
Остановись, Микромегас!
Но он не слышит, перед ним
Дымится чашка с крепким чаем,
И за окном собака с лаем
По талым лужам голубым
Гоняется за воробьями...
Вадим Хмелинский
Спросил я мудреца: "Зачем мы есть?"
Мудрец ответил: "Чтобы жизнь разнесть
На ближние и дальние планеты,
Чтоб, как Земле, Галактике расцвесть."
Илья Миклашевский
Текст, который предлагается читателю ниже, - это, скорее, поэзия, чем физика. Поэтому ему и предшествует так много стихотворных эпиграфов. Рассматривается модель Вселенной, которую трудно доказать, но столь же трудно и опровергнуть.
Из глубокой древности в наши дни пришла идея, что Вселенная состоит из разномасштабных структур, которые, тем не менее, похожи одна на другую. Демокрит и другие атомисты (Эпикур, Лукреций) доказывали существование атомов множеством способов и в том числе раздельностью крупных тел - звёзд, людей, песчинок, указывая на некоторое их подобие [Вавилов, 1947]. Ещё последовательнее был древнегреческий натурфилософ Анаксагор, живший примерно с 500-го по 428-ой годы до нашей эры. Он учил, что Вселенная построена из гомеомерий - подобных одна другой, но разномасштабных частиц, или структур. Эти частицы делимы до бесконечности, а весь наш видимый мир - это одна из таких частиц, которая входит в состав частицы ещё большего масштаба. Если выражаться современным языком, то атом подобен Солнечной системе, а Солнечная система - Галактике и т.д. Анаксагор был первым, кто издал книгу с чертежами, но тексты Анаксагора не дошли до наших дней, и мы знаем о взглядах этого изгнанного из Афин философа только по краткому рассказу Диогена Лаэртского [1979] и насмешкам его критиков [Лукреций, 1947].
... Анаксагора теперь мы рассмотрим "гомеомерию..."
... Так из крупиц золотых, полагает он, вырасти может
Золото, да и земля из земель небольших получиться...
... Но пустоты никакой допускать он в вещах не согласен,
Да и дроблению тел никакого предела не ставит...
[Если признаем учение Анаксагора, то атом
Будет подобен Вселенной, частицы ничтожные - людям.]
Выйдет тогда, что они заливаются хохотом звонким,
И по лицу и щекам текут у них горькие слёзы...
Лукреций. О природе вещей.
Как Анаксагор объяснял устойчивость тех или иных гомеомерий? Почему в реальном мире, окружающем нас, гомеомерии относительно стабильны и не распадаются на бесконечно мелкие частицы? Видимо, он полагал, что чем меньше структура, тем больше усилий нужно затратить на её разрушение. Ведь плотность гомеомерий увеличивается с уменьшением их размера. Если выражаться современным языком, то видимые нами предметы можно раздробить на молекулы обычными физическими способами, молекулы на атомы - только в ходе химических реакций, атомы на более мелкие частицы - только при ядерном взрыве и других особенно мощных физических воздействиях...
Хотя система Анаксагора выглядит логичной, она трудна для восприятия, так как связана с бесконечностью масштабов - с понятием о бесконечно малом и бесконечно большом. Так случилось, что взгляды Анаксагора на долгое время уступили место атомизму Демокрита (около 460 - около 370 до нашей эры), считавшему, что Вселенная состоит из элементарных частиц и пустоты. Элементарные частицы различны по форме и размеру, но все они неделимы и обладают абсолютной плотностью. Демокрит называл элементарные частицы атомами, но сейчас это слово имеет другое значение. Атомизм Демокрита оказался удивительно плодотворным учением и привёл к современной химии и современной физике.
В то же время понятие об элементарной частице за прошедшие два с лишним тысячелетия и особенно за последние несколько веков претерпело значительные изменения. Элементарные частицы Демокрита - это, в основном, молекулы (мельчайшие количества вещества), хотя иногда под ними понимались и атомы в современном смысле этого слова. В общем, понятия "атом" и "молекула" в их современных значениях Демокрит не различал.
Различать их стали гораздо позднее - во времена Ломоносова и Дальтона (в период со второй половины XVIII по первую половину XIX века). Атом - мельчайшая и неделимая частица химического элемента, по сути - элементарная частица. Молекула - мельчайшая и физически неделимая частица вещества, которая может состоять из нескольких атомов.
