Погружаясь в мир элементарных частиц, видишь, как там запросто происходят чудеса: крупицы вещества нацело — без остатка — превращаются в излучение. Конечно, такие события кажутся поразительными, однако что же в них чудесного? Исчезает вещество, но не материя! Происходит только превращение одного ее вида в другой, а в таких превращениях нет решительно ничего невозможного, ничего сверхъестественного, никакой чертовщины. Право же, нет ничего обычнее: вечные превращения — это сама жизнь природы.
Рядом с веществом, или, лучше сказать, вместе с веществом, пространство заполняют силовые поля. Поле сил тяготения, электромагнитное поле, поле ядерных сил… Почему — силовые? Почему — поля?
А почему — вещество? Очевидно, потому, что из этого вида материи природа лепит вещи — тела, более или менее четко ограниченные в пространстве. С успехом подражая природе, это делает из вещества и человек. Материя в другом своем проявлении для такой цели не пригодна: из радиоволн или полей тяготения сделать вещи нельзя — они, как само пространство, собственных границ не имеют.
Конечно, физики не разговаривают о веществе и полях в таких вольных и нестрогих выражениях. Но происхождение большинства научных понятий — вольное и нестрогое. Наш звездный остров в океане вселенной астрономы называют Галактикой. Какое ученое слово! А по-гречески «галактикос» — всего только «молочный». Вовсе не астрономы назвали звездный путь, белеющий над нами в ночи, Млечным Путем. Но они приняли этот образ в свой специальный словарь. И причина была единственной — просто похоже, очень похоже. И «ливни», или «снопы» космических частиц, — тоже очень похоже. Вот так и «поля»: очень похоже! Превращение поэтической метафоры в научный термин — не исключение, а правило. И, может быть, в этом проявляются черты родства поэзии и науки — то их общее свойство, что они — разные формы человеческого познания реальности.
Пространство вокруг Земли, вокруг звезд, вокруг любых крупиц вещества, как плодородное поле, возделано природой и засеяно тяготением. И на этом безграничном поле нет ни межей, ни пустующих до времени паров, ни целины — возделано все: всюду совершен самим веществом посев той материальной сущности, которая называется гравитацией по-латыни и тяготением по-русски.
Пустого пространства нет. Нет и пустого времени. Материальный мир наполняет своим существованием время так же, как и пространство. Да и правильно ли говорить — наполняет? Можно подумать, что кто-то когда-то построил для материи дом, повесил на стену часы и пригласил ее в этот дом на постоянное жительство. Сегодня даже папа римский не обрадовался бы такой идее. Даже школьники решили бы, что это пустяки — неинтересная сказка для пеленашек.
Свой дом — вселенную — вещество и поля строят сами. Пространство и время — вовсе не внешние формы существования материи. Она диктует им их свойства. Эйнштейн открыл это, показав, что нет однородного пространства-времени, общего для всей вселенной.
Как все материальное, поля могут содержать больше или меньше материи: подобно веществу, они могут быть разной плотности в разных местах, и плотность эта может меняться со временем. Но во всех случаях поля оказывают величайшую услугу крупицам вещества: они уничтожают пустоту между ними, они связывают эти крупицы друг с другом, позволяют им взаимодействовать между собой. Потому-то поля и были названы силовыми.
Как одиноки и беспомощны были бы частицы вещества, не будь на свете силовых полей! Их существование стало бы невозможным, а мир, из них состоящий, нельзя было бы даже вообразить. Без полей тяготения ничто не связывало бы звезды в галактики, а само вещество — в звезды. Не было бы ни солнечной системы, ни самого Солнца, ни планет, ни нашей маленькой и славной Земли. Все тела вообще перестали бы быть, потому что без электрических и магнитных полей ничто не связывало бы атомы в молекулы, а электроны и ядра — в атомы. Не было бы и атомных ядер: отсутствие поля ядерных сил сделало бы все протоны и нейтроны совершенно свободными. Но эта свобода была бы постылой: ядерные частицы не могли бы ни на что ее употребить, кроме как на однообразный полет по инерции. А если уж говорить всерьез, то и сами ядерные частицы так же, как и электроны, прекратили бы самостоятельное существование: ведь то, из чего они каким-то образом построены, держится вместе тоже благодаря неким силовым полям. И если бы не было никаких полей, не было бы и этой связи.
Продолжая так рассуждать и дальше, мы пришли бы к единственно возможному выводу: без полей было бы немыслимо существование никаких, даже самомалейших, крупиц вещества, потому что ничто не связывало бы материю в те образования, которые мы называем физическими телами, крупицами или частицами. Так что же получается? Предположив, что нет полей, мы приходим к заключению, что нет и вещества. Но если нет вещества и нет полей, то нет самой материи, ничего нет: нет вселенной, нет ни времени, ни пространства.
Даже самый одичавший философ-солипсист не рискнул бы согласиться с этим, потому что это означало бы, что и его самого тоже нет — просто нет! Но так как мир все-таки есть, и есть даже те, кто отрицает его всепроникающую материальную сущность, то есть и поля как необходимая форма бытия материи. А вот ясных и жестких границ между полями и веществом действительно нет. Они переходят друг в друга. И, может быть, частицы вещества только сгустки полей? Или, может быть… Но остановимся.
Жаль расставаться с этой, может быть, главнейшей в физике темой, однако надо вернуться к ускорителю и заглянуть в пустоту его камеры. Из-за этой мнимой пустоты и затеялся весь разговор.
Человек научился подчинять себе не только вещество, но и поля. Власть над веществом очевидна. Все сделанное человеческими руками, начиная от каменного топора и кончая спутниками, — выражение этой власти. А власть над полями? Так же ли ясны и бесспорны ее проявления?
Да, и они даже не менее древни. Первый камень, умело запущенный из пращи в далекого зверя, засвидетельствовал, что человек поставил себе на службу поле тяготения Земли. Первый костер, зажженный в пещере, чтобы осветить ее углы или обогреть ее как место ночлега, был проявлением такой же неосознанной власти человека над электромагнитным полем светового и теплового излучения.
Разумеется, поначалу эта власть была такой же призрачной, как господство человека над морской стихией, когда, едва научившись плавать, он не тонет, а держится на воде. Она и сегодня, эта власть над полями, далека от мечтаний фантастов.
Польский писатель Станислав Лемм вообразил машину, создающую столь могучее поле тяготения, что в нем световые лучи изгибаются в дугу окружности и человек, попадая в поле этой машины, становится издали невидимым: отраженные от него лучи, закругляясь, не могут дойти даже до близкого наблюдателя. Мечта занятная. Однако Лемм не смог бы обмолвиться и намеком на то, как ее осуществить.
Но машины, в которых создаются и работают электромагнитные поля, человек уже и сегодня строит с замечательной изобретательностью и высоким совершенством. Дубенский синхрофазотрон — одна из таких современных машин.
Из камеры ускорителя выкачивается вещество, чтобы энергия ускоряемых частиц не растрачивалась попусту в столкновениях с частицами посторонними. А «накачиваются» в камеру поля: на двух небольших участках — поле электрическое, на всем остальном круговом пути заряженного потока — магнитное поле.
Если продолжать сравнение с велосипедной шиной, то можно бы сказать, что участки электрического поля внешне подобны пояскам из резины другого цвета, какие наклеивают ребята на камеры в местах проколов. Эти пояски на языке электротехники называются ускоряющими контурами. Они расположены на противоположных концах одного диаметра, так что каждые полкруга частицы получают новую порцию энергии. Эти-то участки электрического поля играют в ускорителе роль богатого зеваки, транжирящего доллары, роль подхлестывающего бича или толкающей руки.
Именно потому, что снабжать ускоряемые частицы энергией призвано электрическое поле, они, эти частицы, обязательно должны быть заряженными. Но что это значит — быть заряженными?
Помните анекдот о студенте, которого профессор спросил, что такое электричество? «Ах, черт возьми, забыл! А ведь еще утром знал…» — ответил студент. «Вы должны обязательно вспомнить это, — сказал профессор. — А то был на свете один человек, который знал, что такое электричество, да и тот забыл!»
Этот старый анекдот не стареет. Сегодня наука об электрических явлениях — толстенные тома премудрости, это нервная система современной техники. Но простой вопрос — что такое электрический заряд? — остается без ответа. Как он «выглядит» — никто не знает.
«Я попрошу вас выслушать ответ экспериментатора на основной и часто предлагаемый вопрос: что такое электричество? Ответ этот наивен, но вместе с тем прост и определенен. Экспериментатор констатирует прежде всего, что о последней сущности электричества он не знает ничего», — так говорил в своей нобелевской речи знаменитый Роберт Милликэн, взвесивший электрон. А теоретик Герман Вейль сказал однажды: «…различие между обоими видами электричества представляет собою еще более глубокую загадку природы, нежели различие между прошлым и будущим».
Можно только одно сказать совершенно безошибочно: быть заряженным — значит создавать вокруг себя и нести с собою в пространстве электрическое поле.
Все взаимодействия в природе осуществляются, видимо, с помощью полей. У заряженных частиц есть собственное электрическое поле, и, очевидно, потому на них может действовать поле внешнее. В двух местах оно накачивается в камеру ускорителя своеобразными насосами — машинами, которые вырабатывают переменный ток высокой частоты. Этот ток и приносит с собою к пояскам ускорения нужное электрическое поле, а вместе с ним и нужную энергию.
Что же происходит с частицами на участках ускорения? Да примерно то же, что с камешками при горном обвале, когда они приобретают, падая вниз, тем большую скорость, чем выше гора. «Высота падения» в электрическом поле может быть измерена в разных единицах, но проще всего измерять ее в вольтах. К концу падения с высоты в 127 или 220 вольт каждый электрон приобретает энергию в 127 или 220 электроновольт. За счет этой-то энергии электроны, бегущие по проводам в наших домах, совершают свою полезную работу — накаляют нити в лампочках или спирали в электроплитках, питаю