Под знаком кванта.

Переход к атомным стандартам длины и времени был неизбежен не только потому, что спектроскопия — самый точный раздел физики. Дело в том, что атомные стандарты необычайно стабильны: они практически не зависят ни от температуры, ни от давления, ни даже от космических катастроф, чего нельзя сказать о первоначально принятых эталонах. (Например, «стандартный метр» хранят под стеклянным колпаком, при постоянной температуре, в железном шкафу, в глубоком подвале, три ключа от которого хранятся у трех разных должностных лиц, и с прочими предосторожностями.) Еще хуже обстоят дела с секундой. В самом деле, если через Солнечную систему неожиданно пролетит какое-то небесное тело, то период обращения Земли вокруг Солнца необратимо изменится, а вместе с ним изменится и продолжительность секунды. Ничто подобное не грозит атомным стандартам: они устойчивы и неизменны, как сам атом, на свойствах которого они основаны.

Три единицы — метр, килограмм, секунда — образуют часть системы единиц СИ и достаточны для описания всех механических движений. В физике традиционно используется другая система единиц — СГС, в основу которой положены сантиметр, грамм, секунда. Электромагнитная теория требует измерения еще двух фундаментальных величин: заряда е и скорости света с. А чтобы описать атомные явления, необходимо знать также значение постоянной Планка h.

Для точного определения фундаментальных физических констант в 1875 г. создано Международное бюро мер и весов, которое раз в шесть лет собирает генеральные конференции мер и весов. На них тщательно оговариваются все технические подробности условий, в которых происходят измерения: температура, давление, высота над уровнем моря и т. д. Столь же скрупулезно перечисляются все детали приборов для измерения этих величин.

Отметим важную особенность таких измерений: только в редких случаях удается определить одну величину независимо от других. В остальных случаях необходимо использовать законы физики. Скажем, если скорость υ частицы постоянна, то можно определить ее, измеряя расстояние Δx, которое частица пройдет за время Δt:

и наоборот: эталон метра можно определить по формуле

l = сΔt,

где Δt=l/c секунд, c = 299 792 458 м/с — скорость света в вакууме, что и было принято в 1983 г. Это — простой пример того, что все фундаментальные константы в некотором смысле взаимосвязаны. Существует специальный и довольно сложный раздел физики — метрология, задача которого — непротиворечиво определить весь набор физических констант, учитывая одновременно все данные об их измерениях.

Самый трудный вопрос — о границах применимости понятий, определенных таким способом. Легко сообразить, что единицы измерения — метр, килограмм, секунда — выбраны естественно, поскольку они соизмеримы с размерами самого человека. Действительно, 1 м — это рост пятилетнего ребенка, 1 кг — масса буханки хлеба, 1 с — один удар сердца. Сохраняют ли эти понятия свой прежний смысл при переходе к очень большим и очень малым расстояниям, массам и промежуткам времени?

Общего ответа на этот вопрос пока не существует. Например, у нас был случай убедиться, что к электрону понятие размера уже неприменимо. В теории атома, где понятие «движение» пришлось заменить новым, прежние понятия «длина», «масса», «время» все еще сохраняют свою силу. Это означает, что по крайней мере расстояние 10^-8 см = 10^-10 м, масса 10^-24 г = 10^-27 кг (размер и масса атома) и промежуток времени 10^-17 с (период обращения электрона в атоме) еще можно понимать в их обычном смысле.

Аналогичная проблема возникает и в астрономии при попытке осмыслить огромные расстояния до галактик. Пожалуй, здесь она даже труднее, чем в теории элементарных частиц. Действительно, никто не может с легким сердцем утверждать, что он вполне понимает слова «расстояние в один миллиард световых лет». Формально все предельно просто: это расстояние, которое проходит луч света за 10⁹ лет, то есть расстояние в 10⁹·(3,15·10⁷ с)·(3∙10⁸м/с) = 10²⁵ м. Но как понять или хотя бы почувствовать, что в действительности скрывается за этим символом?

Воистину прав Паскаль: «Человек распят между двумя бесконечностями».

ГЛАВА 7

В свои 23 года венгерский офицер Янош Бойаи открыл неевклидову геометрию и был счастлив этим до тех пор, пока не узнал, что где-то на границе Азии и Европы Николай Иванович Лобачевский обнародовал ту же геометрию несколькими годами ранее. И тогда жизнь Яноша стала походить на кошмар: повсюду ему чудились шпионы и соглядатаи, он подозревал всех, даже своего отца, всю жизнь посвятившего той же проблеме. Наверное, Фаркаш Бойаи не был так гениален, но он был человечнее и мудрее сына. Умирая, он говорил ему: «Не отчаивайся: когда приходит весна — все фиалки расцветают сразу».