микромир начинается с примерно 10-6-10-7 сантиметра и уходит в пока еще плохо понятные глубины. Микромир биолога раз в сто (в среднем!) больше. Разумеется, все они правы — каждый из них имеет в виду особый тип процессов, и не стоит затевать длинные дискуссии на этот счет, тем более что мы успели выяснить, в каком смысле используется в этой книге образ «микро».
Во-вторых, объекты, расположенные по порядку своего размера вдоль всего диапазона, оказываются в очень важной взаимосвязи — они образуют так называемую структурную иерархию. В этом устрашающем словосочетании нет никаких особых тайн. Так принято обозначать следующую ситуацию — меньший в некотором смысле объект входит в качестве структурной единицы в больший, тот в еще больший и т. д.
Двигаясь от большого к малому, мы можем нарисовать такую упрощенную картинку: вселенная состоит из галактик; галактики — из звезд (точнее — из планетных систем); звезды и планеты — из вещества в различном состоянии; вещество — из молекул; молекулы — из атомов; структурными элементами атомов являются электроны и атомные ядра; а ядра состоят из протонов и нейтронов.
Из чего составлены известные элементарные частицы, мы пока не знаем. Похоже, что у последней ступеньки великой иерархической лестницы возникает своеобразный обрыв, и глубина открывающейся под ногами пропасти впечатляет не столько еще не добытым знанием, сколько тем предварительным пониманием, которое уже достигнуто. Но рассказ об этом еще впереди…
И наконец, третьей чрезвычайно полезной особенностью разделения диапазона линейных размеров является простая классификация измерений. До сих пор наш старый добрый макромир оставался немного в тени. Вроде бы ясно самые интересные явления происходят на самых краях этого диапазона, краях, непосредственно упирающихся в полную неизвестность
Но вот ведь в чем беда — как бы мы ни исхитрялись в штурме неведомых глубин вселенной или в непрерывных атаках на структуру вещества, все действия окажутся совершенно бессмысленными, если мы не позаботимся о путях доставки донесений с поля боя. Научные факты не носятся в безвоздушном пространстве, они добываются людьми и для людей. Иными словами, любые невообразимо малые или невообразимо большие процессы становятся достоянием науки только тогда, когда оказываются доступными нашему восприятию.
Какими бы сложными и сверхсложными приборами ни вооружались ученые, их действия на заключительном этапе снятия показаний, по существу, не будут отличаться от того, что совершали их далекие предшественники. Старинные гравюры донесли до нас неторопливые, но полные внутреннего напряжения сцены научных свершений, где главные измерения проводились с помощью обычных линеек и весов. Современные линейки могут быть существенно автоматизированы, но в конечном счете показания стрелки самого тонкого электротехнического устройства не что иное, как «прикладывание линейки» к некоторому исследуемому объекту.
Впрочем, эти показания могут непосредственно поступать в некоторый специальный автомат, переводящий их сразу в цифровые таблицы, например, в электронно-вычислительную машину. Конечно, физик, считывающий многометровые колонки чисел с длинных рулонов бумажной ленты, не особенно похож на своего древнего коллегу, задумчиво взирающего на уровень жидкости в сосуде причудливой формы. Но в этих картинах намного больше внутреннего сходства, чем внешних различий, — оба исследователя изучают явления в доступной для человеческого восприятия форме.
Поэтому одна из важнейших задач создателей приборов — свести заключительный этап измерений к обычному эксперименту с макроскопическими объектами, то есть не слишком большими и не слишком малыми по объему, массе и прочим характеристикам телами. Причем практически основную роль играет удобный, соизмеримый с человеческими возможностями линейный масштаб. Фотопластинки в специальных устройствах, подсоединенных к телескопу, переводят гигантские пути далеких звезд в маленькие черточки, доступные простым лабораторным измерениям. В уже знакомой нам камере Вильсона пролетающая частица нарушает покой огромного числа атомов, и они, потревоженные, подают коллективный «сигнал бедствия» бледными полосками сконденсировавшихся паров, после чего в ход пускаются стандартные геометрические принадлежности.
