ИНТЕРНЕТ-ЖУРНАЛ
@ ® м a odd н м
ОКТЯБРЬ 2008

Д ОМАШ НЯЯ
ЛАБОРАТОРИЯ
Научно-прикладной
и образовательный
интернет-журнал
Адрес редакции:
domlab@inbox.com
Статьи для журнала
направлять , указывая в теме
письма «For journal».
Журнал содержит материалы
найденные в Интернет или
написанные для Интернет.
Журнал является полностью
некоммерческим. Никакие
гонорары авторам статей не
выплачиваются и никакие
оплаты за рекламу не
принимаются .
Явные рекламные объявления
не принимаются, но скрытая
реклама, содержащаяся в
статьях, допускается и даже
приветствуется.
Редакция занимается только
оформительской
деятельностью и никакой
ответственности за содержание статей
не несет.
Статьи не редактируются,
орфография статей является
делом их авторов.
При использовании
материалов этого журнала, ссылка
на него не является
обязательной , но желательной.
Никакие претензии за
невольный ущерб авторам,
заимствованных в Интернет
статей и произведений, не
принимаются. Произведенный
ущерб считается
компенсированным рекламой авторов и
их произведений.
По всем спорным вопросам
следует обращаться лично в
соответствующие учреждения провинции
Свободное государство (ЮАР).
При себе иметь, заверенные
местным нотариусом, копии всех
необходимых документов на
африкаанс, в том числе,
свидетельства о рождении, диплома об
образовании, справки с места
жительства, справки о здоровье
и справки об авторских правах
(в 2-х экземплярах).
Октябрь 2008
СОДЕРЖАНИЕ
История
Суперсила
3
Ликбез
Искусственные драгоценные камни
180
Литпортал
Принцип неопределенности
250
Практика
Из жизни винодела
263
Химичка
Озон
270
Электроника
Индукционная печь
Контактный терморегулятор
280
281
Компьютер
Как начать осваивать микроконтроллеры
283
Матпрактикум
Автоматическое регулирование объектов
323
Английский
Английский для наших, ч.1 432
НА ОБЛОЖКЕ
Самая известная картина Казимира Малевича «Черный
квадрат». Пустота! Вакуум! Абсолютно ничего нет! А
вот физики утверждают, что пустота обманчива, в ней
рождаются и исчезают частицы. Ее во всех
направлениях пересекают взаимодействия материи. Подробнее
читайте в публикации «Суперсила».

История
СУПЕ РСИЛА
Пол Девис

Вступление
Наблюдающийся в последнее время подъем общественного интереса к
фундаментальной физике — одно из самых необычных социальных явлений нашего времени.
Что же такое есть в физике с ее, казалось бы, непонятными формулами и
загадочной терминологией, если она привлекает внимание широкой аудитории? Дело,
как мне кажется, в замечательной способности физики объяснять окружающий мир
и в глубокой таинственности многих разделов "новой физики". Физика,
единственная среди естественных наук, претендует на роль всеобъемлющей дисциплины,
предметом изучения которой является Вселенная в целом. Физика позволяет с
единых позиций подойти ко всем объектам Вселенной — от элементарных частиц,
составляющих атомы, до самых крупных астрономических структур. Способность
физики обнаруживать единство в странном и загадочном мире, окружающем нас, не
может не воодушевлять.
Последние исследования свидетельствуют о существовании некой главенствующей
суперсилы, различными проявлениями которой служат все известные нам
взаимодействия. Новые открытия проложили путь к радикально новой концепции единой
Вселенной, рожденной в результате чудовищного катаклизма, в котором под
действием суперсилы из первичного горнила возникли все физические системы. Этот
переворот в нашем понимании Вселенной происходит и ныне. Преждевременно
объявлять новые смелые идеи твердо установленными, но общее представление быстро
получает признание ученых, работающих в области фундаментальной физики.
1. ВСЕЛЕННАЯ РАСКРЫВАЕТ СВОИ ТАЙНЫ
Рождение Вселенной
и поиск суперсилы
Рассказы о приключениях любят все. Одна из самых захватывающих
приключенческих историй всех времен развертывается ныне в таинственном мире
фундаментальной физики. Действующие лица ее — ученые, а цель их поисков превосходит
самое смелое воображение: речь идет не больше и не меньше как о "ключе" к
Вселенной.
Важнейшее научное открытие нашего века состоит в том, что окружающий нас
физический мир существовал отнюдь не всегда. У науки нет более увлекательной
задачи, нежели объяснить, как возникла Вселенная и почему она устроена так, а
не иначе. Думаю, что за последние годы в решении этой проблемы достигнуты
определенные успехи. Впервые за всю историю человечества мы располагаем
разумной научной теорией всего сущего. Это поистине революционный беспримерный
прорыв в нашем понимании окружающего мира, который оставит глубокий след в
развитии представлений человека о Вселенной и его месте в ней.
У истоков этих драматических событий лежит ряд существенных открытий,
сделанных за последнее десятилетие в фундаментальной физике, особенно в области
под названием физика высоких энергий. Важные экспериментальные результаты
впервые открывают глубокую взаимосвязь субъядерных частиц и скрытых сил,
действующих в недрах вещества. Но еще больше впечатляют успехи в области
теоретического осмысления полученных результатов. Тон задают две новые
Концептуальные схемы: так называемая Теория великого объединения (ТВО) и
суперсимметрия. Эти научные направления совместно приводят к весьма
привлекательной идее, согласно которой вся природа, в конечном счете, подчинена
действию некой суперсилы, проявляющейся в различных "ипостасях". Эта сила
достаточно мощна, чтобы создать нашу Вселенную и наделить ее светом, энергией, ма-

терией и придать ей структуру. Но суперсила — нечто большее, чем просто
созидающее начало. В ней материя, пространство-время и взаимодействие слиты в
нераздельное гармоничное целое, порождающее такое единство Вселенной, которое
ранее никто и не предполагал.
Назначение науки по существу заключается в поиске единства. Связывая
различные явления в общую теорию или общее описание, ученый как бы соединяет
части окружающего нас необычайно сложного мира. Последние открытия в физике
вызывают энтузиазм потому, что позволяют охватить в теории все явления
природы в рамках единой описательной схемы.
Поиск суперсилы можно проследить вплоть до пионерских работ Эйнштейна и
других ученых, пытавшихся построить единую теорию поля. Более столетия назад
Фарадей и Максвелл показали, что электричество и магнетизм — тесно связанные
явления, которые можно описать на основе единого электромагнитного поля. Об
успехе этого описания можно судить по тому колоссальному влиянию, которое
оказывают на наше общество радио и электроника, берущие свое начало в
концепции электромагнитного поля. Задача распространить процесс объединения, связав
электромагнитное поле с другими силовыми полями, например с гравитационным,
всегда выглядела весьма заманчиво. Кто знает, какие необыкновенные результаты
удалось бы получить на основе подобного объединения?
Однако совершить следующий шаг оказалось не так просто. Предпринятая
Эйнштейном попытка создать единую теорию электромагнитного и гравитационного
полей не увенчалась успехом, и дальнейшее продвижение на пути к созданию единой
теории поля произошло только в конце 60-х годов нашего столетия, когда было
показано, что математически электромагнетизм можно объединить с одной из
ядерных сил (так называемым слабым взаимодействием). Новая теория позволила
сформулировать идеи, допускавшие экспериментальную проверку; наиболее
эффективной из них было предсказание новой разновидности света, состоящего не из
обычных фотонов, а из загадочных Z-частиц. В 1983 г. в серии экспериментов,
исследующих столкновения частиц высоких энергий на ускорителе, расположенном
в окрестностях Женевы, Z-частицы были, наконец, обнаружены — и единая теория
поля получила блестящее подтверждение.
К тому времени теоретики продвинулись дальше, сформулировав гораздо более
амбициозную теорию, объединяющую с электромагнитным и слабым взаимодействиями
еще один тип ядерных сил — сильное взаимодействие. Одновременно были получены
и первые результаты исследований в области гравитации, показавшие, каким
образом гравитационное взаимодействие можно было бы объединить с другими типами
взаимодействий. Физики считают, что в природе существуют только четыре
перечисленных типа фундаментальных взаимодействий, таким образом, открывается
путь к созданию универсальной всеобъемлющей теории,
Обретя существование, управляемая суперсилой Вселенная эволюционировала
чрезвычайно быстро. По мнению некоторых теоретиков, наблюдаемая ныне
инфраструктура Вселенной сформировалась в первые 10~32 с, и эта мгновенная ее
упорядоченность включала переход от десяти пространственных измерений к трем,
сохранившимся до настоящего времени. Именно в ту эпоху Вселенная могла
оказаться запертой в "космической ловушке", что обеспечило генерацию из ничего
огромных количеств энергии.
Если это так, то из первичной энергии в дальнейшем возникла вся материя, из
которой построена Вселенная, и вся энергия, которая по сей день питает
Вселенную.
Ученые разделились на два лагеря. Одни считают, что наука в принципе
способна объяснить Вселенную в целом. Другие склонны думать, что есть некий
сверхъестественный элемент бытия, не поддающийся рациональному объяснению.
Научные оптимисты, если позволительно называть их так, не отваживаются
утверждать, что мы когда-нибудь достигнем исчерпывающего знания всех деталей окру-

жающего нас мира, но упорно настаивают, что любой процесс и любое событие
строго соответствуют правилам, вытекающим из законов природы. Их оппоненты
отрицают это.
Этот решающий выбор встал перед физикой более остро, чем перед какой-либо
другой наукой, отчасти потому, что она является "фундаментальной" наукой.
Именно физику надлежит раскрыть природу пространства и времени,
фундаментальное строение вещества и действие сил, формирующих объекты, которые вкупе мы и
называем Вселенной. Конечная цель физики заключается в том, чтобы объяснить,
из чего построен мир, что "скрепляет" его части и как он действует. Если
какая-либо часть мира — прошлое, настоящее или будущее — не вписывается в эту
программу, то именно у физика это, скорее всего, вызовет тревогу.
Еще совсем недавно — в середине 70-х годов — некоторые из описываемых в
книге достижений казались немыслимыми. Большинство ученых-космологов считали,
что, хотя физика в состоянии объяснить эволюцию Вселенной, раз уж та
возникла, но происхождение Вселенной лежит вне компетенции физики.
В частности, казалось необходимым предположить, что Вселенная первоначально
находилась в довольно необычном состоянии — в противном случае она не могла
бы прийти к тому состоянию, которое мы наблюдаем ныне. Таким образом, все
важные физические объекты, все вещество и энергию, а также их
крупномасштабную структуру приходилось рассматривать, как данные богом; их следовало
вводить "самолично" как необъяснимые начальные условия. Благодаря бурному
прогрессу в понимании Вселенной, достигнутому в последние годы, все эти
особенности оказались естественными следствиями законов физики. Начальные условия —
в той мере, в какой это понятие имеет смысл с точки зрения квантовых
представлений, — не оказывают влияния на последующее строение Вселенной. Таким
образом. Вселенная — в большей мере продукт закономерности, нежели случая.
Тот факт, что наблюдаемая ныне картина Вселенной ведет свое начало от
Большого взрыва — а именно это предначертано законами физики, — убедительно
свидетельствует о том, что и сами эти законы не случайны или бессистемны, а
содержат элемент целесообразности. Несмотря на снижение роли религии, люди
продолжают искать высший смысл за пределами бытия. Новая физика и новая
космология установили, что наша упорядоченная Вселенная — это нечто гораздо большее,
чем последствие гигантского катаклизма. Я убежден, что изучение недавнего
революционного переворота в физике и космологии станет источником глубокого
вдохновения в поисках смысла жизни.
Как обычно в науке, теории и модели носят пробный характер и могут
оказаться ошибочными в свете новых открытий. Многие из вопросов, обсуждаемых в этой
книге, находятся на переднем крае исследований, и я не сомневаюсь, что
будущие достижения муки в основном подтвердят их значимость. Но некоторые детали,
излагаемые ниже, следует воспринимать с осторожностью. Говоря это, я отнюдь
не считаю, что последующее развитие науки доставит под сомнение главную тему
нашей книги; более того, я убежден, что впервые за всю историю человечества
мы стоим на вороге построения полной научной теории Вселенной в целом -
теории, в которой ни один физический объект, ни одна система не выпадут из сферы
воздействия небольшого числа фундаментальных научных принципов. Теория
Вселенной , которую мы излагаем здесь, возможно, неверна, но теперь мы можем по
крайней мере в общих чертах представить, как выглядит законченная теория
"всего сущего". Мы увидим, что такая теория возможна. Мы можем, наконец,
представить себе Вселенную, лишенную чего бы то ни было сверхъестественного,
Вселенную, которая целиком и полностью является результатом действия
подвластных науке Законов природы, и в то же время обладает единством и гармонией,
несущими отпечаток целенаправленного действия.

Наше место в пространстве
Одно из самых ранних воспоминаний моего детства связано с тем, как я
спросил отца, где кончается Вселенная. "Как она может где-то кончаться? — ответил
отец. — Ведь если бы у пространства была граница, за ней должно было бы
находиться еще что-то". Так я впервые столкнулся с понятием бесконечности и до
сих пор помню охватившее меня смешанное чувство озадаченности, благоговейного
трепета и восхищения. Оказалось, однако, что этот вопрос решается не столь
просто, как пытался меня убедить мой отец.
Чтобы составить некоторое представление о границах Вселенной, необходимо
прежде всего знать наше местоположение в ней. Планета Земля вместе с восемью
другими планетами, обращающимися вокруг Солнца, образуют Солнечную систему.
Солнце представляет собой типичную звезду, и остальные звезды, которые мы
видим на ночном небе, — почти те же солнца (быть может, только несколько больше
и ярче его), возможно, также имеющие планетные системы. В пространстве
звезды, распределены не случайным образом, а собраны в гигантские структуры, по
виду напоминающие колесо, которые называются галактиками. Широкая светлая
полоса на небе, известная под названием Млечный Путь, при наблюдении в телескоп
оказывается гигантским скоплением звезд, газа и пыли; это наиболее яркая
часть нашей Галактики. Млечный Путь кажется светлой полосой, поскольку наша
Галактика напоминает по форме диск. Наибольшее количество звезд в ней
сосредоточено в плоскости диска. Солнце расположено от центра диска на расстоянии
примерно в две третьих его радиуса. Галактика не имеет резкого края; вся эта
структура окружена далеко простирающимся гало из звезд, удаленных на огромные
расстояния друг от друга.
Посмотрев за пределы нашей Галактики, мы можем увидеть другие галактики, по
форме напоминающие нашу; они разбросаны вокруг нас, образуя скопление.
Типичной галактикой является Туманность Андромеды, видимая невооруженным глазом
как расплывчатое светлое пятно. Эта локальная группа в свою очередь входит в
более крупное галактическое скопление и т.д. Современные телескопы позволили
обнаружить, что Вселенная заполнена скоплениями галактик, миллионы которых
равномерно распределены в пространстве. Из галактик и построена Вселенная.
Расстояния, с которыми имеет дело астрономия, поистине ужасающи. Если
выражать их в километрах, то быстро запутаешься в нулях. Более привычной единицей
измерения расстояний здесь является световой год — расстояние, которое свет
(его скорость распространения наиболее высокая) проходит за один год.
Световой год равен примерно 9,5 млн. км, но более наглядное представление о его
величине мы получим, вспомнив, что свет преодолевает расстояние от Солнца до
Земли (150 млн. км) всего лишь за 8,5 мин. Луна находится от Земли на
расстоянии около одной световой секунды. В этих единицах поперечник Солнечной
системы составляет несколько световых часов, а ближайшая звезда находится от
нас на расстоянии чуть больше 4 лет. Радиус нашей Галактики составляет
примерно 100 тыс. св. лет, и в этом необъятном пространстве сосредоточено не
менее 100 млрд. звезд. Расстояния до других галактик измеряются миллионами
световых лет. "Соседняя" галактика, Андромеда, расположена на расстоянии около
2,5 млн. св. лет от нас, а самые мощные телескопы позволяют обнаруживать
галактики, удаленные на расстояния порядка 10 млрд. св. лет.
Такая картина Вселенной построена сравнительно недавно. У всех древних
цивилизаций существовало убеждение, что Земля находится в центре мироздания. И
хотя астрономия во многих древних обществах была довольно развита, подлинное
понимание природы звезд и структуры Вселенной пришло только с развитием
современной науки.
В древней Европе космологические идеи, как правило, заимствовались у
древнегреческих философов. В VI в. до н.э. Пифагор разработал представление о

сферической Земле, находящейся в центре сферической Вселенной. Небесные тела
считались божественным творением, и представления об их круговых вращательных
движениях диктовались соображениями геометрического совершенства. На
протяжении столетий греки развивали эту основополагающую концепцию. Наивысшим
достижением древнегреческой астрономии явилась сложная модель мира, созданная
Клавдием Птолемеем во II в. Вселенная Птолемея представляла собой набор взаи-
мопересекающихся вращающихся сфер, призванных воспроизвести сложные движения
Луны и планет.
В этих первых моделях Вселенная обычно имела конечные размеры, но проблема
"границы мира" вызывала немалую озабоченность у мыслителей того времени.
Римский поэт Лукреций привлек внимание к ней, задавшись вопросом, что
произойдет, если кто-нибудь, дойдя до "края света", метнет копье. Наткнется ли оно
на преграду? Одни модели давали положительный ответ на вопрос Лукреция, так
как в них Вселенная считалась ограниченной своего рода стеной или
непроницаемой поверхностью. Эта странная идея просуществовала до времен Кеплера, т.е.
до XVI в.
Представлению о четкой границе Аристотель предпочел картину плавного,
постепенного перехода физического мира в мир духов и эфирных субстанций. И в
паши дни эта идея находит отклик у некоторых людей, убежденных в
существовании за видимым небосводом "царствия небесного", и многие наши суеверия и
религиозная символика основаны на аналогичных представлениях. Слово "небесный"
до сих пор имеет смысл не только астрономический, но и возвышенно духовный.
Еще одно космологическое предание связано с "пустотой". В соответствующей
модели материальная Вселенная считалась конечной, но ее внешние границы отнюдь
не означали предела "всего сущего". За границами Вселенной до бесконечности
простиралось пустое пространство. Но какова бы ни была природа "края света",
неизменно считалось, что Земля находится в центре мира.
Эти идеи потерпели крах в средние века, когда Николай Коперник
провозгласил, что в центре мироздания находится Солнце, а не Земля и что планеты
обращаются вокруг этого центра. В модели Коперника Вселенная все еще имела
конечные размеры и внешнюю границу — сферу неподвижных звезд. Вскоре Томас Диггс
предложил отказаться от внешней границы Коперника, противопоставив ей модель,
где звезды были рассеяны по безграничному пространству. Идею бесконечной
Вселенной тысячелетием ранее проповедовали Лукреций и представители так
называемой школы атомистов, но мистические и религиозные аспекты бесконечного
нередко выступали на первый план, затуманивая суть вопроса. Так, Джордано Бруно
был сожжен по приказу церкви за проповедь идеи бесконечной множественности
миров.
Развитие научной астрономии, в особенности создание больших телескопов и
изобретение спектроскопа, резко изменило представление человечества о
мироздании. Наблюдения показали, что Млечный Путь представляет собой "островную
Вселенную", состоящую из разрозненных частей. Даже в начале прошлого века
продолжались споры о том, является ли Млечный Путь галактикой, находящейся в
бесконечной пустоте, или за пределами нашей Галактики существуют другие
"островные миры". Некоторые астрономы полагали, что, отправившись достаточно
далеко в космическое пространство, можно взглянуть оттуда на все сущее и
увидеть все звезды мира, сконцентрированные в одной области, и безграничную
пустоту за ее пределами.
Истинную природу Вселенной не удавалось выяснить вплоть до 20-х годов
нашего столетия, пока не появились работы американских астрономов Харлоу Шепли и
Эдвина Хаббла. Они раз и навсегда установили, что так называемые туманности,
давно знакомые астрономам расплывчатые светлые пятна, в действительности
представляют собой другие галактики, расположенные далеко от нашей. Нет
никаких данных, свидетельствующих об уменьшении плотности галактик и о наличии у

них границы или предела. Космологи полагают, что галактики не имеют внешней
границы, и что они существуют повсюду в пространстве. Тем не менее, многие
люди (включая и некоторых ученых) склонны считать, что Вселенная представляет
собой скопление галактик, окруженное безграничной пустотой. В популярных
статьях нередко говорится о "крае Вселенной", т.е. некой внешней ее границе,
за которой простирается пустота. Однако строго научная точка зрения
заключается в том, что Вселенная не имеет ни края, ни центра. Вселенную нельзя
считать скоплением галактик, распределенных в пространстве, — скорее Вселенная
сама содержит пространство.
Как это ни парадоксально, но отсюда отнюдь не обязательно следует, что
безграничная Вселенная должна иметь бесконечный объем и содержать бесконечное
множество галактик. Один из курьезов современной космологии состоит в том,
что Вселенная может быть конечной, не имея при этом границ. Тем, кто
усматривает в этом противоречие, надлежит вспомнить о свойствах окружности. В
определенном смысле у окружности "нет ни начала, ни конца". Она не имеет ни
границы (края), ни центра (который был бы расположен на окружности). Тем не
менее окружность конечна. Можно сказать, что окружность — это линия, которая
искривляясь замыкается сама на себя. Обобщив эту идею на трехмерное
пространство, можно представить и Вселенную, которая искривляясь замыкается на себя,
образуя конечное пространство, не имеющее границы. Многие люди испытывают
трудности, пытаясь представить себе замкнутую и конечную Вселенную: им всегда
хочется понять, что же лежит за ее пределами. Тем не менее это представление
логически непротиворечиво и допускает надлежащее математическое описание.
Однако по поводу того, действительно ли наша Вселенная имеет указанные
особенности, мнения космологов расходятся.
Если у Вселенной нет внешней границы, то вопрос о нашем местоположении в
значительной степени теряет смысл. Само пространство не содержит никаких вех,
и инфраструктура Вселенной даже в самых удаленных ее уголках мало чем
отличается от нашего ближайшего галактического окружения. В малых масштабах вопрос
"Где находимся мы?" не лишен смысла, поскольку мы в состоянии измерить свое
положение относительно какого-нибудь заметного ближнего объекта, например
Солнца или центра Галактики. Но в пределах Вселенной как целого не существует
выделенного места, относительно которого можно было бы отсчитывать положение
объектов. Мы как бы находимся на бесконечно протяженной шахматной доске:
имеет смысл утверждать, на каком расстоянии мы находимся от ближайшего угла
нашего квадрата, но говорить что-либо о нашем положении на доске в целом
бессмысленно .
Наше место во времени
Хотя вопросу о нашем месте в пространстве невозможно придать сколько-нибудь
общий смысл, космологи часто рассуждают о возрасте Вселенной. Вопрос "Когда?"
во многом перекликается с вопросом "Где?" применительно к пространству, и
споры и неразбериха по нему также имеют долгую историю. Платон учил, что мир
как творение Бога совершенен и потому неизменен в своих основных чертах. И
хотя ото дня ко дню мы замечаем какие-то изменения, на протяжении больших
отрезков времени — эонов — вещи остаются неизменными. Если бы Платон был прав,
то мир не мог возникнуть в какой-то момент времени, а существовал бы вечно.
Вопрос о нашем месте во времени утратил бы смысл, ибо время не имело бы
начала .
Другая традиционная точка зрения основана на идее о сотворенном мире,
который имеет конечный возраст и непрестанно претерпевает необратимые изменения.
И если в "момент творения" мир, возможно, был совершенен, то он не остается

таковым, хотя вполне мог бы начать эволюционировать (или стремиться) в
сторону совершенства.
Мифы о сотворении мира бесчисленны и обычно весьма фантастичны. Научная
версия происхождения мира была детально разработана совсем недавно. Она
восходит к работам Хаббла по внегалактическим объектам, выполненным в 20-е годы
нашего столетия. Тщательно исследовав спектры далеких галактик, Хаббл
совершил неожиданное открытие, которое легло в основу современной научной
космологии. По изменению спектра излучения галактик — так называемому красному
смещению — Хаббл установил, что они удаляются от нас с огромной скоростью.
Систематическое исследование характера движения и его зависимости от расстояния
показало, что галактики кроме того "разбегаются" друг относительно друга. По
существу вся Вселенная в каждой точке находится в состоянии расширения.
Расширение Вселенной порождает определенные трудности при попытке наглядно
представить себе этот процесс, что еще более запутывает поиск ответа на
вопрос "Где?" Трудно удержаться от искушения мысленно рассматривать процесс
расширения как взрыв сгустка материн, осколки которого разлетаются в
беспредельном изначально существовавшем вакууме. Если исходить из такого ошибочного
представления, то размеры Вселенной должны непрерывно увеличиваться по мере
того, как внешние осколки все далее улетают в пустоту. Но, как мы уже знаем,
подобная картина Вселенной неудовлетворительна, поскольку предполагает
существование "края света". В более последовательной и корректной модели
расширяется пространство между галактиками. В качестве аналогии удобно рассмотреть
медленно раздувающийся воздушный шар. Представим себе, что поверхность шара
покрыта точками, изображающими галактики. Когда шар раздувается, его
резиновая оболочка растягивается, и точки на ее поверхности все дальше отходят друг
от друга (рис. 1) . Заметим, что сами точки на поверхности не движутся в
направлении к чему-нибудь или от чего-нибудь. Раздвижение точек происходит
вследствие расширения самой поверхности.
Рис.1. Расширяющаяся Вселенная похожа на раздувающийся шар. Точки,
изображающие галактики, разбросаны по поверхности шара более или менее
равномерно. Когда шар раздувается, расстояния между "галактиками"
увеличиваются. Наблюдателю, находящемуся в любой из точек кажется, будто
соседние точки удаляются, хотя в действительности они не движутся по
поверхности: совокупность "галактик" вовсе не разбегается относительно
какой-либо точки на поверхности. Разумеется, двумерная поверхность
шара — не более, чем аналог трехмерного пространства. В реальной
Вселенной не существует области, соответствующей областям внутри или снаружи
оболочки шара.

Расширяющаяся Вселенная весьма напоминает трехмерный аналог раздувающегося
воздушного шара, и неправильно представлять себе галактики мчащимися через
пространство в разные стороны от общего центра расширения. В действительности
пространство между галактиками, разрастаясь (вытягиваясь), раздвигает
галактики относительно друг друга. Способность пространства вытягиваться следует
из общей теории относительности Эйнштейна, которую мы постараемся объяснить в
последующих главах. Тот факт, что мы видим, как далекие галактики разбегаются
от нас, вовсе не означает, что мы находимся в центре расширяющейся Вселенной;
с тем же успехом любую точку на поверхности раздувающегося воздушного шара
можно принять за ее центр. (У самой поверхности шара нет центра.)
Следовательно, Вселенная не расширяется куда-то, а просто вся увеличивается в
размере.
Но если Вселенная раздувается, то в прошлом она должна была находиться в
сжатом состоянии, и, экстраполируя назад во времени, мы приходим к
заключению, что около 15 млрд. лет назад космическая материя должна была иметь
необычайно высокую плотность. В этом суть теории Большого взрыва, согласно
которой ныне наблюдаемая Вселенная возникла в результате гигантского взрыва.
По современной версии этой теории для ранних стадий Большого взрыва
характерны необычайно высокие температура и плотность; при таких условиях ни один
из современных элементов строения Вселенной, включая атомы, не мог
существовать. Важное подтверждение такого сценария было получено в 1965 г., когда два
специалиста по дальней связи из фирмы "Белл телефон лабораторис" обнаружили
таинственное излучение, идущее из космического пространства. Физики и
астрономы быстро идентифицировали это космическое фоновое излучение как реликтовое
тепловое излучение Большого взрыва, своего рода отблески той огненной
вспышки, которая 15 млрд. лет назад ознаменовала рождение нашего мира.
Процесс Большого взрыва часто неверно трактуется наподобие взрыва глыбы
вещества в уже существовавшем вакууме. Но, как известно, пространства вне
Вселенной не существует. Большой взрыв следует рассматривать как событие, в
результате которого возникло и само пространство. Таким образом, научная
картина "сотворения мира" оказывается глубже библейской, ибо она отражает рождение
не только материи, но и пространства. Последнее возникает не каким-то иным
путем, а непосредственно в результате Большого взрыва. Следовательно, Большой
взрыв не есть событие, которое произошло во Вселенной; это было само рождение
Вселенной, целиком и буквально из ничего.
Другая важная особенность Большого взрыва связана со временем. Многие
космологи считают, что время до Большого взрыва не существовало, т.е. не было
никакого "прежде". Один из уроков новой физики состоит в том, что
пространство и время существуют не сами по себе, а составляют неотъемлемую часть
физического мира. Следовательно, если Большой взрыв ознаменовал рождение
физического мира, то пространство и время возникли только в момент Большого взрыва.
Идея отождествления момента рождения Вселенной с началом времени далеко не
нова. Еще в IV в. Святой Августин писал: "Мир сотворен со временем, но не во
времени".
Внезапное возникновение Вселенной в результате Большого взрыва означает,
что вопрос "Где мы находимся во времени"? имеет смысл. Исчисления всех
космических эпох можно вести от этого уникального все определяющего события,
которое произошло около 15 млрд. лет назад. Историю Вселенной можно разделить на
зоны, ведя отсчет от этого абсолютного нуля времени.
Из чего мы состоим?
На этот вопрос ответить просто: из материи. Но что такое материя и как она

возникла? Диапазон форм, красок, плотностей и текстуры материальных тел столь
широк, что попытка понять природу материи может показаться безнадежной
задачей. Однако еще две с половиной тысячи лет назад греческие философы заложили
основы нашего понимания природы материи, когда попытались свести разнообразие
окружающего мира к взаимодействию небольшого числа первичных составных частей
— элементов. В VI в. до н. э. Фалес считал первоосновой всех вещей один
первичный элемент"— воду, но позднее мыслители ввели в рассмотрение четыре
земных элемента: землю, воздух, огонь и воду. По мысли древних, эти элементы в
целом сохраняются — их общее количество остается неизменным, — но могут
образовывать друг с другом различные комбинации, необычайно разнообразные по
форме и составу. Небесным телам отводилась пятая субстанция, называемая эфиром,
или квинтэссенцией. Греческие философы сделали важный шаг, отвергнув ссылки
на потусторонние силы и наблюдение — основу научного метода. Анаксагор (500—
428 г.г. до н.э.) существенно усовершенствовал более ранние теории, введя
представление о бесконечной Вселенной, заполненной бесконечным множеством
частиц, или "атомов". Кроме того, Анаксагор высказал предположение, что
небесные тела состоят из таких же веществ, что и Земля, — эта "ересь" едва не
стоила ему жизни. Левкипп внес свою лепту в развитие атомной теории материи,
это дело продолжил его ученик Демокрит. Впоследствии атомистическая теория
была отвергнута такими великими философами, как Аристотель, Платон и Сократ.
Однако позднее идеи атомистов были подхвачены Эпикуром,) (341—270 гг. до
Главная особенность учения атомизма заключалась в следующем: мир состоит
всего лишь из двух вещей — неуничтожимых атомов и пустоты. Атомы имеют
различную форму и могут соединяться между собой, образуя сложные системы. Атомы
неделимы и свободно движутся в пустоте. Они непрестанно находятся в состоянии
активности, сталкиваясь и объединяясь в новые конфигурации и неизменно
подчиняясь рациональным законам причины и следствия.
Рис. 2.Схематическое изображение атома. Центральное ядро имеет вид
шара, состоящего из сильно связанных протонов и нейтронов и окруженного
облаком обращающихся вокруг него электронов. Почти вся масса атома
сосредоточена в ядре. Из-за квантовых эффектов орбиты электронов на
самом деле не соответствуют четко определенным траекториям, показанным
на рисунке.
На протяжении столетий атомная теория материи имела чисто умозрительный ха-
н.э.) .

рактер, ибо атомы слишком малы, чтобы их наблюдать непосредственно.
Альтернативные представления о континууме, согласно которым материя бесконечно делима
и не содержит пустоты, существовали вплоть до XIX в. С развитием химии как
науки атомистическая теория подверглась пересмотру в рамках современного
научного мышления. Английский химик Джон Дальтон (1766—1844) привел
свидетельства в пользу того, что атомы имеют различные веса и, комбинируясь в
определенных пропорциях, образуют соединения; однако прямые физические
доказательства существования атомов по-прежнему отсутствовали. Лишь в конце XIX в. с
открытием электрона и радиоактивности существование атомов стало, наконец,
общепризнанным. Вскоре выяснилось, что имеется множество различных типов
атомов (каждый такой тип на современном языке соответствует химическому
элементу) . Ныне на Земле обнаружено около 90 естественных химических элементов и
более десятка элементов синтезировано искусственным путем.
В 1909 г. Эрнест Резерфорд выяснил основные особенности строения атома.
Бомбардируя атомы альфа-частицами, испускаемыми радиоактивным источником,
Резерфорд установил по характеру рассеяния альфа-частиц, что атомы представляют
собой не твердые кусочки неделимой материи, как полагали некоторые физики, а
сложные структуры, основная масса которых сосредоточена в центральном ядре,
окруженном облаком более легких подвижных электронов (рис. 2). Такая
структура напоминает планетную систему. Электроны удерживаются на орбитах силой
притяжения (положительно) заряженного ядра.
Строение ядра оставалось неясным до начала 30-х годов. Ядро, как оказалось,
также является сложной системой, состоящей из (положительно заряженных)
протонов и электрически нейтральных частиц — нейтронов. Согласно современной
точке зрения, протоны и нейтроны в свою очередь состоят из еще более мелких
частиц — кварков. Многие физики полагают, что электроны и кварки являются
подлинно элементарными частицами, — в том смысле, как это понимали древние
греки. Они, по-видимому, не обладают внутренней структурой, и из них
построены все известные формы обычной материи.
Очевидно, что материя имеет иерархическую структуру. Из кварков состоят
протоны и нейтроны, которые в свою очередь формируют ядра атомов. Атомы
комбинируются в молекулы или кристаллы. Из этих основных "материалов" состоят
твердые тела, окружающие нас. Двигаясь вверх по шкале масштабов, мы придем к
планетным системам, звездным скоплениям и, наконец, к галактикам, но даже
галактики объединяются в скопления и сверхгалактики. Люди находятся где-то в
середине этой иерархии: наши размеры соотносятся с размерами атомов примерно
гак же, как размеры звезд с нашими собственными.
Известно, что одни химические элементы, например кислород и железо, имеются
на Земле в изобилии, тогда как такие, как уран и золото, встречаются столь
редко, что люди нередко развязывают войны, чтобы обеспечить доступ к их
месторождениям. Если оценить распространенность химических элементов в целом по
Вселенной, то возникнет поразительная картина. Около 90% космического
вещества приходится на долю водорода - самого легкого и простого элемента. Атом
водорода состоит из одного протона и одного электрона. Подавляющую часть
остальных 10% составляет гелий — простейший после водорода элемент. Ядро гелия
содержит два протона и два нейтрона. Доля всех остальных элементов, вместе
взятых, не превышает 1%. Если исключить железо, то вырисовывается следующая
общая тенденция: более тяжелые элементы — такие, как золото, свинец и уран —
распространены во Вселенной значительно в меньшей степени, чем более легкие:
углерод, азот, кислород.
Подобная распространенность элементов весьма примечательна. Тяжелые ядра
содержат большое количество протонов, и нейтронов, легкие — мало. Если бы
легкие ядра могли вступать друг с другом в реакцию ядерного синтеза, то это
привело бы к образованию более тяжелых ядер. Напрашивается мысль, что во Все-

ленной первоначально присутствовал только один простейший элемент —
водород.), а более тяжелые элементы постепенно образовались на последующих
стадиях ядерного синтеза. Подобная теория сразу объясняет, почему тяжелые ядра
столь редки. Реакции ядерного синтеза могут протекать только при
температурах, при которых преодолимо отталкивание электрически заряженных ядер. Чем
больше протонов в ядре, тем сильнее отталкивание между ядрами и тем с большим
трудом ядро принимает дополнительные протоны в реакции ядерного синтеза.
Понимание процесса образования химических элементов лишь отчасти объясняет
"тайну" образования материи. Остается не ясным, как же образовались протоны,
нейтроны и электроны, из которых состоят атомы химических элементов.
Ученым давно известно, что вещество не вечно — оно возникает и исчезает.
При концентрации достаточного количества энергии происходит рождение новых
частиц вещества. Мы можем рассматривать вещество как "запертую" энергию.
Возможность превращения энергии в вещество наводит на мысль, что во Вселенной
первоначально не было вещества и все вещество, которое мы наблюдаем сейчас,
возникло из энергии Большого взрыва. Эта привлекательная теория сталкивается,
однако, с серьезным затруднением. Рождение частиц вещества в лаборатории (на
ускорителях) стало обыденным явлением, но образование каждой новой частицы
сопровождается образованием ее "антипода" — античастицы. Например, электрон
(имеющий отрицательный электрический заряд) всегда рождается в паре с
антиэлектроном, который называют позитроном. Последний имеет такую же массу, как
электрон, но противоположный (положительный) электрический заряд. Аналогично
рождение каждого протона сопровождается рождением антипротона. В целом
античастицы принято называть антивеществом.
При столкновении частицы с античастицей происходит их аннигиляция, при этом
высвобождается заключенная в них энергия. Ясно, что смесь вещества и
антивещества крайне неустойчива. Поэтому маловероятно, чтобы какая-нибудь, если
только не самая крохотная, область Вселенной целиком состояла из
антивещества . Тогда встает вопрос: каким образом возникло вещество без эквивалентного
количества антивещества? Как мы узнаем в дальнейшем, последние открытия дают
ключ к решению этой проблемы.
Рождение вещества из энергии не ограничивается такими общеизвестными
частицами, как электрон, протон и нейтрон. Возможно образование и других, более
экзотических, форм материи. На ускорителях при столкновении частиц высоких
энергий рождаются сотни различных субатомных частиц. Все они нестабильны и
быстро распадаются, превращаясь в более привычные виды частицы. Образующиеся
при таких столкновениях частицы настолько короткоживущие, что не играют
непосредственной роли во Вселенной.
Почему мы не
разваливаемся
на части?
Если бы не взаимодействия, то частицы материи двигались бы независимо, "не
подозревая" о существовании других частиц. Благодаря взаимодействиям частицы
как бы обретают способность распознавать другие частицы и реагировать на них,
в результате чего рождается коллективное поведение.
Когда инженер рассуждает о силах, он обычно имеет в виду способность
толкать или тянуть, представляя при этом веревку или проволоку. Силы такого рода
мы вполне можем представить наглядно и, опираясь на собственный опыт, понять,
как под их воздействием могут перемещаться предметы. Но существуют и другие,
менее привычные проявления сил, например, радиоактивный распад атомного ядра
или взрыв звезды. Поскольку вся материя состоит из частиц, для объяснения
природы сил, или взаимодействий, необходимо, в конечном счете, обратиться к

физике элементарных частиц. Сделав это, физики обнаружили, что все
взаимодействия независимо от того, как они проявляются в больших масштабах, можно
свести к четырем фундаментальным типам: гравитационному, электромагнитному и
двум типам ядерных. В последующих главах мы узнаем, каким образом происходят
эти взаимодействия между частицами. Мы увидим, что взаимодействия и частицы
тесно связаны между собой, и понять природу одних без должного понимания
природы других просто невозможно.
С увеличением масштаба относительное значение каждого из четырех
взаимодействий меняется. На уровне кварков и атомных ядер доминируют два ядерных
взаимодействия. Сильное ядерное взаимодействие связывает кварки в протоны и
нейтроны и не позволяет атомным ядрам "разваливаться". На уровне атомов
преобладает электромагнитное взаимодействие, связывающее электроны с ядрами и
обеспечивающее объединение атомов в молекулы. Большая часть сил, с которыми мы
имеем дело в нашей повседневной жизни (натяжение проволоки, толчок,
испытываемый одним телом со стороны другого и т.д.) — это примеры макроскопического
проявления электромагнитного взаимодействия. В астрономических масштабах
господствующим становится гравитационное взаимодействие. Таким образом, каждое
взаимодействие вступает в свои права, начиная с определенного масштаба, и
играет важную роль в формировании характерных особенностей физического мира.
В последние годы физики заинтересовались соотношением между четырьмя
фундаментальными взаимодействиями, которые в совокупности управляют Вселенной.
Существует ли между ними какая-нибудь связь? Не являются ли эти четыре
фундаментальных взаимодействия всего лишь различными ипостасями единственной
основополагающей суперсилы? Если такая суперсила существует, то именно она
представляет собой действующее начало всякой активности во Вселенной — от
рождения субатомных частиц до коллапса звезд. Разгадка тайны суперсилы
невообразимо увеличила бы нашу власть над природой и даже позволила бы объяснить само
"сотворение" мира.
2. НОВАЯ ФИЗИКА И КРУШЕНИЕ ЗДРАВОГО СМЫСЛА
"Наука — это просто-напросто хорошо натренированный и организованный
здравый смысл",—так писал выдающийся биолог XIX в. Т. Г. Гексли (Хаксли). Во
времена Гексли это, возможно, было верно. Хотя наука XIX в. включала в себя
множество различных дисциплин, все ее понятия прочно опирались на здравый смысл,
которым мы руководствуемся в повседневной жизни.
К концу XIX в. на счету физики было немало успехов. Удалось достичь
глубокого понимания природы электричества и магнетизма, были открыты радиоволны,
на твердую основу встала атомистическая теория. И хотя это заставило физику
выйти за пределы доступных человеку непосредственных восприятий, новые идеи
формулировались путем простой экстраполяции привычных представлений. Атомы
рассматривались как всего лишь крохотные подобия бильярдных шаров.
Электромагнитные поля мыслились как напряжения в гипотетической среде, названной
эфиром, а световые волны — как колебания эфира. Таким образом, хотя атомы
ввиду их слишком малых размеров были недоступны непосредственному наблюдению,
а таинственный эфир — невидим и неосязаем, с помощью аналогий с хорошо
известными объектами им удавалось придавать наглядность. Предполагалось также,
что этими невидимыми конструкциями управляют те же законы, которые действуют
в мире более конкретных, знакомых физических систем.
Потом возникла новая физика. Начало XX в. ознаменовалось бурным рождением
новых идей, до основания разрушивших привычные, сложившиеся веками
представления об окружающем мире. Многие заботливо взлелеянные и казавшиеся
незыблемыми представления были просто-напросто сметены. Выяснилось, что в окружающем

мире все зыбко и неопределенно, а здравый смысл — ненадежный проводник.
Физики были вынуждены пересмотреть свои взгляды на реальность, наделив ее
чертами, не известными человеческому опыту. Чтобы разобраться в потоке новых
открытий, пришлось ввести абстрактные, лишенные всякой наглядности понятия,
допускающие чисто математическое описание.
Это было время революционных перемен в науке — не одной, а двух,
последовавших одна за другой. Сначала появилась квантовая теория, открывшая новый
подход к пониманию странного поведения микромира; затем настал черед теории
относительности, сплавившей воедино пространство и время. Старое
представление о рациональном и механистическом мире, которым управляют причинно-
следственные связи, кануло в Лету, уступив место таинственному миру
парадоксов и "потусторонней" реальности.
Первой жертвой двух научных революций-близнецов стала интуиция. Физик XIX
в. мог мысленно составить достоверный образ предмета своего исследования,
тогда как квантовая и релятивистская физики потребовали беспримерной работы
ума. Наглядно представить себе некоторые явления оказалось трудно даже
физикам-профессионалам. Создатель квантовой теории Макс Планк так и не принял
всей ее причудливости, а Эйнштейн считал эту теорию столь абсурдной, что до
конца дней своих упорно отрицал ее идеи.
Новая физика продолжает обнаруживать неожиданные особенности в поведении
природы, и каждое новое поколение студентов-физиков находит эти идеи
странными и даже лишенными смысла. В одном известном английском университете у входа
в здание физического факультета вывешивали плакат: "Будьте осторожны: физика
может свести с ума!"
Взять хотя бы мир субатомных частиц, где интуиция совершенно отказывается
служить, и кажется, что природа разыгрывает с нами злые шутки. Один из ее
фокусов — "барьерный эффект". Представьте себе, что вы бросили камешком в окно.
Если камешек брошен слабо то он отскочит от стекла, не повредив его. Но при
сильном броске камешек разобьет стекло и влетит в комнату. Нечто подобное
можно проделать и в мире атомов; здесь роль камешка играет электрон, а роль
оконного стекла — непрочный барьер того типа, что создается цепочкой атомов
или электрическим напряжением. Электрон чаще ведет себя, как камешек:
отражается от барьера, если приближается к нему медленно, и преодолевает его, если
имеет большую энергию. Но иногда это правило коренным образом нарушается:
электрон отражается от барьера, хотя имеет энергию, вполне достаточную для
его преодоления.
Еще более странно выглядит ситуация, когда электрон, не обладая энергией,
достаточной для прохождения через барьер, тем не менее, удивительным образом
оказывается по другую его сторону. Представьте, что вы, легонько бросив в
окно камешек, видите, что он проник сквозь стекло, а само оно осталось целым и
невредимым! Между тем именно такой фокус проделывают электроны. Они
"туннелируя" сквозь непреодолимый барьер. Еще один фокус наблюдается, когда
электрон приближается к "пропасти1" и вот-вот должен свалиться в нее.
Достигнув края, электрон может резко повернуть назад. Подобное странное поведение
электрона совершенно не предсказуемо: он то отражается назад, то
проваливается .
Эти удивительные явления создают впечатление, будто электрон ощущает
окружающий его мир. Достигнув барьера, он словно "заглядывает" по ту сторону и
"рассуждает": "Барьер очень узкий, так что я исчезну и возникну по другую его
сторону". Хотя представление о том, что электрон может быть "здесь" в один
момент и "там" в следующий, кажется нелепым, но именно так и происходит.
Электроны каким-то образом ведут себя так, будто они находятся одновременно в
Возможно, имеется в виду низкоэнергетическое состояние электрона.

нескольких различных местах. Важно сознавать, что все эти "диковинные штучки"
не просто домыслы умозрительной науки. Так, "туннельный эффект" используется
в некоторых микросхемах, например в туннельном диоде. Более того, туннелиро-
вание в какой-то степени проявляется даже при протекании в медной проволоке
обычного электрического тока.
Многое странное в поведении электронов связано с тем, что в некоторых
отношениях они ведут себя подобно волнам. Волнообразное поведение электронов
можно продемонстрировать с помощью ряда четко поставленных экспериментов. Наше
воображение бессильно представить нечто такое, что может быть одновременно и
волной, и частицей, но само по себе существование дуализма волна-частица (так
называемого корпускулярно-волнового дуализма) не вызывает сомнения. Может
случиться и так, что объект, который мы обычно считаем волной, обретает в
микромире свойство частицы. Например, световые волны ведут себя подобно
потоку частиц, выбивая электроны с поверхности металла (фотоэлектрический
эффект) . Частицы света называются фотонами, и физики относят их наряду с
электронами и кварками к фундаментальным частицам. Наглядно представить себе
волну-частицу невозможно, не стоит и пытаться. В нашей повседневной жизни нет
ничего такого, что хотя бы отдаленно напоминало подобную нелепость. Доведись
нам столкнуться с волной-частицей, мы никогда не поняли бы этого.
Много трудностей в понимании современной физики обусловлено тем, что люди
тщетно пытаются подогнать используемые там абстрактные понятия под привычную
схему представлений, основанных на здравом смысле. У нас существует, видимо,
глубокая психологическая потребность сводить все явления окружающего мира к
простым, понятным образам. И когда приходится сталкиваться с чем-то, не
имеющим аналога в повседневном опыте, например с волной-частицей, рождается
недоумение и даже скептицизм. У изучающих физику может возникнуть ощущение, что
они не способны правильно понять ее, поскольку не в силах создать простой
мысленный образ описываемого. Я часто получаю письма и даже целые рукописи от
физиков-дилетантов, где предпринимаются попытки построить, скажем, новую
теорию элементарных частиц исключительно на основе здравого смысла. По
утверждению авторов этих посланий, заняться таким делом их побудила мысль, что
физики-профессионалы, должно быть, заблуждаются, поскольку никак невозможно
понять, о чем они толкуют. Ни один глубокий принцип природы, заявляют эти
любители, не может быть столь абстрактным и непонятным. Небезынтересно, что,
кажется, никто не осуждал абстрактное искусство в столь бранных выражениях.
Не только электроны подчиняются капризам квантовой механики. Подобные
свойства присущи всем микрочастицам, включая кварки. Описанные выше эффекты
наблюдаются при относительно низких энергиях. Еще более необычны явления,
происходящие при высоких энергиях, например внезапное рождение новой частицы или
распад нестабильной частицы с превращением ее в ливень других частиц. Среди
частиц есть даже соединяющие в себе черты двух совершенно различных частиц —
своего рода "сумасшедшее" единство.
К числу самых необычных частиц относятся нейтрино. Это частицы-призраки,
по-видимому, не имеющие массы и движущиеся со скоростью света. Они не имеют
электрического заряда и почти "не замечают" твердого вещества. Нейтрино столь
"бестелесны", что легко пронизывают толщу Земли и способны пройти слой свинца
толщиной в несколько световых лет! Мириады нейтрино пронизывают вас, пока вы
читаете эти строки. Нейтрино, как ничто другое, близки к тому, что можно
назвать "абсолютно ничем", за одним исключением: они обладают таким важным
свойством, как спин. Иногда для наглядности это свойство нейтрино буквально
сопоставляют вращению вокруг собственной оси, уподобляя его суточному
вращению Земли, но в действительности эта аналогия неверна. Как мы увидим далее,
спин нейтрино отличается явно необычными особенностями.

Астрофизика — еще одна область, где терпят крах земные понятия, столь
привычные нашему здравому смыслу. Хороший тому пример — гравитационные волны.
Эти неуловимые возмущения представляют собой своего рода "рябь" самого
пространства — распространяющееся искривление пространства. Такие волны
генерируются в результате участия материальных тел или анергии в интенсивном
движении. Хотя гравитационные волны переносят энергию и импульс, они не связаны с
переносом вещества как такового — это просто колебания пустоты.
Гравитационные волны обладают чрезвычайно высокой проникающей способностью2, превосходя
в этом отношении даже эфемерные нейтрино. В сущности, не существует материи,
способной поглощать гравитационные волны, и поэтому их очень трудно
обнаружить: они просто-напросто "игнорируют" детектор.
В схватке с подобными странными понятиями воображение исчерпывает себя до
предела. Систематическое продвижение вперед было бы невозможно, если бы не
математика. Абстрактные формулы не требуют воображения и позволяют точно
описывать самые необычные явления, если используемые уравнения логически
непротиворечивы. Проникновение в физику высшей математики означает, что
большинство теоретических работ завершается лабиринтом непостижимых символов. Таинства
математики и несколько мистический оттенок новой физики создают вокруг нее
как бы ореол религиозности, а сами физики воспринимаются как верховные жрецы.
Это в значительной степени объясняет популярность новой физики среди людей,
склонных к философии и даже мистике. Тем не менее, не следует забывать, что
физика имеет практическое применение, и хотя некоторые ее понятия вполне
созвучны "Алисе в Стране Чудес" Л. Кэрролла, развитие современной технологии во
многом зависит от нашего понимания этих абстрактных идей.
Искривление пространства
Среди вереницы странных образов, рожденных новой физикой, наибольший
интерес вызывают те, которые относятся к квантовой теории и теории
относительности. В своей наиболее разработанной форме, называемой квантовой механикой,
квантовая теория по существу занимается изучением всех процессов,
происходящих в микромире. На квантовой механике основано наше понимание всех явлений
молекулярной, атомной, ядерной и субъядерной физики. Теория относительности
изучает свойства пространства, времени и движения. Ее выводы становятся
существенными, когда рассматриваемая система движется со скоростью, близкой к
скорости света, или в сильном гравитационном поле.
Квантовая физика и теория относительности подрывают здравый смысл во многих
аспектах. Не последняя среди их "жертв" — наше интуитивное представление о
геометрии. В повседневной жизни метр всегда остается метром. Коль скоро ему
дано определение, любую другую единицу длины можно считать заданной раз и
навсегда. Мало кому могло бы прийти в голову, что 1 м сегодня мог бы оказаться
завтра равным 2 м или что ваш метр равен половине моего метра. Однако теория
относительности не только утверждает, что расстояния не абсолютны, т.е. не
фиксированы раз и навсегда, но и указывает эксперименты, в которых могли бы
выявиться подобные расхождения. Если один наблюдатель движется относительно
другого, то при измерении длины одного и того же объекта они получают разные
значения. И это несмотря на то, что в состоянии покоя оба наблюдателя при
измерении длины данного объекта получат в точности один и тот же результат.
Уменьшение расстояния с увеличением скорости называется эффектом сокращения
длин Лоренца—Фитцджеральда, в честь сформулировавших его ученых Джорджа
Фитцджеральда и Хендрика Антона Лоренца. Это один из основополагающих результа-
2 Соблазнительно покатиться на такой волне из одного края Вселенной в другой, подобно тому,
как это делают серфингисты на морских волнах.

тов теории относительности. Сокращение длины становится заметным только при
скоростях, близких к скорости света, но существование эффекта не вызывает
сомнений. Линейный ускоритель частиц в Стэнфорде (шт. Калифорния, США)
представляет собой прямолинейную трубу длиной около 3 км (в нашей системе
отсчета) . Однако движущиеся в ней электроны обладают скоростями, столь близкими к
скорости света, что в их "системе отсчета" длина ускорителя едва достигает
0,3 м! На практике, при проектировании такого ускорителя и работе на нем,
следует учитывать эффект сокращения длины.
Если теория относительности лишает смысла понятие расстояния, то квантовая
механика еще решительнее подрывает устои", ставя под сомнение основанное на
здравом смысле понятие местоположения. Считается непреложной истиной, что все
материальные тела должны где-то находиться. Каждая субатомная частица,
например, входящая в состав нашего тела, непременно должна иметь определенное
местоположение. Может ли вообще существовать частица, не находясь где-то?
Когда физики принялись исследовать понятие местоположения в свете квантовой
физики, они с изумлением обнаружили, что оно, вообще говоря, лишено смысла.
Источник всех "неприятностей" связан с одним фундаментальным правилом
квантовой механики, называемым принципом неопределенности Гейзенберга — в честь
немецкого физика Вернера Гейзенберга, который в 20-х годах нашего столетия
явился одним из создателей квантовой механики. Согласно этому принципу,
невозможно одновременно точно определить положение и скорость частицы. Можно
говорить о скорости (точнее, об импульсе), например, электрона и поставить
эксперимент с целью измерения этой величины. Эксперимент даст определенный
результат. Аналогичным образом можно при желании определить положение
электрона . При этом каждый раз мы будем обнаруживать его в определенном месте. Но
чего нам никак не удастся сделать — и что в принципе невозможно, — так это
одновременно определить обе характеристики электрона: положение и скорость.
Независимо от способа измерения сам акт наблюдения местоположения электрона
непредсказуемым образом нарушает его движение. Точно так же измерение
импульса электрона "смазывает" данные о его местоположении. Эти два типа измерения
просто несовместимы.
Невозможность одновременного определения положения и импульса частицы не
следует относить за счет грубого характера эксперимента или недостаточной
разрешающей способности прибора, ибо в данном случае мы имеем дело с
особенностью , внутренне присущей природе. Само понятие электрона, находящегося в
таком-то месте, становится абсолютно бессмысленным, если мы хотим узнать его
импульс.
Все это говорит о том, насколько нелепа попытка представить себе мир атома
как пространство, "населенное" вращающимися шариками. Если частица не может
одновременно обладать определенными положением и импульсом, то мы не в
состоянии разумным образом приписать ей траекторию в пространстве. Нам может
быть известно, что в какой-то момент времени электрон находится в точке А, а
в более поздний момент — в точке В, но мы не можем знать, как он попал из А в
В. Представление о траектории (или орбите), непрерывно соединяющей исходной и
конечный пункты, утрачивается. И в самом деле, мы уже упоминали, что в
некоторых технических устройствах электроны проявляют способность "туннелировать"
через барьер, исчезая с одной его стороны и внезапно вновь возникая по другую
сторону. Это — типично квантовый эффект.
Единственный способ придать смысл столь странному поведению электрона
заключается в предположении, что частица попадает из А в В одновременно по всем
возможным путям! Это необычное свойство можно легко продемонстрировать,
приспособив надлежащим образом эксперимент, впервые поставленный в XIX в.
английским физиком Томасом Юнгом. Желая доказать справедливость волновой теории
света. Юнг воспользовался явлением интерференции. Интерференция происходит

при наложении двух волн. Если гребни одной волны совпадают в гребнями другой
волны, то происходит усиление, и волновое движение становится более
интенсивным. Если же гребни одной волны приходятся на впадины другой, то волны гасят
друг друга, и волновое движение ослабевает.
В эксперименте Юнга (рис. 3) свет от небольшого источника падает на две
близко расположенные щели в непрозрачном экране. Изображения щелей
проецируются на второй экран. Достигая второго экрана, световые волны от каждой щели
интерферируют. Результат интерференции зависит от того, как приходят к экрану
волны — "в ногу" или "не в ногу". Это в свою очередь зависит от того, под
каким углом волны падают на экран, и поэтому результат меняется от точки к
точке. В итоге мы наблюдаем серию светлых и темных полос, образующихся
вследствие того, что световые волны поочередно то усиливают, то гасят друг друга.
Рис.3. Опыт Юнга по интерференции света. Источник света освещает две
параллельные щели в непрозрачном экране. Изображение на экране состоит
не из двух светлых полос, а из серии светлых и темных
(интерференционных) полос. Этот опыт наглядно демонстрирует волновую породу света, но
если взглянуть на него с корпускулярной (фотонной) точки зрения, то
многое в опыте покажется странным.
Если принять во внимание квантовую природу света, то обнаруживаются
удивительные детали. Квант света — фотон — ведет себя, как частица, в том смысле,
что попадает на экран в определенном месте. (Если, желая зафиксировать
интерференционную картину, заменить экран фотопластинкой, то каждый фотон вызовет
химические изменения в единственном зерне фотоэмульсии в четко определенном
месте.) С другой стороны, интерференционная картина явно зависит от наличия
двух щелей, порождающих две волны, которые налагаются друг на друга. Если
одну щель закрыть, то интерференционная картина исчезает. Наблюдаемое явление
нельзя объяснить ссылкой на то, что часть фотонов проходит через одну щель, а
часть — через другую, так как интерференционная картина возникает в виде
отдельных пятнышек, даже если на экран падают раздельно фотон за фотоном.
Единственное возможное объяснение заключается в том, что каждый фотон каким-то
образом проходит через обе щели и достигает экрана, неся на себе отпечаток их
существования. Этим "отпечатком" является наибольшая вероятность попадания
фотонов в область светлых полос, т.е. в сторону от области темных полос. В
этом проявляется сосуществование двух аспектов природы света — волнового и

корпускулярного. Хотя первоначально эксперимент был поставлен со светом,
аналогичные соображения остаются в силе, если использовать электроны или любые
другие квантовые "волны-частицы".
Невозможно представить частицу, которая находится "одновременно повсюду".
Можно, по-видимому, вообразить бесчисленные частицы-призраки, движущиеся по
всем возможным путям к точке наблюдения, где они сливаются в "реальную"
частицу, но даже подобный образ оказывается неадекватным. Только математика в
состоянии свести воедино все эти тонкости.
Вследствие нашей неспособности "прикрепить" частицу к определенному месту в
случае нескольких частиц возникают необычные эффекты. Если имеется набор
тождественных частиц, и мы не можем сказать в каждом отдельном случае, где
находится частица, здесь или там, то как можно узнать, где из них какая?
Действительно , этого нельзя сделать. Индивидуальность частицы полностью стирается.
Это обстоятельство приводит к важным физическим следствиям. Когда два атома
образуют молекулу, на движение электронов вокруг одного из атомов оказывает
воздействие другой атом, в результате чего между атомами возникает сила
притяжения. Отчасти она обусловлена тем, что данный электрон одного атома не
отличим от электронов другого, а из-за размытости их положения ничто не
препятствует этим электронам время от времени меняться местами. Иначе говоря, два
электрона из разных атомов могут взаимно заменять друг друга. Подобные
обменные взаимодействия (силы), хорошо известные в химии, порождают эффекты,
доступные измерениям.
Все это делает понятие расстояния весьма расплывчатым. Но это еще не все.
При более тщательном рассмотрении выясняется, что не только размыто положение
частицы в пространстве, но и самому пространству присуща размытость. Плохо,
когда неизвестно, где находится частица, но если нельзя сказать, где
расположены точки пространства, то все представления геометрии рушатся.
Причина этого дальнейшего осложнения кроется в особых свойствах гравитации.
В 1915г. Эйнштейн обобщил теорию относительности, которая предсказывала
возможное сжатие и растяжение пространства в зависимости от движения
наблюдателя, включив в нее гравитационные явления. Согласно общей теории
относительности гравитация представляет собой просто геометрию пустого пространства и
времени, однако она совершенно не похожа на ту, которую мы изучаем в школе.
Гравитация — это искривленное пространство-время. Пространство может не
только растягиваться и сжиматься, но и изгибаться и скручиваться. Именно такими
деформациями пространства объясняется, согласно теории Эйнштейна, гравитация.
Эйнштейн указал ряд примеров, когда искривление пространства и времени
можно наблюдать.
Один из них — воздействие гравитационного поля Солнца на пространство в его
ближайшей окрестности. Во время полного солнечного затмения, когда сияющий
диск Солнца заслонен Луной, можно наблюдать небольшие отклонения в положениях
звезд, расположенных на небе вблизи Солнца, по сравнению с их координатами,
зафиксированными в астрономических атласах (рис. 4). Световые лучи, идущие от
звезд, заметно отличаются от прямолинейных, что обусловлено искривлением
пространства Солнцем.
Эта и другие проверки теории относительности, основанные на гораздо более
сильных гравитационных полях нейтронных звезд, убедили физиков в том, что
гравитация действительно искривляет пространство. Одно из следствий этого
состоит в том, что пространство (строго говоря, пространство-время) следует
считать как бы упругим, способным изменять свою геометрическую форму. Иначе
говоря, мы можем наблюдать динамику пространства. Например, когда звезда кол-
лапсирует, образуя черную дыру, первоначально слабая деформация пространства
в ее окрестности стремительно нарастает, создавая чудовищно деформированное

пространство — ловушку, из которой ничто не может выйти наружу. Другим
примером может служить расширяющаяся Вселенная (см. гл. I): в ней пространство
между галактиками непрерывно растягивается.
Рис.4. Проходя вблизи Солнца, свет от звезды заметно отклоняется из-за
вызванною Солнцем искривления пространства. В результате наблюдаемое нами
положение звезды на небе несколько смещено относительно реального.
Способность пространства изменяться и двигаться имеет глубокий смысл для
квантовой физики. Принцип неопределенности Гейзенберга размывает не только
характер движения частицы, но и динамику пространства. Методом
математического моделирования установлено, что в масштабах, по крайней мере, в 1020 раз
меньших размеров атомного ядра, структура пространства напоминает пену и
характеризуется резкими и спонтанными изменениями (увеличением и уменьшением)
кривизны. Подобно тому, как частица "использует" все доступные ей траектории
движения, пространство в ультрамикроскопических масштабах реализует все
возможные способы движения. В случае частицы речь шла о мириадах призрачных
частиц, движущихся каждая по своей траектории. Аналогично мы можем говорить о
бесконечном количестве призрачных пространств, каждое из которых имеет
конкретную геометрию.
Такая призрачная динамика пространства предполагает, что в очень малых
масштабах само понятие "местоположение" утрачивает смысл. Упорядоченное
расположение точек, гладкая непрерывность пространства классической геометрии
исчезает в пенообразном пространстве-времени. Вместо него мы имеем беспорядочное
нагромождение полуреальных пространств-призраков. И в таком беспорядочно
изменяющемся океане здравый смысл полностью теряет свою силу.
Спин
Поскольку в квантовом мире положение в пространстве не может быть точно
определено, неудивительно, что подобная участь постигает и углы. В повседневной
жизни нам кажется само собой разумеющимся, что объекты имеют определенную

ориентацию: ваза на столе стоит вертикально, стрелка компаса указывает на
север , луч прожектора обшаривает небо. Понятие направления занимает центральное
место в выработанной нами мысленной модели мира. Без него представление о
внешнем мире утратило бы смысл.
Но в квантовом мире, в масштабе атомов и их составных частей, недопустимо
наивное толкование понятий направления и ориентации. Нельзя утверждать, что
электрон, обращающийся вокруг атомного ядра, в такой-то момент времени
находится в данном направлении от ядра, так как положение электрона размыто.
Пучок фотонов или других частиц нельзя использовать для указания направления,
так как частицы не следуют четко определенным траекториям: блуждая, они ведут
себя непредсказуемо.
Тем не менее, на первый взгляд кажется, что одна многообещающая возможность
однозначного определения направления все же существует. Мы уже упоминали, что
нейтрино обладают своеобразным собственным вращением, или "спином". Более
того, это свойство присуще почти всем субатомным частицам; особенно отчетливо
оно выражено у электронов и кварков. Привлекательно изобразить частицу со
спином, например электрон, в виде крохотного шарика, вращающегося вокруг
собственной оси, подобно Земле, совершающей суточное вращение. Чтобы такая
"картинка" имела смысл, спин должен быть ориентирован в некотором
направлении. Если это направление можно установить путем соответствующего измерения,
то это означает, что у нас есть способ однозначного определения направления
даже на квантовом уровне. Такие измерения действительно можно провести, но
при этом возникает совершенно необычная ситуация.
Предположим, что экспериментатор включает прибор и сначала выбирает
направление, чтобы измерить относительно него ориентацию спина частицы. На практике
в качестве такого направления обычно принимают направление магнитного или
электрического поля. Экспериментатор хочет определить угол между спином
частицы и направлением поля. Проведя измерение, он с удивлением обнаруживает,
что спин ориентирован строго по направлению поля. Эксперимент повторяется
многократно, но результат всегда один и тот же: спин всегда ориентирован
вдоль выбранного направления. Подозревая неладное, экспериментатор
принимается менять направление внешнего поля, но спин частицы неизменно следует за его
направлением. И как ни пытается экспериментатор обнаружить спин, направленный
под углом к исходному направлению, у него ничего не получается.
Экспериментатор в замешательстве: частица как бы читает его мысли, поскольку всегда
указывает направление, которое он произвольно выбирает для отсчета.
Отчаявшись, экспериментатор прибегает к дьявольской хитрости задает два
различных исходных направления, А и В, и измеряет угол между направлением
спина и каждым из них. Поскольку спин частицы, по мнению экспериментатора, не
может быть одновременно ориентированным в двух различных направлениях, по
крайней мере, в одном случае спин образует с одним из них некоторый угол.
Исходя из этого, экспериментатор производит первое измерение. То, что спин
ориентирован вдоль направления А, не вызывает у него удивления. Второе измерение
он проводит сразу же вслед за первым, чтобы спин не успел
переориентироваться. Направление В было выбрано так, что составляло угол 250 с направлением А,
и экспериментатор, только что с удовлетворением установивший, что спин
ориентирован вдоль оси А, естественно, ожидает, что спин будет направлен под углом
250° к оси В. Однако он с изумлением обнаруживает, что природа перехитрила
его: частица каким-то образом упредила его, и ее спин, словно по волшебству,
оказался ориентированным вдоль оси В! В ярости экспериментатор принимается
вновь измерять угол между направлением спица и осью А и видит, что спин, как
и прежде, ориентирован вдоль оси А.
Поразительные эффекты, подобные описанному, стали неотъемлемой частью
современной физики, и экспериментаторы давно привыкли к тому, что спин частицы

всегда направлен вдоль оси, выбранной за исходную. Это свойство сводит на нет
любую попытку придать смысл понятию направления в квантовом мире. Оно также
привносит в физический мир элемент странной субъективности. Если спину
частицы предопределено следовать за случайно выбранным направлением отсчета, то
создается впечатление, что экспериментатор как бы вторгается в микромир.
Рабская покорность, с которой все частицы со спином следуют заданному
экспериментатором направлению, казалось бы, наводит на мысль, что материальным миром
управляет какой-то высший разум. В гл. 3 мы увидим, что подобные субъективные
элементы квантовой физики требуют полного пересмотра традиционных
представлений о физической реальности и роли сознания в физическом мире.
Физика частиц со спином таит немало других сюрпризов. Один из них связан с
простым, на первый взгляд даже тривиальным, понятием вращения. В повседневной
жизни нам всем приходилось сталкиваться с процессом вращения. Представьте
себе, что вы стоите в комнате, скажем, лицом к двери. Поворачиваясь вокруг
своей вертикальной оси, вы увидите перед собой все новые и новые участки стен и,
повернувшись на 180°, окажетесь спиной к двери. Повернувшись еще на 180°, вы
окажетесь в исходной позиции—лицом к двери, совершив полный оборот. Мир будет
выглядеть в точности таким, каким был до начала вращения. Казалось бы, что
может быть проще и очевиднее?
Но в мире субатомных частиц элементарный акт вращения приводит к
удивительному результату. При прохождении электрона через магнитное поле определенной
конфигурации его спин может поворачиваться на все больший угол, совершив, в
конце концов, полный оборот на 360°. Основываясь на здравом смысле,
естественно ожидать, что электрон вернется в исходное состояние. Однако это не так.
Свойства электрона, совершившего поворот спина 360°, заметно отличаются от
свойств электрона, не подвергшегося воздействию. Чтобы вернуть в исходное
состояние электрон, спин которого совершил поворот, его спин необходимо
повернуть дополнительно на 360°, т.е. заставить описать два полных оборота.
Только после этого не обнаружится сколько-нибудь заметного различия между
"повернувшимся" и "неповернувшимся" электронами.
Что это означает? Очевидно, что в простейшем случае необходим поворот на
720°, чтобы совершить полный оборот, т.е. вернуть мир в исходное состояние.
Элементарная частица, например электрон, "ощущает" полный оборот в 720° . В
мире людей и в случае крупных объектов это свойство утрачено — мы не отличаем
один оборот на 360° от следующего. Следовательно, мы в некотором смысле лишь
наполовину воспринимаем мир, доступный электрону.
Рис. 5. Двойная проволочная петля дает весьма приблизительное
представление о свойствах собственного спина. При перемещении на 360°
бусина не возвращается в исходное положение — для этого необходим еще
один оборот по проволоке, т.е. перемещение еще на 360°. Но на
расстоянии столь тонкая особенность не заметна.
Рис. 5 дает простую иллюстрацию сказанного, на нем изображена двойная
проволочная петля с нанизанной на нее бусинкой. Издали мы не можем различить два

витка, и нам кажется, что проволока просто согнута в окружность. Если
бусинка, скользя по проволоке, опишет угол 360°, то мы ожидаем, что она вернется в
исходную точку, но приглядевшись внимательнее, обнаруживаем, что это не так.
Бусинка должна совершить еще один оборот на 360°, чтобы, обойдя всю петлю,
вернуться к началу своего пути.
Это странное "двойственное" представление о мире, присущее электронам и
другим микрочастицам, принято считать фундаментальным свойством природы. Оно
приводит ко многим неожиданным, доступным наблюдению следствиям. Например,
создаваемое спином электрона магнитное поле вдвое превышает магнитное поле,
которое создавал бы вращающийся заряженный шарик. В дальнейшем мы увидим, что
необычная геометрическая природа спина может оказаться ключом к единой
теории .
Замедление времени
Новая физика разрушила не только геометрическую интуицию, но столь же
безжалостно расправилась с привычным представлением о времени. Здравый смысл
приучил нас мыслить в понятиях Времени, рассматриваемого как нечто
универсальное и абсолютное, относительно чего мы отмериваем все события. Мы не
делаем различия между своим и чужим временем — существует лишь единое время.
Теория относительности отвергает столь упрощенный подход. Время, подобно
пространству, также способно растягиваться или сжиматься в зависимости от
движения наблюдателя. Два события могут считаться, с точки зрения одного
наблюдателя, разделенными промежутком времени в один час, с точки зрения другого —
одной минутой.
Это не просто психологический эффект. Время действительно можно затянуть,
или замедлить, даже в лаборатории, и зарегистрировать этот эффект можно с
помощью точных часов. Чтобы заметить замедление времени, часы должны двигаться
со скоростью, близкой к скорости света. Свет распространяется в пространстве
со скоростью около 300 тыс. км/с, что намного превосходит скорость самого бы-
стродвижущегося современного космического аппарата. Тем не менее, точность
хода современных атомных часов позволяет различить малейшее замедление
времени даже на борту реактивного авиалайнера.
Вполне заметное замедление времени можно наблюдать, воспользовавшись
субатомными частицами: они настолько бестелесны, что их можно разогнать почти до
скорости света. Например, в эксперименте, проведенном в Европейском центре
ядерных исследований (ЦЕРН), частицы, называемые мюонами, удалось разогнать
до скорости, столь близкой к скорости света, что их масштаб времени
растянулся в 24 раза. Мюоны удобны для таких исследований, поскольку они нестабильны
и через малую долю секунды распадаются на электроны и другие частицы. Это
превращение характеризуется определенным периодом полураспада, т.е. мюоны как
бы наделены внутренними часами. В собственной (связанной с ними самими)
системе отсчета распад мюонов происходит в среднем примерно через две миллионные
доли секунды, но в лабораторной системе отсчета время жизни мюонов
существенно возрастает.
Замедление времени в движущейся системе отсчета особенно раздражает
непосвященных, видимо, задевая их глубже, чем другие странности современной
физики. Примерно половина статей, поступающих в физические журналы от таких
адресатов, касается проблемы времени и относительности, и авторы упорно ищут
изъяны в рассуждениях Эйнштейна или противоречия в теории относительности. Они
не приемлют мысль о том, что время, "упруго" и его ход может меняться в
зависимости от наблюдателя. С особыми ухищрениями они пытаются опровергнуть
знаменитый "парадокс близнецов". Он состоит в следующем: если один из двух
близнецов отправляется на ракете в космическое путешествие, то по возвращении он

обнаруживает, что его брат оказался старше его, скажем, на десять лет.
Явление, которое физики склонны рассматривать как курьез, вызывает у дилетантов
абсолютное неприятие. Отчасти это объясняется тем, что у каждого
вырабатывается собственное представление о времени, и люди воспринимают манипуляции со
временем как посягательство на нечто глубоко личное. Но нравится это или нет,
замедление времени вполне реально.
Одно из самых сильных замедлений времени, которое удалось создать человеку,
происходит на установке в Дарсбери (графство Чешир, Великобритания).
Называется эта установка электронный синхротрон и предназначена для ускорения пучка
электронов, который проходит по кольцу диаметром 30 м три миллиона раз в
секунду. Большие магниты отклоняют электроны от естественного движения по
прямой, и каждый оборот по кольцу сопровождается испусканием электромагнитного
излучения, называемого синхротронным. Электроны движутся со скоростью лишь на
одну десятитысячную процента меньше скорости света; при этом масштаб времени
растягивается по сравнению с нашим примерно в десять тысяч раз. Именно это
расхождение масштабов времени используют инженеры, для этого главным образом
и был построен ускоритель. Хотя частота испускаемого излучения в собственной
системе отсчета электронов составляет всего лишь несколько килогерц (т.е.
лежит в диапазоне радиочастот), в лабораторной системе отсчета вследствие
замедления времени частота увеличивается в тысячи раз. Поэтому испускаемое
электронами излучение мы воспринимаем как ультрафиолетовое или рентгеновское.
Таким образом, с помощью синхротрона эффект замедления времени используется
для генерации интенсивного коротковолнового излучения в широком диапазоне
частот. Такие установки немногочисленны и находят ряд практических
применений. Итак, в Дарсбери таинственное явление замедления времени приобретает
сугубо практическое значение.
Замедление времени выступает рука об руку с сокращением длины (теория
относительности заставляет нас связывать пространство и время в единое
пространство-время) , и по мере приближения к предельной скорости — скорости света —
оба эффекта беспредельно возрастают. Именно поэтому невозможно преодолеть
световой барьер и двигаться со сверхсветовой скоростью, ибо для этого
понадобилось бы вывернуть пространство-время "наизнанку" и превратить пространство
во время, а время — в пространство, что дало бы возможность телам совершать
путешествия в прошлое3. Поэтому скорость света является предельной скоростью,
с которой могут двигаться во Вселенной тела или распространяться сигналы.
Замедление времени создается также и гравитацией. На крыше здания время
течет чуть быстрее, чем у его основания, хотя эффект слишком слаб, чтобы его
можно было заметить. Однако специальные "ядерные часы" позволяют обнаружить
разность в течении времени даже в масштабах высоты здания. Чтобы проверить,
влияет ли гравитация на течение времени, часы помещали на борт летающих на
больших высотах самолетов и ракет. Реальность замедления времени не вызывает
сомнений; в космосе время течет заметно быстрее, чем на Земле.
По астрономическим меркам гравитационное поле Земли довольно невелико;
известны космические объекты, которые вызывают гораздо более сильное замедление
времени. Например, на поверхности нейтронной звезды (чайная ложка ее вещества
весит больше всех континентов Земли) гравитация такова, что время может течь
вдвое медленнее, чем на Земле. Если гравитационное поле оказывается вдвое
больше, чем у нейтронной звезды, то образуется черная дыра. В этом случае
звезда полностью коллапсирует ("схлопывается"), как бы погружаясь в
бесконечно замедлившееся время и заточая себя в искривленном пространстве. Грубо го-
3 А что? В этом что-то есть! Кое-что, что мы наблюдали в прошлом, могло прийти из будущего,
где оно превысило скорость света. И Большой взрыв еще впереди.

воря, время на поверхности черной дыры по нашей шкале оказывается полностью
остановившимся.
То обстоятельство, что время не является абсолютным и универсальным, а
подвержено изменениям, подрывает многие представления, основанные на нашем
повседневном опыте. Если мое время может разойтись с вашим из-за того, что мы
по-разному движемся или находимся в неодинаковых гравитационных полях, то не
имеет смысла говорить о "времени вообще" или пользоваться понятием "теперь".
Тщетно пытаться придать смысл выражению "в этот момент", например, на Марсе,
учитывая возможность существования наблюдателей, движущихся со скоростями,
близкими к скорости света. Точно так же бессмысленно спрашивать: "Который час
на нейтронной звезде?". Время сугубо относительно. В нашей собственной
системе отсчета оно течет своим темпом. Независимо от того, как мы движемся или
как меняется гравитационное поле, течение времени нам будет казаться обычным.
Необычные эффекты возникают, когда сравнивается время в двух различных
системах отсчета. Тогда мы обнаруживаем, что в каждой системе отсчета время течет
по-своему, и что одна шкала времени, как правило, не согласуется с другой.
Обычное
становится
аномальным
Под влиянием квантовой физики и теории относительности на наши традиционные
представления о пространстве и времени мир приобрел неопределенность и
субъективность, противоречащие его повседневной обычности. Представление об
обычности возникает вследствие крайней ограниченности нашего опыта. В
повседневной жизни нам не приходится двигаться с достаточно большими скоростями,
которые сделали бы заметными эффекты замедления времени и сокращения
пространства, и большинству из нас не приходится вторгаться в неясный и туманный мир
атома. И все же рациональный, упорядоченный, основанный на здравом смысле и
повседневном опыте мир обманчив. За ним скрывается сумеречная и
парадоксальная картина таинственного существования и зыбких перспектив.
Кажущаяся потусторонность новой физики особенно проявляется, когда речь
заходит о веществе. Незыблемость скалы вселяет в нас уверенность в реальном
существовании объектов внешнего мира. Но и в этом случае при более тщательном
рассмотрении рушатся привычные представления. Под микроскопом горная порода
выглядит мозаикой из кристаллов. Электронный микроскоп позволяет нам
различить отдельные атомы, образующие правильную решетку и разделенные большими
промежутками. Исследуя сами атомы, мы обнаруживаем, что они представляют
собой в основном пустое пространство. Крохотное ядро занимает всего лишь одну
триллионную (10~12) часть объема атома. Остальное пространство заполняет
облако эфемерных электронов, расположенных "ни тут, ни там", — ничтожно малых
островков твердого вещества в океанах пустоты. Даже ядро при близком
рассмотрении оказывается пульсирующим сгустком мимолетных частиц. Представление о
незыблемости материи, сложившееся на основе повседневного опыта, уступает
место неустойчивому миру квантов энергии.
Не подлежит сомнению, что новая физика несет на себе весьма сильный
отпечаток таинственности. Старое представление о Вселенной как часовом механизме,
неукоснительно следующем по предначертанному пути и помещенном в абсолютное
пространство-время, было сметено. На смену ему пришли представления, каждое
из которых отражает один из аспектов повседневного опыта, но которые не
укладываются в единую стройную картину. Что такое электрон — волна или частица?
Каждое из этих представлений соответствует ясному мысленному образу, но их
нельзя связать в единое целое, которое было бы "и тем и другим". Столь же
трудно представить себе искривленное или расширяющееся пространство. Дело в

том, что пространство обычно ассоциируется с пустотой, а представить себе
искривление пустоты по силам лишь немногим.
Таинственный ореол современной физики привлек к ней внимание людей,
склонных к философии и мистике, увидевших в ее открытиях конец безликому
материальному миру, сложившемуся в сознании людей современного технологического
общества . Необычность эффектов замедления времени и сокращения пространства
питает убеждения в том, что существует реальность, выходящая за пределы
доступного созерцанию. Особенно привлекательно присущее новой физике целостное
восприятие мира. Разочарование в естественных науках, возникшее в недавнем
прошлом, в значительной степени является реакцией на традиционный научный
"редукционизм", приверженцы которого хладнокровно разлагают окружающий мир на
простейшие составные части.
Убеждение в возможности объяснить все путем разложения на составные части
оказывало сильное влияние на научное мышление на протяжении нескольких
столетий. Ньютон считал, что сложные движения можно объяснить, рассматривая
простые тела небольших размеров, на которые действуют силы со стороны других
подобных же тел. Хотя падение листа с дерева может быть чрезвычайно сложным,
движения отдельных частиц должны в принципе подчиняться простым
математическим законам.
Ньютоновский редукционизм достиг своего апогея в знаменитом высказывании
Пьера Лапласа: «Разумное существо, которое в данный момент знало бы все
движущие силы природы и взаимное расположение образующих ее тел, могло бы — если
бы его разум был достаточно обширен для того, чтобы проанализировать эти
данные, — выразить одним уравнением движение и самых больших тел во Вселенной, и
мельчайших атомов. Ничто не осталось бы сокрытым от него — оно могло бы
охватить единым взглядом как будущее, так и прошлое».
Итак, будь известны точные положения и скорости всех частиц во Вселенной,
тогда в принципе можно было бы определить поведение любого тела в прошлом и
будущем. Представление о том, что поведение всего жестко предопределено,
опровергает идею свободы волн и создает образ безжизненного и бессмысленного
космоса. Такое представление становится еще более неприемлемым, если
обратиться к живым существам: попытка свести все живое лишь к движению мириадов
атомов, подчиняющемуся воле слепого случая, более чем что-либо порождает
взгляд на науку как на бездушное, негуманное занятие.
Новая физика особенно резко контрастирует с подобным традиционно
редукционистским подходом. Квантовый подход решительно отвергает лапласовскнй
детерминизм, отрицая, что мир можно объяснить лишь как сумму его составных частей.
В следующей главе мы увидим, что две изолированные частицы, разделенные
большим расстоянием, тем не менее, ведут себя согласованно. В самом общем случае
при любом измерении или наблюдении в квантовой физике сущность субатомной
частицы нельзя рассматривать в отрыве от ее окружения. В эксперименте Юнга с
двумя щелями поведение столь крошечной частицы, как электрон, при прохождении
сквозь экран, зависит от того, открыты ли одна или обе щели. Электрон каким-
то таинственным способом получает информацию о сравнительно обширной
окрестности и ведет себя соответствующим образом. Аналогично направление ориентации
спина электрона неотделимо от выбранного экспериментатором способа измерения.
Макромир и микромир оказываются тесно связанными. Не стоит надеяться, что
полного понимания строения вещества удастся достичь, зная лишь свойства его
составных частиц. Только подход к системе как целому дает возможность
познания свойств микромира. Большое и малое сосуществуют. Одно не исчерпывает
другого, как равным образом второе не "объясняет" полностью первого.
Один из сильнейших ударов по редукционистской концепции нанес разум.
Пытаясь свести все системы к функционированию ее более простых компонентов,
некоторые ученые пришли, к убеждению, что разум — это активность головного мозга,

которая в свою очередь представляет собой не что иное, как серию
электрохимических процессов, сводимых к движению электронов и ионов. Столь крайне
упрощенный материалистический взгляд сводит мир человеческих мыслей, чувств и
ощущений лишь к чисто внешнему проявлению.
В отличие от этого новая физика восстанавливает центральной положение
разума в природе. Квантовая теория в обычной интерпретации приобретает смысл лишь
с введением того или иного наблюдателя. Акт наблюдения в квантовой физике
является не побочным обстоятельством, а средством получения информации, уже
существующей во внешнем мире; наблюдатель весьма основательно вмешивается в
микромир, и описание, содержащееся в уравнениях квантовой физики, явно
включает акт наблюдения. Наблюдение вызывает определенное изменение в физической
системе. Стоит только "взглянуть" на атом, как тот совершает характерный
переход, не воспроизводимый обычным физическим взаимодействием. Здравый смысл,
возможно, и сложил оружие перед лицом новой физики, но во Вселенной, какой
рисуют ее последние достижения физической науки, снова нашлось место для
человека .
3. ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТЬ И МИР КВАНТОВ
Лабиринт парадоксов
Летом 1982 г. в Парижском университете был проведен исторический
эксперимент. Французский физик Ален Аспек и его сотрудники решили проверить, не
удастся ли им "перехитрить" квант. На карту были поставлены не только наиболее
плодотворная научная теория, но и сама основа того, что мы считаем физической
реальностью.
Как и многие решающие эксперименты в физике, парижский эксперимент восходил
к парадоксу, который озадачивал и интриговал физиков и философов на
протяжении почти половины века. Речь идет об одной из принципиальных особенностей
квантовой физики — о неопределенности. Знаменитый принцип неопределенности
Гейзенберга вынуждает вносить существенные поправки в простую, построенную на
интуиции картину мира атомов, согласно которой частицы под действием сил
движутся по вполне определенным траекториям. В действительности частица,
например электрон, движется сложным, почти непредсказуемым образом, и проследить
за ее движением в деталях или хотя бы дать его описание невозможно.
До появления квантовой теории физическую Вселенную рассматривали как
огромный часовой механизм, ход которого до мельчайших деталей неукоснительно
следовал безупречной логике причины и следствия, воплощенной в законах механики
Ньютона. Разумеется, законы Ньютона и поныне справедливы для описания
большинства явлений в окружающем нас мире. Они направляют пулю к цели и
заставляют планеты двигаться точно по орбитам. Но, как мы теперь уже знаем, в
масштабах атома многое обстоит совсем иначе. На смену знакомому упорядоченному
движению макроскопических тел приходит беспорядок и хаос. Привычные твердые тела
на поверку оказываются призрачной мозаикой, образованной всплесками энергии.
Квантовая неопределенность убеждает нас, что невозможно всегда все знать о
частице. Если, фигурально говоря, вы попытаетесь "пришпилить" частицу к
определенному месту, она ускользнет от вас.
Эта неуловимость квантовых частиц доставила немало хлопот физикам при
построении квантовой теории. В 20-х годах нашего столетия новая квантовая
механика выглядела лабиринтом парадоксов. Хотя Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдин-
гер были главными строителями квантовой теории, ее интерпретацию предложили
Макс Борн и особенно Нильс Бор. Датский физик Бор первым осознал во всей
полноте, что квантовая теория в той же мере применима к веществу, как и к излу-

чению, и в последующие годы стал ведущим авторитетом и лидером среди физиков
в области концептуальных основ квантовой механики. Институт Бора в
Копенгагене был центром исследований по квантовой физике на протяжении более чем
десятилетия. Однажды Бор заметил своим коллегам: "Если у человека при первом
знакомстве с квантовой механикой голова не идет кругом, то он не понимает в ней
ничего". В своей книге "Физика и философия" Гейзенберг вспоминает о первых
мучительных сомнениях по поводу смысла новой квантовой механики: «Я вспоминаю
дискуссии с Бором, длившиеся за полночь, которые приводили меня почти в
отчаяние . И когда я после таких обсуждений отправлялся на прогулку в соседний
парк, передо мной снова и снова возникал вопрос: действительно ли природа
может быть столь абсурдной, какой она предстает перед нами в этих атомных
экспериментах? »
Самым крупным оппонентом квантовой механики был Эйнштейн. Хотя ему самому
довелось приложить руку к формулировке квантовой теории, он никогда полностью
не разделял ее идей, считая квантовую теорию либо ошибочной, либо в лучшем
случае "истинной наполовину". Известно его изречение: "Бог не играет в
кости". Эйнштейн был убежден, что за квантовым миром с его непредсказуемостью,
неопределенностью и беспорядком скрывается привычный классический мир
конкретной действительности, где объекты обладают четко определенными
свойствами, такими, как положение и скорость, и детерминировано движутся в
соответствии с причинно-следственными закономерностями. "Безумие" атомного мира по
утверждению Эйнштейна, не является фундаментальным свойством. Это всего лишь
фасад, за которым "безумие" уступает место безраздельному господству разума.
Эйнштейн пытался найти это фундаментальное свойство в нескончаемых
дискуссиях с Бором — наиболее ярким выразителем взглядов той группы физиков,
которые считали квантовую неопределенность неотъемлемой чертой природы, не
сводимой к чему-либо другому. Эйнштейн с завидным упорством продолжал свои атаки
на квантовую неопределенность, пытаясь придумать гипотетические ("мысленные",
как принято говорить) эксперименты, которые обнаружили бы логический изъян в
официальной версии квантовой теории. Бор каждый раз отражал нападки
Эйнштейна, опровергая его аргументы.
Особенно памятен один эпизод на конференции, на которой собрались многие
ведущие физики Европы в надежде услышать о последних достижениях новой тогда
квантовой теории. Эйнштейн направил свою критику против варианта принципа
неопределенности, устанавливающего, с какой точностью можно определить энергию
частицы и момент времени, когда частица ей обладает. Эйнштейн предложил
необычайно остроумную схему, позволяющую обойти неопределенность
энергии—времени. Его идея сводилась к точному намерению энергии с помощью взвешивания:
Знаменитая формула Эйнштейна Е0=тс2 сопоставляет энергию Е и массу т, а массу
можно измерить взвешиванием.
На этот раз Бор был обеспокоен, и те, кто видел, как он провожал Эйнштейна
в гостиницу, заметили, что Бор был сильно взволнован. Но на следующий день
Бор, проведший бессонную ночь за детальным анализом рассуждений Эйнштейна,
торжествуя, обратился к участникам конференции. Развивая свои аргументы
против квантово-механической неопределенности, Эйнштейн упустил из виду один
важный аспект созданной им самим теории относительности. Согласно этой
теории, гравитация замедляет течение времени. А поскольку при взвешивании без
гравитации не обойтись, эффектом замедления времени пренебречь нельзя. Бор
продемонстрировал, что при надлежащем учете этого аффекта неопределенность
восстанавливается на обычном уровне.

Эксперимент Эйнштейна —
Подольского — Розена
Самые важные мысленные эксперименты Эйнштейна, не утратившие своего
значения и поныне, были предложены лишь в 1935 г., когда вместе со своими
коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном он опубликовал в журнале The Physical
Review статью, содержащую наиболее убедительную и по сей день формулировку
парадоксальной природы квантовой физики. По существу эксперимент Эйнштейна—
Подольского—Розена затрагивал старую проблему: может ли частица одновременно
обладать определенным положением и определенным импульсом. Задача, которую
поставили перед собой Эйнштейн и его коллеги, состояла в том, чтобы придумать
схему мысленного эксперимента, позволяющего (по крайней мере, в принципе)
сколь угодно точно измерить координаты частицы и ее импульс.
К тому времени было общепризнанно, что любая попытка непосредственно
измерить положение и импульс частицы обречена на провал по простой причине: когда
вы пытаетесь измерить положение частицы, само измерение вносит не поддающиеся
контролю изменения в величину импульса частицы. В свою очередь измерение
импульса аннулирует всю полученную ранее информацию о положении частицы.
Измерение одного типа несовместимо с измерением другого типа и аннулирует его
результат . И если Эйнштейн надеялся преуспеть в попытке одновременного
измерения координат и импульсов, ему надлежало избрать более тонкую стратегию.
Если отвлечься от второстепенных деталей, то суть работы Эйнштейна,
Подольского и Розена сводится к следующему. Пусть установлено, что невозможно
непосредственно измерить в одно и то же время положение и импульс одной частицы;
тогда возникает мысль взять вторую частицу — "сообщницу". Располагая двумя
частицами, можно одновременно измерять большее число величин. Если бы нам
удалось каким-то образом заранее связать движение двух частиц то измерения,
выполненные одновременно над обеими частицами, позволили бы экспериментатору
проникнуть сквозь завесу квантовой неопределенности, непреодолимую по
утверждению Бора.
Использованный Эйнштейном и его коллегами принцип достаточно известен. При
игре в бильярд, когда шар, по которому игрок ударяет кием, сталкивается с
другим шаром, оба они разлетаются в разные стороны. Но их движения не
произвольны, а жестко связаны друг с другом законом действия и противодействия —
законом сохранения импульса. Измерив импульс одного шара, можно судить об
импульсе другого (который может откатиться далеко в сторону), даже
непосредственно не наблюдая за ним. Закон сохранения импульса справедлив и для
квантовых частиц. Значит, необходимо лишь, чтобы две квантовые частицы, 1 и 2,
столкнувшись между собой, провзаимодействовали и разлетелись на большое
расстояние . В этот момент можно измерить импульс частицы 1. Зная его, можно,
воспользовавшись законом сохранения импульса, точно вычислить импульс частицы
2, которая, собственно, нас и интересует. Измерение импульса частицы 1,
разумеется, внесет неопределенность в ее положение, но это несущественно, так как
не влияет на положение частицы 2 (а нас интересует именно она), поскольку та
находится далеко; в принципе она могла бы располагаться на расстоянии
нескольких световых лет. Если в один и тот же момент непосредственно измерить
положение частицы 2, то ее положение и импульс станут известны одновременно.
Иначе говоря, мы перехитрим принцип неопределенности!
Рассуждения Эйнштейна—Подольского—Розена основаны на двух допущениях,
имеющих принципиальное значение. Во-первых, предполагается, что измерение,
проведенное в одном месте, не может мгновенно повлиять на частицу, находящуюся
далеко от него. Такое допущение основано на том, что взаимодействие между
системами ослабевает с расстоянием. Трудно представить, чтобы два электрона,
разделенные расстоянием в несколько метров, а тем более световых лет, каким-

то неведомым образом влияли на положение и импульс друг друга. Эйнштейн
отвергал подобную мысль, называя ее "призрачным действием на расстоянии".
Отвергая идею мгновенного дальнодействия, Эйнштейн исходил из своего
убеждения, что никакой сигнал или воздействие не могут распространяться быстрее
света. Это — ключевой момент теории относительности, и им не следовало
пренебрегать . Кроме того, невозможность распространения сигналов со скоростью
выше скорости света принципиально важна для общего определения прошлого и
будущего во Вселенной. Преодоление светового барьера эквивалентно
распространению сигналов назад во времени, а это чревато парадоксами.
Второе фундаментальное допущение, из которого исходил Эйнштейн со своими
коллегами, было связано с признанием существования "объективной реальности".
Они предполагали, что такие характеристики, как положение и импульс частицы,
существуют объективно, даже если частица удалена, и эти характеристики
непосредственно не наблюдаемы. Именно в этом Эйнштейн расходился с Бором. По
мнению Бора, просто нельзя приписывать частице такие характеристики, как
положение или импульс, если нет возможности реально их наблюдать. Измерение,
выполненное кем-то еще ("по доверенности") в счет не идет. Использование частицы-
сообщницы — просто надувательство.
На этом этапе Эйнштейн и Бор могли признать лишь несовпадение своих
позиций. Необходим был такой вариант мысленного эксперимента, который позволил бы
проверить, нарушается или нет принцип неопределенности на практике. В 60-х
годах Джон Белл из ЦЕРНа придумал, как это сделать. Он использовал два
основных допущения Эйнштейна, Подольского и Розена (распространение сигналов со
скоростью меньше скорости света и существование объективной реальности) для
вывода наиболее общих соотношений между измерениями с частицей 1 и
измерениями с частицей 2, причем измерениями не только положения и импульса, но и
других характеристик, в частности ориентации спина. Белл обнаружил, что
измерения некоторых типов позволяют различить позиции Эйнштейна и Бора, отдавая
предпочтение одной из них. Иначе говоря, два упомянутых допущения позволяют
сделать определенные экспериментальные предсказания, которые не подтвердились
бы, будь справедлива квантовая механика в духе Бора с внутренне присущей ей
неопределенностью. Таким образом, если бы удалось выполнить соответствующий
реальный эксперимент, то тем самым осуществилась бы прямая проверка наличия
квантовой неопределенности.
Белл записал суть различия двух соперничающих теории в форме
математического соотношения, получившего название неравенства Белла. Проще говоря, если
прав Эйнштейн, то результаты реального эксперимента должны подтвердить
неравенство Белла. Если же прав Бор, то это неравенство не будет выполнено.
Очередь теперь была за экспериментаторами.
Крушение наивного
представления
о реальности
Практическую проверку неравенства Белла не удалось осуществить в 60-е годы.
Основная проблема заключалась в недостаточной точности оборудования того
времени. Чтобы с уверенностью исключить обмен сигналами между двумя частицами,
находящимися на некотором расстоянии друг от друга, измерения следовало
произвести за столь короткий интервал времени, за который сигналы,
распространяющиеся со скоростью света (или медленнее), не успевали бы преодолеть
расстояние между частицами. Это означает, что при расстоянии между частицами в
несколько метров измерения должны занимать не более нескольких миллиардных
долей секунды.

В 70-е годы ряд групп экспериментаторов поставили различного рода
эксперименты с двумя частицами, но ни одна из групп не достигла точности, при
которой результаты можно было бы считать безупречными. Наконец, Ален Аспек в
Париже, внеся ряд усовершенствований в методику, приступил в 1981 г. к серии
экспериментов, в которых одновременно измерялись направления поляризации двух
фотонов, испущенных одним и тем же атомом и движущихся в противоположные
стороны. Кульминационным стал эксперимент, выполненный летом 1982г., который
впервые позволил дать окончательный ответ на интересовавший всех вопрос.
Результаты не оставляли никакого сомнения: Эйнштейн был не прав. Квантовую
неопределенность невозможно обойти. Она — неотъемлемая особенность квантового
мира и не может быть сведена к чему-то другому. Наивное представление о
реальности частиц, обладающих четко определенными свойствами, в отсутствие
наблюдений над ними, не выдержало испытания. Аспек "забил последний гвоздь" в
гроб физики, основанной на здравом смысле.
Небезынтересен способ, которым в эксперименте Аспека выявлено различие
между квантовой и альтернативной "реалистической" теориями. Экспериментаторы
задались целью выяснить, в какой мере результаты измерений, производимых над
одним фотоном, корреллируют с результатами измерений над другим фотоном. Как
следует из неравенства Белла, "реалистические" теории предсказывают
существование верхнего предела, максимального уровня корреляции. В отличие от них
квантовая механика предсказывает более высокую степень корреляции: между
двумя частицами как бы существует некая сверхъестественная "телепатическая"
связь. Результаты измерений показали, что корреляция превосходит максимум,
предусмотренный неравенством Белла, и тем самым подтвердили наличие в
квантовой физике внутренней неопределенности.
Эту ситуацию можно сравнить с тем, что происходит, когда два человека, сидя
спиной друг к другу, одновременно бросают монеты. Если бросания совершенно
случайны, то никакой корреляции между их результатами не будет. "Орлы" при
бросаниях одной монеты будут выпадать с одинаковой частотой независимо от
того, выпадет при бросании другой монеты "орел" или "решка". Предположим,
однако, что бросания не вполне случайны и выпадение "орла" при бросании одной
монеты чаще совпадает с выпадением "орла" при бросании другой; аналогичная
картина наблюдается при выпадении "решки". Эксперименты демонстрируют наличие
определенной положительной корреляции между результатами бросания двух монет.
В эксперименте с двумя частицами поведение частиц случайно, но не независимо,
так как обе они испущены одним и тем же атомом. Следовательно, некоторую
корреляцию в поведении частиц можно ожидать заранее. Решающая проверка
заключается в определении точной величины этой корреляции.
На первый взгляд может показаться, будто эксперимент Аспека позволяет
достигать скорости распространения сигналов, превышающей скорость света.
Применительно к бросанию монеты это означает следующее: если у меня "орел" чаще
всего совпадает с вашим, то создается впечатление, будто я могу послать вам
сигнал (даже если вы не видите моей монеты), пользуясь простым кодом,
например, обозначая "орел" точкой, а "решку" — тире. Если корреляция ниже 100 %,
то на сигнал накладывается "шум", но при достаточно большом числе повторений
его можно передать без искажений.
Однако, как показывают дальнейшие размышления, подобная возможность
передачи сигналов со скоростью выше скорости света иллюзорна. Исход каждого из моих
бросаний монеты хотя и коррелирован с исходом ваших, но все же полностью
непредсказуем, поскольку я не могу заранее заставить монету выпадать "орлом"
или "решкой". Если при очередном бросании у меня выпадает "орел", то я знаю,
что и у вас, вероятно, выпал "орел", но от этого мало толку, ибо я не могу
управлять последовательностью точек и тире в передаваемом сигнале, и мой
сигнал вырождается в сплошной (белый) шум.

Причуды квантовой
реальности
Через несколько месяцев после того, как Аспек опубликовал результаты своего
эксперимента, мне выпала честь составить для Би-Би-Си документальную
радиопередачу о фундаментальных парадоксах квантовой физики. В число участников
передачи входили сам Аспек, Джон Белл, Дэвид Бом, Джон Уиллер, Джон Тейлор и
Рудольф Пайерлс. Я спросил всех участников передачи, как они оценивают
результаты эксперимента Аспека, и не кажется ли им, что реальность, основанная
на представлениях здравого смысла, теперь мертва. Разнообразие ответов было
поразительным.
Один или два участника передачи вообще не выразили удивления по поводу
эксперимента Аспека. Их вера в правильность общепринятой точки зрения, давно
провозглашенной Бором, была столь сильна, что эксперимент Аспека они
восприняли лишь как подтверждение (хотя и весьма желательное) того, что никогда не
вызывало серьезных сомнений. Другие участники передачи не разделяли такой
точки зрения. Их уверенность в существовании реальности, укладывающейся в
рамки здравого смысла, — той объективной реальности, поиском которой
занимался Эйнштейн, — осталась не поколебленной. По их мнению, следовало бы
отказаться от предположения, что сигналы не могут распространяться со скоростью
выше скорости света. В конечном счете, должно существовать какое-то
"призрачное действие на расстоянии". Бором уже была разработана теория,
включающая подобные "нелокальные" эффекты.
А как быть с парадоксами, связанными с распространением сигналов? Возможно,
что-то мешает нам управлять такими сигналами. В этих вопросах достичь полной
ясности так и не удалось.
Холя не все физики согласны с ниспровержением наивной реальности, взгляды
Бора остаются общепринятыми, и результаты Аспека, несомненно, лишь подкрепили
их. Эта точка зрения оказывает глубокое влияние на наши представления об
окружающем нас физическом мире.
Во-первых, описанная схема эксперимента с двумя частицами показывает, что
свойства частицы, находящейся "там", неразрывно связаны со свойствами
частицы, находящейся "здесь". Упрощающее предположение, что две частицы можно
рассматривать как изолированные и независимые физические объекты только потому,
что они движутся на большом расстоянии друг от друга, в корне ошибочно. Пока
над частицами не производится отдельных измерений, они остаются частью
единого целого. То, что мы понимаем под свойствами частиц, определяется
экспериментальной установкой в целом, а она может занимать значительную область
пространства . Кроме того, хотя в эксперименте Аспека "целостная" система двух
частиц умышленно поставлена в контролируемые условия, частицы продолжают
вести себя естественным образом — взаимодействовать и разлетаться.
Следовательно, нелокальный характер квантовых систем является общим свойством природы, а
не искусственной ситуацией, созданной в лаборатории.
Некоторые ученые подчеркивали, что квантовая физика рисует картину мира, в
котором отдельные частицы материи не существуют сами по себе как первичные
объекты. Статусом "реальности" обладает здесь только ансамбль частиц,
рассматриваемый как единое целое, в том числе и частиц, из которых состоит
измерительный прибор.
Совершенно иначе выглядит традиционное представление о реальности,
основанное на классической ньютоновской физике. Согласно Ньютону, вещество состоит
из частиц, которые рассматриваются, однако, просто как "строительные блоки"
для более крупных конструкций. Такая картина, несомненно, привлекательна,
поскольку позволяет наглядно представить мириады "элементарных частиц"
наподобие твердых шариков, которые, сцепляясь друг с другом, образуют обычные тела,

такие, как камень. Все свойства камня в этом случае можно приписать атомам
или любым другим элементарным "строительным блокам" в зависимости от
последних веяний моды. Камень построен из элементарных частиц, а те в свою очередь
— простые части камня и ничего более. Немецкий физик Отто Фриш, открывший
деление ядер, так описывает классическую картину мира: «Считается, что заведомо
существует внешний мир, который состоит из частиц, обладающих
местоположением, размером, твердостью и т.д. Чуть больше сомнений возникает относительно
того, имеют ли частицы цвет и запах; однако все они вполне "добропорядочны" и
существуют независимо от того, наблюдаем мы их или нет».
Подобный взгляд на природу можно с полным основанием назвать наивным
реализмом .
Квантовая физика ниспровергает столь упрощенную классическую взаимосвязь
целого и его частей. Квантовый подход требует рассматривать частицы только в
их взаимосвязи с целым. Поэтому было бы неверно считать элементарные частицы
вещества материальными объектами, которые, соединяясь в ансамбли, образуют
более крупные объекты. При более точном описании мир выступает как
совокупность отношений.
С точки зрения "наивного реалиста" Вселенная представляет собой
совокупность объектов. Для специалиста по квантовой физике это подвижная единая
ткань, состоящая из всплесков энергии, и ни одна из частей этой "ткани" не
существует независимо от целого, а это целое включает и наблюдателя.
Американский физик Г. П. Стэпп так сформулировал квантовую концепцию
частицы: «Элементарная частица не есть нечто независимо существующее и не
поддающееся анализу. По существу — это среда, распространяющаяся вовне на другие
объекты».
Невольно на память приходит строка из Уильяма Блейка: "Вселенная в песчинке
видней . . .". Мы должны рассматривать все вещество и энергию в рамках
всеобъемлющего единого бытия.
Еще одно следствие квантовой физики затрагивает роль наблюдателя — лица,
реально выполняющего измерения. Квантовая неопределенность не переносится на
производимые нами реальные наблюдения. Это означает, что в каком-то звене
цепи, соединяющей исследуемую квантовую систему с экспериментальной установкой,
шкалами и измерительными приборами, нашими органами чувств, нашим мозгом и,
наконец, нашим сознанием, должно происходить нечто такое, что рассеивает
квантовую неопределенность. Правила квантовой физики вполне определенны в
этом отношении. В отсутствие наблюдателя квантовая система каким-то образом
существует и развивается. После того как произведено наблюдение, поведение
системы становится совершенно иным. Чем именно вызвано изменение в поведении
системы, не ясно, но некоторые физики утверждают, что это изменение явно
обусловлено вмешательством экспериментатора.
Этим слегка интригующим замечанием мы завершим наш рассказ о проблемах и
парадоксах квантовой физики. И какие бы споры ни велись вокруг ее
принципиальных основ, подавляющее большинство ученых все же сходится на том, что в
своих приложениях квантовая теория работает блестяще. В частности, именно на
ней основывается все описание мира элементарных частиц — того самого мира, в
недрах которого погребена суперсила.
4. СИММЕТРИЯ И КРАСОТА
Математика как
язык природы
Когда мне приходится читать первокурсникам лекцию "Основные понятия совре-

менной физики", я всегда говорю им о красоте физики, обусловленной тем, что
ее содержание может быть выражено простыми математическими законами. Это
замечание обычно вызывает взрыв иронических возгласов. Причина такой реакции
заключается, конечно, в том, что первокурснику, сражающемуся с премудростями
вводного курса математического анализа, уравнения физики кажутся необычайно
сложными и неясными. Им, первокурсникам, еще предстоит узнать, что математика
— это помимо прочего еще и язык науки. И когда они постигнут премудрости
этого языка, он поможет им изящно сжать описание чрезвычайно сложных вещей в
лаконичный математический эквивалент, укладывающийся в одну строку.
В этом отношении математика мало чем отличается от других технических
языков (хотя и неизмеримо превосходит их по мощи и универсальности). Представьте
себе, что вы пытаетесь растолковать кому-нибудь суть системы финансирования
на обычном языке, не прибегая к таким понятиям, как капитал, ссудный процент,
инфляция, или описать работу автомобильного двигателя, не упоминая о
клапанах , коленчатом вале, прокладках или карбюраторе.
У всякого, кому хоть раз приходилось слышать разговор двух математиков,
может создаться впечатление, что они беседуют, пользуясь кодом, и в некотором
смысле это действительно так. Как и в любом коде, стоит вам узнать ключ, как
сложная информация мгновенно станет простой. В закодированном сообщении
нетрудно распознать упорядоченный набор знаков, несущий информацию, хотя
истинное содержание сообщения скрыто за внешне бессмысленной грудой цифр. Любая
математическая формула — своеобразный код со своим входом и выходом. Взять
хотя бы формулу п2, где п — произвольное натуральное число 1, 2, 3, 4, ...
Подставляя в нее значения п по порядку, получаем 1, 4, 9, 16, ... В этом
случае код не трудно "раскрыть" и по ответам 1, 4, 9, 16, ... вывести формулу
п2, восстановив числа "на входе": 1, 2, 3, 4, .... Но если хотя бы немного
усложнить формулу, то расшифровка кода становится непосильной задачей.
Попробуйте , например, угадать, по какой формуле построена последовательность 2, 4,
6, 9, 12, 17, 20, 25, 28, 31, 34, ...
Вероятно, величайшим научным открытием всех времен следует считать
осознание того, что законы природы можно записать с помощью математического кода.
Причина этого нам неизвестна, но сам по себе факт математического кодирования
явлений природы позволяет понимать, управлять и предсказывать ход физических
процессов. Разгадав код, соответствующий той или иной конкретной физической
системе, мы обретаем возможность читать природу как раскрытую книгу.
Люди далеко не сразу поняли, что на фундаментальном уровне законы природы
могут быть записаны в математической форме. Древние астрологи вывели простые
числовые соотношения, "управляющие" движением Солнца, Луны и других небесных
светил, которые помогали предсказывать затмения. Пифагор обнаружил, что
высота музыкального тона, создаваемого струной, связана строгой числовой
зависимостью с длиной струны. Но первые систематические попытки расшифровать
математический код природы были предприняты только в средние века. В XIV в.
ученые из Оксфорда установили интересный факт: расстояние, проходимое телом,
падающим по вертикали из состояния покоя, пропорционально квадрату времени /2,
прошедшего с момента начала падения. Но общее признание этот факт получил
только в XVII в. после работ Галилея и Ньютона. Были обнаружены и другие
факты, так или иначе связанные с первым: период колебании маятника не зависит от
размаха (амплитуды) его качаний, а пропорционален квадратному корню из его
длины; тело, брошенное под углом к горизонту, движется по кривой, называемой
квадратичной параболой. Кеплер вывел математические соотношения, которым
подчиняются движения планет, установив, например, что квадраты периодов
обращения планет по орбитам относятся, как кубы их средних расстояний от Солнца.

Кульминацией явилась формулировка Ньютоном законов механики и закона
всемирного тяготения. Ньютон обнаружил, что действие гравитации можно описать
особенно простой математической формулой — так называемым законом обратных
квадратов. Этот закон связывает силу тяготения с расстоянием г от центра
сферического тела соотношением 1/г2. В дальнейшем экспериментальные исследования
электрической и магнитной сил показали, что они также подчиняются закону
обратных квадратов.
В XVI11—XIX вв. математическая основа физики необычайно расширилась. Для
удовлетворения растущих запросов физиков были разработаны новые разделы
математики, В нашем столетии "математизация" физики происходила еще быстрее, и
ныне ее математический аппарат включает многие разделы чистой математики —
неевклидову геометрию, теорию бесконечномерных векторных пространств, теорию
групп.
То, что на первый взгляд кажется очень сложным или бессмысленным, при
расшифровке "кода" может оказаться проявлением довольно простых математических
соотношений. Исследуя природу, физик нередко сталкивается с такими вещами,
которые сначала кажутся ему чрезмерно сложными и даже случайными. Но в
дальнейшем благодаря использованию надлежащего математического аппарата сложное
явление может свестись к поразительно простой математике.
Лучший пример тому — история исследования движений планет Солнечной
системы. То, что планеты движутся в небе сравнительно упорядоченно, известно
каждому, кто хотя бы мельком интересовался астрономией. Однако при более
тщательном изучении выясняется, что движения отдельных планет заметно
различаются. Например, Марс, обычно движущийся на фойе неподвижных звезд с востока на
запад, иногда поворачивает и некоторое время движется вспять — с запада на
восток. Кроме того, внешние планеты движутся гораздо медленнее внутренних.
При еще более детальном анализе обнаруживается множество других тонких
особенностей .
Некогда пользовалась всеобщим признанием модель мира, созданная Клавдием
Птолемеем (II в.), которая основывалась на предположении, что Земля покоится
в центре мироздания, а планеты "прикреплены" к жестким концентрическим
сферам, вращающимся с различными скоростями. Совершенствование методов
наблюдения выявило более точные детали движения, для учета которых к первоначальным
сферам птолемеевой системы пришлось добавить дополнительные, меньших
размеров , вращающиеся вместе с большими сферами так, чтобы сочетание двух или
большего числа вращении воспроизводило наблюдаемые движения планет. К тому
времени, когда Коперник открыл (XVI в.) истинное строение Солнечной системы,
модель Птолемея стала чрезвычайно запутанной и сложной.
Научная революция, вызванная работами Галилея и Ньютона — классический
пример того, как невообразимое нагромождение фактов обретает изящную простоту
при использовании более адекватной математической модели. Основное достижение
Ньютона состояло в рассмотрении планет как движущихся в пространстве
материальных тел, которые подчиняются физическим законам движения и закону
всемирного тяготения, открытым самим Ньютоном. Благодаря этому Ньютону удалось
описать размеры и форму планетных орбит, а также периоды обращения по ним
планет . Результаты расчетов хорошо согласовались с данными наблюдений. А самое
главное заключается в том, что и законы движения Ньютона, и его закон
всемирного тяготения даже по меркам средней школы математически очень просты. Но в
совокупности они дали описание богатого и сложного разнообразия движений.
Приведенный пример иллюстрирует еще одну важную особенность физического
мира . Меня часто спрашивают, почему мир так сложен, если законы физики столь
просты. Ответ следует из правильного понимания того, что мы считаем
физическим законом. Когда физик говорит о законе, он имеет в виду некоторое
ограничение на поведение определенного класса систем. Например, простой закон гла-

сит: все брошенные бейсбольные мячи описывают параболические траектории. Этот
закон можно проверить, наблюдая полеты большого числа бейсбольных мячей. Но
закон не утверждает, что все траектории одинаковы. Если бы все мячи летели по
одинаковым траекториям, то бейсбол оказался бы скучной игрой. Одни параболы
плоские и стелятся низко, другие — крутые и взмывают высоко. И хотя все эти
траектории принадлежат к одному и тому же классу кривых — к параболам,
существует бесконечное разнообразие форм параболических кривых, так что есть из
чего выбрать.
Что же определяет конкретную параболическую траекторию, по которой летит
данный бейсбольный мяч? Именно в выборе траектории и проявляется искусство
бейсболиста, так как ее форма зависит от того, с какой скоростью и под каким
углом к горизонту брошен мяч. Эти два дополнительных параметра, называемые
"начальными условиями", и следует задать для однозначного выбора траектории.
Физический закон оказался бы бесполезным, если бы был настолько жестким,
что допускал единственный вариант поведения. Это был бы не истинный закон, а
всего лишь описание мира. Все богатство и сложность явлений реального мира
может основываться на простых законах, поскольку существует бесконечное
множество начальных условий, создающих разнообразие. Физические законы требуют,
чтобы орбиты всех планет Солнечной системы были эллиптическими, но точная их
форма и отношение длин большой и малой полуосей каждого эллипса из этих
законов не следуют. Они определяются начальными условиями, которые нам
неизвестны, так как зависят в первую очередь от условий формирования Солнечной
системы. Те же законы описывают гиперболические траектории комет, и даже сложные
траектории космических кораблей. Таким образом, открытые Ньютоном простые
математические законы служат основой поистине множества сложных явлений.
Красота как путеводная
нить к истине
Красота — понятие туманное, однако, нет сомнений в том, что именно она
служит источником вдохновения ученых. В некоторых случаях, когда дальнейший путь
не ясен, именно математическая красота и изящество ведут ученых к истине.
Физик интуитивно чувствует, что природа предпочитает красивые "решения"
некрасивым. До сих пор это убеждение, несмотря на его субъективизм, служило
надежным и могущественным спутником физиков. Однажды в беседе с Эйнштейном Гейзен-
берг заметил: «Если природа приводит нас к математическим выражениям
необычайно простым и красивым... которые ранее не встречались, то мы невольно
воспринимали их как "истинные" и считаем, что они открывают то или иное свойство
природы».
Затем Гейзенберг пустился в рассуждения о "почти пугающей простоте и
цельности соотношений, которые природа внезапно открывает перед нами", — эта тема
волновала многих его современников. Поль Дирак, пойдя еще дальше,
провозгласил: "Красота уравнений важнее, чем их согласие с экспериментом". Дирак имел
в виду, что игра творческого воображения может привести к созданию теории,
столь привлекательной, что физики отринут всякие сомнения в ее истинности,
прежде чем теория будет подвергнута экспериментальной проверке, и не
отвергнут ее даже столкнувшись с, казалось бы, противоречащими ей
экспериментальными данными.
Ту же мысль проводит и популяризатор науки Ричард Моррис в своей
замечательной книге "Разоблачение Вселенной": «Между наукой и искусством существует
множество параллелей, которые сразу же бросаются в глаза. Подобно художникам,
каждый ученый имеет свой неповторимый стиль. Представления ученых о том,
какой должна быть хорошая научная теория, удивительно схожи с аналогичными
воззрениями представителей искусства... Корректней считается та теория, которая

предположительно допускает экспериментальную проверку. Тем не менее, в
некоторых случаях научная интуиция способна предугадать правильность теории еще
до проведения ее экспериментальной проверки. Эйнштейн (как и многие другие
физики) верил в истинность специальной теории относительности, даже когда,
эксперименты, казалось бы, противоречили ей.»
Моррис рассказывает, как Эйнштейн реагировал на известие о том, что
решающее предсказание его общей теории относительности получило подтверждение при
астрономических наблюдениях. Эйнштейн отнесся к сообщению совершенно
безучастно, и когда его спросили, как бы он отреагировал, если бы результаты
противоречили его теории, ответил: "Мне было бы жалко Господа Бога, ведь теория-то
правильная".
Объяснить людям, далеким от математики, что такое математическое изящество,
трудно, но я все-таки попытаюсь. Взгляните на кривую, изображенную на рис. 6.
Хотя она гладкая и не имеет никаких особенностей, кривую отнюдь не сразу
поставишь в соответствие чему-либо, известному из повседневной жизни. Если бы
вас попросили запомнить кривую и при случае точно воспроизвести ее, задача
оказалась бы безнадежной. Вы легко могли бы воспроизвести, скажем, окружность
или какую-нибудь белее сложную, но легко узнаваемую кривую, например эллипс
(который представляет собой не что иное, как окружность, рассматриваемую под
некоторым углом); однако кривая на рис. 6 обладает более сложной структурой,
чем окружность: и наклон касательной к ней, и кривизна кривой изменяются
вдоль нее по определенному закону, который, тем не менее, трудно установить
точно.
Рис.6. Экспонента. Форма этой кривой отражает важные математические
особенности, характерные для широкого круга физических явлений.
Представленная в виде графика экспонента может, например, описывать
неограниченный рост народонаселения.
Что же касается математика, то он без труда опознает эту кривую, и ему
известно, как "за кодировать" все ее свойства, чтобы легко вспомнить их и
воспроизвести с любой степенью точности, если это понадобится. В
действительности эта кривая представляет график так называемой экспоненциальной функции,
или экспоненты, которая математически записывается как ех и часто встречается
в самых различных задачах. Математику хорошо известно, что эту функцию можно

вывести из формулы (1 + х/п)п в пределе, когда п становится бесконечно
большим, и поэтому, вооружившись микрокалькулятором, он может вычислить
координаты каждой точки на графике с любой требуемой точностью.
"Экспоненциальная функция — одно из самых изящных соотношений, известных
человеку", — утверждает математик. Почему?
Предположим, что нас интересует наклон кривой в каждой ее точке. Сначала
кривая идет очень полого, а по мере продвижения слева направо становится все
круче. Построим график, но не самой экспоненциальной функции, а угла наклона
касательной к ней. Как он выглядит? Оказывается, совпадает с графиком самой
экспоненциальной функции4. Экспонента — это такая функция, значение которой в
любой точке совпадает с углом наклона касательной к ней в этой точке (или, по
крайней мере, пропорционально ему) . Именно поэтому экспоненциальная функция
играет столь важную роль при описании простых форм роста, например,
неограниченного размножения популяции, градиент (мера скорости роста) которой
пропорционален численности самой популяции. В некоторых районах земного шара эта
зависимость примерно справедлива и применительно к росту народонаселения.
В экспоненциальной кривой можно обнаружить скрытую красоту и другого рода.
Взгляните на кривую, изображенную на рис. 7. Она напоминает нам нечто
знакомое: волну. В математике ее называют синусоидой и обозначают sin х; эту
кривую можно задать и алгебраически, вычисляя по формуле.
Рис.7. Синусоида. Характерной форме этой кривой соответствуют
математические свойства, тесно связанные со свойствами экспоненциальной
кривой, изображенной на рис. 6. Синусоида описывает широкий круг
физических явлений, включая волновое движение и периодические колебания.
На первый взгляд синусоида имеет весьма отдаленное сходство с экспонентой.
Синусоида периодична: подъемы на графике регулярно чередуются со спадами,
тогда как экспоненциальная кривая непрерывно и все быстрее возрастает. Связь
между этими двумя кривыми обнаружится, если начертить график градиента
синусоиды: мы получим другую синусоиду, смещенную на четверть длины волны вправо
относительно первой. Эта кривая называется косинусоидой. Построив график угла
наклона касательной косинусоиды, мы сдвинем последнюю еще на четверть длины
волны вправо и получим кривую, совпадающую с первой синусоидой, только
перевернутой. Проделав такую операцию еще два раза, мы вернемся к исходной кри-
То есть первая производная от е в степени х равна е в степени х.

вой. Таким образом, экспонента и синусоида (или косинусоида) обладают одним
общим важным свойством симметрии, устанавливающим связь между формой самой
кривой и формой кривой, описывающей угол наклона касательной к ней
(градиент) .
Эта глубокая связь между ех и sin х полностью выявляется в теории
комплексных чисел, где обычная система чисел обобщается и включает квадратные корни
из отрицательных чисел. Оказывается, что когда х — квадратный корень из
отрицательного числа, ех становится смесью двух волн — синусоидальной и косину-
соидальной. Теперь уже не приходится удивляться, что физические системы,
поведение которых описывается экспонентой, способны проявлять и периодическое,
"синусоидальное", поведение. Примером такой системы может служить так
называемый гармонический осциллятор, скажем, маятник или просто масса,
прикрепленная к пружине. Если массу слегка отклонить от состояния равновесия, то она
начнет колебаться взад-вперед в результате периодического воздействия
пружины. Положение массы в зависимости от времени будет изменяться по синусоиде,
изображенной на рис. 7. Такое движение массы определяется законом изменения
силы натяжения пружины. Величина этой силы прямо пропорциональна смещению
массы из положения равновесия, а направление таково, что она пытается вернуть
массу в положение равновесия: если пружина растянута, то сила создает
притяжение, если пружина сжата — отталкивание.
Предположим теперь, что сила, изменяющаяся по тому же закону, была бы
направлена не к положению равновесия, а от него. Поведение системы в этом
случае оказалось бы совершенно другим. Отклонение массы от равновесия нарастало
бы по экспоненте, масса разгонялась бы все быстрее в одном и том же
направлении. С пружинами такое невозможно, а в других системах случается. Иногда
система в одних условиях колеблется по синусоидальному закону, а в других
срывается в экспоненциальный режим.
Умение находить с помощью математического анализа скрытые соотношения и
симметрии, подобные, описанным выше, характеризует профессиональное
мастерство физиков. Нередко более тонкие симметрии удается обнаружить, только
коренным образом изменив математическое описание. Так произошло при переходе от
птолемеевой космологии к ньютоновской механике, гораздо позднее — и с самой
ньютоновской механикой.
В XIX в. законы Ньютона были математически полностью переформулированы
французским физиком Жозефом Луи Лагранжем и ирландским физиком Уильямом Роу-
эном Гамильтоном. И тот и другой видоизменили математическое описание с тем,
чтобы подчеркнуть простоту и изящество, заключенные в механике Ньютона. В
работе Гамильтона, в частности, неожиданно оказался предвестник квантовой
революции, которой предстояло опрокинуть всю классическую физику. Но до этого
было еще далеко.
Основная проблема механики состоит в том, чтобы понять, описать и
предсказать траектории (пути), по которым движутся материальные частицы под
воздействием приложенных сил. Эти траектории, очевидно, имеют самый различный вид в
зависимости от характера действующих сил. Задача о путях распространения в
прозрачной среде световых лучей на первый взгляд кажется другой. Свет не
подчиняется законам механики Ньютона, хотя хорошо известно, что при прохождении
через среду с изменяющейся плотностью световые лучи искривляются. Например,
нам кажется, что погруженная в пруд палка имеет излом в том месте, где входит
в воду. Дело в том, что световые волны замедляются в плотных средах, и
вторичные волны, исходящие из различных точек волнового фронта, встречая на
своем пути участки среды с различной плотностью, образно говоря, "сбиваются с
шага": одни идут медленнее, другие быстрее. В большинстве случаев световой
луч в конечном счете распространяется по пути, на котором от точки к точке

затрачивается наименьшее время. Таким образом, поведение светового луча можно
понять на основе теории волн, которые распространяются со скоростью,
изменяющейся в зависимости от свойств среды, через которую они проходят.
Изменив математическую формулировку механики Ньютона, Гамильтон заметил,
что наиболее сжатое выражение законов движения содержится в математическом
соотношении, тождественном принципу минимального времени распространения
световых волн. Грубо говоря, частицы стремятся переходить от точки к точке по
наиболее легкому пути, т.е. с наименьшим сопротивлением, который в
большинстве случаев оказывается и кратчайшим, т.е. требующим наименьших затрат
времени. Тем самым было установлено, что материальные частицы и световые волны,
несмотря на различие их характера и поведения, с математической точки зрения
распространяются более или менее одинаковым образом.
Этот поразительный результат, полученный исключительно при попытке записать
законы механики в новой математической форме, обнаруживает глубокую гармонию
в природе, которая наводит на мысль, что в природе должны действовать и
другие скрытые принципы. Взглянув ретроспективно, мы видим теперь, в чем состоят
эти принципы. Тесная взаимосвязь между движением частиц и распространением
световых волн указывает на то, что с материальными частицами могут
связываться и некоторые волновые свойства. "Волны материи", о которых мы упоминали в
гл. 2 и 3, послужили отправным пунктом развития квантовой теории. Таким
образом, математическая оптика Гамильтона, которая первоначально казалась лишь
жонглированием математическими символами, предстает перед нами в новом свете
— как провозвестник новой волновой теории материи.
Симметрия
Понятие симметрии хорошо знакомо и играет важную роль в повседневной жизни.
Многим творениям человеческих рук умышленно придается симметричная форма, как
из эстетических, так и практических соображений. Мяч симметричен, так как
выглядит одинаково, как бы его ни поворачивали вокруг центра. Круглая печная
труба сохраняет свой внешний вид при более ограниченном наборе вращении —
поворотах вокруг вертикальной оси, проходящей через центр поперечного сечения.
В природе симметрия также встречается в изобилии. Снежинка обладает
удивительнейшей гексагональной симметрией. Кристаллы также имеют характерные
геометрические формы — вспомним хотя бы кубическую форму кристаллов соли,
отражающую регулярность атомной структуры. Падающая дождевая капля имеет форму
идеальной сферы и, замерзая, превращается в ледяной шарик — градину.
Другой вид симметрии, часто наблюдаемый в природе и в созданных человеком
вещах, — так называемая зеркальная симметрия. Человеческое тело обладает
(приближенно) зеркальной симметрией относительно вертикальной оси. В зеркале
правая и левая руки и другие части тела меняются местами, но видимое Вами
зеркальное отражение узнаваемо. Многие архитектурные сооружения, например
арки или соборы, обладают зеркальной симметрией.
Между геометрической симметрией и тем, что в физике принято называть
законами сохранения, существует тесная связь. Законы сохранения говорят нам, что
некоторые величины не изменяются со временем. В американском футболе число
игроков на поле сохраняется. Игроки могут выходить на поле и уходить с поля,
но общее число их остается постоянным. В физике существует закон, согласно
которому в любой изолированной системе энергия, импульс и момент импульса
должны сохраняться. Это отнюдь не означает, что изолированная система не
может изменяться, — просто любое изменение, происходящее в системе, должно быть
таким, чтобы три названные величины оставались постоянными. В бильярде, где
из-за гладкой текстуры поверхности бильярдного стола шары приближенно можно

считать механически изолированными, законы сохранения энергии и импульса
определяют направления движения и скорости шаров.
Законы сохранения энергии, импульса и момента импульса вытекают
непосредственно из законов движения Ньютона, но более поздняя формулировка этих
законов, данная Лагранжем и Гамильтоном, позволила гораздо четче выявить их
значение . Механика Лагранжа и Гамильтона обнажила глубокую и мощную связь между
сохранением той или иной величины и, соответствующей симметрией
рассматриваемой системы. Например, если система симметрична относительно вращений, то из
уравнений Гамильтона и Лагранжа следует, что сохраняется момент импульса.
Хорошей иллюстрацией сказанному может служить сила тяготения Солнца. Хотя
сферическое Солнце вращается вокруг своего центра, это никак не сказывается на
движении Земли по орбите. Гравитационное поле Солнца симметрично и поэтому не
изменяется при простом вращении. Этой геометрической симметрии соответствует
физический результат: момент импульса планеты, движущейся по орбите, всегда
постоянен. (Этот факт был открыт еще в XVII в. Кеплером, который, однако, не
оценил его истинный смысл.) Аналогичные соображения применимы к импульсу и
энергии.
Симметрии, соответствующие вращению или отражению, наглядны и радуют глаз,
но они не исчерпывают весь запас симметрии, существующих в природе. Исследуя
математическое описание той или иной физической системы, физики открывают
время от времени новые и неожиданные симметрии. Симметрии таинственно и тонко
"запрятаны" в математическом аппарате и совсем не очевидны тому, кто
наблюдает саму физическую систему. Манипулируя символами в уравнениях, физики
пытаются раскрыть весь набор симметрии, в том числе и таких, которые не видны
"невооруженным глазом".
Классический пример такого рода, возникший на рубеже нашего столетия,
относится к законам электромагнитного поля.
Несколькими десятилетиями раньше Майкл Фарадей и другие физики установили,
что электричество и магнетизм тесно связаны между собой и что одно порождает
другое. Действие электрических и магнитных сил удобнее всего было описать,
пользуясь понятием поля — невидимого воздействия, создаваемого материей,
простирающегося далеко в пространство и способного влиять на электрически
заряженные частицы, электрические токи и магниты. Действие такого поля можно
наблюдать, если попытаться сблизить два магнита: не соприкасаясь друг с другом,
они будут отталкиваться или притягиваться.
Позднее, в 50-х годах XIX в., Джеймс Клерк Максвелл, опираясь на эти факты,
разработал теорию, связав электрическое и магнитное поля единой системой
уравнений. Сначала Максвелл обнаружил, что эти уравнения "несбалансированны":
члены, относящиеся к электрическому и магнитному полям, входят в них не
вполне симметрично. Чтобы придать уравнениям более красивый и симметричный вид,
он ввел дополнительный член. Его можно было бы интерпретировать как не
замеченный ранее эффект — порождение магнетизма переменным электрическим полем,
но оказалось, что такой эффект действительно существует. Природа, очевидно,
одобрила эстетический вкус Максвелла!
Введение дополнительного члена в уравнения Максвелла повлекло за собой
чрезвычайно глубокие последствия. Во-первых, это позволило соединить
электрическое и магнитное поля в единое электромагнитное поле. Уравнения Максвелла
можно считать первой единой теорией поля, первым шагом на долгом пути к
суперсиле. Они показали, что две силы природы, кажущиеся на первый взгляд
совершенно различными, в действительности могут оказаться двумя различными
проявлениями объединяющей их силы.
Во-вторых, среди решений уравнения Максвелла обнаружились неожиданные, но
весьма многообещающие. Выяснилось, что уравнениям Максвелла удовлетворяют
различные синусоидальные функции (опять симметрия!), которые, как уже говори-

лось ранее в этой главе, описывают периодические колебания, или волны. Эти
электромагнитные волны, заключил Максвелл, самостоятельно распространяются в
поле, т.е. в том, что кажется пустым пространством. Из своих уравнений он
вывел формулу, выражающую скорость электромагнитных волн через электрические и
магнитные величины. Подставляя численные значения, Максвелл получил, что
скорость электромагнитных волн составляет около 300 ООО км/с, т.е. совпадает со
скоростью света. Отсюда последовал неизбежный вывод: свет должен представлять
собой электромагнитную волну. Он действительно может распространяться в
пустом пространстве, именно поэтому мы и видим Солнце.
Пойдя дальше, Максвелл предсказал также существование электромагнитных волн
другой длины, и через несколько лет его предсказание подтвердилось: Генрих
Герц открыл в лабораторных условиях радиоволны. Сегодня мы знаем, что гамма,
рентгеновское, инфракрасное, ультрафиолетовое и СВЧ-излучения также
представляют собой электромагнитные волны. Небольшая добавка, внесенная Максвеллом в
уравнения (носящие ныне его имя) из соображений симметрии, принесла большие
результаты.
Открытие электромагнитных волн имело далеко идущие последствия, приведя к
появлению радиотехники и, в конечном счете, к современной революции в
электронике. Это великолепный пример, наглядно демонстрирующий не только
гигантские возможности математики в описании мира и расширении нашего знания о нем,
но и роль симметрии и красоты как путеводного принципа. Но оценить полностью
все следствия, вытекающие из симметрии уравнений Максвелла, удалось лишь
через пятьдесят лет.
На рубеже XX в. Анри Пуанкаре и Хендрик Лоренц исследовали математическую
структуру уравнений Максвелла. Их особенно интересовали симметрии, скрытые в
математических выражениях, — симметрии, которые тогда еще не были известны.
Оказалось, что знаменитый "дополнительный член", введенный Максвеллом в
уравнения для восстановления равноправия электрического и магнитного полей,
соответствует электромагнитному полю, обладающему богатой, но тонкой симметрией,
которая выявляется лишь при тщательном математическом анализе. По-видимому,
только Эйнштейн с его сверхъестественной интуицией мог предвидеть из
физических соображений существование подобной симметрии.
Симметрия Лоренца—Пуанкаре аналогична по своему духу таким геометрическим
симметриям как вращения и отражения, но отличается от них в одном важном
отношении: никому до этого не приходило в голову физически смешивать
пространство и время. Всегда считалось, что пространство — это пространство, а время
— это время. То, что в симметрию Лоренца—Пуанкаре входят оба компонента этой
пары, было странно и неожиданно.
По существу новую симметрию можно рассматривать наподобие вращения, но не
только в одном пространстве. Это вращение затрагивает и время. Если к трем
пространственным измерениям добавить одно временное, то получится
четырехмерное пространство-время. Симметрия Лоренца—Пуанкаре — это своего рода вращение
в пространстве-времени. В результате такого вращения часть пространственного
интервала проектируется на время и наоборот. То, что уравнения Максвелла
симметричны относительно операции, связывающей воедино пространство и время,
наводит на размышления.
Понадобился гений Эйнштейна, чтобы полностью осознать все следствия такой
симметрии. Пространство и время не существуют независимо друг от друга, они
неразрывно связаны. Хитроумные "вращения" Лоренца и Пуанкаре — не просто
абстрактная математика, они могут происходить в реальном мире, осуществляясь
через движение. Ключ к причудливым пространственно-временным "проекциям", или
преобразованиям, лежит в скорости света и других электромагнитных волн, и
величина этой скорости также следует непосредственно из уравнений Максвелла.
Таким образом, существует глубокая взаимосвязь между распространением элек-

тромагнитных волн и структурой пространства и времени. Когда наблюдатель
движется со скоростью, близкой к скорости света, пространство и время сильно
изменяются, причем симметрично, и это отражено в математических соотношениях,
полученных Лоренцем и Пуанкаре. Именно такой необычный эффект, столь
противоречащий здравому смыслу, был описан в гл.2. Постижение столь тонкой и ранее
не известной симметрии природы послужило толчком к созданию теории
относительности Эйнштейна, а та в свою очередь ознаменовала рождение новой физики,
потрясшей научный мир и изменившей лицо двадцатого столетия.
Более абстрактные симметрии
Урок, преподнесенный работами Лоренца и Пуанкаре, состоит в том, что
математическое исследование, в особенности на основе анализа симметрии, может
стать источником выдающихся достижений в физике. Даже если заложенные в
математическом описании симметрии трудно или невозможно представить себе наглядно
физически, они могут указать путь к выявлению новых фундаментальных принципов
природы. Поиск новых симметрии стал главным средством, помогающим физику в
наши дни продвигаться к пониманию мира. Как мы увидим далее, суперсила — это
высшее проявление симметрии в природе.
Все симметрии, о которых говорилось до сих пор, являются симметриями
пространства или пространства-времени. Но понятие симметрии можно расширить,
включив в него более абстрактные понятия. Как уже отмечалось, между
симметрией и законами сохранения существует тесная связь. Один из наиболее твердо
установленных законов сохранения — закон сохранения электрического заряда.
Заряд может быть положительным и отрицательным, и закон сохранения заряда
утверждает , что сумма положительного и отрицательного зарядов остается
неизменной величиной. Если положительный заряд встречается с равным по абсолютной
величине отрицательным зарядом, они нейтрализуют друг друга, создавая в сумме
нулевой заряд. Аналогично положительный заряд может возникать, если
одновременно возникает равный по абсолютной величине отрицательный заряд. Но
возникновение или исчезновение результирующего заряда абсолютно исключено.
Но коль скоро электрический заряд сохраняется, естественно возникает вопрос
о том, какова природа симметрии, связанной с этим законом сохранения. Тщетно
стали бы мы искать геометрическую симметрию, лежащую в основе закона
сохранения электрического заряда. Но в природе далеко не все симметрии имеют
геометрический характер.
В физике также существует много симметрии негеометрического характера. Одна
из них связана с работой, совершаемой при подъеме тела. Затрачиваемая энергия
зависит от разности высот, которую требуется преодолеть при этом (но не
зависит от траектории подъема). Однако энергия не зависит от абсолютной высоты:
безразлично, измеряются высоты от уровня моря или от уровня суши, — важна
только разность высот. Следовательно, существует симметрия относительно
выбора начала отсчета высот.
Аналогичная симметрия существует и для электрических полей. Роль высоты в
этом случае играет напряжение (электрический потенциал). Если электрический
заряд движется в электрическом поле от одной точки к другой, то затрачиваемая
энергия зависит только от разности потенциалов между конечной и начальной
точками. Если к системе приложить дополнительное постоянное напряжение, то
энергия, затрачиваемая на перемещение электрического заряда в поле, не
изменится. Это еще одна скрытая симметрия уравнений Максвелла для
электромагнитного поля!
Эти приведенные выше примеры могут служить иллюстрациями того, что физики
называют калибровочными симметриями. Эти симметрии включают в себя
"калибровку", т.е. изменение масштаба, соответственно — высоты и напряжения.

Все эти симметрии — абстрактные в том смысле, что они по своему характеру не
геометрические. Мы не сможем, взглянув на соответствующие явления, увидеть
симметрию. Однако все эти скрытые симметрии являются важными характеристиками
рассматриваемой системы. Именно калибровочная симметрия напряжений
обеспечивает сохранение электрического заряда.
Нуклоны теряют свою
индивидуальность
Последней пример абстрактной симметрии, которому отводится главная роль в
последующих главах, демонстрирует сильное ядерное взаимодействие между
протонами и нейтронами. Эксперименты показывают, что величина и другие свойства
этого взаимодействия не зависят от того, о каких частицах идет речь —
протонах или нейтронах. Действительно, протоны и нейтроны удивительно похожи друг
на друга. Их массы отличаются всего лишь на 0,1%. У них одинаковые спины и на
них одинаково действуют ядерные силы. Единственно, чем они отличаются, — это
наличием у протона электрического заряда, но поскольку при ядерных
взаимодействиях электрический заряд не имеет значения, он служит лишь меткой протона.
Заряд позволяет распознавать протон и отличать его от нейтрона, но никак не
сказывается на ядерном взаимодействии, связывающем протоны и нейтроны. Если
протон лишить электрического заряда, то он утратит свою индивидуальность.
Тесное сходство протона и нейтрона наводит на мысль, что здесь существует
симметрия. Действительно, на ядерных процессах никак не отразится, если бы мы
каким-то образом смогли заменить все протоны нейтронами и наоборот. Можно
пойти и дальше. Представим себе, что у нас есть волшебная ручка с указателем,
поворачивая которую, мы можем превращать протоны в нейтроны. Предположим,
когда указатель находится в верхнем положении, все рассматриваемые частицы —
протоны; если же ручку повернуть на пол-оборота, так чтобы указатель был
направлен вниз, все протоны превратятся в нейтроны (рис. 8) . Разумеется, это
чисто мысленный эксперимент, так как в действительности мы не можем
превращать протоны в нейтроны, а нейтроны в протоны. Эта абстрактная модель
позволяет нам обнаружить абстрактную симметрию, но она очень полезна, поскольку
помогает понять природу сильного взаимодействия.
л л л
Рис.8 Волшебная ручка. Ее вращение позволяет постепенно изменять
природу ядерных частиц. Когда указатель ручки находится в верхнем
положении, частицы на 100 % представляют собой протоны (р) . При повороте
ручки частицы переходят в смешанное состояние — отчасти протон,
отчасти нейтрон. Когда же Указатель направлен вниз, все протоны
превращаются в нейтроны (п). Описанный процесс, несмотря на всю его условность,
отражает фундаментальную симметрию ядерных сил.
Предположим теперь, что превращение протона в нейтрон происходит не
скачком, а плавно по мере поворота волшебной ручки. Когда указатель находится в
промежуточном положении, частицы не являются в чистом виде ни протонами, ни
нейтронами, а представляют собой своего рода гибрид того и другого. По мере

удаления указателя от положения, соответствующего на циферблате 12 ч,
сродство с протоном у частиц убывает, а сродство с нейтроном растет. Возможно, не
так-то просто представить себе, что такое сродство с протоном и с нейтроном
или гибрид протона и нейтрона. Можно предложить другую интерпретацию
промежуточного положения указателя: при наблюдении данная частица оказывается то
протоном, то нейтроном. Частица утрачивает свою индивидуальность и хаотически
переходит из одного состояния (например, "протон") в другое ("нейтрон").
Когда указатель стоит в положении, близком к "12ч", частица в основном
находится в состоянии "протон", и вероятность обнаружить при ее наблюдении протон
близка к единице. По мере того как указатель приближается к "6ч", вероятность
обнаружить при наблюдении частицы нейтрон все возрастает. Когда указатель
направлен строго вниз, вероятность обнаружить протон падает до нуля, и все 100%
приходятся на нейтрон.
Если волшебная ручка снабжена двумя указателями, один из которых смотрит
вверх, а другой — вниз (рис. 9) , то вращая ручку, мы будем одновременно
наблюдать превращение протонов в нейтроны, а нейтронов в протоны. Положение
ручки, изображенное на рис. 9,а, соответствует нынешнему состоянию Вселенной.
При повороте ручки (рис. 9, б) протоны начинают превращаться в нейтроны, а
нейтроны — в протоны, и степень сродства с нейтронами у протонов равна
степени сродства с протонами нейтронов. Когда же ручка совершит пол-оборота, все
протоны превратятся в нейтроны, а нейтроны — в протоны.
р е р
Рис. 9 Волшебная ручка с двумя указателями позволяет описать взаимное
превращение протонов и нейтронов. Черный указатель действует, как и на
рис. 8, а светлый — описывает превращение всех нейтронов в протоны.
Случай «а» соответствует реально наблюдаемому соотношению числа
протонов и нейтронов. В случае «б» протоны частично переходят в нейтроны, а
нейтроны — в равной степени в протоны. Когда ручка перейдет в
положение в, все исходные протоны превратятся в нейтроны, а все нейтроны — в
протоны. Вследствие фундаментальной симметрии ядерные силы не зависят
от положения волшебной ручки.
Ручка с указателями — это не более чем удобный прием, позволяющий наглядно
проиллюстрировать свойство симметрии ядерных сил. Применительно к
рассматриваемой модели можно сказать, что, в сущности, ядерные силы не зависят от
положения указателя. Направлен ли он вверх, вниз, вбок или под любым
промежуточным углом, ядерные силы останутся неизменными. Это свойство получило
довольно громоздкое название — симметрия изотопического спина, или
изотопическая симметрия. Слово "изотопический" здесь связано с тем, что ядра,
отличающиеся только числом нейтронов, называются изотопами, а свойства симметрии, о
которой идет речь, аналогичны свойствам собственного спина, упоминавшегося в
гл. 2 .
Физика и фантазия
Понятие изотопического спина — великолепный пример роли абстрактного мышле-

ния в физике. Как мы увидим, введение этого понятия имело глубокие
последствия. В реальном мире нет "волшебных ручек с указателями", нет и устройств для
измерения сродства с протонами у нейтронов и с нейтронами у протонов. Идея
смешения индивидуальности протонов и нейтронов — плод чисто теоретической
мысли, своего рода фантазия. Но логически она вполне допустима. Мы можем
мысленно представить себе подобное, даже если в реальном мире это исключено. То,
что воображаемый процесс может иметь самое непосредственное отношение к
физике реального мира, возможно, покажется удивительным, но таким приемом очень
эффективно пользуется современный физик. Свою науку он рассматривает как
модель, описывающую реальный мир наблюдений. Эта модель может включать
множество дополнительных особенностей, которые, хотя сами по себе и не отражают
реального опыта, играют важную роль в теории. Почему физикам приходится
придумывать чисто умозрительные, абстрактные понятия для моделирования реального
мира?
Разве нельзя ограничиться исключительно наблюдаемыми величинами? Ведь, в
конце концов, теорию можно проверить только при конкретном наблюдении, и
умозрительные особенности модели никогда не входят явно в предсказания теории,
относящиеся к реальным наблюдениям. Так стоит ли вообще прибегать к чистому
вымыслу?
Включение умозрительных понятий в физические теории — обычная практика,
которую труднее всего объяснить неспециалисту. Разумеется, когда какой-нибудь
конкретный "вымысел", например, изотопическая симметрия, приносит теории
блестящий успех, физик может ответить: "Я воспользовался этой идеей потому, что
она работает!".
Поразительно, каким же образом физик догадывается, какую именно абстракцию
в духе кэрролловской "Алисы в Стране Чудес" следует ввести в теорию?
Поскольку речь идет о чисто воображаемых понятиях, скептику может показаться, что
годится любой вымысел: "Зачем выбирать то, что действительно встречается во
внешнем мире, если можно придумать что угодно?". Диапазон выбора ничем не
ограничен. Но как выбрать "то, что нужно"?
Дойдя в беседе с неспециалистом до этого момента, физик обычно начинает
прибегать к таким словам, как красота, математическое изящество и симметрия.
Хотя включение умозрительных, абстрактных идей, например калибровочной
симметрии, логически не обязательно для построения удачной теории (в принципе
все теории можно было бы формулировать, целиком основываясь на наблюдаемых
величинах), использование абстрактных понятий позволяет иногда значительно
упростить теорию, сделав ее более привлекательной.
Взять хотя бы представление о поле, оказавшееся столь результативным для
физики и техники. Оно было введено Фарадеем и Максвеллом как некая
абстракция. Мы не можем непосредственно ни увидеть электромагнитное поле, ни
прикоснуться к нему. О том, что оно существует, мы знаем только по его действию на
электрические заряды. Вместе с тем, так как поле порождается только другими
электрическими зарядами, в действительности мы имеем дело с взаимодействием
электрических зарядов. Но коль скоро наблюдаемы именно заряды, то зачем
вообще вводить поле? Почему бы нам не говорить просто о том, каким образом заряды
взаимодействуют между собой через пространство, и не сформулировать все
уравнения теории электричества, пользуясь только понятием зарядов?
Ничего невозможного здесь действительно нет. Различие состоит лишь в том,
что при этом получится громоздкая и сложная теория. Строго говоря, эти
качества, по-видимому, невозможно оценить, но физик немедленно распознает их.
Теория поля гораздо изящнее. Ее математический аппарат более естествен,
гармоничен, взаимосвязан и более экономичен. И дает больше пищи для размышлений.
Последнее обстоятельство очень важно. Изящная, продуманная в деталях,
абстрактная теория часто подсказывает новые пути развития физики, которые просто

невозможно было бы увидеть, придерживаясь моделей, основанных исключительно
на конкретных наблюдаемых величинах. Например, квантовая теория поля, столь
важная для суперсилы и ряда последних достижений в области фундаментальных
исследований, не смогла бы возникнуть, не получи понятие поля такого широкого
распространения в физике.
Когда абстрактное понятие оказывается столь эффективным, что становится
достоянием широких кругов неспециалистов, различие между реальным и
умозрительным постепенно исчезает. Понятие, возникшее в воображении физика,
становится привычным настолько, что как бы обретает реальность. Именно так
произошло с энергией. Понятие энергии первоначально выглядело в физике
абстрактной идеей. Популярность она обрела благодаря закону сохранения, согласно
которому энергия не возникает из ничего и не уничтожается. Но что такое
энергия? Разве можно ее видеть или осязать?
Когда груз поднимается над землей, совершается определенная работа. Мы
говорим, что при совершении этой работы затрачивается энергия, но закон
сохранения энергии утверждает, что энергия не исчезает бесследно, а только
переходит в другую форму. Мы видим, как напрягаются мышцы человека, поднимающего
тяжесть. Можно считать, что мы действительно наблюдаем энергию в действии,
когда видим искаженные от напряжения черты лица и вздувшиеся бицепсы. Но вот
вес поднят и спокойно лежит на платформе. Куда же девалась энергия? Можно ли
по-прежнему видеть ее?
Физик скажет, что энергия запасена грузом, так как он находится теперь на
некоторой высоте. В таком ответе скрыто представление о потенциальной
энергии. Энергия в этом случае хотя и невидима, но может легко высвобождаться —
стоит выбить опору из-под груза, как он тотчас рухнет вниз. Звук от удара
груза о землю унесет часть энергии, высвободившейся при падении груза.
Итак, энергия — умозрительное, абстрактное понятие, но настолько вошедшее в
наш обыденный лексикон, что мы приписываем ему реальное существование. "У
меня не хватит энергии вскопать сад", — утверждение такого рода не вызовет
недоуменных взглядов. Никто не спросит у вас, какого цвета ваша энергия, не
посоветует заполнить ею сосуд, чтобы измерить ее объем. Принято считать, что
каждый обладает энергией, точно так же, как у каждого есть кожа и кости.
Энергия — одно из наиболее устойчивых абстрактных понятий в физике. Оно
необычайно упрощает описание широкого круга физических процессов. Закон
сохранения энергии охватывает огромное множество экспериментальных фактов,
которые, не будь понятия энергии, пришлось бы рассматривать по отдельности.
Понятие энергии позволяет нам связать воедино многие идеи и поэтому не может не
быть красивым.
В этом же кроется его привлекательность и полезность. Природа красива. Мы
не знаем, почему, но опыт учит нас, что красота влечет за собой полезность.
Эффективные теории всегда красивы. Но красивы они не потому, что эффективны,
а потому, что наделены внутренней симметрией и экономичны с точки зрения
математики. Красота в физике — представление, включающее в себя
профессиональную интуицию, и объяснить суть его неспециалисту трудно, так как оно
наилучшим образом выражается на языке, не знакомом непосвященному, — на языке
математики. Но для того, кто владеет этим языком, красота теории столь же
очевидна, как красота поэзии.
Сказанное возвращает меня к тому, с чего я начал. Математика — это язык,
язык природы. Не зная языка, вы не можете понять красоту поэзии. Всегда
найдутся скептики, которые скажут: "Что это за загадочная математическая
красота5 , о которой вы толкуете? Мы не усматриваем ничего красивого в мешанине
5 Если вам удастся 100 страниц формул Заменить одной, то вы поневоле скажете: «Вот это
красота !».