Во времена Эрнеста Резерфорда (1871 - 1937) выяснилось, что атом имеет сложное строение. Он химически неделим, но может распадаться самопроизвольно и в результате мощного физического воздействия. Атом оказался сложной частицей, состоящей из ядра и электронов. Возникла знаменитая планетарная модель атома: массивное атомное ядро находится в центре атома и подобно Солнцу, а вокруг него по круговым или эллиптическим орбитам вращаются электроны, которые подобны планетам Солнечной системы. Разумеется, такая модель привела к воскрешению взглядов Анаксагора, хотя самого Анаксагора с его гомеомериями при этом не вспоминали.
К этому времени давно устоялись представления о сходстве систем планет-гигантов с Солнечной системой (и планеты-гиганты, и Солнце обладают многочисленными спутниками, масса сконцентрирована в центре системы, а движение - в спутниках). Кроме того, люди уже знали о принадлежности Солнечной системы к Нашей Галактике и о вращении Солнца и других звёзд вокруг центра этой Галактики. Были известны другие галактики, а также скопления галактик. Всё это вместе взятое возрождало иерархическую модель Вселенной ("миры в мирах").
В это же время и чуть позднее были сделаны и другие открытия, которые, казалось бы, должны укрепить подобные натурфилософские взгляды: ядро оказалось состоящим из протонов и нейтронов, а протоны и нейтроны - из кварков. В мощные современные телескопы недавно удалось разглядеть ещё одну крупномасштабную структуру - сверхскопления галактик, состоящие из множества их скоплений [Бернс, 1986; Дресслер, 1987; Сурдин, 1996]. Вслед за этим в центрах некоторых галактик и в том числе в центре Нашей Галактики были открыты сгустки массы - "чёрные дыры", напоминающий сгусток массы в центре атома и в центре Солнечной системы [Таунс, Гензел, 1990; Рис, 1991; В центре Млечного Пути..., 1999]. Такие же "чёрные дыры" открыты и в других галактиках [Чёрная дыра в Галактике? 1992; Чёрная дыра в галактике..., 1998]. Как несколько атомов могут быть объединены в молекулу, или несколько звёзд образовывать кратную звёздную систему [Звёзды не любят одиночества, 1991], так и несколько близких галактик могут взаимодействовать гравитационно. Спутниками Нашей Галактики, возможно, являются Большое и Малое Магеллановы Облака [Мэтьюсн, 1985].
Тем не менее, развитие современной физики пошло по другому пути, так как многие факты не уложились в "иерархическую" модель.
Таких фактов имеется две группы:
атом и другие частицы микромира по многим параметрам принципиально не похожи на Солнечную систему и другие крупные гомеомерии;
Вселенная в целом (видимая область Вселенной) развивается по своим специфическим законам, которые не похожи на законы развития Солнечной системы и т.п. гомеомерий.
Ниже эти две группы фактов рассматриваются в первом приближении, а также приводятся замечания автора о том, как можно вернуться в русло иерархической модели. Суть замечаний сводится к тому, что мы сравниваем не то и не с тем, а, кроме того, производя эти сравнения, неправильно представляем Солнечную систему.
Чем именно атом не похож на Солнечную систему? Во-первых, строгой обязательностью своего строения и поведения составляющих его частиц: электроны обладают не любой, а строго определённой и одинаковой массой покоя; электроны могут двигаться не по любым, а по строго определённым орбитам, образующим вокруг атома строго определённое количество электронных слоёв; электроны теряют энергию не постепенно (как искусственные спутники Земли, трущиеся о воздух), а строго определёнными порциями (квантами); электроны движутся не по стабильным круговым или же эллиптическим орбитам, как планеты, а постоянно меняют траекторию, образуя объёмное электронное облако строго определённой формы (орбиталь); одну и ту же орбиталь могут занимать одновременно два разноспиновых электрона, что для планетного мира не характерно; электроны и другие объекты микромира одновременно являются частицами и волнами (разрешённые орбитали выводятся из волновой природы электрона), а для макромира такая двойственность не характерна; атомные ядра могут иметь не любые, а строго определённые массу и заряд; атомы одного и того же элемента тождественны один другому, что трудно представить себе для планетных и т.п. систем. Атомные ядра изучены хуже, чем электронные оболочки атомов, но и там, по-видимому, существуют чёткие правила послойного расположения протонов и нейтронов. Сами эти частицы имеют строго определённую и к тому же одинаковую массу, как и составляющие их кварки. Таким образом, микромир отличается от макромира принципиально, и главные из этих отличий - квантованность и двойственность объектов (частица и волна одновременно).