Таким образом, измерительные операции можно условно разделить на три класса. Центральное место не только по положению относительно диапазона размеров, но и по смыслу занимают обычные измерения с макроскопическими телами. Операции в «мега» и в «микро» отличаются прежде всего массой дополнительных устройств, обеспечивающих своеобразную проекцию в наш макромир. Как правило, эти устройства усиливают слишком слабые и ослабляют слишком сильные сигналы, делая их доступными для наших органов чувств. Огромные телескопы собирают свет далеких звезд и галактик, позволяя увидеть множество удивительных явлений на совершенно темных для невооруженного глаза участках неба. Специальные фильтры помогают исследовать довольно тонкие детали поведения нашего ярчайшего центрального светила
Вообще история астрономических измерений — настоящий оптико-геометрический роман с многими почти детективными поворотами сюжета; но пересказ его содержания не входит в наши цели.
Основные принципы проектирования из «микро» в «макро» фактически уже проиллюстрированы рассказами о камере Вильсона, беккерелевском открытии и мысленным экспериментом со сцинтиллирующим экраном и фотопластинками, которые приведены в предыдущей главе. Главная идея всех решений проблемы доступности — вызвать с помощью микрочастицы коллективное возмущение атомов вещества, заранее приведенного в состояние «полной боевой готовности».
Однако с измерениями в микромире связаны не только многочисленные технические трудности, бросающие вызов всем областям науки, участвующим в создании необходимых приборов. Существуют и некоторые принципиальные ограничения.
Предположим, мы хотим выяснить положение электрона в пространстве и скорость, с которой он движется. Для определения положения электрона прежде всего необходимо его осветить. Причем чем точнее мы хотим знать, где он находится, тем короче должна быть длина волны используемого освещения. Это общее правило, следуя которому создаются, например, микроскопы и любые другие приборы для обнаружения и изучения тех или иных препятствий. Скажем, для обнаружения самолета используются радиоволны дециметрового диапазона. Самолет имеет размеры порядка нескольких метров, то есть в десятки раз больше, чем длина волны «освещения», и радиолокационной установки
в дециметровом диапазоне достаточно для того, чтобы он не проскочил незамеченным. Хорошо известно, что обычные оптические микроскопы — сколь бы мощными линзами их ни снабжали — имеют предел применимости: в них нельзя рассмотреть объекты, размер которых меньше длин волн видимого света. Практически же наблюдать можно лишь объекты, размер которых раз в десять превосходит длину волны излучения, которым освещается объект.
В нашем мысленном эксперименте все позволено. Мы можем не ограничиваться сравнительно длинноволновым излучением, характерным для радиодиапазона или видимого света, а использовать, например, ультрафиолетовое, рентгеновское или даже гамма-лучевое освещение. Более того, мы можем вообразить особое устройство, которое позволяет сколь угодно уменьшать длину волны. Такое устройство — величайшая, но пока, увы, недосягаемая мечта исследователей; однако его вполне можно использовать в мысленном опыте — оно не противоречит никаким принципам физики!
Но правило, которое мы применяли в случае радиолокационной установки или оптического микроскопа, будет действовать и в любом другом случае. Оно связано с волновой природой электромагнитного поля и в более точном виде звучит так: погрешность в определении размера или положения некоторого объекта никогда не может быть сделана меньше длины волны используемого освещения.
Разумеется, имея под рукой чудесное устройство для беспредельного уменьшения длины волны, мы способны сделать и погрешность сколь угодно малой, то есть определить положение интересующего нас электрона со сколь угодно высокой точностью. Но тут-то оказывается, что мы начисто теряем возможность решить вторую часть поставленной задачи; как вы помните, необходимо определить еще и скорость электрона.
В этом пункте неприятности наступают из-за двойственной природы электромагнитного поля. Оно ведь может быть представлено и как поток фотонов! Но фотон обладает определенным импульсом, причем этот импульс пропорционален частоте или обратно пропорционален длине волны. Падая на электрон, фотоны будут передавать ему часть импульса, то есть сообщать дополнительную скорость — этот процесс