символов. Вы, физики, просто занимаетесь самообманом". Тем, кто так думает, я
хотел бы ответить, сравнив математику с музыкой. Невозможно объяснить красоту
симфонии тому, кто слышал лишь отдельные музыкальные звуки. Но кто станет
отрицать , что в симфонии скрыта подлинная красота, хотя и отвлеченная, не
поддающаяся строгому определению? Аналогичным образом обстоит дело и с
математической красотой. Как объяснить восхищение, которое вызывают у физика
уравнения Максвелла, их неотразимую, исполненную глубокого смысла привлекательность
тому, чье знакомство с математикой ограничивается знанием натуральных чисел?
И, тем не менее, эстетическое достоинство — качество вполне определенное.
Физики, обладающие развитым математическим вкусом, как и их собратья-
композиторы, создают более совершенные теории, чем обыватели.
Одна из величайших трагедий нашего общества состоит в том, что в силу
страха перед премудростью, плохого преподавания или просто без всяких причин
поэзия математики и музыка природы скрыты от большинства людей. Великолепные
перспективы, которые открывает математика, недоступны для них. Они могут
восхищаться ароматом розы или буйством красок заката, но ощутить всю полноту
эстетического переживания им, увы, не дано.
5. ЧЕТЫРЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Источник всех изменений
Едва начав размышлять над окружающим миром, человек осознал, что этот мир
изменчив. Он преисполнен активности — движется Солнце, дует ветер, парят
птицы, струятся водные потоки. Еще в древности человек заметил, что происходит
смена времен года, стареют люди, изнашиваются орудия труда.
Но какая причина вызывает все эти изменения и движение? Одни объекты,
такие, как живые существа, содержат источник движения внутри себя, другим,
подобным камням, стрелам, топорам, чтобы прийти в движение, требуется внешнее
воздействие. Сначала между движением тела в пространстве и изменениями более
общего характера не проводилось четкого различия. Точные понятия скорости и
ускорения еще не были сформулированы. Наши далекие предки, безусловно,
размышляли о силах, сотворивших мир и вызывающих его изменение, но в их
представления это были силы магического свойства, не отделимые от веры в богов и
Злых духов, правящих миром.
Древнегреческие философы предприняли более систематическое изучение
процессов изменения и движения, но так и не смогли до конца разобраться в причинах,
порождающих то и другое. Аристотель считал, что ключом к пониманию движения
служит понятие сопротивления. Он заметил, что в разреженной среде, например в
воздухе, тело движется свободнее и, следовательно, быстрее, чем в плотной
среде, скажем в воде; в обоих случаях для преодоления сопротивления среды
необходима движущая сила. Аристотель отверг идею атомистов о частицах, свободно
движущихся в пустоте, ибо пустота, лишенная субстанции, не могла бы оказывать
сопротивление движению. Поэтому частицы в пустоте должны были бы двигаться с
бесконечной скоростью, что абсурдно.
Современное (техническое) представление о силе полностью сложилось лишь в
XVII в. вслед За признанием законов движения Ньютона. Великим достижением
Ньютона стало осознание того, что движение как таковое отнюдь не требует
приложения силы. Материальное тело будет двигаться с постоянной скоростью в
заданном направлении, без какого бы то ни было внешнего воздействия. Только
отклонение от равномерного прямолинейного движения требует объяснения, т.е.
наличия силы. Ньютон установил, что сила вызывает ускорение, и вывел точную
математическую формулу, связывающую эти величины.

Теория Ньютона позволила объяснить загадку движения Земли вокруг Солнца.
Нет никакой видимой причины, вынуждающей Землю двигаться по орбите. В теории
Ньютона такая причина и не требуется. Само движение Земли не требует
объяснений, в объяснении нуждается только отклонение от равномерного прямолинейного
движения. Траектория Земли в пространстве искривляется относительно
направления на Солнце, что легко объяснить солнечным притяжением.
Механика Ньютона быстро получила признание, поскольку успешно описывала
связь сил и движения, и в наши дни на ней основываются все технические
расчеты. Однако механика Ньютона ничего не говорит о происхождении сил, вызывающих
ускорение тел. На первый взгляд кажется, что эти силы многочисленны и
разнообразны: напор ветра или набегающего потока воды на препятствие,
гидростатическое давление воздуха или воды, непрерывное давление расширяющегося
металла , мощный выброс взрывающихся химических веществ, тянущее усилие растянутого
резинового жгута, мускульная сила человека, вес тяжелых объектов и т.д. Одни
силы действуют непосредственно при контакте с телом (усилие, передаваемое
телу натянутой веревкой), другие, например, гравитация, действуют на
расстоянии , через пустое пространство.
Однако тщательный анализ показывает, что несмотря на столь большое
разнообразие, все происходящее в природе можно свести всего к четырем
фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за
все в мире, именно они являются источником всех изменений. Каждое из четырех
фундаментальных взаимодействий имеет свои отличия и в то же время сходство с
тремя остальными. Изучение свойств четырех фундаментальных взаимодействий
составляет основную задачу физика и важную предварительную ступень на пути к
суперсиле.
Гравитация
Исторически гравитация (тяготение) первым из четырех фундаментальных
взаимодействий стала предметом научного исследования. Хотя человек всегда был
знаком с гравитацией и основывал на ней сами понятия "вверх" и "вниз",
истинную роль гравитации как силы природы удалось в полной мере осознать только
после появления в XVII в. ньютоновской теории гравитации — закона всемирного
тяготения. До этого гравитация неразрывно связывалась о Землей и смешивалась
с господствовавшим в то или иное время космологическим представлением.
Аристотель, считавший, что Земля находится в центре мироздания, усматривал в
стремлении тел падать на землю просто пример проявления общего принципа,
согласно которому все тела имеют "естественное место" в нашем мире и стремятся
занять его. Массивные тела стремятся вниз, тогда как газообразные воспаряют к
небесам, т.е. к менее материальной сфере. Небесные эфирные элементы
обращаются вокруг Земли по строго круговым орбитам, которым соответствует
геометрически наиболее совершенное движение.
В средние века, когда закладывались более современные астрономические
представления, стало очевидным, что гравитация не ограничена лишь Землей и что
гравитационные силы действуют между Солнцем, Луной, планетами и вообще всеми
телами в космическом пространстве. Одним из наиболее убедительных
подтверждений универсального характера гравитации явилось объяснение Ньютоном океанских
приливов действием гравитационного притяжения Луны. Ньютоновский закон
обратных квадратов стал воплощением "дальнодействующей" природы гравитации. Это
означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с
расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на
весьма удаленных от источника телах. В этом нам "повезло", поскольку гравитация
буквально не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты
на орбитах, "связывает" звезды в галактики, препятствуя разбеганию звезд в

космическом пространстве. В астрономическом масштабе гравитационное
взаимодействие , как правило, играет главную роль.
Важная особенность гравитации — ее универсальность. Ничто во Вселенной не
избавлено от нее. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации, или,
как говорят физики, участвует в гравитационном взаимодействии. Гравитация
влияет даже на энергию. К тому же каждая частица сама является источником
гравитации. Более того, сила гравитационного взаимодействия одинакова у всех
частиц — именно это обстоятельство неявно выражено в знаменитом наблюдении
(приписываемом Галилею), что все тела независимо от их веса или состава
падают одинаково.
Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой
силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание,
или "антигравитация", никогда еще не наблюдалось. Причина этого вполне
понятна . Гравитационному отталкиванию должна соответствовать отрицательная
энергия. Но поскольку энергия, запасенная в любой частице, всегда положительна и
наделяет ее положительной массой, частицы под действием гравитации всегда
стремятся сблизиться. Отрицательная энергия в этом смысле есть нечто
непонятное . Но хотя частицы не могут обладать отрицательной энергией, энергия поля
может быть отрицательной; это приводит к глубоким последствиям, которые мы
рассмотрим в дальнейшем.
Возможно, наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая
интенсивность. Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не
взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая (самая близкая к
ядру) орбита электрона по размерам превосходила бы доступную наблюдению часть
Вселенной! В мире субатомных частиц гравитация настолько слаба, что физики
склонны полностью пренебрегать ею. Она не проявлялась ни в одном из
наблюдавшихся до сих пор процессов с участием частиц.
Гравитационное взаимодействие макроскопических объектов также остается для
нас незаметным. Когда мы идет по улице, огромные здания притягивают нас
слабыми гравитационными "щупальцами", но это притяжение слишком слабо, чтобы его
ощутить. Однако высокочувствительные устройства в состоянии уловить
гравитационные эффекты. Еще в 1774 г. шотландец Невил Маскелин обнаружил
незначительное отклонение отвеса от вертикали, вызванное гравитационным притяжением
расположенной поблизости горы. В 1797 г. Генри Кавендиш поставил знаменитый
эксперимент, тщательно измерив едва уловимую силу притяжения между двумя
шариками, прикрепленными на концах горизонтально подвешенного деревянного
стержня, и двумя большими свинцовыми шарами. Это было первое лабораторное
наблюдение гравитационного притяжения между двумя телами.
Может показаться удивительным, что мы вообще ощущаем гравитацию, коль скоро
она так слаба. Как она может оказаться основной силой во Вселенной? Ответ
кроется в универсальности гравитации. Поскольку каждая частица вещества
вызывает гравитационное притяжение, гравитация возрастает по мере образования все
больших скоплений вещества. Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни
потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. Действие гравитационного
притяжения одного электрона или протона пренебрежимо мало, но результирующая
сила притяжения со стороны всех электронов или протонов может быть
значительной. Если бы антигравитирующих частиц было столько же, сколько гравитирующих,
то одни частицы нейтрализовали бы другие и сила гравитации, хотя и
существовала бы, не была бы заметной, поскольку оказалась бы слишком слабой.
Гравитацию следует рассматривать как поле. Каждая частица является
источником гравитационного поля, окружающего ее невидимым ореолом. Другая частица,
находящаяся в этом гравитационном поле, испытывает на себе действие силы.
Поле — это не просто способ описания гравитации. Как уже упоминалось в гл. 2, в
поле могут существовать волнообразные возмущения. Подобно тому, как Максвелл

обнаружил, что в электромагнитном поле могут возникать волны,
распространяющиеся в пространстве, Эйнштейн установил, что волны могут зарождаться и в
гравитационном поле.
Ньютоновская теория гравитации, остававшаяся незыблемой на протяжении более
200 лет, была повержена новой физикой, возникшей в первые десятилетия XX в.
Долгое время не удавалось объяснить расхождение между предсказаниями теории
Ньютона и результатами наблюдений орбиты планеты Меркурий, которая имеет не
вполне эллиптическую форму. Небольшое вращение — прецессия — орбиты
обусловлено гравитационным возмущением, вызванным воздействием других планет, но и
после учета этих возмущений сохранялось небольшое расхождение — всего 43
угловые секунды в столетие, — которое не могла объяснить теория Ньютона.
Более серьезные затруднения возникли, когда теория Ньютона столкнулась с
теорией относительности. Согласно Ньютону, гравитационное взаимодействие
между двумя телами передается через пространство мгновенно, так что, если бы
Солнце вдруг исчезло, траектория Земли тотчас же перестала бы искривляться,
хотя мы продолжали бы видеть Солнце еще в течение 8 мин после его
исчезновения — за это время солнечный свет достигает Земли. Согласно теории
относительности Эйнштейна невозможно распространение физического сигнала со
скоростью выше скорости света, и таким образом она вступает в противоречие с
теорией гравитации Ньютона.
Пытаясь расширять свою теорию так, чтобы включить в нее гравитацию,
Эйнштейн создал (1915) общую теорию относительности, которая не только вытеснила
закон всемирного тяготения Ньютона, но и в корне изменила сами "идейные"
основы нашего понимания гравитации. В теории Эйнштейна гравитация — это не
сила, а проявление искривления пространства-времени. Тела вынуждены следовать
по искривленным траекториям вовсе не потому, что на них действует гравитация,
— просто они движутся кратчайшим, самым "быстрым", путем в искривленном
пространстве-времени. По Эйнштейну гравитация обусловлена просто геометрией.
Теория Ньютона вполне применима во всех практических приложениях, в
частности в авиации и космонавтике, она вполне адекватно описывает и большинство
астрономических систем.
Однако она непригодна в тех случаях, когда гравитационные поля достигают
большой силы, как вблизи коллапсирующих объектов типа нейтронных звезд или
черных дыр. Влияние искривления пространства-времени можно обнаружить даже в
умеренных гравитационных полях. Например, прецессия орбиты Меркурия
обусловлена искривлением пространства, вызванного гравитационным воздействием
Солнца. Кроме того, как упоминалось в гл. 2, очень чувствительные часы могут
обнаружить замедление времени на поверхности Земли.
Электромагнетизм
Хотя гравитация первой получила надлежащее научное объяснение,
электромагнетизм в равной мере известен людям с незапамятных времен. Электрические силы
зримо проявляются при вспышках молний, мы можем видеть, как они "работают"
при коронном разряде и других атмосферных явлениях, сопровождающихся
свечением. Магнитными силами обусловлена сложная игра света и красок в полярных
сияниях.
Считается, что существование электричества впервые установил
древнегреческий философ Фалес Милетский. Он заметил, что, если кусок янтаря потереть о
шелк или мех, янтарь обретает способность притягивать мелкие предметы. Янтарь
по-гречески называется электрон. В средние века открытое Фалесом странное
явление тщательно изучал придворный медик английской королевы Елизаветы I
Уильям Гильберт, который обнаружил, что способность электризоваться присуща и
многим другим веществам. Дальнейшие исследования, проведенные в Англии и дру-

гих странах Европы, показали, что некоторые вещества ведут себя как
изоляторы. Французский ученый Шарль Дюфе установил, что существуют две разновидности
электрических зарядов; теперь мы называем их положительными и отрицательными.
В XVIII—XIX вв. природа электричества частично прояснилась после
экспериментов Бенджамина Франклина и Майкла Фарадея. Выяснилось, что электрические
заряды одного знака отталкиваются, а заряды противоположных знаков
притягиваются, и в том и другом случае электрические силы ослабевают с расстоянием в
соответствии с законом "обратных квадратов", который Ньютон вывел ранее для
гравитации. Но по величине электрические силы намного превосходят
гравитационные . В отличие от слабого гравитационного взаимодействия, наличие которого
Кавендишу удалось продемонстрировать только с помощью специального прибора,
электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко
наблюдать.
Работы Фарадея навели на мысль, что электричество скрыто в атоме, но
существование электрона было твердо установлено только после того, как Дж. Дж.
Томсон открыл "катодные лучи" в 90-е годы прошлого столетия. Ныне известно,
что электрический заряд любой частицы вещества всегда кратен фундаментальной
единице заряда — своего рода "атому" заряда. Почему это так — чрезвычайно
интересный вопрос. Однако не все материальные частицы являются носителями
электрического заряда. Например, фотон и нейтрино электрически нейтральны. В этом
отношении электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы
создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны
только заряженные частицы.
Как и электричество, магнетизм в природе обнаружили древние греки. Примерно
к 600 г. до н.э. им были известны свойства магнитного железняка (оксида
железа) ; как обнаружилось, его куски могут действовать друг на друга на
расстоянии. Примерно через 500 лет китайцы открыли поразительную способность
магнитного железняка определенным образом ориентироваться в пространстве и создали
первый примитивный компас. Правда, поначалу его использование ограничивалось
мистическими действами, и лишь через несколько столетий компас стал
навигационным прибором.
К концу XVI в. европейские ученые начали постигать истинную природу
магнетизма . Гильберт доказал, что Земля ведет себя как большой магнит, свойства
которого весьма напоминают свойства построенной им модели — шара из
магнитного железняка. Было установлено, что существуют две разновидности магнетизма,
которые в соответствии с магнетизмом Земли получили название северного и
южного полюсов. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюса
отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Однако в отличие от электрических
зарядов магнитные полюса встречаются не по отдельности, а только парами —
северный полюс и южный полюс. В обычном магните, имеющем форму стержня
(прямоугольного параллелепипеда), один конец действует как северный полюс, а другой
— как южный. Если стержень разрезать пополам, то на месте разреза возникнут
новые полюса, т.е. получатся два новых магнита, каждый из которых имеет и
северный , и южный полюса. Все попытки получить таким способом изолированный
магнитный полюс — монополь — заканчивались неудачей. Может быть,
существование в природе изолированных магнитных полюсов исключено? Если это так, то
почему? Как мы увидим в дальнейшем, исследование суперсилы дает ответы на эти
интереснейшие вопросы.
Как электрическое и гравитационное взаимодействия, взаимодействие магнитных
полюсов подчиняется закону обратных квадратов. Следовательно, электрическая и
магнитная силы "дальне-действующие", и их действие ощутимо на больших
расстояниях от источника. Например, магнитное поле Земли простирается далеко в
космическое пространство. Солнце также порождает магнитное поле, которое
заполняет всю Солнечную систему. Существует даже галактическое магнитное поле.

В начале XIX в. выяснилось, что между электричеством и магнетизмом
существует глубокая связь. Датский физик Ханс Кристиан Эрстед открыл, что
электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, тогда как Майкл Фарадей
показал, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток.
Эти открытия легли в основу динамомашины и электрогенератора, играющих ныне
столь важную роль в технике.
Как уже упоминалось в гл. 4, решающий шаг в познании электромагнетизма
сделал в 50-х годах XIX в. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в
единой теории электромагнетизма — первой единой теории поля. С
соответствующими уточнениями для учета квантовых эффектов теория Максвелла с успехом
продержалась вплоть до 1967г., когда в объединении взаимодействий был сделан
следующий крупный шаг.
Слабое взаимодействие
Человечество познакомилось со слабым взаимодействием, так и не осознав
этого события, еще в 1054 г., когда китайские астрономы отметили появление яркой
голубой звезды в той области неба, где раньше не наблюдалось ничего.
Соперничая в блеске даже с планетами, звезда ярко светила на протяжении нескольких
недель, а затем стала медленно угасать. Современные астрономы считают вспышку
1054 г. взрывом сверхновой — гигантским по силе взрывом старой звезды,
вызванным внезапным коллапсом ее ядра, который сопровождается кратковременным
испусканием огромного количества нейтрино. Обладающие только слабым
взаимодействием, эти нейтрино тем не менее разметали наружные слои звезды в
космическом пространстве, образовав клочья облаков расширяющегося газа. Ныне
сверхновая 1054 г. наблюдается в виде туманного светлого пятнышка в созвездии
Тельца.
Сверхновые — один из немногих случаев зримого проявления слабого
взаимодействия. Это взаимодействие действительно очень слабое, оно значительно
уступает по величине всем взаимодействиям, кроме гравитационного, и в системах, где
оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного
взаимодействий.
К мысли о существовании слабого взаимодействия ученые продвигались
медленно. Все началось в 1896 г., когда Анри Беккерель, исследуя загадочное
почернение фотографической пластинки, оставшейся в ящике письменного стола радом с
кристаллами сульфата урана, случайно открыл радиоактивность. Систематическое
исследование радиоактивного излучения было предпринято Эрнестом Резерфордом;
он установил, что радиоактивные атомы испускают частицы двух различных типов,
которые назвал альфа и бета. Тяжелые положительно заряженные альфа-частицы,
как выяснилось, представляли собой быстро движущиеся ядра гелия. Бета-частицы
оказались летящими с большой скоростью электронами.
В деталях явление бета-радиоактивности оставалось не до конца понятным
вплоть до 30-х годов. Бета-распад обладал в высшей степени странной
особенностью. На первый взгляд казалось, что в этом распаде нарушается один из
фундаментальных законов физики — закон сохранения энергии. Часть энергии куда-то
исчезала. Вольфганг Паули "спас" закон сохранения энергии, предположив, что
вместе с электроном при бета-распаде вылетает еще одна частица, нейтральная и
обладающая необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не
удавалось наблюдать. Она-то и уносит с собой недостающую энергию. Энрико
Ферми назвал частицу-невидимку "нейтрино", что означает "маленькая нейтральная
частица". Нейтрино оказались настолько неуловимыми, что достоверно обнаружить
их удалось лишь в 50-х годах.
Однако загадочность оставалась. Электроны и нейтрино испускались
нестабильными ядрами. Но физики располагали неопровержимыми доказательствами, что

внутри ядер таких частиц нет. Откуда же они возникали? Ферми высказал
предположение, что электроны и нейтрино до своего вылета не существуют в ядре в
"готовом виде", а каким-то образом мгновенно образуются из энергии,
запасенной радиоактивным ядром. К тому времени было показано, что с точки зрения
квантовой теории испускание и поглощение света можно интерпретировать как
рождение и уничтожение фотонов; гипотеза Ферми означала, что подобное может
происходить с электронами и нейтрино.
Свойства свободных нейтронов подтверждали гипотезу Ферми. Предоставленные
самим себе, нейтроны через несколько минут распадаются на протон, электрон и
нейтрино. Одна частица исчезает, а три новые появляются. Вскоре стало ясно,
что известные силы не могут привести к такому распаду. Бета-распад, видимо,
вызывался какой-то иной силой. Измерения скорости бета-распадов показали, что
соответствующее этой силе взаимодействие чрезвычайно слабое, гораздо слабее
электромагнитного (хотя и гораздо сильнее гравитационного).
С открытием нестабильных субъядерных частиц физики обнаружили, что слабое
взаимодействие вызывает множество других превращений. Большинство известных
частиц участвуют в слабом взаимодействии. Для неуловимого нейтрино слабое
взаимодействие (не считая гравитации) — единственный способ проявить себя.
По своему характеру слабое взаимодействие совершенно не похоже как на
гравитационное, так и на электромагнитное. Во-первых, если не считать таких
явлении, как взрывы сверхновых, оно не создает тянущих или толкающих усилий в
том смысле, как это принято понимать в механике. Слабое взаимодействие
вызывает превращения одних частиц в другие, часто приводя продукты реакции в
движение с высокими скоростями. Во-вторых, слабое взаимодействие ощутимо только
в областях пространства чрезвычайно малой протяженности. Радиус действия
слабых сил удалось точно измерить только в начале 80-х годов. Долгое время до
этого считалось, что слабое взаимодействие по существу точечное и охватывает
слишком малую область пространства, чтобы ее размеры можно было оценить. В
отличие от "дальнодействующих" гравитации и электромагнетизма слабое
взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10~16 см от источника.
Следовательно, оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается
отдельными субатомными частицами.
Хотя разработанная Ферми и другими физиками в 30-е годы теория слабого
взаимодействия непрерывно совершенствовалась, некоторые глубокие противоречия
в ней все же не удалось устранить, и стало очевидно, что она не обеспечивает
подлинного понимания слабого взаимодействия. Новая теория, заимствовавшая
основные идеи Ферми, но дополненная рядом принципиально новых соображений, была
создана в конце 60-х годов Стивеном Вайнбергом, работавшим тогда в
Гарвардском университете (США), и Абдусом Саламом из "Империал колледжа" (Лондон).
Создание новой теории слабого взаимодействия явилось самым крупным шагом (с
момента создания Максвеллом теории электромагнитного поля) на пути к
суперсиле ; о ней мы подробно расскажем в гл. 8.
Сильное взаимодействие
Представление о существовании сильного взаимодействия постепенно
складывалось по мере того, как прояснялась структура атомного ядра. Что-то должно
было удерживать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием
электростатического отталкивания. Гравитация для этого слишком слаба; очевидно,
необходимо какое-то новое взаимодействие, более сильное, чем
электромагнитное. Но за пределами ядра сильное ядерное притяжение не ощущается, поэтому
радиус действия новой силы должен быть очень мал. Действительно, сильное
взаимодействие резко падает на расстоянии от протона или нейтрона,
превышающем примерно 10~13 см. Следовательно, хотя по своей величине сильное взаимо-

действие существенно превосходит все остальные фундаментальные
взаимодействия, оно не может непосредственно проявляться в макроскопических телах.
Сильное взаимодействие испытывают протоны и нейтроны, но не электроны.
Нейтрино и фотоны также не подвластны ему. Вообще в сильном взаимодействии
участвуют только более тяжелые частицы. Оно проявляется и как обычное
притяжение, не позволяющее разваливаться ядру, но вместе с тем и как слабая сила,
вызывая распад некоторых нестабильных частиц. Вследствие своей большой
величины сильное взаимодействие является источником огромной энергии. По-
видимому, наиболее важный пример энергии, высвобождаемой сильным
взаимодействием, — это свечение Солнца. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают
термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Именно в результате
этого взаимодействия высвобождается энергия водородной бомбы.
Первые попытки объяснить природу сильного взаимодействия не принесли
особого успеха. Ни одно из простых математических описаний процесса не было вполне
удовлетворительным. Сильное взаимодействие, по-видимому, довольно сложным
образом зависит от расстояния, и тем, кто старался моделировать его свойства,
приходилось вводить в расчеты много произвольных параметров. Создавалось
впечатление, что сильное взаимодействие представляет собой сплав взаимодействий
с самыми различными свойствами.
А пока физики-ядерщики пытались преодолеть эти трудности, в начале 60-х
годов была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны
рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы,
построенные из трех кварков. Чтобы это "трио" кварков не распадалось, необходима
удерживающая их сила, некий "клей"; оказалось, что результирующее
взаимодействие между нейтронами и протонами представляет собой просто остаточный
эффект более мощного взаимодействия между кварками. Это объяснило, почему
сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон "прилипает" к нейтрону
или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из
которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на
прочное склеивание трио кварков, а небольшая — на скрепление двух трио
кварков друг с другом.
Как только природу сильного взаимодействия удалось объяснить на основе
взаимодействия кварков, стало легче моделировать его математически. В
дальнейшем мы увидим, как подобное описание выявило аналогии между сильным и
другими взаимодействиями, указав тем самым на существование объединяющей все
взаимодействия суперсилы.
6. МИР СУБАТОМНЫХ ЧАСТИЦ
Расщепление атома
Часто говорят, что существуют два вида наук — большие науки и малые.
Расщепление атома — большая наука. Она располагает гигантскими экспериментальными
установками, колоссальными бюджетами и получает львиную долю Нобелевских
премий .
Зачем физикам понадобилось расщеплять атом? Простой ответ — чтобы понять,
как устроен атом, — содержит лишь долю истины, но есть и более общая причина.
Говорить буквально о расщеплении атома не вполне правильно. В
действительности речь идет о столкновении частиц высокой энергии. При столкновении
субатомных частиц, движущихся с большими скоростями, происходит рождение нового
мира взаимодействий и полей. Несущие огромную анергию осколки материи,
разлетающиеся после столкновений, таят в себе секреты природы, которые от
"сотворения мира" оставались погребенными в недрах атома.

Установки, на которых осуществляется столкновение частиц высоких энергий, —
ускорители частиц — поражают своими размерами и стоимостью. Они достигают
нескольких километров в поперечнике, и по сравнению с ними даже лаборатории, в
которых изучаются столкновения частиц, кажутся крошечными. В других областях
научных исследований оборудование размещается в лаборатории, в физике высоких
энергий лаборатории пристраиваются к ускорителю. Недавно6 Европейский центр
ядерных исследований (ЦЕРН), расположенный недалеко от Женевы, выделил
несколько сотен миллионов долларов на строительство кольцевого ускорителя.
Длина окружности сооружаемого для этой цели туннеля достигает 27 км. Ускоритель,
получивший название ЛЭП (LEP, Large Electron-Positron ring — большое элек-
трон-позитронное кольцо), предназначен для ускорения электронов и их
античастиц (позитронов) до скоростей, всего лишь "на волосок" отличающихся от
скорости света. Чтобы иметь представление о масштабах энергии, вообразим, что
вместо электронов до таких скоростей разгоняется монетка достоинством в один
пенни. В конце цикла ускорения она обладала бы энергией, достаточной для
производства электроэнергии на сумму 1000 млн. долл.! Неудивительно, что
подобные эксперименты принято относить к физике "высоких энергий". Двигаясь внутри
кольца навстречу друг другу, пучки электронов и позитронов испытывают лобовые
столкновения, при которых электроны и позитроны аннигилируют, высвобождая
энергию, достаточную для рождения десятков других частиц.
Что это За частицы? Некоторые из них — те самые "кирпичики", из которых
построены мы с вами: протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, и
обращающиеся вокруг ядер электроны. Другие частицы обычно в окружающем нас веществе
не встречаются: их век чрезвычайно короток, и по истечении его они
распадаются на обычные частицы. Число разновидностей таких нестабильных короткоживущих
частиц поразительно: их известно уже несколько сотен. Подобно звездам,
нестабильные частицы слишком многочисленны, чтобы их различать "по именам". Многие
из них обозначены только греческими буквами, а некоторые — просто числами.
Важно иметь в виду, что все эти многочисленные и разнообразные нестабильные
частицы отнюдь не являются в прямом смысле составными частями протонов,
нейтронов или электронов. Сталкиваясь, электроны и позитроны высоких энергий
вовсе не разлетаются на множество субатомных осколков. Даже при столкновениях
протонов высоких энергий, заведомо состоящих из других объектов (кварков),
они, как правило, не расщепляются на составные части в обычном смысле. То,
что происходит при таких столкновениях, лучше рассматривать как
непосредственное рождение новых частиц из энергии столкновения.
Лет двадцать назад физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью и
разнообразием новых субатомных частиц, которым, казалось, не будет конца.
Невозможно было понять, для чего столько частиц. Может быть, элементарные
частицы подобны обитателям зоопарка с их неявно выраженной принадлежностью к
семействам, но без какой-либо четкой систематики. Или, возможно, как полагали
некоторые оптимисты, элементарные частицы таят в себе ключ к Вселенной? Что
такое наблюдаемые физиками частицы: малозначительные и случайные осколки
материи или возникающие на наших глазах очертания смутно ощущаемого порядка,
указывающего на существование богатой и сложной структуры субъядерного мира?
Ныне в существовании такой структуры нет никаких сомнений. Микромиру присущ
глубокий и рациональный порядок, и мы начинаем понимать, каково значение всех
этих частиц.
Первый шаг к пониманию микромира был сделан в результате систематизации
всех известных частиц, подобно тому, как в XVIII в. биологи составляли под-
6 Публикация была сделана отнюдь не вчера.

робнейшие каталоги видов растений и животных . К числу наиболее важных
характеристик субатомных частиц относятся масса, электрический заряд и спин.
Поскольку масса и вес связаны между собой, частицы с большой массой часто
называют "тяжелыми". Соотношение Эйнштейна Е0 =тс2 указывает, что масса
частицы зависит от ее энергии. Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее
массу покоя, поскольку эта масса не зависит от состояния движения. Частица,
имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света. Наиболее очевидный
пример частицы с нулевой массой покоя — фотон. Считается, что электрон —
самая легкая из частиц с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон почти в 2000
раз тяжелее, тогда как масса самой тяжелой частицы, которую удалось создать в
лаборатории (Z-частицы), примерно в 200 000 раз больше массы электрона.
Электрический заряд частиц меняется в довольно узком диапазоне, но, как мы
отмечали, всегда кратен фундаментальной единице заряда. Некоторые частицы,
например фотон и нейтрино, не имеют электрического заряда. Если заряд
положительно заряженного протона принять за +1, то заряд электрона равен -1.
В гл. 2 мы ввели еще одну характеристику частиц — спин. Он также всегда
принимает значения, кратные некоторой фундаментальной единице, которая по
историческим причинам выбрана равной 1/2. Так, протон, нейтрон и электрон имеют
спин 1/2, а спин фотона равен 1. Известны также частицы со спином 0, 3/2 и 2.
Фундаментальных частиц со спином больше 2 не обнаружено, и теоретики
полагают , что частиц с такими спинами не существует.
Спин частицы — важная характеристика, и в зависимости от его величины все
частицы разделяются на два класса. Частицы со спинами 0, 1 и 2 называются
"бозонами" — в честь индийского физика Чатьендраната Бозе, а частицы с
полуцелым спином (т.е. со спином 1/2 или 3/2 —"фермионами" в честь Энрико Ферми.
Принадлежность к одному из этих двух классов является, вероятно, наиболее
важной в перечне характеристик частицы.
Другая важная характеристика частицы — ее время жизни. До недавнего времени
считалось, что электроны, протоны, фотоны и нейтрино абсолютно стабильны,
т.е. имеют бесконечно большое время жизни. Нейтрон остается стабильным, пока
он "заперт" в ядре, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 мин. Все
остальные известные частицы в высшей степени нестабильны, их времена жизни
колеблются в пределах от нескольких микросекунд до 10~23 с. Такие интервалы
времени кажутся непостижимо малыми, однако не следует забывать, что частица,
летящая со скоростью, близкой к скорости света (а большинство частиц,
рождающихся на ускорителях, движутся именно с такими скоростями), успевает
пролететь за микросекунду расстояние в 300 м.
Нестабильные частицы претерпевают распад, представляющий собой квантовый
процесс, и поэтому в распаде всегда есть элемент непредсказуемости.
Продолжительность жизни конкретной частицы невозможно предсказать заранее. На основе
статистических соображений можно предсказать лишь среднее время жизни. Обычно
говорят о периоде полураспада частицы — времени, за которое популяция
тождественных частиц сокращается наполовину. Эксперимент показывает, что
уменьшение численности популяции происходит по экспоненте (см. рис. 6) и период
полураспада составляет 0,693 от среднего времени жизни.
Физикам недостаточно знать, что та или иная частица существует — они
стремятся понять, какова ее роль. Ответ на этот вопрос зависит от перечисленных
выше свойств частиц, а также от характера сил, действующих на частицу извне и
внутри ее. В первую очередь свойства частицы определяются ее способностью
(или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы,
участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются андронами.
Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, на-
Ну, некоторые биологи этим Занимаются и сейчас.

зываются лептонами, что означает "легкие". Познакомимся кратко с каждым из
этих семейств.
Пептоны
Наиболее известен из лептонов электрон. Подобно всем лептонам, он, по-
видимому, является элементарным, точечным объектом. Насколько известно,
электрон не имеет внутренней структуры, т.е. не состоит из каких-то других
частиц . Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у
всех у них равен 1/2, следовательно, они относятся к фермионам.
Другой хорошо известный лептон, но уже без заряда, — это нейтрино. Как уже
говорилось в гл. 2, нейтрино неуловимы, словно призраки. Так как нейтрино не
участвуют ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они почти
полностью игнорируют вещество, проникая через него, как будто его вообще нет.
Высокая проникающая способность нейтрино долгое время весьма затрудняла
экспериментальное подтверждение их существования. Лишь почти через три
десятилетия после предсказания нейтрино они были, наконец, обнаружены в лаборатории.
Физикам пришлось ждать создания ядерных реакторов, при работе которых
испускается огромное количество нейтрино, и только тогда удалось зарегистрировать
лобовое столкновение одной частицы с ядром и тем самым доказать, что она
действительно существует. Сегодня удаётся осуществить значительно больше
экспериментов с пучками нейтрино, которые возникают при распаде частиц на
ускорителе и обладают нужными характеристиками. Подавляющее большинство нейтрино
"игнорирует" мишень, но время от времени нейтрино все же взаимодействуют с
мишенью, что позволяет получить полезную информацию о структуре других частиц
и природе слабого взаимодействия. Разумеется, проведение экспериментов с
нейтрино в отличие от экспериментов с другими субатомными частицами не требует
использования специальной защиты. Проникающая способность нейтрино столь
велика, что они полностью безвредны и проходят сквозь человеческое тело, не
причиняя ему ни малейшего вреда.
Несмотря на их неосязаемость, нейтрино занимают особое положение среди
других известных частиц, поскольку являются наиболее распространенными частицами
по Вселенной, превосходя по численности электроны и протоны в миллиард раз.
Вселенная по существу представляет собой море нейтрино, в котором изредка
встречаются вкрапления в виде атомов. Вполне возможно даже, что общая масса
нейтрино превышает суммарную массу звезд, и поэтому именно нейтрино вносят
основной вклад в космическую гравитацию. Согласно данным группы советских
исследователей, нейтрино обладает крохотной, но не нулевой массой покоя (менее
одной десятитысячной массы электрона); если это действительно так, то
гравитационное нейтрино преобладают во Вселенной, что в будущем может вызвать ее
коллапс. Так, нейтрино, на первый взгляд наиболее "безобидные" и бестелесные
частицы, способны вызвать крушение всей Вселенной.
Среди прочих лептонов следует назвать мюон, открытый в 1936 г. в продуктах
взаимодействия космических лучей; он оказался одной из первых известных
нестабильных субатомных частиц. Во всех отношениях, кроме стабильности, мюон
напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же
взаимодействиях, но имеет большую массу. Примерно за две миллионные доли секунды мюон
распадается на электрон и два нейтрино. Мюоны широко распространены в
природе, на их долю приходится значительная часть фонового космического излучения,
которое регистрируется на поверхности Земли счетчиком Гейгера.
Долгие годы электрон и мюон оставались единственными известными заряженными
лептонами. Затем в конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон,
получивший название "тау-лептон". При массе около 3500 масс электрона тау-

лептон заведомо является "тяжеловесом" в трио заряженных лептонов, но во всем
остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.
Этим список известных лептонов отнюдь не исчерпывается. В 60-х годах было
установлено, что существует несколько типов нейтрино. Нейтрино одного типа
рождается вместе с электроном при распаде нейтрона, а нейтрино другого типа —
при рождении мюона. Нейтрино каждого типа существует в паре со своим
собственным заряженным лептоном; следовательно, есть "электронное нейтрино" и
"мюонное нейтрино". По всей вероятности, должно существовать и нейтрино
третьего типа — сопровождающее рождение тау-лептона. В таком случае общее
число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов — шести
(табл. 1) . Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким
образом, общее число различных лептонов равно двенадцати.
Название
Обозначение
Масса
Заряд
Электрод
с"
1
-1
Меня
mx) *
206,7
-1
Tey-iicuius
3536,0
-1
ню.
0
0
Мкювгое нейтрино
ню —
0
0
Тау-веЙхржво
ню —
0
0
Таблица 1. Шесть лептонов соответствуют заряженным и нейтральным
модификациям (античастицы в таблицу не включены). Масса и заряд выражены в
единицах соответственно массы и заряда электрона. Имеются данные,
свидетельствующие о том, что нейтрино могут обладать небольшой массой.
Адроны
В отличие от горстки известных лептонов адронов существует буквально сотни.
Одно лишь это наводит на мысль, что адроны — не элементарные частицы, а
построены из более мелких составляющих. Все адроны участвуют в сильном, слабом
и гравитационном взаимодействиях, но встречаются в двух разновидностях —
электрически заряженные и нейтральные. Среди адронов наиболее известны и
широко распространены нейтрон и протон. Остальные адроны короткоживущие и
распадаются либо менее чем за одну миллионную секунды за счет слабого
взаимодействия, либо гораздо быстрее (за время порядка 10~23 с) — за счет сильного
взаимодействия.
В 50-х годах физиков крайне озадачили численность и разнообразие адронов.
Но мало-помалу частицы удалось классифицировать по трем важным
характеристикам: массе, заряду и спину. Постепенно стали появляться признаки порядка и
выстраиваться четкая картина. Появились намеки на то, что за кажущимся хаосом
данных скрываются симметрии. Решающий шаг в раскрытии тайны адронов был
сделан в 1963 г., когда Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг из Калифорнийского
технологического института предложили теорию кварков.
Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более
мелких частиц, называемых кварками. Кварки могут соединяться друг с другом одним
из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк—антикварк. Из
трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы — барионы, что означает
"тяжелые частицы". Наиболее известны из барионов нейтрон и протон. Более
легкие пары кварк—антикварк образуют частицы, получившие название мезоны —
"промежуточные частицы". Выбор такого наименования объясняется тем, что пер-

вые обнаруженные мезоны занимали по массе промежуточное положение между
электронами и протонами. Чтобы учесть все известные тогда адроны, Гелл-Манн и
Цвейг ввели три различных типа ("аромата") кварков, получивших довольно
причудливые названия: и (от up — верхний) , d (от down — нижний) и s (от strange
— странный). Допуская возможность различных комбинаций ароматов, можно
объяснить существование большого числа адронов. Например, протон состоит из двух и
и одного d-кварков (рис, 10) , а нейтрон — из двух d-кварков и одного га-
кварка .
Рис.10 Адроны построены из кварков. Протон (слева) состоит из двух
u-кварков и одного d-кварка. Более легкий пион (справа) — это
мезон, состоящий из одного u-кварка и одного d-антикварка. Другие
адроны представляют собой всевозможные комбинации кварков.
Чтобы предложенная Гелл-Манном и Цвейгом теория оказалась действенной,
необходимо предположить, что кварки несут дробный электрический заряд. Иначе
говоря, они обладают зарядом, величина которого составляет либо 1/3, либо 2/3
фундаментальной единицы — заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков
может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин
1/2. поэтому они относятся к фермионам. Массы кварков не установлены столь
точно, как массы других частиц, поскольку энергия связи их в адроне сравнима
с массами самих кварков. Однако известно, что s-кварк тяжелее и- и d-кварков.
Внутри адронов кварки могут находиться в возбужденных состояниях, во многом
сходных с возбужденными состояниями атома, но со значительно большими
энергиями. Избыток энергии, заключенный в возбужденном адроне, настолько
увеличивает его массу, что до создания теории кварков физики ошибочно принимали
возбужденные адроны за совершенно иные частицы. Ныне установлено, что многие из
казавшихся различными адронов в действительности представляют собой лишь
возбужденные состояния одного и того же фундаментального набора кварков.
Как уже говорилось в гл. 5, кварки скрепляются между собой сильным
взаимодействием. Но они участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие
может изменять аромат кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из
d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит
рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое
взаимодействие приводит к распаду и других адронов.
Существование s-кварков необходимо для построения так называемых "странных"
частиц — тяжелых адронов, открытых в начале 50-х годов. Необычное поведение
этих частиц, подсказавшее их название, состояло в том, что они не могли
распадаться за счет сильного взаимодействия, хотя как сами, так и продукты их
распада представляли собой адроны. Физики ломали голову над тем, почему, если
и материнские, и дочерние частицы принадлежат к семейству адронов, сильное
взаимодействие не вызывает их распада. По какой-то причине эти адроны
"предпочитали" гораздо менее интенсивное слабое взаимодействие. Почему? Тео-

рия кварков естественным образом решила эту загадку. Сильное взаимодействие
не может изменять аромат кварков — на это способно только слабое
взаимодействие. А без изменения аромата, сопровождающегося превращением s-кварка в и-
или d-кварк, распад невозможен.
КшбнШХЩ! ЕНфНОВ
Обочшкеаве
wd
Протон
Р
udd
Нейтрон
п
uds
Смма ноль
Sfl
dds
Сигма минус
S
шз
5*
пав
Кен ноль
Xе
das
Кен минус
х-
uds
Лямбда
L
ud1
Положительный пион
Р*
da'
Огркцагеяьньгй пион
Р'
Нейтральный каоя
К*
к*
su'
Отршщютьвый шк
К'
stf
Центральный янтпежш
К1*
Таблица 2. Трем ароматам кварков, u, d и s, соответствуют заряды +2/3,
-1/3 и -1/3; они комбинируются по три, образуя восемь барионов,
приведенных в таблице. Пары кварк— антикварк образуют мезоны. (Некоторые
комбинации, такие, как sss опущены.)
В табл. 2 представлены различные возможные комбинации кварков с тремя
ароматами и указаны их названия (обычно просто греческая буква). Многочисленные
возбужденные состояния не приведены. То обстоятельство, что из различных
комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны,
символизировало главный триумф теории кварков. Но, несмотря на этот успех, лишь через
несколько лет удалось получить прямые физические доказательства существования
кварков.
Эти доказательства были получены в 1969 г. в серии исторических
экспериментов, проведенных на большом линейном ускорителе в Станфорде (Калифорния, США)
— СЛАКе. Станфордские экспериментаторы рассуждали просто. Если в протоне
действительно существуют кварки, то можно наблюдать столкновения с этими
частицами внутри протона. Необходим лишь субъядерный "снаряд", который можно было
бы направить прямо в недра протона. Использовать для этой цели другой адрон
бесполезно, так как он имеет такие же размеры, как и протон. Идеальным
снарядом мог бы стать лептон, например электрон. Так как электрон не участвует в
сильном взаимодействии, он не "увязнет" в среде, которую образуют кварки.
Вместе с тем электрон может почувствовать присутствие кварков благодаря
наличию у них электрического заряда.

В станфордском эксперименте трехкилометровый ускоритель по существу
выполнял роль гигантского электронного "микроскопа", который позволил получить
изображение внутренности протона. Обычный электронный микроскоп дает
возможность различать детали размером менее одной миллионной сантиметра. Протон же
в несколько десятков миллионов раз меньше, и его можно "прощупать" только
электронами, разогнанными до энергии 2.1010 эВ. Во времена станфордских
экспериментов лишь немногие физики придерживались упрощенной теории кварков.
Большинство ученых ожидало, что электроны будут отклоняться электрическими
зарядами протонов, но при этом считалось, что заряд равномерно распределен
внутри протона. Если бы это было действительно так, то происходило бы в
основном слабое рассеяние электронов, т.е. при прохождении через протоны
электроны не претерпевали бы сильных отклонений. Эксперимент показал, что картина
рассеяния резко отличается от предполагаемой. Все происходило так, как если
бы некоторые электроны налетали на крохотные твердые вкрапления и отскакивали
от них под самыми невероятными углами. Теперь мы знаем, что такими твердыми
вкраплениями внутри протонов являются кварки.
В 1974 г. упрощенному варианту теории кварков, которая к тому времени
получила признание среди теоретиков, был нанесен чувствительный удар. С
интервалом в несколько дней две группы американских физиков — одна в Станфорде во
главе с Бартоном Рихтером, другая в Брукхейвенской национальной лаборатории
под руководством Сэмюэла Тинга — объявили об открытии независимо друг от
друга нового адрона, который получил название пси-частицы. Само по себе открытие
нового адрона вряд ли было бы особо достопримечательным, если бы не одно
обстоятельство: дело в том, что в схеме, предлагаемой теорией кварков, не было
места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из и-, d- и s-
кварков и их антикварков были уже "израсходованы". Из чего же состоит пси-
частица?
Проблему удалось решить, обратившись к идее, которая уже некоторое время
носилась в воздухе: должен существовать четвертый аромат, который до того
никому не доводилось наблюдать. Новый аромат уже имел свое название — charm
(очарование), или с. Было высказано предположение, что пси-частица — это
мезон, состоящий из с-кварка и с-антикварка (с), т.е. сс. Так как антикварки
являются носителями антиаромата, очарование у пси-частицы нейтрализуется, и
поэтому экспериментального подтверждения существования нового аромата
(очарования) пришлось ждать до тех пор, пока не удалось обнаружить мезоны, в состав
которых очарованные кварки входили в паре с анти-кваркамп других ароматов.
Ныне известна целая вереница очарованных частиц. Все они очень тяжелые, так
что очарованный кварк оказался тяжелее странного кварка.
Описанная выше ситуация повторилась в 1977 г., когда на сцену вышел так
называемый ипсилон-мезон (ИПСИЛОН). На этот раз без особых колебаний был введен
пятый аромат, получивший название b-кварк (от bottom — дно, а чаще beauty —
красота, или прелесть). Ипсилон-мезон представляет собой пару кварк—
антикварк, состоящую из b-кварков, и поэтому он обладает скрытой красотой; но, как
и в предыдущем случае, другая комбинация кварков позволила в конечном счете
обнаружить "красоту".
Об относительных массах кварков можно судить хотя бы по тому, что легчайший
из мезонов, пион, состоит из пар и- и d-кварков с антикварками. Пси-мезон
примерно в 27 раз, а ипсилон-мезон не менее чем в 75 раз тяжелее пиона.
Постепенное расширение списка известных ароматов происходило параллельно
увеличению числа лептонов; поэтому возник очевидный вопрос, будет ли когда-
нибудь конец. Кварки были введены для того, чтобы упростить описание всего
многообразия адронов, но и сейчас есть ощущение, что список частиц снова
растет слишком быстро.
Со времен Демокрита основополагающая идея атомизма заключается в признании

того, что в достаточно малых масштабах должны существовать подлинно
элементарные частицы, из комбинаций которых состоит окружающее нас вещество.
Атомистика привлекательна тем, что неделимые (по определению) фундаментальные
частицы должны существовать в весьма ограниченном числе. Разнообразие природы
обусловлено большим числом не составных частей, а их комбинаций. Когда
обнаружилось , что существует множество различных атомных ядер, исчезла надежда,
что то, что мы сегодня называем атомами, соответствует представлению древних
греков об элементарных частицах вещества. И хотя по традиции мы продолжаем
говорить о различных химических "элементах", известно, что атомы вовсе не
элементарны, а состоят из протонов, нейтронов и электронов. И коль скоро
число кварков оказывается слишком большим, возникает искушение предположить, что
и они представляют собой сложные системы, состоящие из более мелких частиц.
Хотя по указанной причине и существует некоторая неудовлетворенность квар-
ковой схемой, большинство физиков считает кварки подлинно элементарными
частицами — точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом
отношении они напоминают лептоны, и уже давно предполагается, что между этими
двумя различными, но сходными по своей структуре семействами должна
существовать глубокая взаимосвязь. Основания для подобной точки зрения возникают из
сравнения свойств лептонов и кварков (табл. 3) . Лептоны можно сгруппировать
попарно, сопоставив каждому заряженному лептону соответствующее нейтрино.
Кварки также можно сгруппировать попарно. Табл. 3 составлена таким образом,
что по структуре каждая клетка повторяет расположенную непосредственно перед
ней. Например, во второй клетке мюон представлен как "тяжелый электрон", а
очарованный и странный кварки — как тяжелые варианты и- и d-кварков. Из
следующей клетки видно, что тау-лептон является еще более тяжелым "электроном",
а Ь-кварк — тяжеловесной разновидностью d-кварка. Для полной аналогии
необходимы еще одно (тау-лептониое) нейтрино и шестой аромат кварков, уже
получивший название истинного (truth, t). В период работы над этой книгой
экспериментальные данные в пользу существования t-кварков не были еще достаточно
убедительными, и некоторые физики сомневались в том, что t-кварки вообще
существуют .
.Лептоны
Кварки
Лептоны
Кварки
е'
и
Г
t
п.
d
п,
Ь
m"
с
пи
а
Таблица 3. Лептоны и кварки естественно объединяются в пары, как
показано в таблице. Окружающий нас мир состоит из четырех первых частиц.
Но следующие группы, по-видимому, повторяют верхнюю и состоят, кроне
нейтрино, из крайне нестабильных частиц.
Могут ли существовать четвертая, пятая и т.д. пары, содержащие еще более
тяжелые частицы? Если да, то следующее поколение ускорителей, вероятно, даст
физикам возможность обнаружить такие частицы. Однако высказывается любопытное
соображение, из которого следует, что иных пар, кроме трех названных, не
существует. Это соображение основано на числе типов нейтрино. Мы вскоре узнаем,
что в момент Большого взрыва, ознаменовавшего возникновение Вселенной,
происходило интенсивное рождение нейтрино. Своеобразная демократия гарантирует
каждому виду частиц одинаковую с остальными долю энергии; поэтому, чем больше

различных типов нейтрино, тем больше энергии содержится в море нейтрино,
заполняющем космическое пространство. Вычисления показывают, что если
существует более трех разновидностей нейтрино, то гравитация, создаваемая всеми ими,
оказывала бы сильное возмущающее действие на ядерные процессы, протекавшие в
первые несколько минут жизни Вселенной. Следовательно, из этих косвенных
соображений следует весьма правдоподобный вывод о том, что тремя парами,
показанными в табл. 3, исчерпываются все кварки и лептоны, которые существуют в
природе.
Интересно отметить, что все обычное вещество во Вселенной состоит лишь из
двух легчайших лептонов (электрона и электронного нейтрино) и двух легчайших
кварков (и и d) . Если бы все остальные лептоны и кварки внезапно прекратили
свое существование, то в окружающем нас мире, по-видимому, очень мало что
изменилось бы.
Возможно, более тяжелые кварки и лептоны играют роль своего рода дублеров
легчайших кварков и лептонов. Все они нестабильны и быстро распадаются на
частицы, расположенные в верхней клетке. Например, тау-лептон и мюон
распадаются на электроны, в то время как странные, очарованные и красивые частицы
довольно быстро распадаются либо на нейтроны или протоны (в случае барионов),
либо на лептоны (в случае мезонов). Возникает вопрос: для чего существуют все
эти частицы второго и третьего поколений? Зачем они понадобились природе?
Частицы — переносчики
взаимодействий
Шестью парами лептонов и кварков, образующих строительный материал
вещества, отнюдь не исчерпывается перечень известных частиц. Некоторые из них,
например фотон, не включены в кварковую схему. Частицы, "оставшиеся за бортом",
не являются "кирпичиками мироздания", а образуют своего рода "клей", не
позволяющий миру распадаться на части, т.е. они связаны с четырьмя
фундаментальными взаимодействиями.
Помню, как в детстве мне рассказывали, что Луна заставляет океаны
подниматься и опускаться во время ежедневных приливов и отливов. Для меня всегда
было загадкой, каким образом океан узнаёт, где находится Луна, и следует за
ее движением в небе. Когда уже в школе я узнал о гравитации, мое недоумение
только усилилось. Каким образом Луна, преодолев четверть миллиона километров
пустого пространства, ухитряется "дотянуться" до океана? Стандартный ответ —
Луна создает в этом пустом пространстве гравитационное поле, действие
которого достигает океана, приводя его в движение, — конечно, имел какой-то смысл,
но все же не удовлетворял меня до конца. Ведь мы не можем видеть
гравитационное поле Луны. Может, так только говорится? Разве это действительно объясняет
что-нибудь? Мне всегда казалось, что Луна должна каким-то образом сообщать
океану, где она находится. Между Луной и океаном должен происходить какой-то
обмен сигналами, чтобы вода знала, куда двигаться.
Со временем выяснилось, что представление о силе, передаваемой через
пространство в форме сигнала, не так уж далеко от современного подхода к этой
проблеме. Чтобы понять, каким образом возникает такое представление, следует
рассмотреть более подробно природу силового поля. В качестве примера выберем
не океанские приливы, а более простое явление: два электрона сближаются, а
затем под действием электростатического отталкивания разлетаются в разные
стороны. Физики называют этот процесс проблемой рассеяния. Разумеется,
электроны не толкают друг друга буквально. Они взаимодействуют на расстоянии,
через электромагнитное поле, порождаемое каждым электроном.

Рис.11 Рассеяние двух заряженных частиц. Траектории частиц
искривляются по мере их сближения вследствие действия силы электрического
отталкивания .
Нетрудно представить картину рассеяния электрона на электроне.
Первоначально электроны разделены большим расстоянием и слабо воздействуют друг на
друга. Каждый электрон движется почти прямолинейно (рис. 11). Затем, по мере
того как в работу включаются силы отталкивания, траектории электронов начинают
искривляться, пока частицы максимально не сблизятся; после этого траектории
расходятся, а электроны разлетаются, вновь начиная двигаться по
прямолинейным, но уже расходящимся траекториям. Модель такого рода нетрудно
продемонстрировать в лаборатории, используя вместо электронов электрически заряженные
шарики. И снова возникает вопрос: откуда частица "знает", где находится
другая частица, и соответственно этому меняет свое движение.
Хотя картина искривленных траекторий электронов довольно наглядна, она в
ряде отношений совершенно непригодна. Дело в том, что электроны — квантовые
частицы и их поведение подчиняется специфическим законам квантовой физики.
Прежде всего, электроны не движутся в пространстве по вполне определенным
траекториям. Мы еще можем тем или иным способом определить начальную и
конечную точки пути — до и после рассеяния, по сам путь в промежутке между началом
и концом движения остается неизвестным и неопределенным. Кроме того,
интуитивное представление о непрерывном обмене энергией и импульсом между
электроном и полем, как бы ускоряющим электрон, противоречит существованию фотонов.
Энергия и импульс могут переноситься полем только порциями, или квантами.
Более точную картину возмущения, вносимого полем в движение электрона, мы
получим, предположив, что электрон, поглощая фотон поля, как бы испытывает
внезапный толчок. Следовательно, на квантовом уровне акт рассеяния электрона на
электроне можно изобразить, как показано на рис. 12. Волнистая линия,
соединяющая траектории двух электронов, соответствует фотону, испущенному одним
электроном и поглощенному другим. Теперь акт рассеяния предстает как
внезапное изменение направления движения каждого электрона.
Диаграммы такого рода впервые применил Ричард Фейнман для наглядного
представления различных членов уравнения, и первоначально они имели чисто
символическое значение. Но затем диаграммы Фейнмана стали использовать для схема-

тического изображения взаимодействий частиц. Такие картинки как бы дополняют
интуицию физика, однако, их следует толковать известной долей осторожности.
Например, в траектории электрона никогда не наблюдается резкого излома.
Поскольку нам известны только начальное и конечное положения электронов, мы не
знаем точно момента, когда происходит обмен фотоном, и какая из частиц
испускает, а какая поглощает фотон. Все эти детали скрыты пеленой квантовой
неопределенности .
Рис.12. Квантовое описание рассеяния заряженных частиц. Взаимодействие
частиц обусловлено обменом переносчиком взаимодействия, или
виртуальным фотоном (волнистая линия).
Несмотря на это предостережение, диаграммы Фейнмана оказались эффективным
средством квантового описания взаимодействия. Фотон, которым обмениваются
электроны, можно рассматривать как своего рода посыльного одного из
электронов, сообщающего другому: "Я здесь, так что пошевеливайся!". Разумеется, все
квантовые процессы носят вероятностный характер, поэтому подобный обмен
происходит лишь с определенной вероятностью. Может случиться, что электроны
обменяются двумя и более фотонами (рис. 13), хотя это менее вероятно.
Важно отдавать себе отчет в том, что в действительности мы не видим
фотонов , снующих от одного электрона к другому. Переносчики взаимодействия —
"внутреннее дело" двух электронов. Они существуют исключительно для того,
чтобы сообщать электронам, как двигаться, и, хотя они переносят энергию и
импульс, соответствующие законы сохранения классической физики на них не
распространяются. Фотоны в этом случае можно уподобить мячу, которым
обмениваются на корте теннисисты. Подобно тому, как теннисный мяч определяет поведение
теннисистов на игровой площадке, фотон влияет на поведение электронов.
Успешное описание взаимодействия с помощью частицы-переносчика
сопровождалось расширением понятия фотона: фотон оказывается не только частицей
видимого нами света, но и призрачной частицей, которую "видят" только заряженные
частицы, претерпевающие рассеяние. Иногда наблюдаемые нами фотоны называют
реальными, а фотоны, переносящие взаимодействие, — виртуальными, что
напоминает об их скоротечном, почти призрачном существовании. Различие между
реальными и виртуальными фотонами несколько условно, но, тем не менее, эти понятия
получили широкое распространение.

Описание электромагнитного взаимодействия с использованием понятия
виртуальных фотонов — его переносчиков — по своему значению выходит за рамки
просто иллюстраций квантового характера. В действительности речь идет о
продуманной до мельчайших деталей и оснащенной совершенным математическим
аппаратом теории, известной под названием квантовой электродинамики, сокращенно
КЭД. Когда КЭД была впервые сформулирована (это произошло вскоре после второй
мировой войны), физики получили в свое распоряжение теорию, удовлетворяющую
основным принципам, как квантовой теории, так и теории относительности. Это
прекрасный случай увидеть совместные проявления двух важных аспектов новой
физики и. проверить их экспериментально.
Теоретически создание КЭД явилось выдающимся достижением. Более ранние
исследования взаимодействия фотонов и электронов имели весьма ограниченный
успех из-за математических трудностей. Но коль скоро теоретики научились
правильно проводить вычисления, все остальное становилось на место. КЭД
предложила процедуру получения результатов любого сколь угодно сложного процесса с
участием фотонов и электронов.
/WW
Рис.13. Рассеяние электронов обусловлено обменом двумя виртуальными
фотонами. Такие процессы составляют небольшую поправку к основному
процессу, изображенному на рис. 11
Чтобы проверить, насколько хорошо теория согласуется с реальностью, физики
сосредоточили внимание на двух эффектах, представлявших особый интерес.
Первый касался энергетических уровней атома водорода — простейшего атома. КЭД
предсказывала, что уровни должны быть слегка смещены относительно положения,
которое они занимали бы, если бы не существовало виртуальных фотонов. Теория
очень точно предсказывала величину этого смещения. Эксперимент по обнаружению
и измерению смещения с предельной точностью осуществил Уиллис Лэмб из
Университета шт. Аризона. Ко всеобщему восторгу результаты вычислений прекрасно
совпадали с экспериментальными данными.
Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки к
собственному магнитному моменту электрона. И снова результаты теоретических
расчетов и эксперимента полностью совпали. Теоретики принялись уточнять вычисле-

ния, экспериментаторы — усовершенствовать приборы. Но, хотя точность, как
теоретических предсказаний, так и экспериментальных результатов непрерывно
повышалась, соответствие между КЭД и экспериментом оставалось
безукоризненным. Ныне теоретические и экспериментальные результаты по-прежнему
согласуются в пределах достигнутой точности, что означает совпадение более девяти
знаков после запятой. Столь поразительное соответствие дает право считать КЭД
наиболее совершенной из существующих естественнонаучных теорий.
Нужно ли говорить, что после подобного триумфа КЭД была принята как модель
для квантового описания трех других фундаментальных взаимодействий.
Разумеется, полям, связанным с другими взаимодействиями, должны соответствовать иные
частицы-переносчики. Для описания гравитации был введен гравитон, играющий
такую же роль, как фотон. При гравитационном взаимодействии двух частиц между
ними происходит обмен гравитонами. Это взаимодействие можно представить
наглядно с помощью диаграмм, напоминающих те, что показаны на рис. 12 и 13.
Именно гравитоны переносят сигналы от Луны океанам, следуя которым те
поднимаются во время приливов и опускаются при отливах. Гравитоны, снующие между
Землей и Солнцем, удерживают нашу планету на орбите. Гравитоны накрепко
приковывают нас к Земле.
Подобно фотонам, гравитоны движутся со скоростью света, следовательно,
гравитоны — это частицы с "нулевой массой покоя". Но на этом сходство между
гравитонами и фотонами кончается. В то время как фотон имеет спин 1, спин
гравитона равен 2.
Взшпндейсте
Ндзыяга чялтнцы-
Зярвд
Мпнж
Эиекгромягйтнов
Фотой
0
0
ГрйвнтКцьЭнйой
Грйвнтйн
0
0
Слабое
±1
35
\Z~ часгщд
0
95
Скиызос
Deooh
0
0
Таблица 4. Частицы-переносчики четырех фундаментальных взаимодействий.
Масса выражена в единицах массы протона.
Это важное различие, поскольку оно определяет направление силы: при
электромагнитном взаимодействии одноименно заряженные частицы, например
электроны, отталкиваются, а при гравитационном — все частицы притягиваются друг к
другу.
Гравитоны могут быть реальными и виртуальными. Реальный гравитон — это не
что иное, как квант гравитационной волны, подобно тому как реальный фотон —
квант электромагнитной волны. В принципе реальные гравитоны можно
"наблюдать". Но поскольку гравитационное взаимодействие невероятно слабое,
гравитоны не удается детектировать непосредственно. Взаимодействие гравитонов
с другими квантовыми частицами настолько слабое, что вероятность рассеяния
или поглощения гравитона, например, протоном бесконечно мала.
Основная идея обмена частицами-переносчиками распространяется и на
остальные взаимодействия (табл. 4) — слабое и сильное. Однако в деталях имеются
важные различия. Напомним, что сильное взаимодействие обеспечивает связь
между кварками. Такую связь может создать силовое поле, сходное с
электромагнитным, но более сложное. Электрические силы приводят к образованию связанного
состояния двух частиц с зарядами противоположных знаков. В случае кварков

возникают связанные состояния трех частиц, что свидетельствует о более
сложном характере силового поля, которому соответствуют три разновидности
"заряда". Частицы — переносчики взаимодействия между кварками, связывающие их
попарно или тройками, называют глюонами.
В случае слабого взаимодействия ситуация несколько иная. Радиус этого
взаимодействия чрезвычайно мал. Поэтому переносчиками слабого взаимодействия
должны быть частицы с большими массами покоя. Энергию, заключенную в такой
массе, приходится "брать в долг" в соответствии с принципом неопределенности
Гейзенберга, о котором уже шла речь выше. Но поскольку "взятая в долг" масса
(и, следовательно, энергия) столь велика, принцип неопределенности требует,
чтобы срок погашения такого кредита был чрезвычайно коротким — всего лишь
около 10~28 с. Столь короткоживущие частицы не успевают отойти особенно
далеко, и радиус переносимого ими взаимодействия очень мал.
В действительности существуют два типа переносчиков слабого взаимодействия.
Один из них во всем, кроме массы покоя, подобен фотону. Эти частицы называют
Z-частицами. По существу Z-частицы представляют собой новую разновидность
света. Другой тип переносчиков слабого взаимодействия, W-частицы, отличаются
от Z-частиц наличием электрического заряда. В гл. 7 мы обсудим более подробно
свойства Z- и W-частиц, которые были открыты лишь в 1983 г.
Классификация частиц на кварки, лептоны и переносчики взаимодействий
завершает перечень известных субатомных частиц. Каждая из названных частиц играет
свою, но решающую роль в формировании Вселенной. Не будь частиц-переносчиков,
не существовало бы и взаимодействий, и каждая частица осталась бы в неведении
относительно своих партнеров. Не могли бы возникнуть сложные системы, любая
деятельность была бы невозможна. Без кварков не было бы ни атомных ядер, ни
солнечного света. Без лептонов не могли бы существовать атомы, не возникли бы
химические структуры и сама жизнь.
Каковы задачи физики
элементарных частиц?
Влиятельная британская газета "Гардиан" однажды опубликовала редакционную
статью, в которой ставится под вопрос целесообразность развития физики
элементарных частиц — дорогостоящего предприятия, которое поглощает не только
заметную долю национального бюджета науки, но и львиную долю лучших умов.
"Знают ли физики, что они делают? — вопрошала "Гардиан". — Если даже знают,
то какая от этого польза? Кому, кроме физиков, нужны все эти частицы?".
Через несколько месяцев после этой публикации мне довелось присутствовать в
Балтиморе на лекции Джорджа Киуорта, советника президента США по науке. Киу-
орт также обратился к физике элементарных частиц, но его лекция была
выдержана в совершенно другом тоне. Американские физики были под впечатлением
недавнего сообщения из ЦЕРНа, ведущей Европейской лаборатории по физике
элементарных частиц, об открытии фундаментальных W- и Z-частиц, которые удалось,
наконец, получить на большом протон-антипротонном ускорителе на встречных пучках
(коллайдере). Американцы привыкли, что все сенсационные открытия совершаются
в их лабораториях физики высоких энергий. Не является ли то, что они уступили
пальму первенства, признаком научного и даже национального упадка?
У Киуорта не вызывало сомнений, что для процветания США вообще и
американской экономики в частности необходимо, чтобы страна занимала передовые рубежи
в научных исследованиях. Основные проекты фундаментальных исследований,
заявил Киуорт, находятся на острие прогресса. Соединенные Штаты должны вернуть
свое превосходство в области физики элементарных частиц,
На той же неделе по информационным каналам понеслись сообщения об
американском проекте гигантского ускорителя, предназначенного для проведения нового

поколения экспериментов по физике элементарных частиц. Основные затраты
предусматривались в размере 2 млрд. долл., что делало этот ускоритель самой
дорогой машиной из когда-либо построенных человеком. Этот гигант дядюшки Сэма,
по сравнению с которым даже новый ускоритель ЦЕРНа ЛЭП покажется карликом,
настолько велик, что внутри его кольца могло бы целиком разместиться
государство Люксембург! Гигантские сверхпроводящие магниты предназначены для
создания интенсивных магнитных полей, которые будут заворачивать пучок частиц,
направляя его вдоль кольцевидной камеры; она представляет собой настолько
огромное сооружение, что новый ускоритель предполагается разместить в пустыне.
Хотелось бы знать, что думает по этому поводу редактор газеты "Гардиан".
Известная под названием Сверхпроводящий суперколлайдер (Superconducting
Super Collider, SSC), но чаще именуемая "дезертрон" (от англ. desert —
пустыня) , эта чудовищная машина сможет ускорять протоны до энергий, примерно в 20
тыс. раз превышающих энергию (массу) покоя. Эти цифры можно интерпретировать
по-разному. При максимальном ускорении частицы будут двигаться со скоростью
всего на 1 км/ч меньше скорости света — предельной скорости во Вселенной.
Релятивистские эффекты при этом столь велики, что масса каждой частицы в 20
тыс. раз больше, чем в состоянии покоя. В системе, связанной с такой
частицей, время растянуто настолько, что 1 с соответствует 5,5 ч в нашей системе
отсчета. Каждый километр камеры, по которой проносится частица, будет
"казаться" ей сжатым всего лишь до 5,0 см.
Что за крайняя нужда заставляет государства расходовать столь огромные
ресурсы на все более разрушительное расщепление атома? Есть ли какая-нибудь
практическая польза в таких исследованиях?
Любой большой науке, безусловно, не чужд дух борьбы за национальный
приоритет . Здесь так же, как в искусстве или спорте, приятно завоевывать призы и
мировое признание. Физика элементарных частиц стала своего рода символом
государственной мощи. Если она развивается успешно и дает ощутимые результаты,
то это свидетельствует о том, что наука, техника, равно как и экономика
страны в целом, находятся в основном на должном уровне. Это поддерживает
уверенность в высоком качестве продукции других отраслей технологии более общего
назначения. Для создания ускорителя и всего сопутствующего оборудования
требуется очень высокий уровень профессионализма. Накопленный при разработке
новых технологий ценный опыт может оказать неожиданное и благотворное влияние
на другие направления научных исследований.
Например, научно-исследовательские разработки по сверхпроводящим магнитам,
необходимым для "дезертрона", проводятся в США на протяжении двадцати лет.
Тем не менее, они не приносят прямой выгоды и поэтому их трудно оценить. А
нет ли каких-нибудь более ощутимых результатов?
В поддержку фундаментальных исследований иногда приходится слышать и другой
аргумент. Физика, как правило, опережает технологию примерно на пятьдесят
лет. Практическое применение того или иного научного открытия поначалу отнюдь
не очевидно, однако лишь немногие из значительных достижений фундаментальной
физики не нашли со временем практических приложений. Вспомним теорию
электромагнетизма Максвелла: мог ли ее создатель предвидеть создание и успехи
современных телекоммуникации и электроники? А слова Резерфорда о том, что ядерная
энергия вряд ли когда-нибудь найдет практическое применение? Можно ли
предсказать , к чему способно привести развитие физики элементарных частиц, какие
удастся обнаружить новые силы и новые принципы, которые расширят наше
понимание окружающего мира и дадут нам власть над более широким кругом физических
явлений. А это может привести к развитию не менее революционных по своему
характеру технологий, чем радио или ядерная энергетика.
Большинство разделов науки в конечном итоге находили и определенное военное
применение. В этом отношении физика элементарных частиц (в отличие от ядерной

физики) пока оставалась неприкосновенной. По случайному стечению
обстоятельств лекция Киуорта совпала с рекламной шумихой вокруг предложенного
президентом Рейганом8 спорного проекта создания противоракетного, так
называемого пучкового, оружия (данный проект является частью программы, получившей
название "Стратегическая оборонная инициатива", СОИ). Суть этого проекта в
использовании против ракет противника пучков частиц высокой энергии. Такое
применение физики элементарных частиц выглядит поистине зловещим9.
Преобладает мнение, что создание подобных устройств неосуществимо.
Большинство ученых, работающих в области физики элементарных частиц, считают эти
идеи абсурдными и противоестественными, резко высказываются против
предложения президента. Осудив ученых, Киуорт призвал их "поразмыслить над тем, какую
роль они могут сыграть" в реализации проекта пучкового оружия. Это обращение
Киуорта к физикам (конечно, чисто случайно) последовало за его словами
относительно финансирования физики высоких энергий.
По моему твердому убеждению, физикам, работающим в области высоких энергий,
нет нужды оправдывать необходимость фундаментальных исследований ссылками на
приложения (особенно военные), исторические аналоги или смутные обещания
возможных технических чудес. Физики проводят эти исследования, прежде всего во
имя своего неистребимого желания узнать, как устроен наш мир, стремления
более детально понять природу. Физика элементарных частиц не имеет себе равных
среди других видов человеческой деятельности. На протяжении двух с половиной
тысячелетий человечество стремилось найти изначальные "кирпичики" мироздания,
и теперь мы близки к конечной цели. Гигантские установки помогут нам
проникнуть в самое сердце материи и вырвать у природы ее сокровеннейшие тайны.
Человечество могут ожидать неожиданные приложения новых открытий, неведомые
ранее технологии, но может оказаться, что физика высоких энергий ничего не даст
для практики. Но ведь и от величественного собора или концертного зала
немного практической пользы. В этой связи нельзя не вспомнить слова Фарадея,
заметившего как-то: "Что толку от новорожденного?". Далекие от практики виды
человеческой деятельности, к коим относится и физика элементарных частиц,
служат свидетельством проявления человеческого духа, без которого мы были бы
обречены в нашем излишне материальном и прагматичном мире.
7. УКРОЩЕНИЕ БЕСКОНЕЧНОСТИ
Путь к объединению
Посещение физической лаборатории при большом ускорителе всегда оставляет
неизгладимое впечатление. Сотни ученых, инженеров обслуживающего персонала,
концентрация талантов, обеспечивающих бесперебойную работу небольшого числа
гигантских машин чудовищной мощи и сложности; дерзновенность замысла и его
свершения, ощущение прикосновения к неизвестному — все это создает в наиболее
чистом виде представление о науке.
Когда осенью 1982 г. я посетил ЦЕРН, чтобы прочитать там несколько лекций,
мне сразу стало ясно, что вот-вот должно произойти нечто необычное. Там
господствовала атмосфера приподнятости, ожидания и ощущения, что важные открытия
где-то совсем рядом. Внешне все шло как обычно: суета в коридорах, ученые
спешили к экспериментальным установкам или на семинары, гости из дальних
стран увлеченно беседовали с коллегами или проглядывали последнюю информацию,
в Президент США с 1981 по 1989.
9 И в результате этого проекта Россия проиграла холодную войну. Средств для ответных мер уже
не было и СССР распался.

теоретики терпеливо выписывали уравнения на досках или на бесконечных листах
бумаги, секретарши склонялись над пишущими машинками, лаборанты колдовали над
проводами и электронными лампами, в кафетерии во время завтрака не умолкали
шум и гам. В ЦЕРНе всегда проводится одновременно много экспериментов. Сами
ускорители, скрытые в бетонных параллелепипедах зданий или в подземных
туннелях, внешне не подают никаких признаков жизни. Случайному прохожему и в
голову не придет, какие силы вызываются из недр этих технических титанов.
Самой большой из машин ЦЕРНа в то время был протон-антипротонный ускоритель
на встречных пучках, коллайдер, — кольцеобразная камера длиной в несколько
километров, внутри которой циркулировали навстречу друг другу протоны и
антипротоны. Пучки частиц, ускоренных до нужной энергии, направляли так, чтобы
произошло лобовое столкновение. Происходила аннигиляция протонов и
антипротонов , а из освобождавшейся при этом энергии рождались потоки новых частиц,
разлетающихся во все стороны от точки столкновения. Для обнаружения следов
частиц обычно используются специальные электронные устройства, которые
срабатывают при прохождении через них электрически заряженных тел. С помощью
системы таких устройств экспериментатору удается восстанавливать трехмерную
картину столкновения. Протоны и антипротоны поступают в ускоритель из
периферийных устройств, одно из которых предназначено для получения антипротонов и
хранения их в магнитном накопительном кольце перед инжекцией в коллайдер.
Возглавлял работу итальянский физик Карло Руббиа. Осенью 1982 г. Руббиа был
героем дня.
Хотя коллайдер только выходил на расчетный режим, нетерпеливые физики
увлеченно пытались предугадать, с какими процессами им придется иметь дело при
столкновениях частиц в неисследованном пока диапазоне энергий. Но вступая на
территорию, которой еще не было на карте, группа из ЦЕРНа все же имела
путеводную нить — теорию, и в ней заметно выделялся один ранее намеченный
ориентир. Если вычисления были правильны, то физикам со дня на день предстояло
впервые увидеть частицу нового типа — так называемую W-частицу, переносчика
слабого взаимодействия. Предсказанная пару десятилетий назад, W-частица еще
никем не наблюдалась. Подтверждение ее существования означало бы первый шаг
на пути к суперсиле.
В декабре 1982 г. у экспериментаторов рассеялись последние сомнения. По
всему миру ползли слухи. Но только в середине января 1983 г. Руббиа пригласил
прессу и объявил об открытии W-частицы.
В сущности, цель науки — это поиск единства. Научный метод обязан своими
значительными успехами способности ученых связывать разрозненные фрагменты
знания в единую картину. Отыскивать связующее звено — одна из главных задач
научного исследования. Выявление Ньютоном связи между гравитацией и движением
планет ознаменовало собой рождение научной эры. Выявление связи между
болезнетворными микробами и заболеваниями положило начало современной медицине как
истинной науке. Установление связи термодинамических свойств газа с
хаотическим движением молекул поставило на прочную основу атомную теорию вещества.
Обнаружение связи между массой и энергией проложило путь к ядерной энергии.
Всякий раз, когда ученым удается установить новые связи, расширяется
понимание окружающего мира и возрастает наша власть над ним. Новые связи не
просто объединяли наши познания — они указывали путь к ранее не известным
явлениям. Связи — это одновременно и синтез знания, и стимул, направляющий
научные исследования по новым, непроторенным дорогам.
Фундаментальная физика всегда прокладывала путь к единству знания. Но все
происходившее в физике с начала 70-х годов не сравнимо ни с чем. По-видимому,
мы стоим на пороге более могущественного и глубокого объединения, чем когда-
либо ранее. Среди физиков растет убеждение, что начинают вырисовываться
контуры не более и не менее как единой теории всего сущего.

Подобные теории отнюдь не новость. Большинство религий претендуют на
описание естественного и потустороннего миров в их космическом единстве. Но
религиозные космологии уходят корнями в древнюю мудрость, божественное откровение
и теологические хитросплетения. Среди них нет и двух одинаковых.
Научные теории такого сорта редки, хотя и встречаются. Английский астроном
Артур Эддингтон, например, пытался построить всеобъемлющее описание материи,
силы и возникновения Вселенной в книге "Фундаментальная теория",
опубликованной в 194 6 г. Но претенциозные идеи Эддингтона были во многом лишь мечтой
одинокого и, возможно, несколько эксцентричного ученого. Ныне же впервые
научный эксперимент и теория достигли такого уровня, когда стало реальным
создание полной теории Вселенной, которая опирается на общепринятые и
допускающие проверку гипотезы.
Главный толчок столь существенному продвижению был дан исследованиями
фундаментальных взаимодействий в природе. В гл. 5 мы рассказали, что физики
различают четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное,
электромагнитное , слабое и сильное. Еще в середине прошлого столетия Максвелл создал
единую электромагнитную теорию, охватившую как электрические, так и магнитные
явления. Затем в 20-х годах нашего века Эйнштейн предпринимал систематические
попытки объединить электромагнетизм с его теорией гравитации (общей теорией
относительности).
Но вскоре его увлекли другие события. Были открыты ядерные силы — сильное и
слабое взаимодействия, и при любой попытке объединить силы природы
приходилось считаться уже не с двумя, а с четырьмя фундаментальными
взаимодействиями . Однако увлеченность идеей единого описания не прошла. Почему должно быть
четыре различных фундаментальных взаимодействия? Перспектива описания всего
происходящего в природе на основе одной-единственной суперсилы оставалась
привлекательной, но неопределенно далекой мечтой. Ныне осуществление этой
мечты — дело отнюдь не отдаленного будущего. Вскоре она вполне может стать
реальностью.
Решающий шаг на пути к единой теории был сделан в конце 60-х годов. К тому
времени теоретики добились невиданных успехов в применении квантовой теории к
полям. Представление о поле возникло столетием раньше, успев доказать свою
полезность в широком диапазоне практических приложений, в частности в
радиотехнике. Соединение квантовой механики с электромагнитным полем привело
непосредственно к квантовой электродинамике (КЭД), обладающей легендарными
точностью и предсказательной силой.
Что касается трех остальных взаимодействий, то тут, к сожалению, нельзя
было похвастаться аналогичными достижениями. Квантовая теория гравитации, в
которой переносчиками гравитационного взаимодействия служат гравитоны, завязла
в математических трудностях. Природа слабого взаимодействия по-прежнему
оставалась во многом непонятной. По поводу существования Z-частиц не было единого
мнения, а описание с помощью обмена только W-частицами давало разумные
результаты лишь в случае простейших процессов при низких энергиях. Еще менее
понятной казалась природа сильного взаимодействия. К тому времени стало ясно,
что все адроны, в частности протоны и нейтроны, вовсе не элементарные
частицы, хотя теория кварков еще не имела прочного фундамента. Взаимодействие
адронов выглядело очень сложным, но никто не знал, как моделировать внутреннюю
структуру адронов, чтобы получить более простое описание.
Таким образом, в 60-е годы каждое из четырех взаимодействий описывалось
своей теорией, и из них только одну, а именно КЭД, можно было считать во всех
отношениях удовлетворительной. Теоретики стали размышлять, в чем же секрет
КЭД. Какими особенностями электромагнитного поля, не свойственными другим
силовым полям, обусловлен успех квантового описания? Если бы удалось выявить

эти особенности, то теорию других взаимодействий можно было бы так
видоизменить, чтобы включить в нее эти решающие факторы.
Оживший вакуум
Пустое пространство кажется не очень перспективным объектом для
исследования, однако именно в нем скрыт ключ к полному пониманию существующих в
природе взаимодействий. Вакуум довольно легко представить наглядно. Это область
пространства, из которой удалено решительно все — частицы, поля, волны.
Достичь абсолютного вакуума практически невозможно. Даже в космическом
пространстве всегда присутствует остаток газа или плазмы, а также реликтовое фоновое
излучение, оставшееся от Большого взрыва. Однако ничто не мешает нам
рассматривать идеализированный вакуум.
Когда физики приступили к разработке квантовой теории поля, оказалось, что
вакуум совсем не такой, каким его долгое время представляли, — это не пустое
безжизненное пространство, лишенное вещества. Оказалось, что квантовая физика
способна на "трюки" даже в отсутствие квантовых частиц.
Источник таких "трюков" — принцип неопределенности Гейзенберга, точнее его
разновидность, относящаяся к энергии. В гл. 2 мы говорили о том, что
квантовые эффекты могут приостанавливать действие закона сохранения энергии на
очень короткое время. В течение этого промежутка времени энергия может быть
взята "взаймы" на различные цели, в том числе на рождение частиц. Разумеется,
все возникающие при этом частицы будут короткоживущие, так как
израсходованная на них энергия должна быть возвращена спустя ничтожную долю секунды. Тем
не менее частицы могут возникнуть из ничего, обретя мимолетное бытие, прежде
чем снова исчезнуть. И эту скоротечную деятельность невозможно предотвратить.
Как бы мы ни старались опустошить пространство, в нем всегда будет
присутствовать рой мимолетных частиц, возникновение которых "субсидируется"
соотношением Гейзенберга. Эти частицы-призраки нельзя наблюдать, хотя они могут
оставить следы своего кратковременного существования. Они представляют собой
разновидность "виртуальных" частиц, аналогичных переносчикам взаимодействий, но
не предназначенных для получения или передачи сигналов. Возникнув из пустоты,
они снова превращаются в нее, являя собой наглядное доказательство
существования силового поля и оставаясь при этом бесплотными призраками.
То, что казалось пустым пространством, в действительности кишит
виртуальными частицами. Вакуум не безжизнен и безлик, а полон энергии. "Реальную"
частицу, например электрон, всегда необходимо рассматривать на фоне этой
непрерывной активности. Перемещаясь в пространстве, электрон в действительности
оказывается в окружности частиц-призраков — виртуальных лептонов, кварков и
переносчиков взаимодействий, — плутая в этой неразберихе. Своим присутствием
он вносит возмущение в непрерывную активность вакуума, которая в свою очередь
оказывает воздействие на электрон. Даже в состоянии покоя электрон не знает
покоя: со всех сторон его непрерывно штурмуют другие частицы, появившиеся из
вакуума.
Если два электрона обмениваются фотоном, то это не что иное, как
дополнительное возмущение в существовавшей ранее системе обменов. Описание
взаимодействия частиц должно учитывать все эти дополнительные виртуальные кванты. В
присутствии силовых полей полное состояние данной частицы включает процессы
обмена двумя, тремя или большим числом частиц-посредников, которые
взаимодействуют с частицами вакуума так, что исходная частица и частицы-посредники
оказываются буквально облеплены виртуальными частицами. Происходит
бесконечное количество взаимодействий, причем все в одно и то же мгновение.
На рис. 14 изображен сравнительно простой пример одного из процессов
высокого порядка. Одна из частиц испускает виртуальный фотон, который затем поро-

ждает электрон-позитронную пару. Частицы этой пары в свою очередь
обмениваются другим виртуальным фотоном, а затем аннигилируют, образую еще один
виртуальный фотон, который поглощается второй частицей. Эта диаграмма может быть
лишь частью еще более сложной диаграммы, в которой две исходные частицы
существуют лишь в течение какого-то промежутка времени, после чего превращаются
еще во что-нибудь.
Рис.14. Сложное взаимодействие двух частиц, обусловленное обменом
виртуальным фотоном, который "по ходу дела" взаимодействует с другими
виртуальными частицами.
Графическое изображение взаимодействия всех частиц имеет вид паутины со
сложными переплетениями, отражающими многочисленные обмены между виртуальными
частицами различных сортов. Силовое поле никогда не бывает статическим. В нем
всегда присутствуют частицы-призраки, снующие туда-сюда, возникающие и
исчезающие, вплетенные в трепещущую ткань энергии.
На первый взгляд кажется, что бесконечная сложность всего происходящего
исключает всякую надежду на понимание характера взаимодействий между реальными
частицами, не говоря уже о возможности вычислений. К счастью, это впечатление
обманчиво. Оказывается — во всяком случае в КЭД, — что по мере усложнения
процессов их влияние на реальные частицы ослабевает. В рассмотренном примере
рассеяния электрона на электроне основной вклад обусловлен обменом одним
фотоном. Остальные процессы приводят лишь к небольшим поправкам. Обычно при
вычислениях, если не требуется необыкновенно высокая точность, редко приходится
учитывать вклад более чем трех-четырех простейших диаграмм.
Представим себе, что в вакуум с его непрерывной активностью попадает новая
частица. Ее мгновенно окутывает трепещущий покров энергии. Его нельзя
наблюдать непосредственно, но представим себе, что у нас есть магический
микроскоп, позволяющий обнаруживать любые виртуальные кванты. Взглянув в такой
микроскоп, мы увидим "голую" частицу. Пусть это будет электрон. У внешнего
края облака, окружающего частицу, снуют туда-сюда фотоны низкой энергии,
зондируя пространство вокруг электрона, плутая в полупризрачном вакууме и
сливаясь в заполняющее все пространство зыбкое море виртуальных квантов. По мере
проникновения в облако, окружающее реальную частицу, возрастает энергия и
активность виртуальных фотонов. Некоторые из фотонов время от времени
превращаются в электрон-позитронные пары, которые вскоре вновь "сливаются" в фотон.
Иногда происходит более сложный обмен, в котором участвует еще больше
виртуальных частиц. Ближе к электрону облако буквально извергает энергию. Здесь

фотоны перемешаны с более тяжелыми частицами; можно увидеть кварки, тяжелые
лептоны и частицы — переносчики всевозможных взаимодействий.
Разглядывая открывающуюся в микроскоп картину под все большим увеличением,
мы обнаружим, что по мере приближения к электрону энергия, заключенная в
облаке, быстро и неограниченно возрастает. Это обстоятельство настораживает,
ибо указывает на серьезный кризис.
Чудо КЭД
Иногда говорят, что в науке каждый кризис приводит к рождению новой теории.
Кризис, выявленный с помощью магического микроскопа, служит симптомом
серьезного недостатка концепции поля. Несмотря на впечатляющие успехи, квантовая
теория поля оказывается несостоятельной в одном решающем пункте.
Трудность, о которой идет речь, берет начало в классической физике.
Планета, например Земля, создает гравитационное поле, которое действует, скажем,
на Луну. Но, кроме того, гравитационное поле Земли оказывает воздействие и на
саму Землю. Почва у нас над ногами сдавлена собственным гравитационным полем
Земли. Такое "взаимодействие" является неизбежным следствием теории поля.
Некогда полагали, что частица, подобная электрону, представляет собой
уменьшенную копию Земли — крохотный твердый шарик с равномерно распределенным
в нем электрическим зарядом. Подобно тому, как Земля воздействует на себя
собственной гравитацией, электрон должен воздействовать на себя своим
электрическим полем. Однако гравитационное и электрическое взаимодействия имеют
одно важное отличие: гравитация создает притяжение, которое удерживает вместе
все части Земли; электрические силы внутри электрона создают отталкивание,
которое стремится "разорвать" электрон на части. В этой связи возникает
проблема: какие силы могли бы компенсировать электрическое отталкивание,
обеспечив целостность электрона?
С появлением теории относительности представление электрона в виде
крохотного твердого шарика столкнулось с дополнительной трудностью, обусловленной
предположением, что электрон — это твердое тело. Представьте себе, что вы
ударили по сферическому мячу, в результате чего мяч полетел в определенном
направлении. Если бы мяч был абсолютно твердым, то он двигался бы, не меняя
формы. Для этого все участки мяча должны начать двигаться одновременно. Но
такое предположение противоречит принципу, утверждающему, что никакое
физическое воздействие не может распространяться быстрее света. Часть поверхности
мяча, удаленная от точки удара, не чувствует удара и поэтому не реагирует на
него, по крайней мере, пока ударная волна (которая распространяется со
скоростью меньше скорости света) не пробежит через мяч. Наоборот, область мяча,
близкая к точке удара, должна начать двигаться раньше остальной части мяча.
Следовательно, мяч изменит форму; он не может быть абсолютно твердым. А если
электрон можно сдавить и расплющить, то в принципе его можно и разорвать на
части. Но в таком случае он не был бы элементарной частицей. Мы могли бы
увидеть кусочки заряженного вещества различных форм и размеров, хотя в
действительности электроны неразличимы.
Чтобы избежать эту трудность, физики были вынуждены отказаться от
представления об электроне как абсолютно твердом шарике. Электрон стали рассматривать
как точку не имеющую структуры и размеров. Хотя подобная модель несколько
смягчает остроту вопроса о том, что удерживает вместе отдельные части
электрона , возникает новая трудность. Создаваемая заряженным телом электрическая
сила меняется в зависимости от расстояния по закону обратных квадратов. С
приближением к источнику поле возрастает. В случае точечного источника поле
растет до бесконечности. Это означает, что полная электрическая энергия такой
системы будет бесконечной.

Бесконечная величина энергии поля точечного электрона, казалось бы, наносит
смертельный удар теории ноля: если бы электрон обладал бесконечной энергией,
то он был бы бесконечно тяжелым, что абсурдно. Теоретики оказались перед
выборам: либо отказаться от представления о точечном электроне, либо найти
выход из тупика. И выход действительно был найден, хотя некоторые сочли его
чем-то вроде жульничества. Он известен ныне как "перенормировка".
Представим себе, что мы как-то исхитрились "выключать" заряд электрона. С
исчезновением заряда исчезнет и создаваемое им поле, и соответствующая
электрическая энергия. То, что при этом осталось, уместно назвать "голым"
электроном, с которого сорвано окутывающее его электромагнитное поле. Какова же
масса "голого" электрона? Наблюдаемая масса реального электрона состоит как
бы из двух частей — массы "голого" электрона и массы, соответствующей энергии
электрического поля. Трудность заключается в том, что масса, соответствующая
энергии электрического поля, при вычислении оказывается бесконечной. Такой
результат был бы бессмысленным, если бы мы действительно могли "выключить"
электрический заряд электрона, поскольку ни одна физическая величина не может
получать бесконечно большое приращение. Но заряд электрона нельзя выключить.
Наблюдая электрон, мы воспринимаем его в целом: и поле, и все остальное.
Наблюдаемая масса, разумеется, конечна. Так стоит ли всерьез беспокоиться, если
вычисления показывают, что неотделимая часть массы электрона обращается в
бесконечность ?
Некоторых это действительно беспокоит, но не слишком серьезно.
Возникновение в уравнениях теории бесконечных членов — своего рода предупреждение о
том, что не все в порядке, но если бесконечности не появляются в наблюдаемых
величинах, то их можно просто игнорировать и продолжить вычисления. При этом
необходимо изгнать бесконечности из формул, чтобы продолжить пользоваться
ими. Для этого теоретик просто смещает, "перенормирует", нулевую точку на
шкале измерения масс, сдвигая ее на бесконечно большую величину. В какой-то
степени это похоже на договоренность отсчитывать высоту полета самолета не от
уровня моря, а от уровня земной поверхности, только в случае электрона такое
смещение имеет бесконечную величину. При этом теоретик ссылается на то, что
положение нуля несущественно, поскольку на шкале масс нет выделенного начала
отсчета; любой сдвиг — даже на бесконечно большую величину — в нашей власти и
не наблюдаем в реальном, физическом мире.
Благодаря этому хитроумному приему из описания электрона удается исключить
бесконечные члены, которые поначалу грозили низвести теорию до абсурда.
Однако на этом неприятности, связанные с квантовым описанием точечного электрона,
не кончились. Возникла проблема, связанная с природой виртуальных фотонов.
Как мы уже знаем, каждый электрон окружен облаком трепещущей энергии,
которое содержит множество всевозможных виртуальных частиц. Рассмотрим подробнее,
как возникает это облако. Первоначально виртуальные фотоны были введены,
чтобы дать квантовое описание того, как один электрон сигнализирует другому, что
собирается воздействовать на него. Однако изолированный электрон может
воздействовать с помощью виртуальных фотонов и на самого себя. В классической
теории подобное самодействие также существует и приводит к возникновению
бесконечных членов в уравнениях, описывающих поведение точечного электрона.
Квантовое описание самодействия, образно говоря, означает, что электрон
посылает фотоны самому себе. Диаграмма, изображающая это самодействие, изображена
на рис.15. На ней показано, как испущенный электроном виртуальный фотон после
непродолжительного путешествия в пространстве, возвращается назад и
поглощается тем же электроном. Представление о подобном "круговороте" фотона может
вызвать удивление. Но не следует забывать, что основанные на здравом смысле
представления не имеют силы в квантовом мире, где крушение привычных устоев
вполне обычно.

Рис.16. Более сложные процессы самодействия также
приводят к появлению в уравнениях члена с
бесконечной энергией. В КЭД подобные члены, сколь бы сложны
они ни были, можно устранить с помощью одной-
единственной операции вычитания (перенормировки). ^
^ Рис.15 Заряженная частица испускает, а затем
поглощает виртуальную частицу. Подобные процессы
приводят к самодействию (т.е. взаимодействию частицы с
самой собой), которое наделяет заряженную частицу
собственной энергией. Суммарная величина энергии,
соответствующей таким петлям, обращается в
бесконечность .
Таким образом, в квантовом описании электрона окружающее частицу
электромагнитное поле следует рассматривать как облако виртуальных фотонов вокруг
электрона, которое неотступно следует за ним, окружая его квантами энергии.
Фотоны возникают и исчезают очень быстро. Фотоны, остающиеся вблизи
электрона, в центре облака, имеют значительную энергию; при вычислении полной
энергии фотонного облака она снова оказывается бесконечной.
Столкнувшись с такими результатами, теоретик может избавиться от бесконечно
большой энергии, "перенормировав" ее, как это делалось в классической теории.
Однако на этот раз все обстоит не так просто. Петля, изображенная на рис. 15,
— лишь один из возможных процессов самодействия электрона. Возможны и более
сложные петли самодействия, например изображенная на рис. 16. Здесь фотон
создает "по дороге" виртуальную электрон-позитронную пару. Ясно, что по мере
включения все более сложных петель неограниченно растет число способов,
которыми электрон может воздействовать на самого себя, испуская виртуальные
частицы. Каждая из таких петель вносит собственный бесконечный вклад в энергию
системы. Вклад каждой мыслимой паутины таких петель оказывается бесконечным.
И вместо одной-единственной бесконечности, как в классической теории, теперь
мы сталкиваемся при вычислениях с нескончаемой последовательностью бесконечно
больших членов. Можно попытаться изгнать бесконечности на каждом шаге,
искусственно вычитая бесконечный член, но стоит расправиться с одной
бесконечностью, как тотчас возникает другая. Положение кажется безвыходным.
Но от столь мрачной перспективы спасает своего рода чудо. Если эту
устрашающую последовательность бесконечных членов надлежащим (с точки зрения
математики) образом "упаковать", то оказывается, что от всех бесконечностей можно
избавиться сразу, одним махом. Единственное вычитание бесконечности, или
перенормировка, позволяет устранить любую бесконечность, какой бы сложной
петлей она ни создавалась. Разумеется, тридцать лет назад, когда это чудо
возникло, доказать его эффективность стоило больших усилий. Не случись это,
теория превратилась бы в бессмыслицу.
Естественно, теоретики были в восторге от достигнутого результата. Приятно
сознавать, что метод действительно работает, что нет более ничего загадочного

во взаимодействии электронов и фотонов. Физики назвали КЭД перенормируемой
теорией и занялись проверкой слабых эффектов, обусловленных виртуальными
частицами, которые получили столь убедительное экспериментальное подтверждение,
например, в измеренном Лэмбом сдвиге уровней энергии атома водорода и малой
поправке к собственному магнитному моменту электрона. Исключительное согласие
теории с экспериментом на этом уровне описания показало, что виртуальные
частицы и вакуумные эффекты — отнюдь не измышления теоретиков, не плод
воображения. Они действительно необходимы, чтобы обеспечить точное описание атомного
мира.
Вдохновленные этим замечательным успехом, теоретики обратились к другим
типам взаимодействий с целью выяснить, не сработает ли и там перенормировка.
Каждое силовое поле создает собственный набор бесконечных энергий (и других
бесконечных величин). Физики надеялись, что чудесное исчезновение
бесконечностей в КЭД повторится и в случае других взаимодействий.
К сожалению, их надежды не оправдались. Из четырех взаимодействий,
существующих в природе, только электромагнитное, по-видимому, обладало чудесным
свойством перенормируемости. Частицы-переносчики других взаимодействий (как
мы представляем сегодня их природу) порождают бесконечное множество рас-
ходимостей, от которых не удается избавиться одним махом, как в КЭД.
Теоретики вернулись к доске, чтобы с мелом в руках попытаться понять, чем секрет
успеха КЭД. Вскоре стало ясно, что он имеет отношение к симметрии.
Симметрия указывает путь
Историк и писатель Ч. П. Сноу написал книгу о "двух культурах", которые
существуют в современном технологическом обществе, — научной и художественной.
Однако многие ученые обладают тонким художественным вкусом. Они великолепно
разбираются в живописи и скульптуре, некоторые прекрасно играют на различных
музыкальных инструментах, стремятся к глубокому пониманию стиля и красоты.
Для ученых, особенно занимающихся теорией, сама наука может превратиться в
вид искусства, тонкую смесь рационального и сверхъестественного.
В гл. 4 мы говорили о том, как эстетическое чутье влияет на развитие науки.
Среди наиболее впечатляющих примеров роли эстетического начала — применение в
фундаментальной физике симметрии в достаточно общем смысле. Действительно, в
последние годы "симметрийная лихорадка" завладела умами в ряде областей
физики. Теперь уже ни у кого не вызывает сомнения, что именно симметрия служит
ключом к пониманию природы взаимодействий. По убеждению физиков, все
взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддерживать в природе некий набор
абстрактных симметрии.
Какое отношение имеет взаимодействие, или сила, к симметрии? Само
предположение о существовании подобной связи кажется парадоксальным и непонятным.
Сила — это то, что действует на вещество или изменяет природу частиц. Симметрия
— понятие, связанное с гармонией и соразмерностью форм.
Для ответа на поставленный вопрос уточним, прежде всего, что понимается под
симметрией. Обычно считается, что предмет обладает симметрией, если он
остается неизменным в результате той или иной проделанной над ним операции. Сфера
симметрична, потому что выглядит одинаково при повороте на любой угол
относительно ее центра. Арка собора симметрична, поскольку не меняет своего вида
при перестановке правого и левого относительно вертикальной оси. Законы
электричества симметричны относительно замены положительных зарядов
отрицательными и наоборот. Число примеров можно легко увеличить.
Симметрии, на которых основан пересмотр нашего понимания четырех
фундаментальных взаимодействий, совершенно особого рода. Это так называемые
калибровочные симметрии. Некоторые простые примеры проявления этих абстрактных сим-

метрий, например инвариантность законов механики, относительно изменения
отсчета (нулевого уровня) высоты, были приведены в гл. 4. Калибровочные
симметрии связаны с идеей калибровки путем изменения отсчета уровня, масштаба или
значения физической величины. Система обладает калибровочной симметрией, если
ее природа остается неизменной при такого рода преобразовании. Попытаемся на
простом примере разобраться, как абстрактное понятие калибровочного
преобразования можно связать с более конкретным представлением о физической силе.
Представьте себе, что вы находитесь на борту космического корабля, летящего
равномерно и прямолинейно в мировом пространстве вдали от планет и других
небесных тел. Вы не ощущаете ни действия каких-либо сил, ни самого движения. Вы
пребываете в состоянии полной невесомости и свободно парите в кабине.
Вообразить такую картину не составляет особого труда.
Теперь подвергнем этот сценарий калибровочному преобразованию. Иначе
говоря , попытаемся изменить описание путем калибровочного преобразования, т.е.
изменения масштаба, некоторой величины, в данном случае — расстояния.
Предположим, что космический корабль по-прежнему движется в пространстве с
постоянной скоростью, но уже по траектории, проходящей параллельно предыдущей на
расстоянии 1 км от нее. Что означало бы такое калибровочное преобразование
для пассажира космического корабля? Ровно ничего, если говорить о силах.
Пассажир испытывал бы те же ощущения, что и в предыдущем сценарии. Точнее,
поведение физических объектов вокруг пассажира абсолютно не зависит от того, по
какой прямолинейной траектории движется корабль. Ясно, что в этом примере
проявляется некая симметрия. Ее можно выразить утверждением, что законы
физики инвариантны (т.е. неизменны) относительно параллельного переноса (или
сдвига) при калибровке расстояния. Но пока силы по-настоящему не участвовали
в нашем рассмотрении.
При калибровочном преобразовании траектория космического корабля оставалась
прямолинейной. Пространственный сдвиг был одинаков у всех точек траектории.
Иначе говоря, калибровочное преобразование было всюду одинаковым — подобное
преобразование физики называют "глобальным" калибровочным преобразованием
Глобальный характер важен: если бы калибровочное преобразование непрерывно
изменялось вдоль траектории космического корабля, то преобразованная
траектория представляла бы собой извилистую линию. У космического корабля,
запрограммированного для полета по такой траектории, должны были бы непрерывно
работать двигатели, а пассажира при каждом маневре бросало бы из стороны в
сторону . Он испытывал бы действие сил. Маневрирование сказалось бы на поведении
всех физических объектов внутри корабля. Калибровочные преобразования,
изменяющиеся от точки к точке, известны под названием "локальных" калибровочных
преобразований. Совершенно очевидно, что законы физики не инвариантны
относительно локальных калибровочных преобразований, искривляющих траекторию
космического корабля и причиняющих пассажиру столько неприятностей. А может быть,
они все же инвариантны?
Для простоты предположим, что после калибровочного преобразования
космический корабль запрограммирован для полета по круговой траектории с постоянной
скоростью. Астронавт ощущает кривизну траектории, так как уже не находится в
состоянии невесомости. Теперь он не будет свободно парить — центробежная сила
прижимает его к стенкам корабля. Физические явления на борту космического
корабля, движущегося по круговой орбите, существенно отличаются от того, что
происходит на борту корабля, движущегося равномерно и прямолинейно.
Представьте себе, что вы и есть тот астронавт, который описывает на борту
корабля круг за кругом в космическом пространстве. Вы засыпаете и,
проснувшись, обнаруживаете, что снова находитесь в невесомости. "Должно быть, —
подумаете вы, — космический корабль снова летит равномерно и прямолинейно". Но
выглянув в иллюминатор, вы к своему удивлению увидите вокруг себя звезды. Ка-

ким образом, двигаясь по окружности, можно оставаться в состоянии
невесомости? Посмотрев в иллюминатор на противоположной стене, вы поймете причину:
корабль движется по круговой орбите вокруг планеты.
Одна из наиболее занимательных картин в реальном космическом полете —
свободное парение астронавта в состоянии почти полной невесомости при движении
космического корабля" по орбите вокруг Земли. То, что испытывает при этом
реальный астронавт, не отличимо от ощущений астронавта, движущегося в
межзвездном пространстве равномерно и прямолинейно. В этом заключен глубокий
физический принцип: явления, сопровождающие полет по криволинейной траектории
вокруг планеты, ничем не отличаются от происходящих при равномерном и
прямолинейном движении в глубоком космосе. Причина такого совпадения ясна:
гравитация (тяготение) планеты в точности компенсирует эффекты, вызванные кривизной
траектории космического корабля. Физики говорят в этом случае, что гравитация
создает компенсирующее поле; она строго компенсирует отклонение системы от
прямолинейного движения. Разумеется, мы выбрали простой пример кругового
движения. В случае полета космического корабля по извилистой линии для
компенсации понадобилось бы гораздо более сложное гравитационное поле. Но коль скоро
траектория космического корабля задана, можно рассчитать и гравитационное
поле, способное восстановить комфорт и невесомость пассажиров. В принципе
гравитацию всегда можно использовать для устранения сильной тряски на
неустойчивой траектории.
Из всего сказанного следует весьма важный вывод. Законы физики можно
сделать инвариантными даже относительно локальных калибровочных преобразований,
если ввести гравитационное поле для компенсации изменений от точки к точке.
Физики предпочитают пользоваться обратным утверждением, а именно:
гравитационное поле поддерживает в природе локальную калибровочную симметрию,
возможность свободно изменять масштаб от точки к точке пространства. В отсутствие
гравитации возможна только глобальная симметрия; не нарушая законов физики,
можно только переходить от одной прямолинейной траектории к другой. При
наличии гравитации возможно преобразование к траекториям любой формы без
нарушения законов физики. Напомним, что под симметрией мы понимаем инвариантность
относительно некой операции. Симметрия, о которой только что говорилось, —
это инвариантность законов физики относительно любых изменений формы
траектории движения. С этой точки зрения гравитационное взаимодействие представляет
собой проявление абстрактной симметрии, локальной калибровочной симметрии,
лежащей в основе законов реального мира. Словно Творец сказал сам себе: "Мне
так нравятся красота и симметрия! Прекрасно, если повсюду воцарится
калибровочная симметрия. Да будет так! Но что я вижу? Попутно возникло и новое поле.
Назовем его гравитацией".
Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что благодаря
ей создается не только гравитационное, а и все четыре фундаментальных
взаимодействия, встречающиеся в природе. Все их можно рассматривать как
калибровочные поля. В квантовом описании калибровочные поля связаны с частицами
вещества и концепцию калибровочного преобразования следует расширить, связав с
фазой квантовой волны, описывающей частицу. Входить в технические детали этой
процедуры вряд ли стоит. Существенно другое: в природе существует целый ряд
локальных калибровочных симметрии и необходимо соответствующее число полей
для компенсации этих калибровочных преобразовании. Силовые поля можно
рассматривать как средство, с помощью которого в природе создаются присущие ей
локальные калибровочные симметрии. С этой точки зрения, например,
электромагнитное поле не просто определенный тип силового поля, существующего в
природе, а проявление простейшей из известных калибровочных симметрии, совместимой
с принципами специальной теории относительности. Калибровочные преобразования
в этом случае соответствуют изменениям потенциала от точки к точке.

Интересно отметить, что физик-теоретик, ничего не знающий об
электромагнетизме, но убежденный, что природа зиждется на симметрии, мог бы сделать вывод
о существовании электромагнитных явлений, основываясь лишь на требовании
простейшей локальной калибровочной симметрии и так называемой симметрии Лоренца-
Пуанкаре специальной теории относительности, о которой мы упоминали в гл. 4.
Используя математику и основываясь только на существовании этих двух
симметрии, теоретик смог бы построить уравнения Максвелла, не проведя ни единого
эксперимента по электричеству и магнетизму и даже не подозревая об их
существовании. При этом он, возможно, рассуждал бы так: коль скоро упомянутые
симметрии — простейшие и наиболее утонченные, вряд ли природа не воспользовалась
бы ими. Исходя из подобных чисто умозрительных соображений, теоретик пришел
бы к выводу о существовании в реальном мире электромагнитных явлений. Он мог
бы пойти и дальше: вывести все законы электромагнетизма, доказать
существование радиоволн, возможность создания динамо-машины и т.д., т.е. совершить все
те открытия, которые в действительности были сделаны на основе реальных
экспериментов . Могущество математического анализа, используемого для описания
явлений природы, столь велико, что позволяет предвидеть такие особенности, о
существовании которых мы и не помышляли.
Калибровочная симметрия — гораздо более важное понятие, чем просто изящный
математический прием. В ней скрыт ключ к построению квантовых теорий
взаимодействий, свободных от разрушительного действия бесконечных членов уравнений,
о чем шла речь в предыдущем разделе. Калибровочная симметрия, как оказалось,
тесно связана с перенормируемостью. Чудо КЭД основано на глубокой и простой
симметрии, присущей электромагнитному полю. Это наводит на мысль о том, что
трудности квантового описания трех других взаимодействий, по-видимому,
связаны с тем, что нам не удалось обнаружить полный набор скрытых в них симметрии.
Например, если бы теорию слабого взаимодействия можно было сформулировать на
языке калибровочных полей, то это способствовало бы успешному построению
квантового описания этого взаимодействия.
На первый взгляд, однако, кажется, что на пути к осуществлению такой
программы возникает серьезное препятствие. Одна из особенностей калибровочных
полей состоит в том, что эти поля — дальнодействующие. Возможность проведения
калибровочных преобразований в любой точке требует, чтобы компенсирующие поля
действовали во всем пространстве. Для гравитации и электромагнетизма,
простирающихся в пространстве, и оказывающих влияние на удаленные объекты, это
нормально, но слабое взаимодействие существует только на очень малых
расстояниях . На квантовом языке это означает, что гравитон и фотон имеют нулевые массы
покоя, а переносчики слабого взаимодействия, W и Z-частицы, чрезвычайно
массивны. Казалось, что это кладет конец всяким попыткам описания слабого
взаимодействия на языке калибровочных полей. Но в 60-е годы в столь
неопровержимом на первый взгляд аргументе была обнаружена трещина, и в физике произошел
один из случающихся время от" времени гигантских скачков.
8. ВЕЛИКАЯ ТРОИЦА
Новая сила
Оглядываясь на 70-е годы, историки будут рассматривать их как время, когда
ученые обнаружили, что в природе вовсе не существует никаких четырех
фундаментальных взаимодействий. Электромагнитное и слабое взаимодействия, при
поверхностном взгляде весьма разные по своей природе, в действительности
оказались двумя разновидностями единого — так называемого электрослабого —
взаимодействия , о существовании которого никто и не подозревал.

Объединение этих двух сил стало исторической вехой на пути к суперсиле.
Первый шаг сделал более ста лет назад Максвелл, объединив электричество и
магнетизм. Электрослабая теория в окончательной форме была создана двумя
физиками, работавшими независимо, — Стивеном Вайнбергом из Гарвардского
университета и Абдусом Саламом из Империал-колледжа в Лондоне, — опиравшимися на
более раннюю работу Шелдона Глэшоу. Теория электрослабого взаимодействия
решающим образом повлияла на развитие физики элементарных частиц в последующие
годы.
Суть теории Вайнберга и Салама состоит в описании слабого взаимодействия на
языке концепции калибровочного поля. Этот шаг следовало предпринять еще до
того, как появилась хоть какая-то надежда на унификацию. В предыдущей главе
мы говорили, что понятие калибровочной симметрии является ключевым при
построении теории взаимодействий, освобожденной от проблемы расходящихся
членов .
Представляя слабое взаимодействие в виде калибровочного поля, мы должны
исходить из того, что все частицы, участвующие в слабом взаимодействии, служат
источниками поля нового типа — поля слабых сил, хотя мы не воспринимаем это
поле непосредственно. Слабо взаимодействующие частицы, такие, как электроны и
нейтрино, являются носителями "слабого заряда", который аналогичен
электрическому заряду и связывает эти частицы со слабым полем.
Если поле слабого взаимодействия рассматривать как калибровочное (т.е. как
способ, которым в природе компенсируются локальные калибровочные
преобразования) , то первый шаг состоит в установлении точной формы соответствующей
калибровочной симметрии. Как мы уже знаем, простейшей калибровочной симметрией
обладает электромагнетизм. Не удивительно, что симметрия слабого
взаимодействия гораздо сложнее, чем электромагнитного, ибо сам механизм этого
взаимодействия оказывается более сложным. При распаде нейтрона, например, в слабом
взаимодействии участвуют частицы, по крайней мере, четырех различных типов
(нейтрон, протон, электрон и нейтрино), и действие слабых сил приводит к
изменению их природы (превращению одних частиц в другие за счет слабого
взаимодействия) . Напротив, электромагнитное взаимодействие не изменяет природы
участвующих в нем частиц.
Это свидетельствует о том, что слабому взаимодействию соответствует более
сложная калибровочная симметрия, связанная с изменением природы частиц. С
калибровочной симметрией такого типа мы встречались в конце гл. 4. Она
называлась симметрией изотопического спина, или изотопической симметрией.
Первоначально изотопическая симметрия была разработана для описания сильного
ядерного взаимодействия между протонами и нейтронами. Напомним, что калибровочное
преобразование в этом случае соответствовало повороту некой волшебной ручки,
превращающему протоны в нейтроны. Основная идея состояла в том, что ядерные
силы инвариантны относительно таких воображаемых преобразований. Вайнберг и
Салам, заимствовав идею изотопической симметрии из области ядерной физики,
приспособили ее к совершенно другой области — слабому взаимодействию, дав его
описание как калибровочного поля. По существу было использовано то же понятие
симметрии, связанной со смешиванием различных частиц, но в данном случае речь
шла о смешивании различных источников слабого взаимодействия, электронов и
нейтрино. Представим себе теперь, что у нас есть волшебная ручка, позволяющая
превращать электроны в нейтрино и наоборот. По мере поворота ручки сродство с
электроном у всех электронов постепенно убывает до тех пор, пока электроны не
превращаются в нейтрино. Одновременно сродство с нейтрино у всех нейтрино
также убывает, и все они превращаются в электроны. Разумеется, в
действительности ничего подобного не происходит, но теоретики, исследуя уравнения,
описывающие частицы и взаимодействия, могут изучать следствия подобных
воображаемых превращений.

Только что описанная картина служит примером глобального калибровочного
преобразования. Оно глобально, так как "поворот ручки" изменяет природу
каждого электрона и каждого нейтрино во всей Вселенной. В предыдущей главе мы
видели, как переход от глобальной калибровочной симметрии к локальной
приводит к возникновению силовых полей, необходимых для компенсации изменяющихся
от точки к точке калибровочных преобразований. Меняя калибровку
местоположения в каждой точке, мы пришли к необходимости ввести понятие гравитационного
ноля. Глобальное калибровочное преобразование, производимое волшебной ручкой,
также можно превратить в локальное калибровочное преобразование. Вообразим,
что в каждой точке пространства имеется своя волшебная ручка и что все ручки
установлены в различных положениях. В таком случае для поддержания симметрии
необходимы новые силовые поля, компенсирующие хаотическую установку ручек от
точки к точке. Оказывается, что эти новые силовые поля точно описывают слабое
взаимодействие. Соответствующая калибровочная симметрия гораздо сложнее, чем
в случае электромагнитного взаимодействия; это усложнение выражается в том,
что для поддержания симметрии необходимы три новых силовых поля, в отличие от
единственного электромагнитного поля. Нетрудно получить и квантовое описание
этих трех полей: должны существовать три новых типа частиц—переносчиков
взаимодействия, по одному для каждого поля.
Насколько точно эти поля описывают слабое взаимодействие? Они призваны
компенсировать изменение от точки к точке степени смешивания электронов и
нейтрино . (Теория Вайнберга—Салама применима также к другим лептонам и кваркам.)
Это означает, что при испускании или поглощении кванта поля, природа частицы
тут же изменяется. Электрон может превратиться в нейтрино, нейтрино — в
электрон. Именно так и происходит под действием слабых сил.
Рис.17. В процессе слабого взаимодействия, происходящего при
столкновении нейтрона (п) с нейтрино (ve) , они превращаются в протон (р) и
электрон (е-) . Тщательный анализ показывает, что это превращение
происходит в результате обмена тяжелой заряженной частицей (промежуточным
векторным бозоном W-) . Обмен W- соответствует превращению нейтрона в
протон, причем в момент испускания изменяется аромат одного из
образующих нейтрон кварков (d -> и)
На рис. 17 показан типичный процесс, обусловленный слабым взаимодействием.
Экспериментатор наблюдает его при столкновении (рассеянии) нейтрона (п) и
нейтрино (ve) , когда обе частицы превращаются в протон (р) и электрон (е) .

При более детальном описании с использованием частиц-переносчиков d-кварк в
нейтроне превращается в u-кварк (тем самым нейтрон превращается в протон) с
испусканием виртуальной частицы (на диаграмме показана пунктиром), которая
затем поглощается нейтрино (при этом нейтрино превращается в электрон). Так
как протон обладает положительным электрическим зарядом, виртуальная частица
должна уносить отрицательный заряд (по закону сохранения электрического
заряда) . Этот отрицательный заряд "оседает" на электроне. Отрицательно заряженный
переносчик слабого взаимодействия получил название W-частицы. Должна
существовать и положительно заряженная античастица W+, которая служила бы
переносчиком слабого взаимодействия, например, от антинейтрона к антинейтрино.
Частицы W+ и W- являются переносчиками двух из трех связанных со слабым
взаимодействием полей, предсказанных теорией Вайнберга — Салама. Третье поле
соответствует электрически нейтральной частице-переносчику, получившей
название Z-частицы. Когда теория Вайнберга — Салама была сформулирована впервые,
мысль о нейтральной частице — переносчике слабого взаимодействия была новой.
Существование Z-частицы означало бы, что слабое взаимодействие могло бы не
сопровождаться переносом электрического заряда. Пример такого процесса
приведен на рис. 18: электрон и нейтрино рассеиваются, обмениваясь Z-частицей. В
1973 г. в длительном эксперименте, проведенном в ЦЕРНе, было
продемонстрировано существование нейтральных переносчиков слабого взаимодействия. Этот
результат поднял престиж теории Вайнберга — Салама.
Рис.18. Теория Вайнберга—Салама предсказывает, что электроны могут
рассеивать нейтрино, обмениваясь с ними электрически нейтральным
переносчиком слабого взаимодействия — промежуточным векторным бозоном Z.
Экспериментальное подтверждение такого процесса было получено в
середине 70-х годов.
Несмотря на столь счастливое согласие между теорией и экспериментом,
описанию слабого взаимодействия как калибровочного поля еще предстояло преодолеть
серьезное препятствие. Дело в том, что калибровочные поля по своей природе
дальнодействующие, казалось, что теория неизбежно должна предсказывать
нулевую массу покоя частиц-переносчиков, как в случае фотона. В действительности
же слабое взаимодействие существует лишь на очень малых расстояниях, и
частицы — переносчики слабого взаимодействия имеют огромную массу. Если в теории
W- и Z-частицам просто приписать какую-нибудь массу, то калибровочная инвари-

антность нарушится. Как наилучшим образом совместить несовместимое —
калибровочную симметрию и частицы-переносчики с ненулевой массой покоя?
Решение этой головоломки было найдено Вайнбергом и Саламом в 1967 г. В
основе его лежала остроумная идея, получившая название спонтанного нарушения
симметрии. Вот как оно происходит.
Представим себе гладкую поверхность в форме мексиканского сомбреро,
покоящегося на горизонтальном основании (рис. 19). Поместим на верхушку "сомбреро"
шарик. В такой конфигурации система обладает очевидной симметрией, а именно:
она не меняет своего вида при поворотах вокруг вертикальной оси, проходящей
через центр шляпы. Если рассматривать только гравитацию, то никакого
выделенного горизонтального направления здесь нет (гравитация действует по
вертикали) ; все точки на полях сомбреро равнозначны.
Рассматриваемая система симметрична, но не устойчива. Стоит шарику
тронуться с места, как он скатится вниз и остановится где-то на полях "сомбреро".
Как только это произойдет, симметрия системы нарушится. Шарик остановится в
определенном месте на полях шляпы, задав тем самым выделенное горизонтальное
направление от центральной оси. Устойчивость оплачена нарушением симметрии. В
устойчивой конфигурации исходная вращательная симметрия сил (в нашем случае —
гравитации) по-прежнему существует, но в скрытом виде. Наблюдаемое состояние
системы не отражает симметрии тех взаимодействий, которые проявляются в
системе .
Рис.19. Спонтанное нарушение симметрии. Шарик помещен на вершину
поверхности, имеющей форму мексиканского сомбреро. Такая система
обладает полной вращательной симметрией, но она неустойчива, и шарик
самопроизвольно скатывается на поля "сомбреро", останавливаясь в
произвольной точке. Вращательная симметрия при этом нарушается. Система
обретает устойчивость ценой потери симметрии.
Ту же общую идею использовали Вайнберг и Салам, хотя симметрия на этот раз
была калибровочной, а не вращательной, и спонтанное нарушение соответствовало
квантовому состоянию силовых полей. Таким образом, в теории Вайнберга и Сала-
ма поля по-прежнему обладают фундаментальной симметрией, но не могут
нормально существовать в состоянии, обладающем этой симметрией, так как это
состояние неустойчиво. Поэтому поле "выбирает" устойчивое состояние, в котором
симметрия нарушена, а частицы — переносчики слабого взаимодействия обладают
массой. Естественно, в деталях теория гораздо сложнее примера с "мексиканским
сомбреро", но основная идея все та же: симметрия по-прежнему присуща
фундаментальным законам, но не проявляется в реальном состоянии системы. Именно
поэтому физикам не удавалось обнаружить эту крайне важную калибровочную
симметрию в течение тридцати пяти лет исследований слабого взаимодействия.

Чтобы получить решающее спонтанное нарушение симметрии, Вайнберг и Салам
ввели в теорию дополнительное поле — так называемое поле Хиггса (в честь
Питера Хиггса из Эдинбургского университета, который ранее изучал спонтанное
нарушение симметрии в физике элементарных частиц). Никто никогда не видел
поля Хиггса, но его наличие может оказывать решающее влияние на поведение
калибровочных полей. В примере с сомбреро симметричное состояние — с шариком на
самой верхушке шляпы — неустойчиво. Шарик "предпочитает" скатиться на поля,
так как у состояния с нарушенной симметрией более низкая энергия. Аналогичным
образом свойства поля Хиггса таковы, что состоянию с наименьшей энергией
соответствует нарушение симметрии. Именно благодаря связи между полем Хиггса и
калибровочными полями у W- и Z-частиц возникает масса. Теория Вайнберга —
Салама предсказывает также существование частицы Хиггса — кванта поля Хиггса,
или бозона10 Хиггса — с нулевым спином и большой массой.
Воспользовавшись идеей спонтанного нарушения симметрии, Вайнберг и Садам
сделали следующий важный шаг, соединив электромагнетизм и слабое
взаимодействие в единой теории калибровочного поля. Чтобы единая теория включала поля
обоих типов, необходимо было начать с более сложной калибровочной симметрии,
которая сочетает в себе и более простую калибровочную симметрию
электромагнитного взаимодействия и изотопическую симметрию слабого взаимодействия.
Таким образом, в теории Вайнберга — Салама представлено всего четыре поля;
электромагнитное поле и три поля, соответствующие слабым взаимодействиям.
Следующий шаг состоял во введении поля Хиггса, которое могло бы вызвать
спонтанное нарушение симметрии. Первоначально W- и Z-кванты не имеют массы, но
нарушение симметрии приводит к тому, что некоторые частицы Хиггса сливаются с
W- и Z-частицами, наделяя их массой. По образному выражению Салама, W- и Z-
частнцы "поедают" частицы Хиггса, чтобы прибавить в весе. Фотоны не участвуют
в этом процессе и остаются безмассовыми.
Теория Вайнберга — Салама великолепно объясняет, почему кажется, что
электромагнитное и слабое взаимодействия обладают столь непохожими свойствами. В
действительности фундаментальная структура их силовых полей во многом
одинакова : и электромагнитное, и слабые поля — калибровочные. Различия в их
свойствах обусловлены нарушением симметрии. Мы не замечаем калибровочную
симметрию слабого поля, поскольку она скрыта от нас нарушением симметрии.
Между электромагнитным и слабым взаимодействиями есть еще одно существенное
различие — это их величина. Почему слабое взаимодействие имеет столь малую
величину? Теория Вайнберга—Салама объясняет это. Если бы симметрия не
нарушалась , то оба взаимодействия были бы сравнимы по величине. Нарушение симметрии
влечет за собой резкое уменьшение слабого взаимодействия. Действительно,
величина слабого взаимодействия непосредственно связана с массами W и Z-частиц.
Можно сказать, что слабое взаимодействие имеет столь малую величину потому,
что W- и Z-частицы очень массивны.
После того как Вайнберг и Салам в конце 60-х годов опубликовали свою
теорию, одна важная теоретическая проблема оставалась нерешенной. Будет ли
теория Вайнберга — Салама перенормируемой? Произойдет ли чудо, позволившее КЭД
избавиться от бесконечностей, с объединением электрослабых калибровочных
полей? Решением этой проблемы в начале 70-х годов занялся Герхард Хоофт из
Утрехтского университета. Задача оказалась необычайно трудной. Потребовались
сложные и громоздкие вычисления большого числа членов длинной
последовательности, чтобы выяснить, где могут возникнуть серьезные бесконечности. В
известной мере работу облегчало использование компьютера. Впоследствии Хоофт
поведал о том, с какой тревогой он изучал результаты, полученные с
компьютера: Несколько простых моделей дали обнадеживающие результаты. В этих особых
Это его сейчас и ищут на Большом Адронном Коллайдере.

случаях все бесконечности взаимно уничтожались независимо от числа
калибровочных частиц, участвующих в обмене, и количества петель в диаграммах Фейнма-
на. Решающей могла бы стать проверка теории с помощью компьютерной программы,
вычислявшей бесконечные члены во всех возможных диаграммах с двумя петлями.
Результаты такой проверки, были получены к июлю 1971 г., программа выдала
нескончаемую последовательность нулей. Все расходящиеся члены взаимно
сократились .
Ясно, что решающее значение для исключения бесконечностей имела высокая
степень симметрии, заложенная в электрослабой теории. Физики извлекли из
этого хороший урок.
Теперь предстояло лишь выполнить окончательную экспериментальную проверку
новой теории. Наиболее убедительная проверка заключалась в подтверждении
существования пока еще "гипотетических W- и Z-частиц.
В лабораторных условиях W- и Z-частицы в большинстве случаев не наблюдаемы.
Они остаются виртуальными частицами — переносчиками взаимодействия, которыми
обмениваются другие частицы. Но если сообщить системе достаточно большую
энергию, то это позволит погасить "кредит Гейзенберга", обеспечивающий
мимолетное существование W- и Z-частиц, и они могут обрести "реальность", т.е.
разлетятся, и будут существовать независимо. Так как W- и Z-частицы очень
массивны (примерно в 90 раз массивнее протона), для их высвобождения
требуется огромная энергия; поэтому наблюдать рождение и идентифицировать W-и Z-
частицы стало возможным только с созданием очень больших ускорителей
новейшего типа.
Открытие в 1983 г. W- и Z-частиц означало торжество теории Вайнберга — Са-
лама. Не было больше нужды говорить о четырех фундаментальных
взаимодействиях. Казавшиеся при поверхностном рассмотрении никак не связанными между собой
электромагнитное и слабое взаимодействия в действительности были просто двумя
компонентами единого электрослабого взаимодействия. За выдающиеся достижения
Вайнберг и Салам были удостоены в 1979 г. Нобелевской премии по физике,
разделив ее с Шелдоном Глэшоу из Гарвардского университета, который ранее
заложил основы этой теории.
Вдохновленные блестящими достижениями теории электрослабого взаимодействия,
физики заинтересовались возможностью дальнейшего объединения: а что если в
природе существуют всего два фундаментальных взаимодействия или даже
единственная суперсила? Незадолго до этого тщательному анализу подвергалось сильное
взаимодействие.
Цветные кварки и КХД
Вскоре после того, как успех теории Вайнберга — Салама стал очевиден,
возникла идея дальнейшего объединения — слияния сильного взаимодействия с
электрослабым. Но прежде чей такое объединение могло бы осуществиться, сильному
взаимодействию следовало придать черты калибровочного поля. Мы уже знаем, что
сильное взаимодействие можно представлять как результат обмена глюонами,
который обеспечивает связь кварков попарно или тройками в адроны. Описание
такого процесса на языке калибровочных полей можно построить, вновь
воспользовавшись обобщенным представлением об изотопической симметрии.
Суть идеи состоит в следующем. Каждый кварк обладает аналогом
электрического заряда, служащим источником глюонного поля. За неимением лучшего термина
этот "заряд" назвали цветом. (Разумеется, это название не имеет никакого
отношения к обычному цвету.) Электромагнитное поле порождается зарядом только
одного сорта, а для создания более сложного глюонного поля потребовалось три
различных цветовых заряда. Каждый кварк соответственно мог быть одного из

трех возможных цветов, которые совершенно произвольно были названы красным,
зеленым и синим.
Связанную с этими цветами калибровочную симметрию наглядно можно
представить, снова воспользовавшись "волшебной ручкой", позволяющей смешивать цвета
кварков. В данном случае ручка имеет три указателя цвета — красный, зеленый и
синий (рис. 20) , — а не два. Поворот ручки превращает красные кварки в
зеленые или синие в зависимости от направления вращения. И в этом случае
превращение происходит непрерывно: красный цвет постепенно переходит в синий и т.д.
Я
Рис.20. Волшебная ручка с тремя указателями позволяет
объяснить более сложную калибровочную симметрию, связанную с
цветом кварков. Вращение ручки не сказывается на взаимодействии
кварков (осуществляемом путем обмена глюона), но приводит к
изменению цветов красного (R) , синего (В) и зеленого (G)
кварков.
Далее теория сильного взаимодействия развивается по тому же сценарию, что и
теория слабого взаимодействия. Требование локальной калибровочной симметрии —
инвариантности относительно изменений цвета в каждой точке пространства —
приводит к необходимости введения компенсирующих силовых полей. Так как на
этот раз "волшебная ручка" имеет не два, а три указателя, симметрия
оказывается более сложной, что отражается в большем числе 'полей, необходимых для
поддержания локальной калибровочной симметрии. Всего требуется восемь новых
компенсирующих силовых полей. Частицами — переносчиками этих полей,
разумеется, являются глюоны, и, таким образом, из теории следует, что должно быть
восемь различных типов глюонов. Это изобилие резко отличается от одного-
единственного переносчика электромагнитного взаимодействия (фотона) и трех
переносчиков слабого взаимодействия (W+ -,W-- и Z-частицы).
Антикварки бывают антикрасные, антизеленые и антисиние. Сами глюоны также
несут различные цвета, но не чистые, а смешанные, например сине-антизеленый.
Когда кварк испускает глюон, его цвет изменяется в зависимости от цвета
глюона. Например, красный кварк может, испустив красно-антисиний глюон, изменить
свой цвет на синий. Аналогично зеленый кварк, поглотив сине-антизеленый
глюон, превращается в синий и т.д.
Итак, испускание или поглощение глюона сопровождается изменением природы
кварка, например превращением красного кварка в зеленый. В этом отношении
сильное взаимодействие напоминает слабое, при котором испускание W—частицы
сопровождает, скажем, превращение электрона в нейтрино. Кварки участвуют как
в сильном, так и в слабом взаимодействии, но изменение природы кварка,
сопровождающееся испусканием переносчика слабого взаимодействия, отличается от
того, что происходит с кварком при испускании глюона. В то время как глюоны
изменяют цвет кварка, слабое взаимодействие изменяет его аромат. Например, при
распаде нейтрона один из его d-кварков испускает W--частицу, превращаясь в га-
кварк. Важно помнить, что кварки обладают и цветом, и ароматом, и не путать
эти их характеристики.
В типичном адроне (например, в протоне) три кварка постоянно обмениваются
глюонами, изменяя свой цвет. Однако такие изменения не носят произвольный
характер. Математический аппарат теории накладывает жесткое ограничение в виде
очень важного правила, которому должна неукоснительно следовать эта "игра

цветов". В любой момент времени "суммарный" цвет трех кварков должен
представлять собой сумму "красный + зеленый + синий". Продолжая аналогию с
реальным цветом, можно сказать, что комбинация цветов в адроне должна всегда
давать белый цвет (смешение первичных цветов, красного, зеленого и синего, дает
белый цвет). Итак, мы видим фундаментальную калибровочную симметрию "за
работой" . Действие глюонных полей компенсирует внутренние изменения цветов
кварков , неизменно сохраняя чисто белым цвет адрона.
Адроны могут состоять из пар кварк — антиквзрк. Это так называемые мезоны.
Так как антикварк характеризуется антицветом, такая комбинация заведомо
бесцветна ("белая"). Например, красный кварк в комбинации с антикрасным кварком
образует бесцветный мезон. В этой схеме все лептоны также лишены цвета,
поскольку не взаимодействуют с глюонным полем.
Квантовая теория цвета, или квантовая хромодинамика (КХД), великолепно
объясняет правила, которым подчиняются комбинации кварков (первоначально, в 60-х
годах, эти правила специально, ad hoc, вводились на каждый случай). С точки
зрения КХД сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление
поддерживать абстрактную симметрию природы; в данном случае это сохранение белого
цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей. Стоит потребовать
существования в природе такой абстрактной калибровочной симметрии, как
неизбежно возникнут глюонные поля. Нам нет нужды измышлять их — они автоматически
вытекают из математических выкладок.
Сильное взаимодействие имеет еще одну важную особенность, о которой пока не
упоминалось. Когда теория кварков только появилась, казалось, что произвести
экспериментальную проверку ее не очень сложно. Необходимо лишь раздробить ад-
рон на части и продемонстрировать составляющие его кварки. Изолированный
кварк должен сразу "бросаться в глаза", поскольку его электрический заряд
составляет либо 1/3 либо 2/3 заряда любой другой частицы.
С тех пор один за другим вступали в строй все более крупные ускорители, но
"расщепить" адрон на составные части так и не удалось, и у физиков возникли
сомнения в справедливости теории кварков. Действительно, коль скоро кварки
существуют внутри протона, то должна же быть возможность выбить их оттуда при
достаточно сильном соударении с протоном. Но даже при соударениях с энергией,
многократно превосходящей его массу покоя, протон все равно никак не
расщеплялся. При таких столкновениях появлялся лишь поток новых целехоньких
адронов . Наблюдать отдельные кварки так и не удалось.
Альтернативная стратегия поиска кварков состояла в том, чтобы обратиться к
самой природе. Если кварки существуют, то разумно предположить, что где-то
они возникли в природе. Возможно, что при образовании вещества сначала
появились кварки, из которых затем возникли адроны. Не исключено, что при этом
нескольким кваркам не хватило партнеров, и они в одиночестве блуждают во
Вселенной. Но если эта гипотеза верна, то в результате анализа обычного вещества
можно обнаружить эти одиночные кварки, все еще блуждающие где-то неподалеку.
Таким анализом решил заняться Уильям Фейрбэнк из Станфордского
университета . Он тщательно изучил небольшие образцы природных минералов, в частности
ниобия, с целью выяснить, не содержат ля они частицы с электрическим зарядом
1/3 или 2/3. Для этого Фейрбэнк наблюдал за поведением образцов в сильном
электрическом поле. Он повторял тщательные эксперименты на протяжении ряда
лет и не раз сообщал о положительных результатах. В некоторых образцах, по
утверждениям Фейрбэнка, присутствовали частицы с дробным электрическим
зарядом. Однако аналогичные эксперименты в других лабораториях не подтвердили
результатов Фейрбэнка и многие физики относятся к его сообщениям скептически.
Означает ли это, что у физиков есть сомнения относительно существования
кварков? Отнюдь! Растет убеждение, что кварки могут существовать только внутри
адронов. Если так, то должен быть закон природы, запрещающий существование

изолированных кварков. Когда мы пытаемся "извлечь" кварк из адрона, что-то
должно препятствовать его полному удалению из адрона. Возможно, таким
препятствием оказывается глюонное поле. Очевидно, кварки внутри адрона связаны
столь крепко, что никакие силы в мире не в состоянии разорвать эти связи и
освободить кварки. Физики говорят, что кварки навсегда "заточены" внутри
адронов , и называют придуманное впоследствии объяснение этого факта проблемой
конфайнмента, или удержания.
Суперклей
Главный вызов теории бросает проблема удержания кварков в рамках
калибровочных полей. Если бы удалось создать отдельный кварк, то он обладал бы
определенным цветовым зарядом — красным, зеленым или синим. Но поскольку кварки
удерживаются внутри адронов, мы не наблюдаем первичных цветов, а только
"белые", бесцветные, комбинации. Если удержание постоянно, то это означает,
что по каким-то причинам природа запрещает появление "голого" цвета.
Действует своеобразная цензура. Это объясняет, почему могут существовать
изолированные лептоны, а не кварки: дело в том, что лептоны бесцветны.
А что произойдет, если попытаться просто-напросто силой вытолкнуть кварк из
адрона? Каким суперклеем он удерживается там так прочно, что никогда не
освобождается?
Важный ключ к разгадке природы взаимодействия между кварками был получен в
экспериментах на СЛАКе (о которых мы упоминали ранее) при бомбардировке
протонов электронами очень высоких энергии. Результаты экспериментов
свидетельствовали о том, что на коротких расстояниях взаимодействие ослабевает, и
кварки по существу ведут себя, как свободные частицы. Более содержательную
информацию удается извлечь из свойств мезонов, в которых кварк и антикварк
образуют связанную систему, напоминающую атом водорода. Исследуя возбужденные
состояния атома водорода, можно сделать вывод, что, поскольку электрическая
сила, действующая между протоном и электроном, подчиняется закону обратных
квадратов, их взаимное притяжение быстро уменьшается с расстоянием.
Аналогичные исследования возбужденных состояний мезонов свидетельствуют о прямо
противоположной ситуации. Если две частицы удаляются на большое расстояние и
переходят в состояние с более высокой энергией, взаимодействие между ними не
ослабевает, а усиливается.
Из полученных результатов следует, что взаимодействие между кварками носит
странный характер. Все известные взаимодействия ослабевают с увеличением
расстояния, тогда как в случае сил, действующих между кварками, наблюдается
обратная картина. Они ведут себя, как кусок резины, который сопротивляется
растяжению тем сильнее, чем больше его растягивают, и становится свободным,
когда концы сближаются. Другой аналогией может служить цепь — кажется, что
кварки внутри адронов скованы цепями. Когда кварки находятся близко друг к
другу, цепи не ощущаются, и кварки в узких пределах ведут себя свободно и
независимо. Но стоит лишь одному из кварков предпринять "попытку к бегству",
как цепь натягивается и резко тянет его назад. Физики называют эту ситуацию
заточением или удержанием кварков.
Как только идея удержания кварков получила всеобщее признание, возникла
мысль, способна ли КХД объяснить его. Вычисления оказались чрезвычайно
трудными , хотя и выявили ряд обнадеживающих моментов. С физической точки зрения
удалось в общих чертах понять, каким образом взаимодействие между кварками
усиливается с ростом расстояния.
Основное различие между электромагнитным полем, в котором сила убывает с
увеличением расстояния, и глюонным полем состоит в том, что фотоны не имеют
электрического заряда. Если бы у них был электрический заряд, то мир изменил-

ся бы до неузнаваемости. В отличие от фотонов глюоны несут цветовой "заряд" в
различных комбинациях, например в комбинации красно-антизеленый. Но цвет —
источник сильного взаимодействия. Следовательно, глюоны не только соединяют
кварки, но и стремятся соединиться друг с другом. Это существенно усложняет
ситуацию, но тщательный анализ приводит к мысли, что эта универсальная
"липкость" глюонов, возможно, является ключом к объяснению удержания кварков.
Чтобы уяснить это, нам придется вернуться к понятию квантового вакуума.
Посмотрим, прежде всего, что произойдет с электроном, если его поместить в
вакуум. Напомним, что пространство вокруг электрона в действительности не
пусто , а заполнено виртуальными частицами всевозможных сортов, в том числе
виртуальными электронами и виртуальными позитронами. Хотя мы непосредственно не
наблюдаем эти виртуальные частицы, известно, что они, тем не менее,
существуют и могут создавать физические эффекты. Электрон, помещенный в вакуум, также
"узнает" об их существовании, так как они "отзовутся" на его появление.
Электрическое поле электрона внесет возмущения в поведение виртуальных электронов
и позитронов на протяжении их недолгого существования. Виртуальные позитроны
будут притягиваться к электрону под действием силы электрического притяжения,
а виртуальные электроны — отталкиваться от него. В распределении заряда
возникает смещение, называемое поляризацией. То, что пустое пространство в
присутствии электрического поля может стать электрически поляризованным,
является любопытным следствием квантовой теории. Трудно представить себе вакуум,
обладающий электрическими свойствами, однако поляризация вакуума — эффект
вполне реальный и его нетрудно измерить экспериментально.
Поляризация вакуума приводит к тому, что вокруг электрона в вакууме
возникает своего рода экран, нейтрализующий действие электрического заряда.
Избавиться от этого экрана электрон никак не может, поскольку он является
неотъемлемой частью облака виртуальных частиц, окружающих все электроны.
Вследствие экранирования эффективный заряд электрона издали кажется меньше
реального. Введя зонд внутрь облака, мы почувствовали бы "голый" электрон, имеющий
гораздо больший заряд. По мере проникновения зонда в облако мы обнаружим, что
простой закон обратных квадратов, выполняющийся на некотором расстоянии от
заряда, перестает быть справедливым из-за облака виртуальных позитронов,
окутывающих электрон. Таким образом, поляризация вакуума, или вакуумная
экранировка, может изменить характер зависимости силы от расстояния.
Экранировка возникает и в глюонном поле, где она приводит к изменению
цветового Заряда кварков. Виртуальные антикварки стремятся облепить кварк
"противоположного" цвета. Например, красный кварк притягивает облако
антикрасных антикварков. Как и в случае электромагнитного взаимодействия,
происходит частичная нейтрализация цветового заряда. Однако на этот раз
дополнительный вклад в поляризацию вакуума вносят глюоны.
Поскольку глюоны также обладают цветом, виртуальные глюоны в вакууме
"откликаются" на присутствие кварка. Оказывается, что глюонное облако
действует не так, как облако кварков: оно стремится не нейтрализовать, а усилить
цветовой заряд центрального кварка. Поэтому действие виртуальных глюонов
противоположно действию виртуальных кварков, и, как показывают детальные
вычисления, глюоны одерживают верх: в итоге совместного действия виртуальных
глюонов и кварков вакуум усиливает цветовой заряд центрального кварка, а не
ослабляет его.
Это обстоятельство оказывает серьезное влияние на взаимодействие кварков.
Когда кварк проникает в облако виртуальных частиц своего "партнера",
эффективный цветовой заряд кварка внутри облака ослабевает, и взаимодействие
уменьшается. Вторгшись внутрь облака, кварк избавляется от взаимодействия с
другими кварками. Ослабевая, взаимодействие между кварками утрачивает свою

силу. Подобная ситуация прямо противоположна той, с которой мы сталкиваемся в
электромагнетизме, и как раз пригодна для объяснения пленения кварков.
Было бы преждевременно предсказывать КХД беспрецедентный успех,
сопутствовавший КЭД на протяжении более сорока лет ее существования. Тем не менее,
достижения КХД весьма впечатляющи. Еще в 60-е годы физика адронов казалась
запутанным переплетением сил и необузданных частиц. КХД распутала этот
клубок, заложив простые основы теории адронов со сравнительно небольшим числом
параметров.
Великое объединение
С появлением КХД все существующие в природе взаимодействия, наконец,
приобрели единое описание на основе калибровочных полей. Это принесло новые
надежды. Успешное объединение слабого и электромагнитного взаимодействий в рамках
теории калибровочных полей подсказало возможность дальнейшего объединения. В
1973 г. Шелдон Глэшоу и Говард Джорджи опубликовали теорию, в которой новое
электрослабое взаимодействие сливалось с сильным (глюонным) в великое единое
взаимодействие. Это была первая теория Великого объединения, ТВО. Ныне
существует несколько конкурирующих ТВО, но все они основаны на одной и той же
идее.
Если электрослабое и сильное взаимодействия в действительности представляют
собой лишь две стороны великого единого взаимодействия, то последнему должно
соответствовать калибровочное поле с детально разработанной симметрией,
достаточно широкой, чтобы охватить все калибровочные симметрии, содержащиеся в
КХД и теории Вайнберга — Салама. Отыскание такой симметрии — задача
математики. Единой симметрии, которая обладала бы всеми нужными свойствами, не
существует , отсюда и обилие конкурирующих теорий. Тем не менее, все ТВО имеют ряд
общих особенностей.
Одна из них состоит в том, что кварки, источники (носители) сильного
взаимодействия, и лептоны, источники (носители) электрослабого взаимодействия,
включаются в единую теоретическую схему. До сих пор кварки и лептоны
рассматривались как совершенно различные объекты, так что их включение в единую
теорию было совершенно новой идеей. Оно ознаменовало еще один важный шаг на пути
к объединению.
Калибровочные симметрии, входящие в ТВО, можно наглядно представить с
помощью все той же "волшебной ручки", перемешивающей природу частиц, но с большим
числом указателей. Вместо двух указателей, как в случае электрослабого
взаимодействия, и трех — в случае КХД, теперь требуется пять указателей. От
поворота ручки ТВО зависит очень многое. Ручки с пятью указателями позволяют
делать то, что было не под силу ручкам с меньшим числом указателей: превращать
кварки в лептоны и даже в антикварки, т.е. осуществлять переходы, абсолютно
запрещенные в прежних теориях.
Как и прежде, требование, чтобы в природе с помощью компенсирующих полей
соблюдалась абстрактная калибровочная симметрия (на этот раз более широкая),
приводит нас к открытию (чисто теоретическому) новых типов полей, обладающих
новыми свойствами, например способностью превращать кварки в лептоны. В
простейшем варианте ТВО, предложенном Джорджи и Глэшоу, волшебная ручка
связывает вместе красные, зеленые и синие d-кварки, позитрон и антинейтрино. Для
этого требуется двадцать четыре поля. Двенадцать из квантов этих полей уже
известны: фотон, две W-частицы, Z-частица и восемь глюонов.
Остальные двенадцать квантов — новые, объединенные общим названием X-
частицы. Эти кванты соответствуют полям, поддерживающим более широкую
калибровочную симметрию и перемешивающим кварки с лептонами (это соответствует
положениям волшебной ручки, при которых происходит смешивание, например, крас-

ного d-кварка и позитрона). Следовательно, кванты этих полей, Х-частицы,
могут превращать кварки в лептоны (и наоборот), если те обмениваются ими как
переносчиками взаимодействия. Электрический заряд Х-частиц равен 1/3 и 4/3.
Проследим теперь за судьбой типичного адрона, который испытывает на себе
действие этих необычных Х-частиц. В качестве такого адрона удобно выбрать
протон, состоящий из двух u-кварков и одного d-кварка; d-кварк смешивается с
позитроном посредством великой калибровочной симметрии Великого объединения в
может превращаться в позитрон путем обмена Х-частицей с нужными
характеристиками, в данном случае с надлежащим цветовым зарядом и электрическим зарядом —
4/3. Эта Х-частица должна быть передана какой-то другой частице, которой
может служить один из u-кварков протона. Поглощая Х-частицу, и-кварк
превращается в антикварк.
Происходит нечто замечательное. То, что в самом начале было комбинацией
двух u-кварков и одного d-кварка, превратилось в позитрон и пару кварк —
антикварк. Позитрон не участвует в сильном взаимодействии и поэтому вылетает из
адрона, тогда как оставшаяся пара кварк — антикварк образует уже не протон, а
мезон (точнее, пион). С точки зрения экспериментатора, эта последовательность
событий выглядит как распад протона на позитрон и пион.
На протяжении всей истории физики элементарных частиц незыблемым правилом
всегда оставалась абсолютная стабильность протона. Ведь обычное вещество
построено из протонов. Предсказание ТВО, что протон может оказаться
нестабильным и распадаться, было ошеломляющим. Из него следует, что все вещество, в
конечном счете, нестабильно и, следовательно, не вечно — вывод, безусловно,
чрезвычайно глубокий.
В начале зимы 1974г. я ехал на машине из Лондона на конференцию в Резерфор-
довскую лабораторию, расположенную близ Оксфорда. Одним из моих попутчиков
был Абдус Садам, и разговор зашел о содержании доклада, с которым он
собирался выступить. Салам сказал, что у него есть кое-какие идеи о возможности
распада протонов. Помню, что сама мысль о распаде протона смутила меня, и я
отнесся к ней не без изрядной доли скептицизма. В назначенное время Салам
сделал свой доклад, который оказался весьма пророческим. Но эта конференция
запомнилась мне беседой с Стивеном Хокингом из Кембриджского университета,
который сообщил о своем сенсационном открытии; ему удалось доказать, что черные
дыры неустойчивы и, в конце концов, взрываются, создавая потоки радиации.
Небезынтересно, что процесс Хокинга, как стало ясно автору открытия спустя
несколько лет, может также вызвать распад протона. Квантовые эффекты позволяют
протону путем спонтанного туннелирования превращаться в виртуальную черную
дыру, которая затем испаряется11 (что описывается процессом Хокинга),
испуская при этом позитрон. Однако распад протона через черную дыру менее
вероятен, чем по схеме ТВО.
Ясно, что внезапное исчезновение протона — событие, которое не может не
привлечь острого внимания специалистов по физике элементарных частиц; в этой
связи возникает вопрос, почему распад протона не был открыт давным-давно.
Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо выяснить, какую скорость распада
предсказывает теория. Исследование радиоактивности показывает, что период
полураспада может изменяться в широких пределах в зависимости от силы
взаимодействия, вызывающего распад, и масс, участвующих в распаде частиц. В случае
распада протона решающее значение имеет масса Х-частицы, которая, согласно
"правилам игры", определяет ее пробег. Если Х-частица очень массивна, то
сфера ее действия сильно ограничена. Чтобы произошел распад протона, два
участвующих в нем кварка должны сблизиться на расстояние, при котором возможен
обмен Х-частицей, а это происходит чрезвычайно редко. По этой причине распад
Если это так, то можно не боятся черных дыр, могущих возникнуть при экспериментах на БАК.

протона не наблюдался на опыте. Используя самые точные из имеющихся на
сегодня оценок периода полураспада протона и решая обратную задачу, физики пришли
к заключению, что масса Х-частицы составляет примерно 1014 масс протона, т.е.
колоссальную величину, по сравнению с которой масса самой тяжелой из
известных ныне частиц, Z, равная примерно 90 массам протона, пренебрежимо мала.
Прежде чем подробнее остановиться на столь ошеломляющей цифре, необходимо
разрешить один кажущийся парадокс. Возможно, читателя обескуражит
утверждение, что протон может содержать внутри частицу — переносчик взаимодействия,
которая в 1014 раз тяжелее его самого. Это кажущееся противоречие разрешает
принцип неопределенности Гейзенберга. Напомним, что Х-частица существует лишь
короткое мгновение, на протяжении которого два кварка, сблизившиеся до очень
малого расстояния, обмениваются ею. На протяжении столь коротких интервалов
времени энергия, а следовательно, и масса будут иметь громадную
неопределенность .
С помощью принципа неопределенности квантовая теория устанавливает связь
между энергией (или массой) и расстоянием. Следовательно, масштаб масс
автоматически определяет масштаб расстояний. Физические явления, происходящие в
некотором пространственном масштабе — это процессы, играющие важную роль при
определенной энергии (или массе). Именно поэтому для исследования
происходящего на малых расстояниях необходимы ускорители частиц очень высоких энергий.
Масштаб масс Х-частиц задает соответствующий пространственный масштаб — грубо
говоря, расстояние, которое проходят Х-частицы, перенося взаимодействие. Это
расстояние равно примерно 10~29 см. Таков пробег Х-частиц; его величина
говорит о расстоянии, на которое должны сблизиться два кварка, чтобы произошел
обмен Х-частицей, приводящий к распаду протона. 10~29 см по сравнению с
размером протона — это примерно то же, что пылинка по сравнению с Солнечной
системой. Масштаб пространства, где господствуют ТВО и происходит распад протона,
в триллионы раз мельче мира кварков и глюонов, который нам до сих пор
удавалось исследовать с помощью ускорителей. Он напоминает вселенную внутри
протона, которая недоступна нам в силу своей малости, как недоступны
внегалактические пространства из-за их удаленности. Для прямого зондирования этой Лилипу-
тии пришлось бы построить ускоритель, превосходящий по своим размерам
Солнечную систему.
Любая полная теория существующих в природе взаимодействий должна объяснять
относительную величину каждого из них. Создатели ТВО быстро
продемонстрировали, каким образом их теория могли бы объяснить огромное различие в величинах
электрослабого и сильного взаимодействий. Реальная величина этих
взаимодействий — не то, что измеряют экспериментаторы, наблюдая за превращениями
субатомных частиц, поскольку, как уже говорилось, все источники различных полей
экранируются вследствие поляризации вакуума. Экранировка приводит к тому, что
электромагнитное взаимодействие на малых расстояниях усиливается, а сильное —
ослабевает, и их величины выравниваются. Когда величина слабого
взаимодействия подобрана так, чтобы произошло нарушение симметрии, это взаимодействие
вклинивается между двумя другими и, подобно сильному взаимодействию,
испытывает антиэкранировку, т.е. ослабевает на малых расстояниях. Интересно
оценить , на каком расстоянии все три взаимодействия станут сравнимы по величине.
Оно снова оказывается равным примерно 10~28 см, т.е. в точности совпадает с
масштабом расстояний, соответствующим массе Х-частиц. Приятное совпадение.
Результат этого анализа заключается в следующем: при ультравысоких энергиях
(что эквивалентно ничтожно малым расстояниям) электромагнитное, слабое и
сильное взаимодействия сливаются в одно взаимодействие и различие между
кварками и лептонами исчезает. Взаимодействия и частицы в мире нашего опыта
воспринимаются нами как совершенно различные явления, поскольку мы исследуем
вещество при сравнительно низких энергиях. Физики называют величину, равную

10 массам протона, масштабом объединения. Значение этого числа поистине
потрясает .
Прежде чем двигаться дальше, необходимо оценить состояние теорий Великого
объединения. Создавая Великое объединение трех взаимодействий, ТВО
существенно уменьшают число произвольных параметров, используемых для описания
природы. Менее амбициозная теория Вайнберга — Салама содержит постоянные, значения
которых можно определить из эксперимента. В ТВО некоторые из этих чисел уже
нельзя задать ad hoc, а следует определить из теории.
ТВО обладают и некоторыми неожиданными преимуществами. Одно из них —
возможность объяснить старую загадку: почему электрические заряды всегда кратны
одной и той же фундаментальной единице? Если принять заряд электрона за —1, а
заряд протона за +1, то наименьший из возможных зарядов, —1/3, имеет d-кварк.
Все остальные заряды, независимо от того, являются ли их носителями кварки,
лептоны или переносчики взаимодействия, равны небольшому целому кратному
этого значения. До создания ТВО было неясно, почему не могут существовать
частицы с любым зарядом, например с Зарядом, равным л фундаментальных единиц.
Единая теория не допускает существования таких зарядов. Жесткие правила отбора
допустимых зарядов обусловлены тем, что все частицы принадлежат большим
семействам, члены которых могут обмениваться частицами — переносчиками
взаимодействия, имеющими заряды, равные фиксированному числу единиц заряда.
Например, при распаде протона, когда d-кварк превращается в позитрон и передает
заряд —4/3 Х-частице, поглощающий ее u-кварк должен приобрести (в результате
поглощения Х-частицы) заряд, соответствующий заряду возникающего при этом
антикварка. Вся арифметика должна сходиться. Это означает, что все частицы
семейства должны иметь заряды, равные небольшим целым кратным друг друга (или
вообще не иметь заряда).
Среди аргументов против различных ТВО называют отсутствие однозначной
теории и масштаб объединения, столь далекий, что вряд ли эта теория когда-нибудь
будет доступна непосредственной экспериментальной проверке. Как же в таком
случае выбрать одну из соперничающих теорий? Если ТВО описывают природу в
столь малых масштабах и при столь высоких энергиях, которые мы никогда не
сможем наблюдать, то не превратится ли физика в метафизику? Не находимся ли
мы в положении Демокрита и других греческих философов, которые без конца
размышляли о формах и свойствах атомов, не имея ни малейшей надежды наблюдать
их?
Некоторые физики пылко надеются, что это не так, и указывают три
спасительные путеводные нити, которые позволяют нам сохранить власть над физикой в
масштабе объединения. Рассмотрим каждую из них в отдельности.
9. ПРОБЛЕСКИ СУПЕРСИЛЫ
Распад протона
На той неделе, когда ЦЕРН оповестил мир об открытии Z-частицы, Стивен Вайн-
берг находился на заседании Королевского общества в Лондоне. Он заявил, что
весьма пессимистически смотрит на будущее фундаментальной физики. Такой
прогноз мог показаться неожиданным. Как может Вайнберг, чья теория как раз на
этой неделе получила столь блестящее подтверждение, пессимистически смотреть
на развитие физики?
Подобно многим выдающимся физикам-теоретикам, Вайнберг на несколько шагов
опередил экспериментаторов. Его интересы уже давно переместились с электро-
слабой теории на Великое объединение и далее. Пессимизм Вайнберга был вызван
не прекрасным положительным результатом, полученным в ЦЕРНе, а получившим

меньшую огласку отрицательным результатом, сообщение о котором поступило с
озера Эри.
Эксперимент на озере Эри был одним из нескольких экспериментов, повторенных
в разных уголках мира, на которые возлагалась наибольшая, а возможно, и
единственная надежда проверить ТВО и хотя бы мельком увидеть бледную тень физики
в масштабах объединения. Все эти эксперименты преследовали одну цель —
обнаружить распад хотя бы одного протона. Сенсационное предсказание ТВО
нестабильности протона для большинства физиков явилось чем-то вроде грома среди
ясного неба, хотя, как я уже говорил, мысль об этом в течение нескольких лет
буквально носилась в воздухе. Долгое время проводились эксперименты по
определению пределов времени жизни протонов, но все эти эксперименты были
выдержаны в традиционном духе. Никто всерьез не ожидал обнаружить распад протона.
Когда из ТВО выяснилось, что массы, соответствующие объединению, составляют
примерно 1014 масс протона, сразу стало ясно, что физикам никогда не удастся
исследовать явления, сопутствующие Великому объединению, в прямых
экспериментах. Единственной надеждой была проверка какого-нибудь косвенного эффекта,
предсказываемого ТВО, и выбор пал на распад протона. Предсказываемое теорией
точное значение среднего времени жизни протона зависит от выбранного варианта
ТВО, но в большинстве теорий, в том числе в простейшей из них (известной под
названием минимальное SU (5) , это время оценивалось примерно в 1031 лет. Это
в 1021 раз больше возраста нашей Вселенной.
Как можно наблюдать процесс, который длится несравненно дольше возраста
доступной наблюдению Вселенной? Но дело в том, что отнюдь не каждый протон
живет до своего распада 1031 лет. Согласно квантовой физике, каждый отдельный
распад происходит непредсказуемо. 1031 лет соответствует среднему времени
жизни протона. Это означает, что если собрать 1031 протонов, то можно быть
уверенным, что за год-два один из протонов распадется. Именно из этого
исходят при проведении всех экспериментов по распаду протона. Многие тонны
вещества размещаются вне зоны влияния космических лучей и подвергаются
непрерывному контролю с целью обнаружить внезапный единичный распад протона.
Космические лучи — основная помеха в таких исследованиях: они загружают
чувствительные приборы всевозможными посторонними частицами. Чтобы избежать этих помех,
эксперимент приходится проводить у подножия горы или в глубокой шахте. Но и в
этом случае невозможно избавиться от нейтрино.
До ТВО время жизни протона по самым точным оценкам составляло 1028 лет. Это
весьма впечатляющее число, хотя оно относится к событию, которое никогда не
происходило. Должно быть, это наиболее достоверный пример события, о котором
известно, что оно не произойдет. Что еще заведомо известно из прямого
эксперимента о том, что не произойдет, по крайней мере, 1028 лет? С появлением ТВО
измерения времени жизни протона обрели главный стимул. Для подтверждения ТВО
точность эксперимента требовалось повысить, по крайней мере, в тысячу раз, а
это означало необходимость более сложных и дорогих экспериментальных
установок .
Перспектива обнаружить распад протона настолько завладела умами физиков,
что в исследования включилось несколько групп. Одной из первых была
совместная японо-индийская группа, соорудившая глубоко под землей, в одной из шахт в
Индии своего рода слоеный пирог из железных плит. Эта на первый взгляд
абсолютно безжизненная глыба вещества была окружена детекторами частиц, готовыми
зарегистрировать продукты распада протона. Ранней весной 1982 г. появилось
первое сообщение. Было зарегистрировано несколько "событии-кандидатов", на
основании которых время жизни протона было оценено примерно в 1031 лет, как
предсказывала простейшая версия ТВО.
Известие было встречено с огромным интересом, хотя и с определенной
осторожностью. Дело в том, что даже на тон глубине, где проводился эксперимент,

распад протона вполне могли имитировать космические лучи и нейтрино. Чтобы
подтвердить полученные результаты и вселить уверенность в физиков,
требовались другие эксперименты. Через несколько месяцев группа из ЦЕРНа,
проводившая эксперимент под Монбланом, также зарегистрировала событие, внешне
выглядевшее как распад протона, и интерес к распаду протона стал возрастать.
Казалось , мы подошли обнадеживающе близко к порогу новой области в физике.
Большое внимание было уделено последствиям нестабильности протона. Ведь
протоны — строительный материал ядерного вещества. Если протонам предстоит
распасться, то это означает исчезновение, в конце концов, и нашей Вселенной.
Произойдет это, разумеется, не вдруг и не сразу. Но постепенно, на протяжении
космических эпох все вещество будет неумолимо улетучиваться. Если оценка 1031
лет верна, то это означает, что на протяжении жизни человека в его теле с
вероятностью, близкой к единице, распадается, по крайней мере, один протон.
А как обстоит дело с другими составными частями атомов — нейтронами и
электронами? Процесс, ведущий к распаду протона, может вызвать и распад
нейтронов, хотя многие нейтроны претерпевают более обычный бета-распад. Каждый
протон, распадаясь, оставляет свой электрический заряд позитрону — аналогу
электрона в антивеществах. Каждый образовавшийся в результате этого позитрон
будет искать свою античастицу — электрон, и уничтожать его в процессе
аннигиляции. Поскольку вначале электронов во Вселенной было ровно столько, сколько
протонов, вполне вероятно, что электрон-позитронная аннигиляция, в конце
концов, приведет к полному уничтожению электронов во Вселенной. Таким образом, в
конечном итоге 1040 т вещества в видимой части Вселенной однажды обратятся в
прах. Печальная перспектива!
Чтобы быть уверенным в такой перспективе, физикам, прежде всего, необходимо
удостовериться в правильности утверждения о реальности распада протона. По
всему миру были проведены более точные эксперименты. Один из самых точных
проводился в соляной шахте на глубине 600 м под озером Эри. Использованные в
этом эксперименте протоны содержались в 8000 т тщательно очищенной воды,
залитой в резервуар, имеющий форму куба с длиной ребра около 18 м. В воду были
погружены 2000 фотоумножителей. Им предстояло зарегистрировать мгновенные
импульсы света, возникающие при движении быстрых заряженных частиц в плотной
среде. Замысел состоял в том, что такие короткие вспышки света должны были
свидетельствовать о появлении высокоэнергетических продуктов распада протона.
Если опенка времени жизни протона 1031 лет верна, то в эксперименте на озере
Эри в течение первых трех месяцев работы установки должно быть
зарегистрировано несколько таких распадов. В действительности же не удалось наблюдать ни
одного распада протона. Складывалось впечатление, что предыдущие сообщения
были ошибочными, и надежды на то, что удастся наблюдать распад протона,
начали угасать.
Этот отрицательный результат не опроверг ТВО, но, по-видимому, исключил
простейшие версии Великого объединения. Существуют более сложные теории,
предсказывающие гораздо большее время жизни протона, но и в этом случае
маловероятно, что мы когда-нибудь станем свидетелями распада протона; точность
экспериментов стремительно приближается к теоретическому пределу.
По мере того как становилось все яснее, что попытки обнаружить распад
протона обречены на неудачу, все больше внимания стал привлекать единственно
известный экспериментальный способ увидеть хотя бы смутные очертания физики,
соответствующей масштабу объединения. Я имею в виду магнитный монополь.
Магнитные монополи
В предыдущих главах мы часто упоминали о легендарной симметрии и красоте
уравнений в теории электромагнетизма Максвелла. Однако существует один

"недостаток", нарушающий в остальном безупречное изящество теории Максвелла.
Электричество и магнетизм представлены в уравнениях Максвелла не равнозначно.
Хотя электрическая и магнитная силы тесно взаимосвязаны, они входят в теорию
не вполне симметрично. Электрические поля создаются либо электрическими
зарядами, либо изменяющимися магнитными полями, в то время как магнитные поля
создаются только электрическим током и изменяющимися электрическими полями.
Казалось бы, нет веских оснований для того, чтобы магнитные поля не могли
создаваться магнитными зарядами (а электрические поля — магнитными токами).
У любого обычного стержневого магнита есть северный и южный полюса, но
более глубокий анализ показывает, что магнетизм в действительности обусловлен
электрическими токами, щфкулирующими в атомах. Так как виток с током
эквивалентен паре магнитных полюсов — северному с одной стороны витка и южному — с
другой, магнит представляет собой "диполь", т.е. имеет одновременно и
северный , и южный полюса. Виток с током не может иметь только один полюс, подобно
тому, как монета не может иметь лишь одну сторону. От магнита нельзя отделить
один полюс, т.е. создать монополь.
Исследования показывают, что все магниты представляют собой диполи.
Магнитные монополи, если они существуют, должны быть крайне неуловимы.
Систематическое изучение горных пород, в том числе и лунного грунта и проб, взятых со
дна океана, не обнаружило ни одного отдельного магнитного заряда. Многие
физики склонны думать, что магнитных монополей не существует. Если это
действительно так, то магнетизм — всего лишь вторичный продукт электричества.
Принять такую гипотезу это значит признать, что в природе не существует
симметрии между электричеством и магнетизмом.
В 1931 г. английский физик-теоретик Поль Дирак обнаружил, что в квантовой
физике определенно есть место магнитным монополям, хотя в природе такая
возможность не используется. Связав существование магнитных монополей с фазами
квантовых волн, Дирак обнаружил весьма любопытную связь между электрическим и
магнитным зарядами. Если магнитный монополь действительно существует,
утверждал Дирак, то магнитный заряд должен быть кратен некоторой заданной
величине, которая в свою очередь определяется фундаментальной величиной
электрического заряда. Следовательно, если монополь вдруг заявит о себе, мы, по
крайней мере, знаем, какой величины должен быть магнитный заряд.
Хотя проведенный Дираком анализ выявил место магнитного монополя в физике,
из теории Дирака отнюдь не следовало, что магнитные монополи непременно
существуют . Почти за полвека на эту тему было написано не так уж много. И вдруг в
1975 г. физики были потрясены сообщением о том, что магнитный монополь
обнаружен в космических лучах. Сообщение оказалось ложной тревогой, но послужило
стимулом к возрождению интереса к проблеме. Этому немало способствовали новые
теоретические идеи, благодаря которым новая концепция монополя оставила
далеко позади работу Дирака. По существу теоретики установили, что существование
магнитных диполей с той или иной степенью неизбежности вытекает из ТВО.
Монополь Великого объединения (МВО) "придумали" Хоофт и советский физик из
Москвы Александр Поляков. В их теоретических работах было показано, что МВО,
если они существуют, должны обладать довольно странными свойствами. Прежде
всего, масса монополя должна несколько превышать массу, характерную для
объединения, т.е. составлять почти 1016 масс протона, иначе говоря, достигать
массы амебы. Магнитные монополи не являются точечными частицами. Они должны
обладать сложной внутренней структурой луковичного типа, состоящей из силовых
зон.
Поскольку о прямом рождении столь массивных частиц не может быть и речи,
сторонники концепции магнитного монополя обратились к космологии. А что если
МВО образовались вместе с обычным веществом в процессе Большого взрыва и
сохранились как реликты до наших дней? Срочно были произведены вычисления, что-

бы выяснить, сколько монополей могло сохраниться в таком случае. К великому
удивлению теоретиков оказалось, что Вселенная должна буквально кишеть МВО.
Согласно одной из оценок, магнитных монополей должно быть не менее чем
атомов. Ясно, что в вычислениях что-то не так. Жесткие пределы
распространенности монополей вытекают из величины магнитного поля Галактики. В лучшем случае
монополи уступают по численности атомам в 1016 раз.
Теоретики все еще расходятся во мнениях относительно того, что тут делать,
и называют эту конфликтную ситуацию проблемой монополя. В гл. 12 мы коснемся
некоторых свежих идей, которые, по-видимому, позволяют точно решить проблему
монополя. А пока внимание физиков привлекли некоторые возможные следствия
того, что распространенность магнитных монополей во Вселенной действительно
достигает максимальной величины, допускаемой астрономическими наблюдениями.
Как показывают оценки, ежегодно до 200 монополей может попадать на каждый
квадратный километр поверхности Земли из космического пространства. Если бы
удалось зарегистрировать хотя бы один из них, то это явилось бы блестящим
подтверждением Великого объединения.
Такая перспектива стимулировала ряд попыток обнаружить космические монополи
с помощью витков с током. Все эти эксперименты основаны на одном принципе —
использовании некоторых материалов, обладающих сверхпроводимостью (при
охлаждении до очень низких температур сверхпроводники полностью утрачивают
электрическое сопротивление). Сверхпроводимость — по существу квантовый эффект, и
одно из важных свойств электрического тока, текущего по сверхпроводящему
витку, состоит в том, что магнитное поле этого тока "квантовано", т.е. величина
магнитного потока может быть лишь целым кратным некоторой величины. Если
через такой виток пролетит магнитный монополь, то величина магнитного потока
через виток скачком изменится на несколько квантовых единиц.
14 февраля 1981 г. Блаз Кабрера из Станфордского университета
зарегистрировал такой скачок магнитного потока. Наблюдение Кабреры вызвало в некотором
роде сенсацию и приветствовалось экспериментаторами как первое убедительное
свидетельство обнаружения магнитного монополя из космического пространства.
Другие группы поспешили провести свои эксперименты, надеясь подтвердить
результат Кабреры, но пока безуспешно. В то время, когда писались эти строки,
росло убеждение, что монополь Кабреры также может оказаться ложной тревогой.
Между тем теоретики вплотную занялись вопросом о том, что уже удалось бы
наблюдать, если бы на Землю из космического пространства посыпались монополи.
Одна из отличительных особенностей МВО — огромная масса, что делает его
гигантским хранилищем энергии, в 1016 раз большей, чем выделяется при
расщеплении ядра урана в ядерном реакторе. Для энергоснабжения среднего дома вполне
хватило бы нескольких десятков монополей в день.
Чтобы выделилась такая энергия, должна произойти аннигиляция монополя и ан-
тимонополя, т.е. северного и южного полюсов. Возникновение каждого северного
полюса сопровождается появлением южного полюса, поэтому в среднем на
поверхность Земли должно попадать одинаковое количество северных и южных полюсов.
Поскольку магнитные монополи, погружаясь в обычное вещество, сохраняют свою
стабильность, их в принципе можно было бы накапливать, сортируя северные и
южные и запасая в своего рода электромагнитных "сосудах". При необходимости,
смешав несколько северных полюсов с равным количеством южных полюсов, можно
было бы получить поразительное количество энергии. В крупных масштабах
подобное устройство могло бы превратиться в бинарное оружие чудовищной силы.
Некоторые геофизики допускают, что нечто подобное может происходить в
естественных условиях в недрах Земли. Падающие на Землю монополи замедляются в
земной коре, а попав в ядро Земли, накапливаются там. Геомагнитное поле
должно отводить северные полюсы к северу, а южные — к югу, препятствуя их
перемешиванию. При обращении геомагнитного поля эти две популяции могут меняться

местами, и при миграциях во встречных направлениях происходило бы большое
число столкновений северных полюсов с южными, сопровождаемых их аннигиляцией.
Высказывалось даже предположение, что этот процесс мог бы в основном
объяснить внутреннее тепло Земли.
Поиски распада протона и магнитных монополей отражают угасающие надежды
обнаружить хотя бы экспериментально проблески физических явлений, характерных
для масштаба объединения. Отказаться от намеченных исследований было бы
преждевременно, но многие физики приходят к заключению, что инициатива теперь
принадлежит теоретикам. Лишь немногие физики-теоретики считают, что теории
великого объединения — последнее слово науки. Но ведь ТВО преуспели в
объединении лишь трех из четырех фундаментальных взаимодействий. Какие новые
перспективы могут открыться, если появится единая теория в подлинном смысле
слова?
Гравитация — это "белая ворона" среди других сил природы. Остальные
взаимодействия имеют характер силовых полей, простирающихся в пространстве и
времени, гравитация же сама представляет собой пространство и время. Общая теория
относительности Эйнштейна описывает гравитацию как деформацию, искривление
пространства-времени. Это не что иное, как пустота, испытывающая возмущение.
Геометрической природе гравитационного поля, по-видимому, присуща
необычайная утонченность, но именно она создает серьезные трудности при любой попытке
квантового описания. На протяжении десятилетий общая теория относительности
Эйнштейна не поддавалась последовательной квантовой формулировке. Несмотря на
то, что гравитации соответствует калибровочное поле, ее описание на языке
обмена гравитонами (частицами — переносчиками гравитационного взаимодействия)
дает разумные результаты только в случае простейших процессов. Камнем
преткновения, как всегда, служат бесконечные члены, возникающие в уравнениях
всякий раз, когда встречаются замкнутые гравитационные петли.
Рис. 21. Взаимодействие гравитонов. Гравитация является источником
самое себя. На квантовом уровне это приводит к тому, что гравитоны
(волнистые линии) могут взаимодействовать друг С другом. В таком процессе
два гравитона, обмениваясь третьим, гравитационно взаимодействуют друг
с другом.
Проблема расходимости гравитационного поля усугубляется тем, что гравитон
сам по себе несет гравитационный заряд. В этом отношении он напоминает глюон,
который является переносчиком сильного взаимодействия и несет цветовой заряд.
Суперсила

Поскольку все формы энергии, включая гравитоны, являются источником
гравитации, можно утверждать, что гравитоны "гравитируют". Это означает, что два
гравитона могут взаимодействовать, обмениваясь между собой третьим
гравитоном, как показано на рис. 21. Можно придумать много сложных диаграмм с
обменом гравитонами, и совершенно очевидно, что число замкнутых гравитонных
петель (рис. 22) быстро растет по мере того, как включаются процессы, более
сложные, чем простой обмен гравитоном.
Рис.22. Способность гравитонов взаимодействовать между собой
делает возможным существование процессов, которым соответствуют
сложные сети гравитационных петель. Одна из таких петель
изображена на рисунке. Гравитационные петли приводят к возникновению в
математическом описании квантовой гравитации некомпенсируемых
бесконечных членов и по существу делают теорию беспомощной.
Появление бесконечной последовательности расходимостей в уравнениях
гравитационного поля ныне принято считать неизбежным недостатком квантовой теории
гравитации, основанной на теории Эйнштейна. Ситуация здесь напоминает
положение дел со слабым взаимодействием до его объединения с электромагнетизмом.
Обе теории "неперенормируемы".
В случае слабого взаимодействия причина была в симметрии: старая теория
испытывала недостаток симметрии. Но стоило ввести в нее мощную калибровочную
симметрию, как все расходимости, словно по мановению волшебной палочки,
исчезли. Теоретики извлекли из этого хороший урок, и лет десять назад принялись
за поиски новой симметрии, более широкой, чем ранее известные, которая
избавила бы гравитацию от неперенормируемости. Так физики пришли к идее
суперсимметрии .
Суть суперсимметрии связана с понятием спина в том виде, в каком оно
используется в физике элементарных частиц. Когда говорят о частице со спином,
имеют в виду не просто представление о крохотном шарике, вращающемся вокруг
собственной оси. Кое-что о необыкновенных свойствах спина было рассказано в
гл. 2. У частицы со спином происходит своего рода "раздвоение мира", не
соответствующее геометрической интуиции.
Существование спина имеет решающее значение для свойств частиц — в
зависимости от спина частицы разделяются на два класса. К одному классу относятся
"бозоны" — частицы, которые либо вообще не имеют спина (т.е. их спин равен
0) , как, например, гипотетическая частица Хиггса, либо имеют целочисленный
спин. К последним наряду с фотоном относятся W- и Z-частицы (все они имеют
спин 1) и гравитон (имеющий спин 2). В том, что касается спина, поведение
бозонов близко к нашим интуитивным представлениям.
Другой класс частиц образуют "фермионы". Они имеют полуцелый спин. Все
кварки и лептоны имеют спин, равный 1/2, и относятся к фермионам. Именно спи-

ном фермионов обусловлена необходимость двукратного поворота для возвращения
в исходное состояние, и это бросает вызов нашему воображению.
Бозоны и фермионы существенно отличаются по своим физическим свойствам.
Особенно сильно это различие проявляется в ансамблях частиц. Фермионы с
полуцелым спином, как у электрона, страдают своего рода "ксенофобией12", не
подпуская близко к себе своих двойников. В период младенчества квантовой физики
Паули сформулировал свой знаменитый "принцип запрета", согласно которому два
электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Это
означает, что в контейнер заданных размеров можно поместить конечное число
электронов, прежде чем возникнет своеобразный "протест". (Этот эффект не имеет
ничего общего с электрическим отталкиванием. Нейтрино и нейтроны ведут себя
столь же "несговорчиво".) Принцип Паули сыграл большую роль еще на заре
квантовой физики, так как позволил объяснить, почему все электроны в тяжелых
атомах не переходят в состояние с наименьшей энергией, образуя хаотическое
скопление . Вместо этого они в строгом порядке заполняют один за другим
энергетические уровни. Без подобного порядка химия оказалась бы совершенно
бесполезным занятием. Принцип Паули позволяет объяснить периодическую систему
химических элементов Д. И. Менделеева.
Принцип Паули дает возможность объяснить и многое другое в окружающем нас
мире, например различие между проводниками и изоляторами. В проводнике
некоторые электроны, приобретая энергию от внешнего электрического поля, могут
переходить на более высокие энергетические уровни. В изоляторе этого не
происходит , так как все более высокие уровни заняты другими электронами. Принцип
Паули помог объяснить также природу силы, препятствующей гравитационному
коллапсу белых карликов и нейтронных звезд. Не будь принципа Паули, все звезды
заканчивали бы свое существование как черные дыры.
В отличие от склонных к уединению фермионов бозоны стремятся быть вместе.
Принцип запрета не распространяется на них, и поэтому большие ансамбли
бозонов отличаются по своему поведению от "кузенов"- фермионов. Бозоны готовы
тесниться и ютиться в одном и том же состоянии. Из-за подобной склонности к
сотрудничеству бозоны выступают одной дружной командой, объединяя, а не
парализуя усилия друг друга. Большое количество бозонов может действовать
слаженно, вызывать макроскопические эффекты, которые можно непосредственно
наблюдать . Например, множество фотонов, движущихся согласованно, может приводить к
вполне определенным электромагнитным явлениям, например, таким, как
радиоволны. Фермионы не способны на нечто подобное, так как они мешают друг другу.
Именно поэтому мы никогда не наблюдаем макроскопических электронных волн,
хотя каждому электрону соответствует своя волна.
Принципиальные различия в физических свойствах фермионов и бозонов приучили
физиков десятилетиями хранить информацию о них в разных участках мозга. В
частности, все переносчики взаимодействия — бозоны, тогда как кварки и лептоны
— фермионы. Это означает, что бозоны принято ассоциировать с взаимодействием,
а фермионы с веществом. Столь резкое различие между ними, вероятно,
объясняет, почему у многих физиков вызвала недоумение предложенная в начале 70-х
годов суперсимметрия, объединяющая бозоны и фермионы в рамках одной теории.
Такое объединение напоминает вынужденный брак — столь различны по своим
свойствам эти две группы частиц; тем не менее, оно возможно, если обратиться к
симметрии, более широкой, нежели симметрия Лоренца—Пуанкаре, лежащая в основе
теории относительности. Математически суперсимметрия соответствует извлечению
квадратного корня из симметрии Лоренца—Пуанкаре. Физически же она
соответствует превращению фермиона в бозон и наоборот. Разумеется, в реальном мире
невозможно проделать такую операцию, как невозможно, вращая "волшебную ручку",
Ксенофобия — от греч. - чужой, ненависть к чужакам.

изменять индивидуальность электрона в случае калибровочных симметрии,
рассмотренных в предыдущих главах. Тем не менее, операцию суперсимметрии можно
сформулировать математически и можно построить теории, включающие
суперсимметрию .
Вскоре "супертеоретики" сосредоточили внимание на гравитации.
Суперсимметрия тесно связана с геометрией: если произвести одну за другой две
суперсимметричные операции, то получится простая геометрическая операция, вроде
пространственного сдвига. Математический аппарат суперсимметрии получил название
квадратного корня из геометрии. Гравитацию, представляющую собой в чистом
виде геометрию искривленного пространства, можно естественным образом выразить
на языке суперсимметрии, что позволяет более ярко продемонстрировать калибро-
вочно-полевую природу.
Объединяя бозоны и фермионы, суперсимметрия сводит в одно семейство частицы
с различными спинами. Набор частиц, одни из которых имеют спин, равный 0,
другие — 1/2, 1 и т.д., можно составить так, что семейство в целом будет
суперсимметричным. Следовательно, если мы требуем, чтобы теория гравитации была
суперсимметричной, то гравитон со спином 2 не сможет существовать отдельно.
Он должен принадлежать целому семейству частиц, связанных со спином 2
операцией суперсимметрии. К числу таких частиц относятся частицы со спином 0, 1/2,
1 и, что особенно важно, 3/2. Элементарные частицы со спином 3/2 неизвестны
(хотя комбинация из трех кварков может иметь суммарный спин 3/2), поэтому
предсказание такой частицы — одна из неизведанных особенностей
суперсимметрии .
Описание гравитации на языке суперсимметрии получило название
супергравитации. От обычной гравитации супергравитация отличается тем, что гравитон здесь
уже не единственный переносчик гравитационного взаимодействия. В качестве
переносчиков выступает целое суперсимметричное семейство, в том числе
загадочные частицы со спином 3/2, которые физики назвали "гравитино".
Детальная структура этого семейства зависит от математического
представления суперсимметрии, которому теоретик отдаёт предпочтение. Самое плодотворное
представление называется супергравитацией N = 8. В нем рассматривается
семейство частиц внушительных размеров: 70 частиц со спином 0, 56 — со спином 1/2;
28 — со спином 1 и 8 — со спином 3/2, а также единственный гравитон со спином
2. Возникает любопытный вопрос: можно ли отождествить все эти частицы с
известными в природе, т.е. с кварками, лептонами и переносчиками
взаимодействий? Если можно, то мы располагаем единой теорией природы, которая не только
включает все частицы вещества в одно суперсемейство, но и "обобществляет"
всех переносчиков взаимодействий, тем самым, объединяя все взаимодействия.
Таким образом, супергравитация создает основу для полного объединения, в
рамках которого весь мир управляется единственной верховной суперсилой —
суперсилой, предстающей перед нами различными гранями: то как электромагнитное
взаимодействие, переносимое фотонами, то как сильное взаимодействие,
переносимое глюонами, и т.д., но все эти грани связаны между собой суперсимметрией
(см. табл. 5).
В действительности супергравитация выходит и за такие рамки. Она дает
единое описание взаимодействия и вещества. В основе, как взаимодействия, так и
вещества лежат квантовые частицы, причем фотоны, W- и Z-частицы, а также
глюоны относятся к бозонам, тогда как кварки и лептоны — относятся к фермио-
нам. В суперсимметрии все они объединены. Подобно тому, как гравитон
сопровождается гравитино, переносчики других фундаментальных взаимодействий
сопровождаются новыми частицами, получившими названия фотино, вино, зино и глюино!
Существование всех этих "ино" решающим образом сказывается на
математической формулировке теории, в особенности на доставляющем столько беспокойства
вопросе о перенормируемости. Грубо говоря, "ино", относящиеся к фермионам,

порождают в теории расходимости противоположного знака по сравнению с расхо-
димостями, обусловленными бозонами, например гравитонами. Таким образом,
имеется тенденция к взаимному уничтожению бесконечных членов — отрицательные
бесконечности от гравитинных петель компенсируются положительными
бесконечностями от гравитонных петель. По существу бесконечности "насмерть" суперсим-
метризуют друг друга.
Электричество/
Mai наш 4ы
(Максвелл, 50*е годы
XIX Б.)
Слабое
Элвнтрослабое
(Салны, Вайнберг
1967)
Теории Великого
(Пгапоу, ндр, 1974)
Гравнпщиж
Суперсшн
(1990?)
Таблица 5. Последовательное обгьединение фундаментальных взаимодействий
началось с синтеза электричества и магнетизма в рамках теории
Максвелла в XIX в. Обгьединение слабого и электромагнитного взаимодействий
получило надежное подтверждение в 1983 г. благодаря открытию W- и Z-
частиц. Данных, подтверждающих Великое обгьединение, пока нет, но их с
нетерпением ожидают. Число теоретических предпосылок для создания
теории суперобгьединения всех фундаментальных взаимодействий в рамках
единой суперсилы, быстро растет.
С первых шагов супергравитации возник единственный острый вопрос: окажется
ли суперсимметрия достаточно широкой, чтобы обеспечить перенормируемость
супергравитации? Ответить на этот вопрос было нелегко. Супергравитация
открывает широкое поле деятельности, привлекающее внимание десятков теоретиков,
ежегодно по супергравитации публикуются сотни статей. Ее математический аппарат
стал настолько сложным, что за исключением узкого круга посвященных найдется
немного людей, которые понимают значение того или иного символа. В моем
отделе работает один специалист по супергравитации, и обычно даже неполный расчет
Занимает у него стопку бумаги толщиной 10 см. Ведь как ни просты и ни изящны
математические основы теории, проверка деталей может оказаться достаточно
кропотливой.
Из-за сложности и громоздкости вычислений пока еще не удалось ответить на
вопрос о перенормируемости супергравитации, но и то, что сумели установить
теоретики, выглядит весьма ободряюще. По-видимому, супергравитация не просто
позволит достичь перенормируемости, при которой расходимости в теории
сохраняются, но их удается обойти с помощью того или иного математического приема.
В супергравитации, очевидно, делается попытка получить конечные результаты.
По крайней мере, во всех выполненных до сих пор вычислениях окончательные
результаты неизменно оказывались конечными. Существует твердое убеждение, что в
супергравитации удалось, наконец, искоренить расходимости, от которых теория
поля страдала на протяжении, по крайней мере, двух поколений ученых.

Супергравитация — это последнее достижение, венчающее долгий поиск единства
в физике. И хотя она пребывает еще в стадии формирования, ее успехи сулят
надежду на решение трех главных проблем теоретической физики: как объединить
все четыре фундаментальных взаимодействия в единственной суперсиле; как
объяснить существование всех фундаментальных частиц (они необходимы для
поддержания суперсимметрии); почему гравитация гораздо слабее остальных
фундаментальных взаимодействий?
Уверенность в благополучном исходе исследований в некоторых кругах ученых
настолько сильна, что Стивен Хокинг видит в супергравитации N = 8 кульминацию
теоретической физики. Действительно, эта теория в принципе способна дать
объяснение всему, с чем имеет дело физика, — всем взаимодействиям и всем
частицам. Если Хокинг прав (хотя, возможно, еще не пришло время физикам-теоретикам
переквалифицироваться, скажем, в биохимики), то супергравитация принципиально
отличается от прочих физических теорий. До сих пор физические теории
рассматривались лишь как модели, которые приближенно описывают реальность. По мере
усовершенствования моделей согласие теории с реальностью улучшалось.
Некоторые физики теперь утверждают, что супергравитация и есть сама реальность, что
эта модель идеально согласуется с реальным миром. Возможно, слишком
амбициозное утверждение, но по нему можно судить об эйфории, порожденной последними
достижениями.
Крайне неясные перспективы экспериментальной проверки многих новых идей
противостоят энтузиазму теоретиков. На заседании Лондонского Королевского
общества Вайнберг подчеркнул безысходность сложившейся ситуации. "Квантовая
гравитация, по-видимому, недоступна любой экспериментальной проверке, которую
мы способны придумать, — заявил он. — Физика в основном вступает в такую эру,
когда эксперименты уже не в состоянии пролить свет на фундаментальные
проблемы. Положение очень тревожно". Я спросил у Вайнберга, не означает ли это, что
физика становится чисто умозрительной. "Не думаю, — ответил он.— Я надеюсь,
что острый ум экспериментаторов найдет какой-то выход". Но он признался, что
даже не представляет, каким мог бы быть выход.
В то время, когда я писал эту книгу, разработка единой теории существенно
продвинулась вперед, и смутно обозначились контуры полной теории, хотя до ее
экспериментальной проверки все еще очень далеко. Подобно многим заманчивым
образам единая теория может оказаться миражом, но впервые за всю историю
науки у нас складывается представление о том, как будет выглядеть законченная
научная теория всего сущего.
10. А НЕ ЖИВЕМ ЛИ МЫ В ОДИННАДЦАТИМЕРНОМ ПРОСТРАНСТВЕ?
Первая единая
теория поля
Физика пленяет в значительной мере тем, что ей часто удается объяснить
окружающий мир с помощью вещей, которых мы не видим и, более того, которые
вообще не поддаются наглядному представлению, сколько бы мы ни напрягали свое
воображение. Мы уже называли несколько примеров подобного рода, в том числе
спин частиц, корпускулярно-волновой дуализм, а также деформируемое
пространство . Некоторых подобная абстрактность физики раздражает и даже пугает.
Других она, наоборот, увлекает, вызывая игру воображения. Поклонники научной
фантастики стремятся найти в новой физике богатый кладезь "странных" идей.
Классический пример использования абстрактных понятий для объяснения
природы дал в 1915 г. Эйнштейн, опубликовав свою поистине эпохальную общую теорию
относительности. Эта работа принадлежит к числу немногих, которые знаменуют

поворотные моменты в представлениях человека об окружающем мире. Красота
теории Эйнштейна обусловлена не только могуществом и элегантностью уравнений
гравитационного поля, но и всесокрушающим радикализмом его взглядов. Теория
Эйнштейна не только смела одним махом ньютоновскую теорию гравитации и
механику, но и разрушила представление о гравитации как о силе. Общая теория
относительности уверенно провозгласила, что гравитация представляет собой
геометрию искривленного пространства. Таким образом, Эйнштейн свел само понятие
гравитации к чистой геометрии. На смену представлению об ускорении в
пространстве пришло представление об искривлении пространства.
Теория Эйнштейна ознаменовала столь важный прогресс в понимании природы,
что уже вскоре стал неизбежным пересмотр взглядов и на другие силы природы. В
это время единственной "другой" силой, существование которой было твердо
установлено , являлось электромагнитное взаимодействие. Однако внешне оно
совершенно не походило на гравитацию. Более того, за несколько десятков лет до
создания теории гравитации Эйнштейна электромагнетизм успешно описала теория
Максвелла, и не было никаких оснований сомневаться в справедливости этой
теории .
На протяжении всей жизни Эйнштейн мечтал о создании единой теории поля, в
которой все силы природы сливались бы воедино на основе чистой геометрии.
Поискам такой схемы Эйнштейн посвятил большую часть своей жизни после создания
общей теории относительности. Однако по иронии судьбы ближе всех к реализации
мечты Эйнштейна подошел малоизвестный польский физик Теодор Калуца, который
еще в 1921 г. заложил основы нового и неожиданного подхода к объединению
физики, до сих пор поражающего воображение своей дерзостью.
Калуца был вдохновлен способностью геометрии описать гравитацию; он задался
целью обобщить теорию Эйнштейна, включив электромагнетизм в геометрическую
формулировку теории поля. Это следовало сделать не нарушая "священных"
уравнений теории электромагнетизма Максвелла. То, что удалось сделать Калуце —
классический пример проявления творческого воображения и физической интуиции.
Калуца понимал, что теорию Максвелла невозможно сформулировать на языке
чистой геометрии (в том смысле, как мы ее обычно понимаем), даже допуская
наличие искривленного пространства. Он нашел удивительно простое решение, обобщив
геометрию так, чтобы она "вместила в себя" теорию Максвелла. Чтобы выйти из
затруднения, Калуца нашел весьма необычный, но вместе с тем неожиданно
убедительный способ. Калуца показал, что электромагнетизм является своего рода
"гравитацией", но не обычной, а "гравитацией" в ненаблюдаемых измерениях
пространства .
Физики долю привыкали к тому, чтобы пользоваться временем как четвертым
измерением. Теория относительности установила, что пространство и время сами по
себе не являются универсальными физическими понятиями, так как они неизбежно
сливаются в единую четырехмерную структуру, называемую "пространство-время".
Калуца фактически сделал следующий шаг: он постулировал, что существует еще
дополнительное пространственное измерение и общее число измерений
пространства равно четырем, а всего пространство-время насчитывает пять измерений. Если
принять это допущение, то, как показал Калуца, произойдет своего рода
математическое чудо. Гравитационное поле в таком пятимерном мире проявляет себя в
виде обычного гравитационного поля плюс электромагнитное поле Максвелла —
если наблюдать этот мир из пространства-времени, ограниченного четырьмя
измерениями. Своей смелой гипотезой Калуца по существу утверждал, что если мы
расширим свое представление о мире до пяти измерений, то в нем будет
существовать лишь единственное силовое поле — гравитация. То, что мы называем
электромагнетизмом, — всего лишь часть гравитационного поля, которая действует в
пятом дополнительном измерении пространства, которое мы не в состоянии
наглядно представить.

Теория Калуцы не только позволила соединить гравитацию и электромагнетизм в
единой схеме, но и дала основанное на геометрии описание обоих силовых полей.
Так, электромагнитная волна (например, радиоволна) в этой теории не что иное,
как пульсации пятого измерения. Особенности движения электрически заряженных
частиц в электрических и магнитных полях прекрасно объясняются, если
предположить, что частицы пребывают в дополнительном пятом измерении. Если принять
эту точку зрения, то вообще нет никаких сил — существует только геометрия
искривленного пятимерного пространства, а частицы свободно "кочуют" по
наделенной структурой пустоте.
Математически гравитационное поле Эйнштейна в пространстве пяти измерений в
точности и полностью эквивалентно обычной гравитации плюс электромагнетизм в
пространстве четырех измерений; разумеется, это нечто большее, чем просто
случайное совпадение. Однако в таком случае теория Калуцы остается загадочной
в том отношении, что столь важное четвертое измерение пространства вообще не
воспринимается нами13. Пространство, доступное нашему непосредственному
восприятию, с полной очевидностью и неизменностью остается трехмерным. Если
четвертое измерение пространства существует, то где же оно? Прежде чем ответить
на этот вопрос, следует также выяснить, что мы в действительности понимаем
под размерностью пространства.
Что такое размерность?
В научной фантастике уже давно обыгрываются преимущества, связанные с
дополнительными измерениями пространства. Авторы часто обращаются к ним, чтобы
перемещать своих персонажей из одного места Вселенной в другое, избегая
утомительных путешествий со скоростью света или около того — в общем черепашьим
шагом — по обычному трехмерному пространству. Так, в книге Артура Кларка
"Космическая Одиссея: 2001" экспедиция на Сатурн завершается рискованным
проникновением в дополнительное измерение на одном из спутников Сатурна.
Однако интерес к проблеме размерности пространства возник задолго до
появления фантастики. Древние греки остро чувствовали ее значение для развития
науки геометрии. Непосредственно столкнуться с проблемой размерности их
заставил любопытный случай, связанный со свойствами правильных многоугольников
(замкнутых плоских фигур со сторонами равной длины, например квадратов,
правильных пяти-, восьмиугольников и т. п.) . Количество различных правильных
многоугольников безгранично — могут существовать правильные многоугольники с
любым числом сторон. Однако существует всего лишь пять типов различных
правильных многогранников (замкнутых объемных фигур, грани которых образованы
правильными многоугольниками). Грекам было свойственно наделять геометрию
глубоким мистическим смыслом, а Птолемей даже написал исследование на тему о
размерности, в котором утверждалось, что в природе вообще не может
существовать более трех пространственных измерений.
В дальнейшем математики, в частности Риман, систематически изучали свойства
многомерных пространств с чисто математических позиций. При этом основная
проблема заключалась в формулировке последовательного определения
размерности. Это было совершенно необходимо для доказательства строгих теорем
относительно пространств с различным числом измерений.
Интуитивно все геометрические структуры мы подразделяем на одно-, двух- и
трехмерные в соответствии с их протяженностью. Так, не имеющей протяженности
точке соответствует нулевая размерность. Линия является одномерной, поверх-
Существуют примитивные животные, живущие в двухмерном пространстве, а бактерии вообще
живут в одномерном. Почему бы ни быть животным, живущим в четырехмерном пространстве? Просто
возможно на нашей планете их нет.

ность — двумерной, объем — трехмерным. Вряд ли нам удастся лучше
сформулировать эти определения, чем это сделал сам Евклид почти за 300 лет до н. э. :
Точка — это то, что не имеет частей. Линия — длина, лишенная ширины.
Плоскость — это то, что имеет только длину и ширину. Объем — это то, что имеет
длину, ширину и глубину.
Далее Евклид уточнял, что границами линии служат точки, границами
поверхности — линии, а границей объемного тела — поверхность. Возникла мысль
определить размерность по иерархической схеме, начиная с нулевой размерности точки,
а затем шаг за шагом увеличивая ее на единицу. Тогда одномерным будет объект,
у которого началом и концом служат точки, т.е. линия. Двигаясь далее, мы по
индукции придем к определению четырехмерной структуры как ограниченной
трехмерным объемом. Число измерений, которые можно логически ввести таким
способом, не ограниченно, однако сама процедура не содержит каких" либо указаний
на реальную физическую ситуацию.
Более наглядное и ясное представление о трехмерности можно получить с
помощью другой схемы, основанной на указании местоположения точек в пространстве.
Представьте себе, что вам необходимо встретиться с приятелем в заранее
обусловленном месте. В этом случае можно указать географическую широту и долготу
выбранного места; пусть это будет, например, Эмпайрстейт билдинг. Но в этом
случае остается еще одна неопределенная величина — высота. На каком этаже
должна состояться встреча? Итак, в общей сложности необходимо указать три
независимых числа для того, чтобы однозначно определить положение точки в
пространстве . По этой причине такое пространство называют трехмерным.
Рис.23. Двумерная вселенная. Плоское существо , живущее во Флатландии,
не имеет представления о "верхе" и "низе". Шар, пронизывающий плоский
мир, воспринимается этим существом как двумерный объект, меняющий свою
форму.
Теория относительности обнаружила, что пространство переплетено со
временем, поэтому в действительности следует говорить не об одном только
пространстве, а о пространстве-времени. В какой день вы собираетесь встретиться с
приятелем в здании Эмпайр-стейт-билдннг? Указание времени события требует
задать единственное число ("дату"), так что время одномерно. Объединяя
пространство и время, мы приходим к четырехмерному пространству-времени.
Когда мы пытаемся наглядно представить дополнительные измерения, например,
четвертое пространственное измерение (в этом случае полное пространство-время
насчитывает пять измерений), нашей интуиции оказывается недостаточно. Для об-
Например, черви планарии.

легчения задачи можно обратиться к аналогии. Вообразим двумерное
"блинообразное" создание, которое обречено существовать только на
поверхности; у него отсутствуют представления о "верхе" и о "низе". На рис. 23
изображена такая плоская вселенная. Мы можем догадываться, что эта поверхность в
действительности "вложена" в трехмерное пространство, однако обитатель
плоского мира не в состоянии понять эту более широкую точку зрения. Он
воспринимает только события, происходящие на самой поверхности.
Возникает вопрос: а что будет наблюдать это создание, когда поверхность
пересекается трехмерным объектом? Поверхность рассечет этот объект, причем
размеры и форма сечения будут в общем случае изменяться по мере прохождения
объекта. Так, сечение сферы в первый момент будет выглядеть как точка, которая,
постепенно "расплываясь", превратится в круг все увеличивающегося радиуса;
достигнув максимального радиуса, круг начнет уменьшаться в размерах,
напоследок снова превратившись в точку. Более сложные объекты будут создавать при
прохождении следы более сложного сечения.
Рассуждая далее, по аналогии можно предположить, что четыре измерения
пространства-времени "вложены" во вселенную, имеющую пять или даже большее число
измерений. Геометрию такой вселенной трудно вообразить, однако с помощью
математики можно построить законченное логическое описание ее. Математики уже
давно обобщили законы геометрии на случай пространства с произвольным числом
измерений (включая бесконечно большое). Поэтому смысл многомерных пространств
вполне можно понять, хотя непосредственному восприятию доступно лишь три
измерения .
Ь
Рис. 25. Вершины прямоугольного параллелепипеда образованы тремя
взаимно перпендикулярными прямыми линиями. В трехмерном пространстве из
вершины нельзя провести ни одной прямой, которая была бы
перпендикулярна всем трем ребрам.
Какие особенности присущи четырехмерному пространству? Один из аспектов
размерности касается числа взаимно перпендикулярных направлений, которые
существуют в данном пространстве. Например, пространство этой страницы
двумерно. Если положить ее на стол, то в любом из углов края страницы образуют две
прямые линии, перпендикулярные друг к другу. Из того же угла невозможно
провести третью прямую, лежащую в плоскости страницы и перпендикулярную обоим ее
краям. Однако направление такой прямой удастся найти, если выйти из плоскости
страницы и начертить вертикальную линию. Таким образом, в трехмерном
пространстве в отличие от двумерной поверхности страницы существует три взаимно
перпендикулярных направления.

В четырехмерном пространстве удалось бы найти четыре взаимно
перпендикулярных направления. На рис. 24 изображен15 случай трех измерений: три взаимно
перпендикулярные прямые исчерпывают максимально возможное число таких прямых.
Как бы мы ни старались, мы никогда не найдем в обычном пространстве прямую,
перпендикулярную всем трем. Любая прямая, перпендикулярная трем названным,
должна идти в направлении, не принадлежащем нашему пространству. И хотя мы не
в состоянии представить, как проходит подобная прямая, очевидно, что
формально она могла бы существовать. Ее можно описать, а именно вычислить и
систематизировать ее геометрические параметры.
Простым примером сказанного может служить знаменитая геометрическая теорема
древнегреческого геометра Пифагора, которая знакома любому школьнику. Эта
теорема относится к прямоугольным треугольникам; на рис. 25 длины сторон
такого треугольника обозначены соответственно а, Ь, х. Теорема Пифагора
утверждает, что эти величины связаны между собой простой формулой х2 = а2 + Ь2.
Если положить для удобства а=3, Ь=4, тох=5, поскольку 25 = 9 + 16.
b
с
Рис. 2 6. Длину диагонали прямоугольного параллелепипеда можно выразить
через длины его ребер а, Ь и с, просто обобщив теорему Пифагора.
Нетрудно перенести это обобщение и на случай четырех или большего числа
измерений пространства.
Треугольник, изображенный на рис. 25, является, очевидно, двумерным
объектом, однако теорему Пифагора можно без труда обобщить на случай трех
измерений. На рис. 26 изображен прямоугольный ящик (параллелепипед) со сторонами а,
Ь, с. Теорема Пифагора в этом случае относится к длине х диагонали,
проведенной между противоположными вершинами ящика. Соответствующая формула имеет вид
х2 = а2 + Ь2 + с2, очень сходный с двумерным случаем; однако теперь для
вычисления длины диагонали нам необходимо знать длины трех взаимно
перпендикулярных сторон.
В четырехмерном пространстве для нахождения длины диагонали пришлось бы
использовать длины четырех взаимно перпендикулярных сторон, а, Ь, с и d. В этом
случае формула имела бы вид х2 = а2 + Ь2 + с2 + d2. Таким образом, хотя нам и
не удается вообразить четырехмерный ящик, мы в состоянии детально
проанализировать его геометрические свойства.
Однако при всей важности подобных геометрических рассмотрении такие
построения остаются не более чем карточным домиком. И этот домик рухнул с
наступлением в конце прошлого века эры современной математики, ознаменовавшейся
Рисунок пропущен, впрочем, он и не требуется особо.

развитием могущественного раздела математики — теории множеств. Одно из
сильнейших потрясений, испытанных математиками, было связано с открытием Георга
Кантора. Оно заключалось в том, что линия насчитывает столько же точек,
сколько и поверхность. Интуитивное представление, что на поверхности в
бесконечное число раз больше точек, чем в проведенной на ней линии, было полностью
опровергнуто. Это утверждение было встречено скептически весьма уважаемыми
математиками. Некоторые отвергали открытие Кантора, объявив его безумным.
Шарль Эрмит писал: "Чтение писаний Кантора напоминает настоящую пытку...
Отображение линии на поверхности совершенно неубедительно... подобный
произвол. .. Автору следовало бы подождать с этим..." — и далее в том же духе.
Лишь на рубеже нынешнего столетия справедливость восторжествовала, и
удалось дать удовлетворительное определение размерности. Благодаря важным
работам Л. Е. Дж. Брауэра, Рене Лебега и других была, в конце концов, найдена
надежная процедура сравнения двух пространств с целью сопоставления их
размерностей. Соответствующие методы и доказательства основаны на тонких
абстрактных понятиях теории множеств, весьма далеких от наших интуитивных
представлений. Лишь подобная тщательность и внимание к деталям позволили закрепить
формальные основы нашей науки и нашего повседневного опыта.
Почему три?
Какова бы ни была действительная размерность пространства, несомненно, что
нашему восприятию непосредственно доступны лишь три измерения. Многие ученые
задавались вопросом, можно ли объяснить, почему природа "выбрала" именно
число три и является ли это число в определенном смысле выделенным.
В 1917 г. физик Пауль Эренфест написал статью под названием "Каким образом
в фундаментальных законах физики отражается тот факт, что пространство
трехмерно?". Эренфест обратил внимание на факт существования устойчивых орбит —
типа тех, по каким планеты движутся вокруг Солнца или электроны вокруг
атомного ядра. В физике широко распространен закон "обратных квадратов",
описывающий характер изменения различных сил с расстоянием. В гл. 5 мы
узнали, что этому закону следуют гравитационные, электрические и магнитные
силы. Еще в 1747 г. Иммануил Кант осознал глубокую связь между этим законом и
трехмерностью пространства. Уравнения, описывающие гравитационное или
электрическое поле точечного источника, можно легко обобщить на случай
пространства с другим числом измерений и найти их решения для этого случая.
Из этих решений видно, что в пространстве с п измерениями мы приходим к
закону обратной степени n—1. В частности, в трехмерном пространстве п—1=2 и
справедлив закон "обратных квадратов"; в четырехмерном пространстве п—1=3
(закон "обратных кубов") и т.д. Нетрудно показать, что если бы гравитационное
поле Солнца действовало на планеты, например, по закону "обратных кубов", то
планеты, двигаясь по спиральным траекториям, довольно быстро упали бы на
СоАнщвоиианаяпнаршшинонбйлюдается и в мире атомов. Оказывается, что, даже
если принять во внимание квантовые эффекты, у электронов не будет устойчивых
орбит в пространстве с числом измерений больше трех. А без устойчивых атомных
орбит не было бы химических процессов, а следовательно, и жизни.
От размерности пространства существенно зависит еще одно явление —
распространение волн. Нетрудно показать, что в пространствах с четным числом
измерений не могут распространяться "чистые" волны. За волной обязательно
возникают возмущения, которые вызывают реверберацию. Именно поэтому четко
сформированные сигналы нельзя передавать по двумерной поверхности (например, по
резиновому покрытию). Анализируя этот вопрос, математик Г. Дж. Уитроу в 1955 г.
пришел к выводу, что высшие формы жизни были бы невозможны в пространствах

чётной размерности, поскольку живым организмам для согласованных действий
необходимы эффективная передача и обработка информации.
Эти исследования отнюдь не доказывают невозможность другого числа измерений
пространства; они лишь говорят о том, что в мире с числом измерений, отличным
от трех, физика была бы совершенно другой и, возможно, такой мир был бы
значительно менее упорядочен по сравнению с тем, который мы реально
воспринимаем.
Как совместить все это с теорией Калуцы, в которой вселенная имеет четыре
пространственных измерения? Одна возможность состоит в том, чтобы
рассматривать дополнительное, невидимое измерение исключительно как формальный
математический прием, не имеющий физического смысла. Однако более привлекательная
идея была высказана вскоре после публикации Калуцей первоначального варианта
теории.
Теория Калуцы—Клейна
В 1926 г. шведский физик Оскар Клейн предложил блестящий по простоте ответ
на вопрос о том, куда же исчезло пятое измерение Калуцы. Клейн предположил,
что мы не замечаем дополнительного измерения потому, что оно в некотором
смысле "свернулось" до очень малых размеров. Поясним это на примере шланга
для полива. Издали он выглядит просто как извилистая линия. При близком
рассмотрении то, что мы принимали за точку на линии, оказывается окружностью
(рис. 27).
Рис. 27. С большого расстояния трубка кажется волнистой линией. При
ближайшем рассмотрении точка Р на этой линии оказывается окружностью
поверхности трубки. Возможно, что объект, обычно воспринимаемый нами
как точка в трехмерном пространстве, в действительности представляет
собой крошечную окружность в других измерениях пространства. Эта идея
лежит в основе теории Калуцы—Клейна, объединяющей электромагнитное и
гравитационное взаимодействия.
Клейн предположил, что Вселенная устроена аналогичным образом. То, что мы
обычно Считаем точкой в трехмерном пространстве, в действительности является
крохотной окружностью в четвертом пространственном измерении. Из каждой точки
пространства в направлении ни вверх, ни вниз, ни вбок, ни куда-либо еще в
воспринимаемом нами пространстве выходит небольшая "петелька". Мы не замечаем
всех этих "петель" вследствие крайней малости их размеров. Чтобы свыкнуться с
идеей Клейна, требуется время. Во-первых, мы не можем представить себе, где
же свертываются эти петли? Ведь они находятся не на пространстве, а расширяют
его, Подобно тому, как кривая, многократно описывая петлю за петлей, вырисо-

вывает трубку. Мы без труда представляем себе это в двух измерениях, но не в
четырех. Однако предположение Клейна все-таки сохраняет смысл. При этом не
возникает проблемы ни с устойчивостью орбит, ни с распространенней волн. Дело
в том, что ни вещество, ни поля (в виде волн) не могут неограниченно
перемещаться в дополнительном измерении. Наличие пятого измерения допустимо, однако
ничто не может ускользнуть из него сколь-нибудь далеко. Тем самым теория
Калуцы—Клейна, увы, не оставляет никаких надежд фантастам использовать ее для
сокращения пути в пространстве.
Клейн вычислил периметр петель вокруг пятого измерения, используя известное
значение элементарного электрического заряда электрона и других частиц, а
также величину гравитационного взаимодействия между частицами. Он оказался
равным 10~32 см, т.е. в 1020 раз меньше размера атомного ядра. Поэтому
неудивительно, что мы не замечаем пятого измерения: оно скручено в масштабах,
которые значительно меньше размеров любой из известных нам структур, даже в
физике субъядерных частиц. Очевидно, в таком случае не возникает вопроса о
движении, скажем, атома в пятом измерении. Скорее это измерение следует
представлять себе как нечто находящееся внутри атома.
Несмотря на ее неординарность теория Калуцы—Клейна на протяжении более
полувека оставалась по существу не более чем математическим курьезом. С
открытием в 30-е годы нашего столетия слабых и сильных взаимодействий идеи
объединения гравитации и электромагнетизма в значительной мере потеряли свою
привлекательность . Последовательная единая теория поля должна была включить в
себя уже не две, а четыре силы. Очевидно, это нельзя было сделать, не
достигнув глубокого понимания слабых и сильных взаимодействий. В конце 70-х годов
благодаря свежему ветру, принесенному теориями Великого объединения (ТВО) и
супергравитацией, вспомнили старую теорию Калуцы—Клейна. С нее стряхнули
нафталин , сдули пыль, приодели по моде и включили в нее все известные на сегодня
взаимодействия.
В ТВО теоретикам удалось собрать в рамках одной концепции три очень
различных вида взаимодействий; как мы узнали из предыдущих глав, это обусловлено
тем, что все три взаимодействия могут быть описаны с помощью калибровочных
полей. Основное свойство калибровочных полей состоит в существовании
абстрактных симметрии, благодаря которым этот подход обретает элегантность и
открывает широкие возможности. Наличие симметрии силовых полей достаточно
определенно указывает на проявление некоторой скрытой геометрии. В возвращенной к
жизни теории Калуцы—Клейна симметрии калибровочных полей приобретают
конкретность — это геометрические симметрии, связанные с дополнительными измерениями
пространства.
Как и в первоначальном варианте, взаимодействия вводятся в теории путем
присоединения к пространству-времени дополнительных пространственных
измерений. Однако, поскольку теперь надо дать пристанище взаимодействиям трех
типов , приходится вводить несколько дополнительных измерений. Простой подсчет
количества операций симметрии, входящих в ТВО, приводит к теории с семью
дополнительными пространственными измерениями (так что их общее число достигает
десяти); если же учесть время, то всего пространство-время насчитывает
одиннадцать измерений. Таким образом, современный вариант теории Калуцы—Клейна
постулирует одиннадцатимерную вселенную.
При этом необходимо предполагать, что дополнительные семь измерений
пространства каким-то образом свернуты в столь малых масштабах, что мы вообще не
замечаем их. Одно дополнительное измерение можно свернуть лишь единственным
способом, а именно в "окружность". Однако многомерные пространства можно
свернуть (или компактифицировать) различными способами. Например, двумерную
поверхность можно присоединить так, чтобы она образовывала либо поверхность
сферы, либо поверхность тора (фигуры, имеющей формы бублика). Обе структуры

замкнуты, и их размеры могут быть предельно малыми; однако они существенно
различаются своей топологией: у бублика есть дырка!
Когда же речь идет о семи измерениях, набор возможных топологий становится
чрезвычайно большим. Какая из них верна? Один из наиболее привлекательных
вариантов — это семимерный аналог сферы, т.е. 7-сфера. Если невидимые измерения
пространства действительно имеют такую форму, это означает, что каждая точка
трехмерного пространства фактически представляет собой крохотный семимерный
"гипершар", 7-сфера привлекла внимание математиков более полувека назад в
связи с тем, что она обладает рядом уникальных геометрических свойств. Нет
необходимости входить в детали этого, но если бы природе понадобилась
замкнутая геометрическая структура, допускающая существование в реальном мире всех
известных фундаментальных взаимодействий, то простейшей из них была бы 7-
сфера. Все наблюдаемые нами структуры — от атомов до галактик — нельзя
получить с помощью более простой математической конструкции.
Сфера — в высшей степени симметричная фигура, причем 7-сфера обладает
многими дополнительными симметриями, не свойственными обычной сфере. Именно с их
помощью удается смоделировать основополагающие калибровочные симметрии
силовых полей. Однако физикам понадобилось много времени, чтобы обнаружить эти
поля, в частности по той причине, что симметрии иногда оказываются скрытыми,
или нарушенными (в том смысле, как это описано в гл. 8) . В теории Калуцы—
Клейна такое нарушение симметрии достигается небольшой деформацией семимерной
структуры, ее отклонением от идеальной сферичности. Слегка сплюснутая 7-сфера
считается сейчас наиболее вероятной конфигурацией дополнительных
компактифицированных измерений пространства.
Воскрешенная теория Калуцы—Клейна вдохновила теоретиков на переформулировку
законов физики с учетом одиннадцати измерений. При этом возникла
необходимость объяснить, почему единое пространство-время допускает расщепление
размерностей на семь и четыре. Насколько неизбежно, чтобы семь из одиннадцати
измерений свернулись, став невидимыми, а остальные четыре оказались
доступными непосредственному восприятию, или возможны и другие разбиения, например на
восемь и три?
В поисках причин спонтанной компактификации семи измерений теоретики
исходили из того, что физические системы всегда стремятся к состоянию с
наименьшей энергией. В гл. 8 мы уже приводили пример действия этого принципа: шарик
на поверхности "сомбреро" в конечном итоге переходит в устойчивое состояние с
наименьшей энергией, скатываясь на "поля" сомбреро. Это наводит на мысль, что
слегка сплюснутая 7-сфера в некотором смысле воплощает в себе конфигурацию
пространства-времени с наименьшей энергией.
Вместе с тем можно допустить, что 7-сфера — лишь одна из многих возможных
конфигураций. Заманчиво предположить, что где-то в космосе, за пределами
наблюдаемой Вселенной пространство имеет другое число измерений. Возможно,
переместившись на тысячи миллионов световых лет, мы оказались бы в мире с пятью
пространственными измерениями вместо трех. Тогда мы смогли бы ответить на
вопрос: «Почему три?». Одиннадцатимерное пространство-время могло бы быть
разбито на области (домены) с различной наблюдаемой размерностью. Поскольку
свойства силовых полей зависят от геометрических симметрия
компактифицированных измерений, характер взаимодействий должен был бы изменяться при переходе
от одной области к другой. Эти изменения порождали бы ряд проблем,
обсуждавшихся ранее, в частности связанных с устойчивостью, волновым движением и т.
п. В результате физические условия в областях пространства-времени, где нет
обычного расщепления на семь и четыре, резко отличались бы от условий,
существующих в наблюдаемой нами Вселенной. Сомнительно, чтобы в подобных областях

могла цвести жизнь16 или вообще могло что-либо существовать. Живые организмы
имеют чрезвычайно тонкую организацию и их существование, по-видимому,
критически зависит от единственно гармоничного сочетания взаимодействий, которое
характерно для нашей Вселенной. Отсюда следует, что мы самим своим
существованием выбрали область пространства-времени с тремя пространственными
измерениями, доступными непосредственному восприятию. Мы просто не смогли бы жить в
области с иным числом измерений.
Почему одиннадцать?
Использование так называемого антропного принципа для объяснения
трехмерности непосредственно воспринимаемого нами пространства порождает новые
интересные вопросы. Должно ли полное число измерений пространства-времени
неизбежно равняться одиннадцати или оно также может меняться от места к месту? Не
может ли существовать мир, в котором из полного числа измерений, равного
двадцати одному, семнадцать свернулись в компактную структуру? Такой мир будет
обладать значительно более сложной системой силовых полей, чем те четыре
взаимодействия, которые мы наблюдаем в окружающем нас мире. Кто знает, какие
замысловатые структуры, какие утонченные формы жизни могли бы возникнуть в
такой вселенной?
На протяжении всей истории человечества люди увлекались цифрологией,
исповедовали культ чисел. Древние греки наделяли определенные числа мистическим
смыслом. До наших дней число четыре — число сторон квадрата — хранит следы
того, что в древности связывалось с честностью и справедливостью, — как в
выражении «а square deal» (честная сделка). (Square в английском языке
означает, с одной стороны, «квадрат, прямоугольник », а с другой — «честный»,
«прямой» , а также «ровный», «точный».)
Многие люди до сих пор верят в «счастливые» и «несчастливые» числа, такие,
как три, семь, тринадцать. В Библии неоднократно упоминаются числа семь и
сорок; число 666 люди связывают с дьяволом17 и т.п.
Когда мы встречаемся с теми или иными числами, возникает искушение поискать
скрывающийся за ними смысл. Иногда эти числа кажутся чисто случайными, как,
например, число планет в Солнечной системе. За другими, возможно, скрывается
какой-то более глубинный смысл. Так, оказалось, что число адронов
определяется числом возможных комбинаций кварков. А что такое размерность пространства-
времени: столь же случайное число, как количество планет и тому подобное? Или
это указание на существование фундаментальных фактов, отражающих на языке
логики и математики структуру физического мира?
Имеется любопытное свидетельство того, что число одиннадцать действительно
имеет глубокий математический смысл. Оно происходит из области физики,
называемой супергравитацией, которая, по крайней мере, на первый взгляд,
совершенно не связана с теорией Калуцы-Клейна.
В предыдущей главе рассматривался наиболее многообещающий вариант
супергравитации , называемый N=8. Это таинственное обозначение требует расшифровки.
Операция суперсимметрии связывает частицы с разными спинами в единое
супер-семейство, содержащее 163 частицы. Может возникнуть вопрос, почему их
только 163. Если операция суперсимметрии превращает частицы с одним значением
спина в частицы с другим спином, то что мешает, продолжая этот процесс до
бесконечности, получить, таким образом, бесконечное количество частиц с про-
16 Жизнь Земного типа, но мы на самом деле смутно представляем, что такое Земная жизнь, не
говоря уже о жизни вообще.
17 Это тоже из Библии (Апокалипсис), то есть так считал тот, кто его написал. Люди, писавшие
манускрипты, составившие Библию, как-то не очень Задумывались о размерности пространства,
все они жили в мире окруженном дикими племенами, кочевниками, и сами недалеко ушли от них.

извольно большими значениями спина? Но чтобы операция суперсимметрии
действительно представляла собой один из видов симметрии, она должна содержать лишь
«замкнутую» последовательность операций. Подобная операция создает только
конечное семейство частиц. Кроме того, поскольку в силу веских математических
причин не могут существовать частицы со спином больше 2, суперсемейство из
163 частиц оказывается максимально возможным. N=8 обозначает число шагов,
посредством которых операция суперсимметрии связывает частицы с различными
спинами (в пределах возможного диапазона значений). Так как спин может быть
направлен «вверх» либо «вниз», его проекция может изменяться от значения +2
(частица со спином 2, направленным «вверх») до значения —2 (частица со спином
2, направленным «вниз»), причем это изменение происходит с шагом 1/2.
Очевидно , что в интервале от —2 до +2 восемь таких шагов; это означает, что для
создания всего суперсемейства частиц со всевозможными значениями проекций
спина, необходимо восемь операций суперсимметрии. Оказывается, что это число
связано и с количеством различных типов гравитино, которое в этой теории
также равно восьми. Понятие спина связано со свойствами вращения частиц в
обычном трехмерном пространстве. Математики одно время тешились построением
описания спина в пространствах с другим числом измерений — чтобы посмотреть, как
это будет выглядеть. Оказывается, однако, что если основываться на
супергравитации, то теория значительно упрощается, когда число измерений превышает
три. В частности, для простейшей из всех формулировок требуется как раз
одиннадцать измерений: в этом случае восемь различных операций суперсимметрии,
соответствующих супергравитации «N = 8», вырождаются в единственную операцию,
и возникает супергравитация «N = 1».
Представим себе восторг математика, который, не имея представления о
размерности реальной Вселенной и исходя лишь из соображений элегантности и
единства описания, открыл бы супергравитацию. Он будет вынужден сформулировать
теорию пространства-времени в одиннадцати измерениях и сделать вывод, что
если бы природа имела представление о самой себе, то она, конечно, «выбрала» бы
число одиннадцать в качестве размерности реального мира. Является ли это
обстоятельство простой случайностью или оно указывает на глубокую связь
супергравитации с теорией Калуцы-Клейна? Многие физики надеются, что такая связь
действительно существует, и два направления объединения в физике —
супергравитация и теория Великого объединения — приведут к созданию единого описания.
Саламу принадлежит высказывание: «Если эта теория справедлива, то мы,
возможно, очень близки к окончательному и полному объединению всех взаимодействии и
обладающего спином вещества, в котором (объединении) фундаментальные заряды
служат проявлением скрытых размерностей пространства».
Геометризация природы
Мы убедились, насколько близка к реализации мечта Эйнштейна о построении
единой теории поля на основе геометрии. В современном варианте теории Калуцы-
Клейна все силы природы, подобно гравитации, рассматриваются как проявление
структуры пространства-времени. То, что мы обычно называем гравитацией,
обусловлено кривизной четырехмерного пространства-времени, тогда как остальные
силы обусловлены кривизной пространства более высокой размерности. Все силы
природы выступают просто как проявление скрытой геометрии. Еще в 1870 г.
математик У. К. Клиффорд, обращаясь с мемуаром «О пространственной теории
материи» в престижное Кембриджское философское общество, писал: «Небольшие
участки пространства напоминают холмы на ровной в среднем поверхности... Подобные
деформации (или искривления) непрерывным образом, точно волна, переходят из
одной области пространства в другую... Изменение кривизны пространства и есть

то явление, о котором мы говорим как о движении материи. Вообще в физическом
мире не происходит ничего, кроме такого изменения».
Эти мысли звучат удивительно пророчески, если вспомнить об общей теории
относительности, примерно полвека спустя созданной Эйнштейном. Однако Клиффорд,
по-видимому, пошел дальше общей теории относительности, предположив, что не
только силы, но и частицы вещества, в сущности, представляют собой всего лишь
«кочки» и «ухабы» пустого пространства.
Есть глубокие основания предполагать, что вся Вселенная, включая, по-
видимому, «твердое» вещество, воспринимаемое нашими органами чувств, — это
всего лишь проявление извилистого ничто. Мир в конечном итоге окажется
слепком абсолютной пустоты, самоорганизованным вакуумом. Геометрия сыграла роль
повивальной бабки науки. Кропотливая работа многих поколений астрономов,
наносивших на карты звездного неба траектории небесных тел, привела, в конечном
счете, к ньютоновской научной революции и объяснила движение небесных светил
с помощью сил и полей. Теперь круг замыкается: поля и взаимодействия получают
объяснение на языке геометрии.
В начале 60-х годов американский физик-теоретик Джон Уилер, обобщив труды
Клиффорда и Эйнштейна, попытался создать всеобъемлющую теорию, основанную
лишь на геометрии пустого пространства-времени. Он назвал свою программу гео-
метродинамикой. Ее цель состоит в объяснении природы, как частиц, так и
взаимодействий на основе геометрии.
Хорошей иллюстрацией общих идей, лежащих в основе теории Уилера, может
служить его модель электрического заряда. По мнению Уилера, заряженная частица
представляет собой нечто вроде входа в крошечный туннель, соединяющий друг с
другом точки пространства и проходящий через другое измерение.
Противоположный конец туннеля предстает перед нами как другая частица с зарядом
противоположного знака. Таким образом, два конца уилеровской «кротовой норы» могли
бы соответствовать, например, паре электрон — позитрон. Физики прошлого века
сказали бы, что электрические силовые линии сходятся к заряженной частице и
заканчиваются на ней, а в теории Уилера эти линии просто концентрируются в
норе, вновь появляясь с другого конца (рис. 28). Согласно этим
представлениям, в источниках электрического поля вообще нет необходимости: нужны лишь
«дыры» в пространстве, засасывающие в себя электрические поля.
Рис. 28. Уилер предположил, что электрическая заряженная частица могла
бы представлять собой торец крохотной трубки — «кротовой норы»,
проходящей через другое измерение пространства и соединяющейся с привычным
нам трехмерным пространством в том месте, где во Вселенной находится
частица с противоположным зарядом.
Геометродинамика обладает множеством подобных замечательных свойств, однако
эта теория никогда не пользовалась особым успехом. Сам Уилер писал, что
«наиболее очевидным недостатком теории является то, что в ней вообще нет
естественного места для спина 1/2, и для частицы нейтрино в частности».
В дальнейшем Уилер пришел к убеждению, что вообще никакая теория, в которой
изначально принимается существование пространства-времени, не может объяснить
само это понятие. В частности, размерность пространства-времени привносится с

самого начала в такую теорию и потому не может быть следствием. Любая
законченная теория природы должна объяснить существование «исходного материала» —
самого пространства-времени, — из которого далее строится
геометродинамический мир.
Уилер полагает, что подобная теория может основываться лишь на идеях
квантовой физики, и предвидит время, когда мы поймем, каким образом именно квант
(а не пространство-время) служит основным «кирпичиком» мироздания.
Теперь нам уже ясно, что неудача теории Уплера отчасти обусловлена тем, что
она ограничивается четырьмя измерениями. При полном числе измерений, равном
одиннадцати, резко возрастает разнообразие и сложность физических структур,
которые удается построить. В теории Калуцы-Клейна частицы рассматриваются не
как «кротовые норы», а как возбуждения пространства с одиннадцатимерной
геометрией. Остается только надеяться, что саму эту геометрию удастся объяснить
с помощью квантовых явлений, как это предлагается программой Уилера.
Исследование
скрытых измерений
Сколь бы прекрасной ни была природа, однако, сами по себе красота и
изящество теории не могут убедить физиков в ее истинности. Необходимы
неопровержимые физические доказательства. Могущество и элегантность одиннадцатимерной
теории Калуцы-Клейна обязывают нас относиться к ней серьезно, однако, если не
найдется никаких способов доказать существование семи дополнительных
пространственных измерений, теория в значительной мере потеряет свою
привлекательность .
К счастью, по-видимому, можно продемонстрировать существование
дополнительных измерений. Чтобы теория Калуцы-Клейна была единственной, семь
дополнительных измерений пространства должны свернуться, по всей вероятности, в
форме 7-сферы диаметром порядка 10~32 см. Изучение подобных
ультрамикроскопических структур представляет серьезный вызов современной физике. Пока столь
малые объекты нам не подвластны, ибо нечего направить «внутрь» 7-сферы для ее
изучения.
В квантовой физике каждому масштабу длин сопоставляется масштаб энергий
(или эквивалентных масс). Например, диаметр ядра (около 10~12 см)
соответствует примерно массе пиона. Чем меньше изучаемый масштаб длин, тем выше
необходимая для этого энергия. Для изучения кварковой структуры протона требуются
энергии, эквивалентные, по крайней мере, десятикратной массе протона.
Значительно выше по шкале энергий расположена масса, соответствующая Великому
объединению (примерно 1014 масс протона). Если нам когда-либо удастся достичь
столь огромной массы (энергии), от чего мы сегодня весьма далеки, то появится
возможность изучить мир Х-частиц, в котором стираются различия между кварками
и лептонами.
Какая же энергия необходима, чтобы проникнуть «внутрь» 7-сферы и
исследовать дополнительные измерения пространства? Согласно теории Калуцы-Клейна,
требуется превзойти масштаб Великого объединения и достичь энергий,
эквивалентных 1019 масс протона. Лишь при таких невообразимо огромных энергиях
удалось бы непосредственно наблюдать проявления дополнительных измерений
пространства .
Эта огромная величина — 1019 масс протона — носит название массы Планка,
так как она была впервые введена Максом Планком, создателем квантовой теории.
При энергии, соответствующей массе Планка, все четыре взаимодействия в
природе слились бы в единую Суперсилу, а десять пространственных измерений
оказались бы полностью равноправными. Если бы удалось сконцентрировать достаточное

количество энергии, обеспечивающее достижение массы Планка, то полная
размерность пространства проявилась бы во всем своем великолепии.
Дав свободу воображению, можно представить, что однажды человечество
овладеет Суперсилой. Если бы это случилось, то мы обрели бы власть над природой,
поскольку Суперсила в конечном счете порождает все взаимодействия и все
физические объекты; в этом смысле она является первоосновой всего сущего. Овладев
Суперсилой, мы смогли бы менять структуру пространства и времени, по-своему
искривить пустоту и привести в порядок материю. Управляя Суперсилой, мы
смогли бы по своему желанию создавать или превращать частицы, генерируя новые
экзотические формы материи. Мы даже смогли бы манипулировать размерностью
самого пространства, создавая причудливые искусственные миры с немыслимыми
свойствами. Мы стали бы поистине властелинами Вселенной!
Но как этого достичь? Прежде всего, необходимо добыть достаточное
количество энергии. Чтобы представить, о чем идет речь, напомним, что линейный
ускоритель в Станфорде длиной 3 км разгоняет электроны до энергий, эквивалентных
20 массам протона. Для достижения энергии Планка ускоритель потребовалось бы
удлинить в 1018 раз, сделав его размером с Млечный Путь (около ста тысяч
световых лет) . Подобный проект не из тех, что удастся осуществить в обозримом
будущем.
В теории Великого объединения отчетливо различаются три пороговых значения,
или масштаба, энергии. Прежде всего — это порог Вайнберга-Салама,
эквивалентный почти 90 массам протона, выше которого электромагнитные и слабые
взаимодействия сливаются в единое электрослабое. Второй масштаб, соответствующий
1014 массам протона, характерен для Великого объединения, и основанной на нем
новой физики. Наконец, предельный масштаб — масса Планка, — эквивалентный
1019 массам протона, соответствует полному объединению всех взаимодействий, в
результате чего мир поразительно упрощается. Одна из самых больших нерешенных
проблем состоит в объяснении существования этих трех масштабов, а также
причины столь сильного различия первого и второго из них.
Современная техника способна обеспечить достижение лишь первого масштаба.
Как отмечалось в предыдущей главе, распад протона мог бы дать нам косвенное
средство для изучения физического мира в масштабе Великого объединения, хотя
в настоящее время, по-видимому, нет никаких надежд непосредственно достичь
этот предел, не говоря уже о масштабе массы Планка.
Означает ли это, что мы никогда не сможем наблюдать проявлений изначальной
суперсилы и невидимых семи измерений пространства. Используя такие
технические средства, как сверхпроводящий суперколлайдер, мы быстро продвигаемся по
шкале достижимых в земных условиях энергий. Однако создаваемая людьми техника
отнюдь не исчерпывает всех возможностей — существует и сама природа.
Вселенная представляет собой гигантскую естественную лабораторию, в которой 18
млрд. лет назад был «проведен» величайший эксперимент в области физики
элементарных частиц. Мы называем этот эксперимент Большим взрывом. Как будет
сказано далее, этого изначального события оказалось достаточно для
высвобождения — хотя и на очень короткое мгновение — Суперсилы. Впрочем, этого,
видимо, оказалось достаточно, чтобы призрачное существование Суперсилы навсегда
оставило свой след.
Суперструны
Темпы современных исследований таковы, что с тех пор, как английское
издание книги было направлено в печать, в развитии программы Великого объединения
достигнуты дальнейшие успехи — создана так называемая теория суперструн.
При обычном подходе к построению модели мира предполагается, что все
вещество состоит из частиц, а поиск фундаментальных частиц является главной целью

физики высоких энергий. Как мы видели, даже поля, описывающие силы природы,
получают интерпретацию с помощью частиц — переносчиков взаимодействия. Но
теперь этому фундаментальному предположению брошен вызов. По-видимому, мир
состоит не из частиц, а из струн.
Теория струн возникла в 60-е годы при попытках выяснить внутреннее строение
адронов. Оказывается, что кварки, связанные друг с другом снующими внутри
адронов глюонами, в некотором отношении ведут себя подобно нитям, или струнам.
Теория сначала вызвала определенный интерес, однако, не была вполне успешной.
В частности, обнаружилось, что при определенных условиях струны двигались бы
быстрее света, что абсолютно недопустимо. Развитие тематики, связанной со
струнами, приостановилось, и большинство физиков обратились к другим
проблемам, а теория поддерживалась главным образом усилиями Майкла Грина из
Колледжа королевы Марии при Лондонском университете и Джона Шварца из
Калифорнийского технологического института, США.
Затем в середине 70-х годов теория струн получила значительное развитие,
которое, в конечном счете, привело к превращению заумной старой теории в
нечто несравненно более мощное и элегантное. В это время теория элементарных
частиц находилась под большим влиянием концепции суперсимметрии, и теоретики
исследовали результаты перехода к суперсимметричным струнам. При этом
выяснилось, что новые «суперструны» имеют огромные преимущества перед старыми
струнами. Во-первых, из теории было исключено сверхсветовое движение. Во-вторых,
в пределе низких энергий теория выглядела весьма обычной — очень напоминала
супергравитацию. Стало складываться впечатление, что теория суперструн может
оказаться значительно более широкой, нежели просто теория адронов. Затем в
1982 г. Грин и Шварц обнаружили, что суперсимметрия позволяет изгнать
бесконечности в случае струн аналогично тому, как это делает теория частиц.
Бесконечности при высоких энергиях, вызывавшие столько беспокойства в
теориях частиц и старой теории струн, в определенном классе теорий суперструн
полностью исчезли.
Однако лишь в 1983 г. произошло то, что заставило физиков обратить
серьезное внимание на теорию суперструн. Речь идет о замечательном математическом
свойстве этой теории, которое казалось «слишком хорошим, чтобы быть верным».
Один из недостатков физики квантовых частиц носит название проблемы аномалий.
Под этим безобидным термином понимают появляющиеся в квантовой теории
математические члены, которые согласно фундаментальным свойствам симметрии,
присущим теории еще до квантования, должны быть равны нулю. Иными словами,
придание теории квантового характера вызывает неожиданное появление в ней членов,
которые «не имеют права» на существование. Эти члены нарушают
последовательность теории и могут приводить к столь нежелательным последствиям, как
нарушение законов сохранения энергии и электрического заряда. Поразительное
свойство конкретного варианта теории суперструн, исследованной Грином и Шварцем,
состоит в неожиданной перегруппировке математических членов, которая точно
компенсирует и устраняет аномалии! По словам Майкла Грина, «происходит
сокращение слагаемых, от которых ничего подобного нельзя было ожидать». Таким
образом, теория удивительным образом освобождается от аномалий.
Устранения аномалий оказалось достаточно, чтобы привлечь к теории
суперструн внимание других известных теоретиков; но это было лишь начало.
Выяснилось, что сокращение происходит лишь в том случае, когда суперструны
конструируются на основе очень частного вида калибровочной симметрии (она известна
как группа SO (32) , или Е8хЕ8 ) . В отличие от теории частиц, где можно
свободно выбирать среди многих конкурирующих видов калибровочной симметрии, в
последовательной теории суперструн выбор разрешенной калибровочной группы
почти однозначен. Обе допустимые группы включают уже известные — например
группу SU (3) , связанную со слабыми, сильными и электромагнитными силами.

Этот факт указывает на сходство теории суперструн со стандартной физикой
частиц в области низких энергий.
Последнее обстоятельство, сразу обеспечившее теории суперструн хорошую
репутацию, заключается в том, что эту теорию, следует формулировать в
пространстве-времени с десятью измерениями. В прошлом считалось, что высокая
размерность теории суперструн делает ее безнадежно нереалистической, однако по
прошествии нескольких лет под влиянием теорий Калуцы-Клейна физики восприняли
идею высокой размерности довольно спокойно. В конце концов, с нежелательными
высокими размерностями всегда можно справиться с помощью «компактификации».
Однако десятимерная теория имеет важное математическое преимущество по
сравнению с одиннадцатимерной теорией Калуцы-Клейна. Как показал Эд Уиттен из
Принстона, любая теория, формулируемая в пространстве нечетной размерности,
обладает серьезным недостатком. Речь идет о существовании в природе
«врожденной» закрученности вправо или влево — «хиральности». Как отмечалось, слабое
взаимодействие вносит в физику асимметрию между левым и правым, и к
четырехмерной теории хиральной вселенной можно прийти лишь в том случае, если
исходить из теории с четным числом измерений. Это препятствие, весьма серьезное
для теории Калуцы-Клейна, полностью устранено в десятимерной теории
суперструн .
Основное преимущество струн перед частицами состоит в их поведении при
высоких энергиях. При низких энергиях струны ведут себя вполне аналогично
частицам, однако с приближением к энергии Планка становятся существенными
внутренние движения — струны начинают «вибрировать». Это резко меняет
математическую структуру теории как раз там, где обычная теория начинает давать сбои и
приводит к нежелательным бесконечностям. Благодаря объединению суперсимметрии
и внутреннего движения струн становится весьма вероятным полное избавление от
этих бесконечностей.
Таким образом, теории суперструн, возникшие из скромных попыток
смоделировать некоторые свойства адронов, приобрели статус вполне зрелой программы
объединения взаимодействий. Эти теории делятся на два класса: струны со
свободными концами и струны в виде замкнутых петель. Грин и Шварц предпочли
сначала вариант струн со свободными концами, однако, в этом случае допустима
лишь группа симметрии SU (32). Некоторые теоретики обнаружили, что более
привлекательна другая группа Е8 , в частности потому, что позволяет построить
теорию как чисто гравитационную и извлечь из нее другие силы, подобно тому
как это делается в теории Калуцы-Клейна.
Буква Е указывает здесь на особый характер группы (англ. exceptional.),
которая названа так, поскольку ее существование математически неочевидно. В
модели замкнутых струн используется удвоенная группа Е8 (обозначаемая Е8хЕ8),
что открывает интересную возможность: предсказывается существование двух
различных миров — по одному на каждую группу Е. Частицы в каждом из этих миров
обладают всеми обычными свойствами, включая способность взаимодействовать
друг с другом посредством различных сил природы. Однако у частиц в «другом»
мире будет существовать свой собственный идентичный набор иных
взаимодействий. Таким образом, между частицами из разных миров не будет прямого
взаимодействия, за исключением гравитации. Гравитационные эффекты, обусловленные
веществом «иного» мира, будут проявляться и в «этом» мире.
Это приводит к фантастической идее о существовании «призрачной вселенной»,
взаимно переплетенной с реальной Вселенной, но во многом остающейся
незаметной . Так, может существовать «призрачная материя», проникающая в вас в данный
момент; ее слабое гравитационное воздействие не способно вызвать заметные
эффекты. Вместе с тем «призрачная» планета, проходящая через Солнечную систему,
могла бы сдвинуть Землю с ее орбиты. «Призрачную» черную дыру нельзя отличить
от черной дыры из обычного вещества. Очень существенно, что космологам давно

известно о существовании во Вселенной огромного количества невидимого
вещества, вызывающего гравитационное возмущение, но в остальном остающегося
совершенно незаметным. Возможно, что это невидимое вещество и есть «призрачная
материя» .
Уиттен отозвался о теории суперструн как о «безусловном чуде» и уверенно
предсказал ей ведущую роль в физике в предстоящие пятьдесят лет. Будущее
покажет, насколько оправданна или преждевременна такая эйфория, однако
предстоит большая работа. Как и теория Калуцы-Клейна, теория суперструи имеет
всеобъемлющий характер. Это означает, что, начиная с Суперсилы — всеобщего и
изящного объединения частиц и взаимодействий при сверхвысоких энергиях,
теория, в конечном счете, так или иначе должна вернуться к описанию обычных
физических явлений. Если теория вообще претендует на установление контакта с
экспериментальной физикой, то необходим переход от струн в десяти измерениях
к свойствам частиц в четырех измерениях при низких энергиях. В настоящее
время математические проблемы, связанные с подобным шагом, кажутся
непреодолимыми. Тем не менее, концепция, которая известна под названием «теория всего
сущего» , — программа полного объединения в форме теории Калуцы-Клейна или
суперструн — столь привлекательна, что многие талантливые теоретики с
нетерпением ждут возможности испробовать свои силы.
11. ИСКОПАЕМЫЕ КОСМОСА
Происхождение элементов
Солнечным весенним днем 1822 г. молодой сельский врач Гидеон Мантелл
навещал пациента неподалеку от своего родного города Льюиса в графстве Сассекс
(Англия). В этой поездке доктора Мантелла сопровождала его жена Мэри Энн,
которая, пока муж занимался больным, воспользовалась возможностью побродить по
сельским улочкам. Проходя мимо груды камней, добытых из карьера для ремонта
дороги, миссис Мантелл заметила странный блестящий предмет коричневого цвета.
При ближайшем рассмотрении он оказался куском песчаника, содержащим несколько
гигантских зубов. Миссис Мантелл показала находку своему мужу, геологу-
любителю, и он пришел в сильное возбуждение. Найденные зубы напоминали зубы
ящерицы игуаны, и доктор Мантелл сделал смелое предположение, что они когда-
то принадлежали огромным травоядным рептилиям, населявшим Землю еще до
появления млекопитающих. Он назвал эти существа игуанодонами. Так чета Мантеллов
впервые обнаружила и правильно описала останки динозавров.
Случайное открытие миссис Мантелл пришлось на критическое для науки время.
По традиции возраст Земли считался равным нескольким тысячам лет, что
усиленно поддерживалось библейским мифом о сотворении мира. Однако к концу
восемнадцатого столетия геология уже становилась настоящей наукой, и большинство
геологов начали осознавать, что такие процессы, как образование осадочных
пород или выветривание, имеют затяжной характер и совершаются за огромные
промежутки времени. Еще в 1779 г. французский геолог Жорж Лун Леклерк оценил
возраст Земли лишь в 75 тыс. лет. Однако к середине XIX в. этот отрезок
времени «растянулся» до сотен миллионов (а возможно, и миллиардов) лет. В
настоящее время методами радиоактивного датирования возраст Земли оценивается в
4,6 млрд. лет.
Найденные Мантеллами останки вскоре были признаны останками вымерших
существ, которые населяли Землю 65—200 млн. лет назад. Достойна восхищения
мысль» что, изучая современные горные породы, можно кое-что узнать о мире в
столь далекие времена; 200 млн. лет — такой гигантский отрезок времени, что
не поддается человеческому воображению. Дальнейшие более тщательные поиски

привели к открытию останков живых организмов, возраст которых оценивается не
менее чем в 3 млрд. лет (а возможно, близко к 4 млрд.).
У большинства людей представление об ископаемых, или реликтах,
ассоциируется с застывшими отпечатками некогда существовавших живых организмов. Но
имеется немало и других физических объектов, также несущих на себе отпечаток
отдаленного прошлого. Например, «рябь» на поверхностях Луны, Марса и Меркурия —
это след интенсивных метеоритных бомбардировок планет в период образования
Солнечной системы. В определенном смысле все физические объекты являются
реликтами. Любой из существующих объектов имеет свою историю и несет информацию
об обстоятельствах своего возникновения и развития. Задача, причем весьма
нетривиальная, состоит в том, чтобы расшифровать эту информацию.
Для начала интересно выбрать наиболее знакомый нам объект — наш собственный
организм и попытаться выяснить, что он может поведать о прошлом.
Прежде всего, отметим, что наш организм содержит биологическую информацию,
которая закодирована в генах — отдельных участках молекул ДНК, имеющих
характерную структуру. Молекулы ДНК лежат в основе всей жизни на Земле. Поэтому их
можно рассматривать как реликт возникновения жизни на Земле около 4 млрд. лет
назад. Наша генетическая структура несет на себе бесчисленные отпечатки
физических условий, в которых находились наши предки на протяжении многих веков и
которые способствовали эволюции человека. Поэтому наш организм — это живой
реликт, который в закодированном виде хранит в себе историю нашей планеты.
Биологическая информация определяется тем, какими способами атомы углерода,
водорода, кислорода и других элементов, входящих в состав живых организмов,
образуют сложные соединения. Ну а что можно сказать о самих атомах, из
которых построен наш организм и весь окружающий нас мир?
Согласно современным космологическим представлениям, эти атомы существовали
не всегда: они являются реликтами физических процессов, происходивших в
глубинах Вселенной задолго до образования Земли. Атомы — это ископаемые космос».
Как мы видели в гл.2, первооснову космического вещества составляет водород,
на который вместе с гелием приходится около 10% всех атомов, тогда как на
каждый из остальных примерно 90 элементов — лишь малая доля. В нашем организме
сконцентрированы многие элементы, которые в космосе встречаются в следовых
количествах. Они зарождались в сложных процессах, происходящих внутри звезд.
На начальных стадиях существования Вселенной космическое вещество
практически не содержало элементов среднего и тяжелого веса. Такие элементы — это
«зола» ядерных «костров», пылающих в недрах звезд. Ядро звезд, подобных
Солнцу, представляет собой термоядерный реактор, в котором горючим служат в
основном ядра водорода (протоны). Огромная температура внутри Солнца заставляет
протоны двигаться столь интенсивно, что, несмотря на мощное
электростатическое отталкивание, они время от времени соударяются друг с другом. Если
протоны при соударении сближаются до радиуса сильного ядерного взаимодействия,
становится возможным их слияние (синтез). Ядро, состоящее из двух протонов,
неустойчиво, но если один из протонов в результате слабого взаимодействия
(процесса, обратного бета-распаду) превратится в нейтрон, то образуется
устойчивое ядро дейтерия; при этом высвобождается энергия, способствующая
поддержанию высокой температуры в недрах звезды. Последующие реакции синтеза
приводят к превращению дейтерия в гелий. В старых звездах преобладает синтез
более тяжелых ядер из легких. В ходе следующих один за другим процессов
синтеза сначала образуется углерод, а затем и все более сложные ядра.
По мере исчерпания запасов ядерного горючего звезды ее внутренняя структура
все более напоминает луковицу (мы вновь прибегаем к этой аналогии);
последовательные слои «луковицы» состоят из различных химических элементов, и это
строение отражает различные стадии в длительном процессе ядерного синтеза на
протяжении своей «жизни» звезда постепенно превращается из почти чистой смеси

первичного водорода и гелия в хранилище ядерной «золы», состоящей из тяжелых
химических элементов. На заключительном этапе эволюции такая звезда может
стать неустойчивой. Слабеющие ядерные реакции уже не в состоянии поддерживать
внутри звезды такие значения температуры и давления, которые обеспечивали бы
устойчивость огромной звездной массы. В результате гравитация, выйдя из-под
контроля, вызывает мгновенное сжатие (коллапс) Звезды. Гигантский выброс
энергии в виде нейтрино и ударных волн, исходящих из внутренней области
звезды, буквально сдувает внешние слои звезды в окружающее пространство,
разбрасывая тяжелые элементы по просторам галактики. Подобный выброс обычно
называют взрывом сверхновой (см. гл.5). Каждый взрыв сверхновой обогащает галактику
ничтожно малыми (следовыми) количествами элементов, столь необходимых для
образования планет типа Земли, а в дальнейшем — для зарождения и эволюции
населяющих ее форм жизни. Таким образом, наш организм построен из реликтовых
осколков когда-то ярких звезд, которые погибли задолго до возникновения Земли и
Солнца.
Тяжелые элементы в окружающем нас мире несут на себе отпечаток бурной
истории Вселенной, однако, от несравненно более неистовой эпохи космической
эволюции, Большого взрыва, ведут свое начало легкие элементы — водород и гелий.
Возникает вопрос: существовали ли эти элементы «с самого начала» или они
являются реликтами какой-то очень ранней фазы?
Ключ к пониманию ранних этапов эволюции Вселенной скрыт в гигантском
количестве теплоты, выделившейся при Большом взрыве. В своем простейшем варианте
теория горячей Вселенной предполагает, что Вселенная спонтанно возникла в
результате взрыва из состояния с бесконечно большой плотностью и бесконечно
большой тепловой (внутренней) энергией. По мере расширения Вселенной
температура падала — сначала быстро, а затем все медленнее — от бесконечно большого
значения до довольно низкой величины, при которой возникли условия,
благоприятные для образования звезд и галактик. На протяжении около 100 тыс. лет
температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию
атомов. Таким образом, примерно 100 тыс. лет космическое вещество сохраняло
форму разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь
когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры
поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы - это реликты
эпохи, наступившей через 100 тыс. лет после Большого взрыва.
Остается, однако, еще более интересный вопрос. Каково происхождение ядер
водорода и гелия? Не являются ли они продуктами физических процессов,
происходивших в еще более ранние эпохи? В первые несколько минут после Большого
взрыва температура космической плазмы превышала 106 К - этого было вполне
достаточно для протекания ядерных реакций. Методом численного моделирования
на ЭВМ и с использованием данных ядерной физики астрофизикам удалось
воспроизвести детали ядерных процессов, происходивших в первые минуты существования
Вселенной.
Согласно полученным результатам, в конце первой секунды температура
достигала 1010 К - это слишком много для того, чтобы могли существовать сложные
ядра. Все пространство было тогда заполнено хаотически движущимися протонами
и нейтронами, вперемешку с электронами, нейтрино и фотонами (тепловым
излучением) . Ранняя Вселенная расширялась чрезвычайно быстро, так что по прошествии
минуты температура упала до 108 К, а спустя еще несколько минут — ниже
уровня, при котором возможны ядерные реакции. Таким образом, в процессе эволюции
ранней Вселенной существовал относительно короткий (порядка нескольких минут)
промежуток времени, когда протоны и нейтроны могли объединяться, образуя
сложные ядра.
Основной ядерной реакцией в тот период было слияние протонов и нейтронов с
образованием ядер гелия, каждое из которых состоит из двух протонов и двух

нейтронов. Поскольку протоны немного легче нейтронов, они присутствовали в
несколько большем количестве, так что по завершении синтеза гелия часть
протонов оставалась свободной. Как показывают вычисления, за столь короткое
время очень мало что могло произойти. Поэтому образовавшаяся плазма состояла
примерно на 10% из ядер гелия и на 90% из ядер водорода. Эти цифры с вполне
удовлетворительной точностью характеризуют наблюдаемое содержание названных
элементов в современной Вселенной. Таким образом, гелий — это реликт
космического «костра», пылавшего в первые несколько минут после Большого взрыва. К
счастью, в первичном веществе был некоторый избыток протонов; именно
благодаря остатку несвязанных протонов во Вселенной присутствует водород. Без
водорода не светило бы Солнце, а в космосе не было бы воды. Вряд ли при этом
могла возникнуть жизнь.
Реликты первой секунды
Возможность установить реликты первых минут существования Вселенной,
безусловно, следует рассматривать как блестящее достижение астрофизики. Но ученым
не свойственно почивать на лаврах — раздвигая границы возможного, они
неуклонно стремятся идти к новой цели. В этом — сущность научного поиска. Для
объяснения происхождения химических элементов требуется знать, в каком
состоянии находилась Вселенная в конце первой секунды. А что было в более
ранние моменты, в течение первой секунды?
Приступить к подобному исследованию означает проникнуть в мир «Алисы в
Стране Чудес» с его таинственными состояниями вещества и неведомыми силами.
Это значит еще больше приблизиться к самой главной загадке природы — самому
акту «сотворения мира»! Чтобы было легче построить наглядную картину
Вселенной в возрасте менее 1 с, вообразим, что мы находимся на борту некой машины
времени, которая постепенно возвращает нас от момента, соответствующего 1 с,
к моменту 0 с, когда в результате гигантского взрыва возникла Вселенная. Но
будем осторожны! Наши представления об этом отрезке времени основаны главным
образом на гипотезах и экстраполяциях, которым чрезвычайно сложно дать
убедительное подтверждение. То, о чем мы будем говорить в этой и последующих
главах, - всего лишь результат теоретического моделирования — процедуры во
многом спорной и умозрительной.
Чтобы осмыслить события, вероятно, происходившие в первые мгновения
существования Вселенной, необходимо понять природу космической активности. Если бы
мы могли путешествовать вспять во времени, начиная с сегодняшнего дня, то
заметили бы, что по мере движения назад темп развития ускоряется. Так,
изменения Земли в процессе ее эволюции в течение 4,6 млрд. лет происходили очень
медленно; поэтому геологические масштабы времени измеряются миллионами лет.
Если бы нам удалось вернуться во времена, отстоящие от момента Большого
взрыва не на миллиарды, а на миллионы лет, то мы обнаружили бы, что темп развития
значительно ускорился. Галактики сформировались в течение нескольких сотен
миллионов лет, тогда как звезды — еще быстрее (по-видимому, за несколько
десятков миллионов лет).
За рубежом, отстоящим от Большого взрыва на 100 тыс. лет, Вселенная
предстает почти лишенной какой-либо структуры — это период горячей плазмы. Темп
эволюции здесь можно оценивать по скорости космического расширения и падения
температуры. В этот период Вселенная расширялась примерно в 100 тыс. раз
быстрее18, чем сегодня, а ее температура достигала нескольких тысяч градусов.
Еще раньше скорость расширения была много больше, а температура — гораздо вы-
Интересно, а как это связано с тем, что время относительно? Равна ли наша 1 секунда
секунде в момент Большого взрыва?

ше. В момент 1 с размеры Вселенной возрастали вдвое примерно за 1с, а ее
температура достигала 1010 К. Очевидно, в пределах первой секунды темп
изменений Вселенной был еще выше, безгранично нарастая по мере приближения к
моменту Большого взрыва.
Математически это нарастание темпа активности описывается обратно
пропорциональной зависимостью. Если обозначить через время, прошедшее от момента
рождения Вселенной — момента Большого взрыва, — то скорость расширения будет
пропорциональна 1/t , а температура — 1/Vt . С уменьшением t обе эти величины
возрастают все быстрее, стремясь к бесконечности. Таким образом, поскольку
космическая активность неуклонно возрастает по мере приближения к моменту
рождения Вселенной, существенные изменения происходят, по-видимому, за все
более короткие промежутки времени. Поэтому здесь целесообразно перейти на
исчисление времени в долях 10. Так, за промежуток времени 0,1—1 с происходит
столько же событий, сколько в интервале 0,01—0,1 с и т.д. Хотя интервал
времени уменьшается последовательно в 10 раз, темп изменений, происходящих в
каждом таком интервале, оказывается примерно одинаковым.
Возникает вполне естественный вопрос, как далеко можно экстраполировать
нашу модель ранней Вселенной, сохраняя уверенность в ее адекватности. Я
вспоминаю, как будучи студентом, присутствовал в конце 60-х годов на лекции по
космологии, где разговор шел о недавно открытом фоновом тепловом излучении.
Лектор был несколько смущен, говоря о расчетах содержания гелия на основе
ядерных реакций, происходивших, как предполагалось, в первые минуты существования
Вселенной. Большинство аудитории открыто смеялось над этой дерзкой затеей и
явно ощущало, что моделирование Вселенной в столь ранние моменты ее эволюции
— занятие довольно сомнительное. Сегодня умонастроение резко переменилось.
Расчеты содержания гелия стали частью общепризнанного подхода в
космологических исследованиях и наше внимание привлекают периоды времени, предшествующие
нуклеосинтезу.
У многих вызывает удивление, что экстремальные условия, преобладавшие в
первую секунду жизни Вселенной, сегодня можно изучать экспериментально. На
современных ускорителях частиц удается в течение очень короткого времени
воспроизводить физические условия, существовавшие в столь ранние моменты времени
как 10~12 с, когда температура достигала 1016 К, а вся наблюдаемая сегодня
Вселенная была «сжата» до размеров Солнечной системы. Таким образом, в
путешествии вспять во времени в странный мир первозданной Вселенной нашим
проводником на части пути может быть эксперимент.
По мере углубления в прошлое мы встречаемся со все более экстремальными
физическими условиями. Наиболее важным параметром, позволяющим оценить этот
процесс, является энергия. С приближением к моменту рождения Вселенной
энергия типичной частицы, «плавающей» в первичной плазме, возрастает все быстрее.
Для момента, соответствующего 1 мин, характерны энергии рентгеновского
диапазона. В момент, соответствующий 1 с, господствуют энергии, свойственные
некоторым радиоактивным превращениям. В момент, равный 1 мкс (микросекунда),
энергия типичной частицы сравнима с энергией, которую удавалось получить на
ускорителях начала 50-х годов. Подходя к моменту, соответствующему 1 пс (пи-
косекунда, 10~12 с), мы приближаемся к пределу энергии, достигнутому в
настоящее время в физике элементарных частиц. За этим пределом путеводной нитью
может служить только теория.
В предыдущих главах мы говорили, что существующие в природе четыре
взаимодействия могут рассматриваться как части одной главной силы - Суперсилы.
Ошибочное представление о различной природе четырех взаимодействий сложилось
потому, что обычно мы имеем дело с миром относительно низких энергий; с
увеличением энергии взаимодействия объединяются. Прежде всего, объединяются
электромагнитное и слабое взаимодействия. Это происходит при энергиях, эквива-

лентных примерно 90 массам протона, что соответствует температуре около 10
К. Существующие ускорители как раз позволяют достичь таких значений, при
которых происходит рождение W и Z-частиц. Последующее объединение
электрослабого и сильного взаимодействий, а в конечном счете и гравитации невозможно,
пока не будут получены более высокие энергии. Для этого необходимо достичь
масштабов Великого объединения и массы Планка, что в триллионы раз превосходит
масштаб электрослабого взаимодействия.
С этой точки зрения ранняя Вселенная представляла собой гигантскую
лабораторию природы, в которой энергия, высвободившаяся в результате Большого
взрыва, пробудила физические процессы, не воспроизводимые в земных условиях. И
хотя прямые эксперименты с Суперсилой, вероятно, никогда не станут реальными,
мы можем, тем не менее, обратиться к космологии за разгадкой причин
кратковременной активности суперсилы в первые мгновения существования Вселенной.
Спустя 10~12 с после Большого взрыва температура была столь высока, что
тепловая энергия оказалась достаточной для рождения всех известных частиц и
античастиц. Вещество и антивещество присутствовали во Вселенной почти в равных
количествах. Позднее, когда составлявшие большую часть вещества пары частица-
античастица аннигилировали, возник «остаток» вещества. Плотность частиц была
столь высока, что установилось равновесие, при котором энергия равномерно
распределялась между всеми видами частиц.
Характер вещества во Вселенной на этой стадии резко отличался от всего, что
нам удается непосредственно наблюдать. При столь высокой плотности адроны не
имели индивидуальных свойств; протоны и нейтроны не существовали как
различные объекты. Вещество представляло собой «кварковую жидкость», в которой
кварки двигались более или менее независимо. Кроме того, при этих энергиях не
было никакого различия между слабым и электромагнитным взаимодействиями, а
природа кварков и лептонов проявлялась весьма своеобразно. Такие известные
нам частицы, как электроны, мюоны и нейтрино, не существовали в обычном виде.
Свойства фотонов, а также W- и Z-частиц оказались безнадежно перемешанными.
Если бы нам удалось сдвинуться вспять во времени вплоть до этого момента, то
нам предстало бы совершенно неизвестное состояние материи, когда частицы еще
не приобрели той формы, к которой привыкли специалисты в области физики
элементарных частиц.
Ключ к пониманию природы этой странной высокотемпературной фазы материи
лежит в нарушении симметрии. В гл. 8 было показано, каким образом спонтанное
нарушение калибровочной симметрии может наделить частицы массой и создать
различие между электромагнитным и слабым взаимодействиями. Существует общее
правило природы, согласно которому высокие температуры стремятся восстановить
симметрию. Хорошим примером проявления этого правила могут служить две фазы
воды — жидкая и твердая (лед). В кристалле льда обнаруживаются выделенные
направления — направления вдоль ребер кристаллической решетки. При таянии льда
кристаллическая структура разрушается. У возникшей вместо кусочка льда капли
воды уже нет никаких выделенных направлений в пространстве — она симметрична.
Таким образом, повышение температуры привело к восстановлению изначальной
пространственной симметрии, которая была спонтанно нарушена у кристалла льда.
При увеличении температуры до 1016 К происходит фазовый переход, аналогичный
переходу лед-вода. Однако в этом случае восстанавливается калибровочная
симметрия электрослабого взаимодействия.
Как видим, картина Вселенной в момент, соответствующий 1 пс, весьма
примечательна. Вселенная заполнена таинственной жидкостью, в последующие времена
уже нигде не встречающейся, и населена неведомыми нам частицами. Однако
вещество не может продолжительно существовать в столь странной фазе. Падение
температуры вызывает внезапный фазовый переход, напоминающий замерзание воды и
образование льда. Столь же внезапно возникают и известные нам частицы — элек-

троны, нейтрино, фотоны и кварки, которые теперь вполне различимы.
Калибровочная симметрия нарушена, а электромагнитное взаимодействие отделилось от
слабого.
Если проследить за дальнейшей эволюцией космического вещества, то мы станем
свидетелями еще одного фазового перехода, который произойдет спустя 1 мс
(миллисекунда) после Большого взрыва. Плотный конгломерат быстро движущихся
кварков внезапно конденсируется, образуя адроны с вполне определенными
свойствами. В этом море частиц можно различить отдельные протоны, нейтроны,
мезоны и другие, сильно взаимодействующие частицы, в которых кварки объединены в
четкие группы — попарно или по три. По мере дальнейшего падения температуры
все оставшиеся античастицы (например, позитроны) аннигилируют, создавая
интенсивное гамма-излучение. В результате вещество превращается в знакомую нам
смесь протонов, нейтронов, электронов, нейтрино и фотонов, и открывается
прямой путь для синтеза гелия, который начинается спустя несколько секунд после
Большого взрыва.
Попытка изучить эволюцию Вселенной начиная с 10~12 с привела нас к новому
замечательному представлению о природе вещества. Мы убедились, что протоны и
нейтроны — эти «кирпичики» мироздания — существовали не всегда, а
«выморозились» из кваркового бульона спустя примерно 1СГ3 с после Большого взрыва.
Поэтому эти ядерные частицы (нуклоны) можно считать реликтами первой
миллисекунды существования Вселенной. Еще более удивителен тот факт, что лептоны и
кварки, лежащие в основе всего вещества Вселенной, обрели свою
индивидуальность лишь спустя примерно 10~12 с, таким образом, они являются реликтами
первой пикосекунды.
Постепенно начинает вырисовываться систематическая картина эволюции
Вселенной. Происхождение элементов можно проследить до отдаленных эпох
возникновения звезд и нуклеосинтеза в первые минуты существования Вселенной. Протоны и
нейтроны, служащие материалом для создания ядер, образовались еще раньше,
тогда как лептоны и кварки, лежащие в основе ядерных частиц, являются реликтами
первой триллионной доли (10~12) секунды существования Вселенной. Однако
остается главная загадка, которая возвращает нас к значительно более ранней эпохе
— эпохе Великого объединения.
Происхождение вещества
Первоначальный вариант теории Большого взрыва не давал убедительного
объяснения того, каким образом в ходе первичного взрыва возникло вещество.
Космологам не оставалось ничего другого, как предположить, что все вещество, из
которого построена Вселенная, существовало с самого начала. Ни один из
известных физических процессов не мог объяснить возникновение вещества. В
настоящее время новая космология дает очень правдоподобное объяснение
происхождению вещества, основанное на действии суперсилы.
О возможности возникновения вещества в результате концентрации энергии
известно в течение нескольких десятков лет. При Большом взрыве не было
недостатка в энергии, необходимой для образования вещества видимой части
Вселенной, общая масса которого оценивается в 1050 т. Загадка заключается в том,
как все это вещество могло возникнуть без равного количества антивещества (мы
уже упоминали об этой проблеме в гл.2). В лабораторных условиях возникновение
вещества всегда сопровождается рождением антивещества, и симметрия между
ними, по-видимому, заложена в законах физики. Неизбежен вопрос: куда же
девалось все антивещество?
Прежде всего, следует убедиться в том, что Вселенная действительно
построена только из вещества. Например, камень из антивещества во всех отношениях
был бы сходен с камнем из вещества и, посмотрев на них, мы не отличили бы их

друг от друга. Тем не менее, существует безошибочный способ установить, что
есть что. Если привести каждый из камней в соприкосновение с куском вещества,
то камень из антивещества исчезнет, произведя взрыв, по мощности сравнимый с
ядерным. Даже тоненькая струйка газа антивещества вызвала бы бурную реакцию —
интенсивное гамма-излучение. Мы, несомненно, можем быть уверены, что Земля на
100% состоит из вещества.
Но присуща ли такая асимметрия Вселенной в целом? Насколько мы можем судить
— да. Если бы наша Галактика содержала антивещество в сколько-нибудь
значительном количестве, то при неизбежных столкновениях между газом, пылью,
звездами, планетами и другими объектами вещество, встречаясь с антивеществом,
аннигилировало бы, в результате чего возникали бы мощные потоки гамма-
излучения. Столь высокий уровень гамма-излучения, безусловно, был бы
зарегистрирован; пока же, по имеющимся у астрономов данным, содержание антивещества
в нашей Галактике не превышает тысячной доли. Если исключить единичные
антипротоны, обнаруженные в космических лучах, то в целом Галактика, по-видимому,
состоит только из вещества.
Можно предположить, что некоторые галактики, напротив, состоят только из
антивещества (с очень небольшой добавкой вещества). Однако время от времени
даже галактики сталкиваются друг с другом, причем в прошлом они находились
значительно ближе друг к другу. Гамма-излучение, возникшее в результате таких
столкновений, наблюдалось бы и сегодня. Более того, если рассматривать
Вселенную как целое, то трудно понять, каким образом первоначальная смесь
вещества и антивещества могла когда-то разделиться и попасть в удаленные друг от
друга области пространства. Основываясь на этих наблюдениях, большинство
космологов считают, что Вселенная построена в основном из вещества, и эта
асимметрия была заложена в самые ранние этапы эволюции Вселенной.
Еще десять лет назад предлагалось единственное объяснение первичного
нарушения баланса между веществом и антивеществом — считалось, что асимметрия
присуща Вселенной с самого начала, т.е. уже в процессе Большого взрыва
возникла диспропорция между веществом и антивеществом. Подобное объяснение,
основанное на искусственно подобранных начальных условиях, разумеется, не может
быть удовлетворительным, ибо оно ведет по замкнутому логическому кругу. Такие
«объяснения» нельзя считать научными. С их помощью можно описать любое
начальное соотношение вещества и антивещества. Они ничего не говорят о том,
почему наблюдаемая асимметрия столь мала или столь велика. По-видимому, не
существует веских причин, по которым, например, количество вещества не могло бы
оказаться в два, а возможно, и в миллион раз больше.
ТВО приходит на помощь
Более естественно предполагать изначально полную симметрию между веществом
и антивеществом, нежели считать, что преобладание вещества во Вселенной «от
бога», и лишь затем в силу тех или иных причин оно обозначилось и
закрепилось. В этом случае уже нет необходимости доверять произвольно выбранным
начальным условиям; состояние, в котором существует точное равенство количеств
вещества и антивещества, единственно. Наблюдаемое преобладание вещества над
антивеществом можно было бы количественно объяснить на основе физической
теории .
Для осуществления этой идеи, очевидно, необходимо придумать физический
механизм, который нарушал бы симметрию между веществом и антивеществом,
считавшуюся по традиции одним из нерушимых законов физики. В конце 70-х годов
физики нашли такой механизм нарушения симметрии в виде теорий Великого
объединения (ТВО) . Как отмечалось в предыдущих главах, одним из самых сенсационных
предсказаний ТВО явилось предсказание распада протона с образованием позитро-

на. Связь между распадом протона и асимметрией вещества и антивещества можно
усмотреть в возможной судьбе атома водорода (состоящего из протона и
электрона) в отдаленном будущем. При распаде протона образуются пион и позитрон.
Пион распадается на два фотона, а позитрон аннигилирует с электроном, создавая
еще два фотона. Итак, атом вещества прекращает свое существование,
превращаясь целиком в излучение. В результате этого процесса вещество, не
взаимодействуя с антивеществом, полностью переходит в энергию излучения. Вспомним
теперь, что каждый физический процесс обратим; в данном случае это означает
прямое превращение энергии излучения в вещество, не сопровождающееся
образованием антивещества. Именно такой процесс, значительно ускоренный, мог бы
объяснить возникновение вещества.
Чтобы детально смоделировать процесс рождения Вселенной, необходимо
вернуться к так называемой эре ТВО, т.е. сместиться во времени еще на двадцать
порядков относительно эры электрослабого взаимодействия, о которой мы
говорили в предыдущем разделе. Это означает попытку описать Вселенную в возрасте
всего лишь 10~32 с! В этот момент космос был бы заполнен «супом» из странных,
неведомых нам частиц, в том числе чрезвычайно массивных; плотность «супа»
составляла по оценкам около 1073 кг/м3 , а температура — около 1028 К. Вселенная
в тот момент была еще столь юной, что свет не успел пройти путь, равный
миллиардной доле поперечника протона.
Важнейшими составляющими экзотического супа были, вероятно, сверхмассивные
частицы — переносчики взаимодействия в ТВО, так называемые Х-частицы, о
которых упоминалось в гл.8. Именно эти частицы привели к асимметрии в соотношении
вещества и антивещества. Дело в том, что при распаде Х-частицы образуется
много дочерних частиц, которые, например, на 2/3 представляют собой вещество,
и лишь на 1/3 — антивещество. Точное значение такой асимметрии зависит от
принятой формы ТВО. Но в любом случае распад Х-частицы ведет к преобладанию
вещества над антивеществом.
Следует, однако, учитывать еще одно обстоятельство. Первичный «суп»
содержит наряду с Х-частицами и их античастицы, обозначаемые обычно X". Напомним,
что мы предполагаем исходную симметрию Вселенной, а это означает,
естественно, равенство чисел Х- и X" -частиц. Но тогда при распаде X асимметрия должна
быть обратной, т.е. 2/3 должно составлять антивещество, и лишь 1/3 —
вещество .
Для выхода из этого тупика теоретики предположили, что должно существовать
фундаментальное различие скоростей распада Х- и X" -частиц. В таком случае
распады X не полностью компенсируют распады X", причем различие в пользу X
составит, по-видимому, не более одной стомиллионной доли, что приведет к
соответствующему преобладанию вещества над антивеществом.
Насколько разумно подобное предположение? Физики бывают проницательными
историками, особенно когда дело касается предмета их исследований. Они никогда
не забывают уроков истории, если вопрос идет о создании новых теорий. Один из
таких уроков был преподнесен в 1956 г. Два американских физика китайского
происхождения Т. Д. Ли и Ч. Н. Янг произвели переворот в существовавших
представлениях, заявив, что слабые взаимодействия нарушают считавшееся
«неприкосновенным» свойство природы, известное как зеркальная симметрия. До этого
момента физики полагали, что силы природы не различают «правого» и «левого».
Разумеется, в природе существует много объектов с «врожденной» хиральностью;
наиболее известный пример — молекула ДНК. Эта молекула по форме сходна с
винтовой лестницей, закрученной вправо. И хотя в природе нет левовинтовых
молекул ДНК, ни один из фундаментальных законов физики не запрещает их
существования . Тот факт, что жизнь на Земле построена на основе правовинтовых молекул
ДНК, скорее всего, говорит о том, что первые способные к самовоспроизводству
молекулы оказались именно такой формы. Это хороший пример спонтанного наруше-

ния симметрии: реальная структура асимметрична, тогда как лежащие в ее основе
физические взаимодействия симметричны.
Когда физик утверждает, что существующие в природе взаимодействия зеркально
симметричны, он подразумевает, что вызванные этими взаимодействиями
фундаментальные процессы в зеркале выглядят столь же реально, как и при
непосредственном наблюдении. Представим, например, что мы запечатлели на кинопленку
распад частицы, а затем зарядили в проектор перевернутую пленку. Если
вызывающие распад взаимодействия обладают свойством зеркальной симметрии, то ни
один физик не заметит подвоха.
Долгое время предполагалось, что субатомные частицы не отличают «правого»
от «левого», и это даже не считали нужным проверять на опыте. Но вот явились
Ли и Янг со своим предположением, а американка китайского происхождения мисс
Ч. С. By вскоре поставила нужный эксперимент, и тогда ко всеобщему изумлению
выяснилось, что Ли и Янг были правы. Слабое взаимодействие действительно
нарушает зеркальную симметрию. Опыт By, в котором отдельно измерялось число
электронов, испускаемых влево и вправо точно ориентированными ядрами
радиоактивного кобальта, ознаменовал поворотный пункт в физике. После этого опыта ни
одной из симметрии уже не гарантировалась неприкосновенность!
В 1964 г. последовало новое потрясение. Большой интерес вызывало загадочное
поведение особой частицы, называемой нейтральным К-мезоном, или каоном.
Представление о нарушении зеркальной симметрии к этому времени стало
общепризнанным, однако считалось, что античастицы нарушают зеркальную симметрию в
противоположном смысле по сравнению с частицами. (Как правило, античастицы
проявляют свойства, противоположные свойствам частиц.) Если бы это было всегда
справедливо, то в процессе Большого взрыва во Вселенной не могло бы
возникнуть преобладание вещества над антивеществом. Действительно, для любого
процесса рождения частицы существовал бы зеркальный процесс, в котором рождалась
античастица. Особенности нейтрального К-мезона, представляющего собой некий
гибрид частицы и античастицы, дали возможность проверить справедливость этих
представлений.
Решающий эксперимент провели В. Л. Фитч и Дж. У. Кронин в Брукхейвенской
национальной лаборатории (США). Они установили, что частицы и античастицы
нарушают зеркальную симметрию не противоположно друг другу и не в равной
степени — по крайней мере для нейтральных К-мезонов. Здесь также наблюдалось
совсем небольшое, но исключительно важное нарушение симметрии, отражающее
фундаментальный разбаланс сил природы, ответственных за некоторые распады
частиц; тем самым было найдено конкретное экспериментальное подтверждение
асимметрии между веществом и антивеществом.
В конце 70-х годов теоретики приступили к созданию модели фазы ТВО в
Большом взрыве на основе предположения, что указанная выше асимметрия
действительно присуща силе, господствующей в ТВО. По оценкам асимметрия между
веществом и антивеществом характеризуется отношением (109+1):109. Это означает,
что на каждый миллиард античастиц рождается миллиард плюс одна частица.
Несмотря на малость этого эффекта, оказалось, что он играет решающую роль. По
мере остывания Вселенной антивещество аннигилировало с веществом и при этом
почти все вещество исчезало. «Почти», а не целиком, — поскольку имеется
избыток вещества над антивеществом в одну частицу на миллиард. Именно этот
крошечный остаток — своего рода оплошность природы — и послужил материалом, из
которого построено все, включая нас самих. Итак, мы пришли к тому, что все
вещество Вселенной является реликтом эры ТВО, длившейся всего 10~32 с, с
момента рождения Вселенной.
Если доверять проведенному анализу, то следует считать, что подавляющая
часть вещества, возникшего в процессе Большого взрыва, исчезла до истечения
нескольких первых секунд — а вместе с ним исчезло и все космическое антивеще-

ство. Теперь мы знаем, почему во Вселенной так мало антивещества. Однако,
исчезнув , оно оставило о себе память в виде энергии. В результате аннигиляции
вещества с антивеществом возникало около миллиарда гамма-квантов на каждый
уцелевший электрон или протон. К настоящему времени в результате расширения
Вселенной это гамма-излучение «остыло», образовав так называемое фоновое
тепловое излучение, заполняющее Вселенную. Помимо энергии, заключенной в
веществе, значительная часть энергии Вселенной приходится на фоновое тепловое
излучение. Таким образом, мы располагаем теорией, которая не только объясняет
происхождение вещества, но и указывает правильное соотношение количества
вещества и энергии во Вселенной.
До создания ТВО не удавалось объяснить температуру космического фонового
теплового излучения. Уровень тепловой энергии был, казалось, еще одним
произвольным параметром, характеризующим Вселенную «от рождения». Оставалось
непонятным, почему температура этого излучения не может быть равной, скажем, 0,3
или 30 К, а должна составлять именно 3 К. ТВО позволили объяснить это
значение температуры из физических соображений. Современная температура фонового
излучения, равная 3 К, соответствует примерно 109 фотонам на каждый электрон
или протон во Вселенной (В 1967 г. А. Д. Сахаров высказал идею о том, что это
отношение определяется избытком нуклонов над антинуклонами, который
обусловлен распадом протона и нарушением симметрии), что хорошо согласуется с
превышением числа частиц над числом античастиц (1 на 109) , предсказываемым ТВО.
Таким образом, величину одного из фундаментальных параметров космологии можно
объяснить на основе физических процессов, происходивших в эру ТВО. Именно в
этот невообразимо ранний момент существования Вселенной и обозначились основы
ее современного строения.
12. ЧЕМ ВЫЗВАН БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ?
Парадокс возникновения
Ни одна из лекций по космологии, которые мне доводилось читать, не
обходилась без вопроса о том, чем же был вызван Большой взрыв? Еще несколько лет
назад я не знал истинного ответа; сегодня, полагаю, он известен.
По существу в этом вопросе в завуалированной форме содержится два вопроса.
Во-первых, нам хотелось бы знать, почему развитие Вселенной началось со
взрыва и чем в первую очередь был вызван этот взрыв. Но за чисто физической
проблемой скрывается другая, более глубокая проблема философского характера.
Если Большой взрыв знаменует начало физического существования Вселенной,
включая возникновение пространства и времени, то в каком смысле можно говорить о
том, что вызвало этот взрыв?
С точки зрения физики внезапное возникновение Вселенной в результате
гигантского взрыва представляется в какой-то степени парадоксальным. Из четырех
управляющих миром взаимодействий только гравитация проявляется в космическом
масштабе, причем, как показывает наш опыт, гравитация имеет характер
притяжения. Однако для взрыва, ознаменовавшего рождение Вселенной, по-видимому,
нужна была сила отталкивания невероятной величины, которая смогла, в клочья
разорвать космос и вызвать его расширение, продолжающееся и по сей день.
Это кажется странным, поскольку, если во Вселенной господствуют силы
гравитации, то ей следовало бы не расширяться, а сжиматься. Действительно,
гравитационные силы притяжения заставляют физические объекты сжиматься, а не
взрываться. Например, очень плотная звезда теряет способность противостоять
собственному весу и коллапсирует, образуя нейтронную звезду или черную дыру.
Степень сжатия вещества в очень ранней Вселенной была значительно выше, чем у

самой плотной звезды; поэтому нередко возникает вопрос, почему первичный
космос с самого начала не сколлапсировал в черную дыру.
Обычно на это отвечают, что первичный взрыв следует просто принимать за
начальное условие. Такой ответ явно не удовлетворителен и вызывает недоумение.
Безусловно, под влиянием гравитации скорость космического расширения с самого
начала непрерывно уменьшалась, однако в момент рождения Вселенная расширялась
бесконечно быстро. Взрыв не был вызван какой-либо силой — просто развитие
Вселенной началось с расширения. Если бы взрыв оказался менее сильным,
гравитация очень скоро воспрепятствовала бы разлету вещества. В результате
расширение сменилось бы сжатием, которое приняло бы катастрофический характер и
превратило Вселенную в нечто подобное черной дыре. Но в действительности
взрыв оказался достаточно «большим», что дало возможность Вселенной,
преодолев собственную гравитацию, либо продолжать вечно расширяться за счет силы
первичного взрыва, либо, по крайней мере, просуществовать на протяжении
многих миллиардов лет, прежде чем подвергнуться сжатию и уйти в небытие.
Недостаток этой традиционной картины состоит в том, что она ни в коей мере
не объясняет Большого взрыва. Фундаментальное свойство Вселенной вновь просто
трактуется как начальное условие, принятое ad hoc (на данный случай); по
существу, здесь только утверждается, что Большой взрыв имел место. По-прежнему
остается непонятным, почему сила взрыва была именно такой, а не иной. Почему
взрыв не был еще более сильным, чтобы Вселенная расширялась сейчас
значительно быстрее? Можно также спросить, почему Вселенная в настоящее время не
расширяется значительно медленнее или вообще не сжимается. Разумеется, если бы
взрыв не имел достаточной силы, Вселенная вскоре коллапсировала бы и некому
было бы задавать подобные вопросы. Вряд ли, однако, подобные рассуждения
можно принять за объяснение.
При более детальном анализе оказывается, что парадокс происхождения
Вселенной в действительности еще более сложен, чем описано выше. Тщательные
измерения показывают, что скорость расширения Вселенной очень близка к критическому
значению, при котором Вселенная способна преодолеть собственную гравитацию и
расширяться вечно. Будь эта скорость чуть меньше — и произошел бы коллапс
Вселенной, а будь она чуть больше — космическое вещество давно бы полностью
рассеялось. Интересно выяснить, насколько точно скорость расширения Вселенной
попадает в этот очень узкий допустимый интервал между двумя возможными
катастрофами. Если бы в момент времени, соответствующий 1 с, когда картина
расширения уже четко определилась, скорость расширения отличалась бы от своего
реального значения более чем на 10~18 , этого оказалось бы достаточно для
полного нарушения тонкого баланса. Таким образом, сила взрыва Вселенной с почти
невероятной точностью соответствует ее гравитационному взаимодействию.
Большой взрыв, таким образом, это не просто какой-то далекий взрыв — это был
взрыв совершенно определенной силы. В традиционном варианте теории Большого
Взрыва приходится принимать не только сам факт взрыва, но и то, что взрыв
произошел чрезвычайно прихотливым образом. Иными словами, начальные условия
оказываются исключительно специфическими.
Скорость расширения Вселенной — лишь одна из нескольких очевидных
космических загадок. Другая связана с картиной расширения Вселенной в пространстве.
По данным современных наблюдений. Вселенная в больших масштабах чрезвычайно
однородна, что касается распределения вещества и энергии. Глобальная
структура космоса почти одинакова как при наблюдении с Земли, так и из отдаленной
галактики. Галактики рассеяны в пространстве с одинаковой средней плотностью,
и из каждой точки Вселенная выглядит одинаково по всем направлениям.
Заполняющее Вселенную первичное тепловое излучение падает на Землю, имея во всех
направлениях одну и ту же температуру, с точностью не ниже 10~4 . Это излуче-

ние на пути к нам проходит в пространстве миллиарды световых лет и несет на
себе отпечаток любого встречающегося ему отклонения от однородности.
Крупномасштабная однородность Вселенной сохраняется по мере расширения
Вселенной . Отсюда следует, что расширение происходит однородно и изотропно с
очень высокой степенью точности. Это означает, что скорость расширения
Вселенной не только одинакова по всем направлениям, но и постоянна в различных
областях. Если бы Вселенная в одном направлении расширялась быстрее, чем в
других, то это привело бы к уменьшению температуры фонового теплового
излучения в этом направлении и изменило бы видимую с Земли картину движения
галактик. Таким образом, эволюция Вселенной не просто началась со взрыва строго
определенной силы — взрыв был четко «организован», т.е. произошел
одновременно, точно с одинаковой силой во всех точках и по всем направлениям.
Крайне маловероятно, чтобы подобное одновременное и согласованное
извержение могло произойти чисто самопроизвольно, и это сомнение усиливается в
рамках традиционной теории Большого взрыва тем, что различные области первичного
космоса причинно не связаны друг с другом. Дело в том, что, согласно теории
относительности, никакое физическое воздействие не может распространяться
быстрее света. Следовательно, различные области пространства могут оказаться
причинно связанными друг с другом лишь по прошествии определенного промежутка
времени. Например, спустя 1 с после взрыва свет может пройти расстояние не
более одной световой секунды, что соответствует 300 тыс. км. Области
Вселенной, разделенные большим расстоянием, через 1 с еще не будут оказывать
влияния друг на друга. Но к этому моменту наблюдаемая нами область Вселенной уже
занимала пространство не менее 1014 км в поперечнике. Следовательно,
Вселенная состояла примерно из 1027 причинно не связанных друг с другом областей,
каждая из которых, тем не менее, расширялась с точно одинаковой скоростью.
Даже сегодня, наблюдая тепловое космическое излучение, идущее с
противоположных сторон звездного неба, мы регистрируем совершенно одинаковые
«дактилоскопические» отпечатки областей Вселенной, разделенных огромными расстояниями:
эти расстояния оказываются в 90 с лишним раз больше расстояния, которое мог
бы пройти свет с момента испускания теплового излучения.
Как объяснить столь замечательную согласованность различных областей
пространства, которые, очевидно, никогда не были связаны друг с другом? Как
возникло столь сходное поведение? В традиционном ответе вновь звучит ссылка на
особые начальные условия. Исключительная однородность свойств первичного
взрыва рассматривается просто как факт: так возникла Вселенная.
Крупномасштабная однородность Вселенной выглядит еще более загадочной, если
учесть, что в малых масштабах Вселенная отнюдь не однородна. Существование
отдельных галактик и галактических скоплений свидетельствует об отклонении от
строгой однородности, причем это отклонение к тому же повсеместно одинаково
по масштабам и величине. Поскольку гравитация стремится увеличить любое
начальное скопление вещества, степень неоднородности, необходимая для
образования галактик, во время Большого взрыва была значительно меньше, нежели
теперь. Однако в начальной фазе Большого взрыва должна была все-таки
присутствовать небольшая неоднородность, иначе галактики никогда бы не образовались.
В старой теории Большого взрыва эти неоднородности на ранней стадии также
приписывались «начальным условиям». Таким образом, мы должны были поверить,
что развитие Вселенной началось не из совершенно идеального, а из крайне
необычного состояния.
Все сказанное можно суммировать следующим образом: если единственной силой
во Вселенной является гравитационное притяжение, то Большой взрыв следует
трактовать как «ниспосланный богом», т.е. не имеющий причины, с заданными
начальными условиями. Кроме того, для него характерна поразительная
согласованность ; чтобы прийти к существующей структуре, Вселенная должна была с самого

начала развиваться надлежащим образом. В этом и заключается парадокс
возникновения Вселенной.
Поиск антигравитации
Парадокс возникновения Вселенной удалось разрешить лишь в последние годы;
однако основную идею решения можно проследить в далекой истории, в те
времена, когда еще не существовало ни теории расширения Вселенной, ни теории
Большого взрыва. Ещё Ньютон понимал, сколь сложную проблему представляет
устойчивость Вселенной. Каким образом звезды сохраняют свое положение в
пространстве, не имея опоры? Универсальный характер гравитационного притяжения должен
был привести к стягиванию звезд в скопления вплотную друг к другу.
Чтобы избежать этой нелепости, Ньютон прибег к весьма любопытному
рассуждению. Если бы Вселенная коллапсировала под действием собственной гравитации,
каждая звезда «падала» бы в направлении центра скопления звезд. Предположим,
однако, что Вселенная бесконечна и звезды распределены в среднем равномерно
по бесконечному пространству. В этом случае вообще отсутствовал бы общий
центр, по направлению к которому могли бы падать все звезды, — ведь в
бесконечной Вселенной все области идентичны. Любая звезда испытывала бы
воздействие гравитационного притяжения всех своих соседей, но вследствие усреднения
этих воздействий по различным направлениям не возникло бы никакой
результирующей силы, стремящейся переместить данную звезду в определенное положение
относительно всей совокупности звезд.
Когда спустя 200 лет после Ньютона Эйнштейн создал новую теорию гравитации,
он также был озадачен проблемой, каким образом Вселенной удается избежать
коллапса. Его первая работа по космологии была опубликована до того, как
Хаббл открыл расширение Вселенной; поэтому Эйнштейн, подобно Ньютону,
предполагал , что Вселенная статична. Однако Эйнштейн пытался решить проблему
устойчивости Вселенной гораздо более прямым путем. Он считал, что для
предотвращения коллапса Вселенной под действием ее собственной гравитации должна
существовать иная космическая сила, которая могла бы противостоять гравитации. Эта
сила должна быть скорее силой отталкивания, а не притяжения, чтобы
компенсировать гравитационное притяжение. В этом смысле подобную силу можно было бы
назвать «антигравитационной», хотя правильнее говорить о силе космического
отталкивания. Эйнштейн в этом случае не просто произвольно придумал эту силу.
Он показал, что в его уравнения гравитационного поля можно ввести
дополнительный член, который приводит к появлению силы, обладающей нужными
свойствами .
Несмотря на то, что представление о силе отталкивания, противодействующей
силе гравитации, само по себе достаточно просто и естественно, в
действительности свойства такой силы оказываются совершенно необычными. Разумеется,
никакой подобной силы на Земле не замечено, и никакого намека не нее не
обнаружено на протяжении нескольких веков существования планетной астрономии.
Очевидно , если сила космического отталкивания и существует, то она не должна
оказывать сколько-нибудь заметного действия на малых расстояниях, но ее
величина значительно возрастает в астрономических масштабах. Подобное поведение
противоречит всему предшествующему опыту изучения природы сил: обычно они
интенсивны на малых расстояниях и ослабевают с увеличением расстояния. Так,
электромагнитное и гравитационное взаимодействия непрерывно убывают по закону
обратных квадратов. Тем не менее, в теории Эйнштейна естественным образом
появилась сила с такими довольно необычными свойствами.
Не следует думать о введенной Эйнштейном силе космического отталкивания как
о пятом взаимодействии в природе. Это просто причудливое проявление самой
гравитации. Нетрудно показать, что эффекты космического отталкивания можно

отнести на счет обычной гравитации, если в качестве источника гравитационного
поля выбрать среду с необычными свойствами. Обычная материальная среда
(например, газ) оказывает давление, тогда как обсуждаемая здесь гипотетическая
среда должна обладать отрицательным давлением, или натяжением. Чтобы более
наглядно представить, о чем идет речь, вообразим, что нам удалось наполнить
таким космическим веществом сосуд. Тогда в отличие от обычного газа,
гипотетическая космическая среда будет не давить на стенки сосуда, а стремиться
втянуть их внутрь сосуда.
Таким образом, мы можем рассматривать космическое отталкивание как своего
рода дополнение гравитации или как явление, обусловленное обычной
гравитацией, присущей невидимой газообразной среде, заполняющей все пространство и
обладающей отрицательным давлением. Нет никакого противоречия в том, что, с
одной стороны, отрицательное давление как бы всасывает внутрь стенки сосуда, а,
с другой — эта гипотетическая среда отталкивает галактики, а не притягивает
их. Ведь отталкивание обусловлено гравитацией среды, а отнюдь не механическим
действием. В любом случае, механические силы создаются не самим давлением, а
разностью давлений, но предполагается, что гипотетическая среда заполняет все
пространство. Ее нельзя ограничить стенками сосуда, и находящийся в этой
среде наблюдатель вообще не воспринимал бы ее как ощутимую субстанцию.
Пространство выглядело бы и воспринималось совершенно пустым.
Несмотря на столь удивительные особенности гипотетической среды, Эйнштейн в
свое время заявил, что построил удовлетворительную модель Вселенной, в
которой поддерживается равновесие между гравитационным притяжением и открытым им
космическим отталкиванием. С помощью несложных расчетов Эйнштейн оценил
величину силы космического отталкивания, необходимую, чтобы уравновесить
гравитацию во Вселенной. Ему удалось подтвердить, что отталкивание должно быть столь
малым в пределах Солнечной системы (и даже в масштабах Галактики), что его
невозможно обнаружить экспериментально. Какое-то время казалось, что вековая
загадка блестяще решена.
Однако затем ситуация изменилась к худшему. Прежде всего, возникла проблема
устойчивости равновесия. Основная идея Эйнштейна основывалась на строгом
балансе сил притяжения и отталкивания. Но, как и во многих других случаях
строгого баланса, здесь также выявились тонкие детали. Если бы, например,
статическая вселенная Эйнштейна немного расширилась, то гравитационное притяжение
(ослабевающее с расстоянием) несколько уменьшилась бы, тогда как сила
космического отталкивания (возрастающая с расстоянием) слегка возросла бы. Это
привело бы к нарушению баланса в пользу сил отталкивания, что вызвало бы
дальнейшее неограниченное расширение Вселенной под действием всепобеждающего
отталкивания. Если бы, напротив, статическая вселенная Эйнштейна слегка бы
сжалась, то гравитационная сила возросла, а сила космического отталкивания
уменьшилась, что привело бы к нарушению баланса в пользу сил притяжения и,
как следствие, ко все более быстрому сжатию, а в конечном итоге — к коллапсу,
которого, как казалось Эйнштейну, он избежал. Таким образом, при малейшем
отклонении строгий баланс нарушился бы, и космическая катастрофа была бы
неизбежна .
Позднее, в 1927 г., Хаббл открыл явление разбегания галактик (т.е.
расширение Вселенной), что лишило смысла проблему равновесия. Стало ясно, что
Вселенной не угрожает сжатие и коллапс, поскольку она расширяется. Если бы
Эйнштейн не был отвлечен поиском силы космического отталкивания, он наверняка
пришел бы к этому выводу теоретически, предсказав, таким образом, расширение
Вселенной на добрый десяток лет раньше, чем его удалось открыть астрономам.
Такое предсказание, несомненно, вошло бы в историю науки как одно из самых
выдающихся (такое предсказание и было сделано на основе уравнения Эйнштейна в
1922—1923 гг. профессором Петроградского университета А. А. Фридманом). В

конце концов Эйнштейну пришлось с досадой отречься от космического
отталкивания, которое он впоследствии считал «самой большой ошибкой своей жизни».
Однако на этом история отнюдь не закончилась.
Эйнштейн придумал космическое отталкивание для решения несуществующей
проблемы статической вселенной. Но, как это всегда бывает, джинна, выпущенного
из бутылки, невозможно загнать обратно. Идея о том, что и динамика Вселенной,
возможно, обусловлена противоборством сил притяжения и отталкивания,
продолжала жить. И хотя астрономические наблюдения не давали никаких свидетельств
существования космического отталкивания, они не могли доказать и его
отсутствие — оно могло быть просто слишком слабым, чтобы проявиться.
Уравнения гравитационного поля Эйнштейна, хотя и допускают наличие силы
отталкивания: не накладывают ограничений на ее величину. Наученный горьким
опытом, Эйнштейн был вправе постулировать, что величина этой силы строго равна
нулю, тем самым полностью исключая отталкивание. Однако это было отнюдь не
обязательно. Некоторые ученые сочли необходимым сохранить отталкивание в
уравнениях, хотя в этом уже не было нужды с точки зрения первоначальной
задачи. Эти ученые считали, что при отсутствии надлежащих доказательств нет
оснований полагать силу отталкивания равной нулю.
Не составляло особого труда проследить последствия, к которым приводит
сохранение силы отталкивания в сценарии расширяющейся Вселенной. На ранних
этапах развития, когда Вселенная еще находится в сжатом состоянии, отталкиванием
можно пренебречь. В течение этой фазы гравитационное притяжение замедляло
темп расширения — в полной аналогии с тем, как притяжение Земли замедляет
движение ракеты, запущенной вертикально вверх. Если принять без объяснений,
что эволюция Вселенной началась с быстрого расширения, то гравитация должна
постоянно уменьшать скорость расширения до величины, наблюдаемой в настоящее
время. С течением времени по мере рассеяния вещества гравитационное
взаимодействие ослабевает. Напротив, космическое отталкивание возрастает, поскольку
галактики продолжают удаляться друг от друга. В конечном счете, отталкивание
превзойдет гравитационное притяжение, и скорость расширения Вселенной вновь
начнет возрастать. Отсюда можно сделать вывод, что во Вселенной доминирует
космическое отталкивание, и расширение будет происходить вечно.
Астрономы показали, что такое необычное поведение Вселенной, когда
расширение сначала замедляется, а затем вновь ускоряется, должно было бы отразиться
в наблюдаемом движении галактик. Но при самых тщательных астрономических
наблюдениях не удалось выявить каких-либо убедительных свидетельств такого
поведения, хотя время от времени высказываются и противоположные утверждения.
Интересно, что идею расширяющейся Вселенной голландский астроном Вилем де
Ситтер выдвинул еще в 1916 г. — за много лет до того, как Хаббл
экспериментально открыл это явление. Де Ситтер утверждал, что если из Вселенной удалить
обычное вещество, то гравитационное притяжение исчезнет, и в космосе будут
безраздельно господствовать силы отталкивания. Это вызовет расширение
Вселенной — по тем временам это была новаторская идея.
Поскольку наблюдатель не в состоянии воспринимать странную невидимую
газообразную среду с отрицательным давлением, ему просто будет казаться, будто
расширяется пустое пространство. Расширение можно было бы обнаружить, повесив
в различные места пробные тела и наблюдая их удаление друг от друга.
Представление о расширении пустого пространства рассматривалось в то время как
некий курьез, хотя, как мы увидим, именно оно оказалось пророческим.
Итак, какой же вывод можно сделать из этой историй? Тот факт, что астрономы
не обнаруживают космического отталкивания, еще не может служить логическим
доказательством его отсутствия в природе. Вполне возможно, что оно просто
слишком слабое, чтобы его удалось зарегистрировать современными приборами.
Точность наблюдения всегда ограничена, и потому можно оценить только верхний

предел этой силы. Против этого можно было бы возразить, что с эстетической
точки зрения законы природы выглядели бы проще в отсутствие космического
отталкивания. Подобные обсуждения тянулись многие годы, не приводя к
определенным результатам, пока внезапно на проблему не взглянули под совершенно новым
ракурсом, который придал ей неожиданную актуальность.
Инфляция: объяснение
Большого взрыва
В предыдущих разделах мы говорили, что если сила космического отталкивания
и существует, то она должна быть очень слабой, настолько слабой, чтобы не
оказать сколько-нибудь значительного влияния на Большой взрыв. Однако такой
вывод основывается на предположении, что величина отталкивания не изменяется
со временем. Во время Эйнштейна это мнение разделяли все ученые, поскольку
космическое отталкивание вводилось в теорию «рукотворно». Никому не приходило
в голову, что космическое отталкивание может вызываться другими физическими
процессами, возникающими по мере расширения Вселенной. Если бы подобная
возможность предусматривалась, то космология могла оказаться иной. В частности,
не исключается сценарий эволюции Вселенной, допускающий, что в экстремальных
условиях ранних стадий эволюции космическое отталкивание какое-то мгновение
преобладало над гравитацией, заставив Вселенную взорваться, после чего его
роль практически свелась к нулю.
Эта общая картина вырисовывается из последних работ по изучению поведения
материи и сил на очень ранних этапах развития Вселенной. Стало ясно, что
гигантское космическое отталкивание — неизбежный результат действия Суперсилы.
Итак, «антигравитация», которую Эйнштейн прогнал в дверь, вернулась через
окно !
Ключ к пониманию нового открытия космического отталкивания дает природа
квантового вакуума. Мы видели, как такое отталкивание может быть обусловлено
необычной невидимой средой, не отличимой от пустого пространства, но
обладающей отрицательным давлением. Сегодня физики считают, что именно такими
свойствами обладает квантовый вакуум.
В гл.7 отмечалось, что вакуум следует рассматривать как своего рода
«фермент» квантовой активности, кишащий виртуальными частицами и насыщенный
сложными взаимодействиями. Очень важно понять, что в рамках квантового описания
вакуум играет определяющую роль. То, что мы называем частицами — всего лишь
редкие возмущения, подобные «пузырькам» на поверхности целого моря
активности .
В конце 70-х годов стало очевидно, что объединение четырех взаимодействий
требует полного пересмотра представлений о физической природе вакуума. Теория
предполагает, что энергия вакуума проявляется отнюдь не однозначно. Попросту
говоря, вакуум может быть возбужденным и находиться в одном из многих
состояний с сильно различающимися энергиями, подобно тому, как атом может
возбуждаться, переходя на уровни с более высокой энергией. Эти собственные
состояния вакуума — если бы мы могли их наблюдать — выглядели бы совершенно
одинаково, хотя обладают совершенно разными свойствами.
Прежде всего, заключенная в вакууме энергия в огромных количествах
перетекает из одного состояния в другое. В теориях Великого объединения, например,
различие между самой низкой и самой высокой энергиями вакуума невообразимо
велико. Чтобы получить какое-то представление о гигантских масштабах этих
величин, оценим энергию, выделенную Солнцем за весь период его существования
(около 5 млрд. лет). Представим себе, что все это колоссальное количество
испущенной Солнцем энергии заключено в область пространства, по размерам мень-

шую Солнечной системы. Достигнутые в этом случае плотности энергии близки к
плотностям энергии, соответствующим состоянию вакуума в ТВО.
Наряду с потрясающими разностями энергий различным вакуумным состояниям
соответствуют столь же гигантские разности давлений. Но здесь-то и кроется
«фокус» : все эти давления — отрицательные. Квантовый вакуум ведет себя точно так
же, как упомянутая ранее гипотетическая среда, создающая космическое
отталкивание, только на этот раз численные значения давления столь велики, что
отталкивание в 10120 раз превосходит силу, которая понадобилась Эйнштейну для
поддержания равновесия в статической Вселенной.
Теперь открыт путь и для объяснения Большого взрыва. Предположим, что
вначале Вселенная находилась в возбужденном состоянии вакуума, которое называют
«ложным» вакуумом. В этом состоянии во Вселенной действовало космическое
отталкивание такой величины, которое вызвало бы безудержное и стремительное
расширение Вселенной. По существу, в этой фазе Вселенная соответствовала бы
модели де Ситтера, о которой шла речь в предыдущем разделе. Разница, однако,
состоит в том, что у де Ситтера Вселенная спокойно расширяется в
астрономических масштабах времени, тогда как «фаза де Ситтера» в эволюции Вселенной из
«ложного» квантового вакуума в действительности далеко не спокойна.
Занимаемый Вселенной объем пространства должен в этом случае удваиваться каждые 10~34
с (или промежуток времени такого же порядка).
Подобное сверхрасширение Вселенной имеет ряд характерных особенностей: все
расстояния возрастают по экспоненциальному закону (с понятием экспоненты мы
уже встречались в гл.4). Это означает, что каждые 10~34 с все области
Вселенной удваивают свои размеры, а затем этот процесс удвоения продолжается в
геометрической прогрессии. Такой тип расширения, впервые рассмотренный в 1980г.
Аланом Гутом из МТИ (Массачусетский технологический институт, США), был
назван им «инфляцией». В результате чрезвычайно быстрого и непрерывно
ускоряющегося расширения очень скоро оказалось бы, что все части Вселенной
разлетаются, как при взрыве. А это и есть Большой взрыв!
Однако, так или иначе, но фаза инфляции должна прекратиться. Как и во всех
возбужденных квантовых системах, «ложный» вакуум неустойчив и стремится к
распаду. Когда распад происходит, отталкивание исчезает. Это в свою очередь
ведет к прекращению инфляции и переходу Вселенной во власть обычного
гравитационного притяжения. Разумеется, Вселенная и в этом случае продолжала бы
расширяться благодаря первоначальному импульсу, приобретенному в период
инфляции, однако скорость расширения неуклонно снижалась бы. Таким образом,
единственный след, сохранившийся до настоящего времени от космического
отталкивания, — это постепенное замедление расширения Вселенной.
Согласно «инфляционному сценарию», Вселенная начала свое существование из
состояния вакуума, лишенного вещества и излучения. Но, если бы даже они
присутствовали изначально, их следы быстро затерялись бы вследствие огромной
скорости расширения в фазе инфляции. За чрезвычайно короткий отрезок времени,
соответствующий этой фазе, область пространства, которую сегодня занимает вся
наблюдаемая Вселенная, выросла от миллиардной доли размера протона до
нескольких сантиметров. Плотность любого существовавшего первоначально вещества
фактически стала бы равной нулю.
Итак, к концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Однако, когда
инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно «горячей». Этот всплеск
тепла, осветивший космос, обусловлен огромными запасами энергии, заключенными
в «ложном» вакууме. Когда состояние вакуума распалось, его энергия
высвободилась в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную примерно до 1027
К, что достаточно для протекания процессов в ТВО. С этого момента Вселенная
развивалась согласно стандартной теории «горячего» Большого взрыва. Благодаря
тепловой энергии возникло вещество и антивещество, затем Вселенная стала ос-

тывать, и постепенно стали «вымораживаться» все ее элементы, наблюдаемые
сегодня .
Таким образом, трудную проблему — чем вызван Большой взрыв? — удалось
решить с помощью теории инфляции; пустое пространство самопроизвольно
взорвалось под действием отталкивания, свойственного квантовому вакууму. Однако
загадка по-прежнему остается. Колоссальная энергия первичного взрыва, пошедшая
на образование вещества и излучения, существующих во Вселенной, должна была
откуда-то взяться! Мы не сможем объяснить существование Вселенной, пока не
найдем источник первичной энергии.
Космический бутстрэп
Англ. bootstrap в буквальном смысле означает «зашнуровка», в переносном —
самосогласование, отсутствие иерархии в системе элементарных частиц.
Вселенная родилась в процессе гигантского выброса энергии. Следы ее мы
обнаруживаем до сих пор — это фоновое тепловое излучение и космическое вещество
(в частности, атомы, из которых состоят звезды и планеты), хранящее
определенную энергию в виде «массы». Следы этой энергии проявляются также в разбе-
гании галактик и в бурной активности астрономических объектов. Первичная
энергия «завела пружину» рождающейся Вселенной и по сей день продолжает
приводить ее в действие.
Откуда же взялась эта энергия, вдохнувшая жизнь в нашу Вселенную? Согласно
теории инфляции, это — энергия пустого пространства, иначе — квантового
вакуума. Однако может ли такой ответ полностью удовлетворить нас? Естественно
спросить, каким образом приобрел энергию вакуум.
Вообще, задавая вопрос о том, откуда возникла энергия, мы по существу
делаем важное предположение о природе этой энергии. Одним из фундаментальных
законов физики является закон сохранения энергии, согласно которому различные
формы энергии могут изменяться и переходить одна в другую, однако полное
количество энергии остается неизменным.
Нетрудно привести примеры, в которых можно проверить действие этого закона.
Предположим, у нас имеется двигатель и запас горючего, причем двигатель
используется в качестве привода электрического генератора, который в свою
очередь питает электроэнергией нагреватель. При сгорании топлива запасенная в
нем химическая энергия преобразуется в механическую, затем в электрическую и,
наконец, в тепловую. Или допустим, что двигатель, используется для подъема
груза на вершину башни, после чего груз свободно падает; при ударе о землю
возникает в точности такое же количество тепловой энергии, как и в примере с
нагревателем. Дело в том, что, как бы энергия ни передавалась или как бы ни
изменялась ее форма, ее, очевидно, нельзя ни, создать, ни уничтожить. Этим
законом инженеры пользуются в повседневной практике.
Если энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, то как же все-таки возникает
первичная энергия? Не впрыскивается ли она просто в первый момент (своего
рода новое начальное условие, принимаемое ad hoc )? Если так, то почему
Вселенная содержит данное, а не какое-то другое количество энергии? В доступной
наблюдению Вселенной заключено около 1068 Дж (джоулей) энергии — почему,
скажем, не 1099 или ю10000 или любое другое число?
Теория инфляции предлагает одно из возможных научных объяснений этой
загадки. Согласно этой теории. Вселенная вначале имела энергию, фактически равную
нулю, и за первые 1032 с ей удалось вызвать к жизни все гигантское количество
энергии. Ключ к пониманию этого чуда следует искать в том замечательном
факте, что закон сохранения энергии в обычном смысле не применим к расширяющейся
Вселенной.

По существу, мы уже встречались с подобным фактом. Космологическое
расширение приводит к понижению температуры Вселенной: соответственно энергия
теплового излучения, столь большая в первичной фазе, истощается и температура
опускается до значений, близких к абсолютному нулю. Куда же делась вся эта
тепловая энергия? В некотором смысле она израсходована Вселенной на
расширение и обеспечила давление, дополняющее силу Большого взрыва. При расширении
обычной жидкости ее давление, направленное наружу, совершает работу,
используя энергию жидкости. При расширении обычного газа его внутренняя энергия
расходуется на совершение работы. В полную противоположность этому
космическое отталкивание сходно с поведением среды с отрицательным давлением. При
расширении такой среды ее энергия не уменьшается, а растет. Именно это и
происходило в период инфляции, когда космическое отталкивание заставило
Вселенную ускоренно расширяться. В течение всего этого периода полная энергия
вакуума продолжала возрастать, пока к концу периода инфляции не достигла
громадной величины. Как только период инфляции завершился, вся накопленная
энергия высвободилась в одном гигантском всплеске, порождая теплоту и вещество в
полном масштабе Большого взрыва. С этого момента началось обычное расширение
с положительным давлением, так что энергия вновь стала уменьшаться.
Возникновение первичной энергии отмечено каким-то волшебством. Вакуум с
таинственным отрицательным давлением, наделен, по-видимому, совершенно
невероятными возможностями. С одной стороны, он создает гигантскую силу
отталкивания, обеспечивающую его все ускоряющееся расширение, а с другой — само
расширение форсирует возрастание энергии вакуума. Вакуум, по существу, сам питает
себя энергией в огромных количествах. В нем заложена внутренняя
неустойчивость , обеспечивающая непрерывное расширение и неограниченное производство
энергии. И только квантовый распад ложного вакуума кладет предел этому
«космическому мотовству».
Вакуум служит у природы волшебным, бездонным кувшином энергии. В принципе
не существует предела величины энергии, которая могла бы выделяться в ходе
инфляционного расширения. Это утверждение знаменует собой переворот в
традиционном мышлении с его многовековым «из ничего не родится ничто» (это
изречение датируется, по крайней мере эпохой Парменидов , т.е. V в. до н.э.) . Идея
о возможности «сотворения» из ничего до недавнего времени целиком находилась
в компетенции религий. В частности, христиане издавна верят, что бог сотворил
мир из Ничего, однако мысль о возможности самопроизвольного возникновения
всего вещества и энергии в результате чисто физических процессов еще десяток
лет назад считалось учеными абсолютно неприемлемой.
Те, кто не может внутренне примириться со всей концепцией возникновения
«чего-то» из «ничего», имеют возможность иначе взглянуть на возникновение
энергии при расширении Вселенной. Поскольку обычная гравитация имеет характер
притяжения, для удаления частей вещества друг от друга необходимо совершить
работу по преодолению гравитации, действующей между этими частями. Это
означает, что гравитационная энергия системы тел отрицательна; при добавлении к
системе новых тел происходит высвобождение энергии, и вследствие этого
гравитационная энергия становится «еще более отрицательной». Если применить это
рассуждение ко Вселенной на стадии инфляции, то именно появление теплоты и
вещества как бы «компенсирует» отрицательную гравитационную энергию
образовавшихся масс. В этом случае полная энергия Вселенной в целом равна нулю и
никакой новой энергии вообще не возникает! Подобный взгляд на процесс
«сотворения мира», конечно, привлекателен, однако его все же не следует принимать
слишком всерьез, поскольку в целом статус понятия энергии применительно к
гравитации оказывается сомнительным.
Все сказанное здесь о вакууме очень напоминает излюбленную физиками историю
о мальчике, который, провалившись в болото, вытащил себя за шнурки от собст-

венных ботинок. Самосоздающаяся Вселенная напоминает этого мальчика — она
тоже вытягивает сама себя за собственные «шнурки» (этот процесс обозначается
термином «бутстрэп»). Действительно, благодаря собственной физической природе
Вселенная возбуждает в себе всю энергию, необходимую для «создания» и
«оживления» материи, а также инициирует порождающий ее взрыв. Это и есть
космический бутстрэп; его поразительному могуществу мы и обязаны своим
существованием.
Успехи теории инфляции
После того как Гут выдвинул основополагающую идею о том, что Вселенная
претерпела ранний период чрезвычайно быстрого расширения, стало очевидно, что
такой сценарий позволяет красиво объяснить многие особенности космологии
Большого взрыва, которые ранее принимались «на веру».
В одном из предшествующих разделов мы встретились с парадоксами очень
высокой степени организации и согласованности первичного взрыва. Один из
замечательных примеров тому — сила взрыва, которая оказалась точно «подогнанной» к
величине гравитации космоса, вследствие чего скорость расширения Вселенной в
наше время очень близка к граничному значению, разделяющему сжатие (коллапс)
и быстрое разбегание. Решающая проверка инфляционного сценария как раз и
состоит в том, предусматривает ли он Большой взрыв настолько точно определенной
силы. Оказывается, что благодаря экспоненциальному расширению в фазе инфляции
(что составляет ее самое характерное свойство) сила взрыва автоматически
строго обеспечивает возможность преодоления Вселенной собственной гравитации.
Инфляция может привести именно к той скорости расширения, которая наблюдается
в действительности.
Другая «великая загадка» связана с однородностью Вселенной в больших
масштабах. Она также немедленно решается на основе теории инфляции. Любые
первоначальные неоднородности в структуре Вселенной должны абсолютно стираться при
грандиозном увеличении ее размеров, подобно тому, как складки на спущенном
воздушном шаре разглаживаются при его надувании. А в результате увеличения
размеров пространственных областей примерно в 1050 раз любое начальное
возмущение становится несущественным.
Однако неверно было бы говорить о полной однородности. Чтобы стало
возможным появление современных галактик и галактических скоплений, структура
ранней Вселенной должна была иметь некоторую «комковатость». Первоначально
астрономы надеялись, что существование галактик можно объяснить скоплением
вещества под действием гравитационного притяжения после Большого взрыва. Облако
газа должно сжиматься под действием собственной гравитации, а затем
распадаться на более мелкие фрагменты, а те в свою очередь — на еще меньшие и т.д.
Возможно, распределение газа, возникшее в результате Большого взрыва, было
совершенно однородным, но за счет чисто случайных процессов то там, то здесь
возникали сгущения и разрежения. Гравитация еще более усиливала эти
флуктуации, приводя к разрастанию областей сгущения и поглощению ими добавочного
вещества . Затем эти области сжимались и последовательно распадались, а сгущения
наименьших размеров превращались в звезды. В конце концов, возникла иерархия
структур: звезды объединялись в группы, те — в галактики и далее в скопления
галактик.
К сожалению, если в газе с самого начала не было неоднородностей, то такой
механизм возникновения галактик сработал бы за время, значительно превышающее
возраст Вселенной. Дело в том, что процессы сгущения и фрагментации
конкурировали с расширением Вселенной, которое сопровождалось рассеянием газа. В
первоначальном варианте теории Большого взрыва предполагалось, что «зародыши»
галактик существовали изначально в структуре Вселенной при ее возникновении.

Более того, эти начальные неоднородности должны были иметь вполне
определенные размеры: не слишком малые, иначе никогда бы не образовались, но и не
слишком большие, иначе области большой плотности просто испытали бы коллапс,
превратившись в огромные черные дыры. При этом совершенно непонятно, почему
галактики имеют именно такие размеры или почему в скопление входит именно
такое число галактик.
Инфляционный сценарий дает более последовательное объяснение галактической
структуры. Основная идея достаточно проста. Инфляция обусловлена тем, что
квантовым состоянием Вселенной является неустойчивое состояние ложного
вакуума. В конце концов, это состояние вакуума распадается, и избыток его энергии
превращается в теплоту и вещество. В этот момент космическое отталкивание
исчезает — и инфляция прекращается. Однако распад ложного вакуума происходит не
строго одновременно во всем пространстве. Как и в любых квантовых процессах,
скорости распада ложного вакуума флуктуируют. В некоторых областях Вселенной
распад осуществляется несколько быстрее, чем в других. В этих областях
инфляция завершится раньше. В результате этого неоднородности сохраняются и в
конечном состоянии. Не исключено, что эти неоднородности могли служить
«зародышами» (центрами) гравитационного сжатия и, в конце концов, привели к
образованию галактик и их скоплений. Проводилось математическое моделирование
механизма флуктуации, однако, с весьма ограниченным успехом. Как правило, эффект
оказывается слишком большим, вычисленные неоднородности — слишком
значительными. Правда, использовались слишком грубые модели и, возможно, более тонкий
подход оказался бы более успешным. Хотя теория пока далека от завершения,
она, по крайней мере, описывает характер механизма, который мог бы привести к
возникновению галактик без необходимости введения специальных начальных
условий .
В предложенном Гутом варианте инфляционного сценария ложный вакуум вначале
превращается в «истинный», или в вакуумное состояние с наинизшей энергией,
которое мы отождествляем с пустым пространством. Характер этого изменения
вполне аналогичен фазовому переходу (например, из газа в жидкость). При этом
в ложном вакууме происходило бы случайное образование пузырьков истинного
вакуума, которые, расширяясь со скоростью света, захватывали бы все большие
области пространства. Чтобы ложный вакуум мог просуществовать достаточно долго,
и инфляция совершила бы свое «чудотворное» дело, эти два состояния должны
быть разделены энергетическим барьером, сквозь который должно произойти
«квантовое туннелирование» системы, аналогично тому, как это происходит с
электронами (см. гл. 2). Однако у этой модели есть один серьезный недостаток:
вся энергия, выделившаяся из ложного вакуума, оказывается сконцентрированной
в стенках пузырьков и отсутствует механизм ее перераспределения по всему
пузырьку. При столкновении и слиянии пузырьков энергия, в конечном счете,
накапливалась бы в беспорядочно перемешанных слоях. В результате Вселенная
содержала бы очень сильные неоднородности, и вся работа инфляции по созданию
крупномасштабной однородности потерпела бы крах.
При дальнейшем усовершенствовании инфляционного сценария эти трудности
удалось обойти. В новой теории отсутствует туннелирование между двумя
состояниями вакуума; вместо этого параметры выбираются так, что распад ложного вакуума
происходит очень медленно и, таким образом, Вселенная получает достаточное
время для инфляции. Когда же распад завершается, энергия ложного вакуума
высвобождается во всем объеме «пузыря», который быстро нагревается до 1027 К.
Предполагается, что вся наблюдаемая Вселенная содержится в одном таком
пузыре. Таким образом, в ультрабольших масштабах Вселенная может быть крайне
нерегулярной, но доступная нашему наблюдению область (и даже значительно более
крупные части Вселенной) находится в пределах полностью однородной зоны.

Любопытно, что Гут первоначально разрабатывал свою инфляционную теорию для
решения совершенно другой космологической проблемы — отсутствия в природе
магнитных монополей. Как показано в гл.9, стандартная теория Большого взрыва
предсказывает, что в первичной фазе эволюции Вселенной монополи должны
возникать в избытке. Они, возможно, сопровождаются их одно- и двумерными аналогами
— странными объектами, имеющими характер «струны» и «листа». Проблема
заключалась в том, чтобы избавить Вселенную от этих «нежелательных» объектов.
Инфляция автоматически решает проблему монополей и другие аналогичные проблемы,
поскольку гигантское расширение пространства эффективно уменьшает их
плотность до нуля.
Хотя инфляционный сценарий разработан только частично и всего лишь
правдоподобен, не более, он позволил сформулировать ряд идей, обещающих
безвозвратно изменить облик космологии. Теперь мы не только можем предложить объяснение
причины Большого взрыва, но и начинаем понимать, почему он был столь
«большим» и почему принял такой характер. Мы можем теперь приступить к решению
вопроса о том, каким образом возникла крупномасштабная однородность Вселенной,
а наряду с ней — наблюдаемые неоднородности меньшего масштаба (например,
галактики) . Первичный взрыв, в котором возникло то, что мы называем Вселенной,
отныне перестал быть загадкой, лежащей за пределами физической науки.
Вселенная,
создающая
сама себя
И все-таки, несмотря на огромный успех инфляционной теории в объяснении
происхождения Вселенной, тайна остается. Каким образом Вселенная
первоначально оказалась в состоянии ложного вакуума? Что происходило до инфляции?
Последовательное, вполне удовлетворительное научное описание возникновения
Вселенной должно объяснять, как возникло само пространство (точнее,
пространство-время) , которое затем подверглось инфляции. Одни ученые готовы
допустить, что пространство существует всегда, другие считают, что этот вопрос
вообще выходит за рамки научного подхода. И лишь немногие претендуют на большее
и убеждены, что вполне правомерно ставить вопрос о том, каким образом
пространство вообще (и ложный вакуум, в частности) могло возникнуть буквально из
«ничего» в результате физических процессов, в принципе поддающихся изучению.
Как уже отмечалось, мы лишь недавно бросили вызов стойкому убеждению, «из
ничего не возникает ничто». Космический бутстрэп близок теологической
концепции сотворения мира из ничего (ex nihilo). Без сомнения, в окружающем нас
мире существование одних объектов обусловлено обычно наличием других объектов.
Так, Земля возникла из протосолнечной туманности, та в свою очередь — из
галактических газов и т.д. Если бы нам довелось увидеть объект, внезапно
возникший «из ничего», мы, по-видимому, восприняли бы это как чудо; например,
нас поразило бы, если бы в запертом пустом сейфе мы вдруг обнаружили массу
монет, ножей или сладостей. В повседневной жизни мы привыкли сознавать, что
все возникает откуда-то или из чего-то.
Однако все не так очевидно, если речь идет о менее конкретных вещах. Из
чего, например, возникает живописное полотно? Разумеется, для этого необходимы
кисть, краски и холст, но ведь это всего лишь инструменты. Манера, в которой
написана картина, — выбор формы, цвета, текстуры, композиции — рождается не
кистями и красками. Это результат творческого воображения художника.
Из чего возникают мысли и идеи? Мысли, без сомнения, существуют реально и,
по-видимому, всегда требуют участия мозга. Но мозг лишь обеспечивает
реализацию мыслей, а не является их причиной. Сам по себе мозг порождает мысли не
более чем, например, компьютер — вычисления. Мысли могут быть вызваны другими

мыслями, однако это не раскрывает природы самой мысли. Некоторые мысли могут
рождаться, ощущениями; мысли рождает и память. Большинство художников,
однако, рассматривает свою работу как результат неожиданного вдохновения. Если
это действительно так, то создание картины — или, по крайней мере, рождение
ее идеи — как раз представляет собой пример рождения чего-то из ничего.
И все же можем ли мы считать, что физические объекты и даже Вселенная в
целом возникают из ничего? Эта смелая гипотеза вполне серьезно обсуждается,
например, в научных учреждениях восточного побережья США, где довольно много
физиков-теоретиков и специалистов по космологии занимаются разработкой
математического аппарата, который помог бы выяснить возможность рождения чего-то
из ничего. В этот круг избранных входят Алан Гут из МТИ, Сидней Коулмен из
Гарвардского университета, Алекс Виленкин из Университета Тафта, Эд Тайон и
Хайнц Пейджелс из Нью-Йорка. Все они считают, что в том или ином смысле
«ничто неустойчиво» и что физическая Вселенная спонтанно «распустилась из
ничего», управляемая лишь законами физики. «Подобные идеи чисто умозрительны, —
признается Гут, — однако на определенном уровне они, возможно, правильны...
Иногда говорят, что бесплатного ланча19 не бывает, но Вселенная, по-видимому,
как раз и являет собой такой «бесплатный ланч».
Во всех этих гипотезах ключевую роль играет квантовое поведение. Как мы
говорили в гл.2, основная особенность квантового поведения состоит в утрате
строгой причинно-следственной связи. В классической физике изложение механики
следовало строгому соблюдению причинности. Все детали движения каждой частицы
были строго предопределены законами движения. Считалось, что движение
непрерывно и строго определено действующими силами. Законы движения в прямом
смысле воплощали в себе связь между причиной и следствием. Вселенная
рассматривалась как гигантский часовой механизм, поведение которого строго
регламентировано происходящим в данный момент. Именно вера в подобную всеобъемлющую и
абсолютно строгую причинность побудила Пьера Лапласа утверждать, что
сверхмощный калькулятор способен в принципе предвычислить на основе законов механики
как историю, так и судьбу Вселенной. Согласно этой точке зрения, Вселенная
обречена вечно следовать предписанному ей пути.
Квантовая физика разрушила методичную, но бесплодную лапласовскую схему.
Физики убедились в том, что на атомном уровне материя и ее движение
неопределенны и непредсказуемы. Частицы могут вести себя «сумасбродно», как бы
сопротивляясь строго предписанным движениям, внезапно появляясь в самых
неожиданных местах без видимых на то причин, а иногда возникая и исчезая «без
предупреждения» .
Квантовый мир не свободен полностью от причинности, однако, она проявляется
довольно нерешительно и неоднозначно. Например, если один атом в результате
столкновения с другим атомом оказывается в возбужденном состоянии, он, как
правило, быстро возвращается в состояние с наинизшей энергией, испуская при
этом фотон. Возникновение фотона является, разумеется, следствием того, что
атом перед этим перешел в возбужденное состояние. Мы можем с уверенностью
сказать, что именно возбуждение привело к возникновению фотона, и в этом
смысле связь причины и следствия сохраняется. Однако истинный момент
возникновения фотона непредсказуем: атом может испустить его в любое мгновение.
Физики в состоянии вычислить вероятное, или среднее, время появления фотона, но
в каждом конкретном случае невозможно предсказать момент, когда это событие
произойдет. Видимо, для характеристики подобной ситуации лучше всего сказать,
что возбуждение атома не столько приводит к появлению фотона, сколько
«подталкивает» его к этому.
Возможно, имеется в виду второй Завтрак - lunch (англ.), аналог русского обеда.

Таким образом, квантовый микромир не опутан густой паутиной причинных
взаимосвязей, но все же «прислушивается» к многочисленным ненавязчивым командам и
предложениям. В старой ньютоновской схеме сила как бы обращалась к объекту с
не допускающим возражения приказом: «Двигайся!». В квантовой физике
взаимоотношения силы и объекта строятся скорее на приглашении, чем на приказе.
Почему вообще мы считаем столь неприемлемой мысль о внезапном рождении
объекта «из ничего?» Что при этом заставляет нас думать о чудесах и
сверхъестественных явлениях? Возможно, все дело лишь в необычности подобных событий: в
повседневной жизни мы никогда не сталкиваемся с беспричинным появлением
объектов. Когда, например, фокусник достает из шляпы кролика, мы знаем, что нас
дурачат.
Предположим, что мы действительно живем в мире, где объекты время от
времени явно возникают «ниоткуда», без всякой причины и притом совершенно
непредсказуемым образом. Привыкнув к таким явлениям, мы перестали бы удивляться им.
Спонтанное рождение воспринималось бы как одна из причуд природы. Возможно, в
таком мире нам уже не пришлось бы напрягать свою доверчивость, чтобы
представить внезапное возникновение из ничего всей физической Вселенной.
Этот воображаемый мир по существу не столь уж сильно отличается от
реального. Если бы мы могли непосредственно воспринимать поведение атомов с помощью
наших органов чувств (а не при посредничестве специальных приборов), нам бы
часто приходилось наблюдать объекты, появляющиеся и исчезающие без четко
определенных причин.
Явление, наиболее близкое «рождению из ничего», происходит в достаточно
20
сильном электрическом поле. При критическом значении напряженности поля «из
ничего» совершенно случайным образом начинают возникать электроны и
позитроны. Расчеты показывают, что вблизи поверхности ядра урана напряженность
электрического поля достаточно близка к пределу, за которым возникает этот
эффект. Если бы существовали атомные ядра, содержащие 200 протонов (в ядре
урана их 92) , то происходило бы спонтанное рождение электронов и позитронов. К
сожалению, ядро со столь большим числом протонов, по-видимому, становится
крайне неустойчивым, но полной уверенности в этом нет.
Спонтанное рождение электронов и позитронов в сильном электрическом поле
можно рассматривать как особый вид радиоактивности, когда распад испытывает
пустое пространство, вакуум. Мы уже говорили о переходе одного вакуумного
состояния в другое в результате распада. В этом случае вакуум распадается,
превращаясь в состояние, в котором присутствуют частицы.
Хотя распад пространства, вызванный электрическим полем, трудно постижим,
аналогичный процесс под действием гравитации вполне мог бы происходить в
природе. Вблизи поверхности черных дыр гравитация столь сильна, что вакуум кишмя
кишит непрерывно рождающимися частицами. Это и есть знаменитое излучение
черных дыр, открытое Стивеном Хокингом. В конечном счете именно гравитация
ответственна за рождение этого излучения, однако нельзя сказать, что это
происходит «в старом ньютоновском смысле»: нельзя утверждать, что какая-то
конкретная частица должна появиться в определенном месте в тот или иной момент
времени в результате действия гравитационных сил. В любом случае, поскольку
гравитация — лишь искривление пространства-времени, можно сказать, что
пространство-время вызывает рождение вещества.
О спонтанном возникновении вещества из пустого пространства часто говорят
как о рождении «из ничего», которое близко по духу рождению ex nihilo в
христианской доктрине. Однако для физика пустое пространство совсем не «ничто»,
а весьма существенная часть физической Вселенной. Если мы все-таки хотим
ответить на вопрос, как возникла Вселенная, то недостаточно предполагать, что с
20 Интересно, при каком конкретно?

самого начала существовало пустое пространство. Необходимо объяснить, откуда
взялось это пространство. Мысль о рождении самого пространства может
показаться странной, однако в каком-то смысле это все время происходит вокруг
нас. Расширение Вселенной есть не что иное, как непрерывное «разбухание»
пространства . С каждым днем доступная нашим телескопам область Вселенной
возрастает на 1018 кубических световых лет. Откуда же берется это пространство?
Здесь полезна аналогия с резиной. Если упругий резиновый жгут вытянуть, его
«становится больше». Пространство напоминает суперэластик тем, что оно,
насколько нам известно, может неограниченно долго растягиваться21, не
разрываясь .
Растяжение и искривление пространства напоминают деформацию упругого тела
тем, что «движение» пространства происходит по законам механики точно так же,
как и движение обычного вещества. В данном случае это законы гравитации.
Квантовая теория в равной мере применима как к веществу, так и к пространству
и к времени. В предшествующих главах мы говорили, что квантовая гравитация
рассматривается как необходимый этап поиска Суперсилы. В этой связи возникает
любопытная возможность; если, согласно квантовой теории, частицы вещества
могут возникать «из ничего», то применительно к гравитации не будет ли она
описывать возникновение «из ничего» и пространства? Если это произойдет, то не
является ли рождение Вселенной 18 млрд. лет назад, примером именно такого
процесса?
Бесплатный ланч?
Основная идея квантовой космологии состоит в применении квантовой теории к
Вселенной в целом: к пространству-времени и веществу; особенно серьезно эту
идею рассматривают теоретики. На первый взгляд здесь налицо противоречие:
квантовая физика имеет дело с самыми малыми системами, тогда как космология —
с самыми большими. Тем не менее Вселенная когда-то также была ограничена
очень малыми размерами и, следовательно, тогда были чрезвычайно важны
квантовые эффекты. Результаты вычислений говорят о том, что квантовые законы
следует учитывать в эру ТВО (10~32 с) , а в эру Планка (10~43 с) они, вероятно,
должны играть определяющую роль. Как считают некоторые теоретики (например, Ви-
ленкин), между этими двумя эпохами существовал момент времени, когда возникла
Вселенная. По словам Сиднея Коулмена, мы совершили квантовый скачок из Ничего
во Время. По-видимому, пространство-время представляет собой реликт этой
эпохи. Квантовый скачок, о котором говорит Коулмен, можно рассматривать как
своего рода «туннельный процесс». Мы отмечали, что в первоначальном варианте
теории инфляции состояние ложного вакуума должно было туннелировать через
энергетический барьер в состояние истинного вакуума. Однако, в случае
спонтанного возникновения квантовой Вселенной «из ничего», наша интуиция
достигает предела своих возможностей. Один конец туннеля представляет собой
физическую Вселенную в пространстве и времени, которая попадает туда путем
квантового туннелирования «из ничего». Следовательно, другой конец туннеля
представляет собой это самое Ничто! Возможно, лучше было бы сказать, что у
туннеля имеется лишь один конец, а второго просто «не существует».
Главная трудность этих попыток объяснить происхождение Вселенной состоит в
описании процесса ее рождения из состояния ложного вакуума. Если бы вновь
возникшее пространство-время оказалось в состоянии истинного вакуума, то
инфляция никогда не смогла бы произойти. Большой взрыв свелся бы к слабому
всплеску, а пространство-время спустя мгновение снова прекратило бы свое
существование — его истребили бы те самые квантовые процессы, благодаря которым
Ну и чем это кончится? По идеи, то что имело начало - должно иметь иконец.

оно первоначально возникло. Не окажись Вселенная в состоянии ложного вакуума,
она никогда не оказалась бы вовлеченной в космический бутстрэп и не
материализовала бы свое иллюзорное существование. Возможно, состояние ложного
вакуума оказывается предпочтительным благодаря характерным для него экстремальным
условиям. Например, если Вселенная возникала при достаточно высокой начальной
температуре, а затем остывала, то она могла бы даже «сесть на мель» в ложном
вакууме, но пока многие технические вопросы такого типа остаются нерешенными.
Но как бы ни обстояло в действительности дело с этими фундаментальными
проблемами , Вселенная должна тем или иным образом возникнуть, и квантовая физика
представляет собой единственную область науки, в которой имеет смысл говорить
о событии, происходящем без видимой причины. Если речь идет о пространстве-
времени, то в любом случае бессмысленно говорить о причинности в обычном
понимании. Обычно понятие причинности тесно связано с понятием времени, и
потому любые соображения о процессах возникновения времени или его «выхода из
небытия» должны опираться на более широкое представление о причинности.
Если пространство действительно десятимерно, то теория считает все десять
измерений вполне равноправными на самых ранних стадиях. Привлекает
возможность связать явление инфляции со спонтанной компактификацией (сворачиванием)
семи из десяти измерений. Согласно такому сценарию, «движущая сила» инфляции
представляет собой побочный продукт взаимодействий, проявляющихся через
дополнительные измерения пространства. Далее десятимерное пространство могло бы
естественно эволюционировать таким образом, что при инфляции три
пространственных измерения сильно разрастаются за счет семи остальных, которые,
напротив, сжимаются, становясь невидимыми? Таким образом, квантовый микропузырь
десятимерного пространства сжимается, а три измерения благодаря этому
раздуваются, образуя Вселенную: остальные семь измерений остаются в плену
микрокосмоса, откуда проявляются лишь косвенно — в форме взаимодействий. Эта
теория кажется очень привлекательной.
Несмотря на то, что теоретикам предстоит еще много работы по изучению
природы очень ранней Вселенной, уже сейчас можно дать общий набросок событий, в
результате которых Вселенная обрела наблюдаемый сегодня облик. В самом начале
Вселенная спонтанно возникла «из ничего». Благодаря способности квантовой
энергии служить своего рода ферментом, пузыри пустого пространства могли
раздуваться со все возрастающей скоростью, создавая благодаря бутстрэпу
колоссальные запасы энергии. Этот ложный вакуум, наполненный саморожденной
энергией, оказался неустойчивым и стал распадаться, выделяя энергию в виде теплоты,
так что каждый пузырек заполнился огнедышащей материей (файерболом).
Раздувание (инфляция) пузырей прекратилось, но начался Большой взрыв. На «часах»
Вселенной в этот момент было 10~32 с.
Из такого файербола и возникла вся материя и все физические объекты. По
мере остывания космический материал испытывал последовательные фазовые
переходы. При каждом из переходов из первичного бесформенного материала
«вымораживалось» все больше различных структур. Одно за другим отделялись друг от
друга взаимодействия. Шаг за шагом объекты, которые мы называем теперь
субатомными частицами, приобретали присущие им ныне черты. По мере того как состав
«космического супа» все более усложнялся, оставшиеся со времен инфляции
крупномасштабные нерегулярности разрастались в галактики. В процессе дальнейшего
образования структур и обособления различных видов вещества Вселенная все
больше приобретала знакомые формы; горячая плазма конденсировалась в атомы,
формируя звезды, планеты и, в конечном счете, жизнь. Так Вселенная «осознала»
самое себя.
Вещество, энергия, пространство, время, взаимодействия, поля,
упорядоченность и структура — все эти понятия, заимствованные из «прейскуранта творца»,
служат неотъемлемыми характеристиками Вселенной. Новая физика приоткрывает

заманчивую возможность научного объяснения происхождения всех этих вещей. Нам
уже не нужно с самого начала специально вводить их «вручную». Мы можем
увидеть, каким образом все фундаментальные свойства физического мира могут
появиться автоматически как следствия законов физики, без необходимости
предполагать существование крайне специфических начальных условий. Новая космология
утверждает, что начальное состояние космоса не играет никакой роли, так как
вся информация о нем стерлась в ходе инфляции. Наблюдаемая нами Вселенная
несет на себе лишь отпечатки тех физических процессов, которые происходили с
момента начала инфляции.
Тысячелетиями человечество верило в то, что «из ничего не родится ничто».
Сегодня мы можем утверждать, что из ничего произошло все. За Вселенную не
надо «платить» — это абсолютно «бесплатный ленч».
13. ЕДИНСТВО ВСЕЛЕННОЙ
Понятие Вселенной
Слово «Вселенная» (Universe) в английском языке имеет то же происхождение,
что и «единство» (unity) или «единица» (one). Буквально оно означает
единство, общность всех вещей, рассматриваемых как целое. Любопытно, что слово
«целый» (whole) имеет один корень со словом «святой» (holy), что отражает
глубоко таинственные и метафизические связи, с которыми имеет дело космология.
Вплоть до XX в. познание Вселенной как целого в основном оставалось
прерогативой религии. Научная космология как самостоятельная отрасль знания возникла
сравнительно недавно.
Популярность космологии, как среди ученых, так и среди широкой публики
обусловлена ее своеобразной таинственностью. Многие вообще не видят серьезного
различия между научной космологией, мистицизмом или сенсационными сторонами
парапсихологии. Полагаю, что, несмотря на такую путаницу, всеобщий интерес к
космологии сам по себе благо в нашем мире, где разобщенность и конфликты
часто одерживают верх над единством.
Банальные рассуждения о Вселенной оттеснили на второй план, пожалуй, самый
замечательный факт космологии — то обстоятельство, что понятие Вселенной
вообще имеет смысл. Можно ли рассматривать все сущее как некое единое целое?
В этом вопросе заключен глубокий философский смысл. В основе науки лежат
законы, подлежащие экспериментальной проверке. Научная теория дает
последовательное описание тех или иных явлений природы, основанное на сумме не
противоречащих друг другу принципов (выраженных преимущественно в математической
форме). Цель теории заключается в создании модели определенной части
физического мира; она сохраняет силу или, наоборот, отвергается в зависимости от
своей пригодности. Чтобы определить, насколько модель близка к реальности,
ученым приходится ставить эксперименты.
Если неоднократные эксперименты подтверждают точность модели, то доверие к
теории растет, и она становится частью совершенного научного знания,
оставаясь в этом качестве до тех пор, пока ей на смену не придет улучшенная, более
точная или более глубокая теория.
Научный метод в значительной мере опирается на воспроизводимость
экспериментальных проверок. Приведем простой пример. Галилей утверждал, что при
падении все тела ускоряются одинаково, так что, начав падать вместе, два тела
даже различной массы достигнут поверхности Земли одновременно. Это
утверждение было встречено с большим скептицизмом, ибо столетиями люди верили учению
Аристотеля о том, что массивные тела падают быстрее (видимо, такое
представление больше соответствует интуиции). Однако, что бы ни говорила интуиция,

утверждение Галилея сравнительно нетрудно проверить на опыте — достаточно
просто проследить за падением нескольких одновременно отпущенных тел. После
многократного повторения этого опыта люди пришли к выводу о справедливости
утверждения Галилея об особенностях процесса падения материальных тел.
В приведенном примере проверка теории проста, поскольку мы располагаем
безграничным количеством небольших тел, пригодных для проведения таких опытов. В
космологии, однако, ситуация совершенно иная, ибо (по определению) существует
лишь одна Вселенная. Здесь даже не возникает вопроса о «космическом законе»,
поскольку подобный закон никогда не удалось бы проверить в повторных
экспериментах на наборе сходных систем. Отсюда возникает принципиальный вопрос,
насколько вообще применимы научные выводы ко Вселенной как целому.
На практике космологи прибегают к экстраполяции. Законы физики, выведенные
из наблюдений и экспериментов над отдельными частями Вселенной, применяются и
ко Вселенной в целом. Например, общая теория относительности (лучшая из
существующих на сегодня теорий гравитации), проверенная экспериментально в
основном в пределах Солнечной системы, применяется, тем не менее, к расчету
движения всей Вселенной. Замечательно, что, судя по всему, это дает правильные
результаты! Применение законов, справедливых для какой-то отдельной части
Вселенной, ко всему космосу, кажется, приводит к очень правдоподобному описанию
наблюдаемой на опыте ситуации. Почему?
Для ответа на этот вопрос необходимо вернуться к исходной проблеме —
насколько вообще имеет смысл говорить о «Вселенной в целом». Здесь есть
аналогия с человеческим обществом. Политик может рассуждать следующим образом: «Я
доволен снижением цен, мои друзья также удовлетворены этим; согласно опросам
общественного мнения, другие люди также одобряют снижение цен. Следовательно,
страна в целом будет удовлетворена снижением цен». Исходное предположение
здесь состоит в том, что общество в целом обладает неким коллективным
сознанием, которое отражает мнения его отдельных членов.
Это позволяет считать, что принципы, применимые к отдельной личности,
справедливы и для общества в целом. Но подобная аргументация убедительна лишь в
том случае, если общество состоит из сходно мыслящих личностей. Разумеется, в
вопросе о снижении цен большинство людей придерживается одинакового мнения.
Однако результат может быть совершенно иным, если коснуться, например,
вопроса об отношении к религии.
Применяя законы физики ко Вселенной в целом, мы совершаем тот же логический
скачок, как и в примере с понижением цен. Вселенная состоит из огромного
(возможно, бесконечного) числа подобных друг другу или даже идентичных
систем. В больших масштабах структуру Вселенной можно представить как некое
собрание галактик, а ее микроструктуру — как собрание атомов. В недрах строения
вещества Вселенная представляет собой набор квантовых полей. Часто считается
само собой разумеющимся, что за пределами наблюдаемой Вселенной мы встретимся
с объектами знакомых нам типов. Однако далеко не очевидно, что подобная
поразительная универсальность должна существовать.
Универсальность физических систем служит отправкой точкой всей научной
космологии . Изучение звездного неба показывает, что звезды очень похожи на наше
Солнце, а другие галактики напоминают наш Млечный Путь, как по размерам, так
и по структуре. Более детальный анализ свидетельствует, что удаленные тела
состоят из тех же атомов, какие встречаются на Земле. «Земной» атом
совершенно неотличим от атома на самом краю наблюдаемой Вселенной. Физические
процессы, происходящие в наиболее удаленных областях космоса, по-видимому,
абсолютно идентичны процессам в ближнем космосе. При этом особенно важно, что сами
взаимодействия оказываются универсальными. Например, силу электромагнитного
взаимодействия в удаленных квазарах можно определять на основе тщательного
изучения их оптических спектров. При этом не обнаруживается заметного разли-

чия с электромагнитными взаимодействиями, наблюдаемыми в лабораторных
условиях .
По мере того как астрономы расширяли свои горизонты, охватывая все более
обширные области Вселенной, они, как правило, обнаруживали почти одно и то
же. Почему так должно быть, совсем не ясно. Несколько столетий назад люди
считали, что Земля — центр мироздания, уникальный по своему местоположению и
форме. Однако со времен Коперника весь опыт стал говорить об обратном: Земля
— типичная планета в типичной галактике, расположенная в типичной области
Вселенной, и вообще Вселенная состоит из огромного числа более или менее
сходных объектов.
Ученые сформулировали эти представления в виде так называемого
«космологического принципа», который, попросту говоря, утверждает, что ближний космос
является типичным образцом Вселенной в целом. Это относится не только к
атомам, звездам и галактикам, но и ко всей организации Вселенной, а также к
распределению вещества и энергии. Вселенная чрезвычайно однородна относительно
распределения галактик в пространстве, как по удаленности, так и по
направлению. Насколько можно судить, в космосе отсутствуют какие-либо выделенные
области или направления. Более того, эта однородность сохраняется с течением
времени по мере расширения Вселенной; скорость расширения одинакова для всех
областей пространства и всех направлений. Действительно, довольно трудно
представить более простое устройство Вселенной, совместимой с существованием
живых существ. В предыдущих главах — в рамках так называемой инфляционной
теории эволюции Вселенной — приводились весьма убедительные основания для
подобной крупномасштабной согласованности.
Таким образом, наука рисует картину однородной, самосогласованной и простой
в больших масштабах Вселенной. Если бы Вселенная расширялась с существенно
разными скоростями в различных направлениях или имела области, сильно
отличающиеся по плотности или распределению вещества, то вряд ли вообще
существовала бы научная космология. (Строго говоря, наверное, не существовало бы и
самих ученых.) Именно эти три особенности Вселенной — однородность,
самосогласованность и простота — позволяют говорить о Вселенной как едином целом.
До самого последнего времени природа этих особенностей Вселенной оставалась
загадкой. Теперь мы знаем, что «инструкции» для создания самосогласованного,
однородного космоса заключены в законах физики. Свойства Суперсилы определили
развитие ранней Вселенной и организацию ее единой структуры, отличающейся
простотой в больших масштабах.
Принцип Маха: связь
между большим и малым
Хотя мы все готовы признать присущее Вселенной всеобъемлющее единство
формы, существует настоятельное желание обнаружить более глубокое космическое
единство — то, которое самым тесным образом «сплетает» воедино ближайшую нам
локальную часть мира со всей необъятной Вселенной. Идея связи большого и
малого, глобального и локального обладает большой притягательной силой,
поскольку заставляет нас чувствовать свое единство со всем мирозданием,
испытывать таинственное стремление к общности, свойственное большинству религии.
Многие люди, несомненно, чувствуют себя духовно связанными со всей
совокупностью существующих в мире объектов, и в науке также существует традиция
настойчивого поиска таких связей.
Один из первых научных аргументов в пользу существования глубокой связи
между структурой Вселенной в больших масштабах и локальной физикой был
провозглашен австрийским физиком и философом Эрнстом Махом (1838—1916), который
навечно вошел в историю науки благодаря «числу Маха» (единица измерения скоро-

сти звука). Несмотря на некоторые ошибочные взгляды Маха (например, он не
верил в реальность атомов), его труды, посвященные природе инерции и позднее
обобщенные под названием «принцип Маха», оказались одной из наиболее прочных
научных теорий. Без сомнения, идеи Маха оказали глубокое влияние на молодого
Эйнштейна в его попытках сформулировать общую теорию относительности. В
письме, написанном в июне 1913 г. вслед за публикацией в предшествующем году
книги Маха «Наука механики», Эйнштейн признавал, что многим обязан Маху.
Мах родился в городе Турасе на территории нынешней Чехословакии. Он занимал
профессорские кафедры как по математике, так и по физике в университете в
Граце. Позднее Мах переехал в Прагу, а потом — в Вену, где получил должность
профессора философии; здесь он присоединяется к философскому течению,
получившему название позитивизма. Мах полагал, что действительность следует
привязывать к наблюдениям, и именно эта точка зрения легла в основу его
космологических представлений.
Мах глубоко интересовался природой движения, в частности, вопросом о
различии между реальным и кажущимся движением. Наши предки верили, что небеса
вращаются вокруг Земли, что Земля покоится в центре Вселенной, а Солнце, Луна и
звезды движутся по криволинейным траекториям. Это казалось совершенно
естественным, поскольку небесные тела совершали по небу видимое движение. В XVII в.
подобные идеи были, однако, отвергнуты, так как выяснилось, что движение
небесных тел всего лишь кажущееся. В действительности же вращается сама Земля.
Как можно было убедить скептика, что вращение звезд лишь кажущееся и что
именно Земля вращается вокруг своей оси? Можно было бы, например, обратиться
к механике Ньютона. Вследствие вращения Земли возникают «центробежные
эффекты» , которые вызывают утолщение земного шара в районе экватора. Тщательные
измерения размеров Земли показывают, что ее диаметр по экватору на 43 км
превышает расстояние между полюсами. Причина того, что вращение Земли вызывает
ее утолщение на экваторе, кроется в существовании инерции.
Инерция — свойство вещества, хорошо всем нам знакомое. Тяжелые предметы
обладают большой инерцией; это означает, что их трудно привести в движение,
однако если это произошло, то их трудно остановить. Легкие предметы передвигать
гораздо проще. Именно инерцией обусловлено движение Земли в пространстве. При
отсутствии инерции Земля остановилась бы на своей орбите и упала на Солнце.
Инерция выбрасывает нас из сиденья при резком торможении автомобиля, она
заставляет нас почувствовать, как что-то обрывается в желудке при резком
движении лифта. Именно инерция отбрасывает нас к внешнему ободу вращающейся
карусели или прижимает к стенке вращающейся центрифуги. Инерция разрывает слишком
быстро вращающийся маховик, именно эта тенденция сбрасывать с себя вещество
(ее иногда называют центробежной силой) приводит к утолщению Земли на
экваторе.
Как связать силу инерции с другими силами природы? Эта загадка восходит к
самому Ньютону и данному им впервые систематическому описанию закона
движения. Главным моментом работы Ньютона явилось признание относительности
равномерного движения (происходящего с постоянной скоростью). Вообразите, что вы
заключены в закрытую непрозрачную кабину, движущуюся в глубинах пространства.
Не существует никакого способа, который помог бы вам выяснить, покоится
кабина или движется равномерно. Такие условия вполне воспроизводятся на борту
самолета , совершающего горизонтальный полет. Наше ощущение силы и движения на
борту самолета неотличимы от аналогичных ощущений в помещении на Земле.
Равномерное движение самолета никак не влияет на поведение тел внутри самолета,
в частности на то, как пассажиры передвигаются, едят, дышат — все эти и
другие действия выглядят, как обычно.
Почему же тогда мы утверждаем, что самолет движется? Разумеется, выглянув в
иллюминатор, мы увидим, что земля под нами "уплывает из-под ног». Однако по

существу движение в данном случае означает, что самолет движется относительно
поверхности Земли, которая в свою очередь тоже не находится в покое. Земля
движется по орбите вокруг Солнца (хотя мы не ощущаем этого движения), а
Солнце движется в Галактике.
Здесь очень важно отметить, что пространство не имеет «верстовых столбов»,
поэтому наше движение в пространстве как таковое невозможно измерить. Каждая
область пространства в точности подобна любой другой. Не существует способа
увидеть или почувствовать проносящееся мимо пространство, как это удается
плывущей в океане рыбе. Нет течения, которое помогло бы нам оценить свою
скорость. Утверждение, что тело «покоится» в пространстве, вообще не имеет
смысла . Это хорошо понимал еще Ньютон, заметив, что «...возможно, не существует
тела, находящегося в состоянии истинного покоя, относительно которого можно
было бы описывать положение и движения других тел».
Относительность равномерного прямолинейного движения заложена в первый
закон Ньютона, утверждающий, в частности, что для поддержания такого движения
не требуется силы или другого физического воздействия. Напротив, тело будет
продолжать двигаться прямолинейно и равномерно до тех пор, пока что-либо не
изменит характера его движения. В отсутствие внешних воздействий тело
непрерывно движется вперед благодаря инерции.
На Земле чрезвычайно трудно полностью устранить влияние сил. Шайба,
пущенная по поверхности льда, движется почти как свободное тело. Благодаря инерции
шайба сохраняет состояние движения с почти постоянной, скоростью; при этом
достаточно было придать шайбе начальный импульс, и нет необходимости в какой-
либо «подталкивающей» силе. Однако, например, автомобиль испытывает столь
сильное трение и сопротивление воздуха, что эти силы вскоре превзойдут его
инерцию. В результате автомобиль останавливается, пройдя после выключения
двигателя короткий отрезок пути.
Ускоренное неравномерное движение имеет совершенно иной характер, нежели
равномерное прямолинейное. Если самолет делает вираж, пикирует или набирает
скорость, пассажиры немедленно чувствуют это отклонение от равномерного
движения по тому, как их «бросает» в сторону. Даже находясь внутри движущейся в
пространстве непрозрачной кабины, можно сразу заметить ускоренный характер
движения.
Каким же образом мы тотчас замечаем ускорение движения? Решающее значение
имеет инерция. Тела, испытывающие ускорение, оказывают заметное
сопротивление. Частным случаем ускоренного, неравномерного движения является вращение.
Если непрозрачная кабина, внутри которой вы находитесь, начинает вращаться,
вы чувствуете себя «прижатым к стене», поскольку тело стремится двигаться по
прямой, а вращающаяся кабина вынуждает вас двигаться по кривой. Это, видимо,
свидетельствует о том, что если равномерное движение имеет смысл только
относительно других тел, то ускоренное движение абсолютно.
Некоторые ученые и философы не хотели согласиться с этим выводом. Один из
них, почти современник Ньютона, ирландский философ епископ Джордж Беркли
писал: «Я полагаю, что любое абсолютное движение, которое только можно
вообразить , в основе своей имеет не что иное, как относительное движение. Беркли
обосновывал это тем, что, поскольку пространство однородно, нельзя
представить себе любого движения через пространство как таковое. Представление о
движении тел может иметь смысл, если только его относить к другим
материальным телам:
Достаточно заменить слова «абсолютное пространство» словами «относительное
пространство», которое связано с небосклоном и закрепленными на нем
звездами. .. Движение и покой, определенные в этом относительном пространстве,
вполне можно использовать вместо соответствующих абсолютных понятий.

Здесь Беркли вводит решающее и очень важное представление о «неподвижных
звездах». Сегодня мы знаем, что звезды в действительности не «закреплены», а
сами движутся в галактике. Однако это движение едва заметно, поскольку звезды
чрезвычайно удалены от нас. Важное предположение Беркли состоит в том, что
наиболее далёкое вещество во Вселенной может в определенном смысле служить
стандартной системой отсчета, относительно которой можно описывать все
движения .
За этими дискуссиями о движении стоит вопрос о природе пространства и о
различии между понятиями пространства и «ничто». Аристотель, провозгласив
«природа не терпит пустоты», утверждал, что пустота есть «ничто» и потому не
может существовать. Видимое пустое пространство между телами можно принять,
лишь предположив, что оно непрерывно заполнено веществом — эфиром или еще
чем-либо.
Однако и противоположное представление о самостоятельном существовании
пустоты, или вакуума, — также имело своих сторонников. К ним относился и Ньютон,
который рассматривал то, что он назвал «абсолютным пространством... не
связанным с чем-либо внешним». Эту концепцию Ньютона высмеял его оппонент Готтф-
рид Лейбниц, провозгласивший, что «не существует пространства без материи».
Современная физика разрешает это древнее противоречие, заменяя пространство
квантовым вакуумом, наделяя некой структурой то, что на первый взгляд кажется
более чем пустотой. В то же время квантовый вакуум, населенный «резвящимися»
виртуальными частицами, разумеется, далек от «непрерывной жидкости»
Аристотеля .
Ньютон полагал, что может научно обосновать существование абсолютного
пространства на основе явлений, обусловленных инерцией. Утолщение на экваторе
вращающейся Земли показывает, что вращается именно Земля, а не звезды.
Поэтому Ньютон утверждал, что вращение Земли не только происходит относительно
звезд, но и имеет абсолютный характер. Земля действительно вращается в
абсолютном пространстве.
Именно это утверждение оспаривал Беркли; его концепция сводилась к тому,
что если бы во Вселенной вдруг исчезли все тела, кроме одного, то
представление о движении — равномерном или любом другом—вообще потеряло бы смысл.
Беркли утверждал, что если бы кроме земного шара не существовало других тел, то
его движение вообще нельзя было бы вообразить. Мы не смогли бы тогда
определить, вращается земной шар или нет. Беркли развивал эту идею следующим
образом . Пусть существует два земных шара, и нет никаких других тел. Тогда может
иметь смысл относительное движение этих шаров по направлению друг к другу или
друг от друга, но и в этом случае, согласно Беркли, круговое движение этих
двух шаров относительно их общего центра масс нельзя вообразить. С другой
стороны, считал Беркли, если предположить, что существует небосвод с
неподвижными звездами, то можно представить себе вращательное движение двух шаров
на основе их положения относительно различных частей небосвода.
Несмотря на успехи механики Ньютона, эти рассуждения Беркли сохранили силу
и два века спустя получили отклик в работах Маха, который не считал
необходимым проводить принципиальное различие между равномерным и неравномерным
относительными движениями. Мах полагал, что ускоренные и инерциальные
(равномерные) движения происходят одинаково. Однако каким образом Мах собирался
примирить свое убеждение в том, что даже ускоренные движения (например, вращение)
чисто относительны, с существованием сил инерции, проявляющимся, например, в
центробежных эффектах и приводящим к экваториальному утолщению Земли? В конце
концов, именно Ньютон бросил вызов тем, кто сомневается в существовании
абсолютного движения: «Явления, которые отличают абсолютное движение от
относительного, обусловлены центробежными силами... В чисто круговом движении,
имеющем относительный характер, таких сил не существует».

Ход ответных рассуждений Маха прям до дерзости. Если вращение существует
лишь относительно неподвижных звезд, то, утверждал Мах, испытываемые
вращающимся телом центробежные силы должны создаваться звездами. Гипотеза Маха по
существу означает не более и не менее как утверждение, что природа инерции
коренится в глубинах Вселенной. Если принять подобное объяснение
происхождения инерции, то можно отказаться от ньютоновского абсолютного пространства и
рассматривать все движения как относительные. Именно эта линия рассуждений и
составляет содержание так называемого принципа Маха, оказавшего удивительно
сильное влияние на несколько поколений физиков. Этот принцип вызвал ряд
резких критических оценок.
Можно ли воспользоваться принципом Маха? Прежде всего, надо объяснить
природу инерционного влияния удаленных звезд на тело, находящееся на Земле или
где-то во Вселенной. Ключ к решению этой проблемы лежит в полном сходстве
центробежной и гравитационной сил, В одном из проектов будущая космическая
станция представляет собой нечто вроде большого колеса, которое должно
вращаться вокруг своей оси с такой скоростью, чтобы обеспечить ускорение 1 g на
периферии «колеса». В этом состоит идея создания искусственной силы тяжести.
Близкое сходство центробежных и гравитационных сил хорошо понимали Галилей и
Эйнштейн. Действительно, в основе общей теории относительности лежит так
называемый принцип эквивалентности, согласно которому обе силы локально
идентичны. Поэтому вполне естественно пытаться объяснить центробежные и другие
инерционные силы на основе гравитационного поля Вселенной.
Каким образом гравитация звезд могла бы создавать инерцию тел? Одна из
возможных идей состоит в том, что вращающееся тело оказывает на звезды некоторое
гравитационное влияние. Звезды, испытывая лишь слабое воздействие, создают
собственный гравитационный эффект, действующий на вращающееся тело. Этот
эффект порождает то, что мы называем центробежной силой, однако по существу это
гравитационный эффект космического происхождения. Разумеется, из-за огромных
расстояний вклад каждой звезды в центробежную силу чрезвычайно мал, но число
звезд столь велико, что суммарный эффект может оказаться весьма значительным.
Это предположение выглядит фантастическим. Всякий раз, когда у вас что-то
«обрывается в желудке», знайте, что причиной этому являются удаленные
галактики, отстоящие на миллионы световых лет.
Однако с этой простой картиной связана некая сложность, состоящая в том,
что, согласно теории относительности, гравитационное возмущение не может
распространяться быстрее света. Но даже с учетом этого понадобилось бы много
миллионов лет, чтобы гравитационное «эхо» вращающихся тел вернулось обратно.
Мы же знаем, что центробежные эффекты возникают мгновенно, как только тело
начинает вращаться.
Эйнштейн полагал, что нашел способ преодолеть проблему временной задержки,
включив принцип Маха в свои космологические исследования. Несколько странно,
что схема Эйнштейна оказалась действенной только в случае искривленной
Вселенной, причем пространственно замкнутой (в виде гиперсферы). Бесконечное,
неограниченное пространство в этом случае не подходит. Это вызвало
беспорядочные, продолжающиеся по сей день дискуссии о том, в какой степени общая
теория относительности Эйнштейна включает (или не включает) принцип Маха.
В 194 9 г. математик и логик Курт Гёдель нашел решение уравнений Эйнштейна
для гравитационного поля, которое фактически описывает вращающуюся Вселенную.
Модель Гёделя не претендует непременно на описание реальной Вселенной, тем не
менее, такая логическая возможность оказывается в рамках теории Эйнштейна.
Согласно принципу Маха, вращающаяся Вселенная немыслима, ибо относительно
чего вращается вся Вселенная?
Вместе с тем некоторые эффекты, предсказанные общей теорией
относительности, явно отвечают принципу Маха. Об одном из них Эйнштейн упоминал в письме

к Маху. Предположим, мы согласны с тем, что действующие на тело силы инерции
обусловлены гравитационным воздействием всего остального вещества Вселенной.
Основной вклад в эти силы дадут, очевидно, наиболее удаленные области,
поскольку именно там больше всего вещества. Тем не менее, небольшой вклад
должны вносить и близко расположенные тела. Эйнштейн предложил Маху рассмотреть
тело, помещенное внутрь массивной материальной оболочки, которая вращается
относительно неподвижных звезд. Если идеи Маха верны, то система отсчета,
относительно которой следует описывать движение тела внутри оболочки,
получается в результате усреднения по всему остальному веществу Вселенной; при таком
усреднении, очевидно, нельзя исключать и сферическую оболочку. Ее вклад во
всеобщую космическую систему отсчета будет, конечно, очень мал, однако все же
отличен от нуля. Эту величину можно рассчитать теоретически, и вычисление
показывает, что, как и предсказывал Мах, вращение оболочки действительно
создает крошечную силу инерции. Эта сила действует на находящееся внутри оболочки
тело, стремясь заставить его также участвовать во вращении.
Примечательно, что подобные эффекты можно действительно обнаружить.
Рассмотрим, например, опыты с гироскопом на околоземной орбите. На движение
гироскопа влияет искривление пространства, которое создается Землей и
испытывает возмущение, обусловленное вращением. Таким образом, гироскоп будет прецес-
сировать, и хотя эффект очень мал (потребовались бы миллионы лет, чтобы
гироскоп совершил полный оборот), можно ожидать, что с помощью современных
методов его удастся обнаружить. Например, поместив гироскоп в кожух для
устранения возмущений негравитационного типа (в частности, воздействия солнечного
ветра). Эксперимент такого типа планировался в течение нескольких лет
профессором Уильямом Фейрбэнком в Станфордском университете (мы упоминали об этом
ученом в гл.8 в связи с экспериментами по поиску свободных кварков).
У более массивных тел эффект, обусловленный вращением искривленного
пространства, может быть более выраженным.
Предельный случай представляет вращение черной дыры, при котором наиболее
близкие объекты могут оказаться столь вовлеченными в этот процесс, что
никакая сила во Вселенной не в состоянии помешать этому. Подобный
(предполагаемый) эффект в популярной литературе иногда называют пространственным вихрем
вокруг черной дыры.
Вполне возможно, что принцип Маха не удастся проверить экспериментально.
Как же можно узнать, что вращение Земли приводит к ее уширению в области
экватора в совершенно пустой Вселенной, если у нас нет способа удалить из
Вселенной остальные тела? Однако можно представить себе эксперимент, который мог
бы дискредитировать этот принцип. Если бы на основании очень точных измерений
удалось установить, что Вселенная в целом пребывает в абсолютном вращении, то
принцип Маха был бы опровергнут.
Абсолютное космическое вращение означало бы существование преимущественного
направления в пространстве, и можно ожидать, что это направление должно
проявиться в распределении во Вселенной вещества и энергии. Известно, что
космическое тепловое излучение однородно и изотропно по всем направлениям с
точностью не менее 10~4; отсюда можно получить строгие ограничения возможности
космического вращения. Действительно, можно показать, что за время своей
истории Вселенная могла повернуться не более чем на несколько градусов. Таким
образом, с большой степенью точности следует утверждать, что движение
Вселенной по крайней мере не противоречит принципу Маха.
Сигналы из будущего
Подобно многим ученым-профессионалам, увлекающимся научной фантастикой,
пару лет назад я взялся за чтение книги Грегори Бенфорда «Бегство времени». Ка-

ково же было мое удивление, когда почти в самом начале мне встретился
персонаж по имени Пол Девис — физик, глубоко интересующийся проблемой времени и
авторитетно утверждающий, что должна существовать возможность посылать
сигналы в прошлое. Следуя его совету, герой книги, чтобы спасти мир от катастрофы,
предпринял попытки связаться с ученым предшествующего поколения.
Неожиданное появление меня на страницах книги было вызвано, очевидно, моим
давним и устойчивым интересом к проблеме происхождения времени. Впервые я
увлекся идеей посылки сигнала в прошлое после посещения еще в студенческие годы
лекции Фреда Хойла, которую он читал в Лондонском королевском обществе. Хойл
указал, что знаменитые уравнения Максвелла для электромагнитного поля,
описывающие распространение электромагнитных волн, допускают возможность
распространения этих волн вспять во времени.
Этот поразительный вывод можно пояснить с помощью аналогии с обычными
волнами на воде. Если бросить камень в спокойный пруд, то во все стороны от
точки возмущения (падения камня) побегут волны, которые исчезнут на краях пруда.
Подобную картину расходящихся волн нетрудно получить на практике. Вместе с
тем мы никогда не встречаем упорядоченной картины, в которой волны, возникнув
у краев пруда, сходились бы в одной точке. Однако физические процессы,
управляющие волновым движением, полностью обратимы. Любую часть волны можно было
бы заставить бежать в противоположном направлении. Несмотря на это, в природе
спонтанно возникают лишь расходящиеся волны. Правда, сходящиеся волны можно
создать искусственно — например, бросая кольцо горизонтально на поверхность
пруда, но достичь такого результата значительно труднее. Почему?
Односторонняя направленность волнового возмущения характерна для всех видов
волнового движения и как бы задает направление хода времени во Вселенной
(«стрела времени»), т.е. строгое различие между прошлым и будущим. Если снять
распространение волн в пруду на кинопленку, а затем прокрутить фильм задом
наперед, «обман» немедленно обнаружится. В случае электромагнитных волн,
например радиоволн, картина упорядоченных волн, сходящихся в одну точку,
выглядит вообще абсурдной. Поскольку радиоволны могут распространяться до границ
Вселенной, единственный способ создать сходящиеся волны состоит в организации
грандиозного космического «заговора», который заставил бы волны, приходящие
со всех направлений бесконечного пространства, распространяться строго
согласованно .
Вследствие связи характера волнового движения и направления хода времени,
расходящиеся волны можно рассматривать как движение в будущее обычным
образом, а сходящиеся — как результат обращения времени, т.е. как движение в
прошлое. Первый тип волн называется запаздывающим, поскольку волны возникают
после того, как они испущены, а второй — опережающим, поскольку волны приходят
раньше, чем были испущены. Еще со времен Максвелла считалось, что опережающие
электромагнитные волны возможны, так как теория формально допускает их
существование, однако физически они столь же нелепы, как, например, путешествие
во времени, и потому их следует отбрасывать.
Большинство ученых с удовольствием отбрасывали опережающие волны как не
имеющие отношения к действительности, не задумываясь над тем, почему
Вселенная устроена таким образом, который повсеместно исключает этот тип волн.
Иначе поступили Джон Уилер и Ричард Фейнман. В конце второй мировой войны они
опубликовали любопытную статью, в которой пытались показать, почему
запаздывающие электромагнитные волны являются нормой, а также исследовать вопрос о
возможном существовании опережающих волн (волн из будущего). Позднее Уилер
Занялся ядерной физикой и вместе с Нильсом Бором и Энрико Ферми исследовал
процесс деления урана; Фейнман в это время был еще студентом, но вскоре
преуспел в разработке квантовой электродинамики, за что был удостоен Нобелевской
премии.

Уилер и Фейнман решили исследовать, что происходило бы в мире, где
запаздывающие и опережающие волны существуют на равных основаниях. В подобной
гипотетической вселенной радиопередатчик посылал бы сигналы, как в прошлое, так и
в будущее. Можно было предполагать, что подобные обстоятельства обязательно
приведут к бессмыслице, однако Уилер и Фейнман путем весьма интересного
рассуждения показали, что это не обязательно так.
Проследим за судьбой доставляющих нам столько хлопот опережающих волн,
которые из передатчика распространяются в пространстве вспять во времени. В
конце концов, эти волны где-то попадут в вещество, представляющее собой
электрически заряженные частицы (например, в разреженный газ межгалактического
пространства). Волны приведут частицы в движение, в результате будут
испускаться вторичные волны той же самой частоты, причем одна половина волн будет
запаздывающей, а другая — опережающей. Запаздывающие вторичные волны будут
распространяться во времени в будущее, создавая в передатчике в момент
излучения первичных волн небольшое эхо. Таким образом, мы получим разветвленную
систему возмущений и сигналов - эхо, блуждающих во Вселенной в обоих
направлениях во времени.
Эхо отдельной заряженной частицы будет непостижимо слабым из-за огромного
расстояния, отделяющего частицу от передатчика. Однако если во Вселенной
столько частиц, что она фактически непрозрачна для электромагнитного
излучения, то суммарная интенсивность всех эхо была бы в точности равна
интенсивности первичного сигнала. При более детальном анализе обнаруживается нечто еще
более необычное. Если эхо перекрывается с первичной опережающей волной во
всем пространстве, то оно оказывается точно в противофазе с ней. Это приводит
к полному гашению опережающей волны в результате интерференции. Таким
образом, все сигналы, посылаемые в прошлое, полностью «гасятся» своим собственным
эхом! Уилер и Фейнман отсюда заключили, что в непрозрачной Вселенной
существуют только запаздывающие электромагнитные волны, даже если каждая отдельная
заряженная частица будет излучать одинаково как запаздывающие, так и
опережающие волны.
Этот поразительный результат теории Уилера-Фейнмапа обусловлен тем, что в
ней электромагнитное излучение отдельной частицы и всей Вселенной в целом
неотделимы друг от друга. Волны, возникшие в одном месте, невозможно отделить
от их эха, в том числе из самых отдаленных областей космоса. Более того,
благодаря способности опережающих сигналов распространяться в прошлое, для
возвращения эха нет нужды в миллиардах лет (напомним, что именно с этим была
связана проблема создания силы инерции гравитационным «эхом»). Таким образом,
каждая скромная радиопередача становится поистине космическим событием.
Целое и его части
Теория Уилера-Фейнмана следует Маху в том смысле, что стремится установить
связь между локальным и глобальным в системе взаимных воздействий,
предполагая при этом, что понять свойства отдельной физической системы можно лишь
путем надлежащего учета всего остального мира. Хотя эта теория остается
умозрительной, существует общее мнение, что отсутствие в природе опережающих волн
требует в конечном счете космологического объяснения; «стрела времени», по-
видимому, также имеет космологическое происхождение. Таким образом, тот факт,
что мы осознаем строгое разграничение прошлого и будущего в свойствах
окружающего мира, служит примером связи между большим и малым, между целым и его
частями.
Разумеется, возможны и другие взаимосвязи такого же типа; к их числу
относится пример магнитного монополя. Как указывалось в гл. 9, Дирак,
разрабатывая первоначальную идею магнитного монополя, обнаружил, что значение магнит-

ного заряда каждого монополя связано законами квантовой электродинамики с
величиной фундаментального электрического заряда электрона. Одно из неявных
предположений теории Дирака состоит в следующем: если даже во всей Вселенной
существует только один монополь, то это требует, чтобы электрический заряд
электрона имел то значение, которое он в действительности имеет. Таким
образом, величина заряда электрона может зависеть от существования магнитного
монополя в отдаленном уголке Вселенной.
В последние годы много внимания уделялось роли квантовой физики в
установлении связи между частью и целым. Весьма красноречиво говорит об этом в своей
книге «Всеобщность и скрытый порядок» Дэвид Бом: «Квантовой теории присущ
фундаментальный новый тип нелокальной взаимосвязи, который можно определить
как непричинную связь удаленных друг от друга элементов».
Бом проводит аналогию между упорядоченностью квантовой Вселенной и
упорядоченностью голограммы. Голограмма — это способ кодирования информации об
изображении. Закодированное изображение можно восстановить с помощью лазерного
луча в виде трехмерного объекта. Вся информация об изображении хранится в
виде интерференционной картины на фотографической пластинке, но в такой форме
она не воспринимается глазом человека. Голографическое изображение получается
в результате интерференции двух лазерных пучков и, как правило, оно очень
сложно. Расшифровать его можно тоже лишь с помощью лазера. На обычном
фотографическом слайде каждой детали проецируемого изображения соответствует
определенный участок, т.е. они взаимно однозначно соответствуют друг другу.
Голограмма существенно отличается в этом отношении от слайда. Каждый элемент
голографируемого объекта закодирован по всей фотопластинке. При освещении
лишь части ее изображение в целом сохраняется, однако его качество несколько
ухудшается. Это связано с тем, что информация об изображении в целом
содержится даже на части фотопластинки. В этом принципиальное отличие голограммы
от обычного слайда, который при неполном освещении воспроизводит лишь часть
объекта.
Другие авторы — в частности, Фритьоф Капра в своей книге «Дао в физике»
(«Дао» означает свойственную восточной философии таинственность и магию,
проявления которой автор усматривает в современной физике) и Гэри Зукав в книге
«Дансинг By Ли Мастере» — подчеркивали наличие близких параллелей между
квантовой физикой и восточным мистицизмом, в особенности в таких аспектах, как
единство всего существующего и тонкие взаимосвязи между целым и его частями.
Мировоззрение целостности (холизм), подразумеваемое квантовой физикой, в
большой степени является следствием нелокальности квантовых состояний (см.
гл. 3) . Напомним, что в опыте Эйнштейна, Подольского и Розена две частицы,
находясь на большом расстоянии друг от друга, остаются тесно связанными между
собой. В подобной ситуации неправомерно рассматривать каждую частицу как
существующую независимо даже при вполне определенных условиях в отсутствие
другой частицы.
В более общем смысле можно считать, что квантовая частица обладает вполне
определенным признаком, например положением или состоянием движения, только
при определенной экспериментальной ситуации, когда прибор специально
предназначен для измерения соответствующего признака или свойства. Так, говорить о
том, что частица находится в данном месте, имеет смысл только в том случае,
если она является частью сложной системы, предназначенной для измерения ее
положения. В отсутствие подобной измерительной установки все разговоры о
положении частицы бессмысленны. Следовательно, мы можем определить положение
квантовой частицы только в рамках макроскопической измерительной системы,
которая сама содержит бесчисленное количество квантовых частиц. Положение
частицы становится, таким образом, в действительности коллективным, или
целостным (холическим), понятием.

Между реальностью микромира и обычным макромиром существует весьма тонкая
связь. В конечном счете мы не можем отделить квантовую реальность от
структуры всей Вселенной и состояние отдельной частицы имеет смысл, только когда она
рассматривается в рамках единого целого. Микро- и макромиры переплетены друг
с другом, и их нельзя разделить.
Мысль о том, что во Вселенной существует всеобъемлющий и непричинный
порядок, возникла отнюдь не с появлением современной физики. Например, астрология
представляет собой попытку распознать космический «регламент», согласно
которому земные дела людей находят отражение в расположении небесных тел.
Психоаналитик Карл Юнг и физик Вольфганг Паули предложили принцип непричинной
связи, который они назвали синхронизмом. Они обобщили факты, свидетельствующие о
наличии некоего всеобщего порядка, согласно которому события внешне не
зависимые оказываются, тем не менее, взаимосвязанными разумным образом. К
событиям подобного рода относятся, например, официально зарегистрированные случаи
необычайных совпадений, выходящих далеко за пределы случайности. Все эти идеи
в популярной форме изложены Артуром Кестлером в книге «Причины совпадений».
Эти идеи несут отпечаток некой парадоксальности, напоминая о философии
дзен-буддизма и «странных петлях», о которых говорится в книге Дугласа Хоф-
штадтера «Гёдель, Эшер, Бах». Целое содержит части, которые в свою очередь
составляют целое. Прежде чем мы сможем приписать конкретную реальность
атомам, составляющим Вселенную, нам необходима сама Вселенная в целом! Что же
«первично - атомы или Вселенная? Ни то, ни другое. Большое и малое,
глобальное и локальное, космос и атом — все это взаимосвязанные и неразделимые
стороны объективной реальности. Одно не существует без другого. Старая идея
редукционистов о том, что Вселенная — это просто сумма своих частей, полностью
отвергнута современной физикой. Вселенная действительно обладает единством,
причем гораздо более глубоким, чем простое выражение однородности Вселенной.
Это единство подразумевает, что, не располагая всем, нельзя вообще ничего
иметь.
14. СУЩЕСТВУЕТ ЛИ "КОСМИЧЕСКИЙ ПЛАН"?
Рациональная Вселенная
Как-то Стивен Вайнберг написал: «Чем понятнее кажется нам Вселенная, тем
очевидней бесцельность ее существования». Вайнберг — один из ведущих физиков-
теоретиков в мире, сделавший, вероятно, более чем кто-либо другой из физиков
его поколения для объединения различных разделов физики. Один из авторов
теории объединения электромагнитных и слабых взаимодействий, Вайнберг способен
чрезвычайно квалифицированно оценить состояние дел в значительной части
современной физики и космологии и сделать исходя из этого вполне обоснованные
выводы. Его замечание по поводу Вселенной разделяют многие современные
ученые, которые на основе своих исследований приходят к выводу об отсутствии
какой-либо видимой цели существования Вселенной, что следует, таким, образом,
рассматривать как грандиозное, но совершенно случайное событие.
Странно, однако, что другие ученые, основываясь на тех же принципах и
экспериментальных данных, приходят к совершенно иным заключениям. Некоторые,
подобно Эрвину Шрёдингеру, испытывают замешательство: «Я не знаю, откуда я
пришел , куда иду и даже кто я такой». Эти ученые понимают, что природа слишком
неуловима и сложна, и мы можем лишь вечно скользить поверх реальности,
простирающейся над безграничной бездной истины. Мы можем надеяться лишь
почувствовать проявление некоторых принципов, управляющих космосом, и изумиться их

красоте. Наш кругозор слишком ограничен, чтобы проникнуть в суть столь
глубоких проблем, как смысл и цель существования Вселенной.
Однако кое-кто из ученых придерживается более смелых и оптимистичных
взглядов . Они также готовы признать, что наши знания о природе ограниченны и не
вполне определенны, но твердо верят, что в конечном итоге нам удастся открыть
действительно фундаментальные законы, управляющие Вселенной; Джон Уилер
писал: «Однажды дверь, конечно, отворится, и мы увидим сверкающий механизм
нашего мира во всей его простоте и совершенстве».
Встречаются даже такие ученые, которые готовы предположить, что этот
«сверкающий механизм» уже сейчас в наших руках. Вступая на пост руководителя люка-
совской кафедры Кембриджского университета, которую некогда занимал Ньютон,
Стивен Хокинг прочитал лекцию под названием: «Виден ли конец теоретической
физики?» (Перевод этой лекции опубликован в журнале «Природа», № 5, 1382). В
этой лекции Хокинг утверждает, что впервые за все время развития науки
супергравитация дает возможность построить единую теорию природы, в которой все
физические объекты и процессы описываются на основе одного математического
принципа. Создание теории супергравитации явилось бы кульминацией развития
физической науки. Такую теорию можно было бы считать не просто еще одним
приближением на бесконечном пути к истине, а самой истиной. Мы могли бы быть
убеждены в истинности этого самого последнего закона природы, как сегодня
убеждены в правильности таблицы умножения.
Мало кто из физиков готов зайти столь далеко, но многие находятся под
глубоким впечатлением замечательной гармонии, порядка и единства природы,
которые открыли последние достижения науки. Сильное впечатление производит
взаимосвязь законов природы друг с другом, вынуждающая поверить, что за всем этим
что-то есть. Фред Хойл выразительно заметил: «Вселенная — это вызов всем
нам».
Что приводит ученых к столь сильным выводам? В предшествующей главе были
представлены доказательства всеобщего единства природы. Особенно убедительные
свидетельства дает космология, само существование которой обусловлено
возможностью говорить о «Вселенной» как о единой системе.
Однако экспериментальные данные говорят о большем. Каждое продвижение в
фундаментальной физике, по-видимому, открывает еще одну сторону порядка. Сам
успех научного метода определяется тем, что физическим миром управляют
рациональные принципы, которые, следовательно, можно распознавать, разумно проводя
исследования. Логически Вселенная совершенно «не обязана» вести себя подобным
образом. Можно представить себе космос, в котором царит хаос. Тогда поведение
вещества и энергии вместо упорядоченного и организованного было бы
произвольным и случайным. Не существовали бы устойчивые структуры — такие, как атомы,
люди, звезды. Однако реальный мир не таков — он упорядочен и сложен. Разве
этот сам по себе удивительный факт не заслуживает восхищения?
Почему же тогда некоторые ученые, как и Вайнберг, приходят к выводу, что
мир бесцелен, несмотря на всеобщий порядок, который демонстрируют законы
природы. Полагаю, что отчасти это обусловлено неумением увидеть за деревьями
лес. Профессиональный ученый настолько поглощен изучением законов природы,
что порой забывает, сколь замечательно само их существование. Поскольку наука
основана на существовании рациональных законов, ученый редко задумывается о
том, почему эти законы существуют. Подобно тому, как любитель кроссвордов
заранее уверен в существовании ответов на все вопросы, ученый редко сомневается
в наличии рациональных ответов на поставленные им вопросы.
Подобный дух рационализма пронизывает все западное индустриальное общество.
Даже люди, далекие от науки, без особых размышлений принимают на веру
упорядоченность Вселенной. Они знают, что Солнце каждое утро восходит «по
расписанию», что камень неизменно падает вниз, а не вверх, а все механизмы вокруг

них будут работать как положено, пока не сломаются. Свойственная физическому
миру рациональность, взаимозависимость и упорядоченность считаются само собой
разумеющимися. Это настолько вошло в повседневную жизнь, что редко вызывает
хотя бы слабое удивление.
Гармония природы
Глубокое впечатление на физиков производит не только единство и
упорядоченность природы, но и ее неожиданная гармония и согласованность. Традиционно
физика делится на довольно самостоятельные разделы: механика, оптика,
электромагнетизм, гравитация, термодинамика, атомная и ядерная физика, физика
твердого тела и т.д. Это весьма искусственное деление скрывает, с какой
четкостью эти разделы согласуются друг с другом. Красивый пример, близкий к
области моих научных интересов, связан со вторым законом термодинамики. Этот
закон был сформулирован в середине XIX в. для довольно ограниченного класса
процессов, происходящих при работе тепловых двигателей. Однако вскоре стало
очевидно, что применимость этого закона значительно шире, и сейчас он
рассматривается как наиболее общий закон, который управляет всеми процессами в
природе. Второй закон термодинамики упорядочивает обмен веществом и энергией,
происходящий между физическими системами, в частности, строго запрещает
многократно использовать для работы (например, для приведения в действие
двигателя) одно и то же количество энергии.
Коротко говоря, второй закон термодинамики утверждает, что из беспорядка не
может самопроизвольно возникнуть порядок. Точнее, этот закон как бы
распоряжается тем «счетом» природы, величина которого измеряется энтропией — мерой
беспорядка в физической системе. Когда речь идет о тепловых двигателях,
энтропия характеризует наличие полезной энергии. В любом физическом процессе
часть энергии ускользает из-под нашего контроля — рассеивается в окружающую
среду. При этом упорядоченная энергия становится неупорядоченной и энтропия
растет. Второй закон термодинамики запрещает уменьшение энтропии замкнутой
системы. Даже самый эффективный двигатель не может вернуть теплоту,
выделившуюся вследствие трения.
Можно было бы предположить, что среди столь разнообразных и сложных
процессов природы (множество форм энергии и вещества, а также видов их активности)
обнаружится хотя бы один случай нарушения закона. Однако этого не происходит.
Какие бы новые виды вещества и взаимодействий ни обнаруживались, они
неизменно подчиняются второму закону термодинамики.
Рассмотрим в качестве примера гравитацию. Эта область науки на первый
взгляд не имеет прямого отношения к термодинамике. Тем не менее, интересный
мысленный эксперимент, предложенный Германом Бонди, показывает, что это не
так. На рис. 29 изображен (я несколько видоизменил схему установки) тонкий
стержень, изготовленный из жесткого оптического волокна. На каждом конце
коромысла укреплены сферы, содержащие внутри по одному соответствующим образом
подобранному атому; внешняя поверхность стержня посеребрена и непроницаема
для света. Пусть первоначально возбужден атом в левой сфере. При этом он
обладает большей энергией, чем такой же атом в правой сфере, а следовательно, и
больше весит. Гравитация будет стремиться повернуть стержень так, что левая
сфера пойдет вниз, а правая — вверх. Энергию этого движения можно
использовать для запуска динамомашины, питающей двигатель. В конце концов, стержень
достигает предельного наклона, в наилучшем случае он займет вертикальное
положение, причем возбужденный атом окажется внизу (рис. 29, б) . В этот момент
двигатель остановится.
До сих пор не произошло ничего особенно примечательного. Однако в этот
момент мы вспоминаем, что возбужденные атомы обычно неустойчивы и, в конечном

счете, переходят в невозбужденное состояние, испуская при этом фотоны. Когда
это произойдет с возбужденным атомом в нижней сфере, по оптическому волокну
снизу вверх побежит световой импульс. Попав внутрь верхней сферы, он возбудит
находящийся там атом, сделав его тяжелее атома в нижней сфере. Тогда «голова»
стержня перевесит и будет спускаться вниз, пока возбужденный атом вновь не
окажется внизу, а невозбужденный — наверху.
В ходе этого процесса удастся извлечь еще некоторое количество энергии.
Затем цикл повторится — и так до бесконечности.
Несмотря на то, что силы в этом опыте ничтожны по величине, а
энергетический выход вряд ли ощутим, в принципе такое устройство способно «бесплатно»
создавать неограниченные количества энергии, если мы готовы ждать довольно
долго или располагаем достаточным числом таких устройств. Это своего рода
современный вариант вечного двигателя (perpetuum mobile), над созданием
которого упорно трудились средневековые изобретатели. Однако описанное устройство
противоречит второму закону термодинамики, отрицающему возможность
существования вечного двигателя. Но в чем наше упущение?
Тщательный анализ показывает, что работа описанного устройства основана на
некоем неявном предположении. Оно заключается в том, что при переходе из
верхнего положения в нижнее в возбужденном атоме не происходит изменений. Но
это предположение не верно: мы упустили из виду одно из проявлений
гравитации. Как указывалось в гл.2, гравитация замедляет течение времени, а
возбуждение атома подобно колебаниям, частота которых при замедлении времени также
уменьшается. Это в свою очередь означает, что энергия возбуждения понижается
и эту потерю энергии нельзя использовать для питания двигателя.
Следовательно, фотон попадает в верхнюю сферу с меньшей энергией, чем ранее, и либо
вообще не сможет возбудить атом, либо возбудит лишь более низкий уровень. После
нескольких циклов энергия возбуждения станет пренебрежимо малой, и устройство
прекратит свою работу. Второй закон термодинамики вновь восторжествует.
Обсуждая этот интересный пример, Бонди отметил, что замедление течения
времени в гравитационном поле — один из основных фактов, на которых базируется
общая теория относительности Эйнштейна. Можно показать, что этим обусловлен
хорошо известный факт (установленный еще Галилеем), что все свободно падающие
тела испытывают одинаковое ускорение. Если бы мы не знали этих свойств
гравитации, то могли бы их вывести из второго закона термодинамики.
Как говорилось в гл.3, формальная аналогия между гравитацией и квантовой
механикой позволила Бору спасти принцип неопределенности Гейзенберга от
нападок Эйнштейна. Еще один прекрасный пример взаимосвязи законов физики!
Около пятнадцати лет назад физики решили, что, они, наконец, обнаружили
необычную физическую систему, которая не подчиняется второму закону
термодинамики . Такой системой была черная дыра.
Первое систематическое исследование термодинамических свойств черных дыр
провел (по совету Роберта Героха из Чикагского университета) в 70-е годы Якоб
Бекенштейн (работающий ныне в Университете Бен-Гуриона в Негёве, Израиль), в
Рис. 2 9. Новый проект вечного двигателя. Стержень
из оптического волокна (световод) закреплен на
оси вращения; на каждом из концов стержня
находится шарик, внутри которого заключен атом.

то время студент Принстонского университета. Бекенштейн придумал «мысленный
эксперимент»: ящик, заполненный тепловым излучением, медленно опускается на
канате к поверхности черной дыры (называемой обычно горизонтом).
Непосредственно над поверхностью ящик раскрывается, его содержимое приносится в жертву
черной дыре, а ящик убирается на безопасное расстояние (рис. 30).
Рис. 30. Ящик, заполненный тепловым излучением, медленно опускается к
поверхности черной дыры; вблизи нее ящик открывается, и тепловое
излучение попадает в черную дыру. Возникает парадокс, связанный со вторым
началом термодинамики: черная дыра мгновенно поглощает энтропию
теплового излучения, тогда как его энергия выделяется за счет работы,
совершаемой при опускании ящика.
Очевидно, что невосполнимая потеря теплоты в черной дыре способствует
понижению энтропии вокруг нее, и потому Бекенштейн предположил, что черная дыра
должна быть носителем энтропии, которая возрастает за счет поглощения
теплоты. Таким образом, удается спасти всеобщий второй закон термодинамики.
Заметив , что любая поглощенная энергия приводит к увеличению размеров черной
дыры, Бекенштейн выдвинул идею, что площадь ее горизонта (примерно равная
площади поверхности) является мерой энтропии черной дыры.
Эти умозрительные рассуждения были поставлены на твердую основу Стивеном
Хокингом из Кембриджского университета, который в 1974 г. сообщил об
эффектном результате, полученном им с помощью нового метода математического
анализа. Квантовую теорию, используемую обычно для описания атомов и молекул,
Хокинг применил к новому объекту — черной дыре — и получил первый из длинного
ряда сюрпризов. Он обнаружил, что черные дыры совсем не черные, а окружены
ореолом теплового излучения. Являясь следствием атомной теории, излучение Хо-
кинга существенно только для микроскопических черных дыр, размеры которых
сравнимы с размерами ядер. Однако благодаря этому излучению, у каждой черной
дыры возникает новый вид энтропии, что подтверждает первоначальную догадку
Бекештейна о ее связи с площадью поверхности черной дыры. Энергия может
попадать в черную дыру извне, а спустя время, необходимое для вытекания излучения
Хокинга, вновь вернуться в окружающее пространство. Во всех подобных
процессах обмена полная энтропия, складывающаяся из обычной энтропии и площади
черной дыры, не должна никогда уменьшаться.
Насколько точен обобщенный второй закон термодинамики? В простых процессах
обмена энергией энтропия черной дыры, несомненно, восполняет недостачу,
вызванную потерей обычной энтропии в недрах черной дыры. Однако повторение
мысленного эксперимента с подвешенным ящиком вызывает затруднение. Дело в том,

что по мере приближения ящика к горизонту черной дыры, эффективная энергия
его содержимого уменьшается вследствие действия гравитации черной дыры. В
этом можно убедиться, вычислив работу, совершаемую силой тяжести над
содержимым ящика при его опускании. Гравитационное поле черной дыры столь велико,
что по мере приближения к горизонту полная энергия содержимого ящика (с
учетом массы покоя т, эквивалентной энергии Е = тс2) стремится к нулю. Отсюда
следует, что если открыть дверцу ящика и сбросить его содержимое в черную
дыру, то переданная энергия окажется значительно меньше первоначально
заключенной в ящике.
Нетрудно оценить важность этого «недостатка» энергии. Размеры черной дыры
определяются ее полной энергией: добавление энергии пропорционально
увеличивает ее размеры. Энтропия черной дыры также зависит от ее размеров, точнее,
от площади горизонта; тем самым добавление энергии приводит к росту энтропии
черной дыры. Трудность в описанном мысленном опыте заключается в том, что
«недостаток» энергии уменьшает рост энтропии черной дыры. Бекенштейн
установил, что если открыть ящик очень близко от горизонта, то эффективная тепловая
энергия настолько истощится, что ее не хватит для «оплаты» энтропии черной
дыры, т.е. для компенсации избытка энтропии, возникшего в черной дыре
вследствие попадания в нее теплового излучения. Это приводит к нарушению второго
закона термодинамики и открывает путь к построению вечного двигателя.
Проведя исчерпывающий анализ проблемы в целом, Уильям Унру из университета
в Британской Колумбии и Роберт Уолд из Чикагского университета смогли
разрешить эту трудность. Их соображения основаны на том, что в мысленном
эксперименте совершенно выпущены из виду квантовые эффекты черных дыр, существенно
влияющие на содержимое ящика. Вследствие эффекта Хокинга черная дыра издали
представляется окутанной тепловым излучением. Хотя температура большой черной
дыры пренебрежимо мала, эффективная температура, воспринимаемая ящиком,
неуклонно возрастает по мере его приближения к горизонту.
Рост эффективной температуры можно представить себе следующим образом.
Гравитационное поле черной дыры приводит к тому, что время течет все медленнее и
медленнее по мере приближения к черной дыре; на уровне горизонта время
полностью останавливается — разумеется, лишь по отношению к удаленным часам.
Тепловое излучение, представляющее собой волны, содержит бесчисленное количество
естественных «часов» — колебаний, которые по мере приближения к черной дыре
вынуждены «тикать» в замедляющемся времени более учащенно, чтобы не отставать
от часов, расположенных выше над горизонтом, и таким образом поддерживать
тепловое равновесие. Более высокие частоты подразумевают более высокие
температуры, так что тепловое равновесие в гравитационном поле предполагает наличие
градиента температуры. Поскольку излучение Хокинга имеет как раз такой
равновесный характер, можно ожидать, что оно будет более горячим вблизи черной
дыры.
Вооружившись этой новой идеей, Унру и Уолд вскоре обнаружили, что поведение
подвешенного ящика коренным образом меняется. Чтобы удержать собственное
тепловое излучение, ящик должен иметь хорошо отражающие стенки. Однако это
свойство, позволяющее ящику удерживать собственное излучение, в то же время
экранирует его от излучения Хокинга. Следовательно, по мере опускания ящик как бы
вырезает полость в окутывающем черную дыру облаке теплового излучения, так
что «вытесненное» излучение выталкивает ящик вверх, подобно тому, как
вытесненная вода поддерживает судно на плаву. Архимед, наверное, перевернулся бы в
гробу, узнав, что здесь действует его знаменитый принцип.
Учет выталкивающей, или архимедовой силы, действие которой испытывает ящик,
изменяет всю картину взаимоотношений между энергией и энтропией, поскольку
эффективный вес ящика по мере его снижения уменьшается, а следовательно,
уменьшается и работа, производимая при выпускании содержимого ящика в черную

дыру. Отсюда следует, что при открывании ящика «недостаток» энергии будет не
столь велик, как предполагалось ранее. Более того, когда ящик опустится
достаточно низко, температура окружающего его облака может полностью
нейтрализовать вес содержимого ящика. Опускание ящика ниже точки нейтрализации не дает
выигрыша в энергии. Если открыть ящик в точке нейтрализации и принести его
содержимое «в жертву» черной дыре, то добавка к энергии черной дыры окажется
минимальной. Унру и Уолд показали, что учет этих эффектов «спасает» второй
закон термодинамики — по существу, благодаря им дефицит энергии содержимого
ящика по мере снижения ограничивается сверху.
Очень интересная возможность возникает, когда ящик опускается ниже точки
нейтрализации. Возрастающая выталкивающая сила достигает, в конце концов,
величины, при которой она полностью уравновесит вес ящика; тогда можно
перерезать канат и ящик будет сам по себе плавать в окружающей черную дыру тепловой
ванне.
Еще более поразительная возможность открывается, если пустой ящик опустить
до точки нейтрализации и затем открыть. Ящик мгновенно заполнится
высокотемпературным излучением из теплового облака, окружающего черную дыру; эту
тепловую энергию можно извлечь и использовать. Таким образом, мы буквально
«черпали» бы энергию из черной дыры (рис. 31).
Рис. 31. Добыча энергии из черной дыры. Пустой ящик
опускается к поверхности черной дыры. Затем он
открывается и заполняется интенсивным тепловым
излучением черной дыры. После этого ящик удаляется, а
тепловая энергия используется. Добытая энергия
оплачивается потоком отрицательной энергии,
излучаемой отражающей нижней поверхностью ящика в черную
дыру. При этом энергия черной дыры (а тем самым ее
масса и размеры) уменьшается. Таким образом
осуществляется эффективная добыча энергии, содержащейся
в черной дыре в виде ее массы.
Описанное явление выглядело бы совершенно парадоксальным, если бы не
понятие «отрицательной квантовой энергии», поскольку энергия должна браться из
самой черной дыры; однако ничто — в том числе и энергия — не может по
определению покидать черную дыру. Можно показать, что заполнившая ящик энергия
заимствована не непосредственно у черной дыры, а возникает за счет
«впрыскивания» отрицательной энергии. Приток отрицательной энергии заставляет черную
дыру немного уменьшиться в размерах, компенсировав тем самым энергию внутри
ящика. Разумеется, запас «топлива» черной дыры может вскоре восполниться за
счет соответствующего количества ненужной массы. Таким образом, в принципе мы
получаем устройство, способное перерабатывать любое ненужное вещество в
тепловую энергию.
Никто, конечно, не думает, что открытие Унру-Уолда решит мировые
энергетические проблемы или что оно хоть отдаленно соответствует действительности.
Весь мысленный эксперимент с ящиком на канате — не более чем фантазия,
предназначенная для проверки справедливости физических законов. Но это не лишает
эксперимент его значения. Если бы основополагающие принципы термодинамики,
квантовой теории и гравитации были несовместимы (даже в воображаемой
ситуации) , нам пришлось бы отказаться, по крайней мере, от одного из них. Тот
факт, что даже в столь необычных условиях обеспечивается согласованность этих
принципов, дает нам обоснованную уверенность в универсальности
фундаментальных законов.
•л
Г!
О О

Анализ этого мысленного эксперимента показывает, что в случае черной дыры
сводятся воедино три весьма разных раздела физики: гравитация, вследствие
которой появляется сама черная дыра; квантовая механика, благодаря которой
черная дыра начинает «светиться» и испускать тепловое излучение и, наконец,
термодинамика, регулирующая обмен энергией между черной дырой и ее окружением.
На первый взгляд кажется, что здесь имеет место конфликт (в частности,
нарушается второй закон термодинамики). В действительности оказывается, что это
не так, но лишь при учете квантовой физики. Эти три раздела физики оказывают
друг другу взаимную поддержку даже в случае столь необычных систем, как
черные дыры. Более того, взаимная согласованность этих трех столь отличающихся
между собой разделов физики вскрывается лишь в результате тщательного анализа
весьма необычных эффектов (таких, как парение ящика над черной дырой) и с
первого взгляда совсем не очевидна.
Черные дыры демонстрируют яркий пример того, насколько тесно и гармонично
связаны между собой разделы физики (иногда по совсем неуловимым причинам).
Если бы мы не знали квантовой механики и имели в своем распоряжении лишь
законы гравитации и черные дыры, нам пришлось прийти к заключению, что что-то
не в порядке. Возможно, мы пришли бы к открытию излучения Хокинга, а через
него — к выводу законов квантовой физики.
Гений природы
Существует легенда, что Ньютон изготовил сложный часовой механизм,
моделирующий Солнечную систему. Когда кто-то заметил, что для этого надо обладать
недюжинным умом, Ньютон будто бы ответил, что Господу богу пришлось быть
гораздо более мудрым, чтобы сконструировать реальную вещь. Разве может кого-
либо оставить равнодушным изобретательность самой природы? Природа
поразительно искусна в своих деяниях. Классическим примером ее изобретательности
служит вся история Суперсилы. Обратимся к роли калибровочных симметрии и
возникновению взаимодействий из требования поддержания симметрии в природе при
произвольных калибровочных преобразованиях. Будь мать-природа менее
изобретательной , эти силы пришлось бы вводить искусственно.
Рассмотрим с этой точки зрения объединение взаимодействий. Все
взаимодействия, необходимые для создания сложного и разнообразного окружающего нас мира,
можно получить из одной Суперсилы — это ли не яркое проявление
изобретательности и изящества природы! Ведь природа могла избрать куда более грубый
способ даровать нам четыре самостоятельных взаимодействия. Как будто бы всего
этого недостаточно! Вся структура калибровочных полей представляет собой
именно то, что с математической точки зрения необходимо для описания мира на
основе чистой геометрии с одиннадцатью измерениями, что само по себе является
уникальной структурой с неожиданными и весьма специфическими математическими
свойствами. Все это производит впечатление чуда!
Столь же удивительно не только все созданное природой, но и то, что
«упущено» ею. Четырех взаимодействий достаточно для построения мира средней
сложности . Например, без гравитации не только не было бы галактик, звезд и планет,
но и Вселенная не могла бы возникнуть — ведь сами понятия расширяющейся
Вселенной и Большого взрыва, от которого берет начало пространство-время,
основаны на гравитации.
Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни химии или
биологии , а также солнечного тепла и света. Без сильных ядерных взаимодействий
не существовали бы ядра, а, следовательно, атомы и молекулы, химия и
биология, а звезды и Солнце не могли бы генерировать за счет ядерной энергии
теплоту и свет. Даже слабые ядерные взаимодействия играют определенную роль в
образовании Вселенной. Без них невозможны были бы ядерные реакции в Солнце и

звездах, по-видимому, не происходили бы вспышки сверхновых и необходимые для
жизни тяжелые элементы не могли бы распространиться во Вселенной. Жизнь
вполне могла бы и не возникнуть. Если вспомнить, что все эти четыре совершенно
различных взаимодействия, каждое из которых по-своему необходимо для
возникновения сложных структур, делающих Вселенную столь активной и интересной,
порождаются единственной простой суперсилой, то изобретательность природы
поистине поражает воображение.
Не менее значительно и то, что, хотя все четыре взаимодействия необходимы
для возникновение сложного и интересного мира, природа почему-то не решилась
действовать наверняка, подкинув «для ровного счета» еще несколько сил. Такая
поразительная экономия — ровно столько, сколько надо и ни на йоту больше —
дала повод британскому специалисту в области математической физики Юану
Сквайрсу поставить вопрос: «Живем ли мы в самом простом из возможных
интересных миров?» Сквайре пришел к выводу, что Вселенную, в которой имеется в том
или ином виде химия (а следовательно, и жизнь), нельзя построить на основе
взаимодействий и полей с более простыми свойствами, нежели у тех, которые
известны нам.
Физика полна примеров подобных тонких и остроумных совпадений, описаниями
которых можно заполнить не один том. На мой взгляд, достаточно лишь одного
последнего примера, чтобы окончательно убедить читателя в редкостных
способностях природы. Этот пример служит также одновременно иллюстрацией цельности,
порядка и гармонии.
Для представления об упорядоченном мире существенна степень его
постоянства. Если бы весь мир произвольно изменялся от случая к случаю, в нем царил бы
хаос. Мы хотим быть уверены, что наш автомобиль останется на том месте, где
его припарковали, мебель не сдвинется со своих мест, Земля не улетит в
межзвездное пространство и т.д. Свойство вещества «оставаться на месте»
неотделимо от нашего жизненного опыта, и мы редко сомневаемся в нем. Мир стал бы
ужасающим, если бы тела сами по себе срывались со своих мест без всякой
видимой причины.
Это рассуждение можно несколько обобщить, поскольку тело может покоиться
только в одной системе отсчета. В более общем случае, в отсутствие
приложенной силы тело будет двигаться прямолинейно без ускорения. Этот элементарный
факт воплощен в законах движения Ньютона. По словам самого Ньютона, «описание
прямых линий... на которых основана геометрия, принадлежит механике». Здесь
мы хотели бы поставить вопрос: каким образом реализуется это чудо, столь
важное для упорядочения мира? Откуда телу известно, по какой траектории ему
следует двигаться? Каким образом возникает эта прямая линия?
Верим мы в это или нет, но причина обусловлена квантовыми эффектами, в
частности волновой природой микрочастиц. Мы уже касались этого вопроса в гл. 4.
В оптике давно было известно, что свет распространяется прямолинейно. В
действительности существует тесное соответствие между движением материального
тела и распространением света даже в гораздо более сложных условиях — при
наличии сил и искривлении траекторий. По существу эти движения подчиняются так
называемому «принципу лености», утверждающему, что материальные тела и
световые лучи следуют вдоль путей, которым соответствует минимальная активность.
(Уровню активности можно дать достаточно строгое математическое определение,
однако здесь нет необходимости заниматься этим). В определенном смысле
световой луч и материальное тело следуют наиболее легким из всех возможных путей.
Напомним, что кратчайшему расстоянию между двумя точками соответствует
отрезок прямой. Однако свет представляет собой волну, тогда как материальное тело
— это отдельная частица или совокупность частиц.
Подобная общность принципов, лежащая в основе движения волн и частиц,
наводит на мысль о том, что движению в природе присуща глубокая гармония. Однако

способ, которым в природе реализуется прямолинейное движение материального
тела, изумительно прост. У микрочастицы вообще нет, строго говоря,
траектории, тем более прямолинейной. Напротив, движение микрочастицы хаотично и
расплывчато . Каким образом можно прийти к упорядоченному прямолинейному движению
макроскопического тела, если движение составляющих его атомов имеет случайный
квантовый характер? Похоже, что в этом случае природа стремится обратить
порок в добродетель. Как объяснялось в гл.2, квантовая частица попадает из
точки А в точку В, как бы пробуя одновременно все возможные пути; здесь уместно
напомнить, как в опыте Юнга по интерференции отдельный фотон каким-то образом
проходит сразу через две щели. В более общем случае можно считать, что
частица, например электрон, пробует все возможные пути, соединяющие точку
отправления А с точкой прибытия В (рис.32). В соответствии с «принципом
равноправия» каждому из путей соответствует один и тот же вклад в полную волну,
представляющую электрон и характеризующую вероятность прибытия электрона в
определенный пункт назначения.
Именно на этой стадии проявляется столь важная волновая природа электрона.
Как уже отмечалось в гл.2, при наложении волн происходит интерференция. Если
волны приходят в фазе, они усиливают друг друга, если в противофазе — гасят.
При случайном наложении сразу очень большого числа волн происходит их общее
гашение. Именно это осуществляется на всех криволинейных путях электрона.
Волны, соответствующие таким траекториям, гасят друг друга в результате
интерференции. Единственные траектории, на которых этого не происходит, — те,
по которым волны приходят в фазе и, следовательно, не гасят, а усиливают друг
друга. Строго говоря, усиление происходит только вдоль прямолинейной
траектории и в ограниченной степени на близких траекториях. Поэтому наиболее
вероятно, что частица следует по кратчайшему из возможных путей. Вероятность
неопределенного блуждания частицы вместо движения по прямолинейному узкому пути
зависит от массы частицы. Движение электрона оказывается крайне неустойчивым
и плохо определенным, однако более тяжелые частицы движутся более устойчиво.
В пределе больших тел — например, в случае бильярдного шара — отклонение от
прямолинейной траектории будет бесконечно малым. Таким образом, мы вновь
приходим к точно определенной прямолинейной траектории в классической механике.
Итак, упорядоченное поведение макроскопических тел обязано своим
происхождением квантовой физике, которая, в конечном счете, лежит в основе всех
объектов .
Рис. 32. Как частица «узнает» какой именно путь из точки
Л в точку В будет прямолинейным? Квантовая теория
отвечает на этот вопрос. Частица «обследует» одновременно все
возможные пути между точками А и В, Вследствие волновой
природы квантовых частиц во всем пространстве — кроме
области вблизи прямолинейной траектории (обозначенной
пунктиром) — волны гасят друг друга в результате
интерференции. Следовательно, в соответствии с вероятностной
интерпретацией наиболее вероятными будут пути, проходящие
вблизи прямолинейной траектории. Сколько-нибудь заметное
отклонение от прямолинейной (классической) траектории
можно заметить лишь в атомных масштабах.

Устройство Вселенной
Обычно реакция физиков на замечательные открытия, подобные описанному выше,
бывает смешанной — с одной стороны, восхищение утонченностью и изяществом
природы, с другой — некоторое оцепенение: «Я бы никогда не додумался до
этого». Если природа столь искусна, что может использовать средства, изумляющие
нас своей изощренностью, то не служит ли это убедительным свидетельством
разумного построения всей физической Вселенной? Если лучшим умам мира с трудом
удается вскрывать глубинные проявления природы, то как можно думать, что они
порождены бессмысленной случайностью, слепым случаем?
И вновь уместна аналогия с отгадыванием кроссворда. Природа дает нам
«ключи», часто скрытые, и решение загадок природы оказывается делом довольно
тонким. Законы природы не открываются при поверхностном взгляде на мир. Они
скрываются за более очевидными явлениями, и их можно обнаружить, лишь «копнув
глубже». Мы никогда не познали бы законов атомной и ядерной физики, если бы
не применяли специальных приборов и тщательно не планировали экспериментов.
Природа зашифрована для нас подобно кроссворду. Поскольку ответы редко бывают
очевидными, подбор ключей к этим шифрам требует недюжинной изобретательности,
опыта и вдохновения.
Когда часть ключей уже подобрана, начинает возникать целостная картина.
Подобно кроссворду, где слова согласованно и упорядочение пересекаются друг с
другом, законы природы образуют согласованную структуру, и мы начинаем
распознавать присущий природе замечательный порядок, о котором упоминалось в этой
главе. Мир представляет собой единство различных физических механизмов, и это
единство ведет не к беспорядочному переплетению явлений, как могло бы
показаться, а к точно организованной гармонии.
Говоря о кроссворде, нам никогда не пришло бы в голову предположить, что
слова составляют согласованную взаимопересекающуюся систему совершенно
случайно, что хитроумность и изощренность ключей к кроссворду — просто ничего не
значащие факты или продукт нашего собственного ума, пытающегося придать смысл
бессмысленной информации. Однако мы часто встречаемся в точности с такими же
суждениями, когда речь идет об удивительных явлениях природы, несравненно
более хитроумных и утонченных, чем любой кроссворд. Если мы не сомневаемся, что
порядок, самосогласованность и гармония кроссворда свидетельствуют об
изобретательности ума его создателей, то почему подобные сомнения считаются
правомерными, когда речь идет о Вселенной? Почему свидетельство наличия «плана»
столь убедительно в одном случае, но неубедительно в другом?
В XIX в. существование порядка и гармонии в природе часто использовалось
теологами как свидетельство существования сверхъестественного творца. Одним
из наиболее ярких выразителей этих взглядов был Уильям Пэли, проводивший
аналогию между природными механизмами и часами. Пэли рассуждал так. Рассмотрим
сложный механизм часов, состоящий из подогнанных друг к другу частей;
естественно предположить, что часы сконструированы для определенной цели разумным
существом. Сравнив часы с многочисленными чрезвычайно утонченными механизмами
природы — такими, как порядок в расположении планет Солнечной системы или
сложная организация живых существ, — Пэли пришел к выводу, что доказательство
существования «разумного планирования» природы еще более убедительно, чем в
случае часов.
Несмотря на внешнюю привлекательность, рассуждение Пэли, как и многие
последующие попытки вывести наличие плана из рассмотрения явления природы,
подверглись жесткой критике философов и ученых. Приведем лишь три из таких
контрдоводов, используемых и по сей день: природе навязывают порядок, чтобы

придать ей смысл; подобная аргументация не убедительна; существующий в
природе порядок — явление чисто случайное, а не результат некоего плана.
Итак, прежде всего, навязываем ли мы природе порядок, чтобы придать ей
смысл? Дело в том, что человеческий ум чрезвычайно склонен усматривать
порядок в хаосе многочисленных данных, и это качество, по-видимому, даровано нам
процессом эволюции как знак нашего преимущества над другими видами. Мы
непрерывно получаем сложную информацию, которую мозг должен каким-то образом
приводить в порядок, чтобы мы могли эффективно функционировать. Хорошим примером
того, как человеческий разум обнаруживает порядок даже там, где его нет,
могут служить знаменитые созвездия. Наши предки воспринимали хаотическое
распределение звезд на небе как упорядоченную картину. Ведь в действительности
не существует ни Большой Медведицы, ни Девы, ни Скорпиона — все это лишь
случайный набор светящихся точек.
Тем не менее, применительно к науке этот аргумент не вполне убедителен.
Существуют вполне объективные способы установить наличие порядка в физической
системе. Так, упорядоченность живых организмов, очевидно, не плод нашего
воображения. В фундаментальной физике законам природы соответствуют
математические выражения, которые зачастую известны математикам задолго до их
применения к реальному миру. Математическое описание изобретается не просто для
лаконичной формулировки законов природы. Часто совпадение свойств природы с
конкретными математическими выражениями оказывается совершенно неожиданным.
Структура математического описания выявляется по мере анализа физической
системы.
Хорошим примером может служить описание взаимодействий природы в
одиннадцатимерном пространстве. Математическое «чудо» заключается в том, что законы
действия сил могут быть выражены через ранее неясные геометрические свойства
многомерного пространства. Разумеется, это вызывает восхищение, однако
обнаруженный здесь порядок не был кем-то навязан, а выявился в результате
деятельного математического анализа.
Ни один физик никогда всерьёз не поверит, что предмет его исследований был
попросту грудой неупорядоченных и бессмысленных фактов, и что законы физики
не знаменуют реального успеха в нашем понимании природы. Было бы нелепо
предполагать , что вся наука — это просто измышление ума, имеющее к реальности не
больше отношения, чем созвездие Рыбы к реальным рыбам.
Рассмотрим второе возражение — неубедительность аргументации. Иногда
говорят , что утверждение о наличии плана в природе основано на софистике спорного
объяснения, а проще говоря, на «крепости задним умом».
Рассмотрим, например, отрывок из книги «Жизнь вне Земли» Джеральда Фейнбер-
га и Роберта Шапиро.
Географ, убежденный в предопределенности всего сущего, был бы в конечном
счете поражен тем, насколько точно вписывается в свою долину река Миссисипи.
Она течет в правильном направлении, имеет в точности необходимые контуры и
притоки, обеспечивающие впадение вод центральном части Соединенных Штатов в
Мексиканский залив. На всем своем долгом пути река очень удобно подходит ко
всем пристаням и проходит под всеми мостами. Географ мог бы попытаться
заменить реку Миссисипи, например, рекой Амазонкой. Наложив Амазонку на карту
Соединенных Штатов, он сразу заметил бы, что она течет с запада на восток.
Здесь это бы не прошло, так как реке пришлось бы течь через горы. Даже
повернув Амазонку в «нужном» направлении, географ столкнулся бы с многими
трудностями. Новый Орлеан оказался бы затоплен большой дельтой Амазонки, и
бесчисленное количество дорог и городов ушло бы под воду. Отсюда географ заключил
бы, что для его цели Амазонка не годится, но прекрасно подходит Миссисипи.
Еще более ограничим ситуацию. Пусть у географа нет сведений о других речных
системах, но реку Миссисипи он изучил досконально. Он заметил бы также, что

любое значительное изменение русла реки привело бы к разрушениям и
перемещениям, и сделал бы вывод, что данное русло Миссисипи единственно возможно с
точки зрения географической системы. Если существуют другие реки, то их русла
должны иметь аналогичную форму.
Подобная критика рассматривается и в статье Ральфа Эстлинга в журнале New
scientist .
Рассуждения о сверхъестественном и сверхразумном основаны на антропном
принципе, утверждающем, что реализуется именно та Вселенная, которая пригодна
для человека, и нам следует поразмыслить о тех бесчисленных совпадениях,
которые абсолютно необходимы для существования человека и самой жизни.
Единственное небольшое отклонение в одном из тысяч важных совпадений резко
(возможно, даже полностью) изменило бы Вселенную. Однако абсолютно во всем, начиная
от постоянных, определяющих гравитационные, электромагнитные, сильные и
слабые ядерные взаимодействия, и вплоть до основных биологических предпосылок мы
обнаруживаем, что космос в целом, наше Солнце в частности, и в особенности
Земля настолько точно подогнаны к нам, что неизбежно напрашивается вопрос: «А
не Бог или кто-то еще с аналогичным именем создал все это, прежде всего имея
в виду нас? Это слишком много для совпадения, даже для чуда, чтобы назвать
это чистой случайностью».
Авторы приведенных отрывков совершенно справедливо привлекают внимание к
тем ловушкам, в которые легко попасть, используя в поисках объяснений
апостериорные аргументы; не следует, однако, думать, что подобный подход всегда
ошибочен. Нетрудно привести примеры, когда он весьма эффективен — в
частности, в повседневной жизни. Пэли, разумеется, был совершенно прав,
рассматривая часы как результат определенного проекта. Важно лишь соблюдать
осторожность и избегать неразумного использования апостериорных аргументов.
Как определить, в каких случаях апостериорные доводы могут завести нас в
тупик при рассмотрении упорядоченности окружающего нас мира? Ключевой
критерий состоит в том, чтобы различать две совершенно разные формы порядка. Здесь
мы подходим к третьему возражению против наличия «плана», согласно которому
любой существующий в природе порядок возникает чисто случайно, а вовсе не
запланирован .
Это сильное возражение, и оно, бесспорно, справедливо во многих случаях;
именно из-за него аргументы в пользу существования космического плана
отвергались теологами. Однако часто это возражение применяют не вполне продуманно,
не проводя различия между двумя совершенно разными смыслами понятия
«порядок» .
В одном смысле слово «порядок» означает сложную организацию, которая
характерна, в частности, для живых организмов. Рассмотрим, к примеру, глаз
человека. Этот хрупкий и сложный механизм, похоже, специально «сконструирован» для
того, чтобы обеспечить нам возможность видеть. Расположение хрусталика и
сетчатки идеально соответствует законам физической оптики. Миллионы клеток глаза
и зрительного нерва в высокой степени специализированы с точки зрения их
функций; они взаимодействуют с соседями строго определенным методичным
образом.
Случайный набор клеток, не говоря уже о случайном наборе атомов, никогда не
смог бы сотворить «чудо» зрения.
Биологи не отрицают невероятно высокого уровня адаптации глаза или любого
другого органа. Тем не менее, у них не возникает необходимости предполагать,
что глаз был заранее «сконструирован» и собран какими-либо
сверхъестественными силами. Теория эволюции вполне удовлетворительно объясняет, как возник
глаз человека. Изучение ископаемых останков и сравнительная анатомия дают
детальную картину поэтапного развития столь сложного органа, как глаз, в
течение многих поколений. Случайные генетические изменения — дело слепого случая

— порождают произвольный набор возможностей, из которых природа отбирает
только то, что дает преимущество организму в его непрерывной борьбе за
выживание . Лишь путем перебора чрезвычайно широкого диапазона возможных изменений
орган совершенно случайно находит вариант, который способствует его адаптации
в условиях окружающей среды.
Таким образом, сложная организация может возникать спонтанно и не нуждается
в заранее предписанном плане. Однако для успеха описанной выше процедуры
отбора необходимо существование ансамбля, под которым понимается набор большого
числа сходных систем. В биологии этот ансамбль составляют миллиарды
организмов и миллионы поколений, существовавших на протяжении истории Земли.
Огромный фонд сходных генов, которые поставляют многочисленные организмы, дает
природе возможность испробовать все возможные варианты, прежде чем случайно
не встретится благоприятная мутация. В дальнейшем в результате естественного
отбора эта мутация закрепляется в генофонде. Постепенное накопление
бесчисленного множества благоприятных малых изменений приводит к медленному
прогрессу столь сложных систем, как глаз.
Кроме понятия порядка как сложной организации существует понятие порядка,
заключающееся в простоте и симметрии, причем этот порядок может возникать как
в пространстве, так и во времени. Хорошим примером пространственного порядка
служит кристаллическая решетка. В кристалле атомы удерживают друг друга,
образуя правильную структуру простого геометрического вида, обладающую высокой
степенью симметрии. В основе кристаллической структуры лежит атомная ячейка
определенного типа, отражающегося в симметричной форме, которая характерна
для кристалла (например, кристалл поваренной соли обладает кубической
формой) . Именно атомной симметрией в конечном счете обусловлена правильная форма
снежинок. Другим примером пространственного порядка является строение
Солнечной системы, в которой планеты почти сферической формы обращаются по почти
круговым орбитам вокруг почти сферического Солнца.
В обоих этих примерах мы можем обнаружить, что причины пространственного
порядка лежат в симметрии законов физики, управляющих рассматриваемыми
системами. Многие физические системы обладают устойчивыми состояниями, которые
демонстрируют высокую степень простоты и симметрии. Разумеется, предстоит еще
объяснить, каким образом системы приходят в такие состояния. Одна из причин
заключается в том, что сложные состояния неустойчивы. Например, состояние
атома водорода с наинизшей энергией сферически симметрично, тогда как
большинство возбужденных состояний не обладает этим свойством. Аналогично жидкое
гравитирующее тело принимает в состоянии равновесия (в отсутствие вращения)
форму идеальной сферы. Мы убедились в том, что физические системы стремятся
занять положение с минимальной энергией, это универсальный закон природы.
Если система первоначально обладает избытком энергии, т.е. находится в
возбужденном состоянии, то включаются всевозможные механизмы, стремящиеся
освободить ее от этого избытка. Рано или поздно система переходит в состояние с
наинизшей энергией, которое, как правило, является простейшим. По этой
причине пространственный порядок представляет собой общее свойство нашего мира.
Важно, однако, иметь в виду, что этот порядок обусловлен пространственным
порядком, присушим законам физики. Если бы, например, сила тяжести оказалась
более сложной и зависела не только от расстояния между двумя телами, но и от
их взаимной ориентации, планеты двигались бы по гораздо более запутанным
орбитам.
Обратимся теперь к временному порядку. Его можно увидеть в регулярном
течении многих естественных процессов: тиканье часов, колебаниях атома, смене дня
и ночи, зимы и лета. Вновь, как и при пространственном порядке, причины
подобной регулярности можно отыскать в законах физики, которые часто допускают
простое периодическое поведение. Периодическое движение (колебания) представ-

ляет собой, вероятно, самый распространенный в физике пример порядка.
Волнообразные колебательные движения составляют существо всех квантовых движений;
электромагнитные волны переносят теплоту и свет во Вселенной; планеты, звезды
и галактики содержат объекты, движущиеся в пространстве по периодическим
орбитам.
Кроме упорядоченного движения материальных тел существует и более глубокое
проявление временного порядка, заключенное в самой сути законов природы
(часто порядок такого рода считают само собой разумеющимся). Тот факт, что в
природе вообще существуют законы, обеспечивает определенную последовательность
эволюции Вселенной от данного момента времени к последующему. На
фундаментальном уровне эта самосогласованность означает просто, что мир продолжает
существовать. Более того, законы не изменяются от одной эпохи к другой (иначе
их нельзя было бы назвать законами). Земля сегодня движется по эллиптической
орбите вокруг Солнца так же, как и на протяжении миллионов лет.
Пространственный и временной порядки — это не просто случайные особенности
мира: оба этих порядка присущи фундаментальным физическим законам. Именно
законы, а не конкретные физические системы заключают в себе поразительную
упорядоченность мира. Эти законы вдвойне замечательны, поскольку допускают как
порядок, выражающийся в пространственной и временной простоте, так и порядок,
проявляющийся в сложной организации. Один и тот же набор законов
обусловливает и простую форму кристаллов, и возникновение столь сложных систем, как
живые организмы. Вполне можно представить и такую Вселенную, в которой законы
допускали бы лишь простые типы поведения (например, регулярные движения
планет) , а чрезвычайно сложные структуры (например, полимеры, не говоря уже о
ДНК) там не могли бы существовать. Действительно, кажется совершенно
необычным, что столь простые законы современной физики обеспечивают все
разнообразие и сложность реального мира. Но дело обстоит именно так.
Имеет ли существование
какой-то смысл?
Интересно поставить вопрос о том, насколько вероятно с точки зрения законов
физики существование сложных систем или сколь точно эти законы должны быть
согласованы между собой?
В своей знаменитой статье в журнале Nature английские астрофизики Бернар
Карр и Мартин Рис пришли к выводу, что мир чрезвычайно чувствителен даже к
самым малым вариациям законов физики, так что, если бы известный нам
конкретный набор законов как-то изменился, Вселенная также изменилась бы до
неузнаваемости .
Карр и Рис обнаружили, что существование сложных систем, по-видимому,
критически зависит от численных значений, которые природа присвоила так
называемым фундаментальным постоянным; именно эти значения определяют масштаб
физических явлений. К числу фундаментальных постоянных относятся скорость света,
массы субатомных частиц и несколько «констант связи», таких, как элементарный
электрический заряд, от которых зависит величина различных взаимодействий с
веществом. Фактические численные значения этих постоянных определяют основные
особенности мира в целом — размеры атомов, ядер, планет и звезд, плотность
вещества во Вселенной, время жизни звезд и даже размер животных.
Большинство встречающихся в природе сложных систем возникают в результате
противоборства или баланса различных взаимодействий. Звезды, например,
кажутся внешне спокойными; однако они представляют собой «поле битвы» четырех
взаимодействий. Гравитация стремится сдавить звезды. С ней борется
электромагнитная энергия, создавая внутреннее давление. Сама эта энергия
высвобождается в ходе ядерных процессов, которыми управляют сильные и слабые ядерные

взаимодействия. В этих условиях из-за переплетения конкурирующих процессов
структура системы критически зависит от величины взаимодействий, а тем самым
— от численных значений фундаментальных постоянных.
Астрофизик Брендон Картер, детально изучив звездное «поле битвы»,
обнаружил, что равновесие между гравитационными и электромагнитными
взаимодействиями внутри звезд соблюдается почти с немыслимой точностью. Вычисления
показывают, что изменение любого из взаимодействий всего лишь на 10~40 его величины
повлекло бы за собой катастрофу для звезд типа Солнца.
Многие другие важные физические системы крайне чувствительны к самым малым
изменениям относительной величины взаимодействий. Например, совсем небольшое
относительное увеличение сильного взаимодействия привело бы к тому, что все
ядра водорода во Вселенной были бы израсходованы в ходе Большого взрыва,
оставив тем самым космос без важнейшего звездного топлива.
В книге «Случайная Вселенная» (Девис П. Случайная Вселенная. — М. : Мир,
1985) мною проведено исчерпывающее изучение всех очевидных случайностей и
«совпадений», которые кажутся необходимыми с точки зрения существования во
Вселенной важных сложных систем. Абсолютно невероятно, чтобы столь счастливые
совпадения могли быть результатом последовательности исключительно удачных
случайностей. Именно это побудило многих ученых согласиться с утверждением
Хойла о том, что Вселенная — результат «мошенничества».
Высочайшим проявлением сложной организации во Вселенной является жизнь, и
потому чрезвычайно интересен вопрос, насколько наше собственное существование
Зависит от точной формы законов физики. Человеку для выживания необходимы в
высшей степени специальные условия, и почти любые изменения в законах физики,
в том числе самые незначительные изменения численных значений фундаментальных
постоянных, полностью исключили бы существование известных нам форм жизни.
Однако более интересен вопрос: а не сделали бы такие малые изменения
невозможными любые формы жизни?
На этот вопрос трудно ответить, поскольку нет общепринятого определения
жизни. Если все же согласиться с тем, что для жизни требуется по крайней мере
наличие тяжелых атомов (например, углерода), то уже это налагает весьма
строгие ограничения на некоторые фундаментальные постоянные. Например, слабое
ядерное взаимодействие, ответственное за взрывы сверхновых, в которых тяжелые
элементы выбрасываются в межзвездное пространство, не может, существенно
изменив свою (наблюдаемую) величину, по-прежнему вызывать взрывы звезд.
Итак, совершенно очевидно, что существование большого числа важных
физических систем во Вселенной — в том числе живых организмов — критически зависит
от точной формы законов физики. Если бы Вселенная возникла с несколько иными
законами, то не только мы и вряд ли кто другой) не могли бы оказаться тут и
наблюдать Вселенную, но и сомнительна была бы сама возможность возникновения
любых сложных структур.
На это иногда возражают, что если бы законы физики были иными, то это лишь
означало бы, что иными были бы и системы, а если невозможной оказалась бы
известная нам форма жизни, то вполне могла бы возникнуть другая форма жизни.
Однако еще никто не пытался показать, что сложные системы вообще являются
неизбежным (или даже вероятным) следствием действия физических законов; все
имеющиеся в нашем распоряжении данные говорят о том, что многие сложные
системы предельно чувствительны к реальному виду этих законов. Поэтому заманчиво
считать, что сложная Вселенная возникнет только при условии, что законы
физики чрезвычайно близки к реально существующим.
Следует ли из всего этого сделать вывод, что Вселенная — это результат
предначертанного плана? Новая физика и новая космология выполняют свое
заманчивое обещание объяснить возникновение всех физических систем во Вселенной
автоматически, исключительно за счет естественных процессов. В этом случае

нам уже не понадобится вмешательство «творца». Тем не, менее, хотя наука и в
состоянии объяснить мир, еще остается дать объяснение самой науки. Законы,
обеспечившие спонтанное возникновение Вселенной, по всей вероятности, сами
рождены каким-то остроумнейшим планом. Но если физика - продукт подобного
плана, то у Вселенной должна быть конечная цель, и вся совокупность данных
современной физики достаточно убедительно указывает на то,что эта цель
включает и наше существование.
Вот такая история с суперсилой.

Ликбез
ИСКУССТВЕННЫЕ ДРАГОЦЕННЫЕ КАМНИ
Деннис Элузлл
(в сокращении)
Первые искусственные
драгоценные камни
Можно предположить, что количество имеющихся драгоценных минералов,
особенно ввозимого извне лазурита, явно не удовлетворяло спрос. Первой попыткой
разрешить эту проблему было покрытие внешне непривлекательного природного
минерала стеатита слоем глазури с тем, чтобы придать ему вид малахита или
лазурита. Стеатит — гидратированный силикат магния — представляет собой
разновидность талька и является одним из самых мягких природных минералов. Он был
обнаружен в Египте в Гебель-Фатире. менее чем в 100 милях от селения Бадари (по
имени которого был назван Бадарийский период). Этот минерал легко резать, из
него легко изготавливать бусинки. Нагревание способствует отвердению внешнего
слоя, но не приводит к плавлению камня, поэтому стеатит очень удобен для
покрытия глазурью. Ожерелье, найденное при раскопках в Бадари (датируется
примерно 4000 г. до н. э.) сделано из стеатита, покрытого зеленой глазурью.
Примерно к тому же времени относится создание и голубой глазури. Древние глазури
не были истинно стекловатыми, их приготавливали из окрашенной мятой глины,
которую наносили на бусинку, а затем обжигали. Получение настоящей глазури
стало возможным только с развитием технологии за счет повышения температуры

обжига или, напротив, снижения температуры плавления глазури в результате
добавок поташа или какого-либо другого материала.
дейский»)
до н. э.
Попытки сделать бусинки, напоминающие лазурит, были
охарактеризованы1 [7] как «первый шаг человека в мир
синтеза нужного ему минерала». Позднее стеатит был заменен
фаянсом — искусственным материалом, который получали из
тонко измельченного кварца и затем покрывали глазурью.
Этот очень красивый материал пользовался широкой
популярностью на протяжении многих столетий до нашей эры.
Технические детали производства фаянса полностью не известны,
хотя удалось получить достаточно обширную информацию по
раскопкам, рисункам и имитациям. Производство фаянса,
вероятно, началось в Месопотамии около 4500 г. до н. э.
Ожерелье, найденное сэром Леонардом Вули в Уре («Ур Хал-
в Ираке, содержит фаянсовые бусинки и датируется примерно 3000 г.
Однако наивысшего расцвета искусство фаянса достигло в Египте.
Фаянс на 90—99% состоит из порошкообразного кварца, полученного истиранием
кварцевой породы, с добавками окисей алюминия, кальция, железа, магния, калия
и натрия. Кварц не плавится, пока температура не достигнет 1610°С, что было
за пределами возможностей ранних цивилизаций, но он размягчается при
температуре около 1000°С, и материал, содержащий примеси, мог, вероятно, спекаться
при нагревании и при более низких температурах. По
мнению Ходжеса [ 7], для этого достаточны температуры около
950°С, что все же значительно выше температуры пламени
домашнего очага, поэтому необходимо было применение
каких-либо приспособлений для продувания воздуха над
горящим древесным углем. Первоначально «баба», или мастер по
изготовлению фаянса, в качестве воздушной трубки
использовал папирусный тростник с глиняным наконечником. Печь
состояла из керамического горшка на подставке,
наполненного древесным углем. Позднее, во времена Нового Царства
(1559—1085 гг. до н. э.), для получения струи воздуха
стали использовать кожаные мехи, а обжиг выполняли в печах, похожих на те,
которые применялись для обжига керамики. Температуры обжига у египтян не
могли превышать 1100°С, поскольку тигли, в которых варили стекло (и вероятно,
глазурь), при этой температуре стали бы плавиться [8]. Считалось, что для
получения хорошего фаянса тигли должны быть снабжены крышками, чтобы
предохранить материал от попадания дыма [7].
Полагают, что порошок кварца смешивали с водой или с каким-то раствором до
получения пастообразной массы, которую затем формовали, в основном вручную
[9]. Найдено много тысяч форм, предназначенных для производства бусин,
скарабеев и других предметов. В некоторых из них сохранились следы исходного
материала. Бусины сразу нанизывали на нитку, которая выгорала при обжиге, а
крупные бусины прокалывали, когда они были мягкими, заостренным предметом
[ю] .
Для придания желаемого цвета бусины или другие предметы опускали в раствор
глазури, затем высушивали и вторично отжигали. Глазурь состояла в основном из
порошка окиси кремния, но, кроме того, содержала 25% карбонатов натрия и
1 Ссылки на литературу пропущены, интересующиеся могут найти их в оригинальном издании.

кальция, иногда небольшое количество карбоната калия. Для получения столь
популярного голубого цвета использовали какое-либо соединение меди, измельчали
его и добавляли к раствору глазури. Петри [11] установил, что компоненты
глазури первоначально частично сплавляли до получения пасты, которую
«подрумянивали» до нужного оттенка, затем измельчали, добавляли к ней воду, смешивали с
флюсом и получали глазурь. Иногда для придания нужных цветовых оттенков
глазурь наносили в два слоя.
Остается неизвестным, как была изобретена глазурь. Петри считает, что
первоначально люди просто заметили кварцевые камешки, оплавленные в древесной
золе горячего костра. Согласно другой версии, глазурь случайно была открыта
при плавлении меди, когда обнаружили стекло в печном шлаке, хотя
высказывалось мнение, что, наоборот, плавление меди было случайно открыто при
производстве фаянса! Кроме растительной золы, которая являлась наиболее вероятным
источником щелочных металлов, необходимых для производства стекла из окиси
кремния при умеренных температурах, следует упомянуть «натрон», в основном
карбонат и бикарбонат натрия. Попытки смоделировать, случайное открытие
способов получения глазури оказались безуспешными.
Фаянсовые бусинки в большинстве своем были синими или зелеными, поскольку
это цвета лазурита и малахита, наиболее популярных природных материалов того
времени [12]. В период Накада II (3500— 3100 IT. до н. э.) мастерство
использования цвета достигло наибольшего совершенства. В Британском музее имеются
экспонаты, которые вполне уверенно можно отнести к имитациям оливина и
зеленого кальцита, лазурита, малахита и бирюзы [13]. Бусинки имеют различную
окраску — белую, красную, фиолетовую, желтую и черную, и эти же цвета
использовались при изготовлении более сложных изделий из фаянса в виде листьев или
цветов. Искусство производства фаянса достигло вершины примерно к 1500 г. до
н. э., когда было налажено массовое производство бусинок сложной формы: в
виде лепестков лотоса, колосьев злаков или листьев ивы, из которых составлялись
красивые и изысканные ожерелья [14]. В это время также развивается искусство
инкрустации, например, изготавливаются застежки для ожерелий из белого фаянса
с разноцветным растительным орнаментом.
Казалось бы, открытие глазури должно было дать толчок к широкому
использованию стеклянных бус в качестве модных украшений, поскольку из глазурованного
материала также можно было делать бусы. Тем не менее стеклянные бусы получили
распространение в Египте только во времена XVIII династии, много лет спустя
после появления первой бадарийской глазури. Трудно найти этому объяснение.
Очевидно, это скорее дело вкуса публики, чем умения изготовителей, поскольку
стеклянные бусинки иногда находят в раскопках более ранних времен.
Стекло, производившееся в Древнем Египте, по сравнению с современным
содержало меньше окиси кремния и извести, но больше окислов железа и алюминия, а
также значительное количество второстепенных примесей. Для получения стекла
использовали смесь кварцевого песка, карбоната кальция, натрона и красителя.
Процесс варки включал две стадии. Сначала при температуре около 750°С из
приготовленной шихты делали «спёк», а затем в глиняных тиглях при температуре
1000—1100°С его превращали в стекло. Оно было бесцветным, если в шихту не
вводились окрашивающие элементы, или цветным при введении добавок: пурпурным
(с марганцем), черным (с железом), синим (с кобальтом), зеленым (с медью или
железом), красным (с красной окисью меди) или желтым (со свинцом, возможно
совместно с сурьмой).

Египтяне полагали, что окраска — более важное качество, чем прозрачность,
и, по-видимому, ценили фаянсовые или стеклянные бусы в той же мере, что и
натуральные камни.
От средневековья
до нашего времени
Средневековье было периодом расцвета алхимии. Вполне возможно, что алхимики
делали попытки выращивать драгоценные камни из смесей минералов или
химических соединений путем нагревания их в печи. Язык их отчетов в большинстве
случаев не позволяет точно понять, что они делали или собирались делать. Не
сохранились записи непосредственно и о синтезе драгоценных материалов.
Конечно, основная забота алхимиков заключалась в получении золота из простых
металлов , но можно предположить, что они пытались получить также рубин, алмаз,
сапфир и другие драгоценные камни.
Современная история создания искусственных самоцветов началась в 1837 г.,
когда французский химик Марк Годен, сплавив две соли — квасцы (сульфат калия
и алюминия) и хромат калия, получил кристаллы рубина весом примерно в 1 карат
(0,2 г) [16]. Эксперименты Годена явились продолжением ряда аналогичных
исследований, проводимых минералогами, которые пытались воспроизвести или
смоделировать естественную кристаллизацию в породах. Самые ранние из таких
экспериментов были выполнены в Англии Холлом [17] и Уоттом [18], изучавшими
кристаллизацию лав в окрестностях Эдинбурга, а также на Этне и Везувии.
Успешный синтез Годена был воспроизведен рядом других французских и
немецких химиков, экспериментировавших с различными солями в качестве компонентов
для получения рубина. Работы того времени заложили основы метода получения
кристаллов, который теперь известен как выращивание с флюсом или, по
терминологии специалистов, кристаллизация из раствора в расплаве. Этот метод основан
на растворении материалов с высокой точкой плавления в растворителе, или
«флюсе», имеющем значительно более низкую точку плавления. Кристаллы
тугоплавкого компонента получают путем охлаждения раствора-расплава или
испарением растворителя аналогично тому, как кристаллы сульфата меди образуются из
водного раствора. Получение кристаллов рубина стало возможным только
благодаря тому, что было уже известно, что рубин состоит из окиси алюминия и примеси
окиси хрома, придающей ему красный цвет.
Одновременно с попытками добиться прогресса в деле получения крупных
кристаллов рубина Дж. Эбельмен искал способ получения кристаллов изумруда [19] ,
Он растворял низкосортный изумруд в расплавленной окиси бора В20з, поэтому в
его опытах имела место скорее рекристаллизация, а не синтез, другими словами,
кристаллы образовывались из собственных химических компонентов. Эбельмену не
удалось получить изумруд ювелирного качества, и первому успешному синтезу
этого минерала предстояло ждать еще 40 лет — до 1888 г., когда Отфель и Перре
[20] ввели новые растворители — молибдат лития Li2Mo207 и ванадат лития l1.VO3.
Образующиеся кристаллы изумруда были очень мелкими, но впоследствии
модификация этого метода была успешно применена в промышленном производстве
ювелирного изумруда.
Первые эксперименты обычно проводились с использованием печей крупных
фабрик. Электроэнергия для печей являлась новшеством в то время, когда
повсеместно применялся газ или твердое топливо. Эксперименты Эбельмена, например,
выполнялись на знаменитой французской фабрике фарфора в Севре, а фабрика по

производству стекла в Сен-Гобене стала местом проведения другой серии
знаменитых экспериментов Эдмона Фреми и его учеников. Фреми занимался
исключительно рубином, «минералом, который, вероятно, больше, чем другие, испытывал
смекалку и ум химиков». В 1877 г. Фреми и Фейль [21] описали эксперимент, в ходе
которого 20—30 кг раствора окиси алюминия в расплаве окиси свинца нагревали в
течение 20 суток в большом фарфоровом сосуде. Кристаллизация явилась
результатом одновременно протекающих процессов испарения растворителя и химической
реакции со стенками сосуда и печными газами, например с водяным паром.
Несмотря на большой объем расплавов, размер кристаллов был очень мал, что
объясняется неудовлетворительным регулированием температуры печи. Кристаллы
Фреми были выставлены в Естественно-историческом музее в Париже. К. Нассау и Дж.
Нассау [22] сообщали об одном эксперименте, когда в 12-литровом тигле было
получено 24 ООО кристаллов общим весом 1200 г. Подобного рода попытки
продолжались вплоть до XX в., но экспериментаторам не удалось разрешить проблему
ограничения количества зарождающихся кристаллов. Рубины были слишком мелкими,
а стоимость производства слишком высокой, чтобы они могли составить
коммерческую конкуренцию натуральным камням. Тем не менее, некоторые искусственные
кристаллы использовались в ювелирных изделиях. Подробное описание
экспериментов Фреми дается в книге «Синтез рубинов», опубликованной в 1891 г.
Временная утрата интереса к методу с использованием флюсов (плавней)
произошла в результате развития более перспективного метода плавления в пламени
горелки. Примерно в 1886 г. на рынке появился и приобрел большой спрос новый
тип кристаллов рубина, обладающих лучшей формой и качеством по сравнению с
кристаллами Фреми. Они получили название женевского рубина, хотя точное место
и метод их производства были неизвестны; широко сообщалось только, что эти
камни сумел сделать некий «предприимчивый священник». До недавнего времени
полагали, что эти рубины были «реконструированы» путем сплавления мелких
кусочков рубина, но, согласно К. Нассау [23], они, скорее всего, были получены
плавлением порошка в простой кислородной горелке.
Успех женевского рубина произвел особенно большое впечатление на одного из
учеников Фреми Огюста Вернейля. Он начал серию экспериментов по
кристаллизации рубина методом плавления в пламени без использования флюса. К 1891 г.
Вернейль разработал новую, очень удачную печь, работавшую на смесях угольного
газа и кислорода или водорода и кислорода, в которой могла быть достигнута
температура до 2050°С, достаточная для плавления рубина, и получил кристаллы,
значительно превосходящие женевские. Хотя подробности конструкции горелки
Вернейля были опубликованы лишь в 1904 г., его работа послужила твердой
основой для успешного производства самоцветов в широком масштабе.
РУБИН, САПФИР И ШПИНЕЛЬ
Рубин и сапфир—минералы, которые хотя и различаются по внешнему виду,
обладают идентичной кристаллической структурой и
свойствами, за исключением присутствия незначительных
концентраций элементов-примесей, придающих им характерные
цвета. Еще в 1672 г. Роберт Бойль отметил, что
«твердость рубина и сапфира настолько одинакова, что
ювелиры считают их одним камнем, различающимся только
цветом», и подтвердил эту мысль указанием на одинаковый
удельный вес [1]. Рубин и сапфир состоят в основном из
окиси алюминия А120з, кристаллическую форму которой,

минералоги называют корундом. Применение термина «глинозем» к этим материалам
нередко приводит к путанице, поскольку он относится ко всем формам окиси
алюминия, а название «корунд» используют только для кристаллического материала.
Чистый корунд бесцветен, и геммологи называют такую
природную разновидность «белым сапфиром». Большинство людей
^^^^■^^^ полагают, что сапфир — это драгоценный камень синего цве-
^^^^^^^^^^^^ та, но он может быть желтым, розовым, оранжевым, сине-
^^^К^^^^ШР^^^ зеленым и бесцветным. Рубин же — это только «красный сап-
^^^^^^^^^^^ш^^Ш фир», хотя следует заметить, что это название он получил
■^^^^^^^^^ш^^Ш задолго до того, как стало, известно сходство их свойств.
^^^^^^^^^^ШК Характерный цвет рубину придает примесь хрома, а присут-
^^^^Ь^^^^^^Иш ствие других элементов-примесей меняет окраску. Наиболее
^^^^^^^^^^^^^ высоко ценимый оттенок имеет цвет «голубиной крови»,
хотя, вероятнее всего, у ювелиров нет привычки резать
голубей , чтобы посмотреть, насколько цвет их камня соответствует этому идеалу!
Все формы корунда обладают высокой твердостью, что в сочетании с
великолепным цветом привело к большой популярности рубина и сапфира, которыми украшают
кольца и другие ювелирные изделия. Корунд широко используется также в
различных инструментах и приборах, в том числе в часовых механизмах (в качестве
подшипников и подпятников для вращающихся частей).
Огюст Вернейль
Точно не известно, Знал ли хотя бы в общих чертах Огюст Вернейль о сущности
метода получения «женевских рубинов», но он был осведомлен о том, что Марк
Годен во Франции уже изготовлял кристаллы рубина с использованием кислородно-
водородной горелки. В 1869 г. Годен представил в Академию наук в Париже
небольшую коллекцию драгоценных камней на основе корунда, которые были
изготовлены с помощью его кислородно-водородной горелки [5] . Коллекция Годена
включала синий сапфир, «изумруд», «топаз», прозрачный камень «имитирующий алмаз»
и «перидот». Чтобы порошок глинозема был более сыпучим, Годен считал
необходимым добавлять к нему в довольно значительных пропорциях кремнезем Si02, но,
поскольку кремнезем способствует образованию стекла и затрудняет
кристаллизацию расплава, он опасался, что продукты его синтеза будут представлены
стеклами . В то время аппаратура, позволяющая отличать стекла от кристаллов, была
недостаточно совершенна, поэтому нет уверенности, получал ли действительно
Годен кристаллы сапфира.
Вернейль концентрирует свои усилия на усовершенствовании метода выращивания
кристаллов при плавлении в пламени и в 1891 г. добивается столь существенного
прогресса, что депонирует в Академии наук статью о деталях своего нового
аппарата и методики. На этой стадии его работ, по-видимому, была достигнута
основная цель — получение довольно крупных кристаллов, но беспокоило их
растрескивание. Эта проблема была вскоре решена уменьшением площади контакта
кристалла и кристаллоносца, что описывалось во второй, депонированной в
Парижской Академии наук статье. Содержание обеих статей не было известно до
1910 г., когда оно было раскрыто в заявке Вернейля [6].
Кристаллы, выращенные по методу Вернейля, известны как були (бульки), по-
видимому, в связи с тем, что первоначально они имели примерно округлую форму.
(Термин «буля» широко использовался при описании популярной во Франции игры,
в которой тяжелые шары диаметром около 10 см стараются подкатить как можно
ближе к цели). Этот термин, введенный Годеном и применявшийся Вернейлем, те-

перь стал обычным в лексиконе специалистов по выращиванию кристаллов и геммо-
логов, несмотря на то, что кристаллы, которые выращивают сейчас, имеют
цилиндрическую форму.
В 1900 г. ассистент Вернейля Марк Паккье демонстрирует рубины на Всемирной
выставке в Париже. Отчет о камнях написал геммолог И. Фридлендер, который
пришел к выводу, что рубины получены новым методом, а не по технологии
женевских. Рубины на Парижской выставке пользовались большим спросом, хотя
детали процесса не раскрывались до 1902 г. [7].
Начиная свой первый письменный отчет, который был опубликован спустя два
года, Вернейль отмечает, что Годен применял слишком высокие температуры и
поэтому у него получались непрозрачные кристаллы. Новая идея Вернейля
заключалась в применении вертикальной горелки с подачей порошка глинозема в пламя
через поток кислорода. Порошок встряхивается в потоке газа под действием
вибратора с электрическим приводом. Использование газонепроницаемого резинового
сальника позволяет передавать толчки вибратора к сосуду, содержащему порошок
глинозема, без утечки кислорода. В холодной части пламени помещен
керамический штифт, на котором собираются капли жидкого глинозема, образующиеся при
плавлении порошка, просыпающегося через горячую зону пламени. Пламя
окружается керамическим муфелем, играющим роль изолятора и зашз>щающим растущую булю
от «сквозняков». Этот муфель снабжен смотровым окном, которое в оригинальном
аппарате Вернейля заделывалось слюдой. Чрезмерный нагрев верхней части
аппарата за счет потока тепла из горячей зоны предотвращается применением
водяного охлаждения.
В начальной стадии роста були порошок, попадая на штифт, затвердевает и
образует конус из материала относительно невысокой плотности. В дальнейшем
конус перемещают в горячую зону пламени, где его вершина начинает плавиться. В
этот момент образуется несколько кристаллов, но один из них ориентирован в
направлении наибольшей скорости роста. Он подавляет рост остальных кристаллов
и служит затравкой для развивающейся були. На ранней стадии роста чрезвычайно
важно мастерство оператора, поскольку во время селекции кристаллов может
понадобиться регулировка температуры пламени или скорости подачи порошка. После
того как в центральной части начнется преобладающий рост одного кристалла,
чтобы увеличить диаметр були повышают скорость подачи питающего порошка и
постепенно увеличивают температуру пламени регулировкой скорости потока
кислорода. Верхняя поверхность були становится округлой, и на нее подают свежие
порции глинозема в виде падающих капель расплава. Далее подставку со штифтом
опускают со скоростью, соответствующей скорости роста були.
Наиболее важным условием для выращивания кристаллов высокого качества
является равномерная подача порошка, поэтому большие усилия тратятся на
приготовление питающего материала с тем, чтобы он обладал хорошей сыпучестью. Если
порошок слишком грубый, внедрение крупных холодных частичек может вызвать
затвердевание тонкого расплавленного слоя. Тогда зарождается много мелких
кристаллов и буля утрачивает структуру монокристалла. Применение слишком мелкого
порошка связано с опасностью испарения глинозема в пламени. Оптимальные
размеры частиц лежат в субмикронном интервале (меньше тысячных долей
миллиметра) . Частицы должны иметь правильную форму, так как только в этом случае они
одинаково реагируют на воздействие вибратора. Вернейль получал глинозем из
аммониевых квасцов, содержащих около 2,5% примеси хромовых
квасцов. (Эта концентрация хрома обеспечивала получение камней красного цвета.)
Порошок такого состава нагревался до разложения квасцов и образования оки-

слов, которые измельчались, и просеивались через проволочное сито для
селекции частиц необходимого размера. Вернейль в течение 2 часов выращивал були
весом 2,5—3 г (12—15 карат) . Були были округлой формы, и некоторые из них
имели диаметр 5—6 мм. Более детальное описание процесса с чертежами аппарата
содержится в публикации 1904 г. [8]. Этот аппарат вместе с первыми
выращенными таким способом кристаллами теперь выставлен в Школе инженерного искусства
и ремесел в Париже. Вернейль занимался также проблемой вибратора, который
стряхивает порошок в поток кислорода, и позднее заменил его молоточком,
работающим от мотора. Это простое и разумное приспособление используется и в
большинстве современных аппаратов, применяемых для выпуска коммерческой
продукции .
Схема аппарата для выращивания монокристаллов по методу
Вернейля: 1 — бункер; 2 — кристалл; 3 — печь; 4 — свеча; 5 — механизм
опускания; 6 — механизм встряхивания.
Из описаний, опубликованных Вернейлем, ясно, что он был в основном доволен
качеством полученных им рубинов, которые обладали «восхитительной»
флуоресценцией, той же твердостью, что и природные рубины, и были пригодны для
высококлассной полировки. Однако ему не было известно, что искусственные рубины
отличаются от природных камней вариациями интенсивности окраски и
присутствием газовых пузырьков, возникающих тогда, когда содержание кислорода в пламени

не поддерживается на необходимом довольно низком уровне.
После публикации 1904 г. Вернейль направляет свои усилия на получение
сапфира. Тогда не было известно, какой элемент обусловливает синий цвет этого
камня, однако ему пригодились сведения о том, что природным камням этот цвет
придает совместное присутствие окислов железа и титана [9]. В это время
Вернейль работал консультантом фирмы «Л. Хеллер и сын» в Нью-Йорке и Париже. В
его сапфирах содержались добавки 1,5% окиси железа и 0,5% окиси титана вместо
окиси хрома, используемой в рубинах. Синяя окраска кристаллов обусловлена
довольно сложным механизмом. Обычно цвет драгоценных камней связан с
поглощением света характерной длины волны определенным элементом, особенно так
называемыми переходными элементами, такими, как железо, кобальт, никель и хром.
Если из спектра белого света удалить определенную полосу цветов, то свет,
попадающий в глаз, будет окрашен в так называемый дополнительный цвет.
Например, рубины потому красного цвета, что хром в кристаллической решетке корунда
поглощает зеленый свет. Чтобы сапфир приобрел синий цвет, необходимо
поглощение желто-оранжевого света. Такое поглощение имеет место, когда происходит
электронный «скачок» внутри кристалла от атомов железа к атомам титана.
Поэтому для окраски кристалла в синий цвет требуется совместное присутствие
железа и титана.
В 1911 г. были опубликованы патенты на выращивание сапфира, в последнем из
которых содержались сведения об очистке от пузырьковых пятнышек, о кривых
линиях роста и о растрескивании кристаллов — типичного явления для
синтетических сапфиров [10].
«Джева»
Несколько фирм занималось производством рубинов и сапфиров, но наибольшего
успеха добился Хранд Джевахирджан, который ранее работал на фабрике по
выращиванию рубинов женевского типа в Париже. Джевахирджан понял преимущества
печи Вернейля и еще с 1903 г. начал использовать его метод. В 1905 г. он
переводит производство в большой цех в Виллар-Боно близ Лиона, а затем на фабрику
в Аруди в Нижних Пиренеях. В 1914 г. Джевахирджан снова переводит
производство, на этот раз туда, где и сейчас располагается фирма — в Монте близ
Женевского озера в Швейцарии. При использовании технологии, основанной на
плавлении в пламени, решающим фактором, определяющим рентабельность производства,
является стоимость кислорода и водорода для горелок, поэтому с первых же дней
становления фирмы, известной как «Джева», пристальное внимание было уделено
вопросам экономики получения этих газов. В первые годы синтеза драгоценных
камней кислород и водород производились на месте традиционными способами и
даже продавались как побочные продукты. В 1948 г. компания монтирует
оборудование для получения этих газов путем электролиза воды. Приемлемая цена
получаемых, таким образом, кислорода и водорода может быть достигнута только при
условии дешевой электроэнергии. В этом смысле расположение завода у подножия
Альп, где гидроэлектростанции дают относительно недорогую электроэнергию,
можно считать идеальным. Позднее кислород начали получать при испарении
жидкого воздуха, что было также экономически выгодно при условии низких цен на
электроэнергию. В 194 6 г. фирма «Джева» установила около 1400 печей, и
современная производительность завода — около 300 млн. карат, или 60 000 кг.
Кристаллы корунда используются в основном при производстве часов и в других
инструментах, но фирма «Джева» выращивает рубины также для лазеров, и ее
материалы были использованы на искусственном спутнике Земли «Тельстар».

В настоящее время изготовление драгоценных камней не является основным
производством фирмы «Джева», тем не менее, компания ведет исследования по
легированию кристаллов различными добавками н получению камней необычных цветов.
В современном перечне цветных корундов содержится 32 разновидности этого
камня, хотя последний из них помечен «№ 75», что указывает на широкий спектр
расцветок, достигнутых в разные годы.
Метод плавления в пламени пригоден и для получения
шпинели, для которой характерна еще более широкая
палитра окрасок. Шпинель — минералогическое название
алюмината магния (МдА1204) . Первый синтез этого минерала с
помощью плавления в пламени приписывается ученику
Вернейля Л. Пари. Изучая влияние различных добавок на цвет
корунда, Пари обратил внимание на то, что магний в
комбинации с другими элементами вызывает существенное
изменение окраски кристаллов. В конце концов, он понял,
что такое изменение связано с перестройкой
кристаллической структуры материала були.
При использовании смеси одной части окиси магния (МдО) с одной частью
глинозема (А120з) не получаются були хорошего качества. Высоко качества удается
достичь когда смеси обеднены магнезией. Були высокого качества имеют формулу,
в которой на 5 частей А120з приходится 2 части МдО.
Звездные камни
В 1947 г. отделение «Линде» компании «Юнион карбайд корпорейшн» в Ист-
Чикаго с помощью метода Вернейля начало производить звездные сапфиры и
рубины. В 194 9 г. этот метод был запатентован [11]. Звездные камни получили
название за свой необычный вид, если рассматривать кристалл вдоль его главной
оси. Шесть блестящих полос радиально расходятся от центра кристалла так, что
создается впечатляющая картина, соответствующая символическому изображению
звезды или звездочки. Такое явление в корунде вызывается
присутствием тонких иголочек титаната алюминия
(Al2Ti05> , которые вытянуты в полоски, располагающиеся в
соответствии с симметрией кристаллической структуры под
углом в 60° относительно друг друга. Это достигается
добавлением в порошок глинозема небольших количеств рутила
(Ti02) . В процессе формирования були рутил растворяется в
расплавленном слое глинозема, но при охлаждении после
кристаллизации були выделяется в форме иголочек, но в
основном уже в виде Al2TiOs, образующегося в результате
взаимодействия рутила и глинозема. В соответствии с патентом «Линде»
наилучшие результаты достигаются при добавлении в порошок от 0,1 до 0,3% рутила и
при последующем отжиге були при 1100—1500°С в течение нескольких часов для
выделения иголочек Al2TiOs. Звездные камни обычно изготавливаются в виде
достаточно выпуклых кабошонов; в этом случае они наиболее эффектны.
Основная сложность при изготовлении звездных камней — добиться равномерного
распределения иголочек Al2TiOs с тем, чтобы звезда занимала всю ширину камня.
Специалисты из фирмы «Линде» обнаружили, что наилучшие результаты достигаются
изменением скорости потока кислорода, которое приводит к периодическим
вариациям температуры. Удобнее всего это делать с помощью клапана, частично
перекрывающего подачу кислорода. Было обнаружено, что эта процедура приводит к

периодическому изменению распределения иголочек. Если при низкой скорости
потока кислорода иголочки распределяются по всей ширине були, то высокая
скорость потока способствует кристаллизации их только в периферической части.
Наиболее эффектно звездный рисунок проявляется, когда толщина чередующихся
слоев составляет 1 мм. Эта процедура демонстрирует одно из главных
преимуществ искусственных драгоценных камней перед природными: специалист,
выращивающий кристаллы, контролирует условия изготовления материала и
может изменять их для достижения наилучшего результата. Любители природных
кристаллов допускают возможность определенной обработки камней с целью улучшения
их облика, например нагревание циркона, но они не имеют возможности
контролировать условия, при которых первоначально росли кристаллы. Только в редких
случаях природный звездный камень может в чисто зрительном восприятии
конкурировать со своим рукотворным двойником.
Фирма «Линде» изготавливает звездные камни и другим способом, когда
предварительно отшлифованный кабошон из камня, синтезированного без добавок рутила,
погружается в расплав рутила, для того чтобы образовался очень тонкий слой
иголочек. Лишь после этого производится окончательная полировка. Такие камни
отличаются от обычных звездных камней большей прозрачностью, но не продаются
в широких масштабах.
Кроме рубина и сапфира звездные камни фирмы «Линде» представлены
разновидностями пурпурного, зеленого, розового, желтого и коричневого цветов, а также
дымчато-синего и дымчато-красного Поскольку сейчас уже истек срок действия
первоначального патента, появился ряд других поставщиков, например в ФРГ.
Сообщалось о бесцветном звездном сапфире [12]. Такая конкуренция вызвала
падение цен на синтетические звездные корунды. Фирма «Лннде» прекратила их
производство и продала свое оборудование, хотя все еще имеются в продаже камни
компании «Элвин» из Нью-Джерси. По-видимому, в настоящее время основным
поставщиком звездных камней, которые еще очень популярны в США, становится
фирма «Джева».
Выращивание корунда и шпинели
В последние годы появилось большое число научных работ по выращиванию
корунда и шпинели методом плавления в пламени. Главное внимание в них уделяется
соотношению между дефектами в кристаллах и условиями, при которых
выращивается буля. Основное несовершенство этого метода выращивания кристаллов
заключается в наличии ступенчатого градиента температур между горячей областью
пламени, где располагается расплавленная вершина були, и более холодной нижней
частью. Резкое изменение температуры вдоль оси були создает сильные
напряжения в кристалле, и при извлечении из печи були часто растрескиваются (вдоль)
с образованием двух полуцилиндрических фрагментов. Температурный градиент
может быть уменьшен введением в печь дополнительных нагревателей. Для этих
целей можно использовать электрический нагреватель, смонтированный вдоль оси в
нижней части пламени, или четыре маленькие кислородно-водородные горелки,
расположенные под прямым углом. Однако кристаллы, выращенные с такими
предосторожностями, остаются более напряженными, чем полученные другими методами.
Криволинейная зональность и присутствие газовых пузырьков, которые наблюдал
еще Вернейль в своих первых булях, и сейчас часто встречаются в кристаллах,
что дает возможность геммологам отличать природные камни от искусственно
выращенных плавлением в пламени (хотя эти два типа камней неразличимы с
расстояния в один фут или около этого). Детальное описание этого метода с
чертежами аппаратуры опубликовано Артуром Линцем с сотрудниками [13] и

С.К.Поповым, которому принадлежат заслуги по выращиванию кристаллов корунда в
Советском Союзе [14]. В обзоре Чарлза Сахаджана [15] описаны исследования,
выполненные в Кеймбриджской лаборатории военно-воздушных сил. Он привел
данные по влиянию различных элементов-примесей на цвет корунда: меди
(золотистый) , марганца (розовый), ванадия (пурпурный, но изменяется в зависимости от
освещения), кобальта (серо-зеленый), никеля (желтый), железа (серый), титана
(желтый), хрома+ванадия (от синего до красного), кобальта+ванадия (от бледно-
синего до красного), кобальта+хрома (каштановый), железа+титана (сине-
зеленый) . Также сообщается об окрашивающем воздействии некоторых элементов на
шпинель: хрома (розовый, светло-красный или темно-красный), кобальта+хрома
(светло-синий) и марганца+ванадия (желто-зеленый).
Поскольку установить, что рубины выращены при плавлении в пламени, довольно
просто, предпринимались попытки получить материал, больше соответствующий
природному, для чего применялись различные методы. Рубины, наиболее близкие к
природным, получались теми методами, в которых использовались плавни. Хотя
рубины, выращенные из раствора в расплаве, были известны еще в Х1Хв., интерес
к ним возник только тогда, когда в исследовательских лабораториях начали
изучать применение высококачественных кристаллов рубинов в мазерах и лазерах.
Эта область исследований начала развиваться в конце 1950-х годов. Для этих
целей из раствора-расплава выращивались кристаллы пластинчатого габитуса
Эриком в исследовательской лаборатории «Хёрст», Уэмбли, Бобом Линаресом [17] и
Джо Ремейкой [18] в лаборатории «Белл», Марри Хилл, Нью-Джерси, которые
использовали в качестве растворителя фтористый свинец и смесь этой соли с
окисью свинца или окисью бора. Кристаллы выращивались при охлаждении раствора от
примерно 1300 до 900°С со скоростью 2°С в час. В 1965 г. с использованием
модифицированной методики в лаборатории «Хёрст» были получены кристаллы рубина
размером 4x4x1,2 см [19]. Затравочный кристалл подвешивался на проволоке в
средней части раствора, а в нижнюю часть помещали мелкие обломки рубина,
которые служили питающим материалом для растущего кристалла.
Тенденция кристаллов рубина расти из высокотемпературных растворов в виде
пластинок, а не приобретать изометричные формы, создает серьезные трудности
при использовании их в качестве драгоценного материала. Отношение скоростей
роста кристалла плоскости пластины и в толщину может превышать 100:1.
Наиболее сильно эта тенденция проявляется при относительно низких температурах,
так что получение более изометричных кристаллов, пригодных для изготовления
ограненных камней, возможно при температурах выше 1200°С или около этого.
Было обнаружено [20], что добавление 0,5% окиси лантана уменьшает область
образования пластинчатых кристаллов. Вероятно, лантан входит в кристаллическую
структуру и заметно изменяет оптические свойства кристаллов. Альтернативное
решение заключается в подборе такого растворителя, который препятствуем
образованию пластинчатых кристаллов. Сообщения из Советского Союза указывают на
то, что вольфрамат кальция и сходные плавни являются высокотемпературными
растворителями, пригодными для выращивания не пластинчатых кристаллов рубина.
Начиная с конца 1950-х годов появилось множество исследовательских
лабораторий , изучающих процессы выращивания рубина из раствора в расплаве. Примерно
в это же время Кэрролл Ф. Чэтем из Сан-Франциско, пионер в области
производства изумруда, начинает работы по выращиванию рубина и в течение последнего
десятилетия продает рубины, полученные из раствора в расплаве. Фотографии
этих кристаллов показывают, что они имеют изометричную, а не пластинчатую
форму, и это наводит на мысль об использовании в качестве плавня какого-либо
вольфрамата или, возможно, молибдата. Кристаллы наращиваются на светлоокра-

шенные затравки из природных корундов и содержат включения, как в самой
затравке, так и в области начального роста вокруг затравки [22]. В 1969 г.
появились так называемые «рубины Кашан». Они производились в Соединенных Штатах
компанией «Ардон ассошиейтс» и продавались компанией «Дизайнере лимитед» из
Хьюстона, Техас. Как сообщалось в журнале «Драгоценные камни и геммология»,
эти камни по свойствам почти идентичны природным камням, за исключением
способности пропускания коротковолнового ультрафиолетового света и различия
характера включений. Кристаллы, выращенные из раствора-расплава, часто содержат
обособления маточной жидкости, которая задерживается в ловушках и
затвердевает в процессе роста. Специалисты говорят о «вуали» и «пунктирных» включениях
и обычно используют их присутствие в кристаллах как критерий для отличия
таких синтетических камней от натуральных.
Рубины из раствора в расплаве также производились Пьером Жильсоном, о чем
сообщалось в 1975 г. [23], однако в списке коммерческой продукции компании
они не приводятся и не поступают в широкую торговлю. Эти рубины выращивались
на бесцветных затравках, и обнаруживают «вуаль» включений, что не является
необычным для кристаллов, получаемых этим методом. В качестве плавня,
возможно, использовался молибдат лития или свинца.
Исследования по синтезу рубина из раствора в расплаве все еще продолжаются,
и интересную информацию об этом методе выращивания кристаллов содержат работы
Коити Ватанабе из университета Гунма в Японии. Д-р Ватанабе и его коллеги в
качестве плавня используют криолит (Na3AlF6) и применяют градиентную
методику. Глинозем помещают в донной части тигля под диафрагмой. Насыщенный расплав
благодаря конвекции подастся к затравочным кристаллам, которые расположены
выше диафрагмы.
Начиная с 1960-х годов в связи с развитием лазерной техники потребность в
рубинах резко возросла. Это привело к широкому распространению выращивания
кристаллов методом вытягивания из расплава, впервые разработанным Дж. Чох-
ральским в 1918 г. Температура, необходимая для плавления рубина, при этом
обычно достигается применением высокочастотного индукционного нагревателя.
Электрическая энергия мощностью в несколько киловатт с частотой порядка 100
килоциклов в секунду подается через охлаждаемую водой спираль из медной
трубки в несколько дюймов в диаметре и в длину. Так как ток в спирали меняется с
большой частотой, в электропроводах материалах, находящихся вблизи спирали,
индуцируется энергия.
В современном варианте метода Чохральского энергия подается к
иридиевому тиглю, содержащему расплавленный глинозем, через внешний
тигель, который изготовлен из какого-либо дешевого материала. Температура
устанавливается несколько более высокая, чем точка плавления глинозема.
Затравочный кристалл, вырезанный в требуемом кристаллографическом направлении,
располагают таким образом, что его нижний конец погружается несколько ниже
поверхности расплава. Верхний конец затравки охлаждается отводом тепла через
кристаллодержатель до температуры ниже точки плавления, и поэтому он остается
твердым. Обычно затравочный кристалл вращают для того, чтобы избежать
колебаний температуры по периферии затравки. Выращивание кристалла осуществляется
путем медленного поднимания («вытягивания») его с постоянной скоростью, для
чего используются мотор и механизм с винтовой резьбой. Оператор меняет
температуру расплава таким образом, чтобы диаметр кристалла постепенно
увеличивался до требуемой величины. В современных наиболее крупных аппаратах он
достигает 10 или даже 15 см. В процессе роста кристалла до необходимой длины диа-

метр сохраняют постоянным. Контроль за диаметром растущего кристалла в
настоящее время достигается с помощью различных автоматических устройств. Это
производится путем непрерывного взвешивания кристалла или тигля, наблюдения
за тепловым излучением от криволинейной поверхности расплава (мениска),
которая окружает края кристалла, или за отражением от этого мениска света
лазерного луча. Метод Чохральского применяется не только для получения рубина, но
и является укоренившимся методом выращивания монокристаллов кремния для нужд
электронной промышленности, в частности для изготовления транзисторов и
интегральных схем.
Веда—— ~
Схема аппарата для выращивания монокристаллов по методу
Чохральского: 1 — тигель с расплавом; 2 — кристалл; 3 — печь; 4 —
холодильник; 5 — механизм вытягивания.
Рубины, полученные по методу Чохральского, пригодны для огранки, и их можно
продавать, но выпускать их как драгоценные камни коммерчески невыгодно, так
как они более дорогой продукт, чем рубины, выращенные плавлением в пламени, и
к тому же явно отличаются от природных камней. Основным признаком кристаллов,
полученных методом вытягивания из расплава, являются полосы роста, колебания
интенсивности окраски, обусловленные нестабильностью конвекции расплава или
неравномерностью вращения кристалла. Компанией «Линде» запатентовано
производство звездных камней по методу Чохральского, но материал, который
поступает в продажу, получен, вероятно, плавлением в пламени.
Рубины выращивают также гидротермальным способом, когда глинозем и окись
хрома растворены не в солевом расплаве, а в воде при высоких температурах и
давлениях. В конце 1950-х годов таким методом получали рубины Альберт Болмен
и Боб Лодайз в лаборатории «Белл» [25] и Дик Нуттбах, Роджер Белт и Роч Мон-
чамп в Эртроне, Нью-Джерси [26]. Они использовали затравочные кристаллы; а к
воде добавляли карбонат натрия. Такие добавки называй минерализаторами. Гид-

ротермальные рубины никогда не продавались как драгоценные камни, в отличие
от гидротермальных изумрудов, которых пойдет речь в следующей главе.
Схема аппарата, используемого для выращивания кристаллов в
лаборатории автора.
Несмотря на популярность рубинов, выращенных из раствора-расплава, сапфиры,
полученные таким же способом, почти неизвестны. Они могут быть изготовлены по
той же методике, что и рубины, поэтому трудно объяснить их редкость, хотя
разумеется рубины значительно более популярны. В отчете лаборатории по
определению драгоценных камней в Хаттон-Гардене высказывается сожаление по поводу
существования весьма искусных подделок, когда «головка» из природного
зеленого или желтого сапфира склеивается с основой из синего синтетического сапфира
[27]. Такой камень, вправленный в кольцо, трудно отличить от натурального
синего сапфира, поскольку при проверке с помощью линзы обнаруживаются типичные
для природного сапфира включения (в головке), а спектроскопия показывает све-
топоглощение, типичное для синего сапфира (в основании). Обман можно
обнаружить только в случае, если погрузить камень в жидкость и рассматривать сбоку.
Сапфиры из раствора-расплава описанным выше методом выращивают Коити Ватанабе
[24], Чэтем и фирма «Делтроник кристал индастрис» в Денвилле, Нью-Джерси.
Последняя также продает рубины, полученные этим способом.
Шпинели из раствора-расплава выращивают в виде высококачественных
кристаллов , но использовать их как самоцветы не имеет смысла. Большинство полученных
шпинелей бесцветные и производятся для научных целей. Насколько известно
автору, окрашенные шпинели из раствора-расплава выращивают только Эрик Уайт и
Джон Вуд из Имперского колледжа в Лондоне. Добавление к шихте шпинели окислов
никеля, кобальта, марганца, хрома и меди окрашивает кристаллы соответственно
в бирюзово-синий, темно-синий, желтый, красный и бледно-зеленый цвета очень
приятных оттенков. Кристаллы выращивают из раствора в расплаве фторида свинца
с использованием необычной методики, основанной на испарении плавня в течение
6—7 суток через небольшое отверстие в крышке тигля при постоянной температуре
(1200°С) [28]. Таким образом, получают кристаллы до 2,5 см в диаметре. Шпине-

ли, выращенные из раствора-расплава, не могут составить конкуренцию
кристаллам, полученным методом плавления в пламени, ввиду низкой стоимости
последних .
Интересный новый метод выращивания корунда (хотя он не имеет большого
значения для геммологии) показывает, что возможно выращивание кристаллов очень
сложной формы с чрезвычайно высокими скоростями. Такой метод, известный как
рост из пленки с закрепленными краями, успешно развивается фирмой «Тайко»
[29]. Суть его в том, что жидкий глинозем поднимается из резервуара
вследствие капиллярного эффекта, представляющего собой тенденцию жидкости к подъему
по тонким отверстиям за счет сил сцепления между жидкостью и материалом, в
котором сделано отверстие. (Этот же эффект обусловливает подъем воды и
питательных веществ по стеблям растущих растений.) Расплавленный глинозем
«смачивает» фильеру, в которой сделано отверстие, причем форма фильеры может быть
очень сложной. Так как жидкость контактирует с затравочным кристаллом,
который затем поднимается с постоянной скоростью, глинозем, затвердевая,
приобретает форму, обусловленную конфигурацией фильеры. Таким образом, получают
монокристаллы корунда очень сложного сечения, например, в виде пустотелой
прямоугольной трубки с шестью круглыми отверстиями. Скорости роста могут
достигать 2 см и более в минуту. Удивительное зрелище, когда видишь, как на
барабан навиваются кристаллические нити со скоростью более метра в час. Этот
материал нашел различное применение, хотя можно предположить, что качество
корунда не столь высокое, как кристаллов, полученных традиционными методами с
низкими скоростями роста. До сих пор метод Тайко не применяется для получения
ювелирных камней, но, возможно, он будет использоваться для получения рубина
и сапфира необычной формы ювелирами-новаторами.
ИЗУМРУД
Изумруд, без сомнения, наиболее привлекательный
драгоценный камень зеленого цвета. Он, так же как
аквамарин и гелиодор, относится к семейству
берилла—алюмосиликата бериллия с формулой Be3A12Si6018. Зеленый цвет
изумруда обусловлен наличием хрома, который, вероятно,
замещает часть алюминия в приведенной выше формуле.
Интересно, что тот же хром придает рубину характерный
красный цвет. Природные изумруды содержат также железо
и ванадий, и соотношение этих трех главных элементов-
примесей определяет оттенки окраски минерала: от
бледно-зеленого через густой сине-зеленый до темно-
зеленого цвета. Некоторые бериллы, почти не содержащие хрома, тем не менее,
имеют бледно-зеленый цвет, хотя пуристы утверждают, что зеленая окраска
истинного изумруда обусловлена именно хромом. Типичный изумруд из Колумбии, где
добывают прекрасные камни, содержит 0,14% хрома, 0,12% железа и 0,05%
ванадия. Наиболее ценные камни имеют яркую травяно-зеленую окраску со слегка
голубоватым, а не желтоватым оттенком. Природные изумруды высокого качества
очень редки, поэтому крупные и наиболее прекрасные камни оцениваются из
расчета около 10 000 фунтов стерлингов за карат и даже дороже, и часто их цена
превышает цены на лучшие рубины и алмазы. Изумруды, которые можно видеть в
фешенебельных ювелирных магазинах, часто содержат гораздо больше включений,
чем это допускается для других драгоценных камней, и если вы посмотрите на
них даже через вит-

рину, вам не понадобится увеличительное стекло для того, чтобы обнаружить в
камнях темные включения!
Впервые успешный синтез кристаллов изумруда осуществили в 1888 г. Отфель и
Перре, которые растворили в платиновом тигле 18,75 г составляющих берилла с
0,6 г окиси хрома в 92 г молибдата лития. Сначала плавили молибдат в печи при
тускло-красном калении, затем постепенно, за 24 часа повысили температуру до
800°С и поддерживали ее в течение 5 суток. В результате этой процедуры
получили около 15 г мелких кристаллов. Увеличение времени плавления в последующих
работах до 14 суток привело к образованию кристаллов размером 1 мм в
диаметре.
Процесс Эсмига
Эти эксперименты получили дальнейшее развитие в Германии. Компания «ИГ Фар-
бениндустрн» синтезировала кристаллы достаточных для огранки размеров, н они
продавались под названием «игмеральд». Эти работы были начаты в 1911 г.,
однако детали экспериментов не раскрывались в печати вплоть до 1960 г. [1] .
Главная трудность, с которой столкнулись как Отфель н Перре, так н «Фарбенин-
дустри» на ранних этапах работ, заключалась в том, что в тигле зарождается и
растет большое число кристаллов. Для того чтобы технология была рациональной
с коммерческой точки зрения, необходимо было найти возможность управлять
процессом зародышеобразования, чтобы вместо множества мелких кристаллов росло
несколько крупных. Эту проблему решил X. Эспиг из «Фарбениндустри», который
использовал метод, именуемый ныне расплав-реакционным [2]. Он отличается от
методов, когда кристаллы растят при медленном охлаждении растворов или когда
испаряют растворитель, тем, что в нем используется реакционное взаимодействие
между составляющими кристалла. В методе Эспига два главных компонента
изумруда, окиси бериллия (ВеО) и алюминия (А120з) , растворяют в плавне
(растворителе) , молибдате лития, а третья составляющая, кремнезем (Si02) , плавает на
поверхности раствора. Для того чтобы быть уверенным, что кремнезем плавает, а
не погружается, необходимо тщательно регулировать состав плавня, чтобы его
плотность была близка к 2,9, т.е. меньше, чем у изумруда, но больше, чем у
кремнезема. Поскольку изумруд относительно легкий минерал, потребовались
дополнительные меры предосторожности. Выше того места, где кристаллизовался
изумруд, помещали сетчатый платиновый экран для предотвращения всплывания
кристаллов, так как в области обогащения расплава кремнеземом растут
кристаллы очень низкого качества.
Процесс формирования изумруда включает химическую реакцию между кремнеземом
и растворенными в молибдатовом плавне окисью бериллия, окисью алюминия и
небольшим количеством окиси хрома. Для протекания этой реакции необходимо,
чтобы кремнезем сначала растворился в плавне, а затем диффундировал в ту
область , где концентрация всех реагентов достаточна для кристаллизации
изумруда . Основание тигля должно быть несколько холоднее, чем остальная часть
раствора, если кристаллизация изумруда происходит в этой части. После того как
начнут расти первые кристаллы, зарождение новых в других частях тигля
маловероятно, так как кремнезем в область кристаллизации поступает с достаточно
медленной скоростью и полностью расходуется на химическую реакцию, приводящую
к росту уже зародившихся кристаллов изумруда. Поэтому успех этого метода
определяется поддерживанием очень медленной миграции кремнезема через раствор.
В альтернативном варианте окиси бериллия и алюминия помещают на дно тигля, а
кремнезем также плавает в верхней части раствора. В этом случае изумруд
растет в средней зоне, куда можно поместить и подвешенные затравочные кристаллы.

Тв*рднн
ий-либдате пития
Кристаллы изумруда
КрЁмиПЁ^
I
Растворил
..ни
4 п. ркнюр*]
Используемый «Фарбениндустри» процесс характеризуется очень медленным
ростом кристаллов, и для выращивания хороших изумрудов требуется время до одного
года. В течение этого периода необходимо добавлять в раствор кремнезем, чтобы
компенсировать его расход во время роста кристаллов. Полученные кристаллы
имели размер до 2 см в поперечнике, но, поскольку они содержали включения,
вес ограненных камней составлял около 1 карата. Эспиг сообщал, что добавки
только одного хрома не обеспечивают хорошей окраски изумруда, но не указал,
добавляет ли он для улучшения цвета окислы ванадия и (или) железа.
Выпуск изумрудов «Фарбениндустри» был прерван в 1942 г. второй мировой
войной, однако такой же или сходный метод использовался фирмой Вальтера Церфасса
в Идар-Оберштейне (ФРГ) и профессором Рихардом Наккеном из Минералогического
института во Франкфурте. Много дискуссий и недоразумений вызывали работы Нак-
кена, потому что он также выращивал и кристаллы кварца гидротермальным
методом. В этом методе для растворения изумруда используется не молибдат лития
или другая расплавленная соль, а обыкновенная вода при высоких давлениях и
температурах. Растворимость изумруда в воде при комнатной температуре или
даже при температуре кипения очень низка, но быстро растет с увеличением ее до

300 или 400°С. Конечно, при таких температурах вода чрезвычайно быстро
испаряется, поэтому для гидротермального метода необходимо использовать
достаточно прочные сосуды, способные выдерживать высокие давления, создаваемые
водяным паром при нагреве до высоких температур, превышающие атмосферное примерно
в 1000 раз. В природе кристаллы изумруда растут в гидротермальных условиях,
или, что более вероятно, этот процесс может считаться промежуточным между
гидротермальным и раствор-расплавыым, поскольку растворяющая способность воды
может меняться из-за присутствия в ней различных минеральных солей. В
глубоких горизонтах земной коры такая жидкость с растворенным в ней изумрудом
имеет высокую температуру, но при перемещении ее на менее глубокие уровни, для
которых характерны более низкие температуры и давления, из нее
кристаллизуется изумруд. Вероятно, кристаллы росли в трещинах, и процесс их образования
протекал очень медленно в течение длительного периода. Структура поверхности
природных кристаллов [3] указывает на то, что они росли значительно
медленней, чем синтетические кристаллы. Природные кристаллы растут в водной среде,
поэтому они содержат включения воды, которую можно обнаружить аналитическими
приборами, такими, как инфракрасный спектрометр.
Курт Нассау [ 4] провел детальное изучение кристаллов Наккена и информации
об их производстве. Он не нашел доказательств того, что какие-либо кристаллы
выращены гидротермальным способом. Недоразумения могли возникнуть в тех
случаях, когда слой изумруда наращивался на затравочный кристалл из природного
бесцветного берилла. Приборы могли регистрировать присутствие воды в
кристалле берилла, и исследователь, если он не был осведомлен о центральной
бесцветной части, мог прийти к выводу, что кристалл изумруда выращен гидротермальным
способом. Нассау предполагал, что Наккен был консультантом «Фарбениндустри» и
мог быть хорошо знаком с методом Эспига и даже автором его модернизации.
Современное
производство
изумрудов
В коммерческом производстве изумрудов ведущая роль принадлежит двум
поставщикам: Чэтему и Жильсону. Кэрролл Ф. Чатем из Сан-Франциско начал проводить
эксперименты по выращиванию изумруда, еще когда учился в колледже. С 1939 по
194 6 г. он посвящал этому занятию половину своего рабочего времени, пока
полностью не переключился на выращивание изумрудов. Чэтем никогда не патентовал
свой метод, но маловероятно, чтобы он существенно отличался от метода,
применяемого «Фарбениндустри». По-видимому, он редко использовал затравочные
кристаллы, тем не менее, некоторые из выращенных Чэтемом изумрудов имели очень
большие размеры: один кристалл весом в 203 г (1014 карат) был подарен Смитсо-
новскому институту в Вашингтоне, а другой весом 255 г (1275 карат)—
Гарвардскому университету. Цикл выращивания, так же как и по Методу
«Фарбениндустри», длится до года, однако его длительность Может быть существенно
уменьшена, если растить кристаллы не в неподвижном тигле или растворе, а при
перемешивании жидкости.
Чэтем предпочитал использовать при описании своих изумрудов термин
«культурный» вместо «синтетический», однако федеральная торговая комиссия США
отклонила его. С I9fi3 г. его изумруды продавались под названием «изумруд,
созданный Чэтемом». Узаконенная терминология дала синтетическим изумрудам
широкую известность и помогла наладить торговлю ими. Работа Чэтема отмечена
Американской ассоциацией по росту кристаллов, которая в 1975 г. присудила ему
специальную премию Станфордского университета в знак признания пионерского

характера его исследований. Поскольку детали метода «Фарбениндустри» не были
опубликованы, единственным руководством для Чэтема на ранних этапах
исследований были статьи Отфеля и Перре. Можно также вспомнить, что он начал свои
работы в тот момент, когда метод получения кристаллов из раствора в расплаве
почти нигде в мире еще не использовался, и поэтому Чэтем, вероятно, первый
человек, который применил его для промышленного производства кристаллов. С
тех пор прошло много лет, сейчас синтетические изумруды получили широкую
известность , их используют даже наиболее консервативные ювелиры.
Другой главный поставщик синтетических изумрудов — Пьер Жильсон, фирма
которого прежде находилась в Кампань-ле-Вардек, Кале, во Франции, а ныне в Сен-
Сюльпис в Швейцарии. Жильсон возглавил семейную фирму по производству кирпича
в 1935 г. после завершения воинской службы и получения звания инженера в
Католическом институте искусства и ремесел в Лилле. Проявляя с самого начала
интерес к науке, он в 1936 г. создал едва ли не единственную во всей Франции
научную лабораторию в небольшой фирме. Лаборатория внедрила ряд новшеств,
которые привели к качественно новому этапу развития керамической
промышленности. В 1950 г. Жильсон посетил США, где на него произвели неизгладимое
впечатление достижения Чэтема, работы которого, выполненные без посторонней
помощи , позволили ему завоевать мировой рынок синтетических изумрудов.
Жильсон пытался раскрыть секрет синтеза изумруда, но потратил четырнадцать
лет на разработку промышленной технологии. Как пишет Жильсон, при постановке
научных исследований он основывался не на ранних работах по синтезу изумрудов
Эбельмана, а также Отфеля и Перре, а приступил к поиску нового растворителя,
который дал бы возможность воспроизвести лучшие результаты, достигнутые
природой. Химический анализ включений в природных изумрудах открыл большое число
возможных компонентов растворителя, который природа использует для
выращивания изумруда: бор, висмут, свинец, литий, никель, натрий, калий, молибден,
вольфрам, ванадий, хром, фтор, кислород и, конечно, вода. Для того чтобы
оценить возможные составляющие «геологического супа», в первую очередь
необходимо установить растворимость изумруда, так как кристаллы высокого качества
невозможно вырастить из чрезвычайно разбавленных растворов, если принимать во
внимание очень низкие скорости роста. В основу последующих опытов была
положена новая идея, заключающаяся в определении характера воздействия
растворителя на кристалл. Экспериментальным путем велись поиски такого растворителя,
который растворяет кристалл равномерно, слой за слоем.
Это позволило исключить ряд мало подходящих материалов. Окончательный
состав растворителя был установлен в 1964 г. и, конечно, представляет собой
тщательно охраняемый секрет. Однако ясно, что здесь нет полной аналогии с
природой, поскольку естественные изумруды содержат включения, указывающие на
их рост из существенно водных растворов при высоких давлениях, а изумруды
Жильсона выращиваются при нормальном атмосферном давлении из безводного
соляного расплава. Используемые Жильсоном тигли для выращивания изумрудов
разделены на две секции; в одной из них растут кристаллы, а другая содержит
расплавленный солевой растворитель, который компенсирует потери от испарения в
течение длительного периода роста кристалла. Говорят, что исходным материалом
являются низкокачественные мадагаскарские и бразильские изумруды, так что
этот процесс представляет собой рекристаллизацию, а не химическую реакцию,
как процесс, применяющийся «Фарбениндустри». Затравочные кристаллы размером 4
см х 1 мм укрепляются в рамке из благородного металла, и процесс роста идет
со скоростью 1 мм в месяц в течение девяти месяцев. В готовых кристаллах
можно видеть проволоку, на которой подвешивалась затравка. Она должна быть уда-

лена до огранки камня. Каждый кристалл весит около 200 карат, а общий вес
кристаллов за опыт составляет 500 г (1000 карат).
Рис. Схема установки для
выращивания изумрудов:
1 — растворитель;
2 — цилиндрический платиновый стакан;
S — смесь из двух компонентов;
4 — эатрйпочное устройство;
5 — платиновая отбойная пластина;
6 — третий компонент;
7 — платиновый тигель
<3*
5*
Полученные таким путем изумруды продаются по цене, состающей примерно 1/10
от стоимости природных: 120—260 долларов за карат ограненного камня. В
Колумбию, где добывают самые прекрасные в мире изумруды, ввоз синтетических
кристаллов запрещен, так как существует серьезное опасение, что рукотворные
изумруды могут быть спутаны с природными камнями. Поскольку различать
искусственные и наиболее совершенные естественные изумруды действительно трудно,
это могло бы вызвать падение цен на природные камни.
Хотя методы Жильсона, так же как и Чэтема, в деталях неизвестны, тщательное
изучение различных искусственных изумрудов 15 ] подтверждает, что продукты
синтеза Жильсона, Чэтема, Церфасса, а также «игмеральд» получены при
выращивании с использованием плавня. Наиболее веское доказательство этого —
отсутствие во всех кристаллах водных включений, тогда как все искусственные
гидротермальные изумруды, так же как и природные камни гидротермального
происхождения, содержат около 1% воды в таких включениях. В камнях Чэтема обнаружена
примесь лития, из чего можно было бы заключить, что для их выращивания
используется молибдатовый плавень, тем не менее, анализы указывают присутствие
только следов молибдена.
Гидротермальные изумруды
Гидротермальный изумруд также производился для коммерческих целей, хотя
никогда в этом деле не было достигнуто значительных успехов. Первая продукция
получила широкую известность примерно в 1960 г. , когда Иоганн Лехлейтнер из
Инсбрука, Австрия, начал выпускать изумруды под названием «эмерит» и «симе-
ральд». Эти камни продавались очень недолго в основном потому, что
наращиваемый на бесцветный берилл слой изумруда был очень тонким. Позднее стали
производить «сандвич»: сначала на затравку берилла наращивали слой изумруда, а
затем полученный камень покрывали слоем бесцветного берилла. Ни в одном
варианте не удавалось получить зеленый цвет, который так привлекателен в изумруде,
и к тому же разные слои легко обнаруживались специалистами. Их можно было
различить даже невооруженным глазом, если рассматривать камни сбоку.
Превосходные камни производились отделением «Линде» в Сан-Диего,
Калифорния. Используемые способы были описаны в патентах в 1971 и 1973 гг. [6]. Было
обнаружено, что вхождению хрома в кристаллическую решетку способствует
добавление к водному растворителю кислоты. Такие добавки, которые изменяют харак-

тер роста кристаллов, но сами не входят в их состав, называют
минерализаторами. Для выращивания изумрудов требуются температура 500—600°С и давление 700—
1400 атм.
Схема автоклава для гидротермального синтеза: 1 —
раствор; 2 — кристалл; 3 — печь; 4 — вещество для
кристаллизации .
Так же как и в методе, используемом «Фарбениндустри», для предотвращения
зарождения большого числа мелких кристаллов необходимо отделить реагенты друг
от друга. Окиси бериллия и алюминия помещают в нижнюю часть реакционного
объема, а кремнезем — в сетчатый контейнер вблизи поверхности раствора.
Затравочные кристаллы подвешивают на проволоке в средней части, где они растут со
скоростью 0,3 мм в день, то есть значительно быстрее, чем при выращивании
кристаллов из раствора а расплаве. Максимальные скорости роста, достигающие
0,8 мм в день, отмечались, когда приготавливали очень кислый раствор. Размер
выращиваемых кристаллов ограничен внутренними габаритами сосуда высокого
давления, так как, применяя этот метод, нельзя добавить питающий материал без
охлаждения раствора и сброса давления. Однако те же затравки можно помещать в
новый раствор три или четыре раза. Более высокие скорости роста при
использовании гидротермального синтеза возможны в основном благодаря тому, что
затравочные пластины вырезаются таким образом, что кристаллографическая плоскость,
для которой характерен наиболее быстрый рост, имеет наибольшую площадь по
сравнению с габитусными плоскостями, которые развиваются в конечном итоге.
Вероятно, такой же способ изготовления затравок может использоваться для
достижения более высоких скоростей роста и в раствор-расплавном методе, хотя он
должен был быть испытан Чэтемом и Жильсоном.
В 1970 г. «Линде» прекратила производство камней, возможно, в связи с
трудностями избежать растрескивания изумрудов, однако более вероятная причина в

том, что компания взяла курс на изготовление и продажу собственных
драгоценностей «Куинтесса» вместо продажи камней ювелирам, а такая практика не
принята установившимися правилами торговли.
Гидротермальные изумруды, содержащие ванадий, но без хрома, производятся
«Кристал рисерч компани» в Мельбурне, Австралия [7]. Сообщалось, что вес
кристаллов достигает 10 карат, а ограненные камни имеют вес от 1/2 до 2 карат.
Другие методы
Ряд исследований посвящен выращиванию изумруда из раствора в расплаве, но
не для получения драгоценных камней, а для использования в мазерах для
микроволновой связи. Обнаружено, что в этих целях с успехом можно применить
большое число плавней [8] : вольфрамат лития (Li2W207) , молибдат свинца (PDM0O4) ,
вольфрамат свинца (PDWO4) и пятиокись ванадия (V2O5) . Линарес и его сотрудники
из лаборатории «Белл» в Нью-Джерси отмечают, что растворение составляющих
изумруда в расплаве молибдата лития приводит к образованию сложной фазы,
которая выделяется при охлаждении расплава в виде красных гексагональных зерен
шестоватой формы. Для этой фазы характерна кристаллизация при температуре
ниже 650°С, а выше 800°С образуется минерал фенакит (Be2Si04> . Берил (изумруд)
стабилен в расплаве молибдата лития до 800°С, однако, если использовать
пятиокись ванадия, интервал его стабильности возрастает до 1200 °С. Скорость
роста затравочных пластин достигает 1 мм в сутки. Совсем недавно интерес к
выращиванию изумруда из раствора в расплаве проявила Япония, что привело к
появлению ряда патентов [9] . Хотя изумруды, изготовленные в Японии, кажется, не
поступали в продажу, по крайней мере, за пределами страны, Япония может стать
поставщиком таких камней в своем регионе.
Ввиду того, что при выращивании изумрудов из растворов встречается ряд
трудностей, главная из которых — медленные скорости роста, весьма заманчивым
представлялось выращивание кристаллов из расплава. Сложность здесь не в том,
что изумруд имеет высокую температуру плавления, а в разложении его при
плавлении (инконгруэнтное плавление). Несмотря на существование такой проблемы,
Тони Джентайл и его коллеги из научной лаборатории «Хьюг» выращивают изумруды
по методу Вернейля с использованием кислородно-водородной печи [10]. За 3—4 ч
вырастают були длиной в несколько дюймов и 1/2 дюйма в диаметре. Этот метод
представляется очень привлекательным даже, несмотря на то, что були содержат
мелкие газовые пузырьки. Высказывалось предположение, что продукты опытов
представлены стеклом, но д-р Джентайл подтвердил получение кристаллического
изумруда. Однако качество кристаллов не настолько высокое, чтобы имело смысл
развивать производство до коммерческих масштабов.
В настоящее время производители синтетического изумруда способны
удовлетворить мировой спрос. В 1970 г. Чэтем и Жильсон объединили свои усилия с Цер-
фассом (ФРГ), и время от времени в специальной литературе появляются
сообщения об экспериментах по получению изумруда, проводимых в небольших масштабах
и не в коммерческих целях, как это и ранее делали Чэтем и Жильсон. Тот факт,
что природные изумруды высокого качества встречаются редко, может привести в
ближайшие годы к увеличению потребности в синтетических камнях и, вероятно, к
увеличению цен не только на природные, но и искусственные изумруды. Годовой
оборот современной торговли изумрудами составляет несколько миллионов
долларов. Эта цифра довольно скромная, однако, крупные предприниматели в
химической промышленности еще не включились в производство синтетических изумрудов.

Синтетический изумруд до сих пор один из сравнительно немногих
искусственных драгоценных камней, который признан торговцами драгоценностями и который
стоит рядом с природным материалом (хотя и не может конкурировать с ним).
Чэтем, высказывая автору свою точку зрения, говорил, что его изделия только на
первый взгляд нарушают устои торговли драгоценными камнями, на самом же деле
они оказывают благотворное влияние на регулирование потребности в
естественных изумрудах, предупреждая истощение их запасов в природе.
Сообщалось и о других синтетических бериллах с различными окрашивающими
элементами вместо хрома. Камни с добавкой никеля приобретают бледно-зеленый
цвет, марганца — серо-зеленый, кобальта — розовато-коричневый, меди — светло-
синий, железа — темно-синий. Такие камни производятся в Австралии и Советском
Союзе, вероятно, гидротермальным способом. Голубая разновидность берилла -
аквамарин, наиболее популярна после изумруда, поэтому синтетический аквамарин
также может иметь значительный сбыт. Однако в настоящее время такой аквамарин
и другие, окрашенные искусственные бериллы, за исключением изумруда,
встречаются очень редко.
Недавно в горах Уа-Уа в штате Юта, США, обнаружен темно-красный берилл,
интересный драгоценный камень, который может стать весьма популярным. Красное
хорошо комбинируется с изумрудом, и воспроизведение этого камня — новая
задача для специалистов по выращиванию бериллов.
Наибольшей популярностью среди всех драгоценных камней уже многие столетия
пользуется алмаз, особенно после того, как стала известна бриллиантовая
огранка алмаза, при которой наиболее ярко проявляются его оптические свойства.
Прекрасны игра цветов и блеск алмаза, но все-таки наиболее замечательное его
свойство — твердость и стойкость. Относительная твердость минералов обычно
тель сумел сделать царапину на окне, то это вовсе не значит, что в его руке
алмаз. Однако в шкале Мооса не находит отражения уникальная твердость алмаза.
По другой шкале, шкале Кноопа, алмаз более чем в 5 раз тверже сапфира
(твердость 9) , а сапфир только на 30% тверже топаза (твердость 8). Можно сказать,
что алмаз в той же мере тверже стали, в какой сталь тверже масла.
АЛМАЗ
«Синтез алмаза для современного химика
столь же заманчивая задача, как получение
философского камня для алхимика».
А. Ле Шателье, 1908 г.
определяется по шкале Мооса, в основу которой
положена способность минералов царапать друг друга.
Шкала имеет градацию от 1 до 10 в соответствии с
твердостью 10 минералов, которые приняты в качестве
стандартов. В порядке возрастания твердости это:
тальк (1), гипс (2), кальцит (3), флюорит (4),
апатит (5) , полевой шпат (6) , кварц (7) , топаз (8) ,
корунд (9), алмаз (10). Например, если камень
царапается кварцем, но сам царапает полевой шпат, то
его твердость 6,5. Стекло обычно относится к числу
твердых материалов, однако, его твердость всего
лишь 5, а твердость медной монеты вообще только 3.
Стекло легко царапается кварцем, так что если чита-

Трудно себе представить, что алмаз, обладающий столь высокой твердостью,
является одной из форм углерода, другая форма которого — графит. Все-таки
удивительно, что графит и алмаз имеют один и тот же химический состав, хотя
алмаз наиболее твердый из всех природных материалов, а графит используется
для изготовления карандашей. Еще более поразительно сопоставление алмаза и
верфных (некристаллических) форм углерода: древесного угля, кокса в сажи.
Громадная разница в свойствах графита и алмаза обусловлена различным
пространственным расположением атомов углерода в этих двух минералах. В алмазе,
имеющем кубическую кристаллическую структуру, каждый атом углерода окружен
четырьмя такими же атомами, образующими правильную четырехгранную пирамиду.
Очень прочные химические связи между симметрично расположенными атомами
объясняют высокую твердость алмаза. Графит же имеет слоистую структуру, где
наиболее прочные связи между атомами углерода существуют внутри слоя, в котором
атомы образуют гексагональную сетку. Связь же между отдельными слоями очень
слабая, поэтому соседние слои могут легко скользить относительно друг друга.
Это свойство графита позволяет использовать его в качестве смазки.
Еще в XVII в. Роберт Бойль показал, что на алмаз воздействует пламя, а Г.
Аверани и К. А. Тарджионо из Флорентийской академии в Италии в 1694 г.
продемонстрировали с помощью зажигательного стекла, что алмаз горит, если его
нагреть до достаточно высоких температур. В 1772 г. Антуан Лавуазье установил,
что при сгорании углерода образуется его двуокись (СОг) . Доказательство же
того, что алмаз — одна из форм углерода, принадлежит английскому химику Смит-
сону Теннанту. Решающий эксперимент был выполнен в 1797 г. , когда Теннант
сжег алмаз в закрытом золотом сосуде и установил, что вес образовавшейся
двуокиси углерода точно такой, каким он и должен быть, если алмаз состоит из
чистого углерода. При сжигании равных количеств (по весу) алмаза, графита или
сажи образуется одинаковое количество двуокиси углерода.
После этого открытия ученые постепенно пришли к мысли, что алмаз такая
форма углерода, которая образуется при высоких давлениях, т.е. для того, чтобы
превратить дешевый графит в самый твердый и наиболее очаровательный продукт
природы, необходимо атомы углерода теснее прижать друг к другу. До сих пор
продолжаются дискуссии о происхождении алмаза в природе. Сейчас уже
установлено, что высокие давления и температуры, необходимые для образования алмаза
в естественных условиях, существуют лить на глубинах более 100 км ниже
поверхности Земли. Некоторые ученые весьма неохотно допускают, что алмазы могут
уцелеть в путешествии из таких больших глубин, и выдвигают теории об
образовании их в сравнительно высоких горизонтах. Наиболее правдоподобное
объяснение заключается в том, что алмазы образуются на больших глубинах в мантии
Земли, возможно, в расплавленных перидотитах — порода которая по сравнению со
средним составом земной коры содержат больше окислов железа и магния и меньше
окислов алюминия, кремния, натрия и калия. Условия для роста алмазов могут
сохраняться длительное время до тех пор, пока нарастающее давление
газообразной двуокиси углерода не выбрасывает алмазы на более высокие уровни. В
большинстве случаев алмазы не сразу достигают поверхности, а остаются в области
высоких температур, где имеет место их частичное растворение. Когда же,
наконец, алмазы попадают на земную поверхность, они или остаются на месте, в
породе, или под действием ветра и дождя извлекаются из нее и накапливаются в
алллювиальных отложениях, иногда очень далеко от места выхода алмазсодержащей
породы. Алмазы, которые обнаружены не в аллювии, встречаются в трубках,
сложенных голубоватой породой, называемой кимберлитом. Ясно, что кимберлит не
застывшая лава, так как при температуре лавы в отсутствие высоких давлений

алмаз должен сгореть. Состав кимберлита, конечно же, не тот, что у
первоначального алмазсодержащего расплава, так как последний изменялся при подъеме к
поверхности и затвердевании, которое произошло более 100 млн. лет назад. Ким-
берлитовые трубки, известные главным образом в Южной Африке, не столь уж
редки, и высокая цена на алмаз до недавнего времени поддерживалась только
тщательным контролем над добычей и торговлей.
Ранние попытки синтеза
Несмотря на то, что в XIX и начале XX столетия успех сопутствовал опытам по
синтезу рубина, именно алмаз привлекал внимание многих экспериментаторов.
Самые ранние попытки были чрезвычайно оптимистичными, поскольку состав алмаза
уже был известен. Первые серьезные эксперименты были проведены в России В. Н.
Каразиным в 1823 г. В учебнике Дж. В. Меллора по неорганической химии [1], из
Которого взята приведенная в эпиграфе цитата, упоминается 29
экспериментаторов, которые пытались получить алмаз в период между 1828 и 1924 гг. Ранняя из
этих попыток французского ученого Каньяр де ла Тура в 1828 г. до сих пор не
забыта, хотя впоследствии было установлено, что его «алмазы» представляли
собой не что иное, как глинозем или кремнезем. Однако большинство прежних
экспериментов , например опыты Е. де Буаменю по электролизу расплавленного
карбида кальция или Ж. Руссо по разложению ацетилена при 3000°С с помощью
электрического тока, сейчас не упоминается даже авторами обзоров по синтезу алмаза.
С другой стороны, немногие эксперименты получили широкую известность только
потому, что в течение многих лет считались успешными. Первыми в этой серии
были опыты Дж. Б. Хэннея.
Джеймс Бэннантин Хэннен родился в 1855 г. в Хеленсборо, Шотландия. Занятия
в школе не привлекали юного Хэннея, и с 14 лет он стал помогать отцу,
владельцу «Гранд-театра» в Глазго. Интерес к химии проявился у Джеймса еще в
детстве, когда он помогал делать фейерверки. Способствовала этому увлечению и
необходимость окрашивать пламя для специальных эффектов в театре. Хэнней
штудирует книги по химии, организует у себя дома лабораторию, а затем, четыре
года спустя после ухода из школы, начинает работать на Шоуфилдеком химическом
Заводе в Глазго. В 1873 г., когда ему исполнилось 18 лет, он публикует шесть
статей по химическому анализу, а в 1876 г. становится менеджером на заводе. В
21 год Хэнней избирается членом Королевского общества Эдинбурга и, оставив
промышленность, поступает в колледж. Там он попадает под сильное влияние сэра
Вильяма Рамсея, который, хотя и был на два курса старше, стал его близким
другом. Наиболее важные научные статьи Хэнней публикует, начиная с 1877 г. В
1878 г. он назначается ассистентом лектора в колледже в Манчестере, однако
из-за слабого здоровья уже через несколько недель оставляет эту должность и
создает собственную лабораторию. Синтез алмаза становится главной задачей его
исследований, и их результаты публикуются в статье в издании Королевского
общества в 1880 г. [2] . Основная идея опытов заключалась в том, что
органические вещества, такие, как парафин, при нагревании со щелочными металлами,
например с литием, разлагаются, при этом высвобождается углерод, так как
водород парафина соединяется с литием. Хэнней предполагал, что при высоких
давлениях углерод будет растворяться в газовой фазе и кристаллизоваться в виде
алмаза. Эксперименты заключались в нагревании смеси, содержащей около 90%
углеводорода, несколько миллиграммов или граммов лития и 10% костяного масла
(смесь азотсодержащих соединений, получаемых при переработке костей, для
которых Хэнней пытался найти полезное применение), в запечатанных трубках из
железа. Трубка имела длину 20 дюймов, отверстие диаметром 0,5 дюйма, толщину
стенок 1,5 дюйма. Открытый конец запечатывался сваркой, и, поскольку внутри

находилась летучая жидкость, не было неожиданным, что для этого «требовалось
большое искусство рабочих, и лишь один человек из сотни мог выполнять эту
операцию с неизменным успехом». Трубка нагревалась до красного каления и
выдерживалась при этой температуре в течение нескольких часов. Только в трех
случаях из серии в 80 экспериментов все обошлось без взрывов и
разгерметизации трубок. В упомянутой статье Хэнней так комментирует напряженную
обстановку экспериментов: «Непрерывные наблюдения за постоянством температуры в печи
и ожидание взрыва требовали большого нервного напряжений что сильно
изматывало, и когда происходил взрыв, это приводило к тяжелому до тошноты,
потрясению». В этой же статье иллюстрировалась степень опасности экспериментов: «Ряд
бедствий ожидал меня - восемь труб вышли из строя из-за разрывов и утечек, а
один взрыв при одновременном нагревании двух труб был столь сильным, что
разрушил часть печи, и при этом был ранен один из моих работников
В успешных экспериментах было получено несколько мелких кристаллов,
которые, как следует из описания, были очень твердыми, содержали 98% углерода и
имели плотность 3,5. Нет сомнения, что Хэнней верил в то, что он получил
искусственный алмаз. Его эксперименты были описаны в «Таймсе» М. Стори-
Мэскилином, хранителем минералов Британского музея. Тем не менее, научная
общественность скептически отнеслась к утверждениям Хэннея. Уязвленный
непониманием, он обратился к чтению книг по философии и религии. Говорят, что
постепенно развивавшиеся эксцентрические наклонности привели его в
психиатрическую больницу, где он и скончался.
В 1939 г. профессор М. В. Траверс из университетского колледжа в Лондоне в
статье о работах Хэннея [3] отметил его талант экспериментатора и многие
научные достижения. Интерес к работам Хэннея вновь возник в 1943 г. , когда Ф.
А. Баннистер и Кэтлин Лонсдейл [4] увидели в минералогической коллекции
Британского музея экспозицию, которая называлась «Алмазы Хэннея», и провели
рентгеновский анализ образцов. Одиннадцать из двенадцати кристаллов оказались
алмазами. Это открытие стимулировало появление серии статей в журнале «Нейче»
таких авторов, как Траверс [5], Деш [6] и лорд Рэлей [7]. Рэлей вспоминал,
что его отец, который в 1885—1896 гг. был одним из секретарей Королевского
общества, часто говорил об экспериментах Хэннея и упоминал о том, что после
1880 г. он посылал в общество статьи о получении алмазов, которые были
отклонены. Я запросил Королевское общество: не находятся ли до сих пор эти статьи
в архиве, однако архивариус нашел только отклоненную статью по металлургии
свинца, датированную 1893 г. Возможно, об этой статье и вспоминал отец лорда
Рэлея.
Вероятность того, что Хэнней получил алмазы, чрезвычайно мала. Давления,
которых можно было достичь в его трубках, не превышают 2000 атм, что по
крайней мере в десять раз ниже, чем это необходимо для того, чтобы алмаз стал
стабильной формой углерода. Все последующие попытки повторить эксперименты
Хэннея, с применением улучшенной техники и новых методов диагностики алмазов,
оказались безуспешными.
Кажется очевидным, что образцы, исследованные Баннистером н Лонсдейл, на
самом деле являются природными алмазами, которыми заменены реальные продукты
опытов. Недавно это было подтверждено исследованиями их люминесценции [ 8 ] .
Есть много свидетельств, подтверждающих, что сам Хэнней заблуждался, однако
что на самом деле кроется за легендой об «Алмазах Хэннея», вероятно, так и
останется тайной. Интригующий момент заключительной части истории Хэннея:
алмазы, исследованные Баннистером и Лонсдейл, относятся к числу редких и чистых

(тип II) . Представляется маловероятным, что мошенник случайно выбрал такой
редкий тип алмазов в качестве «фальшивки»! Какова бы ни была истина, Хэннею
принадлежат первые систематические опыты по использованию высоких давлений
для синтеза алмаза, а его предчувствие, что алмазы, должны кристаллизоваться
из растворов, вдохновляло не только его самого, но было блестяще подтверждено
последующими экспериментами.
Несколько десятков лет спустя, после экспериментов Хэннея, французский
профессор Анри Муассан внедрил совершенно другую методику, основанную на быстром
охлаждении раствора углерода в расплавленном металле. Этот метод подсказали
ему находки мелких алмазов в метеорите каньона Дьябло. Муассан — изобретатель
электродуговой печи, и именно ее он применил для плавления железа с древесным
углем. Его эксперименты были описаны в книге «Le Four Electrique» [9].
Раскаленный добела при 3000°С тигель погружался в холодную воду — идея заключалась
в том, что при затвердевании внешней оболочки последняя сокращается и в
расплаве, сохраняющемся во внутреннем ядре, должны создаваться громадные
давления. После того как тигель остывал до комнатной температуры, железо
растворяли в кислотах, а остаток обрабатывали плавиковой кислотой для удаления всех
минералов, кроме алмаза. В эксперименте получалось несколько мелких
кристаллов , некоторые из них обладали оптическими свойствами алмаза, а при сжигании
их в кислороде образовывалась двуокись углерода. Замена железа висмутом,
свинцом или серебром приводила к аналогичным результатам. Достижения Муассана
не получили всеобщего признания, но были оценены Меллором [1], который
скептически относился к экспериментам Хэннея. Сейчас известно, что, как и в
опытах Хэннея, давление, которого можно достичь этим способом, намного ниже, чем
необходимое для синтеза алмаза, хотя бы потому, что железо не выдерживает
высоких давлений. Ошибочное направление исследований в большой степени связано
с неправильным представлением об эффекте быстрого охлаждения расплавленного
металла.
Методика определения алмазов, применявшаяся во времена Муассана, была
чрезвычайно несовершенна, особенно в отношении таких мелких кристаллов, о которых
идет речь. Чаще всего для определения алмазов их помещали в кварцевую
лодочку, нагревали в потоке кислорода и наблюдали за вспышками, возникающими в том
случае, если кристалл горит. Вспышки, которые наблюдал Муассан, вероятно,
связаны с горением мелких частичек сажи, угля или пылинок, которые
присутствуют даже тогда, когда лодочка кажется чистой [10]. Никаких продуктов опытов
Муассана или даже фотографий, которые можно было бы изучить современными
методами, не сохранилось. Сообщалось [11] о подозрениях вдовы Муассана,
предполагавшей, что ее муж стал жертвой мошенника в лице одного из своих
ассистентов, который подкладывал обломки алмазов в получаемый материал для того,
чтобы «угодить старому человеку и поскорее покончить со скучными
экспериментами» .
На рубеже XIX и XX столетий сэр Вильям Крукс взрывал бездымный порох в
закрытых стальных трубах [12]. По его расчетам давление в них достигало 8000
атм. Он рассчитал, что если нагреть углерод до соответствующих температур, он
превратится в жидкость, которая при давлении более 2350 атм должна
закристаллизоваться в виде алмаза. Крукс авторитетно поддерживал утверждения Муассана
и демонстрировал его метод в Королевском институте в 1897 г.
Опыты Муассана и Хэннея были повторены многими исследователями. В 1917 г.
немец Отто Руфф сообщил об успешном применении им метода Муассана, но позднее

он изменил свое мнение на этот счет и заявил, что принимал за алмазы другие
кристаллы.
Наиболее глубокий анализ ранних методов дал сэр Чарлз Парсонс,
кораблестроитель и изобретатель паровой турбины. С 1887 г. синтез алмаза становится
хобби Парсонса, и на это он истратил сотни тысяч фунтов стерлингов. Присущее
Парсонсу инженерное искусство давало ему определенное преимущество, да к тому
же на принадлежащей ему судостроительной верфи были прессы, способные
развивать гидростатические давления до 10 ООО атм. В обзоре своих работ [15] ,
представленных в Королевское общество в виде Бейкеровской лекции, Парсонс
сообщал, что даже давление в 15 ООО атм недостаточно высоко для кристаллизации
алмаза. Несмотря на то, что он благожелательно относился к работам Муассана,
Парсонс утверждал, что метод Муассана не позволяет получать очень высокие
давления и что примеси, такие, как кремний, алюминий и хром, сильно
увеличивают кристаллический остаток, в то время как очень чистое железо практически
не дает остатка. «Алмазы», полученные Муассаном, по мнению Парсонса, скорее
всего, представляют собой шпинели. Более поздними исследованиями М. Сила и А.
Бобровского, повторившими опыты Муассана, доказано, что материал остатка
представлен кристаллами карбида кремния и глинозема или не идентифицированным
аморфным материалом.
Парсонс испробовал все известные методы синтеза и ввел в практику новые, а
именно стрельбу высокоскоростной винтовочной пулей в полость, содержащую
испытуемое вещество. В первом варианте использовалось «ружье для охоты на уток»
калибра 0,9 дюйма, которое стреляло стальным поршнем в цилиндр, содержащий
ацетилен и кислород. Ружье заряжалось «двумя драхмами» черного охотничьего
пороха, причем это количество было определено предварительными испытаниями».
Компрессия составляла 288 к 1, и Парсонс рассчитал, что при взрыве
достигаются давление 15 ООО атм и температура 15250° С, хотя последняя оценка весьма
оптимистична. Еще более высокие давления ожидалось получить при стрельбе из
ружья калибра 0,303 дюйма в небольшое количество графитовой шихты. По
расчетам Парсонса, выполненным на основании изучения деформаций блока, в который
выстреливалась пуля, при этом мгновенно возникало давление, достигающее 300
000 атм. В этих экспериментах получалось лишь «несколько очень мелких
кристаллов, похожих на алмаз». Парсонс полагал, что только лишь приложение
высоких давлений не может привести к образованию алмазов хотя бы потому, что они
составляют «от четверти до половины давлений, существующих в центре Земли».
Он пришел к выводу, что для успешного синтеза алмаза требуется присутствие
железа, несмотря на то что получил отрицательные результаты, когда повторял
опыты Муассана при давлениях, по крайней мере, в три раза больших, чем те,
которых мог достичь Муассан.
Хотя Парсонс в Бейкеровской лекции говорил, что ему удалось синтезировать
мелкие алмазы, позднее он отказался от этой мысли. В 1928 г. Парсонс и его
ассистент Данкан передали все свои материалы Дешу, в статье которого в
журнале «Нейче» [10], суммировавшей все результаты, сообщалось, что «кажется
обоснованным заключение, что алмазы в лаборатории все еще не получены и что
исследователи заблуждаются, принимая за алмазы различные прозрачные, однопре-
ломляющие минералы, которые не растворяются под действием химических
реагентов» .
В 1930 г. проф. колледжа Мак-Ферсон в Канзасе Дж. В. Херши предложил
студентам своего химического класса в качестве дипломной работы провести
эксперименты Муассана и поставил задачу получить рекордный по величине «алмаз»

размером 2x1,5x1 мм. Это можно рассматривать как пример воинствующего
местнического патриотизма, ставящий своей целью показать, что синтез алмазов уже
пройденный этап [11].
Другой подход к проблеме синтеза алмаза основывается на идее о том, что
расплавленный графит при охлаждении должен кристаллизоваться в виде алмаза.
Как мы уже видели, эта идея впервые была высказана Круксом [12]. Логика
рассуждений заключалась в том, что поскольку графит плавится с большим трудом,
то решение проблемы каким-то образом может содействовать успеху в столь
трудном вопросе, как получение алмаза. Опыты в этом направлении были выполнены.
Джеймсом Бассе во Франции и Джоном Морхедом из «Юнион карбайд» в США.
В 1933 г. Ганс Карабачек получил германский патент на сложный процесс
синтеза алмаза, включающий циклы нагревания и охлаждения окиси или двуокиси
углерода под давлением. Он также собрал большую коллекцию минералов, которую
впоследствии купил Гарвардский университет. Коллекция демонстрировалась в
Гарвардском музее и включала витрину с названием «Синтетические алмазы Кара-
бачека». По-видимому, полученные с использованием его патента. Когда эти
алмазы, в конце концов, были проанализированы, оказалось, что обнаруженные в
них примеси точно такие же, как в алмазах, добываемых в Южной Африке [11]
Первый успех
Развитие исследований по созданию аппаратов высокого давления, необходимых
для синтеза алмазов, связано с именем пионера исследований в области высоких
давлений, лауреата Нобелевской премии, профессора Гарвардского университета
П. У. Бриджмена. Бриджмен рассматривал синтез алмаза как вызов своей
изобретательности и техническому мастерству и, как говорят, в экспериментах
стремился каждый раз использовать новую технику, которая увеличивала бы
максимальное давление. Бриджмен был не только выдающимся ученым и изобретателем,
но и интересным писателем. Он писал о синтезе алмазов [11]: «Попытки добиться
успеха в этой захватывающей проблеме обнажили весь спектр человечества: люди,
от блестящих ученых до откровенных шарлатанов и жуликов, дарили ей свой ум и
страсти». Бриджмен отмечал, что на протяжении 25 лет в среднем 2—3 человека в
год заявляли о том, что владеют секретом синтеза алмаза, и предлагали войти в
долю при распределении прибылей в обмен на финансирование строительства
аппарата для практической реализации идеи. Он также писал, с характерным для него
юмором, что «проблема так и просится в детективный роман, и я часто прихожу к
убеждению, что тот, кто успешно решит ее, этим самым подвергнет свою жизнь
опасности со стороны Алмазного синдиката».
Так же как и Парсонс, Бриджмен быстро понял, что одно только высокое
давление не способно превратить графит в алмаз. Согласно теории, алмаз
представляет собой стабильную кристаллическую форму углерода уже при давлениях примерно
20 ООО атм, однако в опытах Бриджмена, при давлениях в 425 ООО атм, при
комнатной температуре, и 70 ООО атм при температуре красного каления,
превращения графита алмаз не происходило. В то же время алмаз при нормальном
атмосферном давлении ведет себя как вполне стабильная фаза. Моя жена, пока не
поменяла бриллиант в кольце, которое я подарил ей при помолвке, на гранат
большего размера, не хотела верить в то, что в один прекрасный день алмаз может
превратиться в графит, пусть даже графит более стабильная фаза, чем алмаз,
при повседневных температурах и давлениях. При низких давлениях алмаз мета-
стабилен, так же как графит может оставаться метастабильной формой даже в
условиях , при которых стабилен алмаз.

Превращение алмаза в графит может быть осуществлено при нагреве примерно до
1500 °С, и это позволило предположить, что для обратного превращения при
высоких давлениях необходимы температуры того же порядка. В 1941 г. при
финансовой поддержке компаний «Нортон» и «Дженерал электрик» Бриджмен приступил к
осуществлению проекта но синтезу алмазов при высоких температурах.
Предварительно прокаленный при 3000°С графит помещали в специальный сосуд 1000-
тонного пресса. Внутри цилиндра находился термит, используемый для реакции,
создающей температуру до 3000°С в течение нескольких секунд одновременно с
давлением в 30 000 атм. Опыты продолжались четыре года, но алмазы так и не
были получены. Аппаратуру перевезли на завод компании «Нортон», где ее
использовали для продолжения экспериментов и других работ.
Наконец, проблему синтеза алмазов начинает изучать исследовательская
лаборатория компании «Дженерал электрик», которая в 1955 г. представляет первый
отчет об успехе группы в составе Френсиса Банди, Трейси Холла, Герберта
Стронга и Роберта Уэнторфа. Хотя позднее группа исследователей из Швеции
заявила, что она синтезировала алмазы еще в 1953 г., результаты ее работ не были
опубликованы, поэтому сотрудникам «Дженерал электрик» заслуженно принадлежит
мировой патент. Успешный синтез явился результатом четырехлетних
исследований. Сообщение о синтезе алмазов увеличило стоимость акций «Дженерал
электрик» за один день более чем на 300 млн. долларов, а акции горнорудной
корпорации «Де Бирс» упали на несколько пунктов, хотя и восстановились на
следующий день. В то время, когда появилось сообщение, искусственные алмазы были
очень мелкие, и говорили, что если бы кто-нибудь чихнул в неподходящий
момент , это привело бы к потере всего мирового запаса!
Человеком, которому посчастливилось первому осуществить синтез алмаза, был
Трейси Холл. Его отчет об этом событии помещен в обзорных статьях в трех
журналах [16—18] . Холл пришел в лабораторию «Дженерал электрик» в 1948 г. и с
1951 г. стал членом небольшой исследовательской группы, занимающейся
«Проектом сверхдавления», как были закодированы работы по синтезу алмаза. Хотя Холл
был химиком, он понял, что главное препятствие на пути успешного решения
проблемы синтеза алмаза — отсутствие оборудования высокого давления, и
разработал эскизный проект системы, впоследствии названной «халфбелт». Это был
только первый шаг к успеху, но он наметил путь к новой, ставшей знаменитой
конструкции «белт». Свой первый аппарат Холл создавал на основе неофициальной
договоренности2 с друзьями из механической мастерской. Таким же образом были
изготовлены самые важные детали аппарата из карбида вольфрама. Применение
твердого сплава позволило создать давление в 120 000 атм при 1800°С и
выдерживать эти параметры несколько минут. Около года исследователя преследовали
неудачи, но 16 декабря 1954 г. пришел первый успех [17]. Холл позднее писал:
«Руки мои тряслись, учащенно билось сердце, я ощутил слабость в коленях и
вынужден был сесть. Мои глаза поймали сверкнувший свет от дюжин мелких
треугольных граней октаэдрических кристаллов... и я понял, что наконец-то алмазы
сделаны человеком». Этот эксперимент был выполнен при давлении 70 000 атм и
температуре 1600°С с использованием графита и троилита (FeS). Алмазы прилипли
к танталовому диску, который используется для подводки электрического тока
при нагреве образца. Тантал, кроме того, восстанавливал FeS до металлического
железа, так как присутствие одной серы не может вызвать превращения графита в
алмаз.
2 Надо полагать - За спирт.

Синтез алмаза был подтвержден 31 декабря 1954 г. Хью Вудбери, и 15 февраля
1955 г. об этом было сообщено в прессе. Это было именно то четкое
подтверждение независимым исследователем, которого так недоставало в шведском (ASEA)
эксперименте.
Аппарат для синтеза алмаза, предложенный Холлом, назывался «белт» (пояс),
потому что центральная часть, где происходит синтез алмазов, поддерживалась
кольцом из карбида вольфрама с бандажом из высокопрочной стали [19]. Два
конических поршня приводились в движение с помощью большого гидравлического
пресса из упрочненной стали. Главная трудность при создании аппаратов высоких
давлений и температур заключается в том, что стали, и другие конструкционные
материалы, быстро теряют свою прочность при нагреве. Эту проблему можно
решить путем нагрева только внутреннего рабочего объема и соответствующей
термоизоляции для предотвращения чрезмерного нагрева поршней и пояса. Группа
«Дженерал электрик» с успехом использовала встречающийся в природе минерал
пирофиллит, материал мягкий, достаточно хорошо передающий давление и в то же
время обладающий высокой температурой плавления. В полость, образованную
поршнями и поясом, помещали ячейку из пирофиллита с вмонтированной
электропечью в виде графитовой трубки, с помощью которой достигалась необходимая
температура. Зазоры между поршнями и поясом уплотнялись металлическими и пиро-
филлитовыми прокладками, которые выполняли также роль тепло- и
электроизоляторов .
В отличие от опытов Парсонса и Бриджмена в этих экспериментах использовался
катализатор, в частности железо, что и предопределило успешное решение
поставленной задачи. В настоящее время известно, что катализатор играет роль
растворителя, в котором графит сначала растворяется, а затем кристаллизуется
в виде алмаза. Без металлического растворителя скорость превращения графита в
алмаз очень мала, даже если температура и давление соответствуют области
стабильности алмаза. Согласно патенту «Дженерал электрик» [20], типичная шихта в
реакционной камере представляет собой смесь 5 частей графита, 1 части железа,
1/3 части марганца и 1/3 части пятиокиси ванадия. Эту смесь запечатывали и
нагревали до 1700°С под давлением 95 ООО атм в течение 2 мин, затем охлаждали
до 1500°С за 8 мин. С тех пор проведены многочисленные исследования по
подбору растворителей, особенно Уэнторфом [21]. Сейчас в качестве растворителя
чаще всего используют смесь никеля и железа, позволяющую осуществить синтез
алмаза при менее жестких условиях, например при 50 000 атм и 1400°С. Также
доказано; что графит как источник углерода может быть заменен другими
органическими материалами: деревом, углем, дегтем, смолой и даже арахисовым маслом!
Вначале стоимость алмазов «Дженерал электрик» была выше, чем природных,
однако уже в 1957 г. искусственные алмазы в виде мелких зерен, используемых для
изготовления шлифовальных кругов, стали конкурировать по цене с природными.
22 октября 1957 г. «Дженерал электрик» сообщила в печати, что к этому времени
компанией произведено уже 100 000 карат синтетических алмазов (цена 4,25
доллара за карат) и что в 1958 г. предполагается произвести 3,5 млн. карат.
Детали синтеза алмазов, получаемых «Дженерал электрик», содержались в
секрете в течение многих лет, однако сейчас процесс описан в серии статей [22,
23] . Холл был разочарован как наложенным правительством режимом секретности,
так и расстройством планов и финансовых дел компании и в сентябре 1955 г.
перешел в университет Янг Бригем, где занимает сейчас престижную должность
ведущего профессора химии.

Параллельно с работами «Дженерал электрик» исследования по получению
искусственных алмазов велись Всеобщей шведской электрической акционерной
компанией, известной как ASEA. Они начались в 1942 г., однако подробности были
опубликованы только в 1960 г. [24]. Вероятно, группа ASEA не опубликовала детали
своего успешного синтеза алмазов в 1953 г. потому, что пыталась получить
ювелирный материал и не придавала большого значения очень мелким техническим
алмазам.
В технологии ASEA применялись давление от 80 ООО до 90 ООО атм и
температура до 2760°С. Для того чтобы концентрировать высокие давления в малом объеме,
был создан аппарат, в котором шесть четырехгранных пирамид были смонтированы
таким образом, что их основания образовывали куб, а усеченные вершины оконту-
ривали внутреннюю сферическую камеру объемом около 400 см3. Для создания
усилий на каждой пирамиде использовали три пары гидравлических поршней. Весь
комплект поршней помещали в трубу диаметром 52 см и высотой 78 см,
укрепленную стальными бандажами. Нагрев осуществляли сжиганием термита, смеси
металлического магния и перекиси бария. В результате химической реакции в рабочем
объеме достигались очень высокие температуры. Термоизоляция вокруг термита
обеспечивалась слоем талькового камня толщиной 5 мм, помещенным в медную
оправку. Реагенты, графит и карбид железа помещали внутри термита в контейнере
из тантала. Высокая температура, производимая горением термита,
поддерживалась только несколько минут, а затем падала за счет теплоотвода через
относительно массивные поршни. Характерно, что для получения мелких алмазов,
которые использовались в промышленности для изготовления алмазных пил,
шлифовальных кругов и полировальных порошков, как по технологии ASEA, так и «Дженерал
электрик» требовалось всего две-три минуты. Размеры алмазов, получаемых в
обоих случаях, были существенно меньше 1 мм. Обычно в опытах ASEA
образовывалось 20—50 кристаллов размером 0,1—0,5 мм. Позднее ASEA стала использовать
электрический нагрев током до 1500 А, что позволило увеличить выход алмазов.
Аппарат высокого давления «белт» компания «Дженерал электрик» впоследствии
заменила конструкцией тетраэдрического типа, разработанной Холлом примерно в
то же время [25]. Главное преимущество ее заключалось в применении
относительно дешевых прессов. В первом варианте этой конструкции использовались
четыре независимо работавших пресса, смонтированные в симметричной раме и
сходящиеся в центральной части рабочего объема. Для другой, более простой
модификации требуется только один гидравлический пресс, а усилия в трех других
направлениях возникают за счет взаимодействия поршней с конической поверхно-
Изолятор из
талькового камня
Экран из тантала
или платины
Богатая алмазом
область
Смесь углерода и
карбида железа
- Металлический
кожух
Термитная смесь

стью прочной стальной поддержки. В последней модификации аппарата рабочая
поверхность сделана сферической и применены вставки из карбида вольфрама,
отличающегося большей твердостью и прочностью по сравнению со сталью, из которой
изготавливаются поршни. В тетраэдрическое пространство, образуемое
внутренними поверхностями этих вставок, монтируется специально изготовленная деталь из
пирофиллита с электропечью, представляющей собой графитовую трубку.
Электрический ток подводится через два противоположных поршня или через специальные
электровводы. В печь помещаются графит и металл-растворитель.
Сейчас алмазы производятся в нескольких странах, и более половины из
используемых в промышленности — синтетические алмазы конкурирующие по цене с
добываемыми из недр Земли. Через месяц после сообщения «Дженерал электрик» в
1955 г. руководство южноафриканской горнодобывающей корпорации «Де Бирс»
пришло к решению о необходимости производства синтетических алмазов. Фабрика в
Спрингсе близ Йоханнесбурга, ЮАР, принадлежащая «Де Бирс», начала давать
продукцию в 1958 г. и сейчас имеет 75 единиц оборудования высокого давления.
Дочернее предприятие было открыто в Шанноне, Ирландия, в 1963 г. , а в 1967 г.
«Де Бирс» и ASEA (которая не приступала к коммерческому выпуску алмазов до
1964 г.) заключили соглашение о совместном производстве. Технические алмазы
выпускаются в Китае, Чехословакии, Нидерландах, Японии и в большом объеме в
Советском Союзе.
Мировое потребление технических алмазов составляет более 100 млн. карат (20
т) в год, и для их производства требуется несколько сотен тонн графита.
Ювелирные алмазы
Не следует думать, что производство синтетических алмазов в столь огромных
объемах упрощает задачу получения алмазов таких размеров и такого качества,
которые позволяют отнести их к драгоценным камням. Главное препятствие
попыткам получить крупные кристаллы — маленький объем, в котором можно
поддерживать экстремальные условия давления и температуры. К тому же для выращивания
больших кристаллов требуется длительное время. Способы получения ювелирных
алмазов не патентовались до 1967 г., когда Роберт Уэнторф, наконец, добился
успеха в выращивании алмаза на затравке [26]. Оказалось, что затравочный
кристалл необходим для предотвращения кристаллизации графита даже тогда, когда
условия опыта соответствуют области кристаллизации алмаза. Наиболее трудная
проблема при выращивании крупных кристаллов алмаза высокого качества
заключается в необходимости поддержания таких условий в области его стабильности,
при которых скорость кристаллизации будет невелика. В используемой Уэнторфом
методике затравочный кристалл помещался в холодную часть раствора при
температуре около 1420°С, а мелкие кристаллы располагали в нижней части при
температуре 1450°С. Интервал давлений составлял от 55 ООО до 60 000 атм. Однако
лучше, если затравочный кристалл помещают в нижней части, потому что
некоторые образующиеся вне затравки мелкие кристаллы всплывают в горячую зону и там
растворяются, а не растут вокруг затравки.
В некоторых опытах Уэнторфа питающий алмазный материал перекристаллизовы-
вался в графит, и такие эксперименты рассматривались как дорогостоящая
авария! Однако исследователи столкнулись и с более серьезной проблемой:
максимальная скорость, с которой кристаллы могут стабильно расти, должна
уменьшаться по мере того, как кристалл становится крупнее. Установлено, что для
кристалла диаметром 1 мм наиболее высокая скорость стабильного роста
составляет 0,2 мм в час. Когда же размер кристалла достигает 5 мм, стабильный рост

может происходить только со скоростью 0,04 мм час,
поэтому для выращивания кристалла такого размера
требуется несколько дней. Эта проблема станет еще
более серьезной, если пытаться выращивать алмазы
большего размера. В настоящее время самый крупный
синтетический алмаз имеет 6 мм в диаметре и весит
1 карат (0,2 г) . Поскольку для выращивания крупных
кристаллов более благоприятны низкие скорости
роста, а поддержание высоких температур и давлений в
течение длительного времени требует значительных
затрат, крупные синтетические алмазы существенно дороже природных кристаллов
сопоставимых размеров. Эта разница в цене может быть ликвидирована только с
развитием нового оборудования, позволяющего получать высокие давления и
температуры более экономичным способом, чем при современной технологии. Тем не
менее, крупные кристаллы Уэнторфа представляют большое достижение как
вдохновляющий пример выращивания кристаллов в трудных условиях. Эти синтетические
кристаллы — наиболее чистые алмазы в мире! Несколько из них огранены,
отшлифованы и подарены Смитсоновскому институту в Вашингтоне и бывшему научному
директору «Дженерал электрик» Вильяму Д. Кулиджу (изобретателю рентгеновской
трубки) к его 100-летнему юбилею.
ТЭ-— Тэрвдэо й диск
Источник. уГЛвродэ
Нагреватель
Источник углерода
Катализатор
Область
расположения
загранок
Схема аппарата, применявшегося для выращивания крупных
кристаллов алмаза с использованием переноса углерода в растворе металла
Окрашивание алмазов осуществляется введением в кристаллы различных
элементов-примесей. Азот придает зеленую окраску и, вероятно, обусловливает желтый
цвет камней, если он присутствует в малых концентрациях. Введение бора
придает алмазу синие цвета. Редко встречающиеся синие природные камни, в частности
знаменитый алмаз «Хоуп», также обязаны своей окраской присутствию этого
элемента. Изучение свойств окрашенных алмазов весьма полезно для понимания
некоторых загадок алмазов и способов образования их природе.

Прямое превращение
графита в алмаз
Для прямого перехода графита в алмаз необходимы еще более экстремальные
условия по сравнению с методикой, использующей металл-растворитель. Это связано
с большой устойчивостью графита обусловленной очень прочными связями его
атомов . Результаты первых экспериментов по прямому превращению графит—алмаз,
выполненных П. Де-Карли и Дж. Джеймисоном из «Аллайд кемикл Корпорэйпш» [27],
были опубликованы в 1961 г. Для создания давления использовалось взрывчатое
вещество большой мощности, с помощью которого в течение примерно миллионной
доли секунды (одной микросекунды) поддерживалась температура около 1200° С и
давление порядка 300000 атм. В этих условиях в образце графита после опыта
обнаруживалось некоторое количество алмаза, правда в виде очень мелких
частичек. Полученные кристаллиты по размерам (100 А = 10 нм, или одна стотысячная
доля миллиметра) сопоставимы с «карбонадо», встречающимся в метеоритах,
образование которых объясняется воздействием мощной ударной волны, возникающей
при ударе метеорита о земную поверхность.
В 1963 г. Фрэнсису Банди из «Дженерал электрик» удалось осуществить прямое
превращение графита в алмаз при статическом давлении, превышающем 130 000 атм
[28] . Такие давления были получены на модифицированной установке «белт» с
большей внешней поверхностью поршней и меньшим рабочим объемом. Для создания
таких давлений потребовалось увеличение прочности силовых деталей установки.
Эксперименты включали искровой нагрев бруска графита до температур выше
2000°С. Нагревание осуществлялось импульсами электрического тока, а
температура, необходимая для образования алмаза, сохранялась в течение нескольких
миллисекунд (тысячных долей секунды), т. е. существенно дольше, чем в
экспериментах Де-Карли и Джеймисона.
Размеры новообразованных частиц были в 2—5 раз больше по сравнению с
получающимися при ударном сжатии. Обе серии экспериментов дали необходимые
параметры для построения фазовой диаграммы углерода, графически показывающей
области температур и давлений, при которых стабильны алмаз, графит и расплав.
Мощное
взрывчатое
вещество
Генератор
— плоской волны
Графит
Песок

О 1000 2000 3000 4000 5000
Температура (°С)
Интересные эксперименты были проведены Банди и Дж. Каспером [29], которые
использовали монокристаллы графита вместо поликристаллического материала.
Кристаллы алмаза в их первых опытах имели обычную кубическую кристаллическую
структуру. Еще Де-Карли и Джеймисон обратили внимание на то, что превращение
в алмаз происходит легче, когда частички графита в образцах имеют удлинение
вдоль так называемой «оси с», т. е. перпендикулярно гексагональным слоям.
Когда Банди и Каспер поместили монокристаллы таким образом, что давление
прикладывалось вдоль «оси с», и измерили электросопротивление кристаллов под
давлением, то оказалось, что сопротивление увеличивается, когда достигается
давление в 140 000 атм. Это связывали с переходом графита в алмаз, хотя при
снятии давления происходило обратное превращение в графит. Однако, когда эта
процедура сопровождалась нагревом образца до 900°С и выше, образовывались
кристаллиты новой фазы высокого давления, имеющие гексагональную структуру, а
не обычную — кубическую. Гексагональный углерод также изредка находили в
природных образцах, особенно в метеоритах. Он получил название лонсдейлит в
честь Кэтлин Лонсдейл из Лондонского университета за ее большие заслуги в
области кристаллографии, в частности в изучении алмаза.
В 1968 г. Г. Р. Коуэну. Б. В, Даннингтону и А. X. Хольцману из компании
«Дюпон де Немюр» был выдан патент на новый процесс, заключающийся в ударном
сжатии металлических блоков, например железных отливок, содержащих небольшие
включения графита [30], при давлениях, превышающих 1 млн. атм. Металл, у
которого сжимаемость меньше, чем у графита, выполняет функции холодильника,
очень быстро охлаждающего включения. Это предотвращает обратный переход
алмаза, образовавшегося под действием ударной волны, в графит после прохождения
этой волны — тенденции, характерной для экспериментов с монокристаллами при

холодном сжатии. Конечный продукт, получаемый при использовании этой
технологии, частично представлен гексагональным углеродом, что также подтверждает
тенденцию к образованию лонсдейлита в условиях очень высоких давлений и
относительно низких температур. Изготовленный таким способом материал
используется в качестве шлифовального порошка.
Время от времени сообщается об исследованиях, направленных на модификацию
того или иного из этих методов. Так, Л. Труеб [31] применил принцип Де-Карли
— Джеймисона для создания давления в 250 ООО — 450 ООО атм в течение 10—30
мкс, сопровождаемого разогревом после удара до 1100°С. Использовался графит в
виде частичек диаметром 0,5—5 мкм, и получаемые алмазы имели те же размеры.
Однако установлено, что эти частички образованы очень мелкими (от 10—40 до
100—1600 А) кубическими алмазами. В настоящее время нет сведений о том, что
продукция «Аллайд кемикл корпорэйшн» поступает в коммерческую торговлю.
Способ, разработанный этой компанией, чтобы он мог успешно конкурировать с
методом, использующим растворитель, и методом компании «Дюпон де Немюр»,
нуждается в дальнейшем совершенствовании. Потенциальное преимущество методов
ударного сжатия в том, что взрыв — дешевый путь создания высоких давлений.
Рост в метастабильных условиях
В последние годы пристальное внимание привлекли предложения по получению
алмазов в условиях, при которых стабилен графит, а алмаз метастабилен (мета-
стабильность алмаза означает, что он может в данных условиях оставаться
неизменным неограниченное время без обратного перехода в графит). Для превращения
графита в алмаз необходимо, чтобы атомы углерода были возбуждены до
состояния, характеризующегося высокой энергией. Обычно это достигается приложением
высоких давлений и температур. Альтернативная идея основана на том, что если
удастся получить атомы углерода с высоким энергетическим уровнем, то при
переходе в твердое состояние вероятнее образование метастабильного алмаза, чем
стабильного графита. Этому способствует применение затравочных кристаллов
алмаза, которые помогают атомам углерода располагаться в порядке,
соответствующем алмазной, а не графитовой структуре.
Вероятно, наиболее перспективный метод связан с разложением углерод
содержащих газов при достаточно низких давлениях. Обволакивая мелкие кристаллы
алмаза, газ разлагается, и атомы углерода осаждаются на поверхность затравочных
кристаллов. В начале 60-х годов этот метод независимо друг от друга
разработали В. Эверсол из фирмы «Линде» в США [32] и Б. Дерягин и Б. Спицын из
Института физической химии в Москве [см. 33]. Вначале Дерягин и его коллеги
использовали тетраиодит углерода (С14) , а Эверсол пользовался метаном (СН4) ,
который до сих пор остается наиболее широко применяемым в этом методе газом.
Потребовалось достаточно много времени, прежде чем научная общественность
поверила в возможность получения алмаза этим методом, однако сейчас
обоснованность этого процесса более чем достаточна.
Для опытов Эверсола характерны следующие условия: температура в интервале
600—1600°С, общее давление газа — одна атмосфера, концентрация метана в
газовой смеси от 0,015 до 7%. Затравки имели размер всего лишь 0,1 мкм
(десятитысячная доля миллиметра) в диаметре, что обеспечивало большую поверхность для
осаждения алмазов. К сожалению, помимо алмаза в газовой фазе образовывались
также скопления графита, которые осаждались вместе с алмазом на поверхности
затравочных кристаллов. Если время от времени не останавливать процесс для

удаления графита, его концентрация настолько возрастает, что препятствует
осаждению алмаза. Для этого в методе Эверсола предусматривалось периодическое
извлечение алмазов, которые затем помещались в сосуд высокого давления (от 50
до 200 атм) с водородом и прокаливались при температуре 1000°С. Водород
вступает в реакцию с графитом намного быстрее, чем с алмазом, поэтому такая
процедура очищает поверхность затравочных кристаллов для последующего роста.
Криаал л
Иг 1,1 АПы I *
ЗЭГ-Газ
\чч |„ ♦ :н!,- она - w
Группа Дерягина пришла к выводу, что новообразования графита выгоднее
окислять кислородом воздуха при атмосферном давлении. Преимущество этого способа
в том, что процесс синтеза и удаление графита осуществляются в одном и том же
реакторе, который в окислительную стадию процесса заполняется воздухом.
Типичные условия, используемые в настоящее время для выращивания алмаза,
характеризуются температурой 1020°С и давлением метана 0,07 мм рт. ст. Наибольшие
скорости роста составляют примерно 0,1 мкм в час, что обеспечивает
образование во всем объеме реактора около одного карата алмаза в час. Вибрация
затравок способствует увеличению поверхности соприкосновения кристаллов с метаном
и ведет к улучшению свойств наращиваемого слоя. Еще большие скорости
достигаются при облучении поверхности алмазов светом газонаполненной ксеноновой
лампы высокого напряжения. Лампа работает в пульсирующем режиме, способствуя
быстрому росту алмаза и в значительной степени предотвращая зарождения
кристаллитов графита. Сообщалось, что в таких условиях скорости роста достигают
нескольких микрометров в час. Иногда при использовании этого метода начинают
расти алмазные «усы» — тонкие нити, выступающие из разных мест поверхности
затравочного кристалла. Причины такой странной формы роста пока не ясны.
Метод Эверсола в США развивался в основном Дж. Ангусом и его сотрудниками в
университете штата Огайо [34]. Используемые ими условия роста: температура
1000°С, давление метана (в смеси с водородом) 0,2 мм рт. ст. — близки к
условиям экспериментов, проводимых группой Дерягина. Прирост веса составляет
обычно 6% за 20 ч, что соответствует линейной скорости роста только 0,001
мкм/сут. Более высокие скорости наблюдаются в начальный период процесса, что,
вероятно, связано с напряжениями, обусловленными небольшими различиями рас-

стояний между атомами углерода в пленке и кристалле-подложке. Возможно, что
очень высокие скорости роста, о которых сообщалось советскими учеными, также
характерны только для начальной стадии процесса.
В ранних экспериментах алмазы, полученные с помощью такого метода, имели
светло-серую окраску. Интересное с геммологической точки зрения сообщение
содержится в недавно вышедшей статье [35], в которой указывается, что алмазы в
течение нескольких циклов наращивания—очищения изменяют почти белую окраску
на светло-голубую. В настоящее время еще не удается получить крупные
кристаллы алмаза наращиванием на затравки в газовой фазе, так же как нет
доказательств того, что «алмазные слои» могут равномерно нарастать на относительно
большие камни. Тем не менее, вполне возможно, что усовершенствование метода
позволит покрывать ограненные алмазы слоем высококачественного материала,
может быть даже с определенными присадками, например с бором, чтобы получить
новые цветовые эффекты.
Другая методика, позволяющая использовать элементарный углерод вместо его
соединений, основана на сообщении ускорения ионам углерода до высоких энергий
в электрическом поле [36]. Первоначально при электрическом разряде в условиях
низкого давления газа получают положительные ионы углерода, которые разгоняют
и направляют магнитным полем через узкую щель в камеру с очень низким
давлением. Сюда ионы углерода поступают с очень высокой скоростью (эквивалентной
температуре в десятки тысяч градусов) и ударяются либо в затравочные алмазные
кристаллы, либо в металлические иголки, используемые в качестве
регистраторов. До сих пор не подтверждено, что поверхностные слои образуются алмазом.
Возможно, осажденный материал — аморфный. Следует заметить, что описанный
выше метод имеет ряд альтернативных решений, часть из которых запатентована. Их
краткое описание можно найти среди геммологических патентов и в обзорах [37,
38] .
Облученные алмазы
Глава об алмазе была бы неполной без информации об использовании ядерного
облучения для получения окрашенных кристаллов. Развитие такого метода
обработки вызвано чрезвычайной редкостью цветных алмазов, а между тем окрашенный
алмаз хорошего качества более чем на 25% дороже своей бесцветной
разновидности. Недавно в международной прессе сообщалось о полемике в Швейцарии по
поводу оценки одного камня (60 ООО или 600 ООО фунтов стерлингов), которая
ставилась в зависимость от того, подвергался алмаз облучению или нет.
Английский ученый сэр Уильям Крукс обнаружил, что радиоактивное излучение
радия превращает бесцветный алмаз в зеленую разновидность. Позднее было
установлено, что это изменение окраски происходит в результате бомбардировки
кристалла а-частицами, но захватывает только внешний слой алмаза из-за слабой
проникающей способности а -частиц в твердое тело. Не очень привлекательная
зеленая окраска может быть уничтожена повторной полировкой камня до удаления
окрашенного слоя или нагреванием алмаза при температуре 450°С.
Метод обработки алмаза облучением пребывал в забвении до развития в конце
40-х годов ядерной физики. Тогда для ускорения дейтронов (ядер тяжелого
водорода — дейтерия, которые состоят из протона, связанного с нейтроном) стали
использовать циклотрон. Дейтронами бомбардировали кристаллы алмаза. Алмаз
оставался сильно радиоактивным в течение нескольких часов, но и в этом случае
окрашивался только внешний слой. Было установлено, что бомбардировка электро-

нами с высокой энергией приводит к окрашиванию алмаза в бледно-голубой или
зеленый цвет, но опять-таки окрашивался лишь тонкий слой. А вот нейтроны,
обладающие более высокой проникающей способностью, могут изменить окраску всего
камня. После облучения ими алмазы становятся зелеными, однако нагревание в
инертном газе при 900°С меняет их цвет сначала на коричневый, а затем на
золотисто-желтый. Облученные алмазы золотисто-желтого цвета намного
привлекательней, чем зеленые или коричневые, они очень популярны в Соединенных
Штатах .
В некоторых случаях реакция алмазов на облучение более разнообразна, и
можно получить кристаллы синего, красного и пурпурного цветов. Это различие в
окраске обусловлено примесями, присутствующими в алмазах. Большинство
алмазов , так называемые алмазы типа I, содержат в качестве примеси азот, который
внедряется в кристалл предположительно в промежуточную стадию между
образованием алмаза в недрах Земли и временем, когда он попадает в приповерхностные
ее участки. В большинстве алмазов азот распределен в виде тончайших пластин,
но в одном из тысячи он распределен равномерно во всем объеме кристалла.
Последний тип кристаллов назван lb, тогда как наиболее распространенные
отнесены к типу 1а.
Менее распространенный тип II объединяет чистые алмазы, почти не содержащие
азота. К нему относятся наиболее крупные камни, такие, как «Куллинан».
Наиболее часто встречающиеся алмазы этого типа классифицируются как тип На, а
очень редкие, содержащие небольшие концентрации примесного алюминия, как тип
lib. (Гексагональные «алмазы» относят к типу III.) Среди алмазов типов lb и
lib встречаются кристаллы красного и фиолетового цветов, вследствие чего они
дороже алмазов обычного тина.
Поскольку в наше время обработка алмазов для изменения их окраски
распространена достаточно широко, возникла новая проблема: как отличить облученные
камни от окрашенных напылением тонкого слоя какого-нибудь цветного материала?
Облучение применяется и для изменения окраски других драгоценных камней.
Много путаницы и споров связано с определением облученного голубого берилла,
называемого «берилл Матчиш» [40]. Как это часто бывает, когда свойства
драгоценных камней изменяются в процессе их обработки, перед специалистами
возникла проблема, как отличать бериллы Матчиш от природных, имеющих такую же
окраску.
Нэнси Кинг из «Нэйшнл инкуайерер» исследует другую проблему, связанную с
облученными камнями. Дело в том, что некоторые облученные алмазы в течение
длительного времени могут оставаться радиоактивными в связи с присутствием
примесей долгоживущих изотопов. Насколько эта проблема серьезна — еще не
ясно , но если некоторая опасность для владельца облученного камня существует,
он должен быть осведомлен о результатах контроля на остаточную
радиоактивность .
Дополнение
В СССР способ получения синтетических алмазов был разработан в 1960 г.
Институтом физики высоких давлений АН СССР. Руководил работами акад. Л.Ф.
Верещагин. В 1961 г. в Институте сверхтвердых материалов АН УССР была отработана
промышленная технология синтеза алмазов. Процесс осуществляется при
температуре 1800-2500°С и давлении более 50-102 МПа в присутствии катализаторов -

хрома, никеля, железа, марганца, платины, кобальта или других металлов.
Впоследствии было установлено, что алмазы образуются при кристаллизации углерода
из его раствора в расплаве металла-катализатора.
1 — пуансоны;
2 — реакционная смесь графита с никелем;
3 — шфофи,-[Л|[то1;ая прокладка;
4 — муфта
Синтез алмаза проводится в камере типа "чечевица" объемом несколько
кубических сантиметров. Нагревание осуществляется индукционным методом или прямым
пропусканием электрического тока. При сближении пуансонов реакционная смесь
графита с никелем (а также со слоистым пирофиллитом) сжимается. В результате
происходит перекристаллизация гексагональной кристаллической решетки графита
в кубическую структуру алмаза. Размер кристаллов алмаза зависит от времени
синтеза: при времени реакции 3 мин. образуются кристаллы массой около 10 мг,
а 30 мин - 70 мг. Наиболее прочные кристаллы получались размером до 0,5-0,8
мм.
ЗАМЕНИТЕЛИ АЛМАЗА
Свойства бесцветных
драгоценных камней
Вероятно, для этой главы больше подходит заголовок «Искусственные
бесцветные драгоценные камни», но поскольку алмаз самый ценный бесцветный камень, он
рассматривается как стандарт, с которым сравнивают другие кристаллы. До
появления синтетических камней наиболее известными заменителями алмаза были
циркон и бесцветный сапфир. К достоинствам сапфира следует отнести близкую к
алмазу твердость, но его блеск и игра цветов существенно хуже, так что даже
невооруженным глазом легко увидеть, что эти камни действительно несопоставимы.
Игра цветов циркона близка к алмазу, но его блеск значительно хуже и лишь
ненамного выше, чем у сапфира.
Блеск минерала в основном зависит от показателя преломления, который
определяется степенью замедления световой волны при вхождении в твердую среду.
Чем выше показатель преломления, тем ниже скорость света в кристалле по
сравнению со скоростью в воздухе. Показатель преломления также измеряется по
отклонению луча света при вхождении в кристалл. Из этого следует, что чем выше
показатель преломления кристалла, тем сильнее его блеск. Чем сильнее луч све-

та изменит свое направление, проникая в кристалл, тем меньший угол он
образует с противоположной поверхностью, и соответственно возрастает вероятность
того, что луч отразится от тыльной грани, а не пройдет сквозь кристалл.
Количество света, отраженное камнем, зависит также от угла падения луча и вида
огранки камня, но именно разница показателей преломления алмаза (2,42) и
сапфира (1,77) делает эти минералы столь отличающимися друг от друга; алмаз —
сверкающий камень, тогда как бесцветный сапфир относительно тусклый.
Многие минералы обладают двупреломлением, которое возникает в результате
взаимодействия световых волн с закономерно расположенными атомами в
кристаллах, не обладающих кубической симметрией. В двупреломляющих кристаллах луч
света разделяется на два луча, которые распространяются с разной скоростью и,
следовательно, преломляются под разными углами. Такие кристаллы имеют два
показателя преломления, соответствующие этим двум лучам, которые называются
обыкновенным и необыкновенным и характеризуются колебаниями во взаимно
перпендикулярных направлениях. Разницу между показателями преломления и называют
двупреломлением, она может быть положительной или отрицательной в зависимости
от того, больше или меньше показатель преломления необыкновенного луча, чем
обыкновенного.
Рутил
к»*
Первым синтетическим камнем, появившимся в продаже после второй мировой
войны, был рутил, впервые полученный в качестве побочного продукта при
научных исследованиях по изготовлению новых белил. Монокристаллы рутила
потребовались для более тщательного изучения титановых пигментов, в частности для
определения их смачиваемости и оптических свойств. Рутил — это стабильная
окись титана (ТЮг) , встречающаяся в природе в виде непривлекательного
коричневого или черного минерала, обычно содержащего высокие концентрации железа.
Первый рутил ювелирного качества был изготовлен компанией «Нэйшнл лид индаст-
рис» [1] в США в 1948 г. Наиболее характерное
свойство рутила — его дисперсия (0,28), более чем
в шесть раз превосходящая дисперсию алмаза. Игра
цветов у рутила выше, чем у всех драгоценных
камней, поэтому ограненный рутил выглядит
восхитительно . Он имеет более высокий показатель
преломления, чем алмаз, однако этот камень страдает
недостатком, обусловленным высоким двупреломлением,
что делает «затуманенными» тыльные грани.
Твердость рутила меньше 7, поэтому кристаллы,
ограненные в такой форме, когда наиболее ярко проявляются
его необычные оптические свойства, весьма
недолговечны. Несмотря на эти недостатки, замечательный
вид камней привел к широкой популярности рутила,
особенно в 50-х годах. Чаще всего он продавался
под названием «титания», однако использовалось и
много других торговых наименований, один только
перечень которых дает возможность ощутить как
популярность , так и необыкновенные свойства этого
камня [2]. Название «радужный камень», вероятно,
лучше всего соответствует рекламным описаниям
этого камня. Следует отметить, что рутил — первый действительно новый
драгоценный камень в современной ювелирной промышленности.

Рутил плавится при температуре 1925°С, и для его выращивания пригоден метод
Вернейля. Первоначально в экспериментах использовалась кислородно-
ацетиленовая горелка с двумя соплами, расположенными под углом 45° [1].
Главная трудность, с которой столкнулись специалисты, заключалась в том, что для
расплавленного рутила характерна тенденция к потере кислорода, так что
отношение кислорода к титану не соответствует идеальному 2:1, а может возрастать,
Скажем до 2,02:1. Кристаллы рутила с дефицитом кислорода не бесцветные, а
черные или темно-синие, поэтому для получения прозрачных ювелирных камней их
необходимо отжигать в течение нескольких часов в окислительной атмосфере при
температуре 800—1200°С. Однако даже после такой процедуры рутил не становится
полностью бесцветным, а сохраняет бледный соломенно-желтый опенок. Потери
кислорода в процессе роста були можно уменьшить использованием горелки с тремя
трубками, предложенной Леоном Меркером из «Нэйшнл лнд индастрис» в Амбое,
Нью-Джерси. Так же как и при синтезе рубина, порошок рутила подается в поток
кислорода через центральную трубку, однако вокруг нее для создания
окислительной атмосферы поддерживается отдельный поток кислорода, что предотвращает
тенденцию к восстановлению материала були водородом из промежуточной трубки.
Наличие двух реакционных зон увеличивает завихрения пламени, содействуя
расширению зоны постоянных температур. Порошок окиси титана получают нагреванием
аммоний-титанового сульфата, и он должен быть столь же тонким и сыпучим, как
при синтезе рубина или шпинели. Было установлено, что лучше использовать
очень чувствительный к колебаниям бункер с приводом от вибратора, чем
молоточек, предложенный Вернейлем. Вибрация делает поток порошка более равномерным
и таким образом предотвращает периодическое охлаждение поверхности кристалла,
что имеет место, когда шихта поступает порциями. Неравномерность подачи
порошка ведет к появлению слоистой структуры, характерной для кристаллов,
выращиваемых по методу Вернейля (сам Вернейль считал, что слоистая структура
неизбежна) . В отличие от первых аппаратов для плавления в пламени, в которых
опускание кристаллов по мере их роста вы полнялось вручную, сейчас это
производится автоматически. Выполнены также и другие условия, необходимые для
выращивания кристаллов хорошего качества: тщательно контролируется поток газа и
выдерживается прямой ось растущего кристалла. Типичные кристаллы
синтетического рутила имеют вес 20 г (100 карат).

В различных патентах |3] описывалось получение окрашенных кристаллов
рутила. Сообщалось, что при добавлении пятиокиси ниобия (nd2o5) в количестве О,
05%, окиси галлия (СагОз) или окиси алюминия (А120з) в количестве от 0,005 до
0,05% образуются почти бесцветные кристаллы рутила. С другой стороны, добавки
окиси хрома (Сг20з) или пятиокиси ванадия (V2O5) в количестве около 1%
окрашивают кристаллы в красный цвет. Окись кобальта (СоО) придает желтый цвет при
низких концентрациях (0,005—0,05%), янтарный — при концентрации 0,1% и
красновато-янтарный, если концентрация увеличивается до 0,13%. Окись никеля (NiO)
также дает желтую окраску при низких концентрациях, янтарную — при
концентрациях 0,05—0,1% и темно-красную — при содержании 0,1—0,13%. Сообщалось, что
введение в шихту окисей молибдена, вольфрама, урана или бериллия, если их
концентрация не превышает 0,005%, приводит к образованию голубого рутила.
Увеличивая концентрации этих добавок до 1%, можно получить камни от голубых
до темно-синих цветов, а при более высоких содержаниях — сине-черные рутилы.
Бесцветный рутил сохранил некоторую популярность, однако, в кольцах его
можно увидеть относительно редко. Один из недостатков этого материала кроме
невысокой твердости заключается в трудности удаления желтоватой окраски.
Точно не известно, почему рутил остается светло-соломенного цвета даже тогда,
когда содержание в нем кислорода приближается к идеальному для Ti02
количеству. Такой цвет может быть обусловлен или присутствием очень небольшой
остаточной примеси иона Ti3+, или другими дефектами, которые называют центрами
окраски.
В принципе выращивать прозрачные, бесцветные кристаллы рутила можно
раствор-расплавным способом при температурах существенно ниже точки
плавления. Действительно, во многих сообщениях о выращивании кристаллов с
использованием различных плавней говорилось о синтезе бесцветного или почти
бесцветного рутила. Недостаток же этого метода в том, что рутил растет в виде
игольчатых кристаллов, которые непригодны для огранки, хотя они могут найти другое
применение. Наиболее крупные, выращенные этим методом кристаллы имеют размеры
10x3x3 мм [5], и хотя получают и более длинные кристаллы, они все равно имеют
малый диаметр.
Титанат стронция
Титанат стронция получен «Нэйшнл лид индастрнс» в 1953 г. Вскоре он стал
широко известен как заменитель алмаза и более десятилетия оставался
популярным. Показатели преломления титаната стронция и алмаза очень близки (2,41 и
2,42), а дисперсия примерно в четыре раза выше, чем у алмаза. В отличие от
рутила кристаллы титаната стронция изотропны, поэтому не отмечается затума-
ненности тыльных граней. Как и рутил, позиции которого в значительной мере
потеснил титанат стронция, последний предлагается покупателям под Различными
наименованиями [2].
Титанат стронция, как и рутил, хрупкий и может расколоться, если изделие
из него достаточно сильно сжать. Возможность получать настоящие
бесцветные кристаллы — преимущество титаната стронция в сравнении с рутилом, но
слишком низкая твердость — несомненный недостаток для изготовления ограненных
камней. Поскольку углы граней чрезвычайно быстро изнашиваются, драгоценные
камни продаются с «головкой» из сапфира или шпинели, смонтированной на
основании («павильоне») из титаната стронция. Полученный «дублет» сочетает
внешний вид титаната стронция и износостойкость более твердого камня. Этот
превосходный во всех отношениях заменитель алмаза имеет только один недостаток —

не найдено идеального клея для соединения двух частей дублета, а те, что
используются, со временем могут приобрести какой-либо цвет. Эмпрезо де Куто из
Кобе, Япония, для изготовления дублета «диамонтина» разработал метод наплав-
ления головки на павильон, однако я не видел этих образцов.
Титанат стронция выращивают в кислородно-водородной печи Вернейля с
использованием горелки с тремя трубками, такой же, какую
используют при синтезе рутила [6] . Точка плавления тита-
ната стронция 2050 °С, и температуру в пламени
поддерживают в пределах 2110—2130 °С. Типичные скорости
потоков составляют: 4 л/мин кислорода через внутреннюю
трубку, 5 л/мин через внешнюю кислородную трубку и 40
л/мин водорода. В реальных опытах по выращиванию
кристаллов поток кислорода несколько меняется с целью
контроля температуры пламени, а поток водорода
поддерживается постоянным, но характеризуется высокой скоростью.
Вместо геометрического отбора зарождающихся в конусе
порошка кристаллов используют затравки. Затравку
центрируют перемещением подставки, а затем начинают
подавать порошок, увеличивая скорость потока кислорода,
пока она не достигает 1/5 скорости подачи водорода. После
того, как диаметр були достигнет примерно 12 мм,
увеличивают скорость подачи порошка, не меняя скорости тока
газов, и начинают опускать подставку.
С
Кристаллы растут до достижения ими веса 20 г и длины около 35 мм, затем их
опускают на 5-7 мм для того, чтобы кристалл несколько охладился перед
длительным остыванием внутри печи после прекращения подачи газов. Используемый
для выращивания кристаллов порошок с размером частичек от 0,1 до 0,3 мкм
получают нагреванием оксалата стронция и титана с хлоридом стронция при 500°С
или более высоких температурах. Кристаллы, извлеченные из печи, черные, но
при отжиге в окислительной атмосфере и температуре от 1700 до 650°С в течение
12-180 ч становятся бесцветными. Избыток окиси стронция в шихте содействует
образованию совершенно бесцветных кристаллов. На рисунке - буля титаната
стронция.
Расплавленный слой
Титанат стронция можно окрасить
добавлением различных элементов. Набор цветов не
столь широк, но и бесцветные камни
пользуются большим спросом.
Раствор-расплавным методом можно
выращивать более совершение кристаллы титаната
стронция, чем это возможно в печах Вернейля.
Основанием для постановки таких
экспериментов является научный интерес к титанату
стронция, в котором проявляется необычный
структурный переход при охлаждении до низких
температур. Дефекты в кристаллах влияют на
замеры физических свойств и могут
затушевывать эффекты, интересные для изучения.
Большинство почти совершенных кристаллов
титаната стронция выращены из растворов в распла-
Конечный конус
порошка
Буля
Первоначальный
конус порошка
Подставка

вах смесей фторидов калия и лития или боратов стронция и лития [7]. Получают
кристаллы размером до 12x11x9 мм, однако для этого требуется примерно 11
недель . Они в отличие от кристаллов, выращенных в кислородно-водородной печи
Вернейля, оптически изотропны, тогда как кристаллы, полученные плавлением в
пламени, обладают слабым двупреломлением, обусловленным напряжениями,
возникающими в процессе роста.
Из-за низких скоростей роста стоимость кристаллов, получаемых раствор-
расплавным методом, довольно высокая, поэтому более выгодно выращивать
кристаллы приемлемого для изготовления драгоценных камней качества газопламенным
методом. Раствор-расплавный метод вообще применяется главным образом для
получения дорогостоящих камней и позволяет выращивать кристаллы, очень близкие
по свойствам к естественным.
Гранаты
Гранаты, встречающиеся в природе, представляют собой сложные окислы кремния
— силикаты, такие, как, например, Mg3Al2Si30i2 (пироп) . Большинство хорошо
известных гранатов имеют красновато-коричневую окраску, хотя они также бывают
привлекательного зеленого цвета (демантоид). В природе не встречаются
бесцветные гранаты потому, что, хотя идеальный пироп должен быть бесцветным,
практически все гранаты содержат железо, которое придает им красный цвет.
Бесцветные искусственные гранаты можно получать, если синтез проводить без
участия железа и других окрашивающих примесей. В последние годы они стали
очень популярными заменителями алмаза. Можно получить
кристаллы силикатных гранатов, близкие по составу к
природным, однако расплавленные силикаты обладают
высокой вязкостью, и поэтому при охлаждении для них
характерна тенденция к образованию стекол. Это побудило
исследователей найти более подходящий состав, когда
при синтезе вместо кремнезема использовался алюминий,
а магний замещался каким-либо трехвалентным
элементом, например иттрием. Иттрий алюминиевый гранат
Y3AI5O12 давно царствует как наиболее популярный
синтетический камень.
Приверженцы строгих правил утверждают, что такие соединения нельзя называть
гранатами, так как природные гранаты обязательно содержат кремний. Однако
кристаллическая структура этих соединений и природных гранатов настолько
идентична, что наименование «гранат» было принято в научных кругах и, может
быть, несколько неохотно большинством геммологов.
В иттриево-железисгом гранате (ИЖГ) ученых в первую очередь привлекли
магнитные свойства. Железосодержащие гранаты - наиболее важные члены класса
магнитных материалов, называемых ферритами, которые обладают магнитными
свойствами и являются электрическими изоляторами. Они широко применяются в технике
связи и в еще больших масштабах используются в элементах памяти компьютеров,
калькуляторов и телефонных систем в виде пленок, содержащих цилиндрические
магнитные домены.
С ювелирной точки зрения железосодержащие гранаты представляют небольшой
интерес, потому что, хотя тонкие пленки ИЖГ имеют зеленый цвет, в целом
кристаллы всегда черные.

Первые патенты на выращивание кристаллов гранатов [9] были выданы в начале
60-х годов Джиму Нилсену и Джо Ремейке из лаборатории «Белл». Они выращивали
иттриево-железистые гранаты из раствора в расплаве окиси свинца или из смеси
окиси свинца с фторидом свинца или окисью бора. В это же время появился
интерес к иттриево-алюминиевым гранатам (НАГ), когда стало известно о возможности
применения этого материала в лазерах. Первые кристаллы были выращены раствор-
расплавным методом, но более крупные кристаллы можно получать только вытяги-
нием из расплава, что обеспечивает более высокие скорости роста и более
экономично .
Хотя показатель преломления и дисперсия НАГ заметно ниже, чем у алмаза, они
все же достаточно близки, что делает этот гранат приемлемым заменителем
алмаза . Кроме того, НАГ прекрасно полируется. Поэтому он пользовался большим
успехом, будучи первым синтетическим заменителем алмаза, внедренным в весьма
консервативную торговлю драгоценностями в Лондоне. Часть этого успеха следует
отнести за счет рекламной шумихи вокруг копии знаменитого грушевидного алмаза
весом 69,42 карата, который Ричард Бартон подарил известной киноактрисе
Элизабет Тэйлор. Этот алмаз, который обычно носят как кулон, был куплен в 1969
г. более чем за 1 млн. долларов. Страховка при ношении природного камня в
течение одного вечера обходилась Тэйлор примерно в 1000 долларов, а стоимость
копии составила только 3500 долларов. Не составляло труда опознать алмаз,
когда его помещали рядом с копией, но только эксперт мог определить
синтетический камень, если рассматривать их отдельно. Таким образом, кинозвезда
способствовала расширению торговли заменителями алмазов, и производители могут
быть благодарны грабителям (или страховым компаниям) за содействие в
распространении их продукции.
Наиболее крупным поставщиком НАГ является отделение «Эйртрон» компании
«Литтон индастрис» в Моррис-Плейнс, Нью-Джерси, которое первым стало
продавать свои камни в октябре 1969 г. Их торговая марка «Даймонэр» часто
используется как синоним НАГ, однако ряд других производителей, главным образом в
США, также продают (или продавали) такие камни под различными торговыми
наименованиями. НАГ продаются по цене, составляющей примерно 1/20 от стоимости
алмаза среднего качества. Конечно, это не значит, что кольцо с НАГ стоит в
двадцать раз дешевле, чем кольцо с алмазом, так как стоимость оправы и
отделки камня в обоих случаях одинакова. Однако покупатель может предпочесть
истратить свои деньги на приобретение более крупного НАГ, чем маленького алмаза.
Кристаллы НАГ для ювелирных целей получают
главным образом методом Чохральского —
вытягиванием из расплава. Затравочный кристалл,
помещенный в иридиевый тигель, погружают в расплав
массой около 2 кг. Его разогревают до
температуры около 2000°С (выше точки плавления) с
помощью высокочастотного генератора мощностью в
несколько киловатт. Кристалл вытягивают из
расплава с постоянной скоростью, а температуру
расплава регулируют таким образом, чтобы
обеспечить равномерное увеличение диаметра, пока он
не достигнет величины в 1,5 дюйма. В дальнейшем
диаметр кристалла выдерживают постоянным.
Кристаллы могут достигать в длину 1 фута. В целом
процесс протекает в полуавтоматическом режиме,

и рост диаметра кристалла контролируется датчиком перемещения. Принцип его
работы основан на том, что мениск жидкости вокруг кристалла испускает более
интенсивное инфракрасное излучение, чем твердое тело или плоская поверхность
расплава, и любое изменение положения этого яркого кольца регистрируется
инфракрасным детектором.
Один оператор может обслуживать несколько установок, так как экономическая
эффективность — жизненно важный фактор, определяющий успех производства ввиду
жесткой конкуренции со стороны действующих и потенциальных производителей. В
1972 г. я посетил производственные помещения завода «Эйртрон». Мне позволили
войти в запертую комнату, где растят кристаллы НАГ, только вместе с
менеджером Доном Лепором. «Эйртрон» и другие производители в США очень боятся
конкуренции со стороны японских предпринимателей, поэтому у меня был бы весьма
малый шанс увидеть производственные печи, будь я японским промышленником!
Весьма благоприятным обстоятельством для американских производителей было то, что
первоначальные работы, направленные на развитие производства НАГ,
финансировались из правительственных фондов, поскольку ощущалась острая потребность в
кристаллах для использования в лазерах. Применение НАГ в качестве драгоценных
камней развивалось в значительной мере в качестве «побочной линии» научного
интереса к этому материалу как кристаллу для лазеров.
Окрашивание НАГ можно производить путем введения соответствующих добавок.
Обычно лазерные кристаллы содержат редкоземельный элемент неодим, благодаря
которому они приобретают приятный сиреневый цвет, сходный, но легко отличимый
от цвета аметиста. Присутствие большинства других редкоземельных элементов
придает камням желтые или желто-зеленые цвета, хотя камни с эрбием имеют
розовый, а с празеодимом — бледно-зеленый цвет. Повышенный интерес вызывают
хромосодержащие НАГ: они имеют зеленую окраску, которая делает их наиболее
привлекательными среди всех природных и синтетических зеленых самоцветов,
исключая изумруд. Поскольку в природе зеленые гранаты встречаются редко, весьма
вероятно, что такие синтетические зеленые камни станут очень популярными,
если приобретут более широкую известность.
Гадолиний-галлиевый гранат (ГГГ)—другой бесцветный гранат, который не
только вызвал большой научный интерес, но и произвел сенсацию среди специалистов
по драгоценным камням. В этом гранате в отличие от НАГ вместо иттрия
присутствует редкоземельный элемент гадолиний (Gd), а алюминий замещен галлием
(Ga) ; его формула GcbGasOi^. Научный интерес к ГГГ возник в основном и связи с
тем, что его константа решетки близка к таковой иттриево-железистого граната.
Константа решетки — это длина так называемой элементарной ячейки кристалла,
представляющей собой наименьшую единицу кубической решетки граната, которая
повторяется в трех направлениях, образуя кристалл. Исходя из этого, кристалл
ГГГ используют в качестве «хозяина», на который можно нанести тонкую пленку
магнитного ИЖГ. Эти пленки используются для магнитных запоминающих устройств.
Сходство констант магнитного ИЖГ и немагнитного ГГГ является необходимым
условием для получения тонких пленок хорошего качества.
Возможность использования ГГГ в качестве драгоценных камней стала
очевидной, когда были измерены его оптические свойства. Показатель преломления
этого граната хотя и ниже, чем у алмаза, но существенно выше, чем у ИАГ, а
дисперсия (0,038) на глаз неотличима от дисперсии алмаза. Он, так же как ИАГ,
хорошо полируется, и если поместить рядом эти ограненные камни, то станет
ясно, что ГГГ более привлекательный камень. К сожалению, твердость его
составляет только 6,5 [10], поэтому ограненным камням трудно сохранить свою привле-

кательность в течение длительного периода использования. Другой недостаток
ГГГ, так же как и НАГ, заключается в способности собирать пыль, что ведет к
потере блеска, поэтому они требуют более частой чистки, чем другие камни. Еще
один недостаток ГГГ — его хрупкость, и плоскости его ограненных кристаллов
повреждаются легче, чем у других камней.
На ранних стадиях работ производители ГГГ столкнулись с серьезной
проблемой, заключающейся в способности камней изменять цвет под действием
солнечного света. Хотя можно изготовить совершенно бесцветные камни, но и они имеют
склонность приобретать впоследствии коричневую окраску, обусловленную
образованием центров окраски. Об этом явлении широко не сообщалось в
геммологической литературе, хотя и отмечался коричневый оттенок некоторых камней. Было
установлено, что образование центров окраски связано с очень небольшими
отклонениями отношения галлия к гадолинию в кристаллах от идеального значения,
равного 3:5, ввиду испарения окиси галлия. В настоящее время найдена
возможность исправить этот недостаток или изменением атмосферы, в которой растят
кристаллы, или введением соответствующих добавок. Кристаллы ГГГ, так же как и
НАГ, выращивают методом Чохральского и сейчас производят в нескольких
лабораториях. В соответствии с установившейся практикой крупные производители в
настоящее время выращивают кристаллы до 3 дюймов в диаметре, очень высокого
качества для нужд электронной промышленности. Выращивание же ГГГ для ювелирных
целей сосредоточено в руках двух небольших специальных фирм — «Делтроник кри-
стал индастрис» в Денвилле и «Синтетик кристал продактс корпорейшн» в Лейк-
Хопатконге, обе в штате Нью-Джерси, США. Расположение этих фирм не случайное
совпадение, а объясняется тем, что их основатели Стюарт Самуэлсон и Эдвард
Комперхио ранее работали на предприятиях электронной промышленности,
сосредоточенных в Нью-Джерси. К сожалению, недостаточная твердость ГГГ может
воспрепятствовать его продаже в широких масштабах. Время покажет, нужно ли агентам
по рекламе выдумывать еще другие, возбуждающие интерес названия. До
настоящего времени известно только одно — «таллиант».
Производство ГГГ значительно дороже, чем НАГ, частично потому, что
стоимость материалов шихты, окиси гадолиния и окиси галлия существенно выше, чем
компонентов, используемых при изготовлении НАГ. В зимнем 1973/74 г. выпуске
журнала «Гемс энд геммолоджи» Кроунингшилд высказал предположение, что оба
граната не будут продаваться из-за высокой стоимости производства и падения
интереса к заменителям алмаза. Существует не много доказательств того, что
ГГГ повлиял на былую популярность НАГ, хотя он с великодушием был принят в
семью материалов, используемых гранильщиками драгоценных камней. Окрашенные
кристаллы ГГГ получают введением присадок: зеленые камни производят с
добавками кобальта, а красные — марганца.
Этими минералами не исчерпывается семейство бесцветных синтетических
гранатов, изготавливаются камни с другими комбинациями составляющих, например ит-
трий-галлиевый (Y3GasOi2) и гадолиний-алюминиевый (GCI3AI5O12) гранаты. Они
обладают близкими к НАГ и ГГГ свойствами. Нельзя сказать, что семейство
гранатов изучено настолько, что среди них не найдется лучших заменителей алмаза,
и, вероятно, гранаты смогут сделать еще много предложений ювелирам. Тем не
менее, в настоящее время есть все признаки того, что гранаты, равно как и
другие заменители алмаза, вероятнее всего, будут вытеснены относительно новым
искусственным материалом для изготовления драгоценностей — кубической окисью
циркония. С другой стороны, гранаты могут рассчитывать на сохранение части
рынка хотя бы потому, что НАГ, вероятно, будет значительно дешевле кубической
окиси циркония.

Кубическая окись циркония
В середине 70-х годов ИАГ становится менее популярным, что » некоторой
степени связано с появлением ГГГ, хотя, как кажется, снижение популярности не
зависит от появления других, даже лучших камней. Тем не менее, 1976 г. стал
свидетелем рождения нового прозрачного материала, которому предназначено
стать выдающимся заменителем алмаза, по крайней мере в обозримом будущем.
1
Стабилизированная кубическая окись циркония (СКЦ или КЦ) имеет показатель
преломления 2,17—2,18, т. е. близкий к алмазу (2,42), поэтому на глаз трудно
различить эти два минерала. Это справедливо и в отношении ГГГ, показатель
преломления которого 2,02, а вот у ИАГ он только 1,83, так что визуально
довольно просто определить, что это не алмаз. Дисперсия КЦ, равная 0,06, также
близка к дисперсии алмаза, и, так как такую
разницу определить на глаз невозможно,
требуется инструментальная проверка. Различия в
показателях преломления и дисперсии
маскируются путем изменения соотношения углов между
гранями при огранке камня. КЦ хорошо
полируется, а твердость его, близкая к твердости
ИАГ, достаточна, чтобы обеспечить долгую
жизнь камня даже в кольцах. Плотность его
около 5,65, т. е. значительно более высокая,
чем алмаза, но для того, чтобы провести
такого рода проверку, необходимо извлечь
камень из оправы. Если камень находится в
кольце, то поскольку показатель преломления
выходит за рабочие пределы употребляемых
ювелирами рефрактометров, они не могут
воспользоваться традиционным методом для того,
чтобы отличить окись циркония от алмаза, и
даже квалифицированные специалисты не
застрахованы от ошибок. В некоторых кристаллах КЦ находили включения, однако, в
лучших высококачественных материалах их может и не быть. Наиболее надежный
метод идентификации алмаза связан с тем, что алмаз чрезвычайно прозрачен для
рентгеновских лучей. Если кольца с алмазом и его заменителями поместить на
фотографическую пленку и подвергнуть рентгеновскому облучению, то алмаз будет
пропускать эти лучи намного лучше, чем другие камни. Вследствие этого пленка
под алмазом почернеет значительно сильнее, чем под другими камнями, даже если
менять время облучения в широких пределах. КЦ, как и другие заменители,
значительно менее прозрачен, чем алмаз, и по отношению к ультрафиолетовому
свету.
Поскольку КЦ такой хороший заменитель алмаза, читатель вправе спросить,
почему же он не применялся раньше. Главная причина заключается в том, что точка
плавления его выше 2000°С, а такой температуры нелегко достичь в
газопламенной печи. Изготовление этого материала усложняется еще и полиморфизмом окиси
циркония — возможностью образования различных кристаллических структур.
Чистая окись циркония (Zr02) при комнатной температуре имеет моноклинную
структуру, при нагревании выше 1250°С изменяет ее на тетрагональную, при
температуре около 1900°С — на гексагональную, и только выше 2300°С структура Zr02
становится кубической. Однако при охлаждении кубическая окись циркония снова
приобретает моноклинную структуру. Для того чтобы получить кубическую окись

циркония, стабильную при комнатной температуре, необходимо ввести
стабилизирующие компоненты, такие, как окиси магния (МдО), иттрия (Y2O3) или кальция
(СаО) . Химическая формула одного из типичных материалов — Zr0,842Yo,i580i(92.
Дефицит кислорода в сравнении с Zr02 делает КЦ при высоких температурах
достаточно хорошим проводником электричества.
Ранее была известна так называемая стабилизированная циркониевая керамика,
которая использовалась в различных высокотемпературных конструкциях. Этот
керамический материал белый и непрозрачный. Для использования КЦ в качестве
драгоценного камня требовалось выращивать монокристаллы, а это несравненно
труднее, чем изготавливать керамический материал. Выращивание крупных
кристаллов кубической окиси циркония стало возможным только с введением новой
методики, называемой прямым высокочастотным плавлением в холодном контейнере.
Этот метод выращивания кристаллов из расплава был разработан в 1973 г. В. В.
Осико, В. И. Александровым и их сотрудниками [13] в Физическом институте им.
Лебедева в Москве. Сущность метода заключается в следующем: шихта помещается
в тигель, температура которого с помощью потока воды проходящей через трубки,
поддерживается на уровне комнатной. Высокочастотный генератор подает энергию
к порошку окиси циркония, достаточную для того, чтобы расплавить центральную
его часть, тогда как внешняя часть остается холодной и, следовательно,
твердой. Расплавленная окись циркония окружена поэтому коркой порошка того же
самого материала. Это очень важно для выращивания кристаллов КЦ, поскольку из-
за высокой точки его плавления трудно подобрать тигель: он будет либо
реагировать с расплавом, либо плавиться.
Тигель (или холодный контейнер) должен быть сконструирован так, чтобы
высокочастотное излучение проникало в окись циркония, а сама конструкция
оставалась холодной. В тигле дно закрытое, а стенки изготовлены из параллельных
медных трубок, внутри которых циркулирует вода.
Передача энергии от высокочастотного генератора к окиси циркония
осуществляется с помощью индуктора, окружающего тигель. Энергия передается эффективно
в том случае, если материалы электропроводны. Такими свойствами окись
циркония обладает только при высоких температурах. Для того чтобы сделать шихту
электропроводной, при низких температурах, к ней добавляют некоторое
количество металлического циркония, который окисляется при разогреве образца за
счет реакции с кислородом воздуха и увеличивает до необходимого количества
содержание окиси циркония в шихте. Последняя содержит также СаО или У20з,
стабилизирующие кубическую кристаллическую структуру.
Подача энергии к образцу продолжается до тех пор, пока шихта полностью не
расплавится, за исключением тонкой оболочки вблизи контакта с холодным
тиглем. Для того чтобы кристаллы росли, мощность высокочастотного нагревателя
медленно снижают. Затвердевание начинается снизу, хотя в начальные стадии
образуется твердая корка и в верхней части расплава. После охлаждения расплава
до комнатной температуры из затвердевшей массы можно выделить столбчатые
кристаллы до 2 см в диаметре и такой же высоты. Можно получить кристаллы
желтого, красного, сиреневого, коричневого и, вероятно, других цветов, но все же
наиболее популярны бесцветные, похожие на алмаз кристаллы со слегка
желтоватым оттенком.
В настоящее время КЦ производится физическим институтом им. Лебедева в СССР
и с 1976 г. продается под названием «фианит». КЦ под названием «джевалит»
производится также Джевахирджаном, больше известным своими корундами и шпине-

лями, выращенными с применением газопламенного метода, и «Сирее корнорэйшн» в
Уолтеме, Массачусетс («даймонсквай»). Аппаратура для этого метода выпускается
в Соединенных Штатах компанией «Интермат корпорэйшн», она разработана Йозефом
Ф. Уэнкусом, который сейчас является президентом «Сирее корпорэйшн».
Перспективные планы этой компании включают разработку 150-киловаттной установки,
которая будет вмещать 4 0 кг шихты для выращивания кристаллов.
Высокочастотный генератор
для нагрева
Водоохлаждаемый контейнер
Спекшаяся
кристаллическая
оболочка
Вход охлаждающей воды
Пористая корке
Расплав
Выход охлаждающей воды
Механизм опускания
а
Высокочастотный генератор Водоохлаждаемый контейнер
Вход охлаждающей воды | Вы ход охлаждающей воды
Механизм опускания
б

Несомненно, что и другие компании захотят включиться в коммерческое
производство КЦ, и в недалеком будущем новые производители объявят о выпуске этого
материала. В апрельском 1978 г. выпуске «Лэйпидари джорнел» КЦ рекламировала
фирма «Делтроник». Уменьшить стоимость КЦ и увеличить производство ее
кристаллов , отвечающих по качествам требованиям геммологов, пытаются путем
применения других методов синтеза. Возможно получение КЦ из раствора-расплава,
поскольку уже испытано несколько солевых растворителей, пригодных для
выращивания кристаллов, однако медленные скорости роста — существенная помеха для
экономически выгодного способа, конкурирующего с технологией выращивания из
расплава. Делаются попытки найти альтернативные способы достижения высоких
температур, например, с помощью мощных ламп и лазеров или ионизированной
плазмы. Можно полагать, что популярность КЦ приведет к изучению и других
материалов с высокой точкой плавления как возможных заменителей алмаза.
Алюминат иттрия
Если смешать окись иттрия (Y2O3) и окись алюминия (А20з) в отношении 1:1, а
не 3:5, как для НАГ, то полученный состав будет соответствовать алюминату
иттрия (YAIO3) . Это соединение также исследовалось как возможный лазерный
кристалл, и, подобно НАГ, оно является кандидатом в заменители алмаза. Его
твердость такая же, как у НАГ, а показатель преломления несколько выше, но для
него характерно двупреломление, так как он обладает не кубической, а
ромбической кристаллической структурой. В литературе еще не сообщалось данных по
дисперсии алюмината иттрия, но, вероятно, она близка к таковой у НАГ.
До сих нор не опубликовано результатов какого-либо систематического
исследования цвета алюмината иттрия в зависимости от примесей, однако, в
специальной литературе уже сообщалось о получении ярко-красных камней, возможно с
хромсодержащими присадками [14].
Окись иттрия
Окись иттрия представляет собой привлекательный потенциальный заменитель
алмаза, получить ее монокристаллы чрезвычайно трудно из-за очень высокой
точки плавления, которая намного превышает 2000°С. В 1970 г. в США появился
материал, называемый «иттралокс» [15]. Это керамический материал, производимый
нагреванием порошка Y2O3 с добавкой нескольких процентов Th02 в условиях очень
высокого давления, генерируемого гидравлическим прессом. В результате такого
процесса горячего прессования получают оптически прозрачный материал, который
применяется при научных исследованиях в качестве линз и других оптических
деталей, способных выдерживать очень высокие температуры.
Показатель преломления иттралокса (1,92) выше, чем у НАГ, а дисперсия,
равная 0,039, очень близка к дисперсии алмаза. Отрицательная сторона свойств
этого материала — слишком низкая твердость и невозможность достичь в
поликристаллическом материале блеска, сопоставимого с блеском монокристаллов.
Ниобаты
Еще одним кристаллическим материалом, производимым для научного применения,
но продающимся в США и как драгоценный камень, является ниобат лития
(ЫЫЬОз) , который появился под торговым названием «линобат». Его монокристал-

лы выращивают методом Чохральского путем вытягивания из расплава. Точка
плавления его относительно низка — 1250°С.
Ниобат лития обладает двойным лучепреломлением, но по показателю
преломления (2,30) он близок к алмазу. Дисперсия, равная 0,120, примерно в три раза
выше, чем у алмаза, но все же ниже, чем у титаната стронция. Из-за замутнен-
ности тыльных граней, обусловленной довольно высоким двупреломлением, и
низкой твердости, которая равна только 5,5, линобат относится к наименее ценным
среди многочисленных заменителей алмаза. «Линобат» — название фирмы по
выращиванию кристаллов в Маунтин-Вью, Калифорния, которая производит ниобат лития
и рубин в основном для научных целей. Фирму основали Фрэнк Холден и Уолтер
Нелсон в 1968 г. Совсем недавно они начали выращивать ИАГ, ГГГ и танталат
лития, в том числе и для продажи гранильщикам.
Производятся и окрашенные камни: зеленые кристаллы
получают с добавками хрома, а красные — с использованием
железа. Кобальт придает фиолетовый или голубой цвет,
тогда как добавки марганца или никеля применяют для
выращивания желтых кристаллов.
Хотя в США давно популярны как бесцветные, так и
окрашенные камни, они мало известны в Англии и вообще не
произвели в Европе того впечатления, как, например,
титанат стронция или ИАГ. Ниобатом лития не исчерпывается
ряд тугоплавких ниобатов, но он изучен наиболее тщательно, особенно его
диэлектрические и оптические свойства, наиболее существенным из которых
является двойное лучепреломление. Это связано с тем, что кубические кристаллы
непригодны для применения в лазерах, используемых в связи и в других областях
техники.
Одним из ряда таких соединений является калиевый ниобат, в котором
некоторое количество ниобия замещено танталом — калиевый тантало-ниобат (KTaxNbi-
хОз), обычно обозначаемый КТН. Ограненные камни такого состава уже появились
на ювелирном рынке [16]. Сообщалось, что они имеют высокий показатель
преломления (2,27), но не приводилось данных по дисперсии. Учитывая, что семейство
ниобатов обладает высокой дисперсией, кристаллы, выращенные вытягиванием из
расплава, несомненно, привлекательны на вид. Твердость КТН только немногим
более 6, поэтому ему едва ли будет сопутствовать широкая известность в
качестве драгоценного камня.
Еще один очень привлекательный представитель этого класса соединений —
барий-натровый ниобат (Ba2NaNbsOi5) , известный в научных кругах как «банана». Не
ограненные кристаллы в том виде, в каком их выращивают, имеют эффектный вид,
и дисперсия у них, хотя и не измерена, вероятно, выше, чем у алмаза.
Показатель преломления 2,31, и ограненные камни очень привлекательны. Тем не менее,
маловероятно, что «банана» будет выращиваться для применения в качестве
драгоценных камней, потому что это соединение не относится к числу тех ниобатов,
которые легко получать в виде кристаллов высокого качества. Однако камни
хорошего качества сейчас производят Ларри Ротрок и его коллеги из отделения
«Юнион карбайд кристал продактс» в Сан-Диего.
Титанаты
Титанат стронция (SrTiOs) , о котором уже говорилось выше, несомненно, наи-

более известен среди искусственных драгоценных камней, однако это только один
член серии соединений, которая также включает бариевый и кальциевый титанаты
— BaTi03 и CaTi03. Последние обладают свойствами, близкими к свойствам
титаната стронция, и применяются в качестве драгоценных камней. Выращивание
монокристаллов этих соединений сталкивается с довольно значительными трудностями,
что, конечно, следует рассматривать как недостаток. Титанат бария при
плавлении разлагается, и кристаллы можно вытягивать только из расплава, содержащего
избыток окиси титана. Различие составов кристалла и расплава в процессе
выращивания приводит к снижению скорости роста, что не позволяет получать эти
камни столь же рентабельно, как титанат стронция. И у бариевого, и у
кальциевого титаната показатель преломления равен 2,40.
Бромеллит
Бромеллит — минералогическое название встречающейся в природе окиси
бериллия (ВеО). Хотя бромеллит упоминается в обзорах по драгоценным камням, а
ограненные кристаллы можно увидеть в геммологических лабораториях, он никогда
бы не привлек внимание, если бы не его редкость. Кристаллы бромеллита
выращивают из раствора в расплаве, так, в частности, их получает Стэн Остерман из
«Рокуэлл интернэшйл» в Анахайме, Калифорния. Они используются для теплоотвода
в полупроводниковых устройствах. Благоприятным обстоятельством для применения
бромеллита в качестве драгоценного камня является его твердость, равная 9,
однако показатель преломления его только 1,728, да к тому же он двупреломляю-
щий минерал. Главное препятствие к использованию бромеллита заключается в его
чрезвычайной токсичности, что представляет опасность как для тех, кто его
выращивает , так и для тех, кто гранит и полирует камни.
Окись магния
В заключение следует остановиться на окиси магния (МдО), для которой иногда
употребляется ее минералогическое название — периклаз. Этот минерал не
относится к числу лучших заменителей алмаза, но время от времени в специальной
литературе появляются упоминания о нем, связанные с тем, что ювелиры иногда
представляют ограненные кристаллы периклаза на экспертизу в лаборатории по
определению драгоценных камней. Показатель преломления минерала равен 1,737,
и на глаз видно, что дисперсия его низкая, хотя значение ее определить
трудно . Твердость по шкале Мооса только 5, т.е. слишком низкая для ограненных
камней.
Какой заменитель
алмаза лучше
Ни один драгоценный камень не может конкурировать с алмазом по твердости,
но существует много синтетических кристаллов, близких или даже превосходящих
его по оптическим свойствам. Рутил и титанат бария имеют высокий показатель
преломления, причем у первого он даже выше, чем у алмаза, но блеск рутила
сводится на нет его желтой окраской. Оба этих камня обладают очень высокой
дисперсией, у рутила она слишком высока, что делает его очень сверкающим.
Титанат стронция имеет более низкий показатель преломления, а его дисперсия,
которая все же достаточно высока, чтобы камни имели привлекательный вид,
существенно ниже, чем у рутила. Дополнительным преимуществом титаната стронция
перед рутилом и титанатом бария является то, что он оптически изотропен, и
это усиливает эффект ограненного камня, если смотреть сквозь него. Титанат
стронция был бы серьезным конкурентом алмазу, но для этого у него слишком

низкий показатель преломления, не говоря о твердости. Действительно, он
слишком мягкий для того, чтобы его постоянно носить в кольцах или даже в других
украшениях, где истирание меньше.
Сапфир и шпинель слишком тусклые. ИАГ с его умеренно высокой дисперсией и
средним показателем преломления еще недавно, в 70-х годах, пользовался
успехом, компенсируя твердостью довольно скромные по сравнению с алмазом игру и
блеск. ГГГ обладает лучшими оптическими свойствами и может с успехом
использоваться в качестве драгоценного камня, но он значительно дороже ИАГ, поэтому
едва ли сумеет завоевать благоприятную конъюнктуру на рынке, потеснив позиции
ИАГ или алмаза. Кажется, что наибольшую роль в торговле заменителями алмаза в
качестве драгоценных камней играет кубическая окись циркония. Из числа давно
употребляющихся синтетических камней позиции титаната стронция в торговле
камнями наиболее стабильны, и он будет еще более популярным, если успешно
решить проблему его твердости.
Это возможно при использовании твердого покрытия, которое должно прочно
соединяться с титанатом и не влиять на его блеск. Уже есть, по крайней мере,
один патент [17], описывающий способ покрытия мягких драгоценных камней слоем
корунда. Напыление осуществляется при 500°С из газовой фазы, богатой
алюминием и кислородом, с последующим отжигом при 900—1000°С. Но если такой процесс
будет реализован в полной мере, это приведет к установлению умеренных цен на
широко известные прозрачные драгоценные камни. Однако представляется
маловероятным, что твердое кристаллическое покрытие будет прочно удерживаться на
всех гранях без трещин и видимых дефектов. Практически высококачественное
покрытие возможно только тогда, когда существует хорошее соответствие между
атомами покрытия и обрабатываемого кристалла. Отсутствие камней с покрытием
на ювелирном рынке является доказательством того, что успех в этом деле, по
крайней мере, для титаната стронция еще не достигнут. Тем не менее, в
настоящее время дублет с базой из титаната стронция и головкой из корунда (сапфира)
— один из наиболее привлекательных искусственных заменителей алмаза,
единственный недостаток которого заключается в неопределенности влияния длительного
воздействия света на склеивающее вещество.
Таким образом, в настоящее время дублером алмаза, несомненно, может
являться лишь кубическая окись циркония, которая хорошо заменяет его во всех
отношениях , кроме твердости. Интересно отметить, что хотя ко времени написания
книги кубическая окись циркония как драгоценный камень была известна уже
больше года, она оставалась не известной широкой публике. Можно ожидать
начала шумной рекламной кампании, но это еще впереди. Я даже слышал о
предположениях, что отсутствие рекламы может быть использовано в неблаговидных целях:
кубическая окись циркония настолько хороший заменитель алмаза, что ничего не
подозревающий покупатель может приобрести ее как алмаз, а профессиональные
ювелиры не смогут объяснить ему различия. Однако такое объяснение
неправдоподобно, поскольку подразумевает уголовно наказуемый обман специалистами и
торговцами , да к тому же есть несколько способов, позволяющих отличить окись
циркония от алмаза. Вообще у кубической окиси циркония только один большой
недостаток — высокая точка плавления, делающая трудным выращивание
кристаллов .
Поскольку крупные алмазы хорошего качества встречаются все реже, его
заменители должны стать более популярными, чем в прошедшие времена.

СЕМЕЙСТВО КРЕМНЕЗЕМА
Семейство кремнезема включает в себя удивительно разнообразные драгоценные
камни. Кроме бесцветных минералов, называемых горным хрусталем, в него входят
фиолетовый аметист, желтый или коричневый цитрин, дымчатый кварц, розовый
кварц и коричневая разновидность кварца с включениями асбеста — тигровый
глаз. Все эти разновидности кварца представляют собой кристаллическую форму
кремнезема, или двуокиси кремния (Si02) , с различными типами примесей,
определяющими характер окраски. Хотя слово «кварц» относится только к
монокристальным формам, кремнезем также встречается в виде агрегатов
микрокристаллов . В отличие от прозрачных кристаллов такие материалы полупрозрачные. В
число последних входит ряд недорогих камней, таких, как агат, сердолик,
гелиотроп, моховой агат и оникс, которые популярны среди гранильщиков-
любителей. Однако наиболее высоко ценимый и захватывающий воображение
драгоценный камень семейства кремнезема — благородный опал, который по праву
включен в короткий список наиболее дорогих камней, поскольку цены на него
сопоставимы с ценами на алмаз или рубин. История синтеза опала — одна из наиболее
интересных в развитии производства драгоценных камней, и ей будет посвящена
значительная часть настоящей главы.
Кварц привлек к себе особое внимание во время второй мировой войны.
Кристаллы кварца обладают пьезоэлектрическим свойством, означающим, что они
могут вибрировать при приложении переменного электрического поля, причем
вибрация характеризуется постоянной частотой, зависящей от размера изделия. Пла-
Специалисты по выращиванию кристаллов нашли превосходный метод получения
крупных и довольно совершенных кристаллов кварца, правильно восприняв намек
природы. Если к воде добавить щелочи, то при температуре около 400°С
растворимость кварца становится довольно высокой. Обычно кварц выращивают методом с
использованием температурного градиента, когда затравочные пластины,
вырезанные из кристаллов, расположены в верхней холодной части раствора, а мелкие
частицы кварцевой «пищи» — в нижней горячей секции. Обычно в той части, где
расположены затравки, температура 360°С, а в питающей области — 400°С.
Количество раствора тщательно регулируется с тем, чтобы при температуре и
давлении , необходимых для выращивания кристаллов, он полностью заполнял полость
сосуда. При высокой температуре мелкие частицы кварца растворяются, и
конвективными потоками кремнезем переносится в область, где растут кристаллы.
Затравочные пластины вырезаются перпендикулярно оси третьего порядка кристалла
кварца, вдоль которой скорость роста наибольшая. Кристаллы могут расти со
Кварц
стина, вырезанная из кристалла кварца, имеет
характерную частоту, которая стабильна в чрезвычайно узком
диапазоне при условии, что температура кварца остается
постоянной. Вследствие этого кварцевая пластина —
неотъемлемая деталь пьезокварцевого генератора, важного
прибора в технике связи. Например, для уверенного
приема длина несущей волны, излучаемой передатчиком,
должна быть строго стабильной. В течение войны спрос
на кристаллы кварца, необходимые для военных целей,
превосходил предложение, что было обусловлено
нарушением обычных для мирного времени торговых связей.

скоростью около 1 мм/сут. В конечном итоге кристалл увенчивается двойной
пирамидой, однако, выращивание заканчивают раньше, поскольку габитусные грани
пирамиды растут очень медленно. Когда рост прекращают, поверхность кристалла
имеет характерный вид булыжной мостовой, что делает возможным легко узнавать
такие кристаллы до их огранки. Неровная поверхность кристалла связана с
дефектами внутренней структуры кристалла, что позволяет идентифицировать
синтетические кристаллы кварца даже после огранки, правда, для уверенного
обнаружения этих дефектов структуры могут понадобиться довольно сложные приборы.
Обратный клллш
Канты дпя термопар
Т(0МО|*МЛЯТОР
Данный .
м^грсватгл^
кристаллы кйЦщж
' 8— . „
Т tptau нМл и т □ р

Сосуд высокого давления, используемый для гидротермального выращивания
кварца, изготавливают из прочных стальных сплавов, так как он должен
выдерживать давления примерно от 1 ООО до 2 ООО атм при температуре 400°С. Он также
должен быть стойким к химическому воздействию раствора и может быть футерован
благородными металлами, такими, как золото, серебро или платина. Сосуды
высокого давления, называемые автоклавами, могут иметь внутренний диаметр до 30
см или более, и в них в настоящее время выращивают кристаллы весом более
десятка килограммов, необходимые для промышленных целей. Только в редких
случаях кристаллы синтетического кварца используют в качестве драгоценных камней,
так как природный горный хрусталь сравнительно недорог.
Вплоть до последнего десятилетия производство окрашенных кристаллов кварца
испытывало трудности, связанные с тем, что соли многих металлов нерастворимы
в щелочных растворах, а растущие кристаллы характеризуются сильной тенденцией
«отторгать» примеси, которые поэтому в течение процесса роста остаются в
растворе. Железо входит в состав кристаллов, когда для растворения кварца,
вместо натриевых, в воде растворяют калийсодержащие соединения. В этом случае
кварц приобретает зеленую или коричневую окраску. Эти цвета не особенно
привлекательны, и их нельзя изменить на более желательный фиолетовый цвет
аметиста .
В 1969 г. в статье Безила Андерсона [1] сообщалось о голубом кварце,
который, вероятно, был получен в Советском Союзе, где выращивание кварца из
гидротермальных растворов ведется в широких масштабах. Привлекательный голубой
цвет, не характерный для природных камней, обусловлен присутствием кобальта.
Во второй статье этого же автора, посвященной голубому кварцу [2],
упоминается о необычайном эффекте: когда свет, отраженный от листа белой бумаги,
проходит сквозь кристалл, видна рябь, которая может быть результатом дефектов
структуры при наращивании на затравку.
Примерно в это же время цветной синтетический кварц начала производить
фирма «Сойер рисерч продактс» в Огайо, США, продукция которой пользуется широкой
известностью. Происхождение окраски как натуральных, так и синтетических
разновидностей кварца интенсивно изучалось с использованием тонких методик
физики твердого тела, таких, как электронный спин-резонанс и ядерно-магнитный
резонанс. В этих случаях материал помешался в мощное магнитное поле и
подвергался электромагнитному облучению различной частоты. Образец поглощает
излучение характерной частоты, которая зависит от вида атома, его валентного
состояния (числа электронов в атоме, способных образовывать химические связи) и
положения в кристаллической решетке.
Коричневые синтетические камни, напоминающие природный цитрин, были
получены добавлением в гидротермальный раствор соединений железа, причем
затравочные пластины вырезались в специально выбранных направлениях. Предполагают,
что коричневая окраска обусловлена или вхождением в кристаллическую решетку
ионов трехвалентного железа, или тонкодисперсными силикатами железа,
присутствующими в виде очень мелких частичек внутри кристалла кварца. Зеленые камни
получают нагреванием коричневых разновидностей для восстановления
трехвалентного железа до двухвалентного опять же или в кристаллической решетке, или в
тонкодисперсных частичках. При радиоактивном облучении (например, когда в
качестве источника излучения используют кобальт-60) кварц приобретает
фиолетовую окраску, характерную для аметиста. Такой цвет обусловлен существованием в
веществе так называемых центров окраски, которые выполняют роль электронных

ловушек и задерживают именно те электроны, которые вызывают селективное
поглощение света и тем самым приводят к окрашиванию камня. Можно предположить,
что для центров окраски, определяющих цвет аметиста, необходимо присутствие
ионов трехвалентного железа. Образование центров окраски требует относительно
высоких энергий при низкой температуре. Эту энергию наиболее удобно подавать
с помощью радиоактивных частиц, которые бомбардируют кристалл. Если
бомбардировка осуществляется при высоких температурах, то центры окраски не
образуются, так как в этом случае электроны возвращаются на свои первоначальные
орбиты. И действительно, эксперименты подтверждают, что фиолетовая окраска
исчезает, если камни нагревать. Вероятно, метод, используемый для получения
синтетического аметиста, воспроизводит природные условия, так как естественные
кристаллы кварца длительное время подвергаются радиоактивному облучению
благодаря присутствию во вмещающих породах радиоактивных минералов.
Темно-коричневый цвет кристаллов дымчатого кварца также обязан характерному
экранирующему воздействию центров окраски. В естественных минералах эти
центры образуются благодаря одновременному присутствию в кристаллах примесей
натрия (или лития) и алюминия, которые и в этом случае должны быть облучены.
Цвет синтетических камней усиливается при добавлении в раствор небольших
количеств германия с последующим облучением получаемых кристаллов, которые до
облучения, вероятно, были бесцветными.
Низкие концентрации ионов трехвалентного железа приводят к образованию
кристаллов желтого цвета. Очень крупные желтые кристаллы были выращены фирмой
«Сойер рисерч продактс». Голубые кристаллы, которые привлекли внимание
Андерсона, получены нагреванием кобальтсодержащих камней в восстановительной (при
дефиците кислорода) атмосфере в результате превращения трехвалентных ионов
кобальта в двухвалентные.
Маловероятно, что торговля окрашенными кристаллами кварца достигнет
значительных объемов в связи с низкими ценами на аналогичные естественные камни.
Прекрасные цитрины, аметисты и другие разновидности кварца можно приобрести в
виде ограненных и отполированных камней менее чем за 2 доллара. В то же время
цветные разновидности синтетического кварца привлекают гранильщиков, так как
из них можно делать изделия очень приятного вида. В настоящее время охотно
используется только голубая или сине-зеленая синтетические разновидности
кварца, производимые в Советском Союзе, которые продаются (по цене около 10
центов за карат) в виде образцов весом 100—150 карат.
Опал
Опалы отличаются от большинства разновидностей кварца двумя особенностями:
они некристаллические и характеризуются существенной концентрацией воды,
химически связанной с кремнеземом. Выделяются четыре
типа благородного опала, среди них наиболее высоко
ценится черный опал, который обычно имеет очень
темный синий цвет со «вспышками» многих других цветов.
Сходный цветовой эффект наблюдается и в белом опале,
но фон в нем молочно-белый или бледных расцветок.
Для водного опала характерен бесцветный, «водяно-
белый» фон. Окрашенный в оранжево-красные тона
огненный опал прозрачный и отличается от других
разновидностей тем, что ему не свойственна игра цветов.
Тем не менее, в структурном отношении он сходен с другими типами опалов, а не

представляет собой монокристалл или микрокристаллическую форму кремнезема,
как агат.
Примерно десять лет назад господствовало мнение о невозможности синтеза
опала. Считалось, что для образования природных опалов требуется длительное
время, может быть до 100 ООО лет, и, казалось, нет путей ускорить этот
процесс до такой степени, чтобы он был приемлем для лаборатории или завода. В
настоящее время синтез опала сделался возможным только благодаря интенсивным
научным исследованиям структуры и свойств естественных минералов. Наибольший
интерес к этому вопросу был проявлен в Австралии, где известны самые крупные
в мире месторождения опала.
Окраска опалов связана с наличием небольших зерен минерала диаметром от
менее одного до нескольких миллиметров. Каждое зерно имеет свой характерный
цвет, который может быть тем же самым, что и цвет соседнего зерна, но чаще
отличается. Хорошо известно, что по внешнему виду любые два опала чрезвычайно
непохожи друг на друга, и их различие может быть результатом как характера
распределения зерен различного размера, так и цвета зерен. Еще большее
значение имеет то, что цвет каждого зерна меняется, когда опал поворачивают так,
что свет отражается под различными углами. Таким изменением цвета частично
обусловлен очаровательный облик опалов, но это также важный ключ к поиску
причин образования их окраски.
До недавнего времени цвет опалов приписывали эффекту интерференции, как это
наблюдается в мыльной или масляной пленке, плавающей на поверхности воды. В
этих случаях цвета возникают потому, что лучи света отражаются как от нижней,
так и от верхней поверхности пленки. Интерференция приводит к тому, что при
некоторой разности хода этих двух отраженных лучей свет усиливается для одних
длин волн и ослабляется для других. Удаление определенной длины волны из
спектра белого света вызывает появление так называемого дополнительного
цвета. Таким образом, тонкие пленки обладают цветом, который зависит от их
толщины и угла, под которым свет отражается. Относительно опала было высказано
предположение, что он состоит из мелких сфер кремнезема, которые образуют
пленки внутри тела аморфного (стеклообразного) гидратированного кремнезема.
Детальное изучение структуры благородного опала было начато в Австралии в
начале 60-х годов [6]. В качестве главного инструмента исследований
использовался электронный микроскоп, который подобен оптическому микроскопу, за
исключением того, что вместо пучка света используется пучок электронов. Большое
преимущество электронного микроскопа заключается в его очень высокой
разрешающей способности, что позволяет различать объекты, имеющие размеры в сотни
раз меньше тех, которые можно увидеть в оптический микроскоп. Главным же
недостатком электронного микроскопа, помимо высокой стоимости оборудования для
ускорения электронов и необходимости создания глубокого вакуума, в котором
перемещаются электроны, является очень небольшая проникающая способность
последних. Чтобы электроны не были полностью поглощены, пленки должны быть
чрезвычайно тонкими. Для преодоления этой трудности структуру опалов изучали
с помощью реплики (копии) его поверхности в виде очень тонкой пленки. Реплику
изготавливают следующим образом: вначале опал дробят в вакууме, чтобы
обнажить свежие поверхности, которые затем под очень небольшими углами
бомбардируют атомами платины. Платина «налипает» только на выступающие участки
поверхности и таким образом подчеркивает контрастность ее контура. После этого
всю поверхность бомбардируют атомами углерода, получая равномерную пленку, а

затем платину и опал растворяют в кислоте. Таким образом, остается тонкая
пленка углерода, которая имеет контур той поверхности, на которую он
наносился .
Электронно-микроскопическое изучение обнаружило две главные характерные
особенности опала, одну из которых можно было предположить, а другая
оказалась совершенно неожиданной. Подтвердилось, что кремнезем в основном образует
мелкие сферы (шарики), обычно имеющие около 0,2 мкм в диаметре. Неожиданным
было то, что сферы кремнезема уложены в строгом геометрическом порядке, и это
прямо указывает на происхождение цвета опала, поскольку такая правильная
структура играет роль трехмерной дифракционной решетки. Термин дифракционная
решетка не является общеупотребительным, но с ним знакомы студенты физических
специальностей. Наиболее простой вид решетки изготавливают нанесением на
предметное стекло серии очень близко расположенных тонких линий. Если на
такую решетку падает параллельный пучок света, можно наблюдать цвета спектра,
часто более четкие, чем в спектре, получаемом с помощью стеклянной призмы.
Спектр образуется за счет взаимодействия света, рассеиваемого этими линиями.
Можно найти аналогию с потоком воды в реке, омывающим валуны. Отдельный
валун, выступающий из воды, нарушает волну, проходящую мимо него. Если же волна
омывает не один камень, а серию валунов, расположенных друг от друга на
равных расстояниях, то можно ожидать, что результирующее нарушение волны даст на
поверхности воды правильный рисунок. Характер рисунка зависит от амплитуды
волны и расстояния между валунами. Дифракция света сходна с этим явлением, но
происходит в очень малых масштабах, и свет с определенной длиной волны
рассеивается только в характерных направлениях, так что цвет можно видеть лишь
под определенным углом к решетке.
Таким образом, благородный опал состоит из прозрачных сферических частичек
аморфного кремнезема примерно одинакового размера, которые плотно упакованы в
правильном порядке. Сферы (шарики) контактируют между собой, а промежутки
между ними заполнены воздухом, водяным паром или водой. В благородных опалах
диаметр сфер колеблется в пределах от 0,15 до 0,3 мкм, и только такого
размера сферы могут давать дифракционные цвета в широком интервале спектра. Опалы,
которые образованы сферами кремнезема большего или меньшего размера и
сферами, размеры которых колеблются в широком интервале или плохо оформившимися,
не способны давать цветовой дифракционный эффект и классифицируются как
«обычные» в отличие от благородных разновидностей. В огненных опалах,
известных главным образом в Мексике, пространство между сферическими частичками
заполнено веществом, имеющим те же оптические характеристики, и поэтому
дифракция в них не проявляется. В других типах опалов неправильное расположение
пустот между сферами обусловливает их молочно-белый цвет с характерной опа-
лесценцией. Прекрасные черные опалы характеризуются чрезвычайно строгим
расположением шариков кремнезема, содержащих, кроме того, примеси железа и
титана , которые способствуют поглощению света, и поэтому камни имеют черный цвет.
Детальное объяснение образования таких камней в природе в значительной мере
умозрительно, однако ученые из Австралии П. Дарра, А. Гаскин и Дж. Сандерс
предложили общую теорию образования благородного опала [7]. Электронно-
микроскопическое изучение показало, что сферические частички опала образованы
концентрическими оболочками, сложенными из еще более мелких частичек
кремнезема размером 0,02—0,05 мкм. Эти мельчайшие частички возникают при медленном
испарении воды и увеличении концентрации кремнезема в гидротермальном
растворе . Образование благородного опала можно представить как процесс, при котором
сферы кремнезема одинакового размера располагаются в правильной последова-

тельности, часто соответствующей гексагональной симметрии, тогда как сферы
другого диаметра отторгаются, когда опал становится крупнее. Такое отторжение
отличающихся по размеру шариков, вероятно, требует медленных скоростей роста,
так что в областях, где образуется благородный опал, испарение воды из крем-
неземсодержащего раствора должно происходить с наименьшей скоростью. Точно
еще не известно, какие условия в земной коре содействуют образованию опала, а
в каких образуется кристаллический кварц или аморфный кремнезем. Однако мы
можем предположить, что обстановка, при которой может сформироваться большое
число шариков кремнезема одинакового диаметра, необходимых для образования
благородного опала, и тем более оптимальные условия, способствующие
правильной упаковке этих шариков и образованию благородных разновидностей опала,
весьма редки.
Таким образом, опалы в природе образуются в условиях, когда возникают
маленькие шарики кремнезема, но они не разрастаются до больших размеров.
Необходимо, чтобы раствор чистого кремнезема оставался в полостях внутри породы,
а испарение воды происходило медленно, вероятно в течение нескольких тысяч
лет. Например, на месторождении Андемука в Южной Австралии опал приурочен к
слою конгломератов, залегающему на глубине от 10 до 40 м. Выше этого слоя
лежат кремнеземсодержащие породы, которые служат источником вещества для
образования опала. Слой конгломератов подстилается бентонитовыми глинами,
препятствующими проникновению кремнеземсодержащего раствора в нижележащие
горизонты. Опал отлагался в полостях между валунами конгломерата из этого раствора,
который по мере медленного испарения в сухую атмосферу пустыни становился все
более концентрированным.
Постепенное накопление знаний о структуре опала и развитие теории о его
образовании в природе сделали реальным синтез в лаборатории этого
«невозможного» минерала. Методика приготовления мелких сферических частиц строго
выдержанного размера уже была известна. В этом отношении человек имеет некоторое
преимущество перед природой, так как природные растворы кремнезема вследствие
колебаний температуры в процессе осаждения образуют частицы, размеры которых
колеблются в широких пределах.
Патент на изготовление драгоценного опала был выдан в 1964 г. [8]
австралийцам А. Гаскину и П. Дарре. Первая стадия процесса синтеза включала в себя
приготовление шариков кремнезема требуемого размера. Раствор натриевого
силиката деионизинировался нагреванием с ионообменными смолами при температуре
100°С в течение от 30 до 100 ч. Этот процесс содействует осаждению
коллоидного кремнезема, который затем образует шарики размеров, характерных для
благородного опала. Более крупные шарики, которые могут сформироваться в это
время, периодически удаляются путем перемешивания жидкости и использования
центрифуги. Полученную суспензию выдерживают в высоком цилиндре в течение
нескольких недель для осаждения частиц. После того как шарики распределятся по
слоям и наиболее крупные частички опустятся на дно, с помощью пипетки
извлекают слой, содержащий шарики нужного диаметра, без нарушения выше- и
нижележащих слоев.
Приготовленные таким образом шарики представляют собой гидратированный
кремнезем, но содержание в них молекул воды, связанной с кремнеземом, по
сравнению с опалом слишком высокое. Поэтому шарики должны быть частично
дегидратированы продолжительным нагреванием при температуре 100°С или, если
нужно, чтобы процесс протекал быстрее, при 600° С. Такая обработка
содействует скреплению частиц друг с другом. В патенте также упоминается использование

клеящего вещества, такого, как полиметиловый метакрилат. В получающемся
твердом веществе он заполняет, но не полностью воздушные поры.
Примерно в то же время, когда появились ранние работы австралийцев, Р.
Дилер и Г. Сире из компании «Дюпон де Немюр» в Уилмингтоне, шт. Делавэр, США,
получили частички кремнезема диаметром 0,1 мкм и в промежуточном слое между
плотным белым слоем с большой концентрацией шариков на дне, и разбавленным
слоем в верхней части наблюдали восхитительные цвета. Они сообщили, что при
добавлении к раствору соляной кислоты образуются твердые частички, спектр
цветов которых изменяется ог красного, оранжевого, желтого и зеленого до
синего и фиолетового. Вероятно, это первое сообщение о лабораторном
воспроизведении игры цветов, характерной для опала [ 9 ] . Шарики кремнезема осаждали с
тем, чтобы получить «конгломерат», который затем отжигали при 900°С, в
результате чего шарики скреплялись друг с другом, образуя жесткое, твердое
тело. В полученном материале наблюдались цветовые эффекты, но только тогда,
когда он пропитывался жидкостью, такой, как вода или бутиловый спирт.
В последующих исследованиях в Австралии довольно медленный процесс с
использованием натриевого силиката был заменен методом с применением
органических соединений кремния, главным образом тетраэтилортосиликата [10], из
которого приготавливают суспензию в смеси воды и спирта. При добавлении аммиака к
предварительно перемешанному (взбалтыванием) раствору в результате химической
реакции образуются шарики кремнезема одинакового диаметра. Наиболее трудная
задача—найти способ уплотнить шарики для того, чтобы уменьшить объем пустот
между ними и таким образом улучшить прозрачность. Пропитка пластиком приводит
к неравномерной усадке шариков при его затвердевании, поэтому применение
таких веществ нежелательно, так как образующийся материал следует считать
имитацией, а не синтетическим опалом. Едва ли можно полагать, что природный
материал содержит пластик! Поэтому предпочтительнее уплотнять шарики
нагреванием при температурах между 500 и 800°С. Кристаллический кремнезем образуется
при температурах выше 800°С, а опалы хорошей прочности и твердости получают
нагреванием при более низких температурах.
В 1971 — 1972 гг. появились первые сообщения об опалах, изготовленных
Пьером Жильсоном во Франции. На разработку процесса ушло четыре года интенсивных
исследований. До сих пор точно не известен метод получения этих драгоценных
камней, но, вероятно, для получения шариков кремнезема используется тетраэти-
лортосиликат или сходный материал. Сообщалось, что только 5—6% исходного
материала расходуется для производства опала, возможно, потому, что процент
выхода шариков необходимого размера лежит в этих пределах. Для полного
завершения процесса синтеза опала требуется год. Получают как черные, так и белые
опалы, и эти очень привлекательные камни близки к природным разновидностям.
Опалы Жильсоиа поступили в продажу в конце 1973 г. и до сих пор остаются
единственными действительно синтетическими опалами, выпускаемыми в
коммерческих масштабах.
Ювелиры чрезвычайно активно пытаются определить характерные особенности
опалов Жильсона и разработать критерии, с помощью Которых их можно отличать
от природных камней. В одном из обстоятельных сообщений [11] указывалось, что
для белого опала характерна столбчатая структура, если смотреть на него
сбоку, а в проходящем свете он имеет розоватый цвет, напоминающий цвет
буйволовой кожи с светло-розовыми, зеленовато-синими и желтыми пятнами. Говорят, что
при наблюдении в микроскоп промежутки между зернами имеют вид сухих листьев,
а текстура черного и белого опалов сходна с кожей ящерицы или рыбьей чешуей.

Многие опалы Жильсона обнаруживают пористость и становятся прозрачными при
погружении в хлороформ. Казалось бы, что определение пористости может служить
одним из наиболее надежных критериев различия искусственных и естественных
опалов, однако некоторые природные опалы также могут иметь высокую пористость
и впитывать жидкость. Особый интерес вызвало сообщение [12] об опалах
Жильсона австралийских исследователей, которые первыми объяснили структуру
благородного опала. Они отмечали, что окраска проявляется в участках, связанных со
столбиками, имеющими в диаметре примерно 1 мм, которые, очевидно,
образовались в стадию осаждения шариков кремнезема. Однако такая столбчатость может
быть нарушена случайными незначительными изменениями процесса осаждения и
поэтому не во всех случаях может служить отличительным признаком синтетических
опалов.
Эффект «кожи ящерицы», упоминавшийся выше, представляет собой субструктуру
столбчатых зерен, которую можно наблюдать только под микроскопом, тогда как
сами зерна видны невооруженным глазом. Этот эффект может, вероятно, исчезнуть
при небольших изменениях технологии.
Когда для изучения камней Жильсона стали использовать электронный
микроскоп , то обнаружилось, что они обладают той же микроструктурой, что и
природные опалы, т. е. строгой последовательностью упаковки мелких шариков
кремнезема. Однако мелкие шарики опалов Жильсона не сложены из еще более мелких
сфер, что характерно для естественных опалов. К тому же опалы Жильсона
содержат цементирующий материал, заполняющий полости между шариками. Нельзя
ожидать, что такая микроструктура будет обладать высокой пористостью, и
действительно , не все синтетические камни пористые.
ДРУГИЕ СИНТЕТИЧЕСКИЕ ДРАГОЦЕННЫЕ КАМНИ
Других синтетических драгоценных камней, кроме описанных в предыдущих
главах, которые производятся в значительных масштабах, относительно немного.
Если и есть исключения, то это нормальное явление, поскольку природные камни
становятся или уже стали относительно редкими. Редкость повышает ценность
камней, как, впрочем, и любых потребительских товаров, так что их синтез
становится все более привлекательным занятием производителей, даже если
технология получения искусственных камней сталкивается с методическими трудностями и
является дорогостоящей. Синтетические камни приобретают весьма полезное
значение, дополняя естественные минералы, и многие люди могут получить
удовольствие, созерцая красоту синтетического камня, если они не обладают более
дорогим природным самоцветом.
Александрит
Александрит представляет собой разновидность минерала хризоберилла, двойной
окиси бериллия и алюминия. Следовательно, хризоберилл
родствен бериллу и особенно шпинели, хотя он кристаллизуется в
ромбической сингонии, а не в кубической, как шпинель.
Твердость хризоберилла 8,5, поэтому он является одним из самых
твердых минералов. Наиболее обычный цвет
хризоберилла—зеленовато-желтый — обусловлен примесями железа. Хризоберилл
был популярен в конце XIX и начала XX столетий. Александрит
— наиболее редкая разновидность этого минерала, для которой

характерно замещение некоторого количества алюминия хромом. Его месторождения
известны в Бирме, Шри Ланке и, наиболее значительные, на Урале в Советском
Союзе. Минерал получил название от имени русского царя Александра II, в день
рождения которого он был открыт в 1830 г.
Необычное явление изменения цвета, известное как александритовый эффект, до
сих пор полностью не объяснено. При дневном освещении александрит обычно
имеет серо-зеленый или даже насыщенный зеленый цвет, что зависит от содержания
хрома, которое различно у минералов из разных месторождений. Зеленый цвет
может иметь слабый красноватый оттенок в зависимости от того, как на камень
падает свет. Однако если александрит поместить под искусственный свет, особенно
идущий от флуоресцентной лампы, камень кажется красным. Иногда изменение
цвета можно наблюдать и при вращении камня, когда свет проходит сквозь него в
различных направлениях.
Александритовый эффект связан с необычной ролью, которую играют ионы хрома
в кристаллической решетке минерала. Александрит — двупреломляющий минерал, и
изменение цвета, которое иногда наблюдается по мере вращения камня, можно
понять лучше, если принять во внимание различные спектры поглощения вдоль
различных осей кристалла [1]. Этот минерал, как говорилось выше, кристаллизуется
в ромбической сингонии, а это значит, что атомы образуют прямоугольную
решетку, в которой каждая сторона элементарной ячейки имеет разную длину. Синий
свет интенсивно поглощается, когда он проходит сквозь кристалл во всех
направлениях, но вдоль так называемой оси «а» кристалла поглощается только этот
свет; следовательно, если александрит наблюдать со светом, проходящим в этом
направлении, то виден дополнительный цвет, а именно желтый. Вдоль оси «Ь»
существует дополнительная широкая область поглощения, охватывающая красный и
желтый диапазоны, так что проходящий, т.е. видимый наблюдателем, свет —
зеленый. Желтый свет также поглощается, когда проходит вдоль оси «с», так что в
этом направлении кристалл пропускает свет с длиной волны, соответствующей как
красному, так и зеленому цвету, с частым преобладанием красного. Свет после
прохождения через александрит обычно имеет различные длины волн и образуется
из пучков лучей, которые пересекают кристалл в различных направлениях
относительно осей а, Ь, с. Человеческий глаз соединяет эти различные составляющие и
складывает их в единый сигнал, который посылается в мозг, поэтому александрит
кажется окрашенным в один цвет. Если этот минерал вращать или менять условия
его освещения, то при этом будут меняться длины волн света, достигающего
глаза, и даже небольшие изменения могут быть достаточными, чтобы повлиять на
наблюдаемый цвет камня. Иногда эти изменения длин волн составляющих света
настолько малы, что часто не улавливаются спектрометром, который измеряет
интенсивность света определенной длины волны, а не усредненный полный свет.
Таким образом, воспринимаемое наблюдателем изменение цвета александрита связано
с природой зрительной системы человека больше, чем с резкими изменениями
самого объекта. Однако относительная интенсивность красной или зеленой
составляющей достигающего глаза света зависит от характера освещения. Искусственный
свет более богат длинными волнами, так что красный свет становится
преобладающим. В дневном свете преобладают длины волн, соответствующие зеленому и
желтому свету, к которым глаз более чувствителен, поэтому в этих условиях
александрит имеет зеленый цвет.
Предпринимались попытки понять главные причины сложного спектра поглощения
александрита. Предполагалось, что ионы трехвалентного хрома локализуются в
двух различных кристаллографических позициях, причем в одной больше, чем в
другой [2]. Александритовый эффект наблюдается и у других драгоценных камней,

включая синтетические, которые выращивались как заменители александрита.
Поскольку добыча природного александрита в течение ряда лет была невелика,
не было неожиданным, что в продаже появились синтетические камни. Продавалась
разновидность корунда с добавками ванадия, для которой также характерно
эффектное изменение цвета, но от пурпурно-синего до розового, а не от зеленого
до красного. При искусственном освещении розовый цвет преобладает и
усиливается, тогда как на дневном свету сильнее проявляются пурпурные оттенки.
Синтетические камни, подобные этим, не продавались в промышленно развитых
странах, но нашли свой рынок в юго-восточной Азии. Многим путешественникам только
тогда становилась ясной их ценность, когда они узнавали, что купленные «по
дешевке» в Шри Ланке или Таиланде александриты или рубины были произведены
фабрикой в Швейцарии, а не матушкой-природой.
Кроме корунда также выращивалась разновидность шпинели, для которой
характерно изменение цвета от зеленого до серого.
Кристаллы хризоберилла и александрита выращивались из раствора в расплаве
Е. Фарреллом и Дж. Фангом в Массачусетсом технологическом институте [3].
Кристаллы получали при медленном охлаждении раствора в литий-молибдатовом
плавне, но их величина была не более 3 мм и они не отличались хорошей
кристаллографической формой. Четыре года спустя В. Боннер и Л. Ван-Эйтерт из
лаборатории «Белл», используя очень медленную скорость охлаждения (0,5 °С в час),
вырастили кристаллы размером до 4,4 см в поперечнике из сложного плавня,
состоящего из окиси свинца, фторида свинца, кремнезема и окиси бора [4]. Можно
ожидать, что такие медленные скорости роста должны привести к образованию
небольшого количества, но зато более крупных кристаллов, содержащих к
тому же меньше включений.
Сообщалось [ 1] , что александрит был также выращен методом Вернейля, т. е.
плавлением в пламени, однако не приводилось описания качества и вида
кристаллов, полученных этим методом. Кристаллы можно синтезировать и методом
вытягивания из расплава [5] , но сравнение полученных камней с природными
неутешительно , и очевидно, что у синтетических кристаллов, выращенных из раствора в
расплаве, пока еще конкурентов нет.
В настоящее время кристаллы александрита для коммерческих целей
производятся фирмой «Криэйтив кристалл» в Дэнвилле (Калифорния) и продаются по цене
примерно от 300 до 500 долларов за карат. Это высокая цена для синтетических
камней, и она свидетельствует о редкости природных кристаллов хорошего
качества. Лучшие александриты из месторождений Советского Союза могут продаваться
по цене от 6000 до 20 000 долларов за карат. Синтетические александриты
появились в продаже в 1972 г. , и, как сообщалось [6] , они более похожи на
природные русские александриты, чем на этот же камень из Шри Ланки.
Основатели фирмы «Криэйтив кристалз» Карл Клайн и Дэвид Паттерсон
зарегистрировали патент на получение синтетического александрита, сделав тем самым
необычный шаг [ 7 ] . Ранее такие известные производители драгоценных камней,
как К. Чэтем и П. Жильсон, никогда не патентовали свои процессы, больше
полагаясь на секретность и свое умение получать превосходные кристаллы. Стоимость
патента в области производства синтетических драгоценных камней зависит
главным образом от того, насколько он может быть претворен в жизнь.
В патенте фирмы «Криэйтив кристалз» сообщается, что для успешных экспери-

ментов необходимо определить оптимальные концентрации хрома, который нужно
добавлять к хризобериллу для получения лучшего цвета. Установлено, что
необходимо добавлять не только хром, но и железо, причем отношение железа к хрому
подбирается в соответствии с размером получаемого камня.
Обычный метод производства александрита, описанный в патенте, "включает в
себя медленное охлаждение раствора ВеО и А20з в плавне Li20+Mo03 от 1200°С со
скоростью 1°С/ч. Окись бериллия и глинозем составляют около 4% массы
расплава, а окись железа (Fe203> и окись хрома (Сг20з) — около 1%. Фактически
содержание железа варьирует от 0,7 до 2,8%, а хрома — от 0,001 до 0,5%. В качестве
затравочных кристаллов используются природные или синтетические хризобериллы,
которые помещают в платиновую рамку и опускают в расплав перед началом
охлаждения. Используют 236 затравок, размещая их в два горизонтальных ряда по 118
штук. Рост продолжается от 7 до 9 недель, затем кристаллы разрезаются для
отделения александрита от затравки. В патенте также упоминается о выращивании
кристаллов методом вытягивания из расплава. Этим способом получены кристаллы
весом до 400 карат, длиной до 7,5 см и размером в поперечнике около 2 см,
однако кристаллы, выращенные из раствора в расплаве — наиболее привлекательные
синтетические александриты.
Д. Паттерсон, президент фирмы «Криэйтив кристалз», пытался выявить различия
между дешевыми синтетическими камнями, которые производятся плавлением в
пламени, и камнями, выращенными из раствора в расплаве, назвав последние
«сотворенными» (created) — название, которое сообщество ювелиров хотело бы
исключить! Кроме цвета — свойства, которое делает раствор-расплавные кристаллы
более близкими к природным камням, характерным для них является и наличие
включений растворителя. Камни, получаемые фирмой «Криэйтив кристалз», содержат
сноповидные скопления пузырьков растворителя и некоторое количество включений
плавня и треугольных частичек металла.
Цены на александриты, полученные из раствора в расплаве, такие, что этот
камень обычно вставляется в дорогие оправы и наиболее эффектен в окружении
алмазов. Если александрит останется модным камнем, мы вскоре можем достичь
ситуации, когда производство искусственных камней превысит добычу природных.

Литпортал
ПРИНЦИП НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
Дмитрий Биленкин
"При движении в прошлое можно выйти
либо в намеченную точку
пространства, либо в намеченный момент
времени. Сразу осуществить и то и другое
невозможно в принципе".
("Основы темпоралики", 2023 год)

Ноги часто скользили, и это беспокоило Берга. Вот досада! Привычка к
обуви, с которой сама собой соскальзывает грязь, делали его подозрительно
неуклюжим в грубых, на одну колодку скроенных сапогах, когда на подошвы налипал
вязкий ком глины. А здесь, на размытой дороге, это случалось постоянно.
Мелкое обстоятельство, которого они не учли. Сколько еще обнаружится таких
промашек?
К счастью, дорога была безлюдной.
Позже глину сменил песок, и Берг вздохнул с облегчением. На косогоре он
приостановился. Одинокий дуб ронял плавно скользящие листья. Поля были сжаты,
поодаль они тонули в сероватой дымке, и небо, под стать земле, было
слезящимся, тусклым. Далеко впереди, куда вела дорога, смутно проступал шпиль
деревенской церкви. Порой его заволакивала дождливая пелена.
Расчетчики не подвели, место было тем самым. А время? В какой век забросил
его принцип темпоральной неопределенности? Седьмой, семнадцатый? Ответ,
похоже , можно было получить лишь в городе.
Только сейчас, твердо шагая по мокрому песку, Берг ощутил разницу между
воздухом той эпохи, откуда он прибыл, и той, куда он попал. Человек
двадцатого века легко объяснил бы разницу чистотой здешней атмосферы. Но Берга она
поставила в тупик, потому что давно миновали годы, когда заводские дымы
Северной Америки загрязняли небо где-нибудь на Гавайях. В чем же дело? Или на
воздух той эпохи, откуда пришел Берг, неизгладимый отпечаток наложила
техносфера с ее эмбриомашинами, оксиданом и синтетикой? Должно быть, так. Здесь, в
этом веке, запахам леса, земли и трав чего-то явственно не хватало. Чего-
то. . .
"И небеса веков неповторимы, как нами прожитые дни..." - вспомнил он
строчки Шиэры.
И небеса веков неповторимы...
Спешить было незачем, так как в город следовало войти в сумерки. Конечно,
его одежда точно скопирована с одежды бродячего мастерового, но беда в том,
что она могла не соответствовать тому веку, в котором он очутился. Правда,
одежда средневековых бродяг-медников не слишком поддавалась веяниям моды, и,
главное, для всех он был иностранцем, следовательно, человеком, имеющим право
носить необычный костюм. И все же рисковать не стоило. В конце концов, это
первая и, надо надеяться, последняя вылазка человека в прошлое. Если бы не
особые обстоятельства... Странно, нелепо: он в мире, который уже много веков
мертв. Скоро он увидит своих далеких-далеких предков, чьи кости давно
истлели. А сейчас они разгуливают по улицам, сидят в кабачках, любят, ссорятся,
смеются.
Дико, непостижимо, но факт. Однако, если вдуматься, для прошлого будущее
куда большая нереальность, чем для будущего прошлое. Потому что прошлое было.
А будущее - это ничто, провал, белая мгла. Для любого встречного он, Берг,
пришелец из несуществующего. Забавно... Берг взглянул на свои руки. Обычные,
крепкие, мозолистые руки. Невольно Берг фыркнул, вспомнив ученый совет, где
дебатировалась методика воспроизведения средневековых мозолей. "Брэд оф сивый
кэбыл", - как любил выражаться Генка Бороздин.
Дорога вела к деревне, но Берг избрал боковую тропку, лесом огибающую
поселок. Не из-за боязни преждевременных расспросов и встреч. Просто в деревне
могли потребоваться услуги медника, а задержка не входила в его планы. Лес,
которым Берг шел, мало напоминал чисто прибранные леса его эпохи. Дичь,
бурелом, чащоба, едва различимая, без ответвлений тропинка. Безлюдье, все
говорило о безлюдье, нехватке сил, медвежьей замкнутости поселений. Бойкий тракт -
узкая полоска грязи, где последняя повозка прошла еще до дождя. Тропа и вовсе

звериная, хотя под боком деревня. Очевидно, он все же попал в раннее
средневековье . Не слишком ли раннее?
За сумрачным оврагом начался ельник, справа в просвете мелькнула церковь,
потом деревья снова ее заслонили. Неподалеку кричала воронья стая. С
потемневшего неба сеял дождь. Под лапами елей краснели мухоморы. Вскоре стали
попадаться заросшие холмики, серые, от времени покосившиеся кресты. Кладбище...
Некоторые надписи удавалось разобрать. Взгляд равнодушно отмечал даты,
полустертые евангельские изречения; слова печали и скорби. Вдруг сердце дало
оглушительный сбой: там, в кустах, белел новенький крест, и на нем было
начертано : "Берг".
Могила была настолько свежей, что даже глина не успела заплыть. Дрожь
проняла Берга: его убьют здесь, в этом времени, зароют и...
Он едва унял колотящееся сердце. Какая чепуха! Тот, кого похоронили,
мертв, а он, Берг, жив! И вообще тут нет никакой загадки. Простое совпадение
- распространенная фамилия. Какие-нибудь Макферсоны были в десятках
поколениях шотландцев. Возможно, род Бергов не менее стар, и кого-то из них занесло
сюда. Но это значит... Это значит, что у него есть шанс встретиться с...
Конечно, а разве он не знал этого заранее?
Поспешно уходя от могилы, Берг покрутил головой. Простая арифметика,
только и всего. Родителей у каждого двое, дедов четверо, прадедов восемь,
прапрадедов шестнадцать, предков в десятом колене свыше тысячи, а уж в отдаленном
прошлом... Даже если учесть дальнеродственные скрещения, то, вероятно,
большинство жителей любого европейского поселения имеют к нему, Бергу XXI века,
самое непосредственное отношение. А какого-нибудь Гай Юлия Цезаря он мог бы и
вовсе приветствовать по-родственному.
Жуткая все-таки вещь - генетика.
Как ни успокаивал себя Берг, встреча оставила неприятный осадок. Он
поторопился быстрей пройти кладбище. Подумать только: отдаленным предком ему был
каждый двадцатый (десятый, седьмой?) погребенный здесь человек! Бергу стало
зябко при мысли, что его облик, характер, да и само существование висит на
столь непрочной нити. Если бы в том же средневековье кто-то с кем-то не
встретился или поссорился, даже в том городе, куда он идет, то и его, Берга,
возможно, не было бы! Или у него был бы другой цвет глаз, другой темперамент,
другая судьба...
Вот и по этой причине тоже ни одному человеку до сих пор не разрешалось
бывать в прошлом.
Успокоился Берг, лишь когда тропинка вывела его обратно на дорогу с ее
просторами холмов и далей.
Потянул ветерок. За поворотом открылась мутная, неширокая река, грязный
мост к неказистым крепостным воротам. Берг замер, поспешно кинув взгляд на
Зубчатый силуэт городских стен. Есть! Он сразу узнал знакомый по снимкам
профиль Толстой Девы. Значит, ему повезло, он очутился примерно в том времени, в
каком надо, потому что в десятом веке эта башня еще не была построена, а в
четырнадцатом ее уже разрушили рыцари герцога Берклевского. Значит, и его
костюм, в общем, соответствовал стилю времени, не надо переодеваться,
укрывшись за кустом.
Он вынул из котомки запасные костюмы, облил их жидкостью, которая вкусом и
цветом напоминала вино, и, удостоверившись, что ткань превратилась в труху,
двинулся к мосту.
Разум, едва он ступил на мост, стал холоден, посторонние мысли отлетели
прочь. И все же иногда ему казалось, что стоит лишь тряхнуть головой...
Но нет, кинувшиеся к нему, когда он перешел мост, собаки были самой
доподлинной реальностью. Их была целая свора - грязных, шелудивых, ободранных;
Припадая к земле, они давились хриплым лаем.

"Вот так загвоздка! - крепче сжимая палку, подумал Берг. - Ведь я понятия
не имею, как должен вести себя средневековый путник при встрече с. . . И чего
это они?"
Собаки попятились, когда он сделал шаг. Рычание сменилось повизгиванием,
раздраженным, недоуменным, в котором слышались неприязнь и опаска. Внезапно
Берга осенило. Ну конечно! Его одежда, обувь хранили запах той эпохи, в
которой они были созданы, - запах чуждой этому веку синтетики!
Берг с уважением глянул на собак и, уже не обращая на них внимания,
двинулся к воротам. Наступала, пожалуй, самая ответственная минута, которая
решала, надежен ли его маскарад.
Но ничего не произошло. Чье-то лицо глянуло из зарешеченного оконца и
тотчас исчезло; в помещении караулки слышался стук костей - стража явно не была
заинтересована прерывать азартное занятие ради какого-то бедняка.
"Похоже, я попал в мирное время", - решил Берг.
Человеку запрещалось бывать в прошлом, но ничто не мешало посылать туда
для съемок и наблюдений замаскированные под облака хроновизоры. Правда, в
силу принципа неопределенности их приходилось запускать, в общем-то, наобум.
Когда речь шла об углублении в прошлое всего на несколько лет, разброс еще не
всегда давал разительные отклонения, но чуть далее он приводил уже к
совершенно непредсказуемым результатам. Никакими способами нельзя было вывести
автомат, допустим, на поле битвы при Кресси. Можно было, конечно, сфокусировать
аппарат точно на время, когда произошло сражение, но в этом случае аппарат
оказывался где угодно, но только не над деревушкой Кресси. Можно было,
наоборот, вывести автомат точно к месту битвы, но тогда никто не мог предсказать,
за сколько веков или тысячелетий от даты события он там очутится.
Впрочем, это не имело решающего значения, так как историку интересна любая
эпоха. Чаще всего автоматы выводились в заданную точку пространства, из-за
чего временная последовательность наблюдений оказывалась весьма прерывистой.
Но лучше иметь что-то, чем ничего. Все шло хорошо, пока не случилась эта
авария. Аппарат типа "кучевое облако" не отреагировал на команду возвращения.
Ничего страшного, аппарат настроили на сближение с грозовой тучей, где к
беспрестанному мельканию молний вскоре прибавилась еще одна вспышка. Но на этот
раз и подрывное устройство сработало плохо. Уцелел, хотя и вышел из строя,
кристаллический блок нелинейного антигравитатора. В довершение бед случилось
это неподалеку от города.
Итак, изделие двадцать первого века очутилось в одиннадцатом и, вполне
возможно, попало в руки людей. Разумеется, оплавленный "камень" не должен был
вызвать никаких подозрений. Но кристалл мог не исчезнуть в войнах, пожарах и
смутах, а скользнуть в двадцатый век, где его искусственная природа была бы,
конечно, разгадана. Преждевременное открытие, грозное, опасное, меняющее ход
истории, - этого еще не хватало!
Вид тесных городских улиц не произвел на Берга особого впечатления - он
хорошо изучил их облик. Зато вонь... Пахло отбросами, лошадиным навозом и
кое-чем похуже. "Медленней, - приказал себе Берг. - Тысячелетие назад походка
людей была не столь размашистой". Высоко задирая рясу, через лужу перебрался
священник. Опять взвыла кинувшаяся было под ноги Берга собака. "Чтоб тебя!" -
в сердцах подумал он. Сумерки сгустились, но его появление не прошло
незамеченным : на него то и дело оглядывались редкие здесь прохожие. Ни по какой
особой причине: просто город был слишком тесным и замкнутым мирком. Соседний
Цорн - это уже другое царство-государство, а какой-нибудь Брабант и вовсе
близок к краю света. Путник из дальних мест здесь мелкое, но все же событие.
Пустяки! Неважно, будут пересуды о нем или нет, если след, который он
оставит , окажется неотличимым от множества других. Даже если это след похитителя.

Лишь бы добиться успеха. Но надежды на успех было мало. В сущности, все
зависело от чистого везения. Ему и так уже повезло, что с первого раза он
вышел в более или менее подходящую эпоху. Подходящую? Если сейчас лишь начало
одиннадцатого века, то ему надо поворачивать назад - антигравитатора здесь
еще нет и в помине. Сколько же тогда потребуется новых попыток? Две, три,
десять, а возможно, и тысяча, чтобы попасть хотя бы в двенадцатый век, - ведь
принцип неопределенности превращал все это занятие в лотерею, где нужный
билет терялся среди сотен пустых (еще хорошо, что путешествие в прошлое было
возможно лишь на расстояние первых десятков тысяч лет) . Но и точное - в
пределах века - попадание не гарантировало успеха. Если антигравитатора не
окажется в городе, допустим, в двенадцатом веке, это может означать и то, что,
падая после аварии, он канул в какое-нибудь болото, и то, что антигравитатор
нашли, но продали какому-нибудь заезжему торговцу редкостями. Вот тогда поиск
становился задачей, какая и не снилась детективам, - попробуй выяви, где, в
какой точке средневековой Европы оказался искомый предмет!
Невольно Берг улыбнулся. Его отобрали не потому, что он был лучшим
специалистом или особо находчивым человеком. Его отобрали потому, что он, как это
ни странно, был особо везучим человеком. У большинства людей удачи равномерно
чередуются с неудачами. Но есть удивительные исключения. Одни притягивают к
себе беды, как высокое дерево притягивает молнии, другие, наоборот, обладают
как бы свойством отталкивания - обстоятельство, известное с незапамятных
времен , но так и не разгаданное. Пока что его репутация удачника оправдывалась.
Судя по одежде прохожих, сейчас был либо конец двенадцатого, либо начало
тринадцатого века. Это следовало уточнить, и Берг первым делом свернул к
соборной площади. Если перед собором стоят статуи святых, значит, уже наступил
тринадцатый век. Если нет...
Статуи были, они еще не успели как следует потемнеть. Значит, с того
момента, как антигравитатор упал с неба, и до того момента, когда он, Берг,
очутился в прошлом, минуло лет полтораста. Срок, сильно затруднявший успешный
поиск. И все-таки это было поразительно удачное попадание!
Берг стоял на виду у всей площади. Он оглянулся. Вокруг все выглядело
мрачно. Темные, стиснутые фасады, конское ржание на соседней улице, слитые с
сумраком фигуры прохожих, чужая речь и одежда наполнили его тоской.
Молчаливая группа горожан пересекала площадь. Они должны были пройти мимо Берга, и
тот внезапно понял, что сейчас не выдержит самой безобидной встречи лицом к
лицу. Стараясь не привлекать внимания, он скользнул в распахнутую дверь
храма .
Внутри оказалось чисто, торжественно, почти светло. По понятиям этого
века, ослепительно светло, хотя в эпоху электричества храм выглядел бы
сумрачной пещерой. Однако Берг уже немного проникся средневековьем и ощутил
контраст церковного убранства с тем, что находилось вне этих стен. Распространяя
сияние, теплели свечи. Рокотал орган, в зыбкой полутьме сводов мерцало
золото, оттуда, как бы паря, глядели отрешенные лики святых. И чем дольше
вглядывался Берг, тем спокойней и вместе с тем непонятней становилось на душе. Он
попробовал иронически улыбнуться, но ирония не удалась. Мерное движение голов
молящихся, колыхание свечей, плывущие звуки, темное, казалось, забытое.
Гипноз ритма, цвета, Звука, только и всего! Нет, не только. Берг мог выделить,
понять, проанализировать каждую слагаемую этого воздействия, но все вместе
составляло нечто большее, чем гипноз. Здесь, сейчас, в глухом средневековье,
все это было отдушиной. Здесь люди испытывали иллюзию единства с собой, с
другими, с тем тайным, что, казалось, присутствовало в храме, что наблюдало и
берегло, карало и сулило, просветляло и подавляло, возвышало и смиряло.
Совсем иной, тревожно-волнующий настрой эмоций, отчасти понятный, но
отталкивающий духовный мир.

Помедлив, Берг выбрался наружу. Тотчас его пробрал зябкий ветер. Запахнув
плащ, Берг повернул за угол и едва не столкнулся с растерзанным, в лохмотьях,
человеком, который едва держался на ногах, - то ли был пьян, то ли болен.
- Эй, послушай...
Берг не оглянулся, хотя что-то рванулось в нем помочь несчастному. Но
воспитанное, как рефлекс, соучастие было здесь неуместным, даже опасным.
- Эй, послушай, эй, послушай... - человек бубнил монотонно, как бы говоря
со стеной.
Должно быть, просто нищий.
Куда идти? Это не имело значения. Содержимое сумки, пояса, сама одежда,
медное кольцо на пальце только внешне воспроизводили облик предметов далекого
прошлого. Кто бы отнесся с подозрением к обычному кремешку? Или листочку
слюды? Кремешок, однако, был инфракрасным фонариком, а слюда позволяла видеть
этот незримый свет. Кольцо, однако, играло куда более важную роль. Оно
служило прибором, который определял местонахождение антигравитатора. Сейчас оно
было холодным. В стометровом радиусе от антигравитатора оно должно было
потеплеть. Совсем как в детской игре: "Холодно, холодно... Теплей, горячо!"
Оружия не было. Никакого. По всем расчетам, ни один его поступок даже в
самой неожиданной ситуации не мог вызвать искажения истории. Кроме... Яви он
чудо, оно не вызвало бы сильного резонанса в эпоху, когда все верили в
чудеса. Любое колебание нити затухает со временем, и опасен только обрыв. Таким
влекущим непредвиденные последствия обрывом могло быть невольное, с целью
самообороны убийство. Все же следовало быть осторожным и в мелочах, потому что
теории теориями, а кто их проверял опытом? Кто рискнул бы проверить?
Ветер явно разгонял облака. На несколько минут успела просветлеть полоска
заката, но отблеск так и не смог пробиться в теснины улочек, где дома жались
друг к другу, как овцы в непогоду.
Становилось холодно. Машинально Берг хотел сунуть озябшие руки в карманы и
удивился, не обнаружив их. Так, еще один мелкий промах! Ослабив контроль, он
сделал жест, который не мог сделать человек тринадцатого века по той простой
причине, что тогда не было карманов!
Внезапно палец ощутил тепло. Берг застыл не веря. Вот так, сразу? Он
заметался по кривым улочкам, пугаясь всякий раз, когда кольцо холодело. Но мало-
помалу он успокоился и стал сужать круги до тех пор, пока не стало ясно, что
от антигравитатора его отделяют стены одного из домов.
В двух крохотных оконцах выступающего над улицей второго этажа горел
тусклый огонек - в доме еще не легли. Это не имело значения. В сущности, теперь
уже ничто не имело значения. Тихая радость удовлетворения охватила Берга.
Теперь все, теперь конец. Милым был этот город, его черепичные крыши, эта
добродушная старина, все, все! Берг запомнил дом, подходы, осмотрел дверь. Спать
здесь ложатся рано, а провести часок в кабачке, понаблюдать жизнь и приятно и
полезно. Потом он вернется, "как тать в нощи", сделает что надо, и прощай
средневековье! Тенью пришел, тенью уйдет, лишь собаки заподозрили неладное.
Врач в двадцать первом веке критически осмотрит его запачканные сапоги,
забрызганный плащ и скажет: "А ты, брат, очень, очень... Небось и чуму
приволок?"
Скорей бы...
Кабачок отыскался неподалеку. К удивлению Берга, никто не обратил на него
внимания. Все сгрудились вокруг скамьи, на которой, багровея от смущения,
сидел вислоухий парень в новых кожаных штанах. Под скамьей почему-то была лужа.
Взлетали кружки, сыпались непонятные Бергу остроты; было душно, смрадно, со
свода огромного очага хлопьями свисала сажа; жар углей пробегал по
разгоряченным лицам, красновато поблескивая на потных щеках, западал в хохочущие
рты.

Никто не взглянул на Берга, когда он пристроился в углу. Только хозяин,
сгорбленный, с перебитым носом мужчина лет сорока, вынырнув из толпы,
осведомился , чего тот желает.
- Ужин, - коротко сказал Берг.
- Издалека? - уловив акцент, спросил хозяин.
- Из Брабанта.
- Ну что ж, ну что ж...
Кабатчик отошел, мелко кланяясь. Берг проводил его недоуменным взглядом и
тут же забыл, потому что смех и разговоры неожиданно стихли.
Просвет между спинами позволял видеть, что делается в круге. К юноше на
скамейке чинно приблизился толстяк с тройным подбородком. Он тронул его за
плечо, и тот вздрогнул, как от разряда тока. По рядам прошло движение.
Юноша привстал, и, к изумлению Берга, с ним вместе приподнялась скамейка.
Разгибаясь, юноша тихонько поворачивался, и скамейка поворачивалась следом,
пока все не увидели, что она крепко висит на штанах. Грянул восторженный рев.
Бергу все стало ясно. Как он сразу не догадался, что это посвящение в
пивовары! Кандидат должен сварить пиво, вылить кружку на чисто обструганную
скамью, сесть в новых кожаных штанах, и штаны приклеятся, если пиво доброе.
Так, значит, одним мастером в городе стало больше.
Было что-то непосредственное, детское в последовавшем веселье. Жуя
невыносимо жесткое мясо (это тебе не синтепища!), Берг ощутил нечто вроде зависти.
Пожалуй, он бы не смог хохотать так раскатисто, награждать парня тумаками,
опрокидывать в рот реки вина и пива, перемалывать кусищи мяса, рыгать,
стучать сапогами, бесхитростно отдаваясь настроению минуты. Подозвав хозяина, он
расплатился и вышел.
Небо заметно очистилось от туч. Полоска над ломаными линиями крыш молочно
светлела в том месте, где находилась луна. Внизу, однако, стояла совершенная
темень. Но не успел Берг сделать и десяти шагов, как впереди мелькнул огонь
факелов.
Берг оглянулся. Сзади, приближаясь, тоже колыхался свет. В его отблеске
сверкало оружие. Ночная стража!
Ну и что?
Колыхающийся свет выхватил заросшие лица, шумно, как после бега, дышащие
рты, сталь лезвий и шлемов. Берг, уступая дорогу, прижался к стене. И тут ему
в грудь уперлось сразу несколько копий.
- Держи нож к глотке, к глотке! - раздался чей-то радостно-исступленный
вопль, и медвежья масса тел навалилась на Берга.
- За что? - выкрикнул он полузадушенно. - Я из Брабанта, я...
Ответом был язвительный хохот.
- Вяжи крепче! Думаешь, раз переоделся, тебя и узнать нельзя, Берг?
Берг?!
Его поволокли, ругаясь, пиная, дыша чесноком и перегаром.
Помещение, куда его наконец впихнули, было низким, сводчатым. Каменную
наготу стен прикрывали два-три плохо различимых гобелена. Слева от пылающего
очага возвышался коптящий трехсвечник, справа возле столика находилось
кресло, в котором сидел белоголовый в епископском облачении старик, такой сухой и
сморщенный, что массивный крест, казалось, продавливал ему грудь. Старик
медленно повернул голову. Стало слышно, как потрескивают факелы стражи.
- Ближе, подведите ближе, - голос епископа прошелестел, как тронутая
ветром бумага.
- Я не тот, за кого вы меня принимаете, - громко сказал Берг. - Это
ошибка, я никогда не был в вашем городе, я...
- Знаю! - старческая рука легонько стукнула по подлокотнику. - Знаю, что
ты дерзок в обмане... Нагл, дерзок и богохулен. Надеялся, я поверю слуху о

твоей смерти? Бухнуться бы тебе сейчас на колени, молить... Казнь не радость,
осознаешь?
Епископ подался вперед. Шея у него вытянулась, как у ощипанного гуся.
Сзади насморочно сопел кто-то из стражи.
Сам не ожидая того, Берг фыркнул. Рот епископа приоткрылся. Дернулись
созданные факелом тени, и все застыло в ошарашенном молчании. Дикость,
паноптикум, к которому он не имел, не мог иметь никакого отношения. Он продолжал
улыбаться.
- Качалку! - голова епископа затряслась. - Завтра же!
- А как с ней? - поспешно спросил чей-то голос из-за спины. - Тоже?
- И ее! Раньше! У него на глазах, у тебя на глазах, Берг! Еще не дрожишь?
На ме-е-едленном огне будет жариться вместе со щенком, зачатым в преступной
связи... Подумай о раскаянии, подумай!
Епископ упал в кресло. Он был бы похож на труп, если бы не его горящие
глаза. Берг презрительно пожал плечами.
Его отвели в камеру и там заковали. Лязгнул засов, стих топот на лестнице.
Некоторое время Берг лежал неподвижно. То, что он оказался двойником
какого-то здешнего Берга, было, конечно, поразительным совпадением, но сейчас не
имело смысла обсуждать теорию вероятностей. Возможно, это тот самый Берг, чью
могилу... Неважно! Неизвестный ему Берг тринадцатого века натворил что-то
серьезное, враги подстроили ему ловушку, а попался в нее человек двадцать
первого столетия. Вот ситуация! А донес, похоже, кабатчик... Тоже
несущественно . Чем ему там грозили? Ах да, качалкой...
Берга передернуло от отвращения и гнева. Осужденного привязывают к концу
балансира и то окунают в костер, то приподнимают, давая передохнуть, - вот
это и есть качалка. Медленное поджаривание человека.
Сволочи, тупые садисты, мразь! Ну он им покажет... Ну они еще попрыгают у
него, махая рясами... Не та муха залетела к ним в паутину. Интересно
посмотреть , какие рожи будут у них завтра...
Луна все чаще выглядывала из облаков, чертя на полу продолговатую тень
решетки. Берг позвенел цепями и торжествующе улыбнулся. Глупые толстые цепи из
скверного металла, наивная решетка в широком проеме - эти тюремщики даже не
подозревают, что такое человек двадцать первого века и что он может.
- Мне этот отель не нравится, - с вызовом сказал Берг. - Сыро, холодно...
И вообще. Так, для пополнения образования разве что...
Он лег, закрыл глаза. Тренированное тело само знало, что ему делать.
Темная волна накрыла сознание. Теперь все клетки мозга и тела подчинялись
единому ритму, страшному ритму настроя всех сил организма.
Берг рванулся. С треском лопнули цепи.
- Вот так, - сказал Берг.
То, что раньше в момент безумного напряжения случайно удавалось одному из
миллионов, было уже давно познано, и каждый человек новой эпохи умел
возбуждать в себе тот скрытый резерв энергии, который стократно раздвигал пределы
"нормальных" физических возможностей.
Берг переждал неминуемую после рывка слабость, поднялся, стряхнул остатки
цепей и тем же усилием выворотил решетку.
Теперь отдых потребовал уже не менее получаса. Ворвись сюда привлеченная
шумом внешняя стража, Берг не смог бы оказать ей сопротивление, тем более что
против копий, мечей и прочих режущих предметов у него не было защиты. Никто,
однако, не караулил ни под окном, ни за дверью - к чему, если цепи массивны,
а решетка надежна?
Его камера находилась в башне. Неровная, сложенная из валунов стена
обещала легкий спуск. Берг дождался, пока скроется луна, и вылез в окно.

Он спускался спокойно, уверенно, как подобает альпинисту. Ни сейчас, ни
раньше он не принадлежал чужому времени с его нелепыми законами и
случайностями. Мгновения испуга, когда он оторопел от неожиданности и ощутил себя в
ловушке, прошли, и сейчас после взлома он снова был человеком своей эпохи,
гордым, независимым и могущественным.
Прямо под собой Берг обнаружил окно нижней камеры. Пришлось взять немного
в сторону. Его голова была уже на уровне прутьев, когда из-под ноги
посыпались камешки. Берг замер, вцепившись в решетку, и тут, как назло, засияла
луна .
В ее меловом свете за решеткой метнулась чья-то тень. Дрожащие пальцы
схватили руку Берга.
- Ты пришел, пришел, я знала, я верила, милый, милый...
Берг едва не закричал от ужаса. Перед глазами неясно белело сияющее лицо
женщины, почти девочки. Она тянулась к нему сквозь решетку, и всхлипывала, и
улыбалась, и такое было в ее шепоте счастье, что сердце Берга оборвалось.
Так вот она, невеста того, другого Берга, приманка, жертва, девушка,
которую должны утром сжечь!
- Самый лучший, самый отважный, самый любимый, мой, мой Берг... Спаси,
скорей спаси нашего ребенка!
- Нашего?! Ребенка?! Ну да, конечно... - Берг почувствовал себя летящим в
пропасть. Он был обязан ее оттолкнуть, чтобы не изменилась история.
Девушка целовала его руку.
- Тихо, - сказал Берг.
Он рванул на себя прут решетки. Прутья не были скреплены поперечинами и
легко вынимались из гнезд. Он вытянул ее в проем. На ней была одежда
монахини. "Вот оно что..." - тупо подумал Берг. Он был холоден, как автомат. Выбрал
место внизу, прицелился, спрыгнул, расставил руки, принял ее в объятия.
- Наш маленький бурно начинает свою жизнь, - сказала она, едва
отдышавшись .
- Идем, - сказал Берг.
Они растворились в темноте спящих улиц.
Теперь у Берга было время подумать, но думать он не мог. Да и к чему? Эта
девочка и ее ребенок должны были умереть на костре, а теперь не умрут; их
потомки будут жить во всех веках, чего прежде не было.
Ему хотелось убить ее и себя.
Они достигли городской стены. К ней косо подходил глухой фасад, между
фасадом и стеной был залитый мраком пустырь.
- Побудь здесь, - приказал Берг.
Он ждал удивления, жалоб, испуга, но она только кивнула, хотя он
чувствовал , как она дрожит.
- Я постараюсь не бояться... - сказала она.
- Я скоро вернусь, - пробормотал Берг.
Сам не зная почему, он сжал ее руку. Она на мгновение прильнула к нему и
тут же отстранилась.
- Тебе надо, иди. Ты мне сказал тогда, что все будет хорошо, и я ничего не
должна бояться. И я не боюсь. Но... у нас все-все станет по-прежнему, когда
ты вернешься?
- Да, да...
Что будет по-прежнему?! Берг не очень даже осознавал, куда и зачем бежит.
Но что-то вело его с точностью автопилота, и он очнулся, когда тепло кольца
охватило палец. Дом нависал над ним, как скала. К Бергу вернулось
самообладание. Он ощупью нашарил замочную скважину. Сумку отобрали при аресте, но
пряжка пояса дублировала инструмент. Немного повозившись, он отпер дверь,
наподобие монокля приладил листок слюды. Тепло ладони оживило "кремневый" фонарик.

Прихожая, дверь, лестница... Берг повел рукой в воздухе, и кольцо указало на
лестницу. Ветхие ступени не внушали доверия, и он разулся. Он не волновался,
будто всю жизнь обшаривал квартиры средневековых горожан. Лестница вывела в
коридор. Дом наполняли запахи тепла, печного дыма, трухлявого дерева. Тихо
было, как в омуте, лишь где-то скреблась мышь...
За скрипнувшей дверью открылась комната, похожая на музей. Полки с
фолиантами, чучела зверей и птиц, песочные часы, окаменелости, кусочки воска,
черепки, чаши, рулоны пергамента - все вперемежку лежало, стояло, висело, было
раскидано на столах. Луч скользил, пока не уперся в закопченное чело горна.
Берг едва не чихнул от поднявшейся пыли. Под горном среди тиглей и щипцов он
нашел оплавленный до бесформенности кристалл антигравитатора. Его явно
пробовали кислотами. Ну конечно! Он слишком тяжел, подозрительно тяжел для своего
размера. Берг сунул его за пазуху, спустился, обулся, вышел и запер дверь.
Самое трудное в его миссии на деле оказалось самым легким.
Теперь он мог рассуждать хладнокровно. Кто ему, в конце концов, эта
девушка? Что заставило его ввязаться в дело, которое его не касалось? Сострадание?
Да, конечно. Но разве мало их умирало на кострах до и после? Их судьба
возбуждала жалость, но то была абстрактная, до холода рассудочная жалость. И об
этой девушке он не думал, пока ее не увидел, хотя и знал, что она есть. Что
же ему мешает теперь?
Логично рассуждая, ее нет вовсе, как нет самого этого века, который давно
истлел со всеми своими надеждами и печалями. А есть будущее. Тот век, откуда
он пришел и который может теперь пострадать из-за его поступка.
Но сейчас, в эту минуту, на этой темной улице будущее тоже всего лишь
абстракция! И не абстракция эта доверчивая девушка, которую он, все взвесив и
логично рассудив, должен предать.
Берг зажмурился и с минуту стоял так, мыча от боли и бессилия. Да кто же
виноват, что желание спасти и защитить сработало в нем как рефлекс?! Само
воспитавшее его общество.
Жалкая уловка.
Но почему жалкая? Почему уловка?
Когда мысль, желая точно наметить трассу будущего морального поступка,
слишком пристально сосредоточивается на противоречивых понятиях, сами эти
понятия начинают терять ясность, ибо любое понятие также неисчерпаемо и темно в
своих глубинах, как и породившая его жизненная реальность. И мысль теряется,
решение ускользает, все кажется запутанным и неверным. Так размышления порой
губят решимость.
Берг с силой тряхнул головой. Тяжесть антигравитатора напомнила о его
первейшем долге.
Нельзя одновременно определить скорость электрона и его положение в
пространстве. Нельзя попасть и в заданный момент времени и в заданную точку
пространства. Но в жизни тоже неизбежен выбор, и достижение одного влечет отказ
от чего-то другого. Не значит ли это, что в глубинах морали скрыт тот же
принцип, что и в глубинах природы?
Все возмутилось в Берге при этой мысли. Почему, почему история из-за его
поступка должна измениться к худшему? Откуда это следует? Если поступок
правилен и хорош, то должно быть наоборот, ибо как быть тогда в настоящем без
уверенности, что добро, сделанное тобой сегодня, улучшит завтрашний день? Как
можно жить и делать что-то без такой уверенности? Как можно без этого строить
будущее? А если так...
- Вот я и вернулся, - сказал Берг.
Она бросилась к нему с подавленным вскриком. Он придержал ее за плечи.

- Времени у нас мало. Вспомни, не осталось ли тут дома, где ты. . . где мы
могли бы переждать? ("Где я мог бы тебя оставить ждать настоящего Берга. Если
он жив...")
- Ты же знаешь, что нет! ("Все, не вышел компромисс...") Ты... ты
изменился, милый... ("Ну еще бы! Странно, что любящее сердце сразу не заметило
подмены. ..") Я что-то сделала не так? Не то сказала?
- Нет, нет!
- Тогда... Я не совсем понимала, когда ты говорил, что наша любовь
особенная, какой не было и не будет, но сейчас, сейчас... Ты даже не поцеловал
меня !
Он повиновался. И, целуя, понял, что хочет целовать ее всегда, всю жизнь,
что она близка ему, вопреки всему близка с первой минуты, а все прочее обман,
которым он пытался заслониться от поражающей, как молния, любви, в которую он
не верил и которая настигла его.
И в озаряющей радости он внезапно увидел выход, настолько простой, что
поразительно, как это он не заметил его сразу. Хроноскаф увезет двоих! Девушка
должна была умереть в прошлом, она и умрет, для прошлого, чтобы жить в
будущем.
А тот, другой Берг? К черту другого, если он не смог ее спасти!
Он рассмеялся.
- Ты что, милый?
- Ничего. Все верно: наша любовь особенная, какой не было и не будет. Мы
спасены, если ты сможешь всю ночь идти пешком.
- Разве нам впервые?
- Но...
- Маленький - умница. Он мне совсем не мешает; видишь - его даже
незаметно . Я пройду столько, сколько нужно, когда ты рядом.
Бергу передалась ее убежденность. Он размотал сплетенный из тонких жил
пояс, закинул петлю за выступ стены, подложил, чтобы не резало, плащ, обвязал
девушку, и через полчаса они были на свободе.
Берг широко дышал воздухом леса, который уже не казался ему чужим;
закутанная в плащ девушка шла рядом, он поддерживал ее, чувствуя тепло плеч и
испытывая головокружительную нежность. Серебро и чернь узорчатых теней листвы
словно плыли сквозь него. Или, наоборот, он плыл по расстилавшемуся
невесомому ковру.
В мелькавшем свете луны он хорошо видел ее лицо, но так и не мог сказать,
красива ли она. Какое это имеет значение? Никакого. Как и ее прошлое, как тот
мирок, откуда он ее вырвал. Он даже знал, как она воспримет будущее. Как
сказку, рай, куда ее привел любимый. Она примет этот мир с той же доверчивой
непосредственностью и стойкостью, с какой она приняла свою судьбу, но скорей
всего будет нелегко убедить ее, что они живы, а не вознеслись на небо. Почему
все должно быть так, а не иначе, он не знал, но был убежден, что все так и
будет.
Усталость навалилась внезапно. Ни с того ни с сего Берг почувствовал, что
скользящие тени мешают идти, что они захлестывают ноги, как петли силка. Он
раза два споткнулся. Это испугало его. Изнеможение должно было прийти после
всех испытаний ночи, он держался только на нервном напряжении, но неужели он
свалится на полдороге?
Усилием воли ему удалось избавиться от ощущения захлестывающих петель.
Зато ноги стали как бы обособляться от тела, он их уже почти не чувствовал.
Зато стал оттягивать руки антигравитатор. Он весил уже не килограммы, а тонны!
Все, кроме ног, стало тяжелей: голова, руки, тело девушки, когда оно к нему
приваливалось, и это дало спутанным мыслям Берга непредвиденный толчок,
который заставил его похолодеть.

- Сколько ты весишь? - спросил он.
- Я? Я... я не понимаю...
- Извини... Это я так, ничего...
Конечно, она не знала, а скорей всего, и не понимала, о чем ее спрашивают.
Нелепо предполагать, что в тринадцатом веке девушки взвешиваются на
медицинских весах, и Берг устыдился своего вопроса. Свой вес он знал точно, ее
определил, когда, спускаясь со стены, брал на руки, и тогда у него не было и тени
сомнения, что мощности хроноскафа хватит на двоих. "Без паники, - сказал себе
Берг. - Только этого еще не хватало!"
- Сядем, - сказал он, хотя намеченное им время привала еще не наступило.
Они сели, и по тому, как она медленно опускалась на разостланный плащ, как
неподвижно смотрели ее глаза, он понял, что вся ее выдержка была напускной,
что она безмерно устала, устала куда больше, чем он, и что она скорей умрет,
чем сознается в этом. Берг едва не застонал и внезапно почувствовал
долгожданный прилив сил, верней ярость, которая заменяла силу.
- Идем, - сказал он, понимая, что долгий отдых будет только хуже, что в
одиночку никто из них не дойдет, а вместе они все-таки дойдут, потому что
каждый черпает силы в другом.
Они пошли, молча понимая друг друга, и ночь для них длилась бесконечно,
потому что они бесконечно напрягали свои силы. Но рассвет все-таки наступил.
Рассвет обещал солнце, и Берг ободрился, мелькнула даже мысль, что когда-
нибудь он будет вспоминать эту ночь как счастье.
Они поднялись на пригорок, где дуб ронял все так же плавно скользящие
листья. Берг отчего-то подумал, что дуб, пожалуй, может прожить все разделяющие
столетия, и пожелал ему уцелеть до тех времен, когда они снова придут под его
уже старческую крону.
Трава была серой от обильной росы. Оставалось уже немного до того места,
где находился замаскированный под глыбу валуна хроноскаф. Они дошли до
опушки, и Берг решил сделать последний привал. Она опустилась на землю, и ему
показалось, что в ее теле совсем не осталось жизни после тюрьмы, страха и
бегства , что сознание ее спит, и она уже ничего не ощущает. Но это было не так.
Она шевельнулась, ее глаза взглянули на Берга и увидели в нем что-то такое,
отчего она сделала движение выпрямиться и убрать разметавшиеся волосы. И это
упрямое, через силу движение открыло Бергу ее не такой, какой она была
сейчас, - измученной, с черными тенями на лице, в тусклом монашеском одеянии, а
такой, какой она была на самом деле; он вдруг увидел ее танцующей в белом
платье. Он даже вздрогнул, настолько реальным было видение гибкой,
порывистой, как огонек на ветру, девушки в белом. Счастливой, ничего не боящейся
девушки двадцать первого века. "Ну что ж, - подумал он, чувствуя, как у него
перехватило дыхание. - Ну что ж. . . Разве так уж велика пропасть между нашими
временами?"
Какой-то отдаленный, гулко и дробно разносящийся в рассветной тишине звук
вывел его из задумчивости. Он прислушался, и все в нем болезненно сжалось -
то был стук копыт. Она его тоже услышала, и по тому, как она напряглась, как
еще сильней побелело ее лицо, он понял, что и она догадалась о значении этого
звука.
Он схватил ее, и они побежали, но у нее уже не было сил бежать.
- Я не могу быстрей... Спасайся...
Он подхватил ее на руки, нисколько не удивляясь тому, что в состоянии это
сделать.
На взгорке он обернулся. Всадников было человек десять, они находились еще
километрах в полутора. Впереди мчались собаки.
Еще можно было успеть. Он бежал, ничего не чувствуя, кроме режущей боли в
легких, и ничего не видя, кроме мелькающих темных полос, и все в нем сосредо-

точилось на том, чтобы разглядеть среди этих мельканий приметный куст,
бугорок , камень.
Все же в нем шевельнулась горделивая мысль о том, что они, люди двадцать
первого века, все-таки могут невозможное и без техники.
Он едва узнал поляну, где оставил хроноскаф. Топот приближался, но
всадников еще не было видно. Дыхание, казалось, уже разорвало легкие. Тело девушки
он больше не чувствовал, верней, чувствовал как свое - огромное, непосильное,
не повинующееся ему тело.
"Глыба" раскрылась, едва Берг к ней прикоснулся. Лай собак уже ворвался на
поляну, их оскаленные морды мелькали среди кустов.
Берг втиснул девушку на сиденье - пришлось разорвать ее сомкнувшиеся на
шее руки, - влез сам. Захлопнувшийся люк отрезал собачий лай. Берг надавил
кнопку возврата.
Двигатель загудел - и смолк. Не соображая, что он делает, Берг рванул
рукоять обратного хода. Хроноскаф дернулся... И стал.
Лишним был тот вес антигравитатора, который Берг не учел!
Все, что произошло потом, сделал словно не он, а кто-то другой. Берг
швырнул антигравитатор девушке на колени. Кажется, она хотела что-то сказать...
Или крикнуть... Он включил автоматику возвращения в XXI век, нажал пусковую
кнопку и вывалился, захлопнув люк. Падая, он успел увидеть тающий корпус хро-
носкафа.
Некоторое время он лежал, вжавшись лицом в землю и недоумевая, почему
медлят собаки. В ушах гулко шумела кровь, очевидно, из-за этого он и не слышал
лая.
Нет, не из-за этого. Он медленно приоткрыл глаза. Что... что такое?! Ярко
светило полуденное солнце, пели птицы, вокруг была весна, а не осень.
Вот оно что! Он встал, пошатываясь, как пьяный. Сознание привычно
восстановило последовательность событий. Пытаясь стронуть хроноскаф, еще тогда,
когда они были вдвоем, он машинально дал ему задний ход. И тут аппарат на
мгновение сработал, унес их по оси времени назад. А это означало...
А это означало, что никакого другого Берга в тринадцатом веке не было. Был
он сам. Рывок хроноскафа был слишком ничтожен, чтобы унести его в
неопределенно далекое время прошлого, и он очутился в годах, предшествующих его
появлению здесь.
Берг с тоской оглядел сияющий мир, который теперь стал его миром. Он
вернул антигравитатор, он спас девушку, не нарушив при этом хода истории, но
погубил себя. Бессмысленно надеяться, что кому-то удастся вывести хроноскаф в
ту точку пространства и тот момент времени, где он находится. Нет... Свое
будущее он, увы, знает наперед. Остаток жизни он обречен провести в тринадцатом
веке, этот век станет его веком, он будет в нем жить, встретит девушку,
которую полюбит (уже полюбил!), вызовет ненависть епископа и погибнет за
несколько дней до того, как сам же ее и спасет. Обычная, из теории следующая петля
времени, когда "после" предшествует "до". Еще и в помине нет той могилы, где
он будет зарыт, но, скользнув из своего будущего в свое прошлое, он уже
знает , как она выглядит на скромном деревенском кладбище.
Жить, похоже, осталось ему немного.
И все-таки ему повезло даже в невезении, потому что это будет достойная
человека жизнь. Он вступит в бой и победит. Успеет полюбить и стать любимым.
Успеет дать счастье тому, кто уже не мечтает о счастье. Успеет сделаться
отцом. Не так уж мало для человека любой эпохи!

ИЗ ЖИЗНИ ВИНОДЕЛА
(домашняя винодельня)
Работа винодела начинается со сбора винограда, наступающего в тот момент,
когда виноград достиг полной зрелости, то есть когда в нем образовалось
наивысшее количество сахара. К этому времени ягоды становятся мягкими, кожица —
тонкой и прочной; гребни приобретают бурую окраску и более или менее
деревенеют; кисти винограда слабо держатся на кусте, ягоды — на гребне; сок
последних становится гуще и слаще; косточки легко отстают от содержимого ягод. Но
стоит помнить, что для точного установления времени сбора, играющего важную
роль при создании вина и находящегося в зависимости от местных почвенных и
климатических условий, от положения виноградника, от способа воспитания лозы,
от сорта винограда и т. д., требуется, помимо перечисленных признаков
спелости винограда, ещё многолетний опыт винодела.
Для получения хороших белых вин следует оставлять виноград на кусте дольше
— только бы он не испортился. Так, на Рейне и в Сотерне виноград не снимается
с куста, пока он не начнет гнить; однако от этого гниения, вызываемого особым
грибком (Botrytis Cinerea), виноград нисколько не портится, наоборот, приоб-

ретает отличные качества, которым обязаны своей популярностью вина названных
местностей.
Точно так же там, где занимаются производством сладких ликерных вин,
виноград висит на кустах по возможности долго. Иногда для способствования
сгущению содержимого ягоды, то есть для увеличения сахаристости её, скручивают
гребень у основания. Для той же цели, то есть для получения ликерных вин, в
местностях, где осень бывает дождлива и, следовательно, продолжительное
оставление винограда на кусте было бы рискованно, виноград снимают и,
раскладывая на соломенных плетенках, подвергают так называемому вялению.
Сбор винограда
Состояние погоды во время сбора винограда и даже время суток, в который
производится сбор ягод, оказывают значительное влияние на качество вина.
Сбор винограда во время дождя не допускается, иначе сусло будет разжижено,
вино получится очень мягкое с невыраженными вкусовыми качествами; кроме того,
вино из загрязненных ягод, что неизбежно во время дождя, будет ниже по
достоинству и легко подвергается порче; не следует также собирать виноград в
туманную погоду и рано утром, когда на нем лежит ещё роса.
Вообще говоря, к сбору винограда следует приступать около полудня, когда
температура воздуха более или менее высока; сусло, полученное из теплого
винограда, легче приходит в брожение, которое идёт вдобавок правильнее и
полнее, чем в тех случаях, когда виноград собран холодным. Холодный сок трудно и
медленно бродит, и вино, из него полученное, впоследствии легко подвергается
новым брожениям, а нередко и порче. Во всяком случае, дабы холодное сусло
выбродило совершенно, необходимо вести брожение в теплом, отапливаемом
помещении или нагреть его предварительно. Теплая погода особенно благотворно
действует на красный виноград, красящее вещество которого тем легче переходит в
раствор, чем теплее сусло. Впрочем, если сусло из красного винограда идёт на
приготовление шипучего вина, то виноград должен быть отпрессован немедленно
после сбора и холодным.
Ранний (утренний) сбор может быть рекомендован в тех только случаях, когда
желают извлечь из винограда больше веществ, сообщающих вину достоинства
высшие, как букет и пр. В этих случаях необходимо оставлять виноградную шелуху в
сусле 1—3 суток, так чтобы последнее не приходило в брожение, иначе вино
приобретает неприятный вкус.
Сбор винограда производится в один или несколько, по мере созревания
винограда , приёмов. Весьма целесообразно удаление с куста гнилых и загнивающих
ягод, когда виноград не успел созреть весь — и сбора, следовательно,
предпринимать нельзя. Когда сбор производится за раз, то необходимо сортировать
виноград, то есть отделять ягоды зрелые от недозревших и перезревших или
попортившихся. Тщательное отделение последних в особенности важно для красного
вина, цвет которого заметно ослабляется разложившимися ягодами. Собранный
виноград должен быть сейчас, после сбора, отсортирован и подвергнут дальнейшим
манипуляциям, иначе при более или менее высокой температуре воздуха может
легко развиться в нем уксусная кислота, чему особенно способствуют
поврежденные или гнилые ягоды. Последние, кроме того, сообщают ему неприятный запах
плесени.

Подготовка винограда
Небольшое количество винограда можно отделить от гребней и перебрать
руками. Если винограда много то для этого употребляют продырявленные доски-терки
и решета из толстой, покрытой цинком проволоки. Величина отверстия такая,
чтобы через них проходили ягоды. Отделением винограда от гребней преследуется
та цель, чтобы не ввести в вино избытка кислоты и дубильных веществ, что
неизбежно, когда гребни ещё зелены.
Отделение от гребней в особенности важно при изготовлении белых вин,
присутствие дубильных веществ в которых делает их малоприятными и служит
впоследствии причиной появления в них буроватого цвета.
Ягоды винограда пускаем в ход немытыми. На поверхности ягод всегда обитают
дикие виды дрожжей, которые и будут сбраживать отжатый сок.
Если вы попробуете выжать сок из подготовленных ягод, то убедитесь что это
очень нелегко. Ягоды пружинят как резиновые. Поэтому следующий этап -
раздавливание ягод.
Дробление
Для раздавливания ягод винограда употребляются особые мельницы-дробилки.
Существует много конструкций, в основном это два бороздчатых вала,
вращающихся в разные стороны. Между ними пропускается виноград. Одна из конструкций
показана на рис. ниже.
Рис. Крашер (дробилка). Слева общий вид, справа вид сверху на валы.

Чем тщательнее виноград раздавлен, тем лучше. Если виноград плохо
созревший , то лучше его раздавить, отпрессовать, потом уже раздавить еще раз. Белый
виноград можно после дробления еще дополнительно потолочь толкушкой, например
бейсбольной битой.
Далее технология для белого и красного винограда различается.
Белый виноград
Красный виноград
Поступает на прессование. Для вина
из белого винограда важно иметь
чистоту, прозрачность и отсутствие
окраски (точнее белое вино имеет
слабый светло-зеленый цвет). Любая
задержка приведет к тому, что сок
захватит придающие цвет вещества из
деревянной посуды, косточек, кожуры.
Хотя бывают и исключения, и белое
вино не всегда бывает белым.
Красный виноград после дробления
подвергается, так называемому,
первому (первичному) сбраживанию. Его
можно проводить в открытой посуде
(рис. ниже). Пока неперебролившего
сахара в винограде много, дрожжи
осуществляют только брожение, не
дыхание. Первое сбраживание
осуществляется вместе с кожурой ягод.
Кожура во время первого сбраживания
отдает красящие вещества соку. Чем
дольше выдерживается виноград при
первом брожении, тем краснее
получается вино. При малой выдержке оно
может быть, в зависимости от сорта
винограда, бледно-розовым или
вообще белым. Чем больше длительность
первого брожения, тем легче отжать
сок в дальнейшем, но слишком
затягивать нельзя - содержание сахара
упадет, и дрожжи перейдут на
дыхание. Нормальная длительность
первого сбраживания от 1 до 4 дней.
Мезгу надо перемешивать два и более
раз за день. Температуру желательно
иметь в районе 21°С.

Отжатие сока
Несброженный сок белого винограда и сброженный сок красного винограда необ-
хожимо отжать (выжать) из мезги (дробленого винограда). Давка производится
прессами различных систем (рычажных, коленчатых, винтовых, гидравлических и
др.). На рис. ниже показана одна из конструкций.
Рис. Основание пресса. Вверху механизм создания давления. Во
избежание почернения сока, станина покрывается воском (при
нагревании) .
Рис. Внутренние деревянные детали пресса: два полупоршня и бруски.

Рис. Пресс в работе. Его деревянные боковины разьемные.
Мезга заливается в пресс, ложатся полупоршни, сверху их - бруски. Главное
при прессовании - не создавать больших усилий, иначе кожуру просто выдавит
через щели, а не отожмет ее. Как только струйка сока иссякнет, сок начнет
просто капать, можно немного добавить усилия (давления) пресса. Таким
образом, пресссование может занять несколько часов. Приемная емкость накрыта
нейлоновой сеткой для предотвращения попадания остатков ягод (кожуры).
Далее второе (вторичное) сбраживание для красного винограда или основное
для белого.
Завершающая ферментация
(сбраживание)
Выжатый сок заливается в большие стеклянные бутыли, которые закрываются
резиновыми или корковыми пробками с водяным затвором.
Белое вино
Красное вино
Наилучшая температура для
ферментации - 18°С, или даже. Для шаманских
вин лучшая температура 14 градусов.
Для достижения чистоты и
прозрачности вино несколько раз сливают с
помощью трубки с образовавшегося
осадка .
Наилучшая температура для
ферментации - 21°С. Вино с осадка не
снимают .

Рис. Вторичная ферментация красного вина.
Конец ферментации определяют по выделению пузырьков газа. Если газ
перестает выделятся, то выдерживают еще пару недель и отправляют бутыли в
холодную комнату для осветления - выпадения осадка. Можно использовать и
холодильник. Хотя белое вино уже не имеет осадка, оно отправляется на осветление
тоже. Дело в том, что при понижении температуры до 5-10 градусов, могут выпасть
в осадок соли винной кислоты. Чтобы этого не случилось с вином в бутылках,
лучше избавится от этого осадка заранее.
Выдержка
Красное вино после снятия с осадка заливают в
дубовые или каштановые бочки для выдержки в
течение года и более. Выдержка вина значительно
улучшает его вкус, снижает кислотность,
переводит в осадок другие соли винных кислот. В
какой-то степени осуществляется окончательное до-
браживание. Бочки заливаются до самого верха,
чтобы не было поступления кислорода.
Недостаточно крепкое вино (меньше 13 % спирта) в
присутствии кислорода воздуха может скиснуть в
уксус. Потом очень трудно будет избавится от
уксуснокислых бактерий, вызывающих скисание вина.
Температура выдержки желательна небольшая,
подвальная. Белое вино обычно не выдерживают,
потому что выдержка меняет цвет вина, затемняет
его, но бывают исключения, некоторые белые вина
все-таки выдерживают.
Заключительный этап - разлитие по бутылкам
для хранения. До этого иногда может требоваться
еще одно отстаивание и снятие с осадка.

Химичка
ОЗОН
Газообразный озон токсичен и способен вызывать ожог верхних дыхательных
путей и отравление (как и любой другой сильный окислитель). Предельно-
допустимая концентрация (ПДК) озона в воздухе рабочей зоны составляет 0,1
мг/м3. Запах озона фиксируется человеком начиная с концентраций 0,01-0,02
мг/м3, поэтому появление запаха озона в помещении является тревожным
сигналом. Любая технологическая схема, содержащая озоновое оборудование, должна
быть оснащена деструктором озона, где он разлагается до кислорода.
Т.к. озон является сильнейшим окислителем, все газовые магистрали должны
быть выполнены из озоностойких материалов таких, как нержавеющая сталь и
фторопласт .
Озон Оз — аллотропическая форма кислорода. Название произошло от греческого
слова «озеин», что означает «пахучий». Озон открыт в 1840 г. Шенбейном.
В очень малых количествах озон содержится в атмосфере: у поверхности земли
концентрация его составляет 10-7%, а на высоте 22 км от земной поверхности —
10-6%. На поверхности земли озон встречается главным образом у водопадов, на
берегу моря (где он, как и атомарный кислород, образуется под влиянием
ультрафиолетовых лучей), в хвойных лесах (здесь он образуется в результате
окисления терпенов и других органических веществ); озон образуется при грозовых
разрядах. На высоте около 22 км от земной поверхности он образуется из
кислорода под влиянием ультрафиолетовых лучей солнца.

Озон получают из кислорода; при этом необходимо затратить внешнюю энергию
(тепловую, электрическую, излучение). Реакция протекает по уравнению
302 + 69 ккал < > 203.
Т
Таким образом, превращение кислорода в озон является эндотермической
реакцией , при которой происходит уменьшение объема газов.
Молекулы кислорода под влиянием тепловой, световой или электрической
энергии распадаются на атомы. Являясь более реакционно-способными, чем молекулы,
атомы вступают в соединение с недиссоциированными молекулами кислорода и
образуют озон.
Количество образующегося озона тем больше, чем ниже температура, и почти не
зависит от давления, при котором протекает реакция. Оно ограничено скоростями
распада получившихся молекул озона и их образования в результате
фотохимического действия (при электрических разрядах, под влиянием излучения кварцевых
ламп) .
При всех способах получения озона в условиях, близких к обычной
температуре, характерным является низкий его выход (около 15%) , объясняющийся
неустойчивостью этого соединения.
Разложение озона может быть частичным (когда оно протекает самопроизвольно
при обычной температуре; в этом случае оно пропорционально концентрации) и
полным (в присутствии катализаторов).
Химические свойства
Молекула Оз неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при
нормальных условиях самопроизвольно, за несколько десятков минут, превращается в
Ог с выделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличивают
скорость перехода в двухатомное состояние. При больших концентрациях переход
может носить взрывной характер. Контакт озона даже с малыми количествами ор-

ганических веществ, некоторых металлов или их окислов резко ускоряет
превращение .
В присутствии небольших количеств HNO3 озон стабилизируется, а в
герметичных сосудах из стекла, некоторых пластмасс или чистых металлов озон при
низких температурах (—78 °С) практически не разлагается.
Озон — мощный окислитель, намного более реакционно-способный, чем
двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (за исключением золота, платины и
иридия) до их высших степеней окисления. Окисляет многие неметаллы.
2Cu2+(aq) + 2Н30 + (aq) + 03(g) —> 2 Cu3 + (aq) + 3H20(1) + 02 (g)
Озон повышает степень окисления оксидов:
N0 + 03 -> N02 + 02
Эта реакция сопровождается хемилюминесценцией. Двуокись азота может быть
окислена до трёхокиси азота:
N02 + О3 -> N03 + 02
с образованием азотного ангидрида N20s:
N02 + N03 -> N205
Озон реагирует с углеродом при нормальной температуре с образованием
двуокиси углерода:
С + 203 - С02 + 202
Озон не реагирует с аммониевыми солями, но реагирует с аммиаком с
образованием нитрата аммония:
2NH3 + 403 -> NH4NO3 + 402 + Н20
Озон реагирует с сульфидами с образованием сульфатов:
PbS + 403 - PbS04 + 402
С помощью озона можно получить серную кислоту как из элементарной серы, так
и из двуокиси серы:
S + Н20 + 03 -> H2S04
3S02 + 3H20 + 03 -> 3H2S04
Все три атома кислорода в озоне могут реагировать по отдельности в реакции
хлорида олова с соляной кислотой и озоном:
3SnCl2 + 6НС1 + Оз -> 3SnCl4 + 3H20
В газовой фазе озон взаимодействует с сероводородом с образованием двуокиси
серы:

H2S + Оз -> so2 + н2о
В водном растворе проходят две конкурирующие реакции с сероводородом, одна
с образованием элементарной серы, другая с образованием серной кислоты:
H2S + Оз -> S + 02 + Н20
3H2S + 403 -> 3H2S04
Обработкой озоном раствора йода в холодной безводной хлорной кислоте может
быть получен перхлорат йода:
12 + 6НС104 + Оз -> 21(С104)3 + ЗН20
Твёрдый нитрилперхлорат может быть получен реакцией газообразных N02, С102
и 03:
2N02 + 2С102 + 203 -> 2N02C104 + 02
Озон может участвовать в реакциях горения, при этом температуры горения
выше, чем с двухатомным кислородом:
3C4N2 + 403 -> 12С0 + 3N2
Озон может образовывать озониды, содержащие анион 0з~. Эти соединения
взрывоопасны и могут храниться при низких температурах. Известны озониды всех
щелочных металлов. КО3, RDO3, and СэОз могут быть получены из соответствующих
супероксидов:
К02 + 03 -> К03 + 02
Озонид калия может быть получен и другим путём из гидроокиси калия:
2К0Н + 503 -> 2К03 + 502 + Н20
ЫаОз и Li03 могут быть получены действием СэОз в жидком аммиаке NH3 на
ионообменные смолы, содержащие ионы Na+ or Li+:
Cs03 + Na+ - Cs+ + Na03
Обработка озоном раствора кальция в аммиаке приводит к образованию озонида
аммония, а не кальция:
ЗСа + IONH3 + 60з -> Ca»6NH3 + Са(ОН)2 + Ca(N03)2 + 2NH403 + 202 + Н2
Озон может быть использован для удаления марганца из воды с образованием
осадка, который может быть удалён фильтрованием:
2Мп2+ + 203 + 4Н20 -> 2MnO(OH)2(s) + 202 + 4Н+
Озон превращает цианиды во много раз менее токсичные цианаты:
CN" + Оз - CNO" + 02
Озон может полностью разлагать мочевину:

(NH2)2CO + Оз - N2 + C02 + 2H20
Получение озона
Озон образуется во многих процессах, сопровождающихся выделением атомарного
кислорода, например, при разложении перекисей, окислении фосфора и т. п.
В промышленности его получают из воздуха или кислорода в озонаторах
действием электрического разряда. Сжижается 03 легче, чем 02, и потому их несложно
разделить. Озон для озонотерапии в медицине получают только из чистого
кислорода. При облучении воздуха жёстким ультрафиолетовым излучением образуется
озон, сходный процесс протекает в атмосфере с образованием озонового слоя.
Озон может образовываться вблизи УФ ламп, однако, только в маленьких
концентрациях (0,1 вес.%).
Тем же способом, которым озон образуется под действием электрических
разрядов во время грозы, большое количество озона производится в современных
электрических генераторах озона. Этот метод называется коронный разряд. Высокое
напряжение пропускают через газовый поток, содержащий кислород. Энергия
высокого напряжения разделяет молекулу кислорода 02 на 2 атома О, которые
соединяются с молекулой 02 и образуют озон Оз.
Чистый кислород, поступающий в генератор озона, можно заменить окружающим
воздухом, содержащим большой процент кислорода.
Данный метод повышает содержание озона до 10-15 вес.%
Потребление энергии: 20 - 30 Вт/г Оз для воздуха, 10 - 15 Вт/г Оз для
кислорода .
высокое напряжение

Озонатор Сименса
В основу его положен шариковый стеклянный водяной холодильник с активной
длиной 5 0 см.
После того как один конец внутренней трубки будет закрыт резиновой пробкой,
заполняют внутреннюю трубку водой, подкисленной серной кислотой, и закрывают
ее также резиновой пробкой, через которую должна быть пропущена толстая
медная проволока, доходящая до первого шарика. Пробку закрывают таким образом,
чтобы в трубке не осталось пузырьков воздуха.
Внешнюю трубку холодильника обертывают оловянной (или алюминиевой) фольгой,
на которую наматывают спираль из чистой медной проволоки. Конец спирали и
пропущенной во внутреннюю трубку медной проволоки соединяют с индукционной
катушкой, питаемой источником постоянного тока 4—6 в и создающей напряжение
30000-50000 в.
При помощи двух стеклянных палочек длиной 25 см и толщиной 8—10 мм, один
конец которых загнут в виде крючка, а другой укреплен в зажиме штатива,
озонатор подвешивают в горизонтальном положении.
Промывную склянку соединяют с источником кислорода и озонатором при помощи
резиновых трубок, в которые встык должны быть вставлены стеклянные трубки.
Вторую боковую трубку холодильника при помощи парафинированной корковой
пробки соединяют с согнутой стеклянной трубкой, проходящей в нескольких
сантиметрах от холодильника.
Выпускаются серийные озонаторы, в которых серная кислота заменена
металлической фольгой. Прибор состоит из стеклянной или фарфоровой трубки, оклеенной
снаружи металлической фольгой; внутри трубки находится закрытый пустой
металлический цилиндр. Иногда применяют целые батареи, состоящие из 6—8
соединенных последовательно озонаторов. Трубки, по которым проходит озон, делают из
неокисляемого материала.

Каталитическое
разложение озона
Отводную трубку какого-либо озонатора (например, озонатора Сименса) при
помощи узкой стеклянной трубки и двух парафинированных корковых пробок
соединяют со стеклянной трубкой длиной 20 см и диаметром 12 мм.
Вводя в широкую трубку попеременно слой стеклянной ваты с порошком двуокиси
марганца или свинца (10 см) или слой активированного гранулированного угля,
убеждаются, что, проходя через них, озон разлагается.
Разложение озона сопровождается выделением тепла и увеличением объема газа.
Трубчатый
барьерный
озонатор
.вода
(~=хГ W ~х? -х- -х- Ъ<- W -Ьх-
воздух + О
3
вода
filing F^Erff
\\\\\\\\\\\\Л\
//////////////7
- = Ц,
q?x=: ^ ^ v: ^ -ь<г
D
•Ьх- -ж- У -х- -х- -х- I
воздух
X"
2
3
Сиз
вода
^ВН
^ ^
вода
Рис.1 Трубчатый барьерный
озонатор.
1 - наружный электрод;
2 - барьер из стеклоэмали;
3 - внутренний электрод.

Для выноса образовавшегося озона из разрядного промежутка необходимо
создать равномерный поток газа через разрядную зону. Наиболее удобно это
осуществляется в коаксиальной системе электродов так называемого трубчатого
озонатора (рис. 1) .
1
2
3
4
5
8
Рис. 2 Блок - схема установки
1 - компрессор;
2 - осушитель воздуха;
3 - озонатор;
4 - измеритель концентрации Оз;
5 - разложитель озона;
6 - источник высокого напряжения;
7 - блок электрических измерений;
8 - водяное охлаждение.
П
220 В
9 О
1
2
3
озонатор
Рис. 3 Электрическая схема измерений и коммутации источников питания
1 - ИП - 600 Гц;
2 - ИП - 1000 Гц;
3 - ИП - 1500 Гц.
На рис. 2 представлена блок-схема установки, включающая, помимо
электрической части вспомогательные устройства для осушки газа, водяного охлаждения,
компрессор, разложитель озона и измеритель концентрации озона. Измерение
концентрации озона осуществляется по спектру поглощения при пропускании
света ртутной лампы через специальную кварцевую кювету, внутри которой проходит
поток газа с озоном. Выходным прибором измерителя концентрации служит
микроамперметр , пересчет показаний которого дает значение концентрации озона. Вся

шкала прибора (100 делений) соответствует концентрации озона в газе 20 мг/л
или примерно 1 % объемный.
Осушка газа осуществляется пропусканием воздуха через осушитель с силикаге-
лем. Расход газа измеряется ротаметром в делениях, пересчитываемых затем в
л/мин.
Для уничтожения озона в выходящем из озонатора потоке газа, что необходимо
в целях безопасности для предотвращения отравления (озон является мощным
окислителем, и вдыхание воздуха с высокой концентрацией озона приводит к
ожогу дыхательных путей) используется разложитель с цианитом1, при
взаимодействии с которым происходит разложение озона.
Электрическая схема установки приведена на рис. 3 , где 1, 2 и 3 -
источники питания с частотой 600, 1000 и 1500 Гц соответственно; ВН - блок
измерения высокого напряжения; РТ - блок измерения разрядного тока; П -
переключатель источников питания.
Измерение высокого напряжения осуществляется по выпрямленному току через
добавочное сопротивление R=27 мОм. Шкала прибора, установленного на пульте,
отградуирована в максимальных значениях напряжения соответствующей частоты.
Измерение тока через озонатор производится с помощью выпрямительной схемы,
последовательно с которой включен микроамперметр М-906 с шунтом. Для
определения тока необходимо показание N прибора (мкА) умножить на коэффициент
Ki=0.168, имеющее размерность мА/мкА, тогда значение тока
I=N Ki имеет размерность мА.
В работе используется трубчатый барьерный озонатор с диэлектрическим
барьером из эмали типа 13ДЗ, имеющей значение диэлектрической проницаемости 8б=6.
Диаметр наружного электрода Dh=43 мм, диаметр внутреннего, покрытого эмалью
электрода D=40 мм, что дает длину воздушного зазора 1 = 1.5 мм. Толщина слоя
эмали 1 мм. Длина наружного электрода 4 см длина рабочей части, где горит
разряд, 3.5 см.
Озонатор представляет собой коаксиальную систему электродов с диаметром
электродов Dh =43 мм и D=40 мм; это создает промежуток длиной 1.5 мм.
Электрическое поле в воздушном промежутке можно считать однородным. Для такого
поля максимальное значение пробивного напряжения в кВ,
Unp =24.5-£-/ + 6.4--#Т7
где 8 - относительная плотность воздуха:
5 = 1
1 - расстояние между электродами, см:
21 = DH -D = 43-40 = Змм = 03см
I = 1.5мм = 0.15см
Максимальное значение пробивного напряжения в кВ:
Unp = 24.5 -S-1 + 6.4 -V^7 = 24.5-1-0.15 + 6.4 -Vl- 0.15 =6Л55кВ
в следующем режиме работы озонатора: объемный расход газа 1 л/мин, концен-
С
трация озона °3 = 20 г/м3, активная мощность разряда Р=15 Вт.
Объемный расход газа:
Vr = 1л / мин = 60л/ час = 60 • 10~3;и3 / час
Выше были другие варианты.

Концентрация озона:
Сп =20-\0~3кг/м3
Активная мощность разряда:
Р = \5Вт
Важной величиной, определяющей эффективность работы озонатора, являются
затраты энергии на получение озона
Энергозатраты работы озонатора определяются по формуле:
Р
W = —кВт.ч.1 кг
G
С расходом газа связана производительность озонатора:
0 = С0з-¥Г
измеряемая в граммах (или килограммах) озона в час и являющаяся основной
характеристикой озонатора.
Тогда энергозатраты работы озонатора определяются по формуле:

Электроника
ИНДУКЦИОННАЯ ПЕЧЬ
Действующая модель индукционной печи показана на рис.1. Генератор ВЧ
вырабатывает колебания с частотой 27,12МГц. Он собран на четырех электронных
лампах (тетродах). Неоновая лампа сигнализирует о готовности устройства к
работе. Ручка конденсатора переменной емкости (КПЕ) С выведена наружу. При
наибольшей емкости КПЕ происходит быстрое нагревание куска металла, помещаемого
(в тигле) в катушку L.
txSLS, SW, Г80% 867
-А
Рис.1. Схема генератора.

Для расплавления куска цинка достаточно нагревать его в течение 15...20 с.
Катушка L - бескаркасная, состоит из 10 витков провода ПЭВ 0,8, внутренний
диаметр витка 12 мм. Конденсатор С от вещательного радиоприемника (с
удаленной каждой второй пластиной).
Мощность устройства такова, что оно практически мгновенно нагревает до
красного каления, например, отвертку. Скорость плавления металла в
индукционных печах зависит, прежде всего, от мощности генератора, частоты, потерь на
гистерезис, на вихревые токи в куске металла и скорости передачи тепла в
окружающую среду. Лампы рекомендуется применять мощные, но число их при
параллельном включении не должно превышать четырех.
Печь питается от сети переменного тока 220 В через выпрямитель.
Конденсаторы С1 - керамические или слюдяные с рабочим напряжением 1500 ... 2000 В, Др-
дроссели высокой частоты.
КОНТАКТНЫЙ ТЕРМОРЕГУЛЯТОР
Е. Перельцвайг
В разных технических устройствах часто возникает необходимость в подогреве
воздуха или воды (раствора) до определенной температуры и дальнейшего
поддержания этой температуры в течение длительного времени. Можно привести
множество примеров необходимости автоматического терморегулирования.
Схема автоматического терморегулятора проста, работает от осветительной
сети 220 В, не требует наладки. В приборе нет дорогих и крупных деталей,
размеры его невелики.
Датчиком температуры нагреваемой среды служит электроконтактный ртутный
термометр типа ТК-1 со шкалой 50°С или 100°С.
Перед включением в сеть подвижной электроконтакт термометра устанавливают
на деление, соответствующее необходимой температуре нагрева среды.
Схема (рис. 1) работает следующим образом: в исходном положении тиристор
типа КУ-202л(к) или КУ-201л открыт и ток сети 220В проходит через цепь:
предохранитель Пр, тиристор и нагреватель Н. При повышении температуры
нагреваемой среды ртутный столбик термометра поднимется до подвижного
электроконтакта, соединив управляющий электрод V тиристора с его катодом К. Тиристор
закроется, и ток через него и соответственно через нагреватель прекратится.
После даже небольшого охлаждения регулируемой среды ртутный столбик опустится,
его контакт с подвижным электроконтактом термометра прервется, и нагрев во-

зобновится. Неоновая лампочка ТН-3 светится при наличии напряжения на
нагревателе Н, сигнализируя о его включении.
Рис. 1. Схема терморегулятора
Для схемы подойдут нагреватели любого типа, наиболее подходящие по
конструкции в каждом случае, например, кипятильник, рефлектор, осветительные лампы
накаливания. К терморегулятору можно подключить один или несколько одинаковых
или разных по типу электронагревателей, но с общей мощностью до 375 Вт.
Подбирая мощность нагревателя в зависимости от объема, теплоемкости и
температуры нагреваемой среды, следует учитывать, что через нагреватель проходит ток,
выпрямленный тиристором.
Изменяя мощность нагревателя, можно изменять время нагрева среды до
необходимой температуры. График колебаний температуры в контролируемой среде имеет
пилообразную форму и зависит от чувствительности термометра (цены деления).
В некоторых случаях для равномерного нагрева всего объема среды возникает
необходимость перемешивания среды с помощью вентилятора (газ) или крыльчатки
(жидкость), подключаемых к нагревателю.
Терморегулятор собирают в небольшом корпусе из электроизоляционного
материала, В задней и верхней стенках корпуса делают несколько отверстий для
охлаждения. Тиристор крепится на теплоотводящем радиаторе — пластине из меди
или алюминия толщиной 2... 4 мм, площадью 40...50 см2. На передней стенке
корпуса устанавливают тумблер включения сети 220 В, держатели для
предохранителя, а также 2 пары штепсельных гнезд для включения вилок проводов от
термометра и нагревателя. Провод с вилкой для включения прибора в штепсельную
розетку электросети выводится через отверстие в задней стенке корпуса. Весь
электромонтаж и особенно провода от нагревателя и термометра должны иметь
надежную электроизоляцию. Желательно на провода надеть изоляционные трубочки.
Термометр и нагреватель следует крепить в разных концах1 нагреваемого
объема .
Нет, от этого повысится инерционность и размах колебаний. Лучше рядом.

Компьютер
КАК НАЧАТЬ ОСВАИВАТЬ МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ?
Гололобов В.Н.
О микроконтроллерах уже рассказывалось в предыдущих номерах журнала1.
Современные микроконтроллеры — это хорошо продуманные устройства,
позволяющие существенно упростить построение схем. Очень часто в своем составе они
имеют встроенные компараторы, АЦП, модули работы с сетью USART или
радиоканалом RF.
Для любителей электроники и профессионалов, не специализирующихся на
микропроцессорной технике, камнем преткновения может стать необходимость написания
программы, без которой микроконтроллер «глух и нем». Если есть схема готового
устройства и файл загрузки, задача упрощается, но готовая схема не всегда
устраивает в полной мере, да и некоторый осадок беспомощности, скованности
1 Домашняя лаборатория №9 За 2008 г.

остается.
Под программированием подразумевается написание кода программы на
ассемблере или языке высокого уровня: С, Basic, Pascal... Но так ли это?
Рассмотрим конкретную и наипростейшую задачу. Положим, мы хотим на одном из
выводов контроллера установить высокий уровень (при питающем напряжении 5 В,
это и будет почти 5 В). Через некоторое время (пауза) напряжение на этом
выводе сделаем равным нулю (низкий уровень). И пауза. Если все это повторяется
бесконечно, то такой «самый простой» случай позволит использовать контроллер
в качестве управляющего устройства, скажем, для переключения елочной
гирлянды. Или для генерации меандра. Или это станет индикатором, звуковым или
световым. Или. . .
И, что до программирования, то программу мы уже написали. Осталось ее
реализовать .
То, как она будет реализована далее, должно помочь людям, начинающим
осваивать микроконтроллеры, почувствовать себя увереннее и избавиться от неприязни
к программированию.
Есть такая компьютерная среда разработки и отладки программ для
микроконтроллеров, которая называется FlowCode. Есть версия программы для AVR-
контроллеров производства Atmel, есть версия для PIC-контроллеров
производства Microchip. И есть очень полезное свойство программы — возможность
экспортировать написанное для AVR-контроллеров, в среду разработки PIC-
контроллеров, и наоборот.
Установка программы выполняется обычным образом. При установке, кроме
обычных щелчков по клавише Next и подтверждения согласия с лицензионными правами,
следует не забыть установить дополнительный файл РРР (для версии 3 это
PPPv3), он нужен, как минимум, для создания «слова конфигурации». Программа
есть в демо-версии, урезанной в возможностях, но вполне работоспособной, на
сайте производителя (http://www.matrixmultimedia.com), и в разных вариантах
на любительских сайтах. Хотя программа создана для Windows, она работает и в
Linux под Wine, не полностью, но в мере достаточной для знакомства.
Ниже рассказ пойдет в приложении к микроконтроллеру PIC16F628A, но в полной
версии программа FlowCode работает с весьма представительным рядом моделей, а
все, сказанное в статье, никак не связано с конкретным выбором модели.
Начинающим осваивать микроконтроллеры я советую в первую очередь остановить
свой выбор на той модели, которую можно быстро и легко приобрести, нет нужды
искать самый дешевый, вы же не собираетесь тиражировать созданные устройства,
и для которой можно быстро собрать программатор или купить доступный по цене.
Итак, первый запуск среды разработки и отладки FlowCode.
Поскольку при написании статьи программа работает в Linux, могут иметь
место незначительные отличия во внешнем виде рисунков.
Если вы уже работали с программой, то при запуске в окне диалога открытия
файла можно выбрать, предстоит ли работа с новым файлом (Create a new
FlowCode flowchart...), или будет продолжена работа со старым (Open an
existing FlowCode flowchart...), который можно выбрать из предложенного ниже

списка.
Рис. 1. Программа FlowCode
Для тех, кто знаком с электроникой, дальнейший порядок работы должен быть
знаком: есть микросхемы, которые следует правильно связать сетью проводов в
единое целое, небольшие трудности возникают только при выборе нужных
микросхем, приходится обращаться к документации. В этом смысле FlowCode снабжена
подсказкой, и есть примеры в папке «Examples». Очень полезно заглянуть в эту
папку.
Задача, описанная выше, может быть доведена до проверки на макетной плате,
где микроконтроллер будет управлять светодиодом, припаянным, скажем, к
нулевому выводу порта А (на всякий случай через резистор), и пусть светодиод
мигает раз в секунду.
На инструментальной панели слева, где расположены элементы команд, есть
кнопка с буквой «О», от слова output (выход). Если навести курсор мышки на
эту кнопку, то высвечивается и подсказка, Output. Зацепив команду (нажимаем
левую клавишу мышки, когда курсор указывает на иконку, и, не отпуская
клавиши, перемещаем курсор в рабочее поле схемы), тащим ее к линии связи между
овалами Begin (начало) и End (конец). При этом курсор выглядит как
стилизованная иконка, а слева появляется стрелочка-указатель.
Попутно можно отметить, что пользовательский интерфейс программы стандартен

для операционной системы Windows, а все операции очень похожи на аналогичные
в других программах.
Fl« FdJ i'ew M;»rro £lt Спц Wrdcw Ь«ф
1»,~7Ж
, Inset t anOj^xlt
J e*arrDll,fcf
ПОЛОС NF I
Л1
rio/ц-
PISCCM
RMA№
iW
ГГ.Т1Э5
pi;
'Oh RttVGM
t- 4
I
Рис. 2. Добавление элемента программы к диаграмме
После добавления элемента Output диаграмма принимает следующий вид:
BEGIN ^
Output
-> PORTA,
i
END ^
Рис. 3. Начальный вид программы

Нуль в заголовке состояния порта А подразумевает, что все выводы находятся
в состоянии логического нуля (с низким уровнем напряжения) или что они будут
установлены в 0.
Мигать чем-то — это менять состояние, но чтобы мигание было заметно,
понадобится пауза. Такой элемент (иконка на левой инструментальной панели с
литерой «D») Delay (задержка) есть. Перетаскиваем его и вставляем ниже первой
команды Output. По умолчанию задержка задается в миллисекундах. Но в свойствах
этого элемента можно изменить единицу измерения. Двойной щелчок левой
клавишей мышки по этому элементу на рабочем поле открывает диалоговое окно, где
задаются многие свойства: имя программного элемента, значение, которое можно
задать с помощью переменной, и единица измерения.
Имя компонента пока не столь важно, но при создании больших программ
следует продуманно использовать это свойство, как и имена переменных, чтобы
облегчить чтение и понимание программы и себе, и другим.
Displagname: \1ЕЗ
1
Delay value or
variable:
Variables
milliseconds
С seconds
OK
Cancel
Рис. 4. Диалоговое окно свойств элемента Delay
Теперь достаточно выбрать опцию seconds, чтобы превратить миллисекунду в
секунду. Следом за задержкой в 1 секунду добавим еще одну команду Output, как
и в первый раз, но теперь, двойным щелчком левой клавиши мышки по нему на
рабочем поле схемы, откроем диалоговое окно его свойств:
Display name:
Output
Variable or value: 0
Variables
Port; I PORT A
~3
Output to:
r Single Bit [~
(* Entire Port:
Г" Use Masking
J
ГГГГГГГГ
OK
Cancel
Рис. 5
Изменение свойств выхода порта А в диалоговом окне

Заменив 0 в окне Variable or Value: единицей, мы изменим состояние выводов
порта.
А, добавив в программу еще одну паузу, мы почти достигаем желаемого.
Осталось заставить светодиод мигать непрерывно. Такое многократное выполнение
фрагмента программы в программировании называется циклом (Loop). И такой
элемент на левой инструментальной панели есть, седьмая кнопка сверху. Если
добавить его к концу программы, это, конечно, не приведет к цели. Но можно
перенести все команды внутрь цикла. Достаточно выделить уже существующие команды
и перенести их в нужное место.
Для выделения элементов следует, нажав левую клавишу мышки, когда курсор
находится на пустом месте над программой, удерживая клавишу, отрисовать
прямоугольник, включающий всю программу, кроме цикла. Все, что теперь выделено,
можно перетащить к линии, соединяющей начало цикла While и конец, отмеченный
как Loop. В программировании часто используются циклы, и бывают они разного
вида, например, выполняемые заданное количество раз (For...) или условные,
выполняемые до тех пор, пока не будет (или будет) выполнено некое условие,
которое может, в свой черед, проверяться до выполнения очередного прохода
программы, заключенной в цикл, или после прохода и т.д.
В свойствах цикла программы FlowCode можно изменить характер работы цикла,
если это нужно.
Рис. 6. Программа в FlowCode с циклом

Итак, мы написали (или нарисовали, или собрали) первую программу, и пора бы
проверить, работает ли она. Программа FlowCode имеет хорошие отладочные
средства .
Чтобы запустить отладку, достаточно в основном меню выбрать пункт Run и
раздел Go/Continue в выпадающем меню или на основном инструментальном меню
нажать кнопку с иконкой «►», как у любого плеера, обозначающей
воспроизведение. Однако прежде чем это сделать, полезно (или весьма полезно) на
инструментальной панели дополнительных компонентов (второй слева) нажать первую
кнопку с изображением ряда индикаторов (светодиодов), появляющаяся подсказка
к ним LEDs. Вот теперь можно и запустить отладку. Мигающий светодиод,
обозначенный как АО, в точности повторит то, что вы увидите, собрав макетную плату.
Но... небольшое дополнение: паузы, которые введены в программу, зависят от
тактовой частоты микроконтроллера. Последняя определяется способом
организации генератора. Для первых экспериментов самым удобным будет использовать
внутренний тактовый генератор, его частота 4 МГц. То, с какой скоростью будет
переключаться выход при отладке и при макетировании, следует согласовать с
тактовой частотой. В основном меню есть пункт Chip с разделом Clock Speed...,
где, собственно, и задается тактовая частота. Если этого не сделать, а по
умолчанию тактовая частота принимается равной 20 МГц, то пауза в 1 секунду
при отладке на макетной плате превратится в 5 секунд при использовании
внутреннего тактового генератора.
Для первой программы полезно будет попробовать менять состояние порта А во
второй команде Output, вписывая разные числа. Они все будут отображаться
состояниями выводов порта А в виде, который можно называть кодом 1-2-4-8, или в
двоичном виде.
Рис. 7. Первый отладочный запуск программы

Как вы могли убедиться, написать небольшую программу для микроконтроллера
гораздо проще, чем собрать схему на аналоговых ли, цифровых ли элементах,
которая заставила бы мигать светодиод. А ведь эту программу легко поправить,
чтобы она выполняла более сложные операции.
Если вы купили программу FlowCode, то, возможно, купили и программатор,
работающий с ней. В этом случае вы можете сразу вставить микросхему в панельку
программатора и, оттранслировав первую программу, загрузить ее в
микроконтроллер, перенести его на макетную плату и убедиться, что он работает (слово
конфигурации, о котором будет сказано ниже, для PIC16F628A возьмите 3F18h).
Можно использовать внешнюю программу для программирования
микроконтроллеров, например, PonyProg или ICprog. Схемы программаторов для них достаточны
просты даже для сборки начинающим. Для PIC контроллеров есть недорогой
программатор EXTRA-PIC, который можно заказать по почте в агентстве «Десси».
Сегодня многие пользуются ноутбуками, не имеющими ни СОМ, ни LPT порта,
поэтому схему, приведенную ниже подключать некуда, но, возможно, конвертер USB-
СОМ (или LPT для других программаторов) позволяет сделать это, хотя лучше
предварительно проконсультироваться с теми, кто делал или пытался сделать
это.
Схема на рисунке ниже рассчитана на программирование только некоторых
моделей PIС-контроллеров. Для первых опытов это, как правило, достаточное
требование к программатору. А переделать схему, когда появится опыт работы и круг
интересов расширится, не составит особого труда.
5S
О)
Ж Ж
ft
N О з
00
а
м см
OI/N
RS232 outputs are current limited - protects PIC if inserted wrong.
CSERIAL-3
IC1
14
1_5
4
VDD
OSCl
0SC2
MCLF'-.
FB7
FB6
FB5
FB4
FB3
FB2
FBI
F BO
TOCKI.FA4
F A3
FA2
FA1
VSS F AO
13
12
D4
10
is
17
PIC16C84P
D5
И пкт
5.1V D5T
Й—
DNI
6
VSS
-B^-CSERIAL-?
GND
Ж-CSERIAL-S
DTR CSERIAL-4
GTS CSERIAL-8
-CSERIAL-1
TP1
M С. I R
VSR
RRfi
RR7
Pin 1 is farthest from the DB9.
Рис. 8. Схема программатора JDM

Программатор получается небольшим и достаточно удобным в работе, не требует
дефицитных деталей. Для его сборки достаточно куска макетной платы. Если
стабилитрон D6 заменить аналогичным на напряжение 5.1 В и добавить два светодио-
да АЛ307А в прямом включении (или один светодиод и стабилитрон с
соответствующим напряжением стабилизации), то процесс обращения к программатору можно
контролировать визуально. Первые шаги в этом направлении, порой, оказываются
не столь удачны, как хотелось бы, и никакая дополнительная индикация не будет
лишней.
У меня программатор подключается шлейфовым кабелем в метр длиной, чтобы
удобно было работать возле компьютера, к СОМ-порту. Выглядит он так:
Рис. 9. Внешний вид программатора
До того, как программировать микросхему, программу из предыдущей части
рассказа требуется превратить в hex-файл. Это тот файл, что загружается в
программу для работы с программатором, и который отправится в микроконтроллер.
Предпоследняя клавиша основного инструментального меню с подсказкой Compile
to HEX, как видно из рисунка, должна выполнить трансляцию, а в папке с
программой появится искомый hex-файл. Если бы в моем распоряжении был
программатор, подключенный по USB интерфейсу к компьютеру и умеющий «разговаривать» с
FlowCode, то следующая кнопка основного инструментального меню с иконкой мик-

Рис. 10. Трансляция программы в hex-код
При первом знакомстве с процедурой создания программы для микроконтроллера
можно не заботиться о виде программы, довольствуясь полученными «по
умолчанию» названиями, но в дальнейшем это может мешать. При взгляде на предыдущий
рисунок трудно понять назначение команд. Это легко поправимо. Двойной щелчок
по команде открывает диалоговое окно, где в поле Display name можно написать
то, что впоследствии поможет легче читать программу. Лучше, если это будут
названия на английском, но можно на латинице сделать для себя понятное
название элемента.
Кроме возможности именовать элементы программы удобным для понимания
способом в нее можно добавлять комментарии (тоже лучше латиницей). Для вставки
комментария используется последняя кнопка панели команд. Все комментарии
должны игнорироваться при компиляции программы, и с этой точки зрения язык,
на котором будет написан комментарий, не должен сказываться на работе
программы. Вы можете поэкспериментировать с русскоязычными комментариями, но
будьте готовы к тому, что при этом могут возникнуть проблемы.

Display name: Pitanie Indicatora
Port I PORT A ^
Output to:
f» Single Bit:
r Entne Pott:
3
Г
ГГГГРГГГ
OK
Cancel
Рис. 11. Смена названия элемента программы
Чтобы не возвращаться к вопросу о назначении элементов панелей, я приведу
описания панелей.
Первая левая инструментальная панель — это панель команд.
Перечень представленных команд (слева-направо на рисунке, сверху-вниз при
запуске):
Input (ввод), Output (вывод), Delay (пауза), Decision (ветвление),
Connection Point (две точки соединения), Loop (цикл), Macro (макрос),
Component Macro (макрос компонента, добавленного в программу), Calculation
(вычисление), String Manipulation (строковые операции), Interrupt
(прерывание) , С Code (блок кода на языке Си), Comment (комментарий).
Вторая инструментальная панель для добавочных внешних элементов.
Рис. 12. Инструментальная панель команд
UN М
Рис. 13. Инструментальная панель добавочных элементов

Компоненты (слева-направо)
LEDs (светодиоды), Switches (переключатели), LCDDisplay
(жидкокристаллический дисплей) , ADC (АЦП, если есть порт АЦП) , LED7Segl (семисегментный
индикатор) , LED7Seg4 (блок из 4х семисегментных индикаторов), Buggy (компонент
игрушки), далее несколько стандартных интерфейсов TCP_IP, Bluetooth, RS232,
IrDA, AddDefines (добавить определения), LinMaster (ведущий в локальной
сети) , Custom (заказной компонент), EEPROM (перепрограммируемая память), Alarm
(охранное устройство), Thermometer (термометр), PWM (широтно-импульсный
модулятор) , SPI (последовательный внешний интерфейс), Webserver (web-сервер), CAN
(сеть абонентского доступа), KeyPad (клавиатура), LinSlave (ведомый в
локальной сети), FormulaFlowCode (компонент игры), I2C (шина связи между ИС).
Программа FlowCode позволяет быстро создавать программы достаточно
интересных устройств.
Посмотрим, как легко можно модернизировать программу, генерировавшую меандр
с частотой 0.5 Гц. Усложним ее:
• Введем две кнопки управления частотой.
• Используем эти кнопки для удвоения и уменьшения частоты вдвое.
• Отобразим значение частоты на семисегментном индикаторе.
Ввести две кнопки для управления, в отношении программы, означает добавить
два программных элемента ввода (Input). Но после перетаскивания команд в
рабочее поле и попытки закрыть окно свойств команды появляется сообщение:
flowcode
Input operations can only be made to variables. Please choose an
existing variable or use the Variables button to define a new one.
Ok
Рис. 14. Сообщение программы FlowCode
Операция ввода работает только с переменными. Нужно либо выбрать, либо
создать переменную, используя клавишу Variables.
FlowCode, как любая среда программирования должна обладать всем набором
элементов, нужных для построения программы. Хотя FlowCode специфическая,
микроконтроллерная среда программирования, она должна иметь переменные.
Нажатие указанной клавиши в окне свойств элемента Input открывает диалог
создания переменных, в котором есть клавиша Add New Variable..., открывающая
следующее окно, где собственно и создается новая переменная, для которой
подойдет имя «тоге», больше. Тип переменной Byte вполне должен устроить.

Create a New Variable
Name of new variable:
I more
Variable type:
(• Byte (number in the range 0 to 255)
Int (number in the range -32768 to 32767)
String (default size = 20)
OK
Cancel
Рис. 15. Создание новой переменной в FlowCode
Как часто бывает в программах, это не единственный путь создания
переменных. В основном меню в разделе Edit есть пункт Variables..., где можно
открыть диалоговое окно работы с переменными и создать, точно так же, нужные
переменные. Позже, когда возникает необходимость в работе с созданными
переменными, их можно выбрать из списка либо диалога свойств программного
элемента, либо из диалога работы с переменными.
Variable Manager
Variable Name
Variable Type
more
less
Вт ТЕ
BYTE
Add New Variable
Delete Variable.
Rename Variable.
Use Variable
Copy
Close
Рис. 16. Диалоговое окно работы с переменными
Нажатие клавиши Use Variable возвращает в диалоговое окно свойств
программного элемента Input. Для второго элемента ввода, как видно на рисунке выше,
выбрано имя переменной less (меньше). Программа в этот момент выглядит
следующим образом:

Рис. 17. Программа с элементами ввода
Элементы ввода в программе вне цикла. Это не окончательный результат, но
куда и как их поместить, можно рассмотреть позже.
Чтобы не переписывать, многократно, одинаковые фрагменты программы,
программисты давно придумали такие удобные средства, как подпрограмма, или
процедура , или функция, а в данном случае программный элемент Macro.
Перетащим его в программу ниже элементов Input. Он появляется в программе,
как Call Macro (вызов макроса), а двойной щелчок по нему открывает диалог
работы с макросами.

Properties: Macro
Display name: |Call Macio
Macro:
3
? Create New Macro... OK Ь Edit Macro
OK
Cancel
Рис. 18. Диалоговое окно работы с макросами
Клавиша Create New Macro... (создать новый макрос), как мне кажется,
хорошее начало для создания нужной подпрограммы.
Create a New Macro
Name of new macro
multi
Description of new macro:
Parameters:
Name
frtq
Local variables
Type
BYTE
Name Type
tin vatiable: delined
Return type:
No return variable
Edit Parameters
Edit Variables.
OK
Cancel
Рис. 19. Задание свойств подпрограммы

Имя «multi» в поле Name of new macro: — это обязательный атрибут макроса.
И, пока «на всякий случай», я добавил параметр «freq». Я еще не знаю, смогу
ли я воспользоваться этим параметром, как я это смогу сделать, но удалить
лишнее я всегда смогу (если не забуду, как обычно бывает). Добавление
параметра потребовало создания еще одной переменной «freq_ch», но, все
неприятности когда-нибудь заканчиваются, и, наконец, появляется подпрограмма. Вернее,
заготовка для нее.
ctart.kl
ъ
ф
ф
ф
1
-г-
(at О >■ «-> ■ <& Ч ►
•з с. iu 0.
гг.
ED
«ос
□
та
X
*
Q
,1,
ЛЛЛ
111!
-ICl > '
гм/пгшеиг: i
Ml I
•A'JUt I
•MCaClClKHJT
JCkl
•itroa
Рис. 20. Создание заготовки для подпрограммы
Теперь можно перенести весь цикл работы выходов из основной программы в
подпрограмму. Напомню, как во многих графических редакторах, для выделения
достаточно, нажав левую клавишу мышки, обвести нужные элементы. Затем в
основном меню Edit выбрать Cut (вырезать), переместиться в рабочее поле
подпрограммы и щелкнуть мышкой по линии связи операторных скобок Begin-End,
появляется стрелочка, наконец, в основном меню Edit выбрать Paste (вставить).
Подпрограмма выглядит так, как выглядела программа в момент начала работы.
Подумаем, как менять частоту мультивибратора, а подпрограмма, в конечном
счете, и есть мультивибратор. Операцию легко проделать, меняя длительность пауз.
Поэтому в свойствах паузы (двойной щелчок по первому, затем второму элементу
Delay подпрограммы) заменим число «1» на переменную «freq_ch», созданную
ранее. Пока программа не превратилась в «небоскреб», ее можно проверить.

Предварительно добавим в основную программу (из которой удален цикл) после
двух элементов Input новый элемент, который называется Calculation
(вычисление) . В его свойствах зададим нужное начальное значение частоты
мультивибратора . То есть, начальную длительность пауз.
Небольшое отступление. Ранее мне пришло в голову, что микросхема выглядит
привычнее, когда входы у нее слева, а выходы справа. А это привело к тому,
что выход переместился в порт В.
Properties: Calculation
Display name: |Calculation
Calculations:
f l a :i_cli
J
?
Variables.
OK
Cancel
Рис. 21. Задание начальной частоты мультивибратора
Для проверки достаточно нажать на кнопку «►» основной инструментальной
панели программы, но отладочные светодиоды следует привязать к порту В, а не А,
как было раньше.
LEDs(O)
В7 В6 В5 В4 ВЗ В2 В1 ВО
О
Рис. 22. Линейка светодиодов
Первая из кнопок на основной панели LEDs(O) — доступ к свойствам через
выпадающее меню, где можно выбрать пункт Component Connections... и заменить
привязку к порту.

Specify Component Pin Connections
Pin Name
I Port I
Bit
RJledo ^^^^H
PORT В
и
led 1
PORT В
1
led 2
PORT e!
led 3
PORT В
led 4
PORT В
4
led 5
PORT В
c(
led 6
PORT В
6
led 7
PORT В
7
Connect to: Port PuRT В w Bit: 0 w
Status:
Pin LED Ois connected OK.
? Key Mappings
Done
Рис. 23. Изменение порта «приписки» светодиодов
После сделанных изменений проверка программы запускается клавишей
основной инструментальной панели FlowCode.
«►» на
». •:
Л J'.
J» -
П7 Г» Ffi Г4
±! si
at ко- -
Рис. 24. Проверка работы подпрограммы

Проверка не обнаруживает разницы в работе программы сравнительно с
предыдущей проверкой. И еще, пока «болезнь не запущена», с программами это бывает,
проведем еще одну диагностику.
Изменение частоты, в сущности, изменение значения переменной «freq_ch». При
нажатии кнопки «больше» эта переменная должна делиться на 2. Проверим.
Добавим после первого элемента Calculation второй такой же. А в нем запишем
freq_ch = freq_ch/2. Запустим программу...
...чтобы убедиться, что-то идет не так, как должно. Программа сейчас
выглядит (основная программа):
^ BEGIN
Input
/ /
/ more /
Input
/ /
Calculation
freq_ch = 1
Calculation
freq_ch = freq...
Call futBcro
Call b/tasrci
multi(f req_...
^ END ^
Рис. 25. Вид основной программы на данный момент
Светодиод вместо того, чтобы мигать быстрее, то ли мигает, то ли нет —
непонятно. Но есть простой способ проверить, а я думаю, что проблема кроется в
переменной «freq_ch», проверить, что с ней происходит. Для этого достаточно в
подпрограмме включить точку останова на элементе, скажем, Output (первое
обращение к порту В). Для этого следует щелкнуть правой клавишей мышки по этому
элементу и в выпадающем меню щелкнуть по пункту Toggle Breakpoint. Запуск
программы выводит в окно наблюдения переменные и их значение.

*|
Variable
Type
Value
FREQ LH
BYTE
0(ОхГн
MUKfc
BY It
U (UkIII
LESS
BYTE
0 (0x01
MULTI FREQ
BYTE
0(0x01
Рис. 26. Окно наблюдения при включении точки останова
^ BEGIN ^
CalaJalon
*eq_di
- 1пг
Loop
{ Т ^
fdul
/ mode /
iDEdflOTl
JCalaJalon
CalaJalon
1Ж7
DEdflOTl
caloJalon
teq_d"i - tie...
CaloJalon
lefi
- I
Call Itocro
Call Ibcro
mi J l(teq...
Loop
(3D
Видно, что после деления переменная превращается в
ноль. Первое, что приходит в голову, изменить тип
переменной на int (целое). И задать значение не «1», а
1000. И поменять в подпрограмме в свойствах паузы
секунды на миллисекунды. Теперь после деления на два
переменная становится равной 500, а светодиод
исправно мигает. Своевременная проверка.
Итак. Мы создали подпрограмму работы
мультивибратора. Мы добавили два элемента ввода (для двух кнопок
управления). И, наконец, разобрались с механизмом
изменения частоты будущего мультивибратора.
^" Рис. 27. Вид программы на данном этапе
Определенное удобство программы FlowCode в том, что
внешние элементы можно добавить для отладки с панели
добавочных элементов, а отладку запустить
непосредственно в среде разработки без трансляции файла.
Поэтому, добавив элемент Switches, я запускаю отладку,
чтобы убедиться...
...программа не реагирует на мои попытки изменить
частоту генератора.
Используем прием, которым мы уже пользовались:
ставим точку останова (правая клавиша мышки и Toggle
Breakpoint в выпадающем меню) на второе ветвление.
Программа останавливается, но после повторного
запуска больше не попадает в точку останова. И где же она
обитает?
Есть единственное место, где она может быть —
подпрограмма. Подпрограмма — это бесконечный (в данный
момент) цикл. Попав в него после «схода» с точки
останова, программа больше из него не возвращается.
Есть два варианта, как быстро исправить упущение.
Первый самый простой. Добавим в программу переменную
«lp» (loop, цикл). До входа в подпрограмму присвоим
ей значение «1». Изменим условие работы цикла While
lp = 1, а в конце подпрограммы присвоим этой
переменной значение « 0 ».
Теперь мы попадаем в подпрограмму и возвращаемся из

нее, что можно проверить с помощью точек останова, создавая их внутри
подпрограммы и вне ее.
Decision
Calculation
Calculation
Call tvtacro
nriutti(freq_..
Loop
Рис. 28. Исправленный фрагмент программы
Второй путь — внести опрос клавиатуры в подпрограмму. Правда, при этом
смысл подпрограммы полностью теряется, не оставляя ничего программе. Впрочем,
к созерцанию структуры программы можно вернуться позже, а сейчас отладка
программы выявляет еще одно: меняя переменные «тоге» и «less», я думаю об
увеличении и уменьшении частоты, а меняю при этом длительность пауз, то есть,
период. Все с точностью «до наоборот». Вовремя заметил. Изменение (заменить
операции на обратные) это пара щелчков мышкой.
Двигаемся дальше. Я проверяю клавиатуру (переменную «тоге») условием if
more = 0, поскольку задумывал «подтянуть» входы резисторами, а кнопкой
«приземлять» их. Однако в программе FlowCode внешний элемент Switches в
разомкнутом состоянии оставляет вход в состоянии «О», а при замыкании подает на вход
«1». Срочно исправлять (и не забыть вернуть к первоначальному варианту перед
прошивкой!).
Есть еще одно решение проблемы с попаданием в ловушку бесконечного цикла —
использовать прерывание. Хотелось бы его опробовать, но, пока я старательно
вносил правку в «стройную последовательность» своих ошибок, на горизонте
(мысленном) замаячила еще одна проблема.

Loop
END ^
Рис. 29. Исправленная подпрограмма
Что за проблема? Проблема пауз, с одной стороны, и проблема времени опроса
с другой. Клавиши изменения частоты (больше-меньше) — сейчас временные
интервалы большие и удобные для отладки — приходится удерживать нажатыми подолгу.
Причина в том, что программа должна «пройти через паузы». Пока она «отдыхает
в паузах», она не обращает внимание на нажатые клавиши. Но, когда мы приведем
длительности к реальным нуждам, скажем, частоты в диапазоне 1-10 кГц, то
нажатие, естественное для нас, не заставит ли программу со скоростью заданной
частоты увеличивать эту частоту? За время удержания клавиши, например, в одну
секунду, программа сможет прочитать нажатие клавиши очень много раз.
Перво-наперво, возникнет ли такая проблема в реальности?
В данном случае, возможно, нет. Почему?
Из-за дребезга контактов. Этот дребезг предстоит нейтрализовать. А самый
простой способ нейтрализации — добавить паузу после опроса состояния кнопки,
если оно менялось, и еще раз, после паузы, проверить, это состояние.

Еще одно небольшое отступление. Идея сделать входы слева (порт А), а выходы
справа (порт В) была, быть может, и не плоха. Но позже выяснилось, что это
приводит к некоторым неудобствам. Входы и выходы вновь пришлось поменять
местами. Как распорядиться работой портов, как разумнее организовать выводы
порта — задача конкретная, но, что, несомненно, важно, в среде FlowCode это
решается достаточно быстро и просто. Когда устройство задумывается, далеко не
всегда сразу видно окончательное решение, и, порой, в процессе отладки
меняются не только детали решения, но приходится пересматривать и базовые
подходы. Наличие удобных отладочных средств в среде разработки помогает успешно
выявить причины возникновения проблем, а удобные средства модификации
программы — залог быстрого продвижения к намеченной цели. В этом отношении
FlowCode вполне благосклонна к пользователю.
В данный момент конструкция программы, примерно, следующая.
Input
В1 ->
less
7
Jecision
/ If
less
"\ ?
No '
= 1 X
Yes
Delay
300 ms^
Decision
4
/ If \
No|
Calculation
freq_ch = freq_
Calculation
less = 0
Рис. 30. «Антидребезговый» блок программы
Время «антидребезговой» паузы, следовательно, время необходимого удержания
кнопки при смене частоты, может быть выбрано равным секунде или двум, когда
выполнение других блоков программы не требуется. И ничто нам не помешает
добавить еще одну паузу в секунду или больше перед вызовом подпрограммы. Мы
устраним дребезг контактов, его в любом случае нужно устранить, и не позволим
программе в этом месте что-то делать, что могло бы помешать «правильно»
переключать частоту. Можно использовать и другой прием, например, ждать
размыкания кнопки (с «антидребезгом»). Таким образом, в реальности нам не грозит
многократное увеличение (или уменьшение) частоты генератора при однократном
нажатии кнопки.
Ниже я использую программный элемент Connection Point (точка соединения) и

светодиод на выводе А7 для индикации процесса изменения частоты. Пара
Connection Point — это, в более привычном облике, пара, образуемая меткой и
оператором Goto (переход к метке).
fr~. '
Рис. 31. Возможное решение по остановке программы для опроса кнопок
И, наконец, можно вернуться к еще одному варианту решения проблемы
«попадания в бесконечный цикл», к варианту с прерыванием. Для этого есть программный
элемент Interrupt. Присваивание переменных «тоге» и «less» внесем в
подпрограмму обработки прерывания.

Если открыть свойства элемента Interrupt (прерывание), то можно увидеть
список доступных прерываний.
Properties: Interrupt
Display name: ||rvenupt
Enable interrupt
r Disable interrupt
Interrupt on:
ITMRO Overflow
r bo/i nt
RB Pott Lhange
Luc-tom...
?
OK l Edit Macro
OK
Cancel
Рис. 32. Список возможных прерываний в FlowCode
Прерывания по таймеру сейчас, пожалуй, не актуальны, а начать эксперимент
можно с внешнего прерывания RBO/INT.
Программа приобретает вид, показанный ниже.
b5g 11
Са culat on
'i*i: ch = 1000
loop
I incut
/" BO > /
/ ПЛ* /
i ■■'
I input
/ b1-> /
/ Ims
i /
—* | In^ri jpt
/ епзы- \
\ pbo.'imt /
|Ca I maiio
Call Mac'Li
mult ('t^_
loop
S n
l^ hiju J\
Рис. 33. Программа с использованием прерывания

Снабдим подпрограмму обработки прерывания точкой останова, чтобы
посмотреть , попадаем ли мы в подпрограмму, когда нажимаем кнопку ВО.
Calculation
Calculation
Calculation
Calculation
Рис. 34. Подпрограмма обработки прерывания
Запущенная программа после нажатия на кнопку ВО останавливается, как и
задумывалось , на точке останова.

Рис. 35. Работа программы с прерыванием
Если бы это прерывание (RBO/INT) было единственным доступным механизмом
прерывания, то и тогда можно было бы его использовать: вместо двух кнопок
будут три, две для изменения частоты, третья кнопка, чтобы изменения вступили в
силу. Но...
Список штатных прерываний, предложенный программой FlowCode, продолжается
прерыванием по RB Port Change (прерывание по изменению состояния порта В). В
описании микроконтроллера PIC16F628A можно найти, что изменение состояния
входов RB4-RB7 может инициировать прерывание, если оно разрешено. Выбор
входов для соединения с кнопками управления частотой не носит принципиального
характера, можно легко заменить вход RBO на RB4, a RB1 на RB5. Не сложнее
изменить свойства программного элемента Interrupt.
Подпрограмма «работы мультивибратора» остается прежней. А в подпрограмму
обработки прерываний добавлены опросы клавиш на входах В4 и В5.
При необходимости в работу можно внести описанные выше «антидребезговые»
добавления. А в целом, можно сказать, что в разных ситуациях лучше
использовать те приемы работы, которые дают должный эффект, лучше выполняют работу
устройства и хорошо вам знакомы и понятны, когда вы достаточно ясно
представляете себе, почему выбрали тот или иной вариант. Аналогичными соображениями
вы руководствуетесь и при выборе типа и модели микроконтроллера.

Для начинающих, когда наступает время выбора микроконтроллера, я предложил
бы обратить внимание на наличие описания модели на русском языке. Далеко не
все готовы прочитать несколько сотен страниц на английском, а к описанию от
производителя приходится обращаться достаточно часто, уточняя те или иные
свойства контроллера.
Вид основной программы и подпрограммы обработки прерываний показан ниже.
BEGIN
Calculation
freq_ch
= 1000
Loop
/ While \
I 1 1
Input
/ B4
•> /
/ more /
Input
B5->
less
Interrupt
Enable
RB Port Chang)
Call Macro
Call Macro
multi(freq_...
Loop
Рис. 36. Программа, использующая прерывания по изменению состояния порта В

BEGIN ^
Input
В4->
more
InpiJt
Yes
Calculation
freq_ch = freq.
Calculation
less = 0
Decision
Calculation
Calculation
Рис. 37. Подпрограмма обработки прерываний
Кроме изменения частоты генератора мы намеревались отображать эти изменения
на семисегментном индикаторе. Добавим его в программу, предварительно удалив
светодиоды.

Щ4Ш *J*i
v1.2
Anode: A3
Cathodes: n/c
Рис. 38. Семисегментный индикатор из набора дополнительных элементов
Как и остальные элементы, индикатор имеет свойства. Для доступа к
свойствам подключения индикатора служит кнопка на титульной панели рядом с кнопкой
закрывания. При ее нажатии из выпадающего меню следует выбрать пункт
Component Connections...
По умолчанию анод индикатора подключен к выводу 3 порта А. В дальнейшем
этот вывод следует сделать в программе выходом и установить в состояние
высокого уровня.
Свойства подключения можно изменить, например, так:
Specify Component Pin Connections
Pin Name
Port
Bit
Anode
PORT В
и
Segment A
PORTA
о
v Segment В
PORTA
i
Segment С
PORT A
Segment D
PORTA
j
Segment E
PORTA
4
V Segment F
PORT A
с
Segment G
PORTA
6
'. Segment DP
PORTA
Connect to: Port: |j
PORT В
3
Status:
Pin Anode is connected to the same pin as LED 0 of LEDs(O)
Key Mappings.
Done
Рис. 39. Изменение свойств индикатора
Анод теперь подключен к выводу ВО. А с тем, чтобы переключатель Switches не
мешал нам распорядиться выводами порта В на наше усмотрение, можно изменить
его свойства. Переключатели и светодиодные линейки по умолчанию обслуживают
порт целиком, то есть подключаются ко всем восьми выводам порта. Зачастую это
удобно. Но не всегда. Если возникает необходимость в переменах, то их можно
выполнить в свойствах компонента.

Для этого достаточно для нужных бит порта, выделяя их, в окошке Bit:
выбрать Unconnected (не присоединен). Микроконтроллер PIC16F628A имеет два
порта ввода-вывода по восемь выводов в каждом. Такого количества на первый
взгляд более чем достаточно, но по мере усложнения схемы первоначально
распределенные по портам выводы смешиваются, часть этих выводов приходится
использовать вынужденно, кварц соединяется со вполне определенными выводами,
для сетевой работы выводы тоже предопределены. Если возникают сомнения, как
отразится привязка выводов при работе программы к байтовым линейкам светодио-
дов или переключателей, ненужные выводы можно сразу отключить.
Specify Component Pin Connections
Pin Name
Port
I Bit
x Switch 0
PORT В
U nconnected
x Switch 1
PORT В
U nconnected
x Switch 2
PORT В
U nconnected
x Switch 3
PORT В
Unconnected
Switch 4
PORT В
4
Switch cj
PORT В
x Switch о
PORT В
LI nconnected
x Switch 7
PORT В
Unconnected
"3 B*
Unconnected
3
Connect to: Port) PORT В
Status.
Pm Switch 7 is currently unconnected but must be connected for the
device to function properly This pin must connect to the same port
as Switch 0
7 Key Mappings.
Done
Рис. 40. Изменение свойств переключателя
Вывод порта А7 подключен к точке на семисегментном индикаторе, что
позволяет в программном блоке «работы мультивибратора» использовать этот бит для
вывода отображения сигнала, заменив в подпрограмме прежний вывод АО.
После запуска программы все элементы индикатора зажигаются, а точка мигает
с выбранной скоростью.
Чтобы не усложнять вид программы, а ясно, что порядок работы с индикатором
при отображении частот, скажем, в диапазоне 1-9 кГц, это не более, чем
повторение одних и тех же программных фрагментов, я остановлюсь на основной
частоте 2 , а кнопки меньше и больше будут переключать частоту на 1 и 4 (деление и
умножение на 2, заложенные ранее).
Обслуживание индикатора можно оформить в виде подпрограммы. Назовем ее
«indicator». И вначале погасим индикатор, «записав единицы» во все биты
порта . Затем можно, используя ветвление, обслужить все задуманные значения
частоты, зажигая нужные сегменты (установкой соответствующего бита в «0»).

startl4.fcf •
Рис. 41. Модификация программы для работы с индикатором
На этом этапе работы, а программа несколько «подросла» количественно, можно
проверить и исправить ошибки, если они есть, можно дописать такие фрагменты,
как выход частоты из заданного диапазона, например, высвечивая «Е» на
индикаторе. Можно сравнить полученную конструкцию с той, что могла бы быть получена
без использования микроконтроллера. Устройство достаточно простое, его можно
реализовать, используя цифровой счетчик и тактовый генератор на вентилях. А
можно удовлетвориться достигнутым и перейти к макетной плате и внешнему
оформлению устройства.
Можно и продолжить разработку, введя еще один семисегментный индикатор для
расширения диапазона частот.
Главное, вы начали работу с микроконтроллером, создав первое устройство, и
вам ясно, что создание второго и третьего — вопрос только вашего желания.
После первого шага, пусть создания простейшей программы с мигающим свето-
диодом, первого шага, доведенного до конца, то есть, до макетной платы с
микроконтроллером и «фонариком», у вас обязательно появится много идей, как с
пользой применить микроконтроллер. Реализуя эти идеи, вы больше узнаете о
программе FlowCode, научитесь работать с ней. Но, возможно, легкое чувство
неудовлетворенности не оставит вас. Знатоки, едва речь заходит о
микроконтроллерах , в один голос утверждают, программировать нужно на ассемблере.

Рис. 42. Фрагмент подпрограммы обслуживания индикатора
Я не отношусь к знатокам. Работает устройство, и хорошо. Как написана
программа — какая разница?
Но, если вас это беспокоит, то я посоветовал бы, конечно, если вы не «на
короткой ноге» с языками программирования, использовать программу FlowCode,
как удобный самоучитель по программированию. Сначала на языке Си. Язык более
высокого уровня, а, следовательно, более простой, чем ассемблер. Да, и более
универсальный. Итак.

Вернемся к самой простой программе — помигать светодиодом. Даже упростим
задачу — зажечь светодиод.
Программа в графическом представлении выглядит так.
BEGIN
Output
/ 1
-> PORT А/
END
Рис. 43. Прототип программы для трансляции в код на языке Си
Следующее, что мы сделаем, выберем в основном меню раздел Chip, в котором
выберем пункт Compile to С... (компилировать на Си). После успешной
компиляции можно открыть файл на языке Си в блокноте с помощью пункта View С... того
же раздела Chip основного меню. Значительная часть файла, все строки,
начинающиеся с двойной косой черты //, это комментарии, то есть, пояснения для
читающего файл, все комментарии игнорируются при дальнейшей трансляции кода
программы.
Очень много строк, начинающихся со значка «#» и слова «define» —
определить . Это служебное слово, за которым следует, что должно быть определено,
чтобы при дальнейшей трансляции компилятором, используемым программой
FlowCode, текста программы на ассемблер и дальше в загружаемый код, все было
определено и обозначено. Что именно следует определять, зависит от ваших
нужд, того как будет написана программа и конкретного компилятора.
Есть еще одно служебное слово «#include» — включить, предназначенное к
добавлению в программу других файлов, чаще файлов заголовков, которые активно
используются в языке Си. В данном случае, как это следует из комментария,
включены функции, необходимые для работы с контроллером.
Сама программа (не умаляя значения всего остального) выглядит почти так же
коротко, как ее графическое представление.
void main ()
{
//Инициализация
cmcon = 0x07;
//Output: 1 -> PORT А
trisa = 0x00;
porta = 1;
}
Для работы с программами на языках Си и ассемблер и PIС-контроллерами я
считаю наилучшей средой разработки MPLAB. Небольшая правка, которая зависит
от используемого компилятора, и программа на языке Си, полученная в FlowCode,
будет работать в MPLAB. Аналогично можно поступить с программой на
ассемблере.

Простота создания работающих устройств в среде программирования FlowCode
может оставить неверное впечатление, что она хороша только для очень простых
устройств. Но это не так. Средства вычисления, возможность добавления готовых
блоков программы, написанных на языке Си, все это, наряду с продуманным
набором встроенных команд, позволяет решать, если и не любые, то достаточно
сложные задачи в рамках создания устройств на основе микроконтроллеров.
Достаточно часто подобные устройства организуются в систему, где отельные
устройства связаны в сеть. Для сетевого применения во многие
микроконтроллеры добавлены модули сетевой работы USART. Где может быть полезна эта функция
контроллера?
Положим, что контроллер выполняет некую программу, связанную с обработкой
состояния датчика. В этом случае, как правило, датчик и контроллер могут быть
разнесены на некоторое расстояние. Или, например, пульт управления и
исполняющее устройство, они тоже могут находится в разных местах. И пусть пульт
управления имеет всего две-три кнопки, а между пультом и управляющим модулем
расстояние в несколько метров, для связи между ними удобно использовать
встроенный приемопередатчик USART. В качестве сетевого интерфейса я отдал бы
предпочтение RS485: всего два провода, хорошая защита от внешнего
электромагнитного воздействия, малые создаваемые помехи, допустимые большие расстояния,
для одного модуля всего одна микросхема интерфейса RS485. Не самое сложное и
не самое дорогое решение.
Посмотрим, как можно использовать USART для задачи соединения модуля (с
одной кнопкой) управления с исполняющим модулем (один светодиод).
Программа для первого модуля может выглядеть (я использую FlowCode)
следующим образом:
теп
AT - •
Рис. 44. Программа для модуля управления

Кроме уже привычных программных компонент, после добавления дополнительного
элемента RS232 (с инструментальной панели дополнительных элементов) я
использую программный элемент Component Macro, появляющийся как вызов подпрограммы,
обрабатывающей обращения к встроенному USART. Сама подпрограмма уже написана
производителем FlowCode, остается только настройка.
Properties: Component Macro
Display name:
Component:
Svrtches(O)
Call Component Macro
Parameters:
nChsrlBYTE)
Macro
RecerveRS232Char
Ser.dRS232Chai
Variables
11
OK
Cancel
Рис. 45. Диалоговое окно настройки компонента RS232
Выбрав в окне Component: нужный мне дополнительный элемент RS232(0), выбрав
в окне Macro: нужный мне вид работы SendRS232Char (отправка символа по
RS232), я создаю новую переменную «опе» (типа Byte), которой в ветке
программы (до вызова подпрограммы отправки символа) с помощью программного
компонента Calculate присваиваю значение '1'.
На этом написание программы для первого модуля можно закончить и проверить
работу программы.
Нажимая кнопку АО на элементе Switches(0), можно видеть, как в окне
Characters sent элемента RS232(0) появляются единицы (в программе не убран
«дребезг», и каждое нажатие может отправлять несколько единиц). Окно
наблюдения за этим процессом в программе FlowCode черное, а символы зеленые, но они
плохо видны на рисунке в тексте, поэтому в графическом редакторе GIMP (перед
тем, как вставить рисунок) цвета инвертированы.
После задания слова конфигурации (и выбора модели контроллера, напомню,
основное меню Chip) проект транслируется в hex-файл.
Теперь создадим еще одну программу. Она должна принимать символ ' 1' по
USART и включать светодиод на выводе RB0.

и
natl.lcf ■
=t Mr ««л «лею P .n nnj vj.li to., Hop
* Hi
| -oca
л 1
.V
id /
■a
Рис. 4 6. Проверка программы первого модуля
I пнии |
v, У
Cal ~3mpoient lafacro
ULtpill
t /
80 /
leap
I hM1 J
Рис. 47. Программа второго модуля, приемного

Здесь также использован элемент Component Macro для RS232.
properties: component macro
r.nmf menf
ESSE!
ledilji
ritimeuijfefi'te)
refjmvavje(eryte)
mararv
|;encr'::o:ci-i.:
1
с к
vattauei
cancel
^ Рис. 48. Диалоговое окно
настройки компонента RS232
Запустив программу, в компоненте
RS232(0), в окне Characters in
queue с помощью клавиши с иконкой
«+» можно открыть окно ввода
необходимого символа, как если бы мы
этот символ отправили из первого
модуля.
Add text to queue
enter text to be acded to the queue.
care el
^ Рис. 49. Окно ввода символа,
который получит второй модуль
Если теперь нажать клавишу ОК, то
программа должна зажечь светодиод
на выводе RBO.
■-- *
ь —
г*. fti
га i
f. -
•5' -~
*» -7i
я-
«А
07 0* к си со к с- со
ю
.lei »r-
и
1
I
Рис. 50. Проверка второго модуля

Окошко Characters received опять «подправлено» в Gimp, чтобы можно было
видеть полученный символ на рисунке. И, что дальше? Можно, конечно, «зашить»
программы в контроллеры и проверить, что называется «живьем», но...
Есть такая программа (тоже для Windows), которая называется Proteus. Чем
она сейчас интересна, так это тем, что в ней можно симулировать работу двух
микроконтроллеров.
Добавив в редакторе Proteus ISIS два микроконтроллера PIC16F628A и все
необходимые внешние элементы, следует настроить контроллеры:
Edit Component
Conponert Eefetf-ice
Conponert Value
PCB Forage
Prorjaro "te-
Pro:e-;;ci Clock Frequency
PI (J j ■ ct 11 ~ jr llilJU d l ic n 4' l« J.
Advarced Properties:
|нэгр:Ьгг«г^ Prngran" Mencfj i
Other f-ocei lie:
Exclude Irorn jirnuli'mn
Exclude Irom FCE LoycU
Fdi' /л pii-<v>iti«<i
U1
DILI::
UM'I;
IUi-r1d
Hid Jen
Hidden
РП HdcAII
Hcfe-AII
H .Jr All
H dc All
- HdeAII
АМэсп h««:hy joodjle
help
Lota
HritanFins
CarreJ
Рис. 51. Настройка первого контроллера
Edit Component
Conponert Fefeit-nee
Conponert Value.
PCB Facfcsge
Ptoj'am ric
Ргп-чиа rinrli Fr4f)u«tiry
Prop'srn lonliguflticri '4'c#d:
Advarr*»i PrTpftfws'
IRPihj.^t M^n riT
Oihef f-opefte?
II."1
Fi:it.Fe:aA
DILIt
|4M'I;
Hidden
Hidden
- РП HdeAII
[j] ,H * All
H .Je All
^ HdeAII
» H ri* All
LK
Lata
Hri-hnFrns
tercel
Exclude tram bimula'ion .Vtacli hefar:hy Todjle
Exclude Irorn FCE Laycc'
Edi: al prcpoitic: 0,3 tot
Рис. 52. Настройка второго контроллера

Настройка сводится к указанию тактовой частоты, слова конфигурации и места
расположения hex-файлов.
Теперь, нажимая кнопку в собранной схеме, проверяем, что все действительно
должно работать.
ш2 netbynet - IMS Professional (Aninvriirkut
~\. £Л. Тм|, [i-yji W 5jj-..- ['-Ujc.
j -' j л j л ;:; -> + ч
-J rj
+
ЦТ
3LTTLN
LEDHED
и
CO
Л
a
+
с
о
HIXC*1
KM Я«Л»»«1
rm/ttt и*;
•пмт
НПСС»'
«I
• И
* клюв
- В*Т1
R1
» | I» I II ; ■ 1 ii KMrr.*Md мчи»'ml _l LI L,'J.i.uJJ >L
■t'jj U -AUJ J lb
Рис. 53. Проверка работы двух контроллеров в Proteus
Так «беседуют» два микроконтроллера.
Не будем им мешать.

Матпрактикум
АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ
Г. А. Липатников, М.С. Гузеев
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И
ОПРЕДЕЛЕНИЯ В ТЕОРИИ И ПРАКТИКЕ
АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
Основная задача автоматического регулирования установки - обеспечить ее
работу во всей области гарантированных режимов. Режимы работы различных
установок характеризуются значениями одной или несколькими величин. Так, режимы
работы парового котла1 характеризуются давлением и температурой пара при выходе
из котла. Режим работы турбины - частотой вращения ротора турбины и
напряжением на клеммах генератора для конденсационного турбогенератора. Те параметры
режима работы установки, которые регламентируются внешним потребителем,
называются внешними регулируемыми параметрами, остальные внутренними. Для
турбогенератора внешними являются частота вращения ротора, напряжение на клеммах
генератора и давление в отборах пара к потребителю. Внутренние регулируемые
параметры в большинстве своем относятся к параметрам, определяющим
регламентное состояние и работу вспомогательного оборудования.
Если в процессе работы установки регулируемые величины существенно
отклоняются от требуемых (нормируемых) значений, то в работу вступают регулировочные
В данной публикации в качестве примера используются объекты теплоэнергетики, но теория
автоматического регулирования является общей и может быть приложена к любым объектам.

органы установки, изменяя в необходимом направлении значения этих величин. В
таком случае установка становится объектом управления в широком смысле или
объектом регулирования, например, по одному внешнему параметру регулирования.
Для того, чтобы была обеспечена нормальная работа объекта регулирования
(ОР) во всей области гарантированных режимов, он должен обладать определенной
статической характеристикой, которая связывает режимные параметры
энергоустановок в равновесных процессах, последняя может быть выражена аналитической
или графической зависимостью регулируемой величины от нагрузки.
Например:
n=f (Рн) или G)=f (Nt) ,
где Рн - нагрузка турбогенератора, Nt - электрическая мощность
турбогенератора, п - число оборотов ротора турбины, со - его угловая скорость вращения.
P=f (Dn) - давление пара при выходе из котла,
tnn = f (Dn) - температура свежего пара,
где Dn - расход пара.
Nv(Ph)
Рис. 1.1 Статические характеристики объекта регулирования, а)
турбины по скорости вращения ротора; б), в) котла по давлению и
температуре пара.
Естественная характеристика ОР зачастую может не удовлетворять потребителя.
Чтобы привести ее в соответствие с требованиями потребителя применяется
система регулирования, которая позволяет получить надлежащую статическую
характеристику ОР. Система регулирования может состоять из нескольких элементов,
каждый из которых имеет свою статическую характеристику.
Статическая характеристика ОР может быть получена на основании статических
характеристик элементов, входящих в состав системы регулирования. Таким
образом, статическая характеристика ОР является результирующей, поскольку, влияя
на статические характеристики элементов системы регулирования, можно получить
приемлемую для потребителя статическую характеристику ОР. Задача нахождения
требуемой статической характеристики относится к статике регулирования -
регулированию в установившихся (равновесных) процессах.
Режимы работы ОР и их систем регулирования называются равновесными или
установившимися, если регулируемая величина и все, действующие в системе
возмущения, не изменяются во времени. Так, установившиеся движение турбогенератора
возможно при равенстве момента движущих сил Иг, развиваемых паром или газом

на лопатках турбины, и момента сил сопротивления - электромагнитных сил
генератора Мг, т.е. мт0 = мг0 = м0 . В действительности момент сил сопротивления,
зависящий от потребителя (электросети), в процессе работы турбогенератора
может изменяться, вследствие чего равновесие в силовом поле взаимодействующих
сил нарушается, и ротор турбогенератора получает ускорение или замедление,
из-за чего равновесный режим нарушается.
При неустановившемся (неравновесном) режиме в действие приходит система
регулирования. Связи между элементами системы регулирования и объектом
регулирования в переходных процессах называются динамическим направленного
действия. Они определяют характер переходных процессов в системе. Задача системы
регулирования - перевести ОР в такой режим, который соответствует
равновесному состоянию системы. Изучение переходных процессов составляет вторую
основную задачу автоматического регулирования и относится к динамике
регулирования .
Первым шагом при изучении динамики регулирования должно быть разграничение
систем годных от систем не годных для целей управления объектом. Такое
разграничение выполняется путем исследования устойчивости систем регулирования.
Система регулирования называется устойчивой, если будучи выведенной из
состояния равновесия сообщением ей некоторых начальных отклонений, в своем
дальнейшем движении будет стремиться к некоторому равновесному состоянию.
Регулирование, не удовлетворяющее этому условию, называется неустойчивым.
Исследование устойчивости регулирования имеет целью дать качественную оценку
той или иной принципиальной схеме регулирования, то есть установить
правильно ли будет функционировать данная система регулирования при каких-либо
нарушениях равновесного режима или нет.
В исследованиях динамических процессов регулирования, предполагают, что к
ОР или регулятору приложены некоторые воздействия. Их называют
соответственно : возмущающими и управляющими.
В зависимости от характера связей системы регулирования делятся на системы
работающие по:
1) замкнутому циклу (Рис. 1.2)
хвх
4(t)
р-р
ГСС
CP
увьк
Рис. 1.2 Схема замкнутого регулирования
Р-Р- регулятор, ОР - объект регулирования, ГОС - главная обратная связь,
<p(t) - управляющее воздействие, a(t) - возмущающее воздействие, увых -
регулируемый параметр, хвх - входная величина отклонения регулируемого параметра.

2) разомкнутому циклу (Рис. 1.3.)
хвх
р-р
cp
увьк
Рис. 1.3 Схема разомкнутого регулирования.
Наличие обратной связи между ОР и регулятором, которую называют главной,
является необходимым условием автоматической системы регулирования (АСР),
т.е. АСР это замкнутые динамические системы направленного действия.
В технике находят применение системы регулирования нескольких величин. При
этом их регуляторы связаны вне ОР. Такие схемы называются системами
связанного регулирования, например, АСР теплофикационных турбин.
Системы регулирования, где управляющее воздействие изменяется в зависимости
от времени по заданному закону, носят название систем программного
регулирования .
Структура АСР и ее
основные элементы.
По виду используемой энергии различают АСР: механические, гидравлические,
пневматические, электрические, комбинированные.
а)
см
пз
cp
Рис. 1.4 Схема прямого (а) и непрямого регулирования (б) турбин.

PC - регулятор скорости, ПЗ - промежуточный золотник, СМ - сервомотор, РО -
регулировочные органы (клапаны) турбины.
Регулятор, выполняя свои функции, должен перемещать регулировочные органы
(РО) в требуемом направлении, для обеспечения устойчивого движения системы.
При этом нередко для перестановки РО требуются затраты значительной мощности,
которую не могут развить регуляторы. В таких случаях в составе АСР
предусматривают усилительные устройства, которые включают в передаточный механизм
между регулятором и РО. Усилители воспроизводят все указания от регулятора, и
мощность сигнала от них должна быть достаточной для необходимого перемещения
регулировочных органов. Автоматическое регулирование без участия усилителей
называется прямым регулированием, а при наличии их в передаточном механизме -
непрямым регулированием.
АСР с использованием электрической энергии нашли широкое применение,
например в виде:
Л
Рис 1.5 Схема электрической системы регулирования.
Датч - датчик, в состав которого могут входить преобразователь энергии и
чувствительный элемент: давления, температуры, расхода, других регулируемых
величин; Зд - задатчик, с помощью которого устанавливают заданное значение
регулируемого параметра. УОС - устройство внутренней обратной связи,
предназначенной для стабилизации процесса регулирования, его сигнал направлен
навстречу хвх; ИБ - измерительный блок, производит алгебраическое суммирование
сигналов, поступающих от датчика и задатчика; КУУ - командно - усилительное
устройство; ИМ-исполнительный механизм.
Примером использования в АСР комбинированного вида энергии является система
регулирования турбины, в которой установлен электрогидравлический
преобразователь для преобразования электрического сигнала от регуляторов энергосистемы
(корректора частоты, противоаварийной автоматики, регулятора обменной
мощности) в гидравлический сигнал для гидравлической системы регулирования
турбоагрегата .
1.2 Переходные процессы в АСР.
Нарушения равновесных режимов в АСР происходят под влиянием различных
факторов, например, управляющего воздействия, направленного к регулятору от
задатчика, или возмущающего воздействия приложенного к объекту регулирования.
Системы регулирования ведут себя по отношению к этим воздействиям существенно
различным образом. В то время как управляющее воздействие определяет величину
и направление изменения регулируемого параметра, возмущающее воздействие не
должно существенно влиять на изменение регулируемых параметров.

Виды переходных процессов в АСР при единичных ступенчатых воздействиях
р(0 = 1(0и /1(0 = 1(0 :
Рис. 1.6 Переходные процессы в устойчивых АСР. а) - при
управляющем воздействии, б) - при возмущающем воздействии.
Для устойчивых АСР переходные процессы сходящиеся, т.е. увых стремится к
заданному значению или возвращается к прежнему. В неустойчивых АСР переходные
процессы расходящиеся: регулируемый параметр отклоняется от своего заданного
значения на большую величину с возрастающей скоростью (Рис. 1.7,а)
Рис. 1.7 Переходные процессы в АСР: а) неустойчивых, б)
находящихся на границе устойчивости.
АСР может находится на границе устойчивости, когда регулируемый параметр не
принимает заданного значения и его отклонения имеет постоянную амплитуду
отклонения от заданного значения (Рис. 1.7,6). При том или ином воздействии
требуемые и действительные значения регулируемой величины могут отличаться
друг от друга. Разность между заданным Y^lx и действительным значением
регулируемой величины увых называется ошибкой регулирования.

t
X
t
Рис. 1.8 Ошибки и отклонения для АСР.
Отклонением регулируемой величины называется разность между значением
регулируемой величины в данный момент времени и некоторым фиксированным ее
значением, принятым за начало отсчета. Различают динамическую ошибку и отклонение
в переходных процессах, и ошибку и отклонение в равновесных режимах -
статическая ошибка, отклонение.
1.3 Статические и астатические
системы регулирования.
Автоматические системы регулирования принято подразделять на статические и
астатические в зависимости от того имеют ли они или не имеют отклонение или
ошибку в установившемся состоянии при воздействиях, удовлетворяющих
определенным условиям.
Система регулирования называется статической по отношению к возмущающему
воздействию, если при воздействии, стремящемся с течением времени к
некоторому установившемуся постоянному значению, отклонение регулируемой величины так
же стремится к постоянному значению, зависящему от величины воздействия.
Система регулирования называется астатической по отношению к возмущающему
воздействию, если при воздействии, стремящемся с течением времени к
некоторому установившемуся постоянному значению, отклонение регулируемой величины
стремится к нулю вне зависимости от величины воздействия.

(pftl
t t
Удых
t
Рис. 1.9 Переходные процессы в статических (1) и астатических (2) АСР.
В статической системе регулирования статическая характеристика всегда
изображается наклонной линией (Рис.1.10,а).
Рис. 1.10 Статические характеристики статической (а) и
астатической (б) АСР. Хвх - входное воздействие YBbIX - выходной
регулируемый параметр.
Система регулирования называется статической по отношению к управляющему
воздействию, если при воздействии, стремящемуся с течением времени к
некоторому установившемуся постоянному значению, ошибка так же стремится к
постоянному значению, зависящему от величины воздействия. Система регулирования
называется астатической по отношению к управляющему воздействию, если при
воздействии, стремящемуся с течением времени к некоторому установившемуся
постоянному значению, ошибка стремится к нулю вне зависимости от величины
воздействия .
Для астатических систем регулирования статическая характеристика всегда
изображается прямой, параллельной оси абсцисс (Рис. 1.10,6).
Следует подчеркнуть, что одна и та же система регулирования может быть
астатической по отношению, например, какому-либо возмущающему воздействию и
статической по отношению к управляющему воздействию и наоборот.

1.4 Принципы
автоматического
регулирования.
Влияние возмущающих воздействий на регулируемую величину можно
компенсировать или регулированием по возмущению или регулированием по отклонению
регулируемой величины от ее заданного значения. (Рис. 1.11)
Рис. 1.11 Схема реализации принципов автоматического
регулирования. Р - регулятор, ОР - объект регулирования.
В первом случае работа АСР основана на контроле возмущающих воздействий. В
этих системах воздействие на регулировочные органы ОР осуществляется почти
без запаздывания по отношению к моменту возникновения возмущения, т.е. еще до
того как успеет существенно измениться значение регулируемой величины. В этом
достоинство систем. Недостатком такой системы является то, что флуктуации
нагрузки (случайные возмущения) и неизбежные неточности в работе системы
регулирования будут вызывать отклонения регулируемой величины, накапливающееся со
временем и зачастую выходящее за допустимые пределы.
При работе АСР по отклонению регулируемого параметра почти исключается
возможность неоправданного срабатывания регулятора. Недостаток этих АСР в том,
что регулирующее воздействие на объект регулирования будет лишь по мере
накопления отклонения регулируемой величины и, следовательно, будет запаздывать
по отношению к событию возмущения. Сочетание достоинств с устранением
недостатков этих систем возможно в комбинированной АСР, в которых воздействие на
регулятор производится по возмущению (или по нескольким возмущениям) и по
отклонению регулируемой величины от заданного значения.
Требования к АСР:
• к запасу устойчивости (при том, что процессы регулирования должны быть
сходящиеся);
• к статической точности (величине допустимой ошибки регулирования в
равновесном режиме);
• к качеству переходного процесса (процессы должны быть не только
сходящиеся, но и быстро затухающие);
• к динамической точности - к величине ошибок (отклонений) в переходном
процессе при наличии непрерывно изменяющихся воздействий.

ГЛАВА 2. ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ОБЪЕКТОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ
Выбор элементного состава системы регулирования, законов регулирования,
обеспечение требуемого качества процесса регулирования во многом определяется
динамическими свойствами элементов АСР, и прежде всего объекта регулирования.
Для определения динамических свойств ОР используют его динамические
характеристики, к числу которых относят: разгонные характеристики, импульсные
характеристики , частотные характеристики.
Динамические характеристика, как правило, определяются экспериментально.
При невозможности получения экспериментальной характеристики пользуются
методом математического моделирования АСР, описывая ее поведение
дифференциальными уравнениями.
2.1 Разгонные характеристики
объектов регулирования.
Разгонной или переходной характеристикой называют зависимость изменения
выходной регулируемой величины от времени yBMx(t). Для получения разгонной
характеристики ОР ступенчатое воздействие может быть приложено к объекту
регулирования или к регулятору.
Разгонные характеристики снимают при испытаниях или наладке в случаях,
когда можно нанести значительные по величине и продолжительности во времени
воздействия, достаточные для того, чтобы закончился переходный процесс, т.е.
стабилизировался регулируемый параметр, по отношению к которому получают
разгонную характеристику, либо стабилизировалась скорость его изменения.
Методика получения разгонных характеристик сводится к выполнению следующих
основных условий:
• до нанесения воздействия стабилизируется режим работы ОР по
регулируемому параметру, относительно которого снимается разгонная характеристика;
• размыкается главная обратная связь между ОР и регулятором, регулирующим
параметр, по которому снимается разгонная характеристика;
• величина воздействия устанавливается исходя из производственных
возможностей длительного нарушения режима работы ОР.
Необходимо, чтобы воздействие значительно превосходило по величине
случайные возмущения, которые могут иметь место во время опыта (обычно воздействие
составляет не менее 10% от максимально возможного). Воздействия наносят с
возможно большой скоростью, приближаясь к ступенчатому. Во время опыта
необходимо обеспечить, чтобы другие виды возмущений отсутствовали или, во всяком
случае, были малы по сравнению с наносимым. В виду того, что сложные
регулируемые объекты имеют различные динамические свойства при различных видах
воздействий, разгонные характеристики снимают при управляющем <p(t) и возмущающем
A(t) воз действии, либо воздействии приложенном к исполнительному механизму
регулировочного органа хрег (t) . Опыт следует повторить, по крайне мере, два раза
при воздействиях одного знака (направления) и затем направление (знак)
изменить . Разгонная характеристика будет считаться полученной при
удовлетворительном совпадении результатов. Для нелинейных ОР опыт проводят при
нескольких, обычно трех, различных нагрузках ОР.

Разгонная характеристика одно-емкостного объекта регулирования с
самовыравниванием. Способность объекта регулирования приходить после воздействия на
него в новое установившееся состояние называется свойством самовыравнивания
ОР.
У ОР с самовыравниванием каждому положению регулировочного органа или
значению нагрузки (возмущающему воздействию) соответствует свое установившееся
значение регулируемого параметра, согласно величине воздействия.
Разгонные характеристики приведены на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Разгонные характеристики, а) при A(t) -возмущающем
воздействии, б) при (p{t) -управляющем воздействии.
Особенность одно-емкостных ОР в том, что скорость изменения уВЫх максимальна
с момента нанесения воздействия. Параметры разгонных характеристик, по
которым оценивают динамические свойства ОР (Рис.2.2): Та - время разгона для ОР -
время, в течении которого регулируемый параметр изменится от своего
начального значения в момент времени to до заданного значения, отвечающему величине
воздействия, с постоянной максимальной скоростью, соответствующей наибольшему
небалансу.
Для определения Та проводят касательную к кривой разгона из точки t=0.
Касательная отсекает отрезок на оси времени, при пересечении касательной и
заданного значения регулируемой величины, определяемого величиной воздействия.
Практика получения и обработки разгонных характеристик показывает, что для
одно-емкостных ОР с самовыравниванием время разгона Та соответствует времени,
прошедшему от момента возникновения возмущения до момента достижения
регулируемой величины значения, равного 0,633 потенциального значения Y3,4BbIx.

Рис. 2.2. Обработка разгонной характеристики.
1
£ =
Вличина, обратная времени разгона называется скоростью разгона OP ji .
а
Для ОР с самовыравниванием введено понятие степень или коэффициент
самовыравнивания (саморегулирования)р , связывающий скорость нанесения воздействия
на ОР со скоростью изменения регулируемого параметра,
dx/dt _ dx ал
р — : т~г — : , в конечных приращениях р ~
dy dt dy Ay
у вых i v вых у вых
Знак (-) указывает, что самовыравнивание имеет место тогда, когда
отклонение параметра вызывает уменьшение причины отклонения. Величина обратная
коэффициенту самовыравнивания называется коэффициентом передачи или усиления для
ОР, к = —.
р
Коэффициент усиления к определяется для установившегося состояния ОР,
когда увых конечное должно отличаться от увых заданного не более, чем на 5%.
Отношение времени разгона Та к коэффициенту самовыравнивания дает для ОР
динамическую постоянную времени ОР «Т».
т — ^а — fcj1 £г _ вых вых
0 ' ал аф
1 возм т упр
Т - учитывает динамические и статические свойства ОР в отличие от Та.
Время достижения конечного значения регулируемой величины называется
временем переходного процесса Тпп, для практических расчетов Гпп« ЗГ . Примеры одно-
емкостных ОР: ротор турбоагрегата, работающего на выделенную нагрузку, ем-

кость с водой, газом при нормативных параметрах окружающей среды. Барабан
котельного агрегата, если его рассматривать как ОР по давлению пара.
Разгонные характеристики одно-емкостного объекта регулирования без
самовыравнивания (Рис. 2.3).
а) при возмущающем воздействии A(t)
t=u
1
J L
Удых-
б) при управляющем воздействии <p(t)
ф/t/
1=0
фЧМ
Удых>
Рис. 2.3. Разгонные характеристики одноемкостного ОР без самовыравнивания.

ОР без самовыравнивания относят к числу астатических ОР. Основные
параметры, характеризующие динамические свойства ОР без самовыравнивания. Время
разгона Та определяется величиной отрезка на оси времени t при условии
достижения регулируемой величины значения входного воздействия увых = A(t) или
1
Увых = Ф\ч • Скорость разгона s = tga = — , ее величина зависит от угла наклона
^а
разгонной характеристики к оси времени - а . tga = sA = — , при A(t) = l(t) или
^а
tga = sq> = — , при (p{t) = l(t) . Время разгона равно Та = динамической постоянной ОР
^а
Т, при этом коэффициент передачи или усиления ОР будет К=1.
Неустойчивые объекты или объекты с отрицательным самовыравниванием. К числу
неустойчивых относят ОР, у которых, даже при самом незначительном
возмущении, отклонение параметра продолжается безгранично и с все возрастающей
скоростью. Примером регулируемого объекта, имеющего в некоторых режимах
отрицательное самовыравнивание, может служить шаровая барабанная мельница (ШБМ) как
ОР загрузки барабана мельницы топливом. Разгонная характеристика ШБМ
изображена на рис. 2.4 при ступенчатом изменении положения регулировочного органа
подачи топлива т. При загрузках ниже нормальной мельница имеет положительное
самовыравнивание, т.е. является устойчивым объектом. При номинальной нагрузке
самовыравнивание мельницы равно нулю и она представляет собой в этом режиме
астатический объект. Наконец, перегруженная мельница становится неустойчивым
объектом вследствие того, что производительность мельницы (выдача пыли В2)
падает с ростом загрузки ее топливом (G). Если в режиме, когда ШБМ находится
на границе устойчивости, нарушить равновесное состояние мельницы за счет
увеличения подачи топлива Bi, то наступающий при этом рост загрузки
обуславливает в свою очередь уменьшение выдачи пыли В2.
/77 ,t
Рис. 2.4. Разгонная характеристика ШБМ

Небаланс между подачей топлива Bi и выдачей пыли В2 непрерывно растет и
вызывает дальнейшее увеличение загрузки G со все возрастающей скоростью. Если
вовремя не уменьшить подачу, то мельница быстро окажется заваленной топливом.
Чтобы выяснить, является ли объект устойчивым или не устойчивым, достаточно
знать, как влияет в АСР отклонение параметра на приток и расход вещества или
энергии в объекте. Если рост параметра вызывает уменьшение небаланса, то
объект имеет положительное самовыравнивание. Для астатического или так
называемого нейтрального объекта изменение параметра не оказывает никакого влияния
на приток вещества или энергии. Наконец, если с ростом параметра небаланс
увеличивается, то объект неустойчив.
Разгонные характеристики много емкостных объектов регулирования. При
автоматизации процессов приходится встречаться с более сложными объектами,
содержащими две, три и более емкостей. Такие много емкостные объекты представляют
цепь последовательно соединенных одно-емкостных звеньев. Пример двух
емкостного объекта - теплообменник со змеевиковым подогревателем, как объект
регулирования температуры. Этот объект состоит из двух последовательно
соединенных звеньев. Первым звеном являются обогревающие змеевики, а вторым
собственно теплообменник. При регулировании температуры динамические свойства первого
звена определяются тепловой емкостью змеевиков, а свойства второго звена -
тепловой емкостью обогреваемого вещества. Много емкостные объекты, также как
одно емкостные, могут иметь свойства самовыравнивания или быть
астатическими. Если в цепи последовательно соединенных звеньев хотя бы одно звено не
имеет самовыравнивания, то и весь объект в целом является астатическим.
Г
Рис. 2.5. Разгонные характеристики много емкостных ОР. а)
астатический объект б) статический объект (с самовыравниванием).
Характерной особенностью динамических свойств много емкостных объектов
является то, что после нанесения воздействия не происходит заметного изменения
регулируемого параметра (Рис. 2.5). Если у одно-емкостных объектов начальная
скорость изменения параметра является наибольшей, то у много емкостных - ско-

рость отклонения регулируемой величины после воздействия начинает постепенно
возрастать от нуля и достигает своей наибольшей величины лишь спустя
некоторое время. Поэтому у много емкостных объектов по сравнению с одно-емкостными
отклонение параметров на выходе ОР при прочих одинаковых условиях отстает во
времени. Это отставание, вызванное наличием нескольких емкостей, называется
переходным или емкостным запаздыванием. Его величина тп определяется
отрезком, который отсекает на оси времени касательная, проведенная к разгонной
кривой в точке, (А) где скорость изменения параметра достигает наибольшего
значения. У объектов с самовыравниванием эта точка является точкой перегиба,
статической характеристики, у астатических объектов касательной служит
продолжение прямолинейной части характеристики.
Переходное запаздывание тп тем больше, чем больше число последовательно
соединенных емкостей в объекте и чем больше величины отдельных емкостей. У
некоторых сложных объектов изменение параметра может отставать во времени и не
только по причине переходного запаздывания. В этом случае внешнее
воздействие сказывается на состоянии объекта не сразу, а спустя некоторое время,
необходимое для передачи воздействия к объекту.
Рис. 2.6. Разгонная характеристика ОР с транспортным запаздыванием.
Так, например, после повышения числа оборотов питателей пыли пройдет
известное время, пока увеличенное количество топлива пройдет по пылепроводам до
топочной камеры и это скажется на режиме работы котла. В течение этого
времени параметр не изменяется вообще. Отрезок времени между началом перемещения
регулировочного органа и моментом, когда его действие начнет сказываться на
регулируемом объекте, называется передаточным (транспортным или чистым)
запаздыванием. Чистое запаздывание г0и переходное запаздывание тп составляет в
сумме полное запаздывание объекта: т = Т0 + тп .
U0
t
Наибольшим переходным (емкостным) запаздыванием, при прочих равных услови-

ях, обладают тепловые объекты регулирования, наименьшим - объекты, в которых
регулируется расход жидкости или газа.
Методы графического определения времени разгона Та для много емкостных ОР
приведены на рис. 2.5 и 2.6.
2.2 Импульсные характеристики
объектов регулирования.
Длительное и значительное по величине воздействие, которое приходится
наносить для получения разгонных характеристик объекта регулирования, вызывает
длительные изменение режима его работы и потому не всегда допустимо на
действующих установках. Сокращение величины воздействий при снятии разгонных
характеристик целесообразно лишь до определенных пределов, ибо в противном
случае наносимое воздействие окажется соизмеримым со случайными возмущениями,
имеющими место во время проведения опыта. Если по производственным условиям
длительное нарушение режима невозможно, то сокращают обычно не величину
воздействия, а его длительность. В этом случае динамические свойства объекта
могут быть определены не по разгонной, а по импульсной характеристике.
Импульсная характеристика представляет собой кривую изменения регулируемого
параметра в результате временного импульсного воздействия, то есть такого
импульса, когда нанесенное ступенчатое воздействие спустя некоторый промежуток
времени AtAтак же ступенчато полностью снимается.
Импульсное воздействие можно рассматривать как действие двух равных и
противоположных по направлению ступенчатых воздействий, из которых второе
нанесено позднее первого на А/.
Импульсные характеристики для одно-емкостных объектов регулирования. Для
одноемкостного ОР без самовыравнивания, импульсная кривая имеет следующий вид
(Рис. 2.7,а)
Я, Ли
~1
А
Л1а
1
i н
Sk
/../
/ »:'••
1
... \.
1
Рис. 2.7. Импульсные характеристики одноемкостного ОР: а) без
самовыравнивания, б) с самовыравниванием.

В этом случае необходимо определить лишь один параметр объекта - скорость
разгона s . Она может быть определена, как и ранее, по тангенсу угла наклона
прямой разгона на участке At к оси времени, т.к. tgct = £/\ (£/\ при к=1) .
у „ ^, j вых
ау
вых _ 1
но 8 at, ' отсюда '
вых с.
Или ь — , где ~ площадь занятая импульсом воздействия
Для одно-емкостного ОР с самовыравниванием импульсная характеристика будет
иметь вид, приведенный на (Рис. 2.7,6). В этом случае необходимо определить
не только скорость разгона £ (время разгона та=—)г но и степень самовырав-
нивания ОР - р (коэффициент передачи k — ) #
р
Скорость разгона s можно определить как для одно-емкостного ОР без
самовыравнивания, но ее значение будет приближенным, так как для ОР с
самовыравниванием кривая (1) в интервале экспонента, а не прямая.
Ay „, s,
у вых i — л
Тогда £ - ; ' а д
^л у вых
После снятия импульсного воздействия регулируемая величина возвращается к
первоначальному значению (кривая 2). Уравнение этой кривой является
уравнением экспоненты у — св ** = аувыхв г в котором искомые £ и р .
Проинтегрируем это уравнение
со 1 00
ер
знак (-) говорит о том, что кривая нисходящая,
Sy - площадь под экспонентой возврата (3)
В конечных значениях
оу - , тогда р-—— , но е- , значит р-—, к-—, 1-к1
sp ssy sa sy s, Ay,
у
Импульсная характеристика много емкостного ОР. На рис. 2.8 приведена
импульсная характеристика много емкостного ОР с самовыравниванием.

Реальный импульс воздействия обычно имеет не прямоугольную, а
трапецеидальную форму, так как нанесение воздействия и его снятие совершаются с конечной,
хотя и большой скоростью.
Я1 Ли
Рис. 2.8. Импульсная характеристика многоемкостного ОР.
Время емкостного запаздывания т можно определить как отрезок времени от
(середины импульса) до точки перегиба восходящей ветви импульсной
характеристики. Точка перегиба легко определяется, так как она отсекает площади S1 и
S2, равные между собой. Определение величины s , р , т указанным выше
способом тем точнее, чем короче импульс воздействия и чем больше при этом
отклонение регулируемой величины увых . Динамические свойства объекта могут быть
определены по его импульсной характеристике методом достраивания импульсной
характеристики до разгонной кривой или методом планиметрирования импульсной
характеристики (Рис. 2.9).
Метод достраивания импульсной характеристики. Разгонную характеристику
можно построить по импульсной, пользуясь тем, что в случае линейности
статических характеристик объекта регулирования отклонение регулируемого параметра,
полученное в результате нескольких воздействий, равно в каждый данный момент
времени алгебраической сумме отклонений регулируемой величины вследствие
каждого из воздействий в отдельности. Это является следствием аддитивности (или
наложения) переходных функций. На этом основании импульсную характеристику
можно представить как алгебраическую сумму двух одинаковых, но
противоположных по направлению кривых отклонений параметра у1 и -у2 , из которых вторая
запаздывает по сравнению с первой на tuk , то есть на величину длительности
действия импульсного воздействия.
Построение разгонной характеристики по импульсной производят в следующем

порядке.
Рис. 2.9. Обработка импульсной характеристики.
На оси времени t отмечают отрезки времени tx -t0 = t2 - tx = tuk и т.д. На отрезке
tx-t0=At^ импульсная характеристика совпадает с кривой разгона -_у. . С момента
времени tx начинается кривая - у2 , участок которой на отрезке времени от tx до
t2 в точности соответствует участку кривой ух на предыдущем отрезке времени
от t0 до tx . Кривая у на отрезке времени от tx до t2 может быть достроена как
сумма кривых ух и - у2 . По найденному дополнительному отрезку ух продолжается
кривая ->\ на отрезке времени t3—t2 и т.д. В результате получают кривую
разгона Увых-
Метод планиметрирования импульсной характеристики. В некоторых условиях,
когда значительные нарушения режима особо нежелательны, приходится
ограничивать даже импульсное воздействие. При этом допустимая длительность
воздействия tuk становится настолько малой, что достраивание разгонной характеристики
оказывается громоздким и практически недостаточно точным. В этих случаях
целесообразно прибегнуть к другому способу обработки импульсной характеристики,
а именно, к определению параметров ОР непосредственно по величине площади,
ограниченной импульсной характеристикой. Имея ввиду представленные выше зави-

симости находят
р = ^. к = °°°=^
t — t - время переходного запаздывания, при ^ — s
Постоянная времени объекта
т =
s
4к
усе
мах
вых
Скорость разгона
£ =
мах
вых
2.3 Частотные характеристики
объектов регулирования.
Частотные характеристики определяют путем приложения к ОР воздействия
периодической гармонической формы. Схема получения частотных характеристик
приведена на рис. 2.10.
хвх
Г
увьк
6
Рис. 2.10. Схема получения частотных характеристик. 1 - объект
регулирования, 2 - регулятор, 3 - исполнительный механизм, 4 -
регулировочный орган, 5 - генератор колебаний, 6 - регистратор.
Для получения частотной характеристики нет необходимости размыкать главную
обратную связь в АСР. Частотный сигнал подается на задатчик регулятора от
генератора синусоидальных колебаний. При этом перемещения регулировочного
органа также принимают гармоническую синусоидальную форму с определенной
амплитудой и заданной частотой (Рис. 2.11) .
XBX(t) = ABXsincot,
а - амплитуда колебаний входного сигнала
со =
2л
Т
-угловая частота воздействия (рад/сек или рад/мин)

Т - период колебаний, с или мин, зависящий от частоты воздействия.
Для определения частотной характеристика ОР колебательные воздействия на
входе объекта наносятся с различными частотами. Спустя некоторое время после
начала воздействий, когда затухает переходный процесс - свободные колебания,
на выходе ОР устанавливаются вынужденные колебания выходного (регулируемого)
параметра увых{^) • При установившихся колебаниях xex(t) сигнал на выходе
объекта, если он является линейным, увых(0 так же изменяется по гармоническому
закону с той же частотой СО , но его амплитуда авых и сдвиг по фазе колебаний
могут изменятся в зависимости от динамических свойств объекта исследования.
Увых^) = Лвыхш\{ш-(р) г
авых - амплитуда выходных колебаний
- ^П Л
ф = j, ^ - сдвиг по фазе.
Рис. 2.11. Синусоидальные изменения сигналов хвх и ув
Сигналы хвх и увых подаются на регистратор. Зависимость отношения амплитуды
выходного сигнала к амплитуде входного воздействия измеренных для одной
частоты со , от частоты колебаний входного сигнала называется амплитудно-
частотной характеристикой (АЧХ).
м(со)=авь^(со)
Зависимость сдвига фаз между выходными и входными сигналами для одной
частоты от частоты колебаний входного гармонического сигнала называется фазово-
частотной характеристикой (ФЧХ).

cp{t) = со At r
Комплекс частотных характеристик Mi^co) и (p(f) называются комплексными
частотными характеристиками (КЧХ) или амплитудно-фазовой характеристикой
(АФХ). АФХ строятся в полярных координатах или на плоскости комплексных
переменных в декартовых координатах и представляют собой годограф вектора
(кривая, описываемая концом вектора), построенного из начала координат для
различных значений частот от со = О до со — <х> . Модуль этого вектора равен
М{со) , а аргумент или угол поворота -cpif) .
Запись АФХ в полярных координатах
icpiw)
I (iO)) = M(0))e(P' > f М(со)- модуль, (р(0э) -фаза,
Для инженерных расчетов широко применяется графическое изображение АФХ на
комплексной плоскости в прямоугольных координатах V(oS) , iv(oS) (Рис. 2.12)
Рис.2.12 Амплитудно-фазовая характеристика.
M(iw) = U(w) + iv(w), где
U(w) = M(w) COS (p(w) - вещественная часть вектора АФХ,
V(w) = M(w)smcp(w) - мнимая часть вектора АФХ,
Длина вектора или его модуль
МО) = ^U\w) + V\w) ,

аргумент или угол поворота вектора вокруг начала координат
V(w)
(piyv) = arctg
U{w) '
Свойства OP оказывают большое влияние на процессы регулирования при
сравнительно высоких частотах воздействия на объект. Поэтому при экспериментальном
определении частотных характеристик ОР наибольшее количество опытных точек
должно быть снято при сравнительно больших значениях частоты со . Наибольшая
частота, для которой определяется ЧХ объекта, называется частотой среза, при
которой колебания входного воздействия с наибольшей возможной в
экспериментальных условиях амплитудой А„акс обуславливают колебания на выходе с
амплитудой Амин, лежащей в пределах чувствительности регулятора.
Частотный метод исследования регулятора позволяет автоматически
поддерживать в среднем нормальный режим работы объекта, при этом также отсутствует
дрейф колебаний Увых{0 •
Создание строго синусоидальных колебаний на входе в объект требует
специальных устройств-генераторов синусоидальных колебаний и вызывает значительные
затруднения. Поэтому ЧХ определяют чаще при более простых видах воздействия -
прямоугольных или трапецеидальных периодических импульсах. При таких
воздействиях, называемых прямоугольной или трапецеидальной волной, отношение
амплитуд и сдвиг фаз не будут соответствовать отношению амплитуд и сдвигу фаз при
синусоидальных колебаниях. Поэтому по результатам эксперимента при такого
вида воздействиях ЧХ могут быть построены лишь при специальной обработке
опытных данных.
Частотные характеристики должны быть определены не только при регулирующем
воздействии на ОР, но и при всех основных видах воздействий к ОР.
При снятии АФХ необходимо предварительно эксперименту выбрать диапазон
частот входного воздействия. Этот диапазон определяется в основном целевым
назначением АФХ. Если частотные характеристики предназначены для расчета АСР
промышленного объекта, то интерес представляют значения АФХ при фазовых
сдвигах 90-230° и требуется проведение опытов на 6-8 различных частотах.

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ
В ряде случаев, при необходимости детального исследования АСР,
экспериментальные исследования могут оказаться очень громоздкими и трудными, а иногда
такие исследования просто невозможно провести на действующем оборудовании.
Кроме того, в условиях эксплуатации зачастую трудно выделить в чистом виде
тот или иной процесс длительное время из-за наличия разного рода
эксплуатационных помех. По тем или иным причинам практически невозможно достаточно точно
воспроизвести дважды или несколько раз один и тот же процесс. Наконец, бывают
случаи, когда необходимо исследовать различные варианты систем регулирования
для сложных ОР с несколькими взаимосвязанными параметрами регулирования или
же когда надо выбрать и исследовать АСР для вновь проектируемого ОР.
В связи со всем перечисленным во многих случаях целесообразно проводить
эксперименты не на самом объекте и его АСР, а на их моделях. При этом не
обязательно, чтобы модель представляла собой уменьшенную копию промышленного
оборудования, сохраняя точное подобие физических процессов. Достаточно
создать такую модель, процессы в которой подчиняются тем же закономерностям,
что и в реальных системах, т.е. могут быть описаны с достаточной степенью
приближения дифференциальными уравнениями нулевого и более высокого порядка.
Реальная система может быть системой с сосредоточенными и распределенными
параметрами. Поведение систем с сосредоточенными параметрами определяется
конечным числом независимых переменных, имеющих любую физическую природу
(температура, давление, уровень), их число определяет число степеней свободы
системы и может быть описано обыкновенными дифференциальными уравнениями.
Системы с распределенными параметрами имеют бесконечное число степеней свободы,
когда поведение определяющего параметра системы рассматривается не только во
времени, но и в пространственных координатах. Движение этих систем
описывается дифференциальными уравнениями с частными производными.
Сложные системы, содержащие элементы с распределенными параметрами, могут
быть с достаточным приближением замещены эквивалентными системами,
составленными из конечного числа элементов с одной степенью свободы. При
математическом исследовании АСР выбирают обобщенные координаты систем так, чтобы каждую
из этих координат можно было рассматривать одновременно как выходную и
входную предыдущего и последующего элемента АСР.
3.1 Методы составления
дифференциальных
уравнений АСР.
АСР, как и любой ее элемент, называется линейной или нелинейной в
зависимости от того линейной или нелинейной является ее математическая модель-система
дифференциальных и алгебраических уравнений, связывающих между собой входные
и выходные параметры системы. Все реальные системы являются в той или иной
степени нелинейными системами. Нелинейность систем в большинстве случаев
связана с нелинейностью реальных статических характеристик элементов АСР.
Решение системы дифференциальных уравнений, описывающих поведение такой системы,
в общем виде получить нельзя. Возникает необходимость линеаризовать, если это
возможно, систему нелинейных уравнений математической модели, заменив ее
более простой, приближенной линейной системой. Если уравнения модели АСР
нелинейны из-за нелинейности статической характеристики ее элементов, то линеари-

зация уравнения сводится к замене нелинейной статической характеристики
элемента у = f(x) , (Рис.3.1 а,б) некоторой линейной функцией у = с1х + ъ г где у -
выходной параметр, x-входной параметр.
Математически эта замена производится путем разложения в ряд Тэйлора
функции у = f{pc) в окрестности точки, соответствующей установившемуся состоянию.
Геометрически это означает замену нелинейной статической характеристики
у — f(x) касательной, проведенной к кривой в точке с координатами -^о , у о ,
соответствующей установившемуся состоянию работы объекта математического
исследования .
Рис. 3.1. Линеаризация статических характеристик.
В других случаях линерализация производится путем проведения секущей, мало
отклоняющейся от функции у = f(%) в требуемом диапазоне изменения выходной
величины объекта (Рис.3.1 в).
а)
У.
б)
У,
X
X
Рис. 3.2. Статические характеристики релейных элементов, а)
идеального; б) с зоной нечувствительности.

Нелинейные статические характеристики, линеаризуемые в требуемом диапазоне
изменения выходной величины рассмотренными выше способами, называют
несущественно нелинейными характеристиками. Наряду с ними имеются так же
характеристики, которые не поддаются линеаризации. Последние называются существенно
нелинейными (Рис. 3.2).
Аппроксимация такого рода разрывных характеристик прямой линией с
постоянным углом наклона может привести к существенному искажению представлений о
процессах, происходящих в реальной АСР.
Пусть поведение объекта исследования описывается нелинейным
дифференциальным уравнением в общем виде:
Ну">У'>У>х) = 0, (3-D
Установившееся состояние объекта характеризуется уравнением, для получения
которого в уравнении (3-1) следует положить y=idem, x=idem.
F(0,0,y0,x0) = 0 r (3_2)
где х0 и Уо - значения координат, соответствующие установившемуся
состоянию объекта, тогда координаты X и У можно записать в виде
У = Уо+АУ ,
где Ах и Ау - отклонения координат X и У от установившегося состояния.
Уравнение (3-1) в отклонениях имеет вид
F(Ay",Ay',y0 + Ау,х0 +Ах) = 0 (3-з)
Разложим левую часть уравнения (3-3) в ряд Тейлора относительно точки
установившегося состояния (0,0,_у0,Х0) .
F(0,0, у0,х0) + (^)0 Ау" + ф0 Ау' + (^)0 Ау + (^)0 Ах +... = 0 (3-4)
су су су ох
В левой части равенства (3-4) не записаны члены, содержащие отклонения Ах
и Ау и их производные в степени выше первой. Частные производные в левой
части уравнения (3-4) представляют собой некоторые числа, величины которых
Зависят от вида исходной функции F(y",y',y,x) и значений координат х0 и У0 .
Считая отклонения Ах и Ау от установившегося состояния, а так же их произвол-

ные по времени малыми и полагая, что функция F(y",y',y,x) достаточно гладкая
по всем аргументам в окрестности точки, соответствующей установившемуся
состоянию, отбросим в уравнении (3-4) все члены, которые содержат отклонения
Ах и Ау, а так же их производные выше первой,
получим уравнение
(|^)о А/ + (frW + (4~~)о Ау + (^)о а* = о, (3_5)
qy ду ду дх
которое является линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффи-
dF dF dF 8F
циентами (—)„ , (^гт)о , (^Г~)о , (—)о •
ду ду ду дх
Уравнение (3-5) представляет собой результат линеаризации уравнения (3-1).
Очевидно, что необходимым условием линеаризации уравнения является
возможность разложения в ряд Тэйлора функции F(y",y\y,x) в окрестности точки,
соответствующей установившемуся состоянию. Линеаризованное уравнение (3-5)
приближенно заменяет нелинейное уравнение (3-1) в некоторой малой окрестности
точки с координатами (0,0,у0,х0) . Как правило, с помощью уравнения (3-5) можно
исследовать поведение объекта лишь при малых колебаниях входной и выходной
координаты относительно установившегося состояния.
Обычно при записи линеаризованного уравнения в левой его части оставляют
лишь члены, содержащие отклонения выходной координаты, а все остальные члены
переносят в правую часть. С учетом этого уравнение (3-5) можно переписать в
виде:
ахАу" + а2Ау' + asAy = bxAx r (з-6)
8F dF dF 8F
где а\ = (т~т)о>а2 = (~^~;)о>аз = (^~)оА = _(^~)о
ду ду ду дх
Принято записывать уравнение не в приращениях, а в относительных величинах,
относя приращения к неким базисным значениям параметров. Обозначим
Ау Ау' , Ау" „ Аг
— = у;— = у;— = у ;— = *
уб Уб Уб хб
За базисные могут быть теоретически выбраны любые значения параметра,
обычно максимальные либо номинальные значения параметров, отвечающие выбранному
установившемуся режиму, тогда уравнение (3-6) предстанет в виде
ахУбу" + агубу + а3убу = Ьххбх (3_7)
обозначив аху6 - а0 ; а2уб - ах ; а3уб - а2 ; Ьххб - Ь0 ,

получим
а0у" + аху + а2у = Ь0х , (3-8)
гле у ~ dt2 ; у dt ;
В итоге уравнение (3-8) будет иметь вид
d2 у dy
a0—— + al— + a2y = b0x (3-9)
dt dt
Совокупность такого вида уравнений описывает поведение динамической
системы, решив которые можно получить описание переходного процесса в этой
системе .
Постоянные коэффициенты уравнений могут быть определены либо аналитически,
например, для объектов по данным расчета объекта, его конструктивным
характеристикам, либо из графиков статических характеристик. Последние строятся при
постоянных значениях всех независимых переменных, кроме той, по которой
вычисляется производная. Если статические характеристики линейны в широком
диапазоне режимов работы или допустимо осреднение характеристик в широкой
области, то полученные линейные уравнения применены для исследования так же при
больших отклонениях ах и Ду .
3.2. Операторы дифференцирования
и передаточные функции.
Преобразования Лапласа.
Линейные дифференциальные уравнения с постоянными коэффициентами удобно
записывать в символической операторной форме
а()р2у + ахру + а2у = Ъ{)х , (3-ю)
_d_
где символ р ~ назван оператором дифференцирования,
d"y(t) „
n-ая производная от y(t) будет —— — р yyt) .
Дифференциальные уравнения высокого порядка, имеющие производные в левой и
правой части, в операторной форме примет вид
d{p)y(t) = m{p)x(t) , (з-ii)
где d(p) = а0р3+alp2+а2р + а3 r м(р) = b0p2 +bxp + ь2 .
Многочлен D(p) называют собственным оператором объекта (элемента), а много-

член М{р) - входным оператором. Собственный оператор D{p) характеризует
собственное движение описываемого объекта (элемента), то есть движения при
отсутствии внешних воздействий. Входной оператор М{р) характеризует
воздействие, приложенное к объекту (элементу). Отношение входного оператора М{р) к
собственному оператору D{p) называют передаточной функцией W{p) объекта
(элемента АСР), описываемого линейным дифференциальным уравнением с
постоянными коэффициентами.
D(p) '
тогда решение уравнения (3-11) может быть найдено в виде алгебраического
уравнения
y{t) = W{P)x{t) (3-12)
Идею перехода к алгебраическому методу решения дифференциальных уравнений
_d_
дал английский физик Хэвисайд, который и ввел символ р ~ .
Однако при решении ряда задач с не нулевыми начальными условиями использо-
_d_
вание оператора дифференцирования р ~ ~^ не давали адекватного ответа.
Строгое математическое обоснование такого перехода дал Пьер Симон Лаплас и
этот метод получил название операционного исчисления или метод преобразований
Лапласа, согласно которому решение дифференциальных уравнений переводится из
плоскости оригиналов (плоскости действий переменной t) в плоскость
изображений (переменной S) . Выполняя действия над изображением оригинала получают
изображение ответа. А затем по изображению ответа ищут его оригинал.
Допустим имеем функцию x(t), предположим, что эта функция удовлетворяет
условиям Дерихле, существо которых:
a) непрерывность функции и ее производных, это значит в исследуемом
интервале функция не имеет разрыва,
b) функция абсолютно интегрируема, т.е. интеграл функции от 0 до 00 есть
конечное число
Возьмем интеграл от функции Хв
со
jxe~stdt
где s = c + iw комплексная переменная,

тогда интеграл уже не будет функцией от t, но станет функцией от S.
со
Обозначим \хе dt = x(s)
о
Этот интеграл назван изображением функции по Лапласу, а то действие,
которое отражает этот интеграл, называется прямое преобразование Лапласа. Принято
записывать прямое преобразование по Лапласу как , которое называют так
же L-преобразованием.
Для большого количества функций изображения найдены.
Например, изображение постоянной величины: x(t) = ci .
т / \ а ~ — —
l)fif=— будет ®~ , если в действительной плоскости а = 1 , то в плоскости
s s
1
изображений 1 становится величиной —.
s
Изображение производной х'(7) : x — sx ; х" = s"x .
Американский математик Карсон предложил ввести преобразования вида
00
x(s) = s^xe dt r то есть практически изменил масштаб величины. Законы, установ-
о
ленные Лапласом, остаются, но при этом 1 остается 1, а число а числом а.
Запишем исходное уравнение
а0у' + аху = b0x' + ъхх (з-13)
в изображениях по Лапласу, умножив обе части уравнения на £ получим
а0у' • e~stdt + аху • e~stdt = b0x' • e~st dt + bxx • e~st dt (3-14)
Проинтегрируем уравнение (3-14) в области от 0 до 00
со со со со
a0jy'-e~stdt + aljy-e~stdt = b0^x'-e~stdt + bx ^x-e~stdt (3-15)
0 0 0 0
Пусть имеем нулевые начальные условия, то есть х(0) = 0 ; ^(0) = 0 , тогда в
изображениях по Лапласу уравнение (3-15) примет вид
a0sy + аху = b0sx + bxx (3-i6)

или
(a0s + а^у = (b0s + bx)x (3-ii)
Последнее означает, что решение дифференциального уравнения в
действительной плоскости - плоскости действительной переменной t перевели в плоскость
изображения - плоскость комплексной переменной s , и решают это уравнение как
алгебраическое.
Далее по найденному изображению ответа находят его оригинал.
Для нахождения оригинала ответа надо воспользоваться обратным изображением
Лапласа
c+iw
x(t) = —- \x(s)e~st ds
7 тп J i
2m
c—iw
для этого существует таблица функций обратных переходов.
Преобразуем дифференциальное уравнение, описывающее движение системы (3-
11), по Лапласу, предположив нулевые начальные условия при его решении,
введем обозначения:
L[y{t)] = Y{s) и L[x{t)} = X{s) ,
где Y(s) и X(s)- изображения функции оригинала y(t) и x(t)
получают
D(s)Y(s) = M(s)X(s), (3-18)
здесь 1){,ч) = а^п+алХп-1+... + апг M(s) = b0Sm +blSm~l + ... + bn
При нулевых начальных условиях S = .
Используя обозначение Ф(5) —TV / решение уравнения (3-18) примет вид
D(s)
y(s) = 0(s)x(s)
Это уравнение связывает изображения y(s) выходной координаты системы с
изображением - входного воздействия.
Функция Ф(я) - характеризует динамические свойства системы и называется пе-
редаточной функцией ) — . Она представляет собой отношение изображения
x(s)
по Лапласу выходной координаты системы к изображению по Лапласу входного
воздействия при нулевых начальных условиях. Подобное определение функции не на-

холится в противоречии с ранее данным определением передаточной функции
л_м(р)
уу \р) — - -, т.к. для решения системы дифференциальных уравнений при нулевых
d(p)
начальных условиях комплексная переменная s отождествлена с оператором
дифференцирования р .
Таким образом, зная передаточную функцию системы ф(я) и определив
изображение x(s) воздействия x(t) , приложенного к системе, можно найти изображение y(s)
выходной координаты системы y(t), а затем, переходя от изображения y(s) к
оригиналу y(t) , получить процесс изменения выходной координаты при наличии
входного воздействия.
Имея передаточную функцию 0{s) нетрудно определить амплитудно-фазовую
характеристику этой системы, заменив s на ico
Л M{i(D)
ф(т) = Ь L
D{m) '
где: со - частота нанесения входного воздействия и при установившемся
колебательном движении системы - частота изменения ее выходной координаты.
3.3 Примеры составления
уравнений объектов
регулирования.
Уравнения ротора турбины. На ротор турбоагрегата действует с одной стороны
- вращающий момент, обусловленный движущими силами на лопатках турбины,
расходом пара в проточную часть турбоагрегата, а с другой - момент сил
сопротивления со стороны генератора, для привода которого служит турбина (Рис.4.1).
т
Рис. 3.1. Паровая конденсационная турбина, 1 - регулировочные
клапаны, 2- турбина, 3 - генератор, 4 - конденсатор.
При установившемся режиме работы турбогенератора ротор вращается равномерно
с постоянной скоростью, что возможно только при равенстве моментов сил Мт -
движущих сил и Мг - сил сопротивления.
Мт0 - Мг0 = 0, (3-19)
Индекс нуль соответствует установившемуся движению.

В процессе регулирования равенство моментов сил может нарушаться, например,
из-за изменения давления пара перед турбоагрегатом, расхода пара в проточной
части турбины, изменения электрического сопротивления приборов и агрегатов,
подключенных к генератору.
Для неустановившегося движения, согласно теоремы Эйлера об изменении
момента количества движения, производная во времени от главного момента движения
системы относительно оси ротора равна главному моменту внешних сил
относительно этой оси.
— (Ja>)=MT-Mr (3-20)1
dt
Здесь J - момент инерции ротора турбоагрегата, величина постоянная для
турбогенератора , определяется весом ротора.
со - угловая скорость вращения.
при этом Мт =МТ0 + АМТ ; Мг =МГ0 +АМГг
Вычтем почленно из уравнения (3-20) уравнение (3-19), тогда уравнение
движения ротора турбогенератора примет вид
J^ = AMT -АМГ (3-21)
dt
Момент движущих сил на лопатках турбоагрегата можно рассматривать как
функцию
Мт = f(PltTltPKtmt(0)
где - параметры пара перед турбиной, рк - давление пара в конденсаторе
турбины, УУ1 - величина открытия регулировочных клапанов турбины, со - угловая
скорость вращения ротора турбины.
Момент сил сопротивления на валу генератора - Мг зависит от скорости
вращения вала, а так же суммарного электрического сопротивления, подключенного к
генератору. Поскольку это сопротивление может меняться произвольно, то
зависимость является случайной функцией времени. Поэтому общее изменение момента
Мг можно представить в виде AM г = AMг (со) + AMг (t) ,
где АМГ (со) - изменение момента в зависимости от скорости вращения ротора
турбоагрегата при постоянном сопротивлении сети,
AMr(t)- изменение момента в зависимости от сопротивления сети при
постоянной скорости вращения ротора.
1 = Мг -М-

Допустим, что параметры пара Р1,Т1,Рк не меняются, то есть изоэнтропийный
перепад энтальпий (теплоперепад) в процессе расширения пара в проточной части
турбины не изменен, тогда Мт = f(m,co) . Разложим функции Мт и Мг в ряд по
степеням независимых переменных (ряд Тэйлора), оставив в нем только члены
ряда, содержащие отклонения не выше первой.
АМТ = (—-х)о • Am + (—-JL)o • Аса
dm дсо
АМГ = (^1)0 • Acq + AMг (t)
дсо
В результате уравнение ротора турбоагрегата с учетом малых отклонений
независимых переменных от установившегося состояния примет вид
Td(Aco) ,дМт^ ,дМт^ , .ЗМГч ,
а/ от cw дсо
(3-22)
Перейдем в этом уравнении к относительным величинам независимых переменных,
выбрав в качестве базовых со0 - номинальное значение угловой скорости вращения
ротора турбоагрегата, тпмакс - максимальное перемещение регулировочного клапана
турбоагрегата, соответствующее изменению нагрузки турбоагрегата от холостого
хода до максимальной.
Мгмакс - максимальный момент сил сопротивления на валу генератора.
Асо m AMr(t) _ ,
Обозначим = <р ; — р ; —
соп
т.
М гмакс
Тогда уравнение (3-22) в относительных величинах независимых переменных
будет :
Jcoc
dip _ дМ
дМ
дМг
= (^—)о тмаксР + (^—)о ■ а>о<Р ~ (~т—)о ■ °>о<Р
dt dm
дсо
дсо
AMr(t)
AMг макс
М гмакс ,
(3-23)
Разделим переменные
т d(P
0 dt
,дМг дМ
V ^ /о V ^ /с
дсо
дсо
®о<Р = (^^)о • тш„сР-М,,максЛ
дт
дт
(3-24)
JCOn ;
\дМ дМ '
V _ /О V _ /о
дсо дсо
здесь и ч/q ,-
циенты при независимых переменных.
,дМТ
<я{) ; —)о ' тмакс г М макс - постоянные коэффи-
дт

Обозначим
. Т
J
дМ г дМт
дсо дсо
• Т =
' " ,дм
Тл =
Jcon
от
М гмакс
Уравнение (3-24) примет вид:
d<p <р _ /л я
dt т~ т т'
/л л
(3-25)
или
td(p , 3
1 г (р = txju - т2л
dt
(3-26)
т
т
где г2 -
7 // -'л
Г-динамическая постоянная ротора турбоагрегата, имеет размерность времени.
т-безразмерные коэффициенты, которые не содержат момента инерции ротора и
характеризуют статические свойства системы.
Уравнение (3-26) в операторной форме:
(тр + 1)(р = т1^-т2я ,
(3-27)
Или в изображениях по Лапласу
(ts + х)(р - тх[л - т2х
(3-28)
м-
i ,1
,V/;V- ^
мт
м-
о)
с):
Рис. 3.2. Статические характеристики турбогенератора
а) mr=f(a>)i б) mr=f(m)f в) mr=f(a>)
Частные производные в составе постоянных коэффициентов уравнения (3-24)
могут быть определены либо аналитически, либо из графиков статических
характеристик в предположении постоянного значения всех независимых переменных, кро-

ме той, по которой вычисляется производная.
Так I _ )о вычисляется в предположении m=idem
осо
дМт „ _N0 8МТ _ N0
~ ; т.к. Мг - , то — - 2~ ;
оо) со0 со0 осо со о
дМг М г N0 Ь%
~~ • m т/. 1 v± j'
2 , J. . л. 1
ооо0 оо0 а>0 со{)
Подставив в формулу определения Т известные для данного типа турбин
значение j,w0,N0 находят динамическую постоянную ротора турбины.
Т =
j jcoq
2 2
co0 co0
T - время достижения ротором двойной частоты вращения при полном сбросе
нагрузки с постоянным ускорением, равным начальному значению.
Примем характеристику регулировочных органов турбоагрегата (Рис. 3-2 б)
линейной , тогда
дМт М N
_—. ту* = —-т =м =——
~ "1макс "1макс О
от т со0
Подставив найденные значения частных производных в формулы расчета 7' и тх
получают:
jcol jco0 jco0 jcol
N0 ' Мгмакс N0 '
co0
T
т.е. Т^=ТЛ, а значит ^= — = 0,5, t2 = 0,5
<p_
t
ротора турбоагрегата как объекта регулирования.
В уравнении (3-25) член уравнения ^ выражает свойства саморегулирования

Уравнение емкости - резервуар неизменной вместимости.
Q
т
—М-
v
р
т
-И—
g>
Рис. 3.3. Схема резервуара для газа.
V - емкость резервуара, заполненного газом, Gi - количество притекающего
газа, G2 - количество вытекающего газа, mi, m2 - координаты, определяющие
положение распределительных органов - задвижек резервуара на входе и выходе
газа, Р - давление газа в резервуаре.
1. В установившемся режиме
(3-29)
2. При нарушении равенства расходов путем воздействия на распределительные
органы согласно закону сохранения материи
gl-g2=v&-,
12 dt'
(3-30)
где Gx = Gw + AGj, G2 = G20 + AG2
Предположим, что в неравновесных процессах состояние газа в резервуаре
изменяется политропно: рр " = р0р0" , п - показатель политропы.
Продифференцировав уравнение политропы, получим
dp _ р0 dP
dt пР„ dt
и подставим в уравнение (3-30)
Для малых отклонений независимых переменных уравнение (3-30) станет
Vp0 dP
пР0 dt
= AG - AG,
(3-31)
где Vp0 = D0 - массовый вес газа.
Предположим: Gx = f(mx,P) , G2 = f(m2,P) ,
тогда для малых колебаний имеем

AG1=(^)0Am1+(^)0AP
dm or
AG2=(^)0Am2+(^-)0AP
dm dr
Подставив выражения для AG1 и AG2 в уравнение (3-31) и представив
переменные в относительных величинах, получим уравнение газового объема
dP_JrP_=P^_P^
dt R Rx R2
(3-32)
Am,
где P\ —
m.
; Pi
Am7 „ AD
— . ±)=
m.
о
или в операторной форме
(Rp + l)p = Tlp2-r2p2
(3-33)
^-динамическая постоянная для емкости, т\ и т2- коэффициенты
R
R
т, = — • г9 = —
1 Ъ ' R2 '
R
dP dP
R
dmx
; *2
dm~.
Частные производные для постоянных коэффициентов уравнения (3-33) и находят
по статическим характеристикам ОР, как ОР давления газа (Рис.3.4) и
характеристика для регулировочных задвижек. (Рис. 3.5)
г-] А
-i
Рис. 3.4. Статические характеристики резервуара газа.

/77
/77
/77-
/77
Рис. 3.5. Статические характеристики регулировочных органов.
Элементы, из которых составлена система регулирования, могут существенно
различаться по физической природе протекающих процессов, но сами процессы при
этом будут описываться одинаковыми дифференциальными уравнениями. Сходство
дифференциальных уравнений означает, что рассматриваемые объекты (элементы)
математически подобны и что они обладают одинаковыми или близкими
динамическими свойствами.

ГЛАВА 4. ТИПОВЫЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЗВЕНЬЯ
И СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ АСР.
Динамические свойства всех элементов АСР полностью отражают следующие типы
элементарных звеньев: кинематическое, апериодическое, колебательное,
интегрирующее и дифференциальное, а так же звено с запаздыванием.
Уравнение звена связывает его входной и выходной параметр. При этом
подразумевается, что звено есть элемент направленного действия, то есть изменение
входной параметр вызывает появление выходного сигнала, при этом обратное
влияние отсутствует.
Заменяя реальный элемент АСР одним или определенной комбинацией
элементарных типовых звеньев, получают динамическую модель АСР, дифференциальные
уравнения которой известны или могут быть получены.
Принято записывать дифференциальные уравнения в операторной форме, исполь-
d
зуя символ - оператор дифференцирования р = —. Например, дифференциальное
dt
уравнение движения системы
d2y dy , df ,
ао ~ТТ + ai ~Г + а2у = я0 —+ V, (4-1)
dt dt dt
в операторной форме
a0p2y + alpy + a2y = b0px + blx (4-2)
или
(а0р2+alp + a2)y = (b0p + bl)x (4-3)
в общем виде
D(p)y(t)=M(p)x(t) (4-4)
где D(p) = cJQp2 + ахр + а2 - собственный оператор.
М(р) = Ь0р + их — входной оператор.
В результате создается структурная эквивалентная схема АСР, в которой
представлены типовые элементарные звенья направленного действия, между которыми
установлены динамические связи.
4.1 Типовые элементарные звенья.
Кинематическое звено, оно же усилительное, пропорциональное, статическое.
Уравнение звена Уеых = ^хех (4-5)

Разгонная характеристика звена при ступенчатом входном воздействии хвх = 1(7)
(Рис. 4.1).
Увьк
I,
t
£5»-
Рис 4.1 разгонная характеристика звена.
Передаточная функция W(p) = k . (4-6)
Пример: рычажная связь.
Апериодическое (инерционное звено 1-го порядка).
Уравнение звена (Тр + \)увых = кхвх . (4-7)
Разгонная характеристика (Рис. 4.2).
УвЬК
Рис 4.2 Разгонная характеристика звена.
Передаточная функция W(p) = . (4-8)
Тр + 1
Пример: одно-емкостной регулируемый объект-ротор турбоагрегата, резервуар
постоянной емкости.
Колебательное (инерционное звено 2-ого порядка).
Уравнение звена (Тр2 + Тхр + \)увых =кхвх. (4-9)

Разгонные характеристики (Рис. 4.3).
Рис 4.3 Разгонные характеристики звена.
1-корни характеристического уравнения вещественные: Р\ = ~0сх , р2 = ~~ 0с2 ;
2-корни комплексные сопряженные: pl2=—Ct + if3.
к
Передаточная функция W(p) =— . (4-10)
Тр + Тхр +1
Инерционное звено второго порядка образуется при наличии двух
последовательно соединенных емкостей - апериодических звеньев.
Интегрирующее (интегральное, астатическое) звено.
Уравнение звена Трувъа = кхвх . (4-11)
Разгонная характеристика (Рис. 4.4).
УвЬК
Рис 4.4 Разгонная характеристика звена.
к
Передаточная функция W(p) = ^ . (4-12)
Тр
Пример: Гидравлический сервомотор (элемент АСР турбин).
Дифференцирующее звено.
Уравнения звена:

а) Увых=кТрхвх (4.13), б) УвЬ1Х=к(Тр + \)хвх (4.14) - идеальные звенья;
в) (Тр + Т)увых = кТрхвх (4.15) - реальное звено.
Разгонная характеристика (Рис. 4.5)
Реальное дифференциальное звено обладает инерцией в изменении Увых^ по
сравнению с входным сигналом.
а)
Yi
вЬК
-Q
22
О
6)
Y
вьк
-Q
22
О
в)
вьк
Yebx(t)
Рис 4.5 Разгонные характеристики звена: а,б - идеальное
звено , в - реальное звено.
Передаточные функции:
a) W(p) = kTp (4-16), б) W(p) = k(Tp + \) (4-17),
kTp
О W(p) =
Тр + 1
(4-18)
Пример: Элемент АСР - дифференциатор; RC- цепочка. (Рис. 4.6)
I
1
R
Цзьк
Рис 4.6 RC - цепочка - реальное дифференцирующее звено.
Звено запаздывания.
Уравнение звена:
а) УеьА0 = ® ,
при
б) yeba(.t) = xeba(t) , при t>T ,
т -время запаздывания выходного сигнала

Разгонная характеристика (Рис. 4.7)
Рис 4.7 Разгонная характеристика звена.
Пример: транспортный участок - ленточный транспортер, участок трубопровода.
4.2 Структурные схемы и
типы соединения звеньев.
Элементы АСР, соединенные определенным образом, образуют динамическую
систему. Используя типовые звенья создают структурную схему АСР.
Разомкнутые структурные схемы. Различают три типа соединения звеньев:
последовательное, параллельно-прямое, параллельно- обратное. (Рис. 4.8.)
а)
Хвх1
Wi(p)
I Увьк1
Хвх2
Увьк2
б)
в)
,вх
X
вх
Wi(p)
№(р)
Увьк1
У
вьк
Увьк2
Хвх Хвх1
! !
Wi(p)
Увьк1
Увьк2
№(р)
Хвх2
Увьк1
Рис. 4.8. Виды соединения звеньев
а) последовательное, б) параллельно-прямое, в) параллельно-обратное.
Структурные схемы, состоящие только из последовательно включенных звеньев -
одноконтурные. Структурные схемы, имеющие параллельное соединение звеньев
будут многоконтурными.
Выделенная цепь звеньев может заменятся одним эквивалентным звеном, имеющим
передаточную функцию цепи.
Последовательное соединение звеньев (Рис. 4.8,а)

Уравнение 1-ого звена увых1 = Wx (р)хвх1
Уравнение 2-ого звена увых2 = W2(р)хвх2
у вых\ Хвх2
Передаточная функция структуры
w(p) =
у вых2
хвх\
Подставим в уравнение второго звена уравнение первого звена
увыХ2 = wx (р) ■ w2 (р)хвх1, тогда w(p) = wx (р) ■ w2 (р)
Таким образом, передаточная функция цепи, состоящая из нескольких
последовательно соединенных звеньев, равна произведению передаточных функций звеньев
этой цепи.
Параллельно-прямое соединение звеньев (Рис. 4.8, б)
у вых ^у вых\ у вых2 )
увыхх = шр)хвх
Увых2 =^2(р)Хвх
yeblx=wl(p)+w2(p)]xex
Передаточная функция структуры:
пр) = — , тогда w(p) = wx (р) + w2 (р) .
х
вх
Таким образом, передаточная функция группы звеньев при параллельно-прямом
соединении равна сумме передаточных функций звеньев, входящих в это
соединение .
Обратно-параллельное соединение звеньев (Рис. 4.8, в)
х , = х + у -
вх\ вх j вых2
знак ( + ) - усиливает, а (-) - ослабляет сигнал на звено wx(p) .
Хвх2 увых!
увьсл = Wx (р)ха1 = Wx (р)(Хвх ± увьа2) (а)
уеых2 =W2(p)yeblxl (б)

Поделим левую и правую части уравнения (а) на Увых\
У вых\
У вых\
x +v ~
вх у вых2
У вых\
, и подставив уравнение (б), получим
\ = Wl{p)
xex±w2(P)yeblXl
У,
(В)
вых\
Числитель правой части этого уравнения почленно разделим на знаменатель
у,
вых\
1 W (d)
l = w^)h^±w2m или i = -^±wl(p)w2(P)
W(p) W(p)
(г) ;
Перенесем в левую часть уравнения (г) произведение передаточных функций
Wx{pyw2{p)
\ + Wl(p)-W2(p) =
Щр)
В результате W(p) —
Wx{p)
\±Wx{p)W2{p)
(л)
Здесь знак (+) обозначает сигнал отрицательной обратной связи звена W2(p),
а знак (-) - положительной обратной связи.
При отсутствии звена обратной связи, передаточная функция структуры с
отрицательной обратной связью будет
W(p)
Щр)
1 +
Замкнутые структурные схемы. Для АСР при управляющем и возмущающем
воздействиях образуются структурные схемы, изображенные на рис. 4.9.
При управляющем воздействии (Рис. 4.9, а) передаточная функция замкнутой
АСР
П)
Увьк1
£5
Хвх2
Щр)4
Увьк2
а)

W(p)op
Yt
вьк
б)
Щр) рег
Рис. 4.9 Замкнутые структурные схемы: а) при управляющем
воздействии (p{t) , б) при возмущающем воздействииA(t)

ГЛАВА 5. УСТОЙЧИВОСТЬ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ
Всякая АСР, которая подвергается внешнему воздействию, отклоняется от
заданного ей закона движения. При этом регулятор стремится вернуть систему к
этому движению. В результате под влиянием воздействий, с одной стороны, и
восстанавливающего действия регулятора, с другой, возникает переходный
процесс.
В этой ситуации возможны три случая:
1) система регулирования не может восстановить требуемого движения после
его нарушения, и действительное движение системы будет все дальше
удалятся от требуемого. Такой переходный процесс называется расходящимся,
а система - неустойчивой.
2) система регулирования после нарушения движения воздействиями с течением
времени возвращается к заданному движению с точностью, отвечающей
статической неравномерности (ошибки) системы регулирования. Такой
переходный процесс будет сходящимся, а система - устойчивой.
3) система регулирования после нарушения равновесного режима получает
дополнительно к заданному движению еще и установившееся периодическое
движение, которое представляет собой незатухающие колебания. Такой
переходный процесс называется незатухающим колебательным, а система
находящейся на границе устойчивости.
Движение большинства реальных АСР описывается нелинейными дифференциальными
уравнениями, которые для упрощения исследования АСР могут быть
линеаризированы. На их основе составляется дифференциальное уравнение замкнутой системы с
регулируемой величиной y(t) в качестве переменной
7И-1
d"y d"-vy
а 1 ~
о ^ + а1-^ + - + апУ = 17(х) , (5-1)
dt" df
которое представляет собой неоднородное дифференциальное уравнение,
характеризующее динамические свойства системы при наличии в ней внешних
воздействий .
Решение этого уравнения можно представить в виде двух составляющих.
Y(t) = yCB(t) + yBHH(t) (5-2)
описывающих свободные и вынужденные колебания системы, при этом уВын(^.)
определяется неснимающимся воздействием, приложенным к АСР.
Для получения решения уравнения (5-1) достаточно к какому-либо частному
решению прибавить общее решение однородного с ним уравнения, т.е. уравнения (5-
1) в котором F(x) = О .
Его характеристическое уравнение в операторной форме имеет вид:
а0р" +alP"-1 +... + ап_1р + ап = 0 , (5-3)
где р - корни характеристического уравнения.

Оно получается, если приравнять нулю собственный оператор - оператор левой
части неоднородного дифференциального уравнения D(p) = О . Для замкнутой
системы при отсутствии внешнего воздействия характеристическое уравнение может
быть получено по передаточной функции системы W \р) — - -
D(p)
W(p) + l = 0 (5.4)
При исследованиях устойчивости динамической системы в уравнение движения не
вводится внешнее воздействие F(xex) = 0 , а рассматриваются собственные
колебания системы относительно состояния установившегося движения.
Такое исследование принято называть исследованием в малом, в отличие от
исследования в большом, когда анализируется поведение системы при достаточно
больших отклонениях регулируемой величины от заданного значения.
Решению задач об устойчивости систем посвящено большое количество трудов
многих выдающихся ученых, среди которых первое место по праву принадлежит
русскому математику Александру Михайловичу Ляпунову, создавшего общий метод
решения задач об устойчивости.
5.1 Теорема Ляпунова.
A.M. Ляпунов при исследовании устойчивости динамических систем пришел к
следующим выводам относительно законности использования линеаризованных
дифференциальных уравнений для суждения об устойчивости действительной системы в
малом.
1) Если характеристическое уравнение линеаризованной системы имеет все
корни с отрицательными вещественными частями, то действительная система будет
устойчива. При этом никакие отброшенные при линеаризации уравнения члены
второй и высших степеней отклонения регулируемого параметра не могут изменить
устойчивость системы.
2) Если характеристическое уравнение линеаризованной системы имеет хотя бы
один корень с положительной вещественной частью, то действительная система
будет неустойчива. При этом никакие отброшенные при линеаризации члены второй
и высших степеней отклонения регулируемого параметра не могут придать
устойчивость системе.
3) Если характеристическое уравнение линеаризованной системы имеет хотя бы
один нулевой корень или пару чисто мнимых сопряженных корней, то поведение
действительной системы не может определяться ее линеаризованным уравнением. В
этих случаях отброшенные при линеаризации уравнения члены вторых и высших
степеней отклонения регулируемого параметра коренным образом изменяют
описание динамического процесса реальной системы.
Следует отметить, что приведенная теорема Ляпунова об устойчивости
линеаризованных систем справедлива только тогда, когда у нелинейной системы функция,
выражающая зависимость регулируемой величины от переменных параметров имеет
конечные, непрерывные и однозначные производные в окрестности точки,
относительно которой исследуется процесс регулирования.

Если динамика системы точно описывается линейным дифференциальным
уравнением с постоянными коэффициентами, то устойчивость в малом обеспечивает
неограниченную устойчивость системы, т.е. устойчивость в большом независимо от
величины отклонения.
Относительно систем, движение которых описывается нелинейными
дифференциальными уравнениями, этого сказать нельзя. Возможны случаи, когда система,
устойчивая в малом, оказывается неустойчивой в большом. Поэтому методы
исследования устойчивости нелинейных систем существенно отличается от методов
исследования линейных систем.
Если отложить в прямоугольных координатах плоскости корней по оси абсцисс
вещественные части, а по оси ординат - коэффициенты при мнимых частях корней
характеристического уравнения, то в этой плоскости каждому корню будет
соответствовать точка. Вещественные корни определяют точки на оси абсцисс, а пара
сопряженных комплексных корней две точки, расположенные симметрично
относительно оси абсцисс.
Таким образом, для того чтобы действительная система была устойчива,
необходимо и достаточно, чтобы корни характеристического уравнения
линеаризованной системы находились в комплексной плоскости корней слева от мнимой оси.
Если хотя бы одна точка лежит на мнимой оси, то система находится на границе
устойчивости. Следовательно, для суждения об устойчивости АСР нет
необходимости вычислять все корни характеристического уравнения, достаточно лишь
выяснить, все ли они расположены слева от мнимой оси.
а
Рис 5.1 Плоскость корней характеристического уравнения.
1) р = ±а , 2) p = ±i/3 , 3) p = ±a±i/3
Однако уравнения степени выше четвертой не решаются в радикалах. Таким
образом, возникает необходимость иметь признаки, которые позволили бы без реше-

ния характеристического уравнения, во-первых, проверить устойчивость
конкретной АСР, а во-вторых, определили бы необходимые и достаточные условия для
того чтобы переходные процессы в АСР протекали устойчиво.
При исследовании устойчивости возможны две постановки задачи для
определения устойчивости системы. Первая сводится к тому, что если известны все
Заданные конструктивные и настроечные параметры системы, то нужно определить
будет ли система устойчива. Решение этой задачи достигается с помощью
использования критериев устойчивости.
Вторая постановка предполагает известными некоторые параметры, например,
конструктивные. Решение этой задачи сводится к определению пределов изменения
остальных параметров, например, настроечных, обеспечивающих устойчивость
исследуемой системы, что достигается построение областей устойчивости.
5.2 Алгебраические
критерии устойчивости.
Использование этих критериев позволяет проверить устойчивость системы, не
прибегая к решению характеристического уравнения и графическим построениям,
ограничиваясь лишь алгебраическими вычислениями над коэффициентами
характеристического уравнения.
Критерий устойчивости Рауса. Критерий, сформулированный английским
математиком Раусом в 1875 г (1877 г) представляет собой правило, определяющее ряд
последовательных алгебраических операций, необходимых для решения задачи
поверки устойчивости системы.
Допустим, что характеристическое уравнение исследуемой системы будет
а0р" + ахр"~1 +а2р"~2 +ап_хр + ап = О (5-4)
Раус предложил использовать схему составления таблицы в виде таблицы
коэффициентов . Таблица 5.1
Таблица коэффициентов.
№
стро
ки
№ столбца
1
2
3
4
1
а0
«2
а4
«6
2
ах
а3
а5
а7
3
аха2 — а0а3
«31 ~
ах
Ct-t Ct л Ct <-\ Ct с
_ аха6 — а0а7
«33 —
«34 —
4
аЪ1аъ — ахаЪ1
_ аЪ1аъ — ахаъъ
_ аЪ1а1 —ахаЪА
«44
«41 ~
«31
«42 —
«31
«43 —
«31
5
Метод составления таблицы:
• Первая строка - составляется из коэффициентов характеристического
уравнения с четными индексами, начиная с а0 .

• Вторая строка - из коэффициентов с нечетными индексами
• Третья строка получается перекрестным умножением соответствующих
коэффициентов первых двух строк делением на элемент первого столбца предыдущей
строки.
• Все последующие строки получают аналогичным способом из двух предыдущих
строк
После построения приведенной выше таблицы критерий Рауса может быть
сформулирован следующим образом. Для того чтобы АСР была устойчива, необходимо и
достаточно, чтобы все элементы первого столбца таблицы, составленные из
коэффициентов характеристического уравнения системы, были отличны от нуля и
положительны при условии, что коэффициент а0 при старшем члене уравнения больше
нуля. Критерий Рауса особенно удобен в тех случаях, когда коэффициенты
характеристического уравнения заданы численно.
Критерий Гурвица. Иная форма критерия устойчивости, наиболее
распространенная в технической литературе, известна под названием критерия Гурвица,
который сформулирован швейцарским ученным Гурвицем в 1895г. Последний основан на
построении специальных определителей характеристического уравнения,
называемых определителями или матрицами Гурвица.
Пусть дано характеристическое уравнение замкнутой системы, с постоянными
коэффициентами Clj
D(p) = а0р" +агрп 1 +а2р" 2 + ... + ап
О
(5-5)
у которого коэффициент при старшем члене а0 > О
Определители Гурвица будут:
«1; д2 =
ахаъ
а0а2
О ахаъ
и в общем виде
ахаъаъ...§
а0а2а4...0
А3 = 0 ахаъ...§
0.
, матрица размером пхп - матрица Гурвица.
При составлении определителя (матрицы) Гурвица n-го порядка руководствуются
следующим правилом:
• выписывают по главной диагонали все коэффициенты от ах до ап в порядке
возрастания индексов;

• дополняют все столбцы определителя вверх от диагонали коэффициентами, с
последовательно возрастающими, а вниз с последовательно убывающими
индексами ;
• наибольший порядок определителя Гурвица равен степени
характеристического уравнения;
• на место коэффициентов, индексы которых больше п и меньше нуля, ставятся
нули.
Последний определитель Ап = апАп_х
Критерий Гурвица формируется следующим образом: для того чтобы САР была
устойчива, необходимо и достаточно, чтобы все определители Aj , А2 , ..., Ап ,
составленные по коэффициентам характеристического уравнения системы до п -го
порядка включительно, были положительны, при этом должно быть а0 > 0 .
При соблюдении критерия положительности коэффициентов характеристического
уравнения проверка последнего определителя Гурвица Ап необязательна т.к. при
An_j > 0 всегда следует, что Ап > 0 .
Алгебраические критерии дают весьма простой способ исследования
устойчивости систем в тех случаях, когда степень характеристического уравнения высока
(например, п>5) и коэффициенты его заданы численно.
Для систем, характеристические уравнения которых имеют низкую степень
(п<4), условия устойчивости можно записать в общей форме в виде простых
буквенных неравенств.
Условия устойчивости для систем с характеристическим уравнениями 2-ой, 3-ей
и 4-ой степеней, вытекающие из критериев Рауса и Гурвица.
п = 2 , а0 > О ; ах > О ; а2 > О .
// = 3, а0 > О ; ах > О ; а2 > О - основное неравенство,
дополнительное неравенство аха2 — сг0а3 > 0 .
// = 4, а0 > 0 ; а, > 0 ; а, > 0 ; аъ > 0 ; а4 > 0 - основное неравенство
дополнительное неравенство
аха2аъ -а0а2 -а\аА > О
При п > 5 число подобных дополнительных неравенств возрастает.
Если приравнять An к нулю, то получим уравнение границ устойчивости
«„=0; А„_1=0
Первая граница ап =0 соответствует наличию у характеристического уравнения

нулевого корня (р = О) . Вторая граница ап_х = 0 соответствует наличию у
характеристического уравнения чисто мнимых корней ( р = +ij3 ) .
5.3 Критерий
устойчивости
Михайлова.
Рассмотрим характеристическое уравнение замкнутой системы n-ой степени с
действительными коэффициентами.
D(p) = a0p" +alpn'1 +... + an_lp + aQ = 0 (5-7)
где рх , р2 ,..., рп - корни этого уравнения.
На комплексной плоскости корней (Рис. 5.1) каждому корню соответствует
вполне определенная точка или две точки для сопряженных корней.
Я
Рис 5.1 Комплексная плоскость корней.
Теоретически каждый корень pt изображается в виде вектора, проведенного из
начало координат в точке pt . Длина этого вектора равна модулю комплексного
числа \pt\ , а угол, образованный вектором с положительным направлением
действительной оси, аргументу или фазе комплексного числа pt — arg pt .
Изменение положения корня в плоскости комплексного переменного ведет к
изменению аргумента - A arg .
Положив р = i(o в характеристическом уравнении D(p) = 0 , получим изменение
аргумента вектора D(ico) - AargDQco) .
Если все корни характеристического уравнения находятся слева от мнимой оси,
то согласно теореме Ляпунова система будет устойчива, а при изменении частот
(со)вектор D(ico) будет поворачиваться в положительном направлении - против
часовой стрелки. При изменении частот от -°° до °° изменение вектора будет равно
AarsD(io))
-—-—- = пп ,
0 < со < со
где п - степень характеристического уравнения D(p) = 0 , определяющая число

его корней, пп - наибольшее изменение аргумента D(ico) .
При изменении со от -°° до °° вектор D(ico) на плоскости комплексного
переменного описывает своим концом кривую, которая называется характеристической
кривой или годографом вектора D(ico) .
Уравнение характеристической кривой можно найти, подставив p = ico в
многочлен D (р) .
D(ico) = a0(ico)" + a1(ico)"~1 + ... + an_1(ico) + an (5-8)
Отделяя в нем действительную часть от мнимой, получим
D(ico) = U(co) + iV(ico) (5-9)
где U(co) = ап + ап 2со2 + ап_4ft>4 +... - действительная часть,
V(co) = ап1 + ап3со3 + ап_-соъ +... - мнимая часть .
Действительная часть является четной функцией со , все степени ее членов
четные, начиная с нулевой (первый член ап) , а мнимая V(co) - нечетной функцией
со .
Поэтому для отрицательных значений со
D(ico) = U(co)-iV(ico) (5-10)
Следовательно, характеристическая кривая симметрична относительно
действительной оси, поэтому при построении характеристической кривой можно
ограничится лишь положительными (со) от 0 до °°, тогда угол поворота вектора D(ico) ,
AargD(/&>) _ ж
т.е. изменение аргумента — п—, уменьшится вдвое.
О < со < да 2
Следовательно, критерий устойчивости можно сформулировать сотедующим
образом: замкнутая АСР будет устойчива, если при возрастании со от 0 до °° вектор
D(ico) повернется в положительном направлении на угол , где п - степень
характеристического уравнения D(p) = 0 шил, что то же самое, если
характеристическая кривая при изменении со от 0 до °°, начиная с положительной
действительной оси, обходит последовательно в положительном направлении п-квадрантов
комплексной плоскости.
В такой форме критерий устойчивости был предложен А.В.Михайловым в 1938 г.
Характеристическая кривая при изменении со от 0 до °° будет обходить п
квадрантов в положительном положении, если уравнения
U(co) = 0; V(co) = 0

имеют все действительные и перемежающиеся корни, т.е. между каждыми двумя
соседними корнями уравнения U(co) = 0 лежит один корень уравнения V(co) = О и
наоборот , между двумя соседними корнями уравнения V(co) = О лежит один корень
уравнения U(со) = О .
Система будет находится на границе устойчивости, если характеристическая
кривая при некотором значении со пересекает начало координат, обходя при этом
(п-1) квадрантов.(Рис. 5.2)
Рис 5.2 Характеристические кривые. а) устойчивые системы
б)неустойчивая система в) система на границе устойчивости.
Свойства годографа вектора D(ico) :
1) Годограф представляет кривую, всегда симметричную относительно
действительной оси комплексной плоскости. Это следует из того, что U(co)
функция четная, a V(co) - нечетная функция переменной со .
2) При со = О годограф пересекает действительную ось в точке, отстоящей от
начало координат на расстоянии, равном значению ап - свободного члена
характеристического уравнения.
3) Максимально возможное число пересечений полуветви годографа с действи-
п п+1
тельной осью равно — , при п - четном и —, при нечетном, где п - сте-
2 2
пень характеристического уравнения. Значение со , отвечающее точкам
пересечения годографа с вещественной осью, определяются из уравнения
V(co) = О .
4) Максимально возможное число пересечений полуветви годографа с мнимой
п п + 1
осью равно — при п - четном и при нечетном. Значение со , отвечаю-
2 2
щее точкам пересечения годографа с мнимой осью, определяются из уравне-

ния U(со) = О .
Методы построения годографа Михайлова:
1) Характеристическая кривая строится последовательно, задаваясь значениями
частот со от 0 до °° в уравнения U(со) = О и V(co) = О .
2) Метод контрольных точек, при котором построение характеристической
кривой не обязательно. Вычисления ограничиваются нахождением только точек
пересечения годографа с осями. Расположения этих точек позволяет судить
об устойчивости системы. Их находят из уравнений U(со) = О и V(co) = 0 и они
должны быть перемежающимися.
5.4 Частотный критерий
устойчивости
Найквиста - Михайлова.
Частотный критерий устойчивости, первоначально разработанный в 1932 г.
американским ученым Найквистом для исследования усилителей с отрицательной
обратной связью, был обоснован, обобщен и впервые применен в теории
автоматического регулирования А.В. Михайловым.
Частотный критерий связывает свойства разомкнутой системы со свойствами
замкнутой системы.
Физический смысл критерия устойчивости Найквиста-Михайлова состоит в том,
что он позволяет по годографу АФХ разомкнутой системы судить об устойчивости
замкнутой системы.
Рассмотрим функцию <p(ico) , связанную с W(ico) соотношением:
... D(ico)+M(ico) D3(ico)
cp(ico) = \ + W(ico)= ' v =-^гт t5"11)
D(ico) D(ico)
Знаменатель этой функции представляет собой характеристическую кривую
разомкнутой системы, а числитель - характеристическую кривую замкнутой системы.
Предположим, что разомкнутая система устойчива. Устойчивость разомкнутой
системы можно установить без вычислений непосредственно по составу и
характеристикам ее звеньев. Например, разомкнутая система, состоящая из устойчивых
звеньев и не содержащая положительных обратных связей, заведомо устойчива.
Если разомкнутая система устойчива, то изменение аргумента D(ico) при воз-
Aw%D{ia>)=nE.
растании со от 0 до м будет равно _ ^ 2
0 < а) < оо
где п - степень характеристического уравнения разомкнутой системы,
совпадающая со степенью характеристического уравнения замкнутой системы. Это
следует из того, что степень числителя передаточной функции W(p) = —в реаль-
D(p)
ных системах не может превосходить степень знаменателя.

Предположим, что характеристическое уравнение замкнутой системы имеет т
корней в правой части плоскости корней и, следовательно, (т-п) корней в
левой части комплексной плоскости корней р. (Рис. 5.3)
(т-п)
т
а
Рис. 5.3 Плоскость корней характеристического уравнения
замкнутой системы.
Тогда при возрастании со от 0 до °° изменение аргумента вектор D3(ico) будет
равно
AavgD3(ico) =(п-т) тл— = (п-2т)-
<л^ ^ 2 2 2 •
О < со < да
(5-13)
Изменение аргумента функции <p(ico)
D3(ico)
D(ico)
при возрастании со от 0 до °° равно
разности изменений аргумента D3(ico) - числителя функции <p(ico) и D(ico) -ее
знаменателя , т.е.
A arg <р(г со) =А arg D3 (г со) - A arg D(i со) = („ _ 2т) — - п—
2 2
О < СО < оо 0 < СО < оо 0 < СО < оо
-т-
части комплексной плоскости корней отсутствуют, т.е. т = 0 , тогда
Система устойчива, если корни ее характеристического уравнения в правой
Aarg(p(ico) =0
О < со < оо
Это означает, что вектор функции <p(ico)iia. комплексной плоскости опишет угол,
равный нулю лишь в том случае, если годограф вектора не охватывает начало
координат комплексной плоскости. (Рис. 5.4,а)
Ща>)
пл. Щсо)
С0=ОО ОУ=0
-1 V
№
Рис. 5.4 Амплитудо-фазовые характеристики.

Но от годографа cpiicd) легко перейти к годографу W(ico) , т.е. к АФХ
разомкнутой системы, которая представляет ту же кривую, но сдвинутую на единицу
влево. В комплексной плоскости W(ic6) начало координат находится в точке -1,Ю , а
конец вектора функции cp(ic6) при изменении со скользит по АФХ разомкнутой
системы. (Рис. 5.4,6)
Отсюда следует формулировка частотного критерия устойчивости: исследуемая
замкнутая система, устойчивая в разомкнутом состоянии будет устойчива, если
при изменении со от 0 до °° АФХ разомкнутой системы в плоскости комплексного
переменного W(ic6) не охватывает точку с координатами -1,/0 .
При исследовании многоконтурных систем или систем, содержащих неустойчивые
звенья, разомкнутая система может оказаться неустойчивой. Естественно, что
для такой системы возможность экспериментального определения АФХ исключена,
однако ее можно вычислить по уравнениям системы или передаточной функции и
сделать заключение об устойчивости замкнутой системы.
В этом случае изменение аргумента D(ic6) при возрастании со от 0 до °° будет
равно
ж
Aaxg(p(ico) = (п-2т)— , (5-14)
О <со < °°
где т - число корней характеристического уравнения разомкнутой системы
D(p) = О , лежащих в правой части плоскости корней.
Если замкнутая система устойчива, то изменение аргумента D3(ico) будет
к
AargD3(ico) = n — (5-15)
О <со< °°
к к
Тогда Лarg= AargD3(ico)-Лarg£>(/&>) = п — -(и-2m)— = -тп (5-16)
О <со< °°
Для этого случая частотный критерий устойчивости формулируется следующим
образом.
Исследуемая система, неустойчивая в разомкнутом состоянии, будет устойчива
в разомкнутом состоянии, если АФХ разомкнутой системы охватывает точку с ко-
1 „ m
ординатами -1./0 в положительном направлении (против часовой стрелки) — раз.
2
Для астатических систем регулирования, содержащих, в частности, интегрирую-

щие звенья, АФХ при со = О обращается в бесконечность. Для подобных
разомкнутых систем характеристическое уравнение имеет корни, лежащие в начале
координат плоскости корней, т.е. корни равные нулю. (Рис. 5.5)
Щсо)
пл. Щсо)
Цсо)
Рис. 5.5 Амплитудо-фазовая характеристика астатических систем
регулирования.
В общем случае критерий устойчивости Найквиста-Михайлова формируется так.
Замкнутая система будет устойчива, если разность между положительными и
отрицательными переходами АФХ разомкнутой системы отрезка действительной оси
т
(-°°,-1) равна — раз, где т- число корней с положительной вещественной ча-
2
стью характеристического уравнения разомкнутой системы.
5.5 Выделение областей
устойчивости системы.
Критерии устойчивости позволяют определить, устойчива ли система
регулирования, если все ее параметры - конструктивные, настроечные заданы. Однако
динамические характеристики объекта регулирования и настройки регулятора в
процессе эксплуатации могут изменяться в определенных пределах. В связи с этим
возникает задача определения совокупности значений параметров, при которых
система регулирования заданной структуры остается устойчивой.
Предположим, что в характеристическом уравнении системы регулирования
все коэффициенты, за исключением двух, например аг и а2 заданы. Построим
плоскость с прямоугольными координатами а1 и а2 . В квадранте а1 > О и а2 > О
произвольно выбираем точку, для которой соответствуют коэффициенты ах = ах и
а2 =а2 . Подставив их значения в характеристическое уравнение системы,
определим корни этого уравнения. Если все найденные корни уравнения расположены
слева от мнимой оси на комплексной плоскости корней, то это будет означать
что система устойчива. Точку, выбранную на плоскости а1-а2 с координатами
а.
р" +а,рп~1 +... + ап_1р + ап =0
(5-17)

ax и a2 обозначим (-) .
Выберем произвольно вторую точку с координатами ах = ах и а2=а2 и,
подставив в характеристическое уравнение значения этих коэффициентов, определим его
корни. Если хотя бы один корень будет расположен справа от мнимой оси
плоскости корней, то обозначим эту точку знаком (+), т.е. система регулирования при
этом будет неустойчива.
Если при ах = а'" и а2=а2 хотя бы одна пара корней лежит на мнимой оси
комплексной плоскости корней, обозначим точку на плоскости коэффициентов ах —а2
нулем, что означает границу устойчивости системы регулирования.
Повторяя последовательно этот процесс, дадим коэффициентам ах и а2 все
возможные значения, отметим точки на плоскости ах-а2 знаками (-) , ( + ) ,0 и
проведем кривую через точки отмеченные нулем.
. а-
+
Рис. 5.6 Плоскость коэффициентов.
Эта кривая будет границей устойчивости в плоскости двух коэффициентов ах и
а2 характеристического уравнения системы регулирования. (Рис. 5.6)
Часть плоскости, включающая совокупность точек со знаком (-) называется
областью устойчивости, а часть плоскости со знаком (+) - областью
неустойчивости .
Область устойчивости в плоскости двух параметров системы была впервые
выделена И.А. Вышнеградским в 1877 г., профессором С-Петербургского
технологического института.
Аналогично весь процесс может быть проделан для любых других коэффициентов
характеристического уравнения системы, например, для трех, и в этом случае
получают объем устойчивости в пространстве коэффициентов характеристического
уравнения.
Работы, в которых завершена разработка приемов выделения областей
устойчивости и изложена общая точка зрения на разные критерии устойчивости были
выполнены в России Ю.И. Неймарком.
Выделение области или объема устойчивости называют Д-разбиением плоскости

или пространства параметров системы или определением границы ее устойчивости.
Границу устойчивости называют границей Д-разбиения, имея ввиду обозначения
характеристического уравнения D(p) = О . Переход через границу Д-разбиения
соответствует в плоскости корней переходу корней через мнимую ось. (Рис. 5.7)
Отсюда следует метод определения границы Д-разбиения. Она определяется
параметрически заменой в исследуемом полиноме - характеристическом уравнении р
на ico , где со - переменная величина, и может быть построена при изменении со
от -°° до °°. В этом смысле граница Д-разбиения есть отображение мнимой оси
комплексной плоскости корней на плоскости коэффициентов характеристического
уравнения.
Пример построения границы Д-разбиения и выделений области устойчивости для
системы регулирования турбины, работающей в электрическую сеть.
Тарср = /и - уравнение ротора; (5-17)
(Tlp + V)p = pl - уравнение главного усилителя; (5-18)
(Т2р + = С, - уравнение промежуточного усилителя; (5-19)
Здесь (р - относительная частота вращения ротора турбины,
р, р1 — относительные величины перемещения поршней сервомоторов усилителей
системы регулирования турбины;
Рис. 5.7 Плоскость корней характеристического уравнения.
1
М2 =-^<р
-уравнение регулятора скорости.
(5-20)
£ - относительная величина перемещения муфты регулятора скорости;
Та- динамическая постоянная ротора турбины;
Г, и Г, - времена сервомоторов ;
8 - коэффициент неравномерности регулятора скорости.

Та = 20с ; Тх = 0,5с ; Т2=1с.
Параметром настройки регулятора скорости является коэффициент 8 .
Необходимо определить возможный диапазон изменения коэффициента
неравномерности 8 , значения которого обеспечивали бы устойчивый процесс регулирования
турбины.
Применим метод Д-разбиения для определения границы устойчивости работы АСР
турбины по отношению к настроечному параметру 8 . Обозначим —=к.
8
Характеристическое уравнение АСР турбины в общем виде:
а0р3 + а1р2 + а2р + а3 = 0 ,
(5-21)
где а0 =Та-ТгТ2=\; а, =Та(Тх +Т2) = 12 ; а2 = Та = 20 ; а3 = к
Решим характеристическое уравнение относительно к .
к = -ръ-\2р2-20р
(5-22)
Заменим р — ICQ r i = л/— 1
к = -(icof -\2{ico)2 -20{ico)
(5-23)
Выделим в этом уравнении вещественную и мнимую составляющие: к = и + iv
и = \2со2 - вещественная составляющая
и = со3 — 20(О - мнимая составляющая
Построим границу Д-разбиения в комплексной плоскости (u—iv), задаваясь
значениями со в диапазоне от -°° до °°.
Цсо)
Рис. 5.8 Построение границы устойчивости.

В результате построения границы Д-разбиения получают на вещественной оси
комплексной плоскости (и — iv) две граничные точки параметра к: к1 = 0 , к2 = 240
или при 8Х —»оо, а 82 = 0,0042 (Рис. 5.8).
Поскольку в плоскости корней характеристического уравнения область
устойчивости находится слева от мнимой оси плоскости корней, то при движении вдоль
границы Д-разбиения в сторону возрастания со , область устойчивости
располагается так же слева. Штриховкой определяем эту область. Следовательно,
устойчивая работа АСР турбины возможна при значениях коэффициента неравномерности 8
при его значениях больше 0,0042.
Для построения области устойчивости по двум параметрам в характеристическое
уравнение подставляют р = гсо и после разделения действительной и мнимой его
части получают систему двух уравнений, определяющую кривую Д-разбиения. Если
эти уравнения совместны, т.е если их совместное решение не приводит к
противоречивому результату и линейно независимы (не равносильны), то каждому
значению со соответствует одна пара неизвестных значений параметров и,
следовательно, одна точка на плоскости.
При некоторых значениях со уравнения могут стать равносильными. В этом
случае для данного значения со получается не точка, а кривая или прямая, которая
называется особой. Обычно особые прямые появляются при значениях со = 0 и
со = оо , что соответствует переходу корня характеристического уравнения из
левой части плоскости корней в правую ее часть через значение нуль или
бесконечность. Особая прямая, соответствующая обращения корня в нуль, определяется
из условия равенства нулю свободного члена характеристического уравнения.
Особая прямая, соответствующая обращению корня в бесконечность, получается
при приравнивании нулю коэффициента при старшем члене характеристического
уравнения.
Построив основную кривую Д-разбиения и дополнив ее особыми прямыми, находят
область устойчивости, используя правила штриховки для ее определения, путем
проверки соблюдения условий устойчивости для такой точки, находящейся внутри
устойчивого регулирования, для которой вычисления производятся наиболее
просто .
Правила штриховки границы Д-разбиения и определения области устойчивости.
Если главный определитель полученной системы уравнений больше нуля, то при
изменении со от -°° до °° штрихуется левая сторона кривой, если главный
определитель меньше нуля, то следует штриховать правую сторону кривой Д-
разбиения.
Особые прямые штрихуются так, чтобы вблизи точек пересечения их с основной
кривой Д-разбиения штриховка была направлена согласно со штриховкой основной
кривой. Если при переходе через точку пересечения знак главного определителя
меняется, то направление штриховки особой прямой по обе стороны от точки
пересечения различно. Если знак главного определителя не меняется, то особую
прямую можно не штриховать, так как она является граничной.
Конструктивные и настроечные параметры системы должны обеспечивать
достаточный запас устойчивости в ее работе. Чем дальше от поверхности или кривой,
ограничивающих область устойчивости, находится рассматриваемая точка, тем
большим запасом устойчивости обладает система.

5.6 Показатели
устойчивости
системы.
В плоскости корней характеристического уравнения АСР границей устойчивости
является мнимая ось этой плоскости. Удаленность корней от мнимой оси
определяет запас устойчивости. Так запас устойчивости может быть охарактеризован
расстоянием а от мнимой оси ближайшей к ней пары комплексных сопряженных
корней (Рис. 5.9).
10
- а
Рис. 5.9 Граница устойчивости на плоскости корней.
Здесь р} и - действительные отрицательные корни, р3 и р4 - комплексные
сопряженные корни.
Это расстояние называется степенью устойчивости. Запас устойчивости системы
характеризуется так же углом у , составленным мнимой осью с лучом,
соединяющим ближайшим комплексный корень с началом координат плоскости корней.
Тангенс этого угла называется степенью колебательности этой системы, а синус -
коэффициентом затухания для переходных процессов системы регулирования.
Если свойства системы заданы частотными характеристиками, (Рис. 5.10) то
запас устойчивости удобно характеризовать удаленностью АФХ разомкнутой
системы регулирования от точки с координатами -1,/0 комплексной плоскости и(со) ,
iv(co) . Запас устойчивости характеризуется двумя численными величинами: запасом
устойчивости системы по модулю и запасом ее устойчивости по фазе.
Запас устойчивости по модулю определяется величиной отрезка с - расстояние
от точки с координатами -1,/0 до точки пересечения АФХ с отрицательной
действительной полуосью. Запас устойчивости по фазе характеризуется величиной угла
Р , который образован отрицательной действительной полуосью и лучом,
соединяющим начало координат с точкой пересечения АФХ с окружностью радиусом г = 1
с центром в начале координат плоскости. Эта величина показывает, насколько
должно увеличится отставание по фазе выходного сигнала в разомкнутой системе
, что бы замкнутая АСР оказалась на границе устойчивости.

Рис. 5.10 Амплитудно-фазовая характеристика разомкнутой системы.

ГЛАВА 6. КАЧЕСТВО ПРОЦЕССОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ
И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА
Запас устойчивости является необходимым, но недостаточным условием
оптимальности АСР. Процессы автоматического регулирования должны удовлетворять
ряду требований, по степени выполнения которых, судят о качестве АСР. Под
качеством АСР понимают способность системы регулирования отвечать поставленным
требованиям к ней при заданных конкретных ограничениях. Для оценки качества
необходимо иметь конечный продукт работа АСР - переходный процесс.
Существует два способа оценки качества АСР: прямые показатели качества,
интегральные критерии качества.
6.1 Показатели качества
регулирования.
При <рШ=Ш1
При НИМ
Уйых 1
Тр
Рис. 6.11 Переходные процессы АСР.
Для оценки качества АСР используют следующие показатели переходного
процесса (Рис. 6.11):
• максимальное динамическое отклонение или ошибка регулируемого параметра
У1вых от заданного.
• максимальное отклонение или ошибка регулируемого параметра в
установившемся режиме работы - статическая погрешность (ошибка) регулирования А .
• время регулирования - Т , определяемое от начала переходного процесса до
"1
У ист
Г. ^!

зд .
момента, когда разность У\~Увых в установившемся режиме будет меньше
заданной статической погрешности (ошибки) А.
Ух ~Уъ
• степень затухания регулируемой величины у/ = - отношение двух ампли-
Ух
туд переходного процесса одного направления к первой из них по ходу
процесса .
Уг
• перерегулирование s = — -отношение второй амплитуды переходного процесса
Ух
к первой.
Система регулирования отвечает требованьям качества, если она удовлетворяет
одновременно 3-4 показателям качества в соответствии с их заданными
значениями . Оптимально, если ух - min ; статическая ошибка регулирования в заданных
пределах, затухание интенсивно, время регулирования минимальное.
Интегральные критерии
качества регулирования.
Обобщающим для прямых показателей качества переходных процессов (Рис.6.11)
служит линейный интегральный критерий J - численно равный алгебраической
сумме площадей, заключенных между кривой переходного процесса и осями либо
времени, либо заданного установившегося значения регулируемой величины, при
этом каждая площадь берется со своим знаком (+) или (-).
GO Тр
практически
о о
где Т - время регулирования.
Оптимальный по значению линейный интегральный критерий равен минимальной
сумме площадей. Однако для колебательных переходных процессов с постоянной
амплитудой колебания yeblx(t) алгебраическая сумма площадей между кривой y{t)w
осью времени t будет равно 0, т.е. J=0 для незатухающих процессов,
неприемлемых с точки зрения качества регулирования. Поэтому для оценки качества
колебательных переходных процессов, в том числе слабо затухающих, используют
интеграл от модуля регулируемой величины
т
р
<1 ■ = \y(t)cit
о
В этом случае значение JM не зависит от знака переменной (площадей)
Если имеются трудности в вычислении этого интеграла, то для оценки качества
слабо затухающих переходных процессов используют квадратичный интегральный
критерий
J=\\y(t)]2dt

Интегральные критерии можно использовать для оценки качества переходного
процесса, если известна передаточная функция замкнутой АСР
Качественное регулирование существенно влияет на экономичность и надежность
работы оборудования ТЭС. Значительные по амплитуде и длительности отклонения
Увых от Узд ухудшают показатели экономичности и надежности работы
оборудования, например, увеличение температуры перегретого пара может привести к
повреждению труб поверхностей нагрева.
Кратковременное, но значительное по величине отклонения увых могут привести
к повреждению оборудования.
Незначительные, но длительные и систематические отклонения увых от узд могут
привести к ухудшению показателей установок.
Таким образом, экономичность, надежность, срок службы учтановок тесно
связаны с качеством работы АСР, о котором судят по виду переходного процесса,
показателям и критериям качества регулирования.
если

ГЛАВА 7. ЗАКОНЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ
В АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Законом регулирования называется математическая зависимость между
положением регулировочного органа системы и сигналом, поступающим на вход
регулятора • Хрег = f(Xex )
7.1 Функциональная
схема регулятора.
Функциональная схема регулятора (Рис.7.1) состоит из следующих элементов
«/>"
Л'
1
1
1
Рис. 7.1 Функциональная схема регулятора. Д - датчик; ЗД - за-
датчик; ИБ - измерительный блок; КУУ - командно-усилительное
устройство; ИМ - исполнительный механизм; УОС - устройство
обратной связи; РО - регулировочный орган.
Датчик (Д) - первичный прибор, который служит для измерения регулируемой
величины УebVSf) и преобразования ее в сигнал Увх , поступающий на
измерительный блок (ИБ) . В качестве измерительных устройств теплотехнических первичных
приборов используется термопары, термометры сопротивления, манометрические
пружины и мембраны, дифманометры и др.
Преобразование сигнала регулируемой величины Увых в Увх осуществляется с
помощью специальных преобразователей, для их унификации. При этом
унифицированный сигнал рассчитан на многократное использование в нескольких приборах и
регуляторах одновременно. Применение датчиков с унифицированным выходным
сигналом предусматривается государственной системой приборов, например, 0-5мА ,
\-5мА , 0-20мА , 4-20мА , 0-105 для электрических сигналов, 0,02-0,1М77а для
пневматических и 0,05 - 0,25МПа для гидравлических сигналов.
Требования к датчикам промышленных регуляторов:
1) направленность действия - изменение выходного сигнала датчика не должно
оказывать действие на значение входного сигнала;
2) высокая чувствительность и малая инерционность;
3) Линейность статической характеристики;
4) высокая надежность - отказ в работе может привести к отказу и ложным
срабатываниям АСР.

Датчики устанавливаются непосредственно на объектах регулирования, часто
находясь в контакте с измеряемой средой, поэтому они должны обладать высокой
устойчивостью к термическим и механическим воздействиям, вибрации и коррозии.
Задатчик ручного управления (ЗД) - предназначен для формирования сигнала,
соответствующего заданному значению регулируемой величины. Его выходной
сигнал так же формируется унифицированным, как и выходной сигнал датчика.
Например, если датчик имеет на выходе напряжение постоянного тока, то и с выхода
задатчика должно поступать напряжение постоянного тока.
Конструктивно задатчик может быть встроен в ИБ регулятора или установлен
отдельно на щите управления.
Требования к задатчикам: высокая стабильность выходного сигнала,
достаточный диапазон изменения сигнала, позволяющий компенсировать постоянную
составляющую регулируемой величины.
Композиционно структура регулятора определяется наличием следующих
элементов :
• измерительный блок (ИБ), на который поступают сигналы от датчика
регулируемого параметра и задатчика. В ИБ происходит сравнение этих двух
сигналов , их алгебраическое суммирование;
• командно-усилительное устройство (КУУ), предназначенное для усиления
выходного сигнала ИБ до значений, необходимых для управления
исполнительным механизмом;
• устройство обратной связи (УОС) - внутренняя отрицательная обратная
связь для стабилизации процесса регулирования. Сигнал на УОС поступает
либо от КУУ, либо от исполнительного механизма;
• исполнительные устройства регуляторов (ИМ), предназначенные для
перемещения регулировочных органов, с которыми они сочленены посредством
механической передачи.
Формирование законов регулирования осуществляется на основе статических и
динамических свойств трех элементов регулятора: КУУ, УОС и ИМ, при этом
стремятся реализовать законы регулирования так, чтобы их описание стало возможно
линейными дифференциальными уравнениями.
7.2 Законы регулирования.
К числу часто реализуемых законов регулирования относят:
1. пропорциональный закон регулирования, П-закон;
2 . интегральный закон, И-закон;
3. пропорционально-интегральный закон, ПИ-закон;
4. пропорционально-дифференциальный закон, ПД-закон;
5. пропорционально-интегрально-дифференциальный закон, ПИД-закон;
Действие регулятора всегда направленно в сторону противоположную отклонению
регулируемого параметра, поэтому в уравнениях, описывающих законы
регулирования, регулирующее воздействие в сторону объекта регулирования всегда со
знаком действия, противоположным отклонению регулируемой величины.

Пропорциональный закон регулирования, П-закон.
Уравнение закона регулирования х рег — к рхвх (7-1)
В этом случае каждому значению входного параметра хвх соответствует
определенное положение регулировочного органа %рег . Регулятор, реализующий П-закон
регулирования, называется П-регулятором.
Передаточная функция регулятора W(p)= кр . (7-2)
Статическая характеристика пропорционального регулирования (Рис. 7.2)
Хвх
Рис. 7.2 Статическая характеристика.
X
х„„
- коэффициент передачи (усиления) регулятора
Для замкнутой АСР, состоящей из ОР и П - регулятора, характерно наличие
остаточного отклонения регулируемой величины или ошибки, по окончанию процесса
регулирования.
8 -
коэффициент неравномерности или статизм регулирования для П-регу-
лятора, определяет величину погрешности регулирования в установившихся
процессах .
Динамическая характеристика П-регулятора. (Рис. 7.3)

Хдх ,
О
Хрег {
Хрег = ар X', Хрег ■ -- КрХг<-<
t
о
Рис. 7.3 Динамическая характеристика П-регулятора.
Динамическая характеристика АСР с П-регулятором (Рис. 7.4).
, У дых
(р ^
кГ t
Л ^
Рис. 7.4 Переходные процессы в АСР с П-регулятором при
управляющем (1) и возмущающем (2) воздействии.
Настроечным параметром П-регулятора является 8 - его коэффициент
неравномерности. При настройке устанавливают допустимые отклонение регулируемого
параметра от заданного значения в статике - погрешность регулирования.
Достоинство П-регуляторов - динамичность; регулятор вступает в действие
сразу после получения сигнала на его вход. Недостатком регулятора является
наличие ошибки регулирования в статике. От ошибки не избавится, так как
статическая характеристика П-регулятора имеет наклон, величина которого зависит
от коэффициента неравномерности о .
Интегральный закон регулирования, И-закон.
dx
рег _ j
Уравнение закона регулирования — кихех (7-3)
at
Проинтегрировав уравнение (7.3) получим
00
Хрег =ku\XeX(t)dt ,

где ки - коэффициент передачи, характеризующий скорость нарастания сигнала
на выходе после нанесения воздействия хвх .
Передаточная функция интегрального (И) регулятора
W{p) = ^
Р
(7-4)
Другая формула записи И-закона регулирования
к т"
р г
X = —
рег гр
и О
(7-5)
Передаточная функция интегрального (И) регулятора
w(P) = -^r
ТиР
(7-6)
к - условный коэффициент передачи И-регулятора,
Ти - условная постоянная времени интегрирования.
Скоростная характеристика И-регулятора
Aj4 fdXpea]
I \ d I
Рис. 7.5 Скоростная характеристика И-регулятора
Чем больше ки , тем больше угол наклона а при одинаковой величине
воздействия .
Статическая характеристика регулятора (рис.7.6)

Рис. 7.6 Статическая характеристика И-регулятора
Достоинство И-регулятора - отсутствие статической погрешности
регулирования .
Динамическая характеристика И-регулятора (Рис.7.7).
Хбх
2
1
t
Хрег
О
7
Ти
Кр При Хрег =Хбх
Рис. 7.7 Динамическая характеристика И-регулятора
Чем больше по величине сигнал на входе регулятора, тем выше скорость
перемещения регулировочного органа при одном и том же воздействии. Чем больше
кр , тем больше скорость перемещения регулировочного органа.
Пропорционально-интегральный закон регулирования. ПИ-закон.
Преимущества П-регулятора (его динамичность) и И-регулятора (отсутствие в
статике погрешности регулирования) объединены в ПИ - законе и соответственно
в ПИ-регуляторе, когда регулировочные органы перемещаются со скоростью,
пропорциональной величине и скорости изменения входного сигнала поступающего на
ПИ - регулятор.
Уравнение
dxpez(i) =к dx„(t) , к
dt
dt
+ —х (t)
rri ex v /
и
(7-7)

Проинтегрировав уравнение (7.7) , получим (7.8)
к Т"
(7-8)
и О
Передаточная функция для ПИ-регулятора.
W(p) = kp(\ + —)
(7-9)
Динамическая характеристика ПИ-регулятора.
Хисг
(У
Ти
Ти
о
Рис. 7.5 Динамическая характеристика ПИ-регулятора
В замкнутой одноконтурной АСР, состоящей из ОР и ПИ-регулятора отсутствует
остаточная погрешность регулируемого параметра. В то же время при
установившемся значении регулируемого параметра регулирующий орган может занимать
различные положения.
1
Параметры настройки ПИ - регулятора:
к.
и
Г.,
8 '
Пропорционально-дифференциальный закон регулирования, ПД-закон.
П, И, ПИ-регуляторы реагируют только на возникшие нарушения
технологического процесса. Если же регулируемая величина У вых в какой то момент времени
начинает быстро отклонятся от заданного значения, то это значит, что на ОР
поступило значительное воздействие и что отклонение Увых в результате этого
может быть так же значительным.
В этом случае целесообразно, чтобы регулятор вырабатывал регулирующее воз-

действие пропорционально скорости отклонения Увых от У,
зд
С этой целью в состав АСР вводят дифференциатор - устройство, позволяющее
формировать в законе регулирования сигнал, пропорциональный скорости
изменения регулируемой величины (Рис. 7.9).
ЗД
Удь/х
Д-Р
иУг.
'dt
iplt)
Y6x
i
Хдх
р-р
РО
Хрег
Д
Увых
Рис. 7.9 структурная схема ПД-регулятора
Д-Р - дифференциатор, Р-р - П-регулятор
Закон регулирования:
а) для идеального дифференциатора
dxex
JC — /С JC ~г /С _/ -ч
рег р вх р о ^
(7-10)
Передаточная функция ПД - регулятора
W(p) = kp(\ + kpTdp)
(7-11)
б) для реального дифференциатора
х
кдТдР
рег "Р^1 + Тдр
К
(7-12)
Передаточная функция реального дифференциатора
W(p) = k(\ +
кдТдР
kj
д^ д
1 + />
)
(7-13)
_ 1
Здесь к - коэффициент передачи собственно регулятора, к — —
о

kd - коэффицент усиления дифференциатора,
Тд - постоянная времени дифференциатора - время действия дифференциатора.
При отклонении регулируемого параметра на выходе регулятора мгновенно
появляется сигнал от действия дифференцирующего устройства, и затем сигнал от
пропорциональной его составляющей.
В установившемся движении АСР сигнал от дифференциатора спадает до нуля и
остается сигнал П - составляющей, равный хрег = крхвх .
Динамическая характеристика ПД-регулятора (Рис.7.10)
Хбх 1
Хрег
Тд
о
КрКдХбх Д-соскадл
Кр Хбх
П-состадл
7.10 Динамическая характеристика ПД- регулятора
_ 1
Параметры настройки ПД -регулятора ТА . kA . k„ —
Время Тд определяют как время полуспада сигнала напряжения на выходе
дифференциатора от U1 до U2 (Рис. 7.11)
Ц/вх
Рис. 7.11 Изменение выходного сигнала дифференциатора,

U2=0,5Ulf TL
время полуспада сигнала.
Применение дифференциатора сокращает время переходного процесса Т
пп
и
уменьшает первую амплитуду изменения регулируемой величины, что улучшает
динамику регулирования.
Пропорционально-интегрально-дифференциальный, ПИД-закон регулирования.
Закон регулирования
JC — /с JC ~\ JC ~\ JC
рег р ex m ex л rn ex
Т„Р 1 + ТдР
(7-14)
Передаточная функция ПИД-регулятора
W{p) = k(\ + — +k^-)
р ТиР \ + ТдР
(7-15)
Динамическая характеристика (Рис.7.12)
7.10 Динамическая характеристика ПИД-регулятора
Достоинства ПИД-регулятора: реагирует на отклонение увых и скорость
отклонения увых , статическая погрешность А = 0 , улучшает переходный процесс, сокращая
время переходного процесса, уменьшает амплитудные колебания увых .
Недостаток: сложность настройки регулятора кр Ти . кд . Тд
Наиболее часто применяют П, ПИ,ПИД законы.

ГЛАВА 8. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ В АСР
Назначения исполнительного механизма (ИМ) или сервопривода - перемещение
регулировочных органов объектов регулирования. По виду используемой энергии
делятся на электрические, гидравлические, пневматические. Основные показатели
ИМ: усилие, развиваемой на выходе, максимальный ход поршня (угол поворота
вала) .
Управление ИМ осуществляется через командно-усилительное устройство
регулятора либо в ручную или дистанционно.
В зависимости от режимов работы исполнительные механизмы подразделяются на
ИМ с постоянной скоростью, ИМ с переменной скоростью, ИМ с пропорциональной
скоростью перемещения выхода устройства (вала, поршня)
8.1 Исполнительные механизмы
с постоянной скоростью.
К ним относят ИМ, у которых скорость не зависит от величины управляющего
сигнала.
dx
Уравнение движения Те—^ = ±1(0 (8-1)
at
Передаточная функция WHM(p) = , (8-2)
TsP
где Ts - время действия ИМ.
Скоростная характеристика ИМ (Рис. 8.1)
ХгУ
Xрог шах
Xs* = f/t/
Хоегш
Рис. 8.1 Скоростная характеристика.
х'рег - скорость перемещения выходного устройств ИМ.
Динамическая характерисика (Рис. 8.2)

Xppz
КХАь,
t
Рис. 8.2 Динамическая характеристика ИМ.
1,2 - величины выходного воздействия
Здесь скорость перемещения выходного устройства ИМ не зависит от величины
тг 1
воздействия. V =— - скорость перемещения выходного устройства ИМ.
^с
Для реальных ИМ с постоянной скоростью скоростная характеристика имеет зону
нечувствительности пускового устройства Ам (Рис. 8.3).
Хрег
1
Лн/2
Хвх
Лн
Рис. 8.3 Скоростная характеристика реального ИМ.
В качестве пускового устройства используется, как правило, электромагнитные
устройства, как-то магнитные пускатели или электромагнитные реле.
Электрический ИМ может находится в 3-х состояниях:
• вращение ротора с постоянной скоростью в направлении (+);
• неподвижность;
• вращение ротора в направлении (-) - в противоположном (+) направлении.

Применение пусковых устройств усложняет характеристику ИМ, т.к. гистерезис-
ные явления в магнитных цепях приводят к появлению зон возврата Ав , при этом
А
ИМ отключаются при несколько меньших значениях входного сигнала хех = - Ае ,
чем при включении.
Функциональная схема промышленных регуляторов с нелинейным элементом в
прямом канале усиления представлена на Рис. 8.4.
<Р
Увх
Хех
ИБ
КУУ
РЭ
Хрэ
УСС
им
Хрег
Рис. 8.4 Функциональная схема регулятора с релейными элементами.
УОС - RC-цепочка, инерционное звено tozo порядка, РЭ - реальный элемент (3-х
позиционное реле).
Статическая характеристика 3-х позиционного реле (Рис. 8.5). Здесь х -
выходной сигнал КУУ, входящий на релейный элемент,х - выходной сигнал РЭ - на
ИМ и УОС.
Лв
Хрэ
Лв
Лн/2
-X-
Ан
-X-
-X-
вх
Рис. 8.5 Статическая характеристика трехпозиционного реле.
Ам-зона не чувствительности (——полузона), Ае - зона возврата

Таким образом, характеристики ИМ с постоянной скоростью перемещения
выходного устройства, включающего пусковое устройство, является существенно
нелинейной, и всякая линейная аппроксимация статической характеристики приводит к
качественным отличиям в работе реальной АСР от идеальной.
Регуляторы такого состава относятся к релейно-импульсным автоматическим
регуляторам, и режим его работы называется релейно-импульсным. Однако
статическая характеристика регулятора может быть близка к линейной.
При подачи на вход ИБ релейно-импульсного регулятора ступенчатого сигнала
увх (например, перемещением ручки задатчика) сигнала на выходе КУУ будет
иметь значение ху = кухвх . При превышении этим сигналом зоны нечувствительности
А
прямого хода трехпозиционного реле ху > — , в момент времени t = О произойдет
включение реле, и ступенчатый сигнал хрэ через пусковое устройство, включит
ИМ, который начнет перемещаться с постоянной скоростью У =—. Одновременно
^с
сигнал хт поступит на вход УОС.
ИМ с постоянной скоростью находят широкое применение в АСР, в т.ч. на базе
электрической ветви средств автоматизации.
Их достоинства: простота в эксплуатации, удобства монтажа и наладки,
отсутствие ограничений пространственного расположения, высокая скорость передачи
информации.
На базе электрических двигателей трудно построить компактный ИМ большой
мощности.
8.2 Исполнительные механизмы
с переменной скоростью.
с1хрег
Уравнения движения
Тс = kxex, (8-3)
at
где Тс- время полного хода выходного устройства-сервопривода.
к
Передаточная функция W{p) = — (8-4)
ТСР
к- размерный коэффициент передачи.
К числу исполнительных механизмов с переменной скоростью относятся
гидравлические ИМ.
Скоростная характеристика (Рис. 8.6)

t
Су
Рис. 8.6 Скоростная характеристика ИМ с переменной скоростью.
Динамическая характеристика (Рис. 8.7)
Хбх
2 КХь
1
кх> t
Xpez
2
Рис. 8.7 Динамическая характеристика.
Скорость перемещения выходного устройства зависит от величины сигнала на
вход ИМ.
Достоинства ИМ с переменой скоростью в том, что они позволяют надежно и
просто реализовать преобразование управляющих сигналов в перемещение
регулировочных органов, осуществляемой с большой скоростью и мощностью.
Недостатками этих ИМ является то, что гидравлические системы требуют
тщательной герметизации линий связи, кроме того, необходимо иметь специальные
емкости для хранения рабочей жидкости.
Исполнительные механизмы с
пропорциональной скоростью.
Уравнение движения 7 — т (8-5)
at at
Проинтегрировав (8.5) получим %рег = ^вх .

Передаточная функция W(p)=к
(8-6)
Скорость движения выходного устройства пропорциональна скорости входного
сигнала ИМ.
Статическая характеристика ИМ с пропорциональной скоростью (Рис. 8.8)
X ■ •
Хг
Х--
Рис. 8.8 Статические характеристики ИМ с пропорциональной скоростью.
а) идеального, б) реального, где Ам- зона нечувствительности.
Динамическая характеристика (Рис. 8.9)
Xpt
Хз
Ох
2
Рис. 8.9 Динамическая характеристика ИМ с пропорциональной скоростью.
К числу ИМ с пропорциональной скоростью перемещения выходного устройства
относятся: пневматические сервоприводы, мембранные ИМ с уравновешивающей
пружиной. Верхняя ветвь пневматических АСР строится на электрических элементах.
Достоинствами ИМ с пропорциональной скоростью является надежность в работе.
Недостатками: необходимость применения специальных компрессорных установок
питания с устройствами для очистки воздуха, относительно малая скорость
передачи и преобразования информации.
Общим недостатком сервоприводов всех перечисленных выше исполнительных
механизмов является разгон и выбег выходного вала или поршня, связанные с
инерционностью вращающихся или движущихся масс. Разгон выходного устройства
характеризуется временем разгона At
бега
2
обычно At невелико (Рис.
выбег - временем выбега - Ate или полувы-
8.10) .
На долю выбега приходится наиболее существенное дополнительное перемещение
регулирующего органа хрег после снятия управляющего сигнала. Выбег
сервопривода может существенно искажать динамические характеристики регулятора. Для
устранения выбега предусматривается специальные тормозные устройства (механи-

ческие, электрические, электромагнитные).
Рис. 8.10 Характеристика «выбега» сервопривода.
Требования к сервоприводам промышленных регуляторов. Сервоприводы
промышленных регуляторов должны иметь:
• некоторый запас мощности по отношению к максимальному перестановочному
усилию ~25%, чрезмерный запас мощности экономически не выгоден,
• минимальный выбег Ate , Отсутствие «мертвого хода» или зона
нечувствительности должна быть минимальна,
• реверсирование хода, т.е. возможность изменения направления движения
сервопривода в зависимости от знака управляющего сигнала.

ГЛАВА 9. РЕАЛИЗАЦИЯ ЗАКОНОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ
Основными элементами регулятора, формирующими законы регулирования,
является командно-усилительное устройство (КУУ), устройство обратной связи (УОС) и
исполнительный механизм (ИМ). При этом обратная связь может охватывать только
КУУ либо КУУ и ИМ. В реальных АСР применяют ИМ, которые обладают
характеристиками интегрального или пропорционального звена.
Если ИМ является звеном пропорционально действия, то с его использованием
может быть реализован любой линейный закон регулирования.
На базе ИМ с характеристиками интегрального звена также может быть
реализованы различные зоны регулирования, но только при помощи выбора
соответствующих характеристик УОС.
Возможные варианты реализации законов регулирования определяются в
зависимости от структурирования регулятора (Рис. 9.1).
а! 51
П- У». .. ,, , Хр
Щ - Wum\ ' - ,ьл . - щ \ Wum
Woe 1 Woe '
Рис. 9.1 Структурные схемы для реализации законов регулирования.
W - передаточная функция КУУ, WUM- передаточная функция ИМ, Woc -
передаточная функция УОС.
9.1 Регулятор пропорционального
действия, П-регулятор.
Уравнение закона регулирования хрег=^регХвх (9-1)
Передаточная функция П-регулятора Wpe2=kpe2 (9-2)
Устройство внутренней обратной связи охватывает ИМ (Рис. 9.1,а)
Передаточная функция для данной структуры регулятора
w = у- -
рег \+WW W
у им ОС
(9-3)
Принимаем, что КУУ - пропорциональное звено с коэффициентом усиления Ку»1,
Так как передаточная функция КУУ Wy =ку г при том, что k »1 г получим
передаточную функцию регулятора

или Wpez - крег - ттг (9-5)
Следовательно Woc— — 8 (9-6)
С - -I .5С*
о - статизм регулятора, определяющий отклонение Увых от увых в равновесном
режиме АСР.
Таким образом, для формирования П-закона регулирования устройство обратной
связи П-регулятора должно иметь характеристики пропорционального звена вне
зависимости от характеристик ИМ. Такая внутренняя обратная связь называется
безинерционной или жесткой обратной связью.
В случае если обратная связь не охватывает ИМ (Рис. 9.1,6) передаточная
функция П-регулятора будет:
W
W = W <Q-1\
рег x + ww им
у ОС
При том же условии что к »1
Передаточная функция П-регулятора имеет вид.
Ц/ = — .Ц/ ,Q о*
рег jy- "им I» о)
ос
Если исполнительный механизм с пропорциональной скоростью перемещения
выходного устройства, т.е. его передаточная функция
Wm=KUM, (9-10)
WpeS= — -kuM (9-lD
Тогда крег - ^— -ким (9 -12)
ОС
Отсюда Woc = -J- • ким = 8kUM . (9-13)
крег

Следовательно, при ИМ с пропорциональной скоростью внутренняя обратная
связь должна быть без инерционной (жесткой) обратной связью.
Если исполнительный механизм имеет характеристики интегрального звена, то
его передаточная функция
к
Wuu=lf- (9-14)
ТиР
При этом передаточная функция регулятора:
w - 1 *-
рег
W Т р
ос иг
Так как передаточная функция П-регулятора Wpez = крег г то
к -J_.A_
рег woc тиР'
(9-15)
(9-16)
а значит передаточная функция УОС
1 К _дки
Woc--1 ----- (9-17)
кРег ТиР ТиР
Следовательно, УОС должно иметь характеристики интегрального звена. Такая
внутренняя обратная связь называется гибкой обратной связью.
9.2 Пропорционально-интегральный
регулятор, ПИ-регулятор.
к
Уравнение закона регулирования хрег = крег (1 + j, " )Хвх (9-18)
иР
Передаточная функция Пи-регулятора "рег ~ j, (9-19)
иР
Если внутренняя обратная связь охватывает исполнительный механизм (Рис.
9.1,а), то передаточная функция ПИ-регулятора
w = у
рег
\ + WW W
"у" им ОС
(9-20)
при тех же условиях
Wy — ку ; ку 1 получаем в результате

w.
1
Р*г- , (9-21)
jjr рег v и иг / J-
Wpea = = — , (9-22)
а значит, передаточная функция УОС будет:
Т 1
Woc = "fL =— (9-23)
Таким образом, устройство обратной связи должно иметь характеристики
реального дифференцирующего звена. Такая внутренняя обратная связь называется
гибкой обратной связью и реализуется вне зависимости от типа ИМ:
Если внутренняя обратная связь не охватывает ИМ (Рис. 9.1, б), то
передаточная функция ПИ-регулятора будет
W
w^ = —у-—ж
X + WW
у ОС
Рег 1 , иг иг " им i (9-24)
при принятых ранее условиях: W — ку • ку » l /
получим ^рег ~ ~РР ^им , (9~25)
ОС-
Допустим исполнительный механизм с пропорциональной скоростью, его
передаточная функция
W =К (9-26)
им им * '
. Jpez(K + TuP) = 1
рег г., ,,, им i
р W
иг ОС
(9-27)
а передаточная функция УОС
W КмТиР _ ^имТиР
Woc-~1 п ^т \ гу~т (9-28)
крег(ки+ТиР) ТиР
Следовательно, УОС должно быть реальным дифференциальным звеном. Такой ПИ-
регулятор называется регулятором с упругой обратной связью или изодромным.
Если исполнительный механизм будет с характеристиками интегрального звена,
т.е. ИМ с переменной скоростью, то его передаточная функция

а передаточная функция ПИ-регулятора:
Wpes = ' m (9-30)
следовательно, передаточная функция УОС
W = ^ ^- (9-31)
крег(ки+ТиР) ТиР '
что соответствует
// , гр ч , (9-32)
т.е. передаточной функции апериодического звена. Таким образом, внутренняя
обратная связь является инерционной жесткой обратной связью.
9.3 Выбор типа регулятора.
Во многих случаях возможность выбора регулятора по виду реализуемого в нем
закона регулирования ограничена, поскольку большинство систем регулирования
предназначено для автоматической стабилизации параметров при весьма
ограниченном диапазоне их допустимых отклонений. Выбор закона регулирования
осуществляется в зависимости от сложности ОР и требований к точности поддержания
регулируемой величины.
В тех случаях, когда допускаются относительно большие колебания
регулируемого параметра, целесообразно устанавливать простейшие релейно-
пропорциональные регуляторы, работающие по принципу «открыто - закрыто» и
реализующие Рп-закон регулирования.
Р„- регуляторы выполняются на базе измерительных приборов (стрелочных,
самопишущих) , снабженных контактным устройством, усилителем мощности входного
сигнала и регулирующей приставкой, которая управляет электромагнитным
приводом регулировочного органа.
При наладке этих регуляторов важно соблюдать одно требование Ду^ — ДУеых •
То есть максимальное отклонение или ошибка регулируемого параметра в статике
не должно быть больше допустимой. Для обеспечения этого условия пропускная
способность регулирующего органа при его открытии должна превышать
максимально возможное возмущение по нагрузке. Такой способ регулирования называется
двухпозиционным - по числу позиций, которые может занимать регулировочный
орган. При этом динамические процессы регулирования имеют колебательный
характер .

Статическая характеристика Р„-регулятора представлена на Рис.9.2.
Хрег макс
Хбх
Хрег мин
Рис. 9.2 Статическая характеристика Рп-регулятора.
Динамическая характеристика Рп-регулятора имеет вид (Рис 9.3).
Хрег
ъ/х
t
Рис. 9.3 Динамическая характеристика Рп-регулятора.
При более жестких требованиях к автоматической системе регулирования,
например, при недопустимости автоколебательных режимов, возникающих в системах
с позиционными ^„-регуляторами, целесообразно проверить возможность
установки П-регуляторов. Основанием для установки П-регулятора на объекте с само-
выравниванием служит следующее неравенство
уст
еопт ^ У вых \
ос - д доп )f
вх v уст 7
У вых
о опт
где Оое -численное значение оптимальной степени обратной связи регулятора,
-, ,Уст
численное значение которого определяется расчетом; увЬ1Х - установившееся
значение регулируемой величины, определяется по кривой переходного процесса;
ДУвыж - максимально допустимые по условиям технологического процесса или
безопасной работы объекта остаточное отклонение регулируемой величины или ошибка

регулирования; Хех - максимально возможное ступенчатое возмущающее воздействие
по нагрузке или эквивалентное возмущению воздействие со стороны
регулировочного органа.
Для ОР без самовыравнивания П-регулятор устанавливается при условии, что
А доп
gonm ^ '—У вых
X
вх
Если Рп и П-регуляторы не удовлетворяют требованиям обеспечения качества
регулирования, то применяют регуляторы, в которых реализуется более сложные
законы регулирования.

ГЛАВА 10. НАСТРОЙКА РЕГУЛЯТОРОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ
Настройка регуляторов выполняется в два этапа. Первый этап - статическая
настройка, второй этап - динамическая настройка.
10.1 Статическая настройка.
Цель статической настройки - установить точность поддержания заданного
значения регулируемой величины в установившемся режиме. В объем статической
настройки входят следующие операции:
• балансировка измерительного блока регулятора, которая выполняется
совместно с настройкой датчиков таким образом, чтобы выходной сигнал схемы
после ИБ был равен нулю при заданном значении измеряемого параметра;
• фазировка сигналов, при этом включение регулятора в строну «меньше»
должно приводить к прикрытию регулировочного органа и наоборот,
включение в сторону «больше» к их открытию;
• обеспеченье статической точности регулирования, задаваясь значением
допустимого изменения регулируемой величины. Обычно принимают, что Зона
нечувствительности регулятора в единицах регулируемого параметра, должна
составлять половину допускаемого отклонения этого параметра;
• настройка статического соотношения параметров, которая должна
обеспечивать правильное соотношение регулируемых параметров регулирования на
входе в КУУ в любой точке регулируемого диапазона АСР;
• отстройка от пульсаций сигналов, выполняемая для стабильной работы
регулятора. Значение измеряемых параметров в АСР, например, расхода и
давления жидкостей, газов и уровней в сосудах обычно пульсирует. Это
приводит к тому, что в сигналах датчиков таких параметров содержатся
случайные колебания - пульсации сигналов. На практике принято считать работу
регулятора стабильной, если при отсутствии возмущающих воздействий на
объект регулирования регулятор включается под действием самопроизвольных
изменений регулируемой величины не более 3-4 раз в минуту;
• определение диапазона действия задатчика. Его выбирают по технологически
возможному и допустимому диапазону изменения выходной регулируемой
величины.
10.2 Динамическая настройка.
Целями динамической настройки является, во-первых, обеспеченье устойчивости
работы АСР, во вторых, получение приемлемого качества переходных процессов.
Обычно настройка рассчитывается для одного из каналов воздействий, по
которому регулирование является наиболее чувствительным и может обеспечить
компенсацию возмущений, поступающих на объект регулирования по другим каналам.
Параметры динамической настройки могут быть получены различными методами,
которые условно можно разделить на две группы: экспериментальные и расчетные
методы.
Основное преимущество экспериментальных методов в том, что параметры
настройки регуляторов определяются непосредственно на действующем оборудовании.
Расчетные методы в некоторых случаях позволяет уменьшить время,
затрачиваемое на настройку системы. Расчет настроек предусматривает определение числен-

л1
^ i Е-ч
5"
+
II
VI
^ i Е-ч
VI
сч
о
5"
+
5"
II
II
СМ
сч
о
I
о
II
^ i Е-ч
00
1/0
1/0
+
Е-н
сч
сч
о
I
о
+
^ i Е-ч
оо
со
о"
оо
о
о
I
^ Е-ч ^
сч
см
^ i Е-—| сл
см
is. | Е-ч
см
о"
Е^
1/0
сч
о"
I
1/0
Е-ч
i/o
Е^
i/o
сч
о"
I
1/0
сг
Е-ч
i/o
1/0
сч"
Е^
i/o
сч
о"
I
1/0
го
сч"
I
1/0
I
сч"
I
1/0
I
сч"
I
1/0
о"
I
(с
S
о
л
Ен
и
ф
i?
о
О
о
о *
л
Е^ Е-ч"

ных значений параметров настройки регуляторов, обеспечивающих достижение
требуемого качества регулирования: минимальные динамические и статические
погрешности в процессе регулирования, минимальное время регулирования или же
минимум линейного (квадратичного) интегрального показателя переходного
процесса в замкнутой АСР.
Настройка, обеспечивающая достижение требуемого качества регулирования и
удовлетворяющая принятым ограничениям по перемещению регулировочного органа,
считается оптимальной.
Исходными данными для расчета настроек служат динамические, в частности,
разгонные характеристики объектов регулирования, получаемые при регулирующем
воздействии на объект регулирования со стороны регулировочного органа.
При графической обработке переходных (разгонных) характеристик определяются
следующие динамические параметры объекта: коэффициент усиления К, постоянную
времени Т, время запаздывания т, отношение т/Т, коэффициент
пропорциональности интегрирующего звена Ки = К/Т для объекта без самовыравнивания.
Для определения настроек регулятора по найденным величинам рекомендуется
расчетные формулы (Табл. 10.1) для настроек параметров регулятора при
реализации тех или иных законов регулирования: Кр и 8, Ти и Тд. Приведенные в
таблице 10.1 настройки рассчитаны на степень затухания ф=0,75 и минимум квадра-
линейных АСР.
Формулы для расчета настроек являются приближенными, и требуется
экспериментальная проверка полученных значений настроек на моделях или в условиях
промышленной эксплуатации АСР.
Существуют также полуэкспериментальные методы, в которых количество
расчетов настройки сведено к минимальному. Это метод «раскачки» разомкнутой АСР и
метод выведения замкнутой АСР на границу устойчивости. Расчетные формулы для
настроек регуляторов приведены в таблицах 10.2 и 10.3 соответственно.
тичного интегрального критерия
для процессов регулирования
в
Т
и
Рис. 10.1 Обработка кривых для определения параметров модели.

Хвх
OP
Увых
к
у
1)
X ' ед.возмущ.
т _ Ъ
j, у уст
Таблица 10.2
Расчетные формулы настройки регуляторов при раскачке АСР
Автор
ОР с самовыравниванием
ОР без само-
выравнивания
ПИ-регулятор
П-регулятор
П-регулятор
Кр
Ти
Кр
Кр
Ротач В.Я.
-
-
-
0,1 —К
кр
Рубашкин
А.С.
1 Фкр тг/
IT*'
кр
Ткр(0,2 + 0,06К0^К'р)
кр
0,5^ К'
' у р
кр
-
К1 - устанавливаемый на время опыта коэффициент П-регулятора
Хвх
У дых
Xt
X
Увых
[1%
ОР

Таблица 10.3
Расчетные формулы настройки регуляторов при выведения АСР на границу
устойчивости
Автор
ОР с самовыравниванием
ОР без само-
выравнивания
ПИ-регулятор
П-регулятор
П-регулятор
Кр
Ти
Кр
Кр
Ротач
В.Я.
-
-
-
0,55#
Ркр
Рубашкин
А.С.
ч
Ткр(0,2 + 0,06К0Кркр)
0,5КР
-
Кр - коэффициент усиления регулятора, при котором получены критические
колебания . /л - перемещение регулировочного органа, %.

ГЛАВА 11. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
Электрические средства автоматического регулирования широко используются в
отраслях промышленности. К числу достоинств этих средств относятся: простота
энергоснабжения; возможность преобразования регулируемых величин различной
физической природы в электрический сигнал и передачи его на значительное
расстояние; возможность формирования разнообразных алгоритмов функционирования с
широким диапазоном изменения параметров настройки регуляторов; удобство
централизации управления технологическими процессами; возможность построения
сложных систем управления, в том числе многоуровневых с использованием ЭВМ,
реализованных в АСУ ТП.
Электрические средства автоматизации в своем развитии насчитывает четыре
поколения. При их эволюции произошли значительные изменения в электронной
базе, конструктивном исполнении, функциональном составе, технологических
характеристиках и сигналах связи.
Первое поколение электрических средств автоматизации характеризуется
применением электронных ламп для усиления и преобразовании сигналов,
использованием индивидуальных измерительных приборов с естественным (не унифицированным)
сигналом связи. Основным типом регулирующих приборов первого поколения были
РПИБ - регулирующий прибор импульсного действия с бесконтактным выходом и
РПИК - тот же прибор, но с контактным выходом.
Второе поколение электрических средств автоматизации отличается применением
полупроводниковых элементов и переходом к блочно-модульному принципу
конструирования приборов с унификацией корпусов отдельных блоков и
преимущественным использованием унифицированных сигналов связи, главным образом токового
сигнала 0-5 мА.
В схеме регулирующих приборов этого поколения аппаратура серии РП-2 Чебок-
саркского завода электрических исполнительных механизмов и комплекс блоков
под общим названием «КАСКАД» Московского Завода тепловой автоматики.
Третье поколение характеризуется использованием в качестве элементной базы
интегральных микросхем. Это «в частности» агрегатный комплекс электрических
средств регулирования «АКЭСР».
К четвертому поколению электрических средств автоматизации относится
программируемые регуляторы с автоматической переменной настройкой в зависимости
от свойств объекта регулирования «ПРОТАР», «РЕМИКОНТ». В их числе системы
приборов автоматического регулирования «РЕМИКОНТ» и «ПРОТАР».
11.1 Электрическая унифицированная
система приборов автоматического
регулирования «КАСКАД».
Конструктивно структурная схема системы «КАСКАД» состоит из: измерительного
и нормирующего блоков, функциональных и регулирующих блоков, исполнительных
механизмов, оперативных и вспомогательных устройств. (Рис. 11.1)

1 1
7/
4М
1
М1П
МТБ
ч
У1П
<
Рис. 11.1 Функциональная структурная схема системы «КАСКАД»
Входные сигналы поступают от первичных измерительных преобразователей
(датчиков) с унифицированными токовыми сигналами 0-5 мА.
От датчиков с не унифицированными токовыми сигналами сигналы подаются на
преобразователи, которые преобразуют их в унифицированные сигналы.
Унифицированные токовые сигналы, пропорциональные значениям регулируемой
величины, могут поступать на вход соответственно функциональных блоков,
измерительного блока или непосредственно на регулирующие блоки Р-21 и Р-12.
По своему функциональному назначению все устройства, относящиеся к
аппаратуре «КАСКАД», делят на следующие группы: статического преобразования
информации; динамического преобразования информации; оперативного управления;
исполнительные механизмы; вспомогательные устройства.

Устройства статического
преобразования информации.
Функциональные блоки.
Блок суммирования А-04 - обеспечивает суммирование 4-х токовых сигналов 0-
5мА, выдача результата также в виде токового сигнала 0-5мА. Блок умножения А-
31 - выполняет операции умножения двух сигналов. Блок деления двух токовых
сигналов 1вых = — , блок А-32. Блок извлечения корня А-33 - выполняет операцию
извлечения квадратного корня в соответствии с зависимостью 1вых = у]51вх . Блок
ограничения Н-02 - предназначен для применения в схемах автоматического
регулирования в качестве устройства, обеспечивающего ограничение токового сигнала
по минимуму и максимуму. Блок аналого-релейного преобразования Л-02 -
реализует характеристику 2-х позиционного реле с зоной возврата. Используется в
схемах синхронизации хода двух исполнительных механизмов и других схемах
регулирования. Блок нелинейных преобразований БНП-04 - предназначен для
воспроизведения статической функциональной зависимости Ieblx=F{Iex) с помощью
кусочно-линейной аппроксимации из шести участков. Блок дифференцирования Д-01 -
реализует передаточную функцию. Используется обычно в каскадных системах
регулирования (регулирования температуры и давления пара). Блок динамического
преобразования Д-03 - обеспечивает реализацию передаточной функции одного из
следующих звеньев: реального дифференцирующего звена; идеального
дифференцирующего звена; апериодического, интегрирующего и пропорционального звена.
Особенностью блока является возможность дистанционного дискретного изменения
коэффициента передачи и постоянной времени этих звеньев.
Измерительный блок И-04 осуществляет суммирование четырех токовых сигналов
0-5 мА. Служит для формирования сигнала рассогласования между сигналом
задания входным и выходным сигналами.
Устройства динамического
преобразования информации.
Регулирующий блок аналоговый Р-12 - обеспечивает формирование выходного
сигнала постоянного тока 0-5 мА, связанного с входными сигналами
пропорциональным (П), пропорционально-интегральным (ПИ), и ПИД законом регулирования и
имеет ограничитель выходного сигнала по min и по max, а также обеспечивает
сглаживание (демпфирование) пульсаций входных сигналов.
Регулирующий блок релейный Р-21 служит для формирования импульсов
управления электрическими ИМ постоянной скорости, в комплекте с которыми
обеспечивает ПИ закон регулирования.
Устройства
оперативного
управления.
Устройство задающее потенциометрическое ЗУ-11 предназначено для
оперативного изменения задающего значения регулируемой величины с пульта управления.
Устройство, задающее токовое ЗУ-05 - обеспечивает формирование задания в виде
унифицированного токового сигнала 0-5 мА с ручным управлением. Применяется в
I
2

тех случаях, когда в системе регулирования отсутствует измерительный блок и
требуется распределение сигнала задания нескольким потребителям. Блок
управления аналогового регулятора БУ-12 - предназначен для переключения выходных
цепей регулирующего блока Р-12 с автоматического регулирования на ручное и
обратно. Блок управления релейного регулятора БУ-21 - позволяет реализовывать
следующие функции:
• переключение цепей управления ИМ постоянной скорости при работе его в
комплекте с релейными регулирующим блоком Р-21 с возможностью установки
трех режимов: автоматического управления;
• ручного управления, внешнего управления с блочного щита управления
(БЩУ) . Блок селектирования БСЛ-04 обеспечивает выделение нпибольшего и
наименьшего токового сигнала.
Исполнительные
устройства
и механизмы.
В соответствии с двумя разновидностями регулирующих блоков Р-21 и Р-12 в
системе «КАСКАД» имеется два вида усилителей мощности: для усиления
аналогового сигнала 0-5мА и дискретного сигнала 0-24 В.
Аналоговый усилитель мощности У-252 используется в комплекте с блоком Р-12
и предназначен для управления объектами, требующими непрерывного измерения
электрического сигнала. Релейные усилители мощности используются в комплекте
с релейными регулирующими блоками и электрическими ИМ постоянной скорости.
В системе «КАСКАД» с регулирующим блоком Р-21 ИМ снабжаются пусковыми
устройствами. Пусковые устройства обеспечивают необходимое усиление мощности
управляющих сигналов, поступающих от регулирующего блока, при автоматическом
регулировании или при ручном управлении от оператора.
При использовании электрических исполнительных механизмов постоянной
скорости управляющие сигналы носят характер импульсов одинаковой амплитуды.
Пусковые устройства могут быть контактные и бесконтактные. Каждый тип
пускового устройства рассчитан на работу в комплекте с определенным типом
исполнительного механизма. С ИМ типа МЭОБ (механизм электрический однооборотный
бесконтактный) используется тиристорный усилитель мощности релейного типа У-
101. С ИМ типа МЭО (механизм электрический однооборотный) - пускатель
бесконтактный реверсивный ПБР-2. С ИМ типа МЭОК (механизм электрический
однооборотный контактный) - пускатель магнитный реверсивный ПМРТ.
Контактные пусковые устройства - пускатель магнитный реверсивный
предназначен для управления трехфазным асинхронным электродвигателем переменного
тока мощностью 0,27 кВт, при напряжении 220/380 В, либо электродвигатель
мощностью 0,4-1 кВт типа МЭОК.
Бесконтактные пусковые устройства (ПБР) применяют для бесконтактного
управления электроприводом, используя при этом магнитный или тиристорный
усилитель .
Переход на бесконтактные пусковые устройства связан с недостаточной
надежностью контактных магнитных пускателей. В тиристорном и магнитном усилителях

сигнал, поступающий от регулируемого блока, усиливается до уровня,
достаточного для управления исполнительным механизмом.
В состав ИМ входят: асинхронный электродвигатель (2-х или 3-х фазный),
редуктор, концевые или путевые выключатели, датчики положения, тормозное
устройство, ручной привод.
Электродвигатель с регулятором служит для преобразования электрической
энергии в механическую, достаточную для преодоления сил сопротивления от
действия среды со стороны регулировочных органов.
Концевые выключатели - используются для отключения пускового устройства при
достижении регулировочным органом крайних положений, тем самым, они выполняют
защитные функции.
Путевые выключатели служат для ограничения диапазона перемещения
регулировочного органа в автоматическом режиме.
Датчики положения - формируют сигнал, пропорциональный углу поворота
выходного устройства - вала ИМ. Этот сигнал подается на индикатор положения на
пульте оператора, а так же может быть использован в системе управления в
качестве сигнала обратной связи по положению регулировочного органа.
Тормозное устройство - устанавливается в ИМ для уменьшения выбега выходного
вала в процессе останова электродвигателя.
Ручной привод служит в ИМ для обеспечения возможности перемещения
регулировочного органа при входе из строя пускового устройства.
Параметры сигналов связи регулирующих блоков, пусковых устройств и
исполнительных механизмов стандартизованы, поэтому один и тот же тип исполнительных
устройств может использоваться с различными системами регулирования.
Исполнительные механизмы типа МЭО имеют наибольшее распространение среди
электрических ИМ постоянной скорости в составе релейно-импульсных
регуляторов. МЭО состоит из 2-х фазного асинхронного электродвигателя (типа ДАУ)
многоступенчатого зубчатого редуктора, электромагнитного тормоза и датчика
перемещения. Частота вращения выходного вала редуктора при работе
электродвигателя постоянна, но может меняться путем изменения передаточного
отношения редуктора. Угол полного перемещения выходного вала может устанавливаться
в диапазоне 0-90° и 0-240°. Фрикционная муфта электрического тормоза
расположена на валу электродвигателя и прижата к нему пружиной. При появлении
управляющего сигнала пружина вновь прижимает муфту к валу, при этом разгон и выбег
выходного вала находятся в пределах 0,5-1 градуса.
Исполнительные механизмы типа МЭОК предназначены для контактного управления
электроприводом и перемещения регулировочных органов АСР. В соответствии с
управляющими сигналами, поступающими от регулирующего блока. В корпусе ИМ
размещается тихоходный редуктор с электроприводом и узел ручного привода -
дублера, а так же датчик перемещения с унифицированным токовым выходным
сигналом 0-5 мА и два концевых выключателя.
Исполнительные механизмы типа МЭОБ предназначен для бесконтактного
управления сервоприводом и снабжен электромагнитным тормозом, подключенным парал-

лельно обмоткам статора электродвигателя.
Вспомогательные устройства
системы «КАСКАД».
Блок указателей В-12 содержит два стрелочных индикатора, один из которых
используется для контроля выходного сигнала аналогового регулирующего прибора
Р-12 или в качестве индикатора положения ИМ, а второй для контроля сигнала
рассогласования на входе в Р-12. Блок сигнализирующих приставок В-21,
используемых при работе релейного регулирующего блока Р-21 с магнитным пускателем
ПМР-69.
11.2 Агрегатный комплекс
электрических средств
регулирования «АКЭСР».
«АКЭСР» по сравнению с другими комплексами средств автоматического
регулирования имеет ряд особенностей, основные из которых следующие:
• широкое использование интегральных микросхем специального и общего
назначения, благодаря чему сокращаются габариты отдельных модулей и
обеспечивается высокая надежность устройств.
• повышение функциональности и насыщенности отдельных блоков. Каждый блок
АКЭСР может выполнять обычно несколько функций одновременно, что
приводит к сокращению общего числа блоков в схеме управления. Расширение
функциональных возможностей системы управления, среди которых выполнение
дистанционного изменения параметров динамической настройки параметров
регулирующих блоков.
• выполнение дистанционного и автоматического переключения режима работы
схемы регулирования с помощью блоков управления. Широкий выбор
унифицированных электрических сигналов связи - токовых и напряжения.
Блочно модульный принцип агрегатированного построения «АКЭСР» позволяет
проектировать и применять комплексные АСР практически любой сложности с
различными вычислительными и логическими функциями.
Функциональная структурная схема «АКЭСР». По функциональному назначению
комплекс АКЭСР содержит следующие блоки: кондуктивного разделения,
функциональные , регулирующие, оперативного управления и исполнительные устройства.
Блоки кондуктивного разделения (БКР). БКР образуют группу устройств ввода -
вывода информации. В каждом из 3-х модификаций БКР производится
преобразование токового сигнала (0-5; 0-20; 4-20 мА) в сигнал напряжения (0-10В), а так
же демпфирование (сглаживание) сигнала или дифференцирование с помощью
реального дифференциального звена с постоянной времени Т = 0-24с и коэффициентом
усиления К = 0,5-24. Блок БКР-1 в дополнение к общим функциям выполняет
алгебраическое суммирование 3-х сигналов с масштабированием 2-х из них. Блок
БКР-2 отличается тем, что имеет два независимых идентичных канала, каждый из
которых реализует указанные выше функции.
Блок БКР-3 в дополнение к общим функциям так же обеспечивает двухпредельную
сигнализацию с независимой установкой порогов срабатывания и контактным
выходом. Для ввода сигналов в систему регулирования может применятся та из
модификаций БКР, которая в большей степени отвечает функциональной структуре схе-

мы. Если специальная функция не требуется, то используют БКР-2 для сокращения
количества аппаратуры. Для вывода аналоговых сигналов из схемы регулирования
с выдачей токового сигнала предназначен блок БКР-1.
Kohuijx
5n:
oXr-;
ЬКг-
-/
bK^-J
\
\
Ф]ИК1{
/hh
LJi. 'L' ULI D.
БПИ
51 Л
Р.ПП
ушмиу д/ики
' FFA
Рис. 11.2 Функциональная структурная схема «АКЭСР».
Функциональные блоки.
Функциональные блоки предназначены для статического преобразования
информации .
Блок вычислительных операций является универсальным вычислительным
устройством и обеспечивает выполнение следующих операций: умножение двух сигналов;
возведение в квадрат; деление двух сигналов; извлечение квадратного корня;
кроме того, блок содержит два сумматора входных сигналов;
БСГ - блок сигнализации служит для сигнализации о достижении установленных
значений. Позволяет реализовать релейную характеристику (Рис. 11.3) двухпози-
ционную (а) трехпозиционную (б).
Хоег
1'
Рис. 11.3 Релейные характеристики

БНП - блок нелинейных преобразователей позволяет реализовать нелинейную
зависимость выходного сигнала от входного Xрег = f(xex) путем кусочно-линейной
аппроксимации из шести участков, обеспечивает суммирование двух сигналов с
масштабированием одного из них.
БСЛ - блок селектирования - содержит 4 сумматора с умножением на постоянный
коэффициент. Блок позволяет: выделять наибольший и наименьший сигнал из
комбинации входных сигналов; воспроизводить простейшие нелинейные зависимости,
как ограничение выходного сигнала, зона нечувствительности и др.
Все рассмотренные блоки статического преобразования информации рассчитаны
на сигналы по напряжению.
Функциональные блоки
динамического
преобразования
информации.
БПИ - блок прецизионного интегрирования - служат для преобразования
дискретного входного сигнала в аналоговый выходной и интегрирования аналогового
сигнала с логическим управлением и сохранением информации в перерывах
питания .
БДП - блок динамических преобразователей может выполнять одновременно
функции сумматора и интегратора, либо дифференциатора.
Устройства динамического
преобразования информации.
Регулирующие блоки.
Регулирующий блок импульсный (РБИ) предназначен для формирования ПИ и ПИД
законов регулирования в автоматах регуляторах, содержащих ИМ постоянной
скорости .
Выпускаются три основные разновидности РБИ отличающиеся дистанционной
подстройки параметров регулятора: постоянной времени интегрирования Та и
скорости связи Vcb, скорости заряда RC-цепочки обратной связи.
РБИ - 1 не имеет дистанционной подстройки параметров.
РБИ - 2 обеспечивает дистанционную подстройку параметров Vcb и Та.
РБИ - 3 обеспечивает аналоговую дистанционную подстройку параметров.
Регулирующий блок аналоговый РБА - обеспечивает формирование сигнала
рассогласования и его динамическое преобразование в выходной аналоговый (плавно
меняющийся) сигнал в соответствии с П-, ПД-, ПИД- или ПИД- законом
регулирования с ограничением выходного сигнала по верхнему либо нижнему уровню. Блок
обеспечивает переключение с режима ручного управления на автоматический и
обратно . Блок РБА имеет 5 входов для аналоговых сигналов по напряжению и два
входа для сигналов по току и выходы, как по напряжению, так и по току.

Блоки оперативного управления
и исполнительные устройства.
Ручные задатчики РЗД и РЗД-К которые обеспечивают ручную установку задания
в виде унифицированного аналогового сигнала по току или по напряжению.
Задатчик РЗД-к кнопочный содержит дистанционный переключатель на два
положения с импульсным управлением, а так же кнопку для ручной установки
переключателя в одно из положений. Блок ручного управления БРУ служит для перевода
управления ИМ с ручного на автоматическое и обратно, а так же для работы ИМ в
режиме ручного управления. Блок имеет три кнопки: Кн. А - включение
автоматического режима. Кн. «Меньше» - ручное управление в сторону «меньше». Кн.
«Больше» - ручное управление в сторону «больше».
БРУ имеет модификации по исполнению и функциям, так, например, БРУ-У имеет
встроенный указатель для индикации выходного сигнала регулирующего блока РБА,
интеграторов БПИ и БДП, а так же для индикации положения ИМ при наличии
соответствующего датчика положения с унифицированным сигналом.
В системе «АКЭСР» используются те же исполнительные устройства, что и в
аппаратуре «КАСКАД», благодаря унификации выходных сигналов регулирующих
блоков .
Система приборов
автоматического
регулирования
«РЕМИКОНТ».
«РЕМИКОНТ» это регулирующие микропроцессорные контроллеры. Они представлены
тремя сериями: Р- 1 10 ; Р-\20; ;Р-130 .
Контроллеры «РЕМИКОНТ» серии Р-110 ; Р-120 представляют собой
микропроцессорные устройства управления, архитектура которых оптимизирована для решения
задач автоматического регулирования технологических процессов в
энергетической, металлургической, химической и др. отраслях промышленности.
Основные функции контроллеров Р-110 ; Р -120 :
• локальное, каскадное, программное, многосвязное регулирование,
управление с переменной структурой;
• формирование ПИД-законов регулирования;
• выполнение разнообразных статических и динамических преобразований
аналоговых сигналов;
• обработка и формирование дискретных сигналов;
• выполнение всех алгоритмических задач, которые решаются с помощью
традиционных аналоговых приборов автоматического регулирования;
• формирование программно-изменяющихся во времени сигналов;
• выполнение операций управляющей логики.
В состав серии /-'-110 входят две модели контроллеров: модель /-'-110
одиночный «РЕМИКОНТ» и дублированный «РЕМИКОНТ» - модель Р-112, каждый из
которых рассчитан на большое (40-200) число входных-выходных сигналов.

В состав серии Р-120 также входят две модели контроллеров: одиночный «Ре-
миконт» Р-120 и дублированный - модель Р-122 на среднее (15-90) число
входных -выходных сигналов.
Технические характеристики контроллеров Р-110 и Р-120 :
• количество сигналов ввода: аналоговых - 64, дискретных - 126;
• количество сигналов вывода: аналоговых - 64, дискретных - 126,
импульсных - 64 ;
• количество выполняемых функций (алгоритмов) - 45;
• входные сигналы: аналоговые постоянного тока 0-5, 0-20, 4-20 мА,
напряжения постоянного тока -10-0+10 В, дискретные напряжением 24 В;
• выходные сигналы: аналогичные входным, дискретные рассчитаны на
максимальное напряжение 48 В и максимальный ток нагрузки 0,2 А;
• питание от сети переменного тока напряжением 220 , 240 В при частоте 50 ,
60 Гц;
• потребляемая мощность - 120 ВА;
• время сохранения информации при отключении питания - 360 часов;
• точность установки сигнала задания - 0,1% .
Контроллер «РЕМИКОНТ» Р-130 малоканальный многофункциональный регулирующий.
«Ремиконт» серии Р-130 предназначен для построения современных
автоматизированных систем управления технологическими процессами и позволяет выполнять
оперативное управление с использованием персональных ЭВМ, автоматическое
регулирование, автоматическое логико-программное управление, автоматическое
управление с переменной структурой, защиту и блокировку, сигнализацию,
регистрацию событий.
Контроллер Р-130 применяется для управления сложными технологическими
процессами с большим числом контролируемых параметров и управляющих сигналов. Он
имеет проектную компоновку, которая позволяет пользователю выбрать нужный
набор модулей и блоков согласно числа и вида входных-выходных сигналов. Входные
сигналы от термопар ТХК, ТХА, ТПР, ТВР, ТИП, сигналы от термометров
сопротивления ТСМ, ТСП; унифицированные аналоговые сигналы постоянного тока 0-5,
0-20, 4-20мА; 0-10 В; дискретные сигналы. Выходные сигналы: постоянного
тока, аналогичные входным, дискретные.
Напряжение питания от сети переменного тока 220 или 240 В; постоянного тока
24 В.
Время сохранение информации при отключении питания - 168 часов.
Потребляемая мощность-15 ВА.

Английский
английский для наших
Джина Каро
ЧАСТЬ 1
Жил-был некий студент X. Он всю жизнь учил английский язык и никак не мог его
выучить. ПОЧЕМУ?
ПОТОМУ ЧТО он старательно переводил каждую фразу с русского языка. Например,
"How are you?" - "Nothing." Что означает: "Как поживаете?"- "Ничего".
ПОТОМУ ЧТО он был убежден, что его языковые проблемы происходят главным
образом от незнания слов. А если знать побольше слов, то связать их уж как-нибудь
само получится.
ПОТОМУ ЧТО он был подсознательно уверен, что грамматика - это одно, а язык -
нечто совсем другое. И поэтому, если бы его спросили Страшным Голосом: "КАК
образуется The Present Perfect Tense?!", он, поразмыслив, ответил бы в
точности как в учебнике, но на практике все равно, независимо от требуемого
времени, числа и лица, ставил глагол в ту форму, которая первой приходила в голову.
ПОТОМУ ЧТО он непрестанно надеялся, что вдруг случится чудо и он выучит,
наконец, этот проклятый язык за три дня с погружением, или посредством гипноза,
или с помощью волшебных кассет (видеокассет, пластинок, компакт-
дисков) .
ПОТОМУ ЧТО он нарисовал и раскрасил цветными фломастерами схему образования

всех времен английского языка, на работе размножил ее и развесил по всей
квартире.
ПОТОМУ ЧТО он искренне полагал, что инфинитив и индефинит - это одно и то же.
ПОТОМУ ЧТО он читал со словарем, выписывая все незнакомые слова на карточки и
приходя во все возрастающий ужас по мере их накопления.
Как вы думаете, кто он, этот чудак?
Это ВЫ.
ГЛАВА 1. ASKING QUESTIONS
Lawyer - "Now, sir, did you, or did you not,
on the date in question or at any time, say
to the defendant or anyone else that the
statement imputed to you and denied by the
plaintiff was a matter of no moment or
otherwise? Answer me, yes or no."
Bewildered Witness - "Yes or no, what?"
Однажды студенту X повезло. Он попал в группу к хорошему преподавателю,
которого звали Джон. На первом занятии Джон предложил своим студентам
познакомиться друг с другом и с этой целью задать друг другу разные вопросы. Например,
как вас зовут, сколько вам лет, есть ли у вас дети, что вы любите делать и так
далее.
Вот какие вопросы задал студент X.
1. What is your name?
2. Have you children?
3. Do you married?
4. What you like to do?
5. Where is you live?
6. How long do you study English?
7. Why you study English?
8. How old is your children?
9. What is your husband do?
10. Are you work or study?
11. Do you can play the piano?
12. Do your children small?
Пожалуйста, возьмите карандашик и отметьте птичками те вопросы, которые
кажутся вам заданными неправильно. Если у вас получилось от 0 до 5 птичек, это
значит, что вы и есть студент X и, следовательно, не особенно сильны в английской
грамматике. Поэтому читайте эту книжку очень внимательно, имея рядом с собой
на всякий случай разные справочники, таблицы неправильных глаголов и тому
подобное .
Если получилось от 6 до 11 птичек, то справочники можете убрать: некоторое
представление о грамматике у вас есть.
Будем считать, что вы не студент X, а студент Y. Это, однако, не означает, что
в собственной речи вы время от времени не делаете точно таких же ошибок, как
студент X, а если не делаете их, то уж, конечно, делаете какие-нибудь другие.
В конце концов, неизвестно, как вы собираетесь исправлять предложения,
отмеченные птичками. Не исключено, что в вашей редакции они будут выглядеть не
лучше. Поэтому читайте эту книгу не менее внимательно.
Если у вас 12 птичек, это значит, что вы присочинили лишнюю ошибку. Ничего
страшного. Сейчас мы во всем разберемся.
Итак, почему 11 вопросов (все, кроме самого первого) заданы неправильно? И как
задавать их правильно? Всегда имейте в виду несколько основных принципов.

1. Английский язык - это не русский.
Поэтому нельзя, например, просто взять повествовательное предложение
(повествовательное - это такое, у которого в конце стоит точка, а не знак вопроса) и
произнести его с как бы вопросительной интонацией. Например, "You are working
or studying?", или "How many cigarettes a day you smoke?", или, как в нашем
примере (7), "Why you study English?"
2. Английский язык - это также не немецкий и не французский. Поэтому для
формулировки вопросительного предложения категорически не рекомендуется менять
местами подлежащее с основным глаголом. Например, "Where work you?"
3. Глагол to be вовсе не является универсальным глаголом, с помощью которого
можно Задать любой вопрос. В частности, наши примеры (5), (9) и (10)
полностью лишены смысла, а вопросы типа "Are you like classical music?" или "Is
your husband like your dog?" могут привести слушателя в замешательство.
1.Этот пункт обращен к тем, кто уже учил какой-нибудь иностранный язык, и
особенно к тем, кто учил безрезультатно. Известно, что от безуспешного изучения
других языков в памяти остается главным образом то, что может повредить
усвоению английской грамматики.
2. Если это утверждение вам пока непонятно, вернитесь к нему по прочтении
главы.
4. То же самое относится к глаголу to do.
Все с детства знают, что нужно спрашивать "Do you speak English?", и может
возникнуть иллюзия, что все вопросы всегда задаются именно так. Например, (3),
(11) и (12) . Действительно, когда мы ставим в начале предложения какое-то
таинственное do, которое неизвестно что означает, предложение начинает выглядеть
настолько не по-русски, что кажется: уж наверное, так и нужно говорить. К
сожалению, вопросы с do задаются не во всех случаях поголовно, а
только в некоторых.
В каких же, наконец? Когда нужно начинать вопрос с do, когда с is, а когда с
каких-то совсем странных вещей, вроде сап или will? Почему часто можно
услышать, как американец или, например, преподаватель задает какой-то длинный
вопрос, а в конце предложения вдруг отчетливо звучит слово about (или for, или
with), неизвестно как туда попавшее? Откуда вообще все это берется и как
научиться в этом разбираться?
Давайте узнаем.
1.1. Структура предложения. Альфа
Prof. - "Nobody ever heard of a sentence
without a predicate."
Student - "I have. Professor."
Prof. - "What is it?"
Student - "Thirty days."
Рассмотрим для начала обыкновенное повествовательное предложение (напоминаю:
это такое предложение, у которого в конце стоит точка, а не знак вопроса). Для
простоты рассмотрим даже не просто повествовательное, а так называемое
утвердительное предложение, то есть такое, в котором нет отрицания.
Например, предложение "Я учу английский язык" - повествовательное
утвердительное, предложение "Я никак не могу выучить английский язык" - повествовательное
отрицательное, а предложение "Как вам удалось выучить английский язык?" -
вопросительное. Так вот, мы сейчас рассматриваем первый случай -
повествовательное утвердительное.
"Я учу английский язык", "Я скоро выучу английский язык", "Удивительно простой
язык этот английский, и учить его мне будет весело и интересно". Такое предаю-

жение (повествовательное утвердительное) состоит из неких частей, всегда
расставленных в одном и том же порядке. Мы с вами не будем сейчас вдаваться в
тонкости, а коснемся только того, что необходимо нам для умения правильно
конструировать вопрос. Всяческие архитектурные излишества (обстоятельства,
определения, дополнения...) подробно рассматриваются во втором томе.
С чего может начинаться наше простое утвердительное предложение? Лучше всего
начинать предложение сразу с подлежащего. Это такой член предложения, который
отвечает на вопрос кто? или что?, то есть стоит в именительном падеже.
К сожалению...
...студент X часто путает русский именительный падеж (отвечает на вопросы кто?
что?) с русским винительным (отвечает на вопросы кого? что?). Например, в
предложении "Я вижу дом" он не сразу способен найти подлежащее. Разумеется,
"я" отвечает на вопрос кто?, но ведь и "дом" отвечает на вопрос что?. Как
узнать, именительный это падеж или винительный, если у неодушевленных
существительных они отвечают на один и тот же вопрос что? И с чего, соответственно,
начинать английское предложение? "I see the house" или "The house I see"?
Для тех, кто, подобно студенту X, нетверд в различении именительного и
винительного падежей, я предлагаю небольшой фокус.
Фокус1
(Именительный и винительный падежи) Представьте себе, что в предложении "Я
вижу дом" дом - это одушевленное существительное, то есть не что?, а кто?.
Теперь определим, какой вопрос будет звучать правильно: "Я вижу (кто?) дом", или
"Я вижу (кого?) дом"? Очевидно, не кто?, а кого?. Значит, это не именительный
(кто? что?), а винительный (кого? что?) падеж. Во всех затруднительных случаях
такого рода я советую вам ставить вопрос кого? кто? перед неодушевленными
существительными. Тогда сразу станет ясно, какой это падеж и может ли это слово
быть подлежащим. Еще примеры:
Он читает журнал.
(Он читает что? - непонятно, какой это падеж. Ставим вопрос как к
одушевленному, получаем кого?, а не кто? - следовательно, журнал здесь - винительный
падеж , а подлежащее - ок.)
Мы смотрим фильм.
(кого? или кто? Очевидно, кого?. Значит, фильм - не именительный, а
винительный падеж; подлежащее здесь - мы.)
Следовательно, раз выделенные слова относятся к винительному, а не к
именительному падежу, то в английском языке с них ни в коем случае нельзя начинать
предложение.
Внимание!
Даже в том случае, если русское предложение звучит так:
Журнал читает он; Фильм смотрим мы, выделенные существительные все равно
отвечают на вопрос что? кого?, а не что? кто?
Попробуйте представить, что вам необходимо перевести на английский язык
нижеприведенные известные цитаты.
Найдите в каждой из них подлежащее, то есть тот член предложения, с которого
вы будете начинать перевод.
Не утонет в речке мяч.
Зайку бросила хозяйка.
Под дождем остался зайка.
Плачут невезучие люди-дикари.
Трутся об ось медведи, вертится земля.
Ответ знает только ветер.

"Я поведу тебя в музей", - сказала мне сестра.
Внимание!
В английском предложении подлежащее есть всегда. В таких предложениях, как
"Что-то не жарко сегодня", "Куда ему столько денег", "Интересно, где его
носит" или "Сколько можно сидеть на шее у родителей", подлежащее все равно есть,
даже если с точки зрения русского языка его не видно.
Помимо подлежащего, в предложении бывает также сказуемое. Все интуитивно
знают, что это такое: это глагол или последовательность как-то увязанных между
собой глаголов, описывающих действия, совершаемые подлежащим. Оно может быть
большим. Например,
"Не should have been warned beforehand." He пугайтесь, но все четыре
выделенных слова - это сказуемое.
Мы пока не будем иметь дела с подобными монстрами, однако забывать о
том, что сказуемое может быть очень длинным, все-таки не следует.
Если оно длинное (не такое, как в приведенном примере, но состоит хотя бы
из двух слов, а не из одного) , то чем может быть выражена его первая
часть?
They are sleeping while the thief is breaking into the house. (1)
His wife was too beautiful for him. (2)
You were told to do it lots of times. (3)
Как видите, это глагол to be. В (1) он использован для образования времени The
Present Continuous Tense, в (2) - в качестве глагола-связки, а в (3) - для
образования пассивного залога.
К сожалению...
...студент X не всегда видит необходимость ставить глагол-связку. Он говорит,
например, "My wife beautiful" или "I chief of the firm," исходя из того, что в
аналогичных русских предложениях никакого глагола вроде бы нет. Вместе со
студентом X я советую и всем остальным запомнить: если вы имеете дело не с
назывным предложением (Ночь. Улица. Фонарь. Аптека...), то сказуемое должно быть
непременно. В предложениях вида My wife beautiful; My apartment small;
Our children smart; My mother-in-law ill-tempered прилагательное должно быть
приделано к существительному посредством глагола to be.
Поставьте его туда, пожалуйста, - и вы сразу увидите, как хорошо станут
выглядеть эти предложения. Точно так же к существительному приделывается другое
существительное .
I a student.
You a fool.
My chief a bore.
Все эти предложения пока лишены смысла. В них нет самого главного, того, что
делает предложение предложением, - сказуемого, а еще точнее, глагола-связки to
be. Вставьте его туда, чтобы предложения приняли полноценный вид. И
запомните фокус.
Если в русском предложении нет глагола, например, между подлежащим и
прилагательным ("яблоки кислые"), подлежащим и существительным ("моя жена - ведьма"),
подлежащим и причастием ("я напуган до полусмерти"), то в этом случае нужно не
забывать вставлять глагол to be, чтобы ваши предложения обрели смысл.
The apples are sour.
My wife is a witch.
I am scared out of my wits.

Честно говоря, мне неловко напоминать, как спрягается глагол to be. Я надеюсь,
никому не придет в голову сказать "My wife to be beautiful." Те из вас, кто не
знает, что нужно говорить "My wife is beautiful" и тому подобное, еще, к
сожалению, не доросли до уровня студента X, поэтому сначала вам следует почитать
какие-нибудь другие пособия.
Итак, запомним, что в некоторых случаях первая часть сказуемого бывает
выражена глаголом to be. Скоро эта информация нам пригодится.
Что еще может играть роль первой части сказуемого?
Некоторые времена английского языка - составные. Это значит, что в них есть
один или несколько вспомогательных глаголов. В этом случае первый
вспомогательный глагол будет, конечно, первой частью сказуемого.
Не has already done this.
I will help you.
I have been thinking about you.
И, наконец, бывают еще некоторые модальные глаголы (can, may, must и так
далее) . Если такой глагол есть в составе сказуемого, то он всегда бывает его
первой частью.
Итак, сразу после подлежащего могут идти:
либо глагол to be,
либо первый вспомогательный глагол,
либо модальный глагол.
Посмотрите внимательно. Та часть сказуемого, которая идет сразу за подлежащим,
- самая главная часть предложения (скоро мы в этом убедимся). Давайте же ее
как-нибудь назовем. Давайте назовем ее, например, греческой буквой а (альфа).
А теперь сформулируем два самых главных правила английской грамматики:
а) если вы хотите образовать отрицательное предложение, то частицу not нужно
ставить сразу после альфы;
б) если вы хотите задать вопрос, то вам необходимо поменять местами альфу и
подлежащее.
Все, что вам нужно теперь знать, - когда какая альфа встречается. Давайте
посмотрим .

1.2. Структура основных времен
"Really, now you ask me," said Alice, very
much confused, "I don't think -"
"Then you shouldn't talk," said the Hatter.
Lewis Carroll, Alice's Adventures in
Wonderland
Мы, вероятно, помним как минимум четыре постоянно употребимых времени. В
действительности их несколько больше, но нам пока хватит и четырех. Первое из
них. . .
Смысловой глагол в "инговой" форме:
I am
doing,
You are
sleeping,
Не is
eating,
She is
+
singing,
His
dancing,
We are
kissing,
They are
etc.
1.2.1. The Present Continuous Tense
(сокращенно PrCont)
Если мы посмотрим на него внимательно, мы заметим, что после подлежащего в
этом времени сразу следует глагол to be, а за ним идет смысловой глагол в так
называемой "инговой" форме.
Исходя из этого, как вы думаете, в каких из нижеследующих предложений
отрицание поставлено правильно, а в каких - нет?
1. I am not sleeping.
2. You are eating not.
3. He not dancing.
4. She isn't singing.
5. Is doesn't getting dark.
6. We are not drinking.
7. They not are kissing.
Правильные предложения, разумеется, 1, 4 и 6.
К сожалению...
...студент X опять забыл, как нужно рассуждать. Он призвал на помощь интуицию,
начал догадываться вместо того, чтобы мыслить логически, и сделал несколько
ошибок. Он забыл фокус.
Фокус 2
Дудки. Никакого фокуса на этот раз не будет. Вам нужно твердо помнить, что
отрицание ставится после альфы. А какая альфа в PrCont? Разумеется, глагол to
be. Вот после него, будьте добры, и ставьте частицу not в этом времени.
Не перед ним, не вместо него и не после смыслового глагола, а непосредственно
после альфы, которая здесь выражена глаголом to be.
Пожалуйста, поставьте отрицания ко всем семи предложениям, и теперь сделайте
это правильно.
Кстати...
(Как делать Упражнения)

Все упражнения в этой книжке, кроме специально оговоренных случаев, нужно
делать устно, обязательно вслух и по возможности громким голосом. Большинство
людей уровня студента X (или чуть повыше, или даже намного более
advanced) пишут, можно сказать, сносно. Но они абсолютно не слышат сами себя,
когда начинают говорить. Это не страшно, это так же распространено, как
отсутствие абсолютного музыкального слуха, то есть касается подавляющего
большинства людей. Однако эту способность, в отличие от абсолютного слуха,
можно развить. Для этого необходимо произносить каждое предложение громким,
отчетливым голосом столько раз, сколько необходимо для того, чтобы вы
смогли собственными ушами услышать и запомнить именно те звуки, которые вы
действительно произнесли, а не те, которые вы будто бы произнесли. После этого
вы можете посмотреть на произнесенную фразу со стороны и
проанализировать: а все ли я сказал правильно? Если нет, то внести необходимые
коррективы и произносить ее до тех пор, пока вам самому не станет слышно: да, я
произношу эту фразу абсолютно правильно, именно так, как я написал бы ее
(а написал бы я ее в соответствии, разумеется, с правилами английского языка
вообще и с тем, что изложено в этом учебнике, в частности) . Теперь вы можете
переходить к следующей фразе. И так далее. Через некоторое время число
повторений, необходимых для того, чтобы вы могли слышать, анализировать и
контролировать собственную речь, сведется к минимуму.
Например, студенту X нужно поставить отрицание к фразе "I am watching TV now."
Так как теперь он уже знает, что отрицание нужно ставить после "am," он
произносит какой-то текст, будучи совершенно уверенным, что говорит "I
am not watching TV now." Его преподаватель Джон, однако, слышит, что на самом
деле X сказал "I am not watch TV now." Он проглотил суффикс, потому что
спешил, был небрежен и, главное, - не слышал сам себя. Джон просит X
повторить ту же самую фразу еще раз, и по инерции X ее повторяет точно так же,
как уже сказал, но громко и отчетливо, и вдруг сам слышит, что забыл суффикс!
"Ой", говорит он и сразу же исправляется, но на всю фразу его внимания не
хватает, и теперь она принимает вид "I am not watching the TV now." Требуется
несколько повторений и корректировок, чтобы фраза наконец начала звучать как
следует. Вам придется проделывать все эти операции в отсутствие
Джона, поэтому вся надежда на то, что у вас хватит терпения повторять одно и то
же снова и снова, пока вы не убедитесь, что сказали именно то, что хотели
сказать. Если же вы, достигнув, наконец, последней редакции, все-таки не уверены
в ее правильности, - ну ладно, запишите свое произведение и посмотрите на него
внимательно. А если вы по-прежнему не уверены? Oops.
Тогда еще раз внимательно перечитайте теорию.
А теперь самое главное: как поставить вопрос ко всем этим предложениям. Сплю
ли я? Едите ли вы? Во всех этих случаях предложение будет начинаться. . . С
чего?
Do/does..?
Were/was...?
Will. . .?
Am/are/is...?
Shall...?
Can...?
Ради Бога, не гадайте. Вы прекрасно знаете, с чего оно будет начинаться. Оно
всегда начинается с альфы. А какова она в PrCont? Правильно. Глагол to be.
Теперь поставьте все вопросы самостоятельно (вслух, разумеется).
Последний контрольный вопрос: что у вас получилось?
Am I sleeping? или Am sleeping I?
Are you eating? или Are eating you? Is he dancing? или Is dancing he?
ит. д. ит. п.

Если вдруг получилось как справа, а не как слева, то срочно перечитайте раздел
1.1. Подлежащее меняется местами именно с альфой, а не со всем длинным,
громоздким сказуемым. Смысловой глагол стоит на месте. Если у вас остались какие-
то сомнения, и вы по-прежнему используете догадки, а не логику, перечитайте
все с самого начала и сделайте следующие...
Упражнения
Пока задавайте так называемые Yes-No Questions, то есть такие, ответом на
которые являются слова "да" или "нет". Они начинаются без вопросительных слов,
сразу с альфы. Например, если дано предложение "Она гуляет в парке", то от вас
требуется спросить: "Гуляет ли она в парке?", а не "где" она гуляет, "почему"
она там гуляет или "кто это там гуляет в парке".
The pirate is digging for the hidden treasure.
?
The camels are spitting at the tourists.
?
Cruz Castillo is looking for Eden in Utah.
?
I am painting my dog's cabin pink.
My dog is chewing my best evening dress.
?
We are singing "Уо-ho-ho. and a bottle of rum.!
Для интересующихся приводим полный текст песни:
Fifteen men on the dead man's chest -
Yo-ho-ho and a bottle of rum!
Drink and the devil had done for the rest -
Yo-ho-ho and a bottle of rum!
Если все получилось, как следует, идем дальше.
1.2.2. The Present Indefinite Tense
(сокращенно Prlndf)
Все очень хорошо помнят, что после I, we, you, they оно выглядит точно как в
инфинитиве, только без to:
I love, you love, they love, we love, а после he, she и it в конце появляется
суффикс -s: he loves, she loves, it loves.
Глаголы to have, to go, to do после he, she, it имеют вид соответственно has,
goes, does, а глагол to say выглядит нормально (says), а звучит [sez].
I
You
They
+
Смысловой глагол как в инфинитиве:
love, give, take, make, etc.
He
She
It
+
Смысловой глагол с окончанием -s:
loves, gives, takes, makes, etc.
К сожалению...
...нет такого студента (X или не X) , который не забывал бы ставить этот
суффикс в 90 случаях из 100. - My husband love me, - утверждают студенты-женщины.
- My wife love me, - соглашаются с ними студенты-мужчины.
Единственный фокус, который я могу предложить, - это помнить о Тарзане. В ста-

ром очаровательном голливудском фильме Тарзан младенцем попадает к обезьянам,
они его воспитывают (естественно, без привлечения английского языка), а по
прошествии примерно 18 лет в те же джунгли попадает красавица Джейн. Она учит
Тарзана говорить поанглийски, и Тарзан постоянно делает одну и ту же ошибку.
Он изъясняется приблизительно так:
The elephant always come here.
The tiger go to the river.
Постарайтесь всегда хранить в себе образ Тарзана. Представьте себе, что если
вы говорите:
My son like playing football;
My work start at ten o'clock
и так далее, вы тем самым немедленно облачаетесь в шкуру, начинаете прыгать по
деревьям и издавать знаменитый тарзаний крик. Ничего плохого в этом нет, но
если вы хотите говорить по-английски, как подобает, шкура может вам
помешать.
Итак, I love you, you love me, she loves him, he loves her - это
утвердительные предложения. Предположим теперь, что мы хотим внести разлад в эту
безоблачную картину всеобщей любви и сказать: он ее не любит. Внимательно смотрим
на исходное предложение.
Не loves her.
Куда бы нам поставить отрицание? У тех, кто внимательно прочитал все
вышеизложенное, могло сложиться впечатление, что ставить его просто некуда. У нас
есть:
подлежащее Не
смысловой глагол loves
прямое дополнение her
Ни одна из этих частей предложения явно не альфа. А мы, между тем, не имеем
права ставить not к чему бы то ни было, кроме альфы. Что же делать?
Разумеется, если альфы нет, то ее нужно изобрести, поставить в предложение и
уже к ней приклеивать отрицание. Нам самим, к счастью, ничего изобретать не
понадобится. Такая альфа уже изобретена в языке, специально для времени Prldf.
Это известный вам глагол to do в форме Prlndf, то есть do или does, в
зависимости оттого, что там стоит в подлежащем. В утвердительном предложении она
отсутствует, зато, если нам нужно поставить отрицание, мы сразу о ней
вспоминаем, вставляем ее в предложение и прилепляем к ней частицу not:
Не doesn't (= does not) love her.
Почему "doesn't love", а не "doesn't loves"? Только что говорили о Тарзане - и
вот нате вам. ..
На самом деле все вполне логично: -s "ушел" в does. Или, формулируя более
общее и вразумительное правило, глагол to do в качестве альфы времен группы
Indefinite всегда сочетается со смысловым глаголом в форме голого
инфинитива (Bare Infinitive), то есть инфинитива без to.
К сожалению...
...когда студент X видит в тексте слова Infinitive или Indefinite, он попросту
пропускает весь абзац. "Все равно, - думает он, - я этих слов не понимаю".
Желательно, чтобы он больше так не делал, а постарался всегда осмысливать всю
встречающуюся терминологию, не уповая на то, что потом все как-нибудь поймется
само.
Indefinite - это группа времен английского языка. Например, The Present
Indefinite Tense мы рассматриваем сейчас, a The Past Indefinite Tense и The
Future Indefinite Tense - чуть ниже.
Infinitive - это, в переводе на русский язык, неопределенная форма глагола,
она отвечает на вопрос "Что делаТЬ?", и именно в этой форме глагол приводится

в словаре. Инфинитиву в предложении обычно предшествует частица to (I'd
like to buy a Mercedes. He wants to marry a millionaire's daughter. They asked
him to go away). Если эта частица отсутствует, инфинитив называется голым.
Выбор между голым и неголым инфинитивом происходит не на основе личных
предпочтений, а в строгом соответствии с правилами грамматики. В Prlndf после
альфочки ставится именно Ваге (голый) Infinitive.
И опять самое главное: как поставить вопрос? Любит ли он ее? Мы уже Знаем, что
в вопросительном предложении подлежащее нужно поменять местами с альфой. Мы
уже знаем, что альфой во времени Prlndf является do или does.
Короче говоря, мы уже знаем все, что необходимо для того, чтобы грамотно
сконструировать любой вопрос во времени Prindf. Давайте посмотрим на разные
предложения, и поставим к ним вопросы (напоминаю: вслух, громко и
отчетливо) . Постарайтесь не перепутать, где do, а где does. Другими словами,
Remember Tarzan! - помните о Тарзане.
Например:
I take a cold shower in the morning.
Do you take a cold shower in the morning?
(После того, как вы зададите вопрос, вы можете также на него ответить.
Например, искренним ответом на этот вопрос будет: "Oh no, of course I don't!")
He cleans his teeth with Colgate Plus.
? (Remember Tarzan!)
You don't want to understand me.
?
My wife eats ten Snickers a day.
? (Remember Tarzan!)
Our kids like to break windows.
?
They rob banks twice a month.
?
He earns a million USA dollars a week.
? (Remember Tarzan!)
Всем, конечно, уже надоело задавать простые Yes-No Questions и хочется
спросить, например, "Сколько сникерсов в день съедает ваша жена?" или "Как часто
они грабят банк?" Скоро мы и до этого дойдем, а пока рассмотрим...
1.2.3. The Past Indefinite Tense
(сокращенно Pastlndf)
Это одно из самых простых времен. К правильным глаголам просто прибавляется
суффикс -ed. Что же касается неправильных, то нужно выучить, как они выглядят
во втором столбике.
Смысловой глагол в так
I
называемой второй форме:
You
loved,
We
liked,
They
+
lived,
Не
made,
She
gave,
It
did,
etc.
К сожалению...
...студент X плохо понимает, что значит "выучить глаголы". Около 30% всего

времени, затраченного им на изучение английского языка, ушло на рисование
красочных плакатов, самым монументальным из которых является список неправильных
глаголов в трех формах. Он занял четыре листа ватмана и захватил всю стенку
перед обеденным столом. Тем самым было достигнуто два результата:
во-первых, студент X ощутил удовлетворение от сознания выполненного долга, и
это психологически избавило его от неприятной необходимости действительно
учить эти глаголы (нарисовал и повесил - значит, будто уже выучил). Вовторых,
когда на уроке приходит пора употребить какой-нибудь глагол во второй или
третьей форме, у студента X появляется смутное воспоминание, что этот глагол
вроде бы нарисован на втором листе, примерно посередине, зеленым
фломастером. .. но дальше эти воспоминания не простираются. (Не на уроке, а в разговоре
с настоящим живым иностранцем у студента X нет времени даже на подобные
отрывочные воспоминания, и он ставит глагол в первой попавшейся форме). Никаких
других плодов рисование красочных плакатов не приносит.
Иногда студент X учит глаголы как стихи. Он ходит по квартире и повторяет
нараспев :
bring - brought - brought
think - thought - thought
sing - sang - sung
ring- rang - rung
speak - spoke - spoken
break - broke - broken
Как известно, нет ничего труднее, чем кстати вспомнить нужную стихотворную
строчку откуда-нибудь из середины стихотворения. В таких случаях приходится
повторять все с начала (например, со слов "Мой дядя, самых честных
правил ..."), пока наконец дойдешь до искомого места. То же произойдет и в данном
случае. Если вы даже выучите весь список буквально наизусть, подобно мантре,
вероятность того, что в нужное время в нужном месте нужный глагол придет вам
на язык в нужной форме, все равно останется исчезающе малой.
К способу выучивания глаголов, при котором учащийся закрывает ладонью часть
страницы и оставляет на виду только первый столбик, относится то же, что и к
разглядыванию висящих на кухне плакатов. Помню, нечто такое было написано
несколько ранее... А что там было написано? Студент X погружается в отчаяние при
мысли о том, сколько времени он потратил и какого ничтожного результата
добился . В этих случаях он обычно начинает ссылаться на плохую память, на возраст
("Нужно было с детства учиться...") - и теряет надежду окончательно.
Слава Богу, дело вовсе не в возрасте и даже не в памяти. Дело в том, что
студент учил слова абсолютно превратными методами, не имеющими никакого отношения
к задаче. Наша задача заключается в том, чтобы говорить, а не в том, чтобы
знать, где что написано в какой последовательности. Это все равно как если бы
он долго учился печатать на машинке, а потом выяснилось бы, что конкурс
предстоит не машинописный, а фехтовальный. Ему дают в руки рапиру, а он по инерции
все пытается найти клавишу пробела и нажать ее большим пальцем.
Единственный способ запомнить глагол - это использовать его в собственной речи
(громко, отчетливо) не менее двадцати раз. Или ста. Одним словом, пока не
запомнится. Скажем, вы хотите выучить вторую форму глагола to go. Нет
ничего проще: скажите с этим глаголом как можно больше предложений в Pastlndf.
Вслух. Громко. Отчетливо. Хорошо контролируя себя при этом. Эти предложения
ниоткуда не берите, а обязательно составьте сами. Например,
I went to bed too late yesterday.
The rabid dog went at me.
We can't regain what went down in the flood.
She went upstairs to make her bed.

Сейчас мы поговорим только о вторых формах; общие принципы выучивания всех
прочих слов совершенно аналогичны данному.
Здесь в некоторых примерах я использую идиомы с глаголом to go. От вас этого
пока не требуется. Вы можете просто - громко, отчетливо - говорить: "Он уехал
в Москву", "Он ходил в школу", "Она пошла в магазин" и так далее.
Это очень долго и не слишком весело, но другого способа выучить слова так,
чтобы они приходили на язык, пока не существует. Too bad.
Итак, мы или уже выучили второй столбик1, или, по крайней мере, представляем
себе, как его учить. Мы способны излагать наши мысли в форме связных рассказов
в прошедшем времени, например:
Yesterday my alarm-clock rang at 6. I got up eagerly, took a cold shower, did
my morning exercises and went for a long refreshing walk in the nearest park,
where I played tennis and jogged. Then I got home and had some cereal and cold
milk for breakfast. I came to work on time, as usual, and worked
enthusiastically and efficiently till the end of my workday. After that I went
to the swimming pool, and in the evening visited the Philharmonic. Back home,
I had a glass of yoghurt, reread my favorite Shakespeare play and went to bed
at 11.30.
Все это вопиющая ложь (or, to put it mildly, a fairy-tale). Можно спасти
положение, подвергнув все это полному отрицанию. Начнем с самого начала: Вчера мой
будильник не зазвонил в 6 часов. Смотрим на первоначальное (утвердительное)
предложение. Yesterday my alarm-clock rang at 6.
Мы уже сталкивались с таким случаем: нам некуда девать отрицание. Подлежащее
есть (my alarm clock), сказуемое есть (rang), даже два обстоятельства есть
(yesterday и at 6), только альфы нет. Но мы уже знаем, как нужно поступать. В
Prlndf альфы сначала тоже не было, поэтому мы ее изобрели и внедрили в
предложение. Это оказался do (does). Если в The Present Indefinite Tense альфой
является глагол to do в форме того же самого The Present Indefinite Tense, то
есть do/does, то нельзя ли предположить, что в The Past Indefinite Tense
альфой будет тоже глагол to do, но, соответственно, в форме The Past Indefinite
Tense, то есть не do (does), a did?
Можно. Все правильно. Наша альфа в Pastlndf - это did, одинаково для всех
чисел и лиц (все помнят, что в Pastlndf глагол не изменяется по лицам и
числам?) . Следовательно, Yesterday my alarm-clock didn't (did not) ring at six.
(Почему didn't ring, а не didn't rang? Если вы затрудняетесь с мгновенным
ответом, вернитесь к началу главы.) Теперь это предложение выглядит куда более
правдоподобно. Исправьте таким же образом все фразы, и вы увидите, насколько
более жизненными они станут.
Еще раз взглянем на первоначальный текст. На этот раз давайте подвергнем его
не отрицанию, а просто сомнению.
Зазвонил ли ваш будильник вчера в 6 часов? И что, вы сразу вскочили и полезли
под холодный душ?.. Правильно. Все предложения начинаются с альфочки. Какая
Здесь альфа? Did. А как нужно говорить:
Did your alarm-clock ring at 6?
Или
Did ring your alarm-clock at 6?
Кто сомневается, пожалуйста, вернитесь назад.
Теперь проговорите весь текст (громко, отчетливо) в форме вопросов. Можно
также ответить на эти вопросы, по возможности правдиво. А после этого перейти к
последнему из базовых времен, которое называется...
1 Похоже, неправильные глаголы стали такими, потому что сносились при частом употреблении,
то есть их и надо учить в первую очередь.

1.2.4. The Future Indefinite Tense
(сокращенно Futlndf)
I will
Смысловой глагол в форме
We wi11
голого инфинитива:
You will
do,
They will
make,
+
make,be,
He will
1
eat,
She will
drink,
It will
smoke,
etc.
Это (простейшее) время расписано здесь очень подробно для того, чтобы вы
обратили внимание: в нем нет никакого shall. Глагол shall - модальный глагол
довольно тонкого и замысловатого употребления. Использовать его для
образования простого будущего времени я вам не советую. Мы будем иметь дело только с
will, который здесь как раз является альфой.
Не will be here tomorrow.
He will not (won't) be here tomorrow.
I will love you forever.
Will you love me forever?
Вряд ли стоит дольше задерживаться на этом времени. Во-первых, оно очень
простое, во-вторых, оно довольно редко употребляется (см. следующую главу). Для
практики можете поставить вопросы к следующим предложениям:
Не will marry her.
I will make you happy.
I will be loving and faithful.
I will pay you within next week.
They will make him work.
К сожалению...
...студента X все время сбивает русский язык, в котором отчетливо звучит слово
"буду". "Я буду любить тебя всегда", - хочет сказать студент X и так и
говорит: "I will be love you forever." Чтобы не делать таких ошибок, необходимо
раз и навсегда понять, что в русском предложении слово буду не означает
глагола быть в будущем времени. Оно вообще ничего не означает. Оно просто
использовано в качестве вспомогательного глагола, чтобы указать на будущее время. В
английском предложении с аналогичной целью используется глагол will, а не
глагол be.
Я буду любить.
Он будет знать.
Ты будешь есть.
Вы будете пить.
Они будут курить.
Это все просто формы будущего времени глаголов любить, знать, есть и так
далее. Поэтому мы берем именно эти глаголы и в форме голого инфинитива ставим их
после глагола will, который используется для образования будущего времени и
выполняет примерно ту же функцию, что русский глагол буду.
В предложениях
Ты съешь;
Вы выпьете;
Они покурят

ит. д.
будущее время образовано от тех же самых глаголов знать, есть и так далее, то
есть мы опять-таки берем те же самые глаголы и в форме голого инфинитива
ставим их после will, который по-прежнему используется для образования будущего
времени. В обоих случаях английские предложения будут звучать одинаково:
I will love;
Не will know;
You will eat;
They will smoke, etc.
Если вы до сих пор не уверены, стоит ли ставить be после will, старайтесь
каждый раз находить в вашем исходном (русском) предложении смысловой глагол.
Например, Я буду убивать всех, кто встанет на моем пути. I will kill или I will
be kill?
Подумайте, что именно вы намереваетесь делать: быть или убивать? Очевидно,
убивать. Значит, именно этот глагол вам и нужно поставить в будущее время. А
это значит, что вам нужно взять его в форме голого инфинитива и
поставить после will, а никакому to be там делать нечего, несмотря на то, что в
русском предложении он так и выпирает.
I will kill everyone that gets in my way.
Наоборот, в предложении "Я буду усталым и голодным" вы собираетесь быть
усталым и голодным:
I will be tired and hungry.
Итак:
Буду убивать, буду спасать, буду любить, буду ревновать - это будущее время
глаголов убивать, спасать, любить и ревновать. Никакого глагола быть там и
близко нет.
Буду усталым, буду старым, буду злым, буду голодным - это будущее время
глагола быть (усталым, старым, злым и голодным).
При образовании будущего времени в английском языке вам нужно подумать, от
какого глагола его образовывать (от убивать или от быть усталым). Двух глаголов
подряд после will быть не может. Если есть глагол - значит, глагол быть
дополнительно вставлять не нужно. Если нет глагола (а есть прилагательное,
существительное или причастие), значит, после will нужно ставить глагол быть.
Если вы все-таки хотите короткий и удобный фокус, то вот он:
Фокус 3
Про себя видоизменяйте ваше предложение так, чтобы в нем появилось слово
"собираться", как смешно это бы ни звучало. Тот глагол, который возникнет после
"собираться", - это и есть смысловой глагол. Его и ставьте после will.
Я выйду за тебя замуж = Я собираюсь выйти за тебя замуж, то есть глагол выйти
замуж, то есть I will marry you.
Я буду иметь много детей = Я собираюсь иметь много детей, то есть глагол
иметь детей, то есть I will have a lot of children.
Я буду нежной и любящей женой = Я собираюсь быть нежной и любящей женой, то
есть глагол быть, то есть I will be a tender loving wife.
Подумайте теперь, где нужно вставлять to be, а где не нужно:
1. I don't think she will (be?) here on time.
2. I hope you will (be?) keep your promise.
3. There's no doubt that he will (be?) glad.
4. I believe you will (be?) make it.

5. I will never (be?) leave you.
6. He will (be?) do his best to make her happy.
7. Her husband will (be?) try to get used to her mother's presence.
8. I will (be?) tell you the truth.
9. I am afraid she won't (be?) able to get over this loss.
10. Let's hope everything will (be?) all right.
11. I think you will (be?) understand this.
12. It seems to me she won't (be?) help us.
С точки зрения русского языка, два последних предложения звучат варварски, но
фокус есть фокус: нас волнует грамматика английского языка, а не стилистика
русского.
Глагол to be (в форме, как вы помните, голого инфинитива, то есть просто be)
должен быть в предложениях 1, 3, 9 и 10, поскольку here, glad, able и all
right - это не глаголы (или, сообразно фокусу, она собирается быть здесь
вовремя, он собирается быть довольным, она собирается быть неспособной, а все
собирается быть в порядке).
В остальных предложениях после will следует глагол, поэтому никакого be там
быть не должно. Там все собираются:
(2) - сдержать (слово), (4) - справиться (с поставленной задачей), (5) -
покинуть (тебя), (6) - сделать (все от него зависящее), (7) - попытаться
(привыкнуть к присутствию ее матери), (8) - сказать (правду), (11) - понять (это)
и (12) - помочь (нам) .
Итак, взглянем еще раз на наши базовые времена.
The Present Continuous Tense (PrCont)
I am doING, sleepING
You/We/They are goING, eatING, drinkING
He/She/It
альфа = am/are/is
sittING, runnING
The Present Indefinite Tense (Prlndf)
I/You/We/They love, have, go, do,
He/She/It loveS, haS, goeS, doeS
альфа = do/does
The Past Indefinite Tense (Pastlndf)
lovED
had,
thought
альфа = did
The Future Indefinite Tense (Futlndf)
read,
look,
listen
be, have,
You think

We WILL eat,
They 1 drink,
He/She/It ) sleep
do, make,
love, like
альфа = will
К сожалению...
...студент X не до конца усвоил простую истину: никакого другого способа
образования этих времен не существует. Он вроде бы и знает, что говорить нужно
так, как было изложено выше; но, с другой стороны, он постоянно об этом
забывает и начинает говорить как попало, например, ставить глагол в "инговой"
форме сразу после подлежащего (или мало ли что еще может ему прийти в голову) , в
надежде на то, что вдруг как-нибудь получится. Но как-нибудь не получится.
Если вы говорите по-английски, то вы должны говорить в одном из грамматических
времен и при этом отдавать себе отчет, в каком именно времени вы говорите и
почему.
Вопрос "почему" рассматривается в следующей главе, а пока хотелось бы, чтобы
вы нашли все ошибки в образовании времен в следующих предложениях и исправили
бы их (в скобочках на всякий случай указано время, в котором эти предложения
должны стоять):
1. I don't reading this book now. (PrCont)
2. He will marrying her. (Futlndf)
3. I knows what you want. (Prlndf)
4. I going to Paris next week. (PrCont)
5. Do you understanding me? (Prlndf)
6. He go to Washington yesterday. (Pastlndf)
7. I wasn't lock the front door. (Pastlndf)
8. I will be send you a letter. (Futlndf)
1.3. Разнообразные вопросы
"Are there any real Indians in these
woods?.. Does the trees moving make the wind
blow?.. What makes your nose so red, Hank?..
Are the stars hot?.. Do oxen make any noise?
Why are oranges round? Have you got beds to
sleep on in our cave?. . How many does it
take to make twelve?"
0. Henry, The Ransom of Red Chief
Теперь мы наконец научимся задавать любые вопросы, а не только те, на которые
нужно отвечать "да" и "нет". Допустим, у нас есть предложение "Она смотрит на
картину":
She is looking at the picture.
Мы уже можем поставить к нему самый простой вопрос ("Смотрит ли она на
картину?") . Но этого мало, мы теперь хотим поставить вопрос так, чтобы ответом
явилось слово the picture, другими словами, "На что она смотрит?" Меняем местами
альфочку с подлежащим, а дальше ставим все как в русском языке.
At what is she looking?
На что она смотрит?
(Кто не понял, почему это вдруг нужно менять местами is и she, вернитесь к
разделу 1.1) . У нас получилось типичное русское предложение, сказанное
английскими словами. Запомним: английский вопрос никогда не начинается с
предлога. Слово "никогда" здесь следует понимать условно. Бывают, разумеется,

громоздкие вопросы, особенно в научной или юридической речи, которые именно с
предлога и начинаются. Но нам еще долго не понадобятся такие
конструкции .
А с чего он начинается? И куда девать предлог? Он начинается непосредственно с
вопросительного слова. В нашем случае вопросительное слово - what. А предлог
уходит в конец предложения. Или, более корректно, предлог уходит на место
косвенного дополнения, то есть если в предложении есть обстоятельство, то предлог
пойдет перед ним.
Получается: What is she looking at?
В обобщенном виде ИСЧЕРПЫВАЮЩАЯ СХЕМА ВОПРОСА выглядит так:

ВопросиПодлежащее
Все
осПредлог

ОбстояЗнак
тельное
тальное
тельства
вопроса
слово или
Альфа
слова
What
IS
she
looking
at
-
?
What
ARE
you
doing
-
now
?
Why
DO
you
live
-
alone
?
Who
DID
they
address
to
-
?
Where
WILL
we
be
When the
summer's
gone
?
И так далее. Какая альфа должна стоять в каком времени, мы уже знаем.
К сожалению...
Вопросительные слова (1)
Студент X не всегда относит к вопросительным словам именно то, что нужно. Как
вы думаете, какие из нижеследующих предложений построены им корректно?
1. What kind did he buy yesterday of car?
2. Car what kind did he buy yesterday?
3. What did he buy yesterday kind of car?
4. What kind of car did he buy yesterday?
5. What kind did he buy car yesterday?
6. How many cigarettes did your wife smoke last week?
7. How many did your wife smoke cigarettes last week?
8. How many did your wife smoke last week cigarettes?
Как видите, во всех этих предложениях правильно определена альфочка и сделана
правильная инверсия между альфой и подлежащим. Однако только два вопроса
заданы абсолютно верно, потому что только в двух вопросительные слова стоят как
следует. А именно - в (4) и (6). При этом студент X твердо Знает, что
вопросительное слово "какой?" звучит "What kind?", а вопросительное слово "сколько?"
- "How many?". Тем не менее, он каждый раз гадает, куда поставить "саг" и
"cigarettes", вместо того чтобы воспользоваться фокусом.
Фокус 4
Вопросительными словами в английском языке служит то же, что и в русском. То,
что в русском вопросительном предложении предшествует подлежащему со
сказуемым, будет в английском предложении предшествовать альфе.

КАКУЮ МАШИНУ
вопросительные слова
WHAT KIND OF CAR...
ОН купил вчера?
подлежащее или сказуемое, в данном случае
подлежащее
и далее все по правилам
СКОЛЬКО СИГАРЕТ
вопросительные слова
HOW MANY CIGARETTES...
ВЫКУРИЛА ваша жена на прошлой неделе?
подлежащее или сказуемое, в данном случае
сказуемое
и далее все по правилам
Или, может быть, how much? Нельзя ли спросить, How much cigarettes a day do
you smoke? Если нельзя, то почему? А если вы думаете, что можно, или
затрудняетесь с выбором, то об этом есть во втором томе.
К сожалению...
Вопросительные слова (2)
Студенту X не всегда удается правильно определить само вопросительное слово.
Например, вопрос "Чем вы едите суп?" - с чего он будет начинаться? А вопрос
"Кому вы об этом рассказали?" А вопрос "Для чего (или, еще лучше,
зачем) ты это сделала?" (Очень незамысловатый) В затруднительных случаях просто
поставьте русское вопросительное слово в именительный падеж. Например, чем? и
чего? - это соответственно творительный и родительный падеж слова
что. Значит, вопрос будет начинаться с what. А кем?, кому?, кого? и так далее
- это разные падежи слова кто. Вопрос зачем? идентичен вопросам для чего?, то
есть вопрос тоже будет начинаться со слова что. Ваша задача заключается
только в одном: разыскать предлог, соответствующий нужному падежу, и поставить
его в конец. Например,
Чем вы едите суп?
Предложение начнется с what, а затем нам нужно будет поставить предлог таким
образом, чтобы what стал в как бы творительном падеже, то есть не "что вы
едите суп?" (странный вопрос), а именно "чем". Если вы не можете сразу
сообразить, каким предлогом выразить творительный падеж слова what, посмотрите
сначала на утвердительное предложение:
Я ем суп ложкой.
Здесь в творительном падеже стоит слово ложка. Как будет звучать это
предложение на английском языке?
I eat soup with a spoon.
Если вы в принципе не знаете, какой предлог в английском языке что выражает,
это, с одной стороны, грустно, потому что фокуса здесь не будет, предлоги
нужно учить; с другой стороны, это совершенно нормально: разве же их все
упомнишь? Постарайтесь запомнить сейчас, что творительный падеж чем? в смысле с
помощью чего? выражается предлогом with. Подробнее о предлогах читайте в главе
4. Значит, искомый предлог - wi th, а предложение будет звучать так:
What do you eat soup with?
К сожалению...
Предлоги (1)
...некоторые глаголы русского языка настолько непохожи на английские, что в
отдельных случаях у студента X не возникает и мысли о том, что в конец нужно
ставить какой-то предлог. Вот самые распространенные из таких случаев:
Какую музыку вы любите слушать?
Кого он ждет?

Что они ищут?
Все эти глаголы в русском языке - переходные. Это значит, что после них идет
существительное в винительном падеже безо всякого предлога.
Это точно такие же (в русском языке) глаголы, как, скажем, "читать", "видеть"
или "слышать".
Я читаю (кого? что?) книгу. - Что вы читаете?
I am reading a book. - What are you reading?
Он видел (кого? что?) большого кита. - Что он видел?
Не saw a large whale. - What did he see?
Я слышал (кого? что?) странный шум. - Что ты слышал?
I heard a queer noise. - What did you hear?
To есть при переходных глаголах, как и в русском языке, предлогов не бывает.
Беда только в том, что переходность и непереходность глаголов в разных языках
совпадает не всегда. Переходные в русском языке глаголы слушать, ждать, искать
в английском языке требуют предлогов:
to listen to
I like to listen to rock music.
to wait for
We're waiting for him.
to look for
He is looking for a job.
Эти предлоги никуда не денутся и в вопросительном предложении. О них нужно не
Забывать. What music do you like to listen to? Who is he waiting for? What are
they looking for?
К сожалению...
Предлоги (2)
...студент X часто забывает, о каком именно предлоге идет речь, и начинает
переносить в конец предложения все предлоги подряд. Например:
Are you waiting me for?
Do their parents look them after?
Этого делать не нужно. Безо всяких фокусов ясно, что в конец должен уходить
тот предлог, который относится к вопросительному слову и который стоял бы в
Я ищу (кого? что?) работу.

начале, если бы мы построили предложение по аналогии с русским языком. В
предложениях
Вы меня ждете?
Смотрят ли за ними их родители?
никаких предлогов в начале нет:
Are you waiting for me?
Do their parents look after them?
Здесь предлоги for и after относятся соответственно к те и them, а не к
вопросительному слову, которое здесь, кстати говоря, вообще отсутствует. Там они и
стоят: перед тем, к чему относятся.
Давайте поставим вопросы так, чтобы ответами на них являлось то, что
подчеркнуто в первоначальном утвердительном предложении.
Например,
Yesterday the teacher talked to his parents about his behavior.
Если подчеркнуто слово "yesterday," то нужно поставить вопрос:
Когда учительница говорила с его родителями о его поведении?
Рассуждаем. Предложение начинается с вопросительного слова когда: When...
После вопросительного слова нужно ставить альфу. Какое у нас время? talked -
это Pastlndf. Значит, альфа - did. When did...
После альфы идет подлежащее.
When did the teacher...
После подлежащего идет все остальное.
When did the teacher talk' to his parents about his behavior?
Если подчеркнуто "his behavior," то логичным будет вопрос - "О чем учительница
вчера говорила с его родителями?" Вопросительное слово "о чем?" образовано от
слова "что?". С него и начинаем:
What...
Альфа и подлежащее нам уже известны: What did the teacher. . .
Смело ставим все остальное:
What did the teacher talk to his parents...
А теперь нам нужно вспомнить, что первоначальный вопрос был не "что?", а "о
чем?". Пора ставить предлог "о". What did the teacher talk to his parents
about?
Выделенные слова как раз и порождают вопрос "о чем?". Теперь желательно
проверить, все ли стоит на своих местах, в соответствии со схемой:
Вопроситель-
ное слово
или слова
Альфа
Подлежащее
Все остальное в таком же
порядке, как в утверди-
тель ном предложении
Предлог,
относящийся к
вопроситель-
ному слову
What
did
the teacher
talk to his parents
about?
1. Почему talk, а не talked? Если колеблетесь, смотрите раздел 1.2.
Теперь, рассуждая точно так же, поставьте вопросы к следующим предложениям:
Не likes to listen to loud music. (Remember Tarzan!)
They are speaking about their plans.
He always writes with a fountain pen. (Remember Tarzan!)
My wife ate eleven snickers yesterday.
They rob banks twice a month.
I will buy ten packs of Whiskas for my darling Fluff.
Теперь, после того, как вы много раз проделали это устно (громко и отчетливо),
сделайте то же самое письменно и проверьте себя по ключу в конце учебника.

Последний вопрос должен был вызвать небольшую заминку. И в ключе есть два
варианта: who и whom. Что это значит?
Если вы не хотите сейчас вдаваться в подробности, можете этого не делать.
Можете вообще забыть о существовании whom в качестве вопросительного слова и
всегда ставить вместо него обыкновенный who, то есть поступать с who так
же, как с what, который никогда никак не изменяется. Если же вам интересно
узнать, в чем тут соль, можете прочитать...
Дополнение для студента У.
По идее, слово who выражает именительный падеж, то есть кто, а не кого, кому,
о ком, и так далее. То есть, казалось бы, в качестве вопросительного слова
должно бы фигурировать именно whom:
Для кого я куплю десять пачек Вискас?
Whom will I buy ten packs of Whiskas for?.
С кем я вас видел на той вечеринке?
Whom did I see you with at the party?
Но в практике языка, если к этому whom (то есть к whom как вопросительному
слову, стоящему в начале предложения) относится еще и предлог, то букву -т в
конце ставить нежелательно. Ее уже давно никто не ставит, кроме чрезмерных
языковых педантов. Who will I buy ten packs of Whiskas for? Who did I see you
with at the party?
Если же нет предлога, относящегося к who, то букву -т можно ставить. Но не
обязательно. Можно и не ставить. В современном языке есть тенденция
воспринимать вопросительное слово who как неизменяемое.
Кого он убил?
Who did he kill?
Whom did he kill?
Кого мы обсуждаем?
Who are we discussing?
Whom are we discussing?
Оба варианта правильны. Можно считать, что первый более разговорный, а второй
более литературный. Если вы - студент X, то я вам советую забыть об этих тон-

костях и ставить везде who, пока вы не почувствуете себя в языке достаточно
свободно и сможете удерживать в голове подобные детали, то есть пока вы не
станете студентом Y. Если вы уже студент Y, то попробуйте различать who и whom
и для этого сделайте следующие...
Упражнения
We are talking about you.
He bought this wonderful necklace for his wife. He abandoned his fiancee.
She loves her little brother.
He is looking for the princess.
He stole $ 1.000.000 from her.
He will love her for ever.
Вот еще УПРАЖНЕНИЯ, связанные с вопросами:
1. Не locked the back door with the brass key.
2. Everything depends on your behavior.
3. He drank four glasses of beer.
4. They will do away with him. (Здесь два предлога: away и with.)
5. She put on the red dress. (Настоящее время или прошедшее? Подумайте о
Тарзане .)
6. They are singing traditional songs to the guitar.
7. He doesn't want to understand her.
8. She forgot about their yesterday's quarrel.
9. He reminds her of her first husband.
10. He is apologizing to her for his misbehavior.
11. Love will find a way.
12. She is shouting at him again.
Правильные ответы будут ждать вас в конце публикации.
1.4. Очень важные дополнения
"The time has come," the Walrus said, "
To talk of many things:
Of shoes - and ships -
and sealing wax -
Of cabbages - and kings -
And why the sea is boiling hot -
And whether pigs have wings."
Lewis Carroll, Through the Looking-Glass
1.4.1.Вопрос к подлежащему
On Monday, when the sun is hot
I wonder to myself a lot:
Now is it true, or is it not,
That what is which and which is what?
A. A. Milne, Winnie-The-Pooh
Еще раз посмотрим на то же самое предложение:
Yesterday the teacher talked to his parents about his behavior.
Предположим, что на этот раз подчеркнуто слово the teacher, то есть Кто
говорил с его родителями о его поведении?
Начинаем рассуждать. Вопросительное слово Who...
Альфа:
Who did...
Подлежащее...
Стоп. А где подлежащее? В первоначальном утвердительном предложении это была

учительница - the teacher. Но мы как раз к ней-то и ставим вопрос, то есть в
вопросительном предложении слова the teacher быть не может: мы хотим услышать
это слово в качестве ответа, а не в вопросе:
- Кто говорил с его родителями о его поведении? - Учительница.
Где же подлежащее?
Если в утвердительном предложении подлежащее - the teacher, значит, в
вопросительном предложении подлежащим будет то, что заменило слово the teacher. Это
слово кто - who. Итак, who у нас подлежащее. И оно же у нас вопросительное
слово. В этом случае вопросительное предложение выглядит несколько иначе, чем
в случае, когда подлежащее не совпадает с вопросительным словом.
Посмотрим еще раз на схему:
Вопросительное слово + альфа + Подлежащее + . . . ?
А теперь представим себе, что у нас вопросительное слово переползло на место
подлежащего и срослось с ним. В этом случае предложение начинается
непосредственно с подлежащего (оно же вопросительное слово), и никакой инверсии делать
уже не нужно. Порядок слов будет точно такой же, какой был в первоначальном
утвердительном предложении: вопросительное слово, оно же подлежащее,
сказуемое, все остальное.
Who talked to his parents about his behavior yesterday?
Или, например, вопрос:
Кто ее любит?
Кто - это вопросительное слово, и оно же здесь подлежащее:
Who loves her?
А в предложении "Кого она любит?" вопросительное слово не совпадает с
подлежащим. Вопросительное слово - who(m), а подлежащее - she:
Who(m) does SHE love?
Эти случаи необходимо различать. Например:
Не waited for her on the street.
They live in a large beautiful house.
Her fiance is hunting for her money.
Her husband will kill him.
He забудьте, что who в качестве вопросительного слова всегда согласуется с
единственным числом, а не со множественным.
1.4.2. Модальные глаголы
"Got just one hundred and one, five months
and a day.
"I can't believe that!", said Alice.
"Can't you?" the Queen said in a pitying
tone.
"Try again: draw a long breath, and shut
your eyes."
Lewis Carroll, Through the Looking-Glass
Есть такие специальные глаголы, например can, may, must, should, на которые не
распространяется ничего из того, что мы говорили о временах. По той простой
причине, что они - так называемые модальные. Посмотрим, как себя ведут
модальные глаголы на примере глагола сап. Во-первых, у этого глагола нет
никаких времен: ни Prlndf, ни Pastlndf, ни PrCont, ни Futlndf. У него есть только
два времени: present и past. Соответственно, только две формы: сап и could.
Вот как он выглядит в Present:

I can
We can
You can
It can
He can
They can
She can
А вот как в Past:
I could
We could
You could
It could
He could
They could
She could
Видите? Он действительно никак не изменяется. Ни по лицам, ни по числам.
Только по двум временам, ни одно из которых не является тем, что бывает у
нормальных глаголов.
Более того: сап никогда не бывает сам по себе. Он всегда требует после себя
голого инфинитива.
I can swim.
Не can read and write Chinese.
You can make it if you try.
И, наконец, самое главное. В предложении любой модальный глагол (неважно, в
Present или в Past) всегда является альфой.
Значит, как мы поставим отрицание в предложения:
I can swim across the Channel.
We can do without food and water for a few weeks.
He can easily beat Arnold Schwarzenegger.
I could drink three bottles of whisky without getting drunk.
She can cook and wash the dishes ten times a day.
They could run faster than the cheetah.
Правильно. Во всех этих случаях отрицательная частица not пойдет, как всегда,
сразу после альфы, то есть сразу после can (could). Обратите только внимание
на то, что в случае сап (и только в этом случае) частица пишется слитно с
глаголом :
Не cannot easily beat Arnold Schwarzenegger. Actually, he cannot beat him at
all.
Или, в сокращенной форме, can't. (Пожалуйста, произносите это слово как
[ka/ent]).
She can't cook and wash the dishes ten times a day. She can't cook and wash
the dishes three times a day, either.
Теперь поставим к этим же предложениям Yes-No Questions, не забывая о том, что
сап - это альфа.
Студент X не забыл, что сап - это альфа, но он забыл некоторые другие
подробности. Посмотрите, какие вопросы он задал, и исправьте его ошибки.
1. Can you swim the Channel across?
2. Can we to do without food and water for a few weeks?
3. Can he easily beats Arnold Schwarzenegger?
4. Could I drank three bottles of whisky without getting drunk?
5. Can she cooks and washes the dishes ten times a day?
6. Could they ran faster than the cheetah?
Это весьма типичные ошибки для студента X, а иногда и для студента Y. В (1) он
опять (см. раздел 1.3) унес в конец предлог, который не относится к
вопросительному слову (хотя бы потому, что здесь нет вопросительного слова). Across
относится к the Channel, и перед ним он и должен стоять:
Can you swim across the Channel?

В (2) он забыл, что инфинитив после модальных глаголов всегда бывает голым:
Can we do without food and water for a few weeks?
В (3) его преследовал превратно истолкованный призрак Тарзана. Раз в
подлежащем стоит he, студент X готов ставить -s к чему попало. Не нужно этого делать.
Глагол to beat стоит здесь не в качестве сказуемого времени Prindf, к которому
полагается приклеивать -s, а в качестве голого инфинитива после модального
глагола сап:
Can he beat Arnold Schwarzenegger?
В (5) приключилось аналогичное недоразумение. Раз в предложении есть прошедшее
время, значит, думает студент X, все подряд нужно ставить в прошедшее время.
Однако глагол после модального идет не в каком бы то ни было времени, а (не
устаю повторять) в голом инфинитиве:
Could you drink three bottles of whisky without getting drunk?
Ошибка в (5) идентична ошибке в (3) , а ошибка в (6) - ошибке в (4) :
Can she cook and wash the dishes ten times a day?
Could they run faster than the cheetah?
1.4.3. Глагол TO HAVE
America and England are two great nations
separated by the same language.
Bernard Shaw
С этим глаголом связаны самые стойкие предрассудки. Посмотрите на предложение:
This woman has four children.
А теперь задайте к нему вопрос так, чтобы ответом было слово four, то есть:
Сколько у нее детей?
Существует вероятность, примерно двадцать к одному, что ваш ответ будет:
How many children has this woman?
Это никак нельзя объяснить рационально. Только что мы с вами усвоили, что
после вопросительных слов идет альфа. Мы видим, что предложение "This woman has
four children" сказано во времени Prlndf. Мы знаем, что в этом времени альфой
является do/does. Мы также видим, что to have - это не модальный глагол. Мы,
следовательно, понимаем, что предложение по правилам должно бы звучать как
How many children does this woman have?
И все равно мы упорно ставим have перед подлежащим, где полагается находиться
только альфе, повинуясь тому же самому предрассудку, который заставляет нас
лепить прямо к have отрицательную частицу not:
She hasn't any children,
в то время как мы должны были бы помнить, что not ставится исключительно к
альфе, а не к смысловому глаголу:
She doesn't have any children,
(или: She has no children.)
Студента X я прошу раз навсегда запомнить: глагол to have ничем не отличается
от прочих немодальных глаголов.
Это такой же глагол, как to live, to look, to wait, to love или to like.
Соответственно, он подчиняется тем же самым правилам.
She has four children. Does she have four children? How many children does she
have? They had a large house at the sea-side. Did they have a large house at
the sea-side? What did they have at the sea-side? Where did they have a large
house? etc.
А любознательный студент Y может прочесть очередное...

Дополнение для студента Y
В так называемом Британском языке глагол to have имеет два способа
употребления. В некоторых случаях он употребляется так, как полагается по изложенным
выше правилам:
I didn't have breakfast in the morning.
Do you have a headache?
А в некоторых случаях - так, как вы почему-то все время стремитесь его
употреблять , то есть, как если бы он был модальным глаголом и в предложении
поэтому являлся бы альфой:
Have you a dog?
I haven't any idea;
Отличить, в каком случае требуется который из способов обращения с этим
глаголом, в принципе можно. Желающих потратить на это свое время и силы я отсылаю к
великолепному учебнику Классического Британского Языка, написанному г-ном
Eckersley.
Я использую слова "так называемый" отнюдь не из пренебрежения, а просто
потому, что никакого Чисто Британского языка не существует. Подробнее об этом
читайте во втором томе. В школе вы учите так называемый Русский Британский, или,
шире, Русский Английский (официальный термин, употребляемый американскими
методистами: Russian English), и это порождает известные Затруднения.
Те же из вас, кто хочет говорить на американском языке, должны навсегда
забыть, что существует возможность обращения со смысловым глаголом to have как с
альфочкой во временах Prindf и Pastlndf. Это не модальный глагол. Это не
вспомогательный глагол. Это смысловой глагол. А альфочка в этих временах
do/does/did.
Кстати, представим себе, что вы попали в Англию. Британцы не любят, когда на
их языке говорят неправильно. И вот вам нужно задать вопрос со смысловым
глаголом to have. На случай попадания в эту страну вы выучили сто восемьдесят две
тысячи случаев отличия Have you?.. от Do you have?.. - но, как всегда, в
экстремальной ситуации непосредственного общения думать об этом вам некогда, и вы
говорите:
Have we the business lunch at three?
Какой ужас, ведь по британским правилам нужно было спросить "Do we have"! И
вот ваши будущие партнеры по бизнесу смотрят на вас с подозрением, начало
контакта неудачно, деловое сотрудничество погублено в самом зародыше.
А теперь предположим, что вы сделали противоположную ошибку.
Do you have any further suggestions? - спросили вы, когда по тем же самым
таинственным правилам нужно было спросить Have you...? "Ладно, - думают
англичане, - он говорит по-американски. Плохо, конечно, но ничего страшного".
Видите? Все одно к одному. Не нужно спрашивать "Have you...?" - можно
совершить роковую ошибку. Спрашивайте "Do you have...?" - и не ошибетесь никогда.
А теперь, конечно...
Упражнения
His wife has the largest Persian cat in the world.
We had one hundred mice at our country house last summer.
They have seven meals a day.
This adventurer had a wife in every town.
The pirats had the famous parrot as a member of the crew.

1.4.4. Глагол ТО BE
"It's very beautiful," said the priest...
"But it's the wrong shape."
"What for?" asked Flambeau, staring. "For
anything."
G. K. Chesterton, The Wrong Shape
Все ошибки с глаголом to be допускаются только по невниманию.
Вот, например, что из нижеследующего, по-вашему, правильно:
1. Did you be to the sea-side last summer?
2. Were you to the sea-side last summer?
3. Did you were to the sea-side last summer?
4. Do you are crazy?
5. Do you be crazy?
6. Are you crazy?
Варианты (3) и (4) должны отпасть сразу же: глагол после альфы идет в голом
инфинитиве, а не в том, что написано в этих двух предложениях. Но вот (1) и
(5) выглядят на первый взгляд вполне корректно: альфа, подлежащее, голый
инфинитив. Но дело в том, что глагол to be сам по себе - альфа. Мы говорили об
этом в разделе 1.1.
Следовательно, правильные предложения - только (2) и (6).
Is your husband BE at home?
Итак: если глагол to be стоит в формах am, are, is, were, was, то есть
находится во временах Prlndf или Pastlndf, он всегда бывает альфой, со всеми
вытекающими отсюда последствиями.
Упражнения
1. We are in this house all alone.
2. I am against her crazy plan.
3. Her husband was a decent man.
4. Our partners are not sure of our reliability.
5. He is up to something dangerous.
6. You were in a bad mood at the party.
Если подчеркнуто все предложение, это значит, что вопрос нужно поставить так,
чтобы ответом было "да" или "нет".
Прежде чем смотреть ключ, обратите внимание на некоторые тонкости. В (1) и (6)
вторые вопросы относятся ко всему обстоятельству, вместе с предлогом, то есть
вопрос нужно задавать не "в чем?" или "на чем?", а "где?" и "когда?". Нужно ли
при этом ставить предлог в конце? Поразмыслите над этим. В (3) , во втором
вопросе - "каким человеком был ее муж?" - куда, интересно, вы поставили слово
"человек"? В (4) после слова sure стоит предлог of. Мне почему-то кажется, что
вы все равно поставили in. Если это не так, то тем лучше для вас. А если так,
то подумайте еще раз: можно ли ставить тот предлог, который приходит в голову,
если в исходном предложении уже есть нужный предлог? Предложение (5) можно
перевести как "он замышляет что-то опасное". Интересно, вы обратили внимание на
то, что там два предлога?
1.4.5. Вопрос с отрицанием
Isn't it funny How a bear likes honey?
A. A. Milne, Winnie-The-Pooh

Нет ли у его жены самого большого в мире персидского кота?
Разве он не уехал еще на прошлой неделе?
Не было ли у него жены в каждом городе?
Разве ваш папа не миллионер?
Не было ли у нас сотни мышей на даче прошлым летом? и так далее.
Студенту X все должно быть ясно. Куда ставится частица not? - Сразу после
альфы . Значит...
Doesn't his wife have the largest Persian cat in the world?
Didn't he go away last week?
Didn't he have a wife in every town?
Isn't your father a millionaire?
Didn't we have one hundred mice at our countryhouse last summer?
etc.
Это совершенно правильно. Существует, однако...
Дополнение для студента Y
(стилистическая тонкость)
Если вы хотите, чтобы ваш вопрос Звучал официально, или если вы хотите придать
ему пафос - поставьте "not" после подлежащего. Фонетическое ударение ставится
на "not".
Did he NOT have a wife in every town?
(Выдержка из речи прокурора на процессе многоженца.)
Did he NOT go away last week?
(Почему же я вчера видел его в театре с моей женой?)
Did we NOT have one hundred mice at our country-house last summer?
(И ты, дорогой, хочешь, чтобы я и этим летом поехала в подобную дыру?!)
Is your father NOT a millionaire?
(А я-то собирался на вас жениться!)
Does she NOT have the largest Persian cat in the world?
(И после этого ее муж хочет завести дворнягу!)
Теперь можно, наконец, вернуться к самому началу первой главы и внимательно
посмотреть на вопросы, которые студент X задал на первом занятии, когда он еще
ничего не знал.
Вопрос (1) задан абсолютно правильно. Это единственный правильно поставленный
вопрос.
В вопросе (2) сделана классическая ошибка на глагол to have. Если вы в чем-то
не уверены, перечитайте подраздел 1.4.3.
В (3) студент X решил, что married - это такой глагол, в то время как это
причастие . А с помощью чего в предложении причастия приделываются к подлежащему?
См. подраздел 1.1.1.
В (4) он вообще нарушил структуру вопроса. После вопросительного слова должна
быть альфа (как вы думаете, какая?).
Вопрос (5) он задал в некоем несуществующем времени. Нет такого времени в
английском языке, чтобы смысловой глагол в форме то ли голого инфинитива, то ли
Prlndf следовал за глаголом to be.
Вопрос (6) формально звучит правильно, но время использовано не то. Здесь
следовало употребить The Present Perfect Continuous. Почему? Читайте дальше.
(7) - та же ошибка, что ив (4).
(8) - студент X перепутал единственное и множественное число.
(9) и (10) - в том же несуществующем времени, что и (5).
(11) - модальные глаголы не согласуются с do. Они сами - альфы (см. подраздел
1.4.2)
(12) small - это не глагол, а прилагательное. (Следовательно?..) Теперь
исправьте все (кроме вопросов (1) и (6)) сами и проверьте себя по ключу.

А теперь Упражнения на все виды вопросов.
Давайте рассмотрим некоторые известные пословицы и поставим к ним вопросы
(заранее предупреждаю, что за смысл и мораль пословиц автор ответственности не
несет и заключенный в них пафос сплошь и рядом не разделяет).
1. The early bird catches the worm.
2. Curiosity killed the cat. (Те, кто приводит эту пословицу в назидание
любопытным, обычно забывают, что у нее есть и вторая часть: "Satisfaction brought
him back.")
3. Desperate diseases call for desperate remedies.
4. Dog doesn't eat dog. (Постарайтесь не запутаться, кто кого не ест.)
5. Every dog has its day. (He забудьте, пожалуйста, что вам известно про
глагол to have.)
6. Every family has a skeleton in the cupboard.
7. Haste makes waste. (Это можно перевести приблизительно как "поспешишь -
людей насмешишь". Подумайте об этом. Не спешите, рассуждайте, анализируйте как
следует и учитывайте все, что уже было сказано.)
8. Hawk will not pick out hawks' eye.
9. Necessity is the mother of invention.
10. The road to hell is paved with good intentions.
11. A rolling stone gathers no moss.
12. Time is money.
13. Walls have ears.
14. You cannot make a silk purse out of a sow's ear.
15. You cannot make an omelette without breaking eggs.
ГЛАВА 2. УПОТРЕБЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ВРЕМЕН
Thi s isn't cops'n'robbers, Johnny. For
Christ's sake don't think it is... It's like
controlled nuclear fission, in a way. We
could make a mistake and destroy ourselves.
Stephen King, The Mangier
Мы знаем, как строить предложение и задавать вопросы во временах PrCont,
Prlndf, Pastlndf и Futlndf, и мы в принципе Знаем, когда их употреблять.
Правила употребления этих времен можно найти в любом учебнике. Хотелось бы лишь
напомнить несколько основных идей.
2.1. Prlndf и PrCont
"As you remarked," said Carver, "it is not
always easy to know a wasp from a
bee."
G. K. Chesterton, The Man with Two Beards
Вы знаете, что Prlndf используется для описания "обычных, постоянных,
повторяющихся действий", a PrCont - для обозначения действия, происходящего в
момент речи, то есть в тот момент, когда мы произносим слова, описывающие это
действие.
I write five letters every day.
I am writing a letter now.
Однако существует целая куча случаев когда сложно определить, происходит
действие в момент речи или вообще (например, "У меня есть собака" - она вроде и

вообще есть, и в момент речи есть), а также случаев, когда действие
несомненно происходит в момент речи (например, "Я хочу спать"), но почему-то
полагается Prlndf, а не PrCont.
Дело в том, что некоторые глаголы никогда не ставятся во времена группы
Continuous. Слово "никогда" опять следует понимать условно, то есть "пока, для
нашего уровня, - никогда". Длинный список этих глаголов представлен во многих
пособиях, а основные принципы следующие:
В Continuous не ставятся:
а) глаголы, выражающие обладание и принадлежность: to have, to own, to ossess,
to belong, etc.
б) глаголы, выражающие чувственное восприятие: to see, to hear, to smell, to
taste, etc.
в) глаголы, выражающие умственную деятельность:
to know, to understand, to remember, to forget, etc.
г) глаголы, выражающие ваше отношение к чему-то: to want, to like, to love, to
hate, to dislike, etc.
К сожалению...
Если вы безо всякого списка, интуитивно, не чувствуете, какой глагол нельзя
поставить в Continuous, список вам не поможет. Во-первых, его невозможно
сделать исчерпывающим, во-вторых, многие из перечисленных глаголов все-
таки (в определенных значениях) могут употребляться в PrCont, в-третьих,
заучивание списков вообще мало чему помогает при изучении языков. Для развития
интуиции, необходимой для различения этих двух времен, воспользуйтесь фокусом.
Фокус 5
Сказуемое нужно ставить в PrCont в том случае, если его можно
переформулировать следующим длинным и громоздким образом: в данный момент я нахожусь в
процессе делания чего-либо, этот процесс протяжен и измерим во
времени.
Скажем, "Я сижу за столом". В данный момент я нахожусь в процессе сидения за
столом. Некоторое время назад я за него сел, а сейчас вот сижу. Когда-нибудь,
вероятно, встану. Мое сидение за столом занимает некоторое время, которое
можно измерить секундами, минутами или часами, а в наиболее тяжелых случаях -
сутками.
А вот, наоборот, "Я люблю мороженое". Я не "нахожусь в процессе любовного
отношения к мороженому", потому что это не процесс, его протяженность во времени
нельзя измерить. Это состояние души.
Если вы хотите узнать совсем короткий и глупый фокус, то в Continuous можно
ставить только те глаголы, с которыми можно сказать фразу "Я вот тут собираюсь
немножко... (посидеть за столом, поспать, поесть, побеседовать с вами)". Но вы
не можете сказать "Я собираюсь немножко полюбить мороженое" или "Я вот тут
собираюсь немножко похотеть спать". Значит, ни "любить", ни "хотеть" в
Continuous ставить нельзя. Этот принцип может также избавить вас от
затруднения, проистекающяго из того факта, что одни и те же глаголы в разном смысле
можно употреблять и в Prindf, и в PrCont. Например, глагол to smell...
a) В значении "пахнуть": The rose smells sweet.
Очевидно, что роза не находится в этом протяженном в времени и измеримом
процессе . Она просто пахнет. Точно так же, фраза "Я тут собираюсь немножко попах-
нуть..." представляется с трудом мыслимой. Одним словом, здесь to smell в
Continuous не ставится.
b) В значении "нюхать": I am smelling the rose.
А я вот как раз нахожусь в протяженном во времени и измеримом процессе нюхания
розы. "Я вот тут собираюсь немножко розу понюхать" звучит, конечно, смешно, но

грамматически оправданно.
Или глагол to think:
a) "Я думаю о вас" = "Я нахожусь в процессе думания о вас". Фраза "Я собираюсь
немножко о вас подумать" во всех отношениях хороша, значит, глагол "to think"
можно ставить в PrCont: I am thinking about you.
b) "Я думаю, что вы лжец". Фраза "Я тут собираюсь немножко подумать, что вы
лжец" лишена всяческой связности, следовательно, здесь to think нельзя
поставить в PrCont: I think you're a liar.
По этим примерам видно, что лучше пользоваться фокусами, чем зазубривать
списки, в которых так много исключений, случаев, под-случаев и спорных трактовок.
С другой стороны, как быть студенту X, если интуицию он так и не смог развить,
а фокус ему представляется слишком уж смешным и нелепым?
К счастью...
Ошибки подобного рода (как то: поставить в PrCont что-то, что нельзя ставить в
Continuous, а нужно ставить в Indefinite) встречаются исключительно редко. В
моей практике еще не было случая, чтобы кто-то вдруг сказал "I am wanting to
sleep". Обычно происходит как раз наоборот: все забывают о существовании
Continuous и начинают все подряд говорить в Indefinite.
What do you do? - I brush my teeth.
To есть: "Чем ты вообще, по жизни, занимаешься?" - "Да вот, зубы чищу. Тем и
живу". Посмотрите на следующие фразы:
My darling, what are you talking about?
John is sleeping;
Stop shouting. I'm trying to concentrate;
I am listening to you attentively, but I'm afraid you're not telling me the
truth;
He is watching the dancer admiringly;
Charles and Bob are eating the soup she cooked the day before yesterday;
и поразмыслите, как странно они будут выглядеть, если поставить их в
Indefinite. Некто не может понять, о чем систематически говорит его жена (what
do you talk about?), Джон профессионально занят сном (he sleeps), а еще кто-то
постоянно, изо дня в день пытается сосредоточиться (I try to concentrate);
мистер А регулярно слушает мистера В, а тот ему каждый раз лжет (I listen. . .
but you don't tell me the truth), и совсем плачевная участь Чарльза и Боба,
чьим "обычным, постоянным, повторяющимся действием" является поедание
позавчерашнего супа (they eat the soup...).
А вот те же самые глаголы в таком контексте, что употребление Indefinite
становится необходимым:
Darling, you meet Mr Smith every day. What do you talk to him about?
John sleeps so soundly that he can't hear the alarm clock and always comes to
work late.
Every time I try to concentrate, my neighbors start drilling the wall.
Don't ask me to listen to you! I always listen to you attentively, and you
never tell me the truth.
Instead of staying by me at night, my husband goes to the cabaret and watches
those dirty dancers!
As vegetarians. Bob and Charles never eat meat. All they eat is vegetable soup
and a few carrots.
Упражнения
Раскройте скобки и поставьте глагол либо в PrCont, либо в Prlndf.
1. Don't turn off the light, I (to read).
2. It (to rain) again. Thank God it (not, to snow).

3. He never (to come) to work on time.
4. Look, he (to smoke) again! I am afraid he (to smoke) too much.
5. I (not, to think) you're right.
6. You always (to need) money.
7. He usually (to spend) his money on women and liquor.
8. Don't interrupt him, he (to say) sensible things.
9. I (not, to know) how to love him.
10. Listen, Jesus, I (not, to like) what I see.
11. What's the buzz? Tell me what (to happen).
12. Surely you (not, to say) we (to have) the ressources to save the poor from
their lot.
2.2. Future indefinite
I won't be my father's Jack,
I won't be my mother's Jill.
I will be the fiddler's wife
And have music when I will.
Nursery Rhymes
Это время настолько просто, что хочется использовать его снова и снова. Лучше,
однако, им не злоупотреблять. В основном оно годится в двух случаях:
а) когда вы говорите об абсолютно непреложных фактах (Для студента Y: в этом
случае можно не обращаться к услугам Futlndf, а воспользоваться простым
Prlndf. Tomorrow is Friday и т.д.):
Tomorrow will be Friday.
My grandmother will be one hundred years old next week.
If you cool water down to 32 F, it will turn into ice.
For the benefit of Mr Kite There will be a show tonight On trampoline.
б) когда вы хотите выразить не просто будущее время, а обещание, готовность
что-то сделать и тому подобные изъявления воли.
I will repair your sewing-machine tomorrow (= promise to repair it tomorrow)
Will you do it for me? (= Are you willing to do it for me?)
Will I wait a lonely lifetime? If you want me to - I will.
As I write this letter, send my love to you, Remember that I'll always be in
love with you.
If there's anything that you want
If there's anything you can do
Just call on me and I'll send it along With love from me to you.
В остальных случаях рекомендуется употреблять оборот to be going to.
Многие полагают, что этот оборот всегда переводится как "собираться". Это
предрассудок. В некоторых случаях его действительно можно перевести как
"собираться" (I am going to throw a party on Saturday), но вообще to be going to -
обыкновенное будущее время, которое мы будем называть The Human Future
(человеческое будущее время), сокращенно HumFut. Чтобы навсегда расстаться с
мыслью, что оно означает исключительно "собираться", посмотрите на следующие
предложения:
Oh, it's half past nine! I am going to be late! Watch your steps, or you're
going to fall down.
He's going to catch a bad.
Cold, wearing nothing but a T-shirt in such weather.
Careful with the cups! The way you're handling them you're going to smash them
all!
Постарайтесь привыкнуть к тому, что это - основной способ образования будущего
времени. (Альфой является, естественно, глагол to be.)

Кстати...
Как вы думаете, почему в этом учебнике приводится такое количество цитат из
песен?
Посмотрите на студента X. Он вечно жалуется на плохую память: глаголы не
учатся, слова не запоминаются, правила забываются, а о предлогах вообще страшно
думать. Но он с детства знает одну песенку (если можно это так назвать) , то
есть не всю целиком, разумеется (память подвела), а одну-единственную строчку:
Polly put the kettle on...
Время от времени он машинально начинает мычать ее про себя, каждый раз на
разную мелодию, а чаще, за отсутствием музыкального слуха, вовсе без таковой. И
что же вы думаете? Студенту X обычно трудно бывает вспомнить такие
слова как to take, to give, to speak или to forget, он путает to know и to
want, он не подозревает, каких предлогов требует to look или to wait, но две
вещи он знает твердо: "чайник" - это kettle, а глагол to put в смысле "ставить
на огонь" - это to put on. Если бы у студента X имелась мало-мальская
способность к анализу, он из той же самой строчки извлек бы
еще одно полезное сведение, а именно, что вторая форма (Pastlndf) глагола to
put совпадает с первой. (Вы-то, в отличие от студента X, уже видите, что Polly
put - это прошедшее время, потому что в настоящем было бы Polly puts или
Polly is putting). Но нельзя требовать от человека слишком многого. Он уже
извлек из этой единственной строчки примерно столько же, сколько из остальных
пособий и словарей, вместе взятых, при этом не прикладывая никаких усилий.
А представляете, что было бы, если бы он напевал себе под нос не одну строчку,
а две или десять?
Точно так же, поклонники группы Uriah Неер твердо знают, какого предлога
требует глагол to look в значении "смотреть на" или что слово July (июль)
произносится именно [dsu'lai], а не ['dsuli].
Что из этого следует? А вот что.
Старайтесь непременно находить и записывать на свой магнитофон все песни,
цитаты из которых здесь приведены. И сами записи, и тексты к ним сейчас вполне
доступны (особенно "The Beatles"). Чтобы облегчить вашу задачу, в конце
учебника приводятся все названия цитируемых произведений в алфавитном порядке, с
указанием альбомов и года выпуска. Если вы даже при наличии текстов не
понимаете чего-то в этих песнях - не важно. Главное, чтобы у вас "навязли на ушах"
те места, которые мы здесь разбираем. Чтобы они преследовали вас, как
наваждение, чтобы вы мурлыкали их про себя в общественном транспорте, на улице, в
магазине, на работе, в лифте, чтобы вы напевали эти песенки или их разрозненные
куски, когда моете посуду, или выгуливаете собаку, или жарите котлеты, или
гладите пододеяльники. (Отсутствие у вас музыкального слуха не имеет никакого
Значения. Разъясните вашим близким, что английский язык важнее их эстетических
переживаний.) Эффективность подобного метода усвоения грамматики, лексики и
синтаксиса не знает себе равных; более того - боюсь, что это единственный по-
настоящему эффективный способ. Не учите списки: учите песенки. Не выписывайте
слова на карточки: учите песенки. Анализируйте их грамматически. И пойте их
все время, не обращая внимания на непонятные места (которые неизбежно
встретятся) . В связи с тем, что мы говорим о будущем времени, посмотрите, например,
на такую цитату:
You're gonna' lose that girl
If you don't take her out tonight,
She's gonna change her mind.
And I will take her out tonight
And I will treat her kind.
Gonna - это going to. О правомочности употребления подобных оборотов мы пого-

верим позже.
В первой и второй строчках звучит обыкновенное будущее время: один человек
информирует другого о том, что, по его мнению, произойдет (ты, мол, потеряешь
эту девушку и т. д.) . А вот в четвертой строчке он уже обещает, что лично он
будет делать, когда все произойдет так, как он только что описал. Если вы
сейчас скользнете взглядом по этому примеру и пойдете себе дальше, то в памяти у
вас останется, что есть, есть некая разница между going to и will, но вот
какая? Сейчас вы помните, а через два часа забудете. На язык же все равно
никакой going сам не приходит, потому что с детства мы говорим в лучшем случае
will, а то, не ровен час, и shall... Но вот если вы найдете эту песенку на
альбоме Help! да прослушаете ее раз тридцать, да как начнете подпевать, а
потом сами про себя мурлыкать. . . А там еще десятка два песенок, и в каждой
непременно есть и will, и going... Понимаете? Сначала анализ, потом повторение
(очень большое число повторений), а потом - автоматизм.
Имейте также в виду некоторые тонкости (преимущественно для студента Y):
а) глаголы перемещения (to go, to come, to leave, etc.) нежелательно ставить
после going. Вместо этого для выражения будущего времени (не обещания и не
непреложного факта) следует ставить их просто в PrCont:
I'm going to New York вместо I'm GOING to GO to New York
He's coming at 7 вместо He is GOING to COME at 7
I'm leaving right now вместо I'm GOING to LEAVE right now
б) если в предложении фигурирует какое-нибудь слово или словосочетание,
выражающее предположение, сомнение или неуверенность, то стилистически лучше
ставить здесь Futlndf, а не going;
I think we'11 be there on time.
I suppose he'll answer some of your questions. I doubt you'll manage the task.
Before this dance is through
I think I'll love you too.
If you need a shoulder to cry on,
I hope it will be mine.
Упражнения
Поставьте глаголы в подходящее будущее время.
1. Oh my sweetheart, I (to do) anything to win your love.
2. I don't think you (to pass) the exam.
3. Put on your coat: it (to be) cold today.
4. "Can you repair my bike?" - "Sure, I (to do) it right now."
5. I (to buy) some milk for the baby.
6. If you marry me, I (to give) you flowers every day.
7. (Your mother, to come) to see us tonight?
8. I (always, to be) here to help you whenever you need me.
9. I am not feeling well, so I (to stay) in bed.
10. Any time at all, All you've got to do is call And I (to be) there.
11. We (to stay) here for another fortnight.
12. What (you, to cook) for dinner?
13. I don't believe you (get up) on time.
14. I wonder what went wrong, I've waited far too long, I think I (to take) a
walk and look for her.
15. You (to lose) your money if you invest it there.
16. If you put on this hat, everybody (to laugh) at you.
17. The girl that's driving me mad (to go) away.
18. Baby, you can drive my car And maybe I (to love) you.

ГЛАВА 3. THE PRESENT PERFECT TENSE
The White Rabbit put on his spectacles.
"Where shall I begin, please your Majesty?"
he asked. "Begin at the beginning," the King
said gravely, "and go on till you come to
the end: then stop."
Lewis Carroll, Alice's Adventures in
Wonderland
3.1. The Present Perfect Tense
и The Past Indefinite Tense
"You should say what you mean," the March
Hare went on.
"I do," Alice hastily replied;-"at least -
at least I mean what I say - that's the same
thing, you know."
"Not the same thing a bit!" said the Hatter.
Lewis Carroll, Alice's Adventures In
Wonderland
Все, кто учил английский язык, помнят, сколько мучений доставляло различение
этих двух времен. Обыкновенное русское прошедшее время (ушел, пришел, дал,
взял, написал, нарисовал, поставил чайник) в английском языке
выражается двумя временами: The Past Indefinite Tense (Pastlndf) и The Present
Perfect Tense (PrPf), и разобраться, какое когда нужно употреблять,
практически невозможно, поскольку по-русски прошедшее время только одно, а никакого
PrPf нет и в помине. Так как мы тоже еще не сталкивались с PrPf, давайте для
начала вспомним, как он образуется:
I have
Смысловой глагол в так
наWe have
зываемой третьей форме:
You have
looked,
They have
+
liked,
She has
1
waited,
He has
lived,
It has
etc.
У правильных глаголов третья форма всегда совпадает со второй, а у
неправильных, к сожалению, не всегда.
Что здесь будет альфой? Вспоминаем раздел 1.1. Альфой является первый
вспомогательный глагол, а раз здесь вспомогательный глагол только один (to have),
значит, он и будет альфой:
Альфа = to have в форме have или has, в зависимости от того, что стоит в
подлежащем . Следовательно:
I have eaten the soup.
I have not (haven't) eaten the soup.
Have you eaten the soup?
К сожалению...
На этом месте у студента X уже начинается путаница. Здравствуйте, думает он,
только что выучили, что to have - это не альфа, и вот опять? Хоть бы фокус
какой показали...

Фокус 6
Хорошо бы, конечно, все всегда отдавали себе отчет, в каком именно времени они
говорят. Например, фраза She has a diamond ring
сказана в Prlndf, следовательно, to have там - смысловой глагол, а альфа там -
do (в форме "does" - remember Tarzan!), и, следовательно, Does she have a
diamond ring? She doesn't have any diamond ring. (= She has NO diamond ring.)
В то же время предложение
She has lost her diamond ring сказано в PrPf, и to have там - не смысловой, a
вспомогательный глагол, следовательно, он и есть альфа. А смысловой глагол там
- to lose в третьей форме. Has she lost her diamond ring? She hasn't lost her
diamond ring.
Одним словом, если вы будете говорить сознательно, никаких проблем с
различением этих двух глаголов to have (смыслового в Indefinite и вспомогательного в
Perfect) возникнуть не должно.
Студента X, который не всегда говорит сознательно, прошу иметь в виду
следующее :
1. Если вы сказали
Have you...?
Has he...?
Have we... ?
etc.
или
...haven't...
...hasn't...
то американоговорящий слушатель автоматически воспринимает это как Perfect и
начинает ждать, когда же наконец появится смысловой глагол в третьей форме.
Если он его не слышит, то бывает разочарован и не всегда способен
понять, что это вы такое сказали. И если вы, забыв то, о чем шла речь в
подразделе 1.4.3, спрашиваете в магазине:
Have you a smaller size? -
вы можете привести продавщицу в смятение. После Have you... она ждет что-
нибудь типа been, done, seen, а вы сразу ставите существительное. То же самое
с фразой I haven't money.
Что - haven't? Где смысловой глагол? Haven't lost, haven't earned or haven't
stolen this money? Слушатель в панике. Он не понимает, что вы сказали, потому
что haven't воспринимается как вспомогательный глагол, а не как смысловой.
2. И наоборот. Если вы сказали Do you have... ? Does he have... ?
или
... don't have...
... doesn't have...
то не забудьте, что после этого полагается ставить существительное, а не
глагол в третьей форме, потому что вы говорите в Indefinite, а не в Perfect.
Упражнения
(для тех, у кого есть трудности с глаголом to have)
Поставьте все мыслимые вопросы к следующим предложениям:
She has broken the blue china plate.
This cat has a long fuzzy tail.
I have bought these flowers for my girlfriend.
Her husband has forgotten to walk the dog.
She had a most ugly face.
They have goldfish and two parakeets.
He has stolen ten thousand dollars from his fiancee's father.
We have apologized to them for our mistakes.

А теперь самое интересное. Когда нужно употреблять PrPf, а когда Pastlndf?
Перед тем, как читать дальше, перечитайте или просто вспомните все, что вы
когда-нибудь видели, читали и знали о PrPf. Лучше всего обратиться к книге Кол-
пакчи "Дружеские встречи с английским языком", а также к учебникам Hornby,
Eckersley, Murphey и другим, сейчас вполне доступным. Там все изложено очень
хорошо.
К сожалению...
Вы сами знаете, что я имею в виду, говоря "к сожалению". Все уже много раз
прочитано, все понято, во всем разобрались, a PrPf почему-то все равно никак
не укладывается. Давайте попробуем сделать еще одно усилие.
Обычно все хорошо усваивают одно правило: что PrPf используют, когда человека
можно буквально ткнуть носом в результат. Например: Я взял карандаш (и вот он
у меня в руке). I have taken the pencil.
Она положила лук в суп (и вот он там плавает). She has put the onion into the
soup.
Он разбил стакан (и вот лежат осколки). Не has broken the glass.
Во всех трех случаях картина очень зримая: вот карандаш в руке, а вот
лук в супе, а вот осколки на полу. К этому же случаю относится такой
формальный признак PrPf, как слова "только что", "уже" и "еще":
She has just put the onion into the soup.
She has already put the onion into the soup.
Has she put the onion into the soup yet?
She hasn't put the onion into the soup yet.
Однако PrPf отнюдь не исчерпывается этим, таким зримым и наглядным,
случаем. Сплошь и рядом можно слышать, как кто-то вдруг заявляет I've been to
Paris; He has never seen whales; I've met her a few times или что-нибудь еще,
такое же непонятное с точки зрения употребления времен. Как же все-таки
понять, где перфект, а где не перфект?
Давайте сначала выясним, когда PrPf употреблять нельзя. Это сразу устранит три

четверти проблем: случаев, когда PrPf употреблять нельзя (а нужно употреблять
Pastlndf), целых три, так что предложение всегда можно будет подогнать под один
из них.
Вот эти три случая:
1. Когда есть указание на время, которое уже прошло,
yesterday,
last year.
this morning (Если утро уже прошло),
a minute ago,
when I was seventeen,
when I was to Paris,
when I was in school,
when I talked to him last time.
in spring (Если уже не весна),
in April (Если уже май, июнь и так далее)
и так далее, до бесконечности. Во всех этих случаях PrPf не употребляется.
Yesterday all my troubles seemed so far away.
I married Isis on the fifth day of May.
Was I so unwise the night before?
When I held you near,
You were so sincere.
Treat me like you did the night before.
Last night I said these words to my girl.
When I was younger, so much younger than today, I never needed anybody's help
in any way.
2. В случае связного рассказа.
This happened once before
When I came to your door, no reply.
They said it wasn't you,
But I saw you peep through your window.
I saw the light.
In the town where I was born
Lived a man who sailed to sea,
And he told us of his life
In the land of submarines.
So we sailed up to the sun
Till we found the sea of green
And we lived beneath the waves
In our yellow submarine.
Woke up, fell out of bed,
Dragged a comb across my head,
Found my way downstairs and drank a cup
And looking up I noticed I was late.
Found my coat and grabbed my hat
Made the bus in seconds flat
Found my way upstairs and had a smoke
And somebody spoke and I went into a dream.
Now somewhere in the black mountain hills of Dakota
There lived a young boy named Rocky Raccoon.

And one day his woman ran off with another guy,
Hit young Rocky in the eye. Rocky didn't like that
He said, "I'm gonna get that boy."
Внимание!
Связный рассказ вовсе не обязательно должен повествовать о седой старине и
начинаться словами "Once upon a time." Под "связным рассказом" подразумеваются
любые связанные между собой предложения, которые по-русски говорились бы в
прошедшем времени. Вернемся опять мыслями к луку и супу. Если мы говорим "она
положила лук в суп" (и вот он там плавает) - это, возможно, перфект. Но если
"она положила лук в суп и закрыла кастрюлю крышкой" - то это
ни в коем случае не перфект, независимо от того, плавает там лук или не
плавает. Это уже рассказ (а значит, Pastlndf).
"Он разбил стакан" (и вот валяются осколки) - возможно, PrPf. "Он разбил
стакан и громко выругался" - рассказ, то есть не PrPf (a Pastlndf).
Короче: если появляется последовательность действий (хотя бы двух), никакого
PrPf употреблять уже нельзя. Точно так же, рассказом считается любое описание
действий, совершенных в прошедшем времени. "Она положила лук в суп, ворча на
кухарку, и разбрызгивая жир по стенам" - это рассказ, то есть не перфект. "Он
разбил стакан на тысячу осколков, переливающихся в лучах восходящего солнца" -
тоже не перфект, независимо от зримого результата в виде лука, плавающего в
супе, и осколков, валяющихся на полу.
Другими словами, все, что не является протокольной констатацией свершившегося
факта вне его связи с другими событиями, - это связный рассказ. (Отсюда еще не
следует, что все, что является "протокольной констатацией свершив шегося факта
вне его связи с другими событиями", - это непременно перфект. Сейчас мы пока
выясняем, когда нельзя использовать PrPf, а не когда можно его использовать).
Описание действия или упоминание связанного с ним другого действия сразу
превращают констатацию в рассказ и исключают всякую возможность использования
PrPf.

3. Когда результат аннулирован.
То есть, я положил лук в суп, но его кто-то выловил и съел. Значит, он там уже
не плавает. Значит, в предложении "Я положил лук в суп" я не могу использовать
PrPf.
Я взял карандаш (и вот он у меня в руке) ; Я потерял ключ (и не могу попасть в
квартиру)- в этих случаях вы используете перфект потому, что налицо результат,
в который можно ткнуть носом (он указан в скобках). Получается I have taken а
pencil. I have lost the key.
Но если потом произошло что-то, что аннулировало этот результат, никакого PrPf
использовать уже нельзя: Я взял карандаш (но потом положил его на стол): I
took a pencil. Я потерял ключ (но вскоре нашел): I lost the key.
Put away your sword,
Dont' you know that it's all over?
It was nice but now it's gone.
It was beautiful but now it's sour.
Then I was inspired
Now I'm sad and tired.
Теперь посмотрите, можно ли использовать PrPf в следующих примерах (нужно ли
его использовать - это другой вопрос).
1. Дорогая, посмотри на меня! Я купил новую шляпу.
2. Я купил новую шляпу на прошлой неделе.
3. Ты купил себе новую шляпу?
4. Я шел по улице, увидел в витрине эту шляпу и не удержался, купил.
5. Я купил шляпу, но продал ее своему шефу.
6. Я купил шляпу, но хочу продать ее шефу.
7. Я купил эту шляпу сегодня утром.
8. Я не хочу в кино. Я был в кино позавчера.
9. Я не хочу в кино. Я был в кино на этой неделе.
10. Я был в кино сто тысяч раз.
11. Он съел весь суп?
12. Он пришел голодный, съел весь суп и улегся спать.
13. Он съел две тарелки супа, зажав ложку в кулаке и громко чавкая.
14. Он был женат четыре раза.
15. Он никогда не был женат.
16. Он был женат до позапрошлого года.
17. Он был женат, когда мы с ним познакомились.

18. Она опять разбила тарелку.
19. Она разбила тарелку, когда мыла посуду.
20. Она споткнулась, уронила тарелку и разбила ее.
21. Я сварил огромное количество борща.
22. Я сварил огромное количество борща, а он пришел и съел абсолютно все.
23. Я еще в пятницу сварил огромное количество борща.
Очевидно, что PrPf нельзя использовать в следующих предложениях: (2) - потому
что "на прошлой неделе", время, которое уже прошло. (4), (12) и (20) - потому
что это рассказ (последовательность действий) . (5) - потому что
произошло действие, аннулировавшее факт покупки. (7) - потому что "сегодня утром"
- это тоже время, которое прошло.
(8) - потому что "позавчера". (13) - потому что присутствует описание
действия, то есть это тоже рассказ. (16) - потому что указывается время, которое
прошло. (17) - тоже потому, что указывается время, которое прошло, хотя и не
таким явным образом ("когда мы с ним познакомились"). (19) - то же самое
("когда мыла посуду"). (22) - произошло действие, аннулировавшее факт наличия
сваренного борща. (23) - указание на время, которое прошло ("в пятницу").
В остальных предложениях ничто явно не указывает нам на то, что PrPf
использовать нельзя. Вероятно, можно. Вопрос только в том, нужно ли.
Итак: в первую очередь нужно выяснить, нет ли чего-нибудь, что запрещает нам
использовать PrPf. Если ничего такого нет, давайте же отвечать на вопрос,
нужно ли обращаться к услугам PrPf или можно и здесь обойтись Pastlndf.
В дальнейшем я не буду в каждом абзаце повторять, что сначала необходимо
убедиться, можно ли употреблять PrPf, и лишь потом, задаваться вопросом, нужно ли
его употреблять. Я надеюсь, что вы уже поняли, как именно расставляются
приоритеты .
Вот самое общее правило.
PrPf употребляется в тех предложениях, которые можно адекватно
переформулировать в виде предложений в настоящем иди будущем времени.
Другими словами, когда человек говорит одно, а имеет в виду нечто другое, или
не обязательно совершенно другое, а так, дополнительное, но обязательно
относящееся к настоящему или будущему времени. Можем назвать это правилом скрытого
смысла.
Например: вы пришли к знакомому в надежде, что он одолжит вам некоторую сумму.
А он вам говорит: - Вы знаете, я тут купил машину...
Это значит: "Нет у меня сейчас денег. Сам ищу, у кого бы занять". Вот такое
предложение как раз и переводится на английский язык с помощью PrPf.
- Уои know, I have bought a car...
Или :
Юная девушка собирается замуж. А ее матушка говорит ей про ее избранника: -
Душечка, он похоронил восемь жен!
Это значит: "Не выходи за него Замуж. Он и тебя похоронит. Такой уж он
человек" .
- Honey, he has buried eight wives!
Или:
Жена приходит домой и спрашивает мужа: - Почему ты не купил картошку?
Это значит: "Вот посмотри, теперь благодаря твоей лени и забывчивости мне не
из чего готовить ужин, и ты ляжешь спать голодным". (Или даже "Ты меня совсем
не любишь!")
- Why haven't you bought potatoes?
Или:
- Я надеюсь, вы дочитали "Мертвую Зону".
Это значит: "Могу я наконец получить своего Кинга назад?"
- I hope you have finished reading "The Dead Zone."

Или:
На вечеринке жена спрашивает мужа: - Сколько ты выпил?
Это значит: "Ты сможешь сам вести машину или мне придется сначала делать это
самой, а потом еще укладывать тебя спать?"
- How much have you drunk?
Разумеется, все эти рассуждения про перфект имеют смысл, только если мы не
забыли основной принцип: сначала отделяем те предложения, которые не могут быть
в перфекте, а потом уже начинаем применять правило скрытого смысла. Например,
если эти предложения в тех же самых контекстах имеют такой (лишь слегка моди-
фициров анный) вид:
- Я тут вчера машину купил...
- Он похоронил восемь жен перед тем, как его разбил паралич.
- Почему ты не купил картошку по дороге домой? (Надеюсь, все узнали указание
на время, которое прошло.)
- Я надеюсь, вы давно дочитали "Мертвую Зону".
- Сколько ты выпил, пока я танцевала?
то все это будет уже не перфект, и нас уже не интересует, что там
подразумевает говорящий, какой скрытый смысл он имеет в виду и в чем истинный пафос его
речи.
Кроме тех контекстов, в которые мы сейчас поставили предложения (I've bought а
car, He's buried eight wives, etc.), говорящий может подразумевать
неисчислимое множество других. Например, фраза
I have bought a car может также иметь скрытый смысл "Посмотрите, какой я
крутой!", или "Так что больше можете не считать меня неудачником", или "Слава
Богу, больше никогда не буду ездить на работу в метро", и так далее, до
бесконечности .
"Не has buried eight wives" может выражать не предостережение, а зависть
говорящего: "Надо же, а самого его ничего не берет!" или заинтересованность
следователя: "Пожалуй, пора им заняться".
"I hope you have finished reading 'The Dead Zone' " может означать "Наконец-то
я смогу обсудить с вами мое любимое произведение" или "Вот теперь можете
наконец начать читать Маркеса". Главное, что нам нужно понять, - это то, что
предложение ставится в PrPf именно в таком случае, при наличии скрытого смысла,
относящегося к настоящему или будущему времени.
Имейте также в виду, что возможен еще более простой случай: когда предложение,
сказанное в PrPf, открыто означает причину чего-то, происходящего в настоящем
или могущего произойти в будущем времени, и как причина, так и результат
декларируются вслух: I can't drive because I have drunk too much результат в
настоящем времени причина в PrPf.
I will never marry you because you've buried eight wives - результат в будущем
времени причина в PrPf.
Может быть, вы уже увидели, что это - просто вырожденный случай предыдущего
принципа. Вот, например, диалог:
- And who's gonna drive us home?.. Hey, Bob! Are you gonna drive us home?
- I can't drive. I've drunk too much.
Первая фраза в ответной реплике избыточна. Он мог бы ограничиться второй, и
все поняли бы, что он хочет сказать первую. "I've drunk too much" в этом
контексте как раз и означало бы "I can't drive."
Давайте посмотрим на 23 примера. Мы уже знаем, где точно не перфект. А где
может быть перфект? (1) - очевидный PrPf. Дорогая, посмотри на меня, правда, я
тебе нравлюсь в этой новой шляпе, я выгляжу в ней совсем иначе, и ты больше не
будешь говорить, что со мной стыдно выйти на улицу. (3) - может быть PrPf при
наличии соответствующего контекста. Если говорящий имеет в виду "Это что, на

тебе новая шляпа надета?", то это PrPf. Если же он задает вопрос к рассказу о
походе в Апраксин двор или поездке в Париж, то это не PrPf.
- Hi!
- Hi. How are you?
- Fine, and you?.. Oh! Have you bought a new hat?
(which means: "Do you really have a new hat on, or am I mistaken?")
Или:
- You know, this new flea market is something unbelievable. I was hanging
about there for three hours yesterday, looking for something to buy, and all I
finally bought was a $5 hat.
- Oh, did you buy a new hat?
(6) - то же самое. Если в контексте не появится ничего, что заставит нас
устранить PrPf (то есть указание на время или рассказ о том, как я ее покупал) ,
то это типичный PrPf. "I've bought a hat" в этом контексте означает "У меня
есть нечто, что я могу сплавить шефу". (9) - типичный, очень характерный PrPf.
Указание на время, которое прошло, совершенно исключается, потому что налицо
указание на время, которое еще продолжается ("на этой неделе").
Перфектом выражается причина (я был в кино на этой неделе) , а настоящим временем -
результат (я не хочу в кино).
Возможен был бы и такой диалог:
- Let's go to the cinema.
- Thank you. I've been to the cinema this week.
и собеседнику, если он не непроходимый тупица, уже становится ясно, что вы не
хотите идти в кино, потому что в данном контексте ваша фраза абсолютно
адекватна фразе "Я не хочу идти в кино. Я сыт по горло этими боевиками". Но если
вам кажется, что лучше это окончательно прояснить добавочной фразой "Я не хочу
идти в кино" (для особо непонятливых), можете это сделать. "Thank you. I don't
want to go to the cinema. I've been to the cinema this week." (10)
тоже характерный PrPf. Контекст может быть, например, таким:
- What can you know about movies? You can't tell good ones from bad ones: you
never even go to the cinema.
- Why, I've been to the cinema one hundred thousand times!
(which means: "I am not worse at understanding movies than you are.")
Или таким:
- Honey, where are we going today? Wouldn't you like to go to the cinema with
me? - I've been to cinema one hundred thousand times! (which means: "Think of
something better, darling. I'm fed up with your movies.")
(11) - если это не вопрос к рассказу, то это перфект. Подразумевается: "И что,
мне теперь нечего есть?"
- Has he eaten all the soup? (which means: "And there's nothing left for me?")
(14) - такой же случай, какой разбирался выше про человека, похоронившего
восемь жен. "He's been married four times". Теперь придумайте сами, что может
иметь в виду человек, говорящий такие слова:
1. I have washed my hands.
2. He has come back from Paris.
3. He has gone to Poland.
4. We have already written them two letters.
5. He has slept well.
6. She has had a nightmare.
7. I haven't written the address on the envelope.
8. You haven't salted the soup.
9. I haven't spoken to him.
10. He has smoked all my cigarettes.
11. Have you walked the dog?

12. He has broken the iron.
Вот примерные варианты, но у вас, конечно, могут быть сотни других:
1. I hope I can go to table now.
2. You can go see him if you want to.
3. We can't get in touch with him right now.
4. Now we can expect them to reply.
5. He'll be able to work properly today.
6. She is very nervous.
7. I can't mail this letter yet.
8. I can't eat it.
9. I don't know his opinion.
10. I have nothing to smoke.
11. Do I have to walk him now?
12. He can't iron his shirt.
Наоборот, постарайтесь выразить следующие контексты одной фразой в перфекте.
Например:
Very soon I'll have a lot of money, 'cause I'm coming into legacy = My rich
uncle has died.
или
What more explanation do you need? = I've already explained it to you one
hundred times.
1. There's a lot of dirty dishes in the sink.
2. Are you going to take the garbage out?
3. He won't be able to use his left hand for a few weeks.
4. I can recite this poem by heart.
5. I am looking for my dog.
6. Don't make such a noise, you're going to wake your mother up.
7. She was pretty, but now she looks so ugly.
8. There's milk on the floor.
9. Do you have to buy a new pair of spectacles now?
10. Where is your test-paper?
11. Can you describe the Eiffel Tower to me?
12. I can't speak to him about it again.
Вот что (примерно) должно было получиться:
1. You haven't washed the dishes.
2. You haven't taken the garbage out yet.
3. He has broken his left arm.
4. I have learned this poem.
5. My dog has run away.
6. Your mother has just fallen asleep.
7. She has changed.
8. Somebody has spilt the milk.
9. Have you broken your spectacles?
10. I suppose you haven't written your test-paper.
11. Have you been to Paris?
12. I've already spoken to him a lot of times
или что-нибудь в этом роде. Возможны варианты, например I have lost my dog
вместо (5) или Have you ever seen pictures of the Eiffel Tower вместо (11), но
в принципе получается одно и то же: PrPf выражает другими словами то же самое,
что выражено настоящим или будущим временем.
Теперь разберитесь, где следует употребить PrPf, а где Pastlndf в таком
диалоге :

Once Mrs Smith left her 5-year-old son at her neighbors' for the whole day,
'cause she had to be out. In the evening she comes after him, and has the
following conversation with the neighbor.
Neighbor (Mrs Brown): Well... I can't say I'm much satisfied with Tommy's
behavior.
1. Mrs Smith: Why?
2. Mrs В.: He (to break) my husband's favorite cup.
3. Mrs S.: Oh!.. How (it, to happen)?
4. Mrs В.: I (to tell) him not to take it, but he (to take) it anyway. Sure
enough, he (to drop) it and (to smash) it.
5. Mrs S.; I'm so sorry... I hope he (not, to do) anything else.
6. Mrs В.: Oh yes. He (to spill) ink onto the carpet.
7. Mrs S.: But why (you, to give) him the ink?
8. Mrs В.: I?! I most certainly (not, to give) him any ink. He (to open) the
drawer, (to find) the inkpot and (to start) fooling around with it.
9. Mrs S.: But where (to be) you?
10. Mrs В.: I (to be) in the kitchen. When I (to come) back to the room, I (to
see) the stain, and immediately (to take) the inkpot away from him. But it (to
be) too late.
11. Mrs S.: And... What else (he, to do)?
12. Mrs В.: He (to eat) all my shoe-polish. Just to think that I (to cook)
such lovely dinner, and he (to prefer) shoe-polish!
13. Mrs S. (terrified): What?.. What (you, to say)?
14. Mrs В.: (patiently): He - (to eat) - all my shoe-polish. But don't worry,
he (not, to eat) much: there wasn't too much left. Anyway, he (to eat) it a
long time ago, and nothing (to happen) yet.
15. Mrs S.: (you, to call) the doctor?
16. Mrs В.: No. There isn't anything wrong with the young bandit. Nothing can
harm such children. I only think you have to pay me for the cup he (to break),
the carpet he (to spoil) and the shoe-polish he (to waste).
Вот что должно было получиться:
2. Mrs В.: has broken
3. Mrs S.: did it happen
4. Mrs В.: told, took, dropped, smashed
5 . Mrs S.: hasn't done
6. Mrs B.: has spilt
7. Mrs S.: did you give
8. Mrs В.: didn't
11. Mrs S.: has he done
12. Mrs В.: has eaten, cooked, preferred
13. Mrs S.: did you say
14. Mrs В.: has eaten, hasn't eaten, ate, has happened
15. Mrs S.: did you call
16. Mrs В.: has broken, has spoilt, has wasted
Если что-нибудь вышло не так, давайте разбираться.
- Не has broken my husband's favorite cup. 2
Это значит: благодаря вашему сыну, у моего мужа больше нет (настоящее время)
его любимой чашки. Вот, мол, каков (в настоящее время) результат деятельности
вашего сына в нашей квартире.
- How did it happen? 3
Если вам не понятно, почему здесь не PrPf, то давайте посмотрим на следующую
реплику:
- I told him not to take it, but he took it anyway; sure enough he dropped it

and smashed it. 4
Как вы думаете, что это? Это, конечно, рассказ. Значит, вопрос How did it
happen - это вопрос к рассказу. Вопросы вида "как это случилось", "как так
вышло", "как это произошло" неминуемо ориентированы на рассказ, поэтому они и
задаются в Pastlndf.
- I hope he hasn't done anything else. 5
Это значит: я надеюсь, больше я не услышу (будущее время) ничего в таком же
роде и мне не придется (будущее время) опять краснеть.
- Oh yes. Не has spilt ink onto the carpet. 6
А как же. Посмотрите, какое пятно на ковре (настоящее время). Как мне его
теперь выводить? (Из русского предложения не видно, какое это время, но ясно: то
ли настоящее, то ли будущее.)
- But why did you give him the ink?! 7
Этот крик души никак не получится переложить в настоящее/будущее время. Это
вопрос, относящийся к тому, что уже произошло, и никакому предложению в
настоящем/будущем времени он не адекватен. Предложение Why have you
given him the ink? означало бы, например, "Почему у него в руках чернильница?"
или "Осторожно, он вас сейчас измажет!" Но тот факт, что ребенку когда-то дали
чернильницу, давно аннулирован тем, что ее у него уже забрали.
- I most certainly didn't give him any ink. 8
Ответ на предыдущий вопрос. Дальше начинается рассказ:
- Не opened the drawer, found the inkwell and started fooling around with it.
8 - But where were you?! 9
Имеется в виду "Где вы были, пока он это делал?" Это вопрос к рассказу.
Ответ миссис Браун - продолжение рассказа. 10
- And... What else has he done? 11
Что вы мне еще тут порасскажете? (Будущее время.)
- Не has eaten all my shoe-polish. 12
Да уж порасскажу. Где теперь мой крем для обуви? (Будущее/настоящее время.)
- Just to think that I cooked such lovely dinner, and he preferred shoe-
polish! 12
Это никак нельзя передать в настоящем/будущем времени. Это рассуждение по
поводу деталей того, что уже произошло.
- What... What did you say? 13
Здесь употребление Pastlndf может быть не совсем понятно. Нужно просто
запомнить, что вопрос "Что вы сказали?" всегда звучит как "What did you say?"
Миссис Браун терпеливо повторяет то, что она уже говорила. Говорила в
перфекте, поэтому и повторяет в перфекте, как дословную цитату.
-Не - has - eaten - all - my - shoe-polish. But don't worry, he hasn't eaten
much. 14
Нет никакой опасности для жизни, такое малое количество никому повредить не
может (настоящее время).
- There wasn't much left. 14
Факт того, что там было не так много, уже аннулирован последующими событиями:
все, что было, уже все равно съели.
- Anyway, he ate it a long time ago. 14
Указание на время, которое прошло.
- And nothing has happened yet. 14
И пока все нормально, посмотрите, какой он бойкий и резвый (настоящее время).
- But did you call the doctor? 15
Если бы вопрос был задан в PrPf ("Have you called the doctor?"), это означало
бы: "Должна ли я ожидать, что врач приедет с минуты на минуту?" (Будущее
время.) Из всего разговора очевидно, что с минуты на минуту врача ожидать не
следует, иначе' миссис Браун сообщила бы об этом давным-давно. Значит, вопрос

миссис Смит - это вопрос к рассказу. Она хочет узнать, не вызывала ли миссис
Браун доктора когда-нибудь в течение дня, а если вызывала, то приезжал ли он
или просто дал какие-нибудь рекомендации по телефону, а если не вызывала, то
почему. Это подразумеваемый рассказ, и переформулировке в настоящем/будущем
времени не подлежит.
- You have to pay me for the cup he has broken, the carpet he has spoilt and
the shoe-polish he has wasted. 16
Здесь налицо причина (в PrPf) и результат (в настоящем времени):
Broken
ч
Не
has
spoilt
YOU HAVE TO PAY
wasted
i
При разборе этого текста мы все время руководствовались одним и тем же
правилом:
1. Исключаем то, что не может быть в PrPf.
2. Смотрим, адекватно ли передается основной пафос нашего сообщения с помощью
настоящего/будущего времени. Единственное, что нам встретилось нового, это
фраза What did you say?
Вроде бы здесь ничто не мешает нам поставить ее в PrPf:
1. а) это не рассказ, б) указания на время, которое прошло, там нет, и в) того
факта, что вы что-то сказали, никто пока не аннулировал.
2. Если очень напрячься, ее можно переформулировать так: "Я буду признателен,
если вы повторите еще разок". Казалось бы, налицо все признаки перфекта. Тем
не менее, это не PrPf, a Pastlndf. Почему? Нипочему. Так сложилось в языке.
Запомните, пожалуйста, что следующие предложения всегда идут в Pastlndf:
What did you say? Что вы сказали?
I didn't understand.
I didn't get it. Я не понял.
I didn't catch it.
Рассмотрим еще несколько известных цитат. Если вы не знаете этих песен
наизусть, то расставьте времена сами (а потом уже смотрите ключи). Пожалуйста, не
забудьте, что у вас есть только два варианта:
Present Perfect и Post Indefinite. Не лепите туда других времен, там их нет.
1. I'm so tired, I (not. to sleep) a wink
I'm so tired, my mind is on the blink.
2. Well, my heart (to go) zoom
When I (to cross) that room
And I (to hold) her hand in mine
Oh we (to dance) through the night
And we (to hold) each other tight
And before too long I (to fall) in love with her.
3. You don't look different but you (to change)
I'm looking through you, you're not the same.
4. I (to lose) her now for sure
I won't see her no more it's gonna be a drag, misery.
5. I've got every reason on earth to be mad
'Cause I (to lose) the only girl I had.
6. She said you don't understand what
I said I said no no no you're wrong
When I was a boy
Everything (to be) right.
7. I try to reach for you but you (to close) your mind.

8. I (to pick up) his body and I (to drag) him inside
(To throw) him down in the hole and
I (to put) back the cover
I (to say) a quick prayer and I (to feel) satisfied
Then I (to ride) back to find Isis just to tell her I love her.
9. Now that you (to find) another key
What are you going to play?
10. And she said, "I (to swallow) a secret burning thread
It cuts me inside and often I've bled."'
11. And now the time (to come), and so,
my love, I must go.
12. When I'm walking beside her
People tell me I'm lucky.
Yes. I know I'm a lucky guy.
I remember the first time
I (to be) lonely without her.
13. I think I (to see) you somewhere I remember
You (to be) with that man
They (to take) away
I recognize your face.
Если у вас вышло что-нибудь другое, вернитесь к началу главы и перечитайте все
еще раз внимательно. Если вышло так, но вы не можете объяснить почему, лучше
тоже перечитайте всю главу с начала. Мы пока еще не можем рассчитывать на
интуицию, поэтому нам не мешает уметь анализировать то, что мы говорим.
И только если вы совсем отчаялись объяснить себе, почему где-то PrPf, а где-то
Pastlndf, вы можете прочитать следующий комментарий:
1. Налицо результат в настоящем времени: I'm so tired... my mind is on the
blink.
2. Рассказ.
3. Налицо результат в настоящем времени: You're not the same.
4. Налицо результат в будущем времени: I won't see her no more.
5. I have lost the only girl I had - это причина того, что I've got every
reason on earth to be mad, которое стоит в настоящем времени.
6. Указание на время, которое прошло, - When I was a boy.
7. You have closed your mind = I cannot reach you (правило скрытого смысла).
8. Рассказ.
9. Now that you've found another key = Now that you have another key (правило
скрытого смысла). К тому же наличествует результат в будущем времени: What are
you going to play?
10. I have swallowed a secret burning thread - по контексту ясно, что это
означает There is a secret burning thread inside me, потому что коль скоро It
cuts me inside, то ясно, что результат не аннулирован.
11. The time has come and I must go - это то же самое, что It is time to go
now.
12. Есть указание на время, которое прошло, а именно wihtout her (потому что
сейчас-то он уже with her).
13. I think I've seen you somewhere = Your face looks familiar to me или, как
сказано прямым текстом, I recognize your face. Далее следует рассказ о том,
где именно она его видела.
К сожалению...
По-моему, опять ничего не понятно. 'В самом деле: если каждый раз думать, что
там адекватно настоящему/будущему времени и искать "скрытый смысл", так лучше

вообще помалкивать. Еще скажешь что-нибудь не то...
К счастью...
В современном американском языке (особенно разговорном) есть тенденция
пренебрегать перфектом в том значении, которое было изложено выше. Посмотрите еще
раз на диалог про маленького Tommy, который устроил разгром в соседском доме.
Большинство американцев не стали бы употреблять там так много перфектов, а
удовольствовались бы простым Pastlndf. Не ate all my shoe-polish, сказали бы
они. Не spilled the ink onto the carpet. И так далее. Так что же
все зря? Зря разбирались, что там за таинственный скрытый смысл, зря искали
адекватные фразы, и вообще - зря учили, что альфочка в перфекте to have, и все
прочее? Отнюдь.
Во-первых, даже американцы непременно употребят перфект там, где скрытый смысл
так и выпирает, а тождественность настоящему/будущему времени очевидна.
Например,
Why haven't you washed the dishes?
Don't do anything! You have already done too much.
Во-вторых, есть случаи, когда перфект нужно употребить обязательно. Какие?
Расскажу чуть ниже.
Итак, суммируем сказанное. Пока что речь шла о классическом употреблении
перфекта. Британец скажет I have come here to apoligize for my behaviour, где I
have come логично означает "вот я здесь нахожусь", "вот я перед вами стою" и
так далее - I am here. В том же самом случае американец скажет I came here to
apologize for my behavior (Студент Y может заодно обратить внимание на разницу
в написании слова behaviour/or) , где I came говорит не о том, что это рассказ,
или что факт аннулирован, или что он пришел на прошлой неделе, а только о том,
что нормальный живой американец вообще склонен пренебрегать перфектом. И слава
Богу. Во всех сомнительных контекстах употребляйте, на Здоровье, Pastlndf.
Никто не обидится, даже если вы ошибетесь. Существуют более насущные случаи
употребления этого времени.
Все, что вы прочитали в этой главе, однако, не должно пропасть втуне. Это
поможет нам осмыслить третий, самый страшный случай PrPf.
3.2. PrPf и настоящее время
"Is that all?" asked Flambeau after a long
pause. "Have we got to the dull truth at
last?" "Oh, no," said Father Brown.
G. K. Chesterton, The Honour of Israel Gow
Название этой главы может вызвать удивление. Что значит "и настоящее время"?
Перфект - это "ушел-пришел", а настоящее время - "ухожу", "прихожу" и так
далее. Кто это будет их путать? Смотрим внимательно.
Listen Do you want to know a secret?
Do you promise not to tell?
Listen Let me whisper in your ear
Say the words you long to hear
I'm in love with you.
I've known the secret for a week or two.
Nobody knows, just we two.
Я специально привожу такую длинную цитату, чтобы все хорошенько поняли: речь
идет о настоящем времени. Хочешь знать секрет? Обещаешь никому не говорить?
Пока все нормально, все в Prlndf. Секрет заключается в том, что I'm in love

with you. Пока все хорошо. И по смыслу абсолютно ясно, что I've known the
secret for a week or two означает не "я знал секрет в течение двух недель", а
"я знаю секрет уже две недели": Настоящее время. Это становится еще яснее,
если мы посмотрим на следующую фразу: кроме нас, его никто не знает. Настоящее
время. A I've known, однако, выражено перфектом. Это еще что такое? Это и есть
новый случай употребления перфекта, такой, при котором у студента X перфект
путается с настоящим временем (Prlndf или, если студент X про него еще не
забыл, PrCont). Итак. Если ваше русское предложение в настоящем времени
подразумевает некий отрезок времени, начавшийся в прошлом, то нужно использовать не
Prlndf или Cont, a Present Perfect. Или, еще того не легче. Present Perfect
Continuous. О нем ниже.
Что значит "отрезок времени, начавшийся в прошлом"? Это значит:
Я люблю вас уже пятнадцать лет. Сейчас люблю, и пятнадцать лет назад уже
любил, и четырнадцать любил, и так далее. На протяжении всего пятнадцатилетнего
отрезка времени я вас любил и сейчас люблю.
I have been in love with you for 15 years. Сразу заметим, что этот перфект
неизбежен. Им никогда не пренебрегает даже самый американский американец. А
фраза I am in love with you for 15 years для англоязычного собеседника вообще
лишена смысла. Ее нельзя понять. То же самое относится к фразе "Я люблю вас с
1981 года". Сейчас люблю, и в 1981 году любил, и в 1982 любил, и - опять-таки
- все эти годы люблю.
I have been in love with you since 1981.
Я очень надеюсь, что такой длинный срок - пятнадцать лет - не наведет студента
X на мысль, что речь идет только о подобных экстраординарных случаях. "Я люблю
вас со вчерашнего вечера", "уже десять минут" и "с тех пор, как вы вступили в
права наследства" - это все один и тот же случай:
I have been in love with you...
since last night
for already ten minutes
since you came into legacy-
We cannot live apart,
That's the situation
I've known it from the start
- с самого начала знал и сейчас знаю.
Martha my dear you have always been my inspiration
- всегда была и сейчас остаешься.
I've been cheated by you since I don't know when
- с тех самых пор ты меня все обманываешь и обманываешь (и тогда, и потом, и
позавчера, и вчера, и сейчас).
Yes, I've been broken-hearted.
Blue since the day we parted
- с того самого дня у меня разбито сердце. И в тот день было разбито, и на
следующий, и во все последующие дни вплоть до сегодня. И сегодня разбито. И
так далее.
Все это несложно; единственное, что требуется, - не забыть об этом. С этой
целью выполните следующие...
Упражнения
От вас потребуется раскрыть все скобки, учитывая контекст.
1. "Do you know this man?" "Yes, I (to know) him well. I (to know him) since I
was born, that is, I (to know) him all my life."
2. "This winter is unusually warm. We (to have) no snow since December." "No,
that's not right. We (to have) snow on the 3rd of January."

3. "I see, you're still married to Jason. How long (you. to be) married?" "Let
me count. I (to marry) Jason in 1976... Gee, we (to be) married for 20 years!"
4. "Oh my, what a dress! When (you, to buy) it?" "A week ago. Actually, I
(not, to buy) it: John (to give) me this dress as a present. It was a big
mistake: for all this week I (to be) angry with him and I don't think we'll
make it up soon." "You mean, you (to be) angry with him since he (to buy) this
dress?" "Of course. I am not going to talk to him again until he buys
something better."
5. Listen Jesus, I don't like what I see All I ask is that you listen to me
And remember:
I (to be) your right-hand man all along.
You have set them all on fire
They think they (to find) a new Messiah
And they'll hurt you when they find they're wrong.
3.3. Present Perfect Continuous
By no stretch of fancy can the human mind
connect together snuff and diamonds and wax
and loose clockworh.
G. K. Chesterton, The Honour of Israel Gow
Студент Y, вероятно, заметил, что в этой главе я использую исключительно
глаголы to know, to be и to have. Дело в том, что практически все остальные
глаголы (кроме также to see, to hear и некоторых других) желательно в аналогичном
синтаксическом контексте ставить не в PrPf, а в Present Perfect Continuous
(PrPfCont).
Я намеренно не сообщаю вам список глаголов, не ставящихся в PrPfCont, чтобы
уберечь вас от соблазна учить списки: мы уже договорились, что это ни к чему
не приводит. Все вещи такого рода узнаются только постепенно, по мере
погружения в язык. Подробнее об этом - во втором томе.
Я надеюсь, вы догадались, что я подразумеваю под "аналогичным синтаксическим
контекстом": тот случай, когда речь идет о чем-то, что имеет место сейчас и
продолжалось на протяжении какого-то отрезка времени в прошлом. При этом
обычно используются слова since и for, а также always, а по-русски звучит
настоящее время.
Для начала: как это время образуется? Поиграем в конструктор. В названии
времени есть два слова, которые нужно как-то увязать: Perfect и Continuous. О чем
нам говорит слово Perfect? О том, что там будет to have (в настоящем времени -
потому что Present Perfect), а при нем глагол в третьей форме. А на какие
мысли нас наводит слово Continuous? Правильно. На мысли о том, что должен быть
глагол to be, а после него глагол в форме -ing. Например, мы хотим поставить в
это время глагол to do.
I have...
Начало положено: мы сделали заявку на перфект. Теперь нам нужно как-то
присобачить глаголы to be (потому что Continuous) и to do (наш смысловой). Если мы
после I have сразу поставим to do и получим I have done, то это будет
обыкновенный PrPf, никакого to be мы уже никуда не впихнем и никакого
Continuous не получится. Ага. В таком случае, ставим to be.
I have been...
А теперь сами поставьте сюда глагол to do в нужной форме. Здесь студента X, по
обыкновению, начинают терзать сомнения. А с чем теперь согласовывать to do? С
to be или с to have? Done или doing? Пусть он посмотрит внимательно. Наше
время называется The Present Perfect Continuous. The Present Perfect у нас уже

есть, мы его сделали, это I have been (все согласны, что I have been - это
PrPf?). Осталось сконструировать PrCont, для чего у нас уже есть
вспомогательный глагол to be (и нас не должно смущать, что он стоит в такой замысловатой
форме - он все равно останется глаголом to be, вспомогательным в PrCont!), а
значит, как к нему присобачивается смысловой глагол? Ну вот, разобрались.
Конечно же, в инговой форме.
I have been doing.
Если все-таки студент X регулярно забывает порядок образования этого времени
(что с ним может случиться) и конструирует чудовищ вроде I am having done,
пусть он использует (даже не логику - ладно уж, чего там) простой
мнемонический прием. Время называется PrPfCont, то есть в его названии идет
сначала Pf, а уже потом - Cont. В этом порядке и нужно осуществлять сборку:
сначала I have been (PrPf) , а потом уже к been смысловой глагол, чтобы
получился Continuous (не забыли еще, в какой форме?):
I have been loving you for 15 years;
We have been talking since morning;
They have been sleeping since the day before yesterday;
You have been living here since you were a little boy;
I'ue been wondering all about me
Ever since I saw you there,
но:
He has been dancing with her for two hours. (Remember Tarzan!)
Замечено, что когда начинается более или менее сложная грамматика, то простую
грамматику забывают не из-за обилия информации, а просто по небрежности. Мол,
что нам Тарзан, мы вот уже PrPfCont себе уяснили! Подозреваю тем
не менее, что для некоторых читателей внезапное появление has явилось
неприятной неожиданностью, вроде возвращения мертвеца из могилы. Общий принцип
гласит : ничего из того, что я говорю ниже, не отменяет ничего из сказанного мною
выше. Чем дальше, тем больше деталей нужно будет держать в голове и учитывать.
Очень простое...
Упражнение
Переведите, используя либо PrPf, либо PrPfCont:

1. Я не видел его уже два месяца.
2. Он ищет свою собаку с утра.
3. Они живут в этом городе с 1992 года.
4. Я знаю об этом с самого начала.
5. Они целуются уже минут двадцать.
6. Последние три года я продаю машины.
3.4. Самое интересное
"By the way, Holmes," I added, "I have no
doubt the connection between my boots and a
Turkish bath is a perfectly self-evident one
to a logical mind, and yet I should be
obliged to you if you would indicate it."
"The train of reasoning is not very obscure,
Watson," said Holmes.
Arthur Conan Doyle, The Disappearance of
Lady Frances Carfax
А теперь мы рассмотрим самый тонкий случай употребления перфекта. Сейчас от
вас потребуется держать в голове буквально все, о чем уже говорилось, - и про
скрытый смысл, и про отрезок времени, начавшийся в прошлом и продолжающийся до
сего момента. Для начала посмотрим на цитату:
But I feel I'm growing older
And the songs that I have sung
Echo in the distance.
Что бы это было? Скрытый смысл Здесь трудно найти. Можно выкрутиться, сказав,
что словосочетание "песни, которые я пел" имеет результат в настоящем времени
во фразе "отдаются эхом", но это как-то притянуто за уши.
Предположить, что имеются в виду "песни, которые я пел все это время и сейчас еще
пою", тоже не хочется, тем более что основная идея гласит "я чувствую, что
старею", то есть вряд ли по-прежнему пою. Я надеюсь, что поклонники "Deep
Purple" (а также других групп и авторов, чьи произведения разбираются в этой
главе), меня простят, если я поставлю изучение грамматики выше требований
такта и обойдусь с приводимыми текстами довольно цинично. Итак. В
"советские" времена часто звучало словосочетание "за отчетный период" (собрано зерна
с полей, выплавлено чугуна и стали на душу населения, произведено товаров
народного потребления). Если бы советские деятели говорили по-английски,
все это звучало бы в перфекте.
Правило: Все, о чем рапортуется как о проделанном за отчетный период,
говорится в одном из двух времен перфекта: либо в PrPf, либо в PrPfCont. Если сам
период вообще не упоминается (неопределенный период) - значит, речь идет
обо всей жизни или о последнем времени. Если период упоминается, то он должен
захватывать момент настоящего времени (this summer - если еще лето, today,
this week, etc.), в противном случае, как вы понимаете, начнется рассказ.
I have climbed the highest mountains
I have run through the fields
Only to be with you
I have run, I have crawled
I have scaled these city walls
Only to be with you
But I still haven't found what I'm looking for

I have kissed honey lips
Felt the healing in her fingertips
It burned like fire this burning desire
I have spoken with the tongue of angels
I have held the hand of a devil
It was warm in the night,
I was cold as a stone
But I still haven't found what I'm looking for.
Последняя строчка соответствует правилу скрытого смысла - I haven't found what
I'm looking for (я так и не нашел того, что ищу) означает "у меня все еще нет
того, что я ищу". Pastlndf в двух местах - типичный рассказ. Все остальное -
отчет о проделанной работе.
Oh, where have you been, my blue-eyed son?
Oh, where have you been, my darling young one?
I've stumbled on the side of twelve misty mountains,
I've walked and I've crawled on six crooked highways,
I've stepped in the middle of seven sad forests.
I've been out in front of a dozen dead oceans,
I've been ten thousand miles in the mouth of a graveyard...
Ну, и что ты успел сделать за отчетный период? А вот что. То и се. Пока это то
и се не увязано между собой, оно не превращается в рассказ, а остается
пунктами отчета. А следующий куплет начинается словами:
What did you see, my blue-eyed son?..
Что означает: а теперь вдадимся в детали. Что ты видел во время всех этих
странствий? И начинается рассказ:
I saw a newborn baby with wild wolves all around it
I saw a highway of diamonds with nobody on it
I saw a black branch with blood that kept dripping
I saw a room full of men with their hammers a-bleeding...
Обратите внимание: Здесь Pastlndf только потому, что перфект уже был. Пункты
отчета были заявлены, теперь мы их разворачиваем, а когда мы разворачиваем -
это рассказ. Опять же, "во время моих скитаний там-то и там-то (см. первый
куплет) я видел то-то и то-то". Указание на время, которое прошло, - рассказ. А
если бы песня начиналась не с первого куплета, а сразу со второго? Вот тогда
второй (который был бы первым) и был бы отчетом. What have you seen за
отчетный период? - I've seen a newborn baby with wild wolves all around it. И так
далее.
You've been good to me. you made me glad when I was blue
And eternally I'll always be in love with you.
Ты была добра ко мне за отчетный период, которым является наша совместная
жизнь. Дальше идет Pastlndf, потому что есть указание на время, которое
прошло : when I was blue.
In Penny Lane there is a barber showing photographs
Of ev'ry head he's had the pleasure to know
...каждой головы, которую он имел удовольствие знать за отчетный период,
которым является время его работы в парикмахерской.
There are places I'll remember
All my life, though some have changed
Some forever, not for better,
Some have gone and some remain -
все эти изменения произошли за некоторый (неопределенный) отчетный период.

Этот случай перфекта любит указание на количество. Например, на то, сколько
раз что-то произошло за этот самый, всем уже осточертевший, отчетный период:
I have been to Paris twice.
Вот то, что мистифицировало нас с самого начала главы о перфекте! "Я рад
отрапортовать вам о том, что за отчетный период, которым является моя жизнь, я
побывал в Париже дважды".
Или вырожденный случай:
I have never been to Paris.
Все видят, что это то же самое?
I've been to Paris four times - I've been to Paris three times - I've been to
Paris twice - I've been to Paris once - I've never been to Paris.
Вопрос на развитие языковой интуиции: а что будет означать фраза Не never was
to Paris?
Исходя из того, что мы уже знаем, в этой фразе содержится намек на то, что
отчетный период давно закончился. А так как во фразе с never под отчетным
периодом явно подразумевается вся жизнь, вывод напрашивается: речь идет о
покойнике. Не был он в Париже никогда, и никогда уже туда не попадет. А что означает
фраза Не was to Paris twice? А здесь нужно посмотреть, нет ли вокруг
контекста, относящего отчетный период к прошедшему времени. Если сказано When he
studied in Europe, he was to Paris twice - это одно дело. Есть указание на
время, которое прошло, рассказ, так что наш Pastlndf в полном порядке, и мы
пока никого не похоронили. А если никакого контекста нет, и мы просто ни с
того, ни с сего о ком-то сообщаем:
Не was to Paris twice.
Вот в этом-то все и дело. Если контекст не задан, то под отчетным периодом
приходится подразумевать всю жизнь. И о чем тогда свидетельствует Pastlndf?
Либо о том, что вы знаете какой-то контекст, но не говорите (Не was to Paris
twice with your wife last summer) , либо о том, что предмет вашего разговора
приказал долго жить. Чтобы не морочить слушателю голову, сообщите контекст:
Не was to Paris twice last summer (о жене можете не упоминать) - либо будьте
добры употребить перфект. Ведь речь идет о том, какую работу в направлении
посещения Парижа человек проделал за отчетный период, которым является вся его
жизнь.
Не has been to Paris twice.
Many times I've been alone and many times I've cried.
Anyway you'll never know the many ways I 've tried.1
По-хорошему, если к этим случаям упоминания количества ставится вопрос:
"Сколько раз вы были в Париже?" или, как частный случай, "Вы когда-нибудь были
в Париже?", то желательно тоже употреблять перфект:
Have you ever been to Paris?
Но в американском языке есть тенденция пренебрегать этой конструкцией:
Did you ever have a dream that you couldn't explain?
Did you ever meet your accusers face to face in the rain? -
так что вы тоже можете ею пренебречь и задавать эти вопросы в Pastlndf.
Случаи упоминания количества распространяются не только на количество раз, но
и на любое другое количество.
Сколько романов этого автора вы прочли? А сколько он вообще написал? Первая
фраза - безусловный перфект, если собеседник не определяет отчетный период как
относящийся к прошедшему времени ("Сколько романов этого автора вы прочли за
время отпуска?" - а диалог между тем происходит на рабочем месте), а вторая
зависит от того, идет ли речь о покойном или о ныне живущем писателе.
How many novels by this author have you read?
How many novels by this author did you read during your vacation?

How many novels has Stephen King written?
How many novels did Agatha Christie write?
Некоторые студенты (все больше X) недоумевали по поводу следующего места в
отличнейшем учебнике Eckersley2:
"Mr Pristley has a lot of books in his study..."
"Yes, and what is more, he has read them all."
Я надеюсь, что у вас теперь нет никаких сомнений по поводу того, почему здесь
употреблен перфект. Он все их прочитал за отчетный период (за свою жизнь), где
all, кстати, - тоже выражение количества.
I have many books, but I have read only one so far.
I have many books, and I have already read two of them.
I have a few books, but I haven't read any of them.
I have a lot of books, and I have read all of them.
А если "я все их прочитал еще в детстве"? Ну конечно, указание на время,
которое прошло. А если "я прочитал одну из них, когда болел"? То же самое. А вот
если контекст не задан, то, как все уже поняли (поняли до такой степени, что
всем уже надоело, и это как раз тот результат, которого мне хотелось достичь),
вступает в силу правило неопределенного отчетного периода за всю жизнь или за
последнее время.
I have lots of books and I have read them all.
А если контекст указывает на отчетный период, продолжающийся по сию пору? Ну
да, то же самое.
I have lots of books and 1 have read them all this year.
I have lots of books and I've read two of them this week.
3.5. Опять PrPfCont
Jim remembered the warning in Raising Demons
the danger involved. You could perhaps
summon them, perhaps cause them to do your
work. You could even get rid of them. But
sometimes they come back.
Stephen King, Sometimes They Come Back
У студента Y должен уже быть наготове вопрос: а нельзя ли и здесь как-нибудь
Задействовать PrPfCont? Можно. Но есть небольшой нюанс. PrPfCont употребляется
точно так же, как и PrPf, то есть в случае отчетного периода,
неопределенного (вся жизнь) или определенного (продолжающегося до сего момента
включительно) . Нюанс же таков:
Когда вы используете PrPf, вы тем самым подчеркиваете, что ваше действие
завершено, и что у него есть результат, положительный или отрицательный.
Посмотрите на контексты, которые разбирались выше:
...the songs that I have sung
Echo in the distance -
песни, которые я спел (которые уже спеты) . И вот они теперь отдаются эхом.
I have lots of books and I have read them all -
все, прочитал. Больше читать нечего. Если еще захочу что-нибудь почитать,
придется просить у соседей.
I have climbed the highest mountains
2 С. E. Eckersley. Essential English for Foreign Students, Book 1, Lesson 29. Когда вы
читаете книги этого автора, не Забывайте о том, что его язык - сугубо британский.

I have run through the fields... (см. выше) -
полазал, побегал, но так и не нашел того, что ищу. Если указывается
количество, то действие завершено по определению и PrPfCont не используется ни в коем
случае.
...and many times I've cried (см. выше)
I have written five letters today.
Теперь вы понимаете, почему вас просили не забывать о правиле скрытого смысла?
I have written 5 letters today -
это отчет о проделанной работе за период, который еще не кончился, но
одновременно это - действие, имеющее результат в настоящем времени: Now I can go to
the mailbox and mail them, или Now I don't have to write to anybody today, или
еще что-нибудь. Если по прочтении всей главы о перфекте целиком вы
почувствуете, что все разбираемые случаи - это на самом деле один и тот же случай, вам
сразу станет намного легче. A PrPfCont используется тогда, когда вы хотите
обратить внимание собеседника на сам процесс.
I have been writing letters today...
Отсюда не ясно, закончили ли вы хоть одно. Видно только, что писали. Здесь
тоже может быть результат, но не результат законченного действия, а результат
процесса. Если результатом "I have written 5 letters" была возможность отнести
их на почту или отсутствие необходимости писать письма впредь (потому что
письма написаны, я их написал, пять штук!) , то результатом "I have been
writing letters" может быть "И теперь у меня страшно болит голова", "теперь у
меня пальцы в чернилах", "за этот день я возненавидел всех своих родственников
и знакомых" и так далее. Можно сказать, что это разница между плодом и
последствиями. Если ваша деятельность принесла плод - используйте PrPf. Если же про
плоды, нам ничего не известно, но сам процесс имел последствия (в виде
усталости , желания спать или есть, а также чудовищного беспорядка и т. д.) - это
PrPfCont.
I have redecorated my apartment -
налицо плоды завершенного труда: теперь моя квартира отремонтирована, я могу
жить в чистенькой хорошенькой квартирке, могу позвать гостей и т. д.
I've been redecorating my apartment -
налицо последствия деятельности: мебель покрыта газетами, на газетах толстый
слой штукатурки, а у меня отваливаются руки-ноги.

В виде небольшого...
Фокуса (7),
чтобы различить, где PrPfCont, а где простой PrPf, можете попробовать
подставить слово "успел". Если оно подходит, это простой PrPf, а никак не PrPfCont:
(За отчетный период) я успел отремонтировать квартиру.
I have redecorated the apartment.
(За отчетный период) я успел написать пять писем.
I have written five letters.
У меня много книг и (за отчетный период) я успел все их прочитать.
I have many books and I have, read them all.
The songs that I have sung echo in the distance - Песни, которые я успел
спеть...
Если же "успел" не лезет, то попробуйте вариант типа "ремонтировал,
ремонтировал (- и вот...)", "писал письма, писал (- и вот...)". Это будет PrPfCont.
Ремонтировал, ремонтировал, и вот вся квартира разгромлена. I've been
redecorating the apartment, and now it is in a mess.
Писал, писал, и вот голова раскалывается.
I've been writing letters, and now my head is splitting.
Если у вас самих еще голова не идет кругом, вспомните вот что.
I have been writing letters since morning.
Это может быть "писал и сейчас пишу". Читайте предыдущую главу. На русский
язык переводится настоящим временем: с утра сижу пишу письма. То же самое -
I've been writing letters for 8 hours. Уже восемь часов пишу. А может ли
это значить "с утра писал (или: восемь часов писал), сейчас хоть и не пишу, но
голова раскалывается", то есть словно там нет никакого since / for? Может. Но
вопрос о том, написал ли я в итоге хоть что-нибудь, остается открытым.
1. "Going out?"
"Yeah, I've written five letters, I got to mail them."
2. "You don't look too happy."
"Gee, I've been writing letters (since yesterday/for hours)."
Вопрос: а как отличить, когда "I've been writing letters since morning/for two
hours" означает "писал и пишу", а когда он означает "писал, в данный момент не
пишу, но результат процесса налицо"? Ответ: а не слишком ли многого вы
ожидаете от английского языка?
"How many have you already written?"
"None."
Видите? В первом случае - написал пять писем (успел написать) и с плодами
своих трудов иду на почту. Во втором случае - писал письма, писал (и вот выгляжу
не очень-то весело). А сколько успел написать? - Ни одного.
It's been a hard day's night.
And I've been working like a dog.
Неизвестно, каковы плоды этой работы, но последствия налицо: работал, работал
и вот устал и хочу упасть в объятия любимой женщины.
I've been working from seven to eleven every night.
Аналогично. Вряд ли чего успел наработать, но работал, работал, и вот все
надоело: налицо последствия, а не плоды. И наоборот:
And all the good you've done
Will soon be swept away -
все добро, которое ты сделал (которое ты успел сделать) - деятельность
принесла плоды.
What you have done will be the saving of Israel.

You'll be remembered forever for this -
то, что ты сделал (успел сделать).
Вот несколько Упражнений на различение PrPf и PrPfCont.
1. I (to quarrel) with my wife ever since we got married. Only today we (to
quarrel) twi ce.
2. "What (you. to do) lately?"
"I (to work)."
"(You, to earn) anything?"
"Next to nothing."
"Why then (you, to work) all this time?"
3. All this week I (to watch) stupid movies. Since Friday I (to watch) two
thrillers and four horrors.
4. I can't fall asleep. I (to think) about my marriage for hours... For all
these years, it (to be) an unhappy kind of marriage.
5. Darling, since we first met I (to buy) you flowers and things, and you
don't even want to kiss me! I (to buy) you two silver rings, and you don't
want to introduce me to your parents!
6. I (never, to be) so unhappy. I (to be divorced), I (to bury) a husband, but
I (never, to feel) so lonesome. На всякий случай разберем эти примеры.
1. - Мы ссоримся с женой с тех пор, как поженились. Это то, о чем шла речь в
предыдущей главе, - настоящее время, захватывающее некий период, начавшийся в
прошлом и продолжающийся по сию пору. "Сегодня поссорились дважды" - отчетный
период все еще продолжается (сегодня) и есть указание на количество.
2. - Что ты поделываешь в последнее время (сейчас и некоторое время назад)? -
Работаю (сейчас работаю, вчера работал и т. д.).
- Ну и каковы плоды7 Успел что-нибудь заработать?
- Да практически ничего.
- Ну и зачем же работаешь (все это время)?
3. - Всю неделю смотрю (настоящее время, захватывает период, начавшийся в
прошлом) . - С пятницы (до сего момента) посмотрел... - и дальше количество.
4. - Думал, думал и вот не могу заснуть. Наш брак все эти годы был несчастным,
и сейчас несчастен. - Почему здесь не PrPfCont? Потому что глагол to be.
5. - Покупал, покупал, и вот ты даже не хочешь меня поцеловать. - Все это
произошло за отчетный период, который продолжается со времени нашей встречи. К
этому же периоду относится и покупка двух (количество) серебряных колец.
6. - Никогда (в моей жизни, которая продолжается) не была такой несчастной. -
И отчет о том, что она в этой жизни успела: успела развестись и похоронить
одного из мужей. - Но никогда (за тот же самый период) не чувствовала себя такой
одинокой. - Почему не Cont? Потому что "никогда" - это указание на количество
раз.
3.6. PrPf: итоги
Evans was puzzled. Yet a glimmering of light
penetrated to him.
Agatha Christie, Accident
Теперь мы знаем все. Итак:
1. Отбрасываем не-перфект:
а) рассказ;
б) результат аннулирован;
в) указание на время, которое прошло.

2. Смотрим, стоит ли употреблять перфект:
а) наличествует или подразумевается неопределенный отчетный период (за всю
жизнь/за последнее время);
б) присутствует указание на отчетный период, который еще продолжается. Если мы
имеем дело с глаголами to be, to have, to know, to see, to hear - это простой
перфект. Если с другими - PrPfCont;
в) можно вставить слово "успел" (деятельность завершена и принесла плоды)
это простой перфект, а не Continuous;
г) предложение можно подогнать под конструкцию "делал, делал и вот..." - это
Present Perfect Continuous.
Если при подладании под любой из этих пунктов есть указание на количество
(раз, книг, бутербродов, сигарет...) - это простой перфект (PrPf), а не
PrPfCont. Для тех, кто внимательно читал всю главу, все должно быть ясно.
Примеры.
1. Ты очень много ешь. Неудивительно, что у тебя болит живот: ты ел с самого
утра. Ты съел восемь с сосисок и три тарелки супа. За один сегодняшний день ты
съел больше, чем вся моя семья съедает за неделю. А когда тебе дали макароны,
ты попросил к ним хлеба. Не понимаю, как ты еще не лопнул!
Смотрим. Первое предложение по-русски стоит в настоящем времени, а никакого
указания на "период, начавшийся в прошлом и продолжающийся до сего момента"
нет, то есть это нормальное настоящее время, причем не PrCont, a Prlndf,
потому что говорящий явно имеет в виду "ты всегда много ешь". А что такое "ты ел с
самого утра"? Если бы звучало "ты ешь с самого утра", все было бы понятно, это
подпадало бы под случай, описанный в разделах 3.2 и 3.3: "с
утра ел и сейчас ешь", и это был бы чистый PrPfCont. А что же Здесь? Во-
первых, отсутствуют признаки не-перфекта:
а) с утра ел - это не рассказ, а сообщение; б) действие не аннулировано (такое
действие трудно аннулировать); в) нет указания на время, которое прошло: "с
утра" - это не "утром".
Зато у нас есть: отчетный период ("с утра") и последствия проделанной за этот
период работы: болит живот. Последствия, а не плоды! Слово "успел" нельзя
поставить во фразу "ты ел с утра"! Значит - что? Ага: PrPfCont.
You've been eating since morning.
(Ел, ел и вот... Живот болит.)
"Ты съел восемь сосисок и три тарелки супа". Здесь не указано, с утра это
произошло или просто за некий неопределенный отчетный период, но факт налицо:
успел съесть такое-то количество продуктов питания. Это что? Правильно, простой
перфект:
You have eaten eight hot dogs and three plates of soup.
"За один сегодняшний день..." - сразу виден отчетный период, и он
продолжается, а это говорит о перфекте. О каком перфекте? "Съел больше, чем..." - это
количество. Опять же, "за сегодняшний день ты успел съесть больше, чем моя
семья за неделю". Значит, о простом перфекте.
You have eaten more than my whole family...
"А когда тебе дали макароны, ты попросил к ним хлеба". А это что? Во-первых,
"когда тебе дали макароны" - это указание на время, которое прошло. Во-вторых,
"тебе дали макароны" и "ты попросил хлеба" - это связанные между собой
действия. Одним словом, это типичный рассказ, а значит, Pastlndf. "Не понимаю, как
ты еще не лопнул!" - не рассказ, указания на прошедшее время нет, результат не
аннулирован; "еще не лопнул" - это "до сих пор не лопнул", а "до сих пор" -
это указание на отчетный период, продолжающийся до сих пор.
I wonder why you haven't bursted yet.

2. - Я опять потерял ключ.
- Слушай, ты теряешь ключи, сколько я с тобой знаком. Вот уже четыре года ты
теряешь ключи каждый месяц.
- Неправда. В том году я вообще не терял ключей. А если и терял, то сразу
находил . Может, и этот найду.
- Но пока не нашел?
- Не нашел. С утра искал.
- А в карманах смотрел?
- Смотрел.
- Может, ты его не вынул, когда сдавал серый костюм в химчистку?
- Может быть... Я, вообще-то, три костюма сдал в химчистку. Может, он в одном
из них?
"Я опять потерял ключ" - нет никаких указаний на не-перфект. Если бы "я
потерял ключ сегодня утром, вчера ит. Д.", "потерял, но нашел" или "потерял ключ,
когда гулял в парке" - был бы не-перфект. Что значит "потерял ключ"? - с одной
стороны, не грех вспомнить правило скрытого смысла. "Потерял ключ" - это
значит "у меня нет ключа" и я не могу то ли запереть дверь, то ли попасть в
квартиру. Но, с другой стороны, это сообщение с трудом можно трактовать как отчет
о проделанной работе, потому что отчетный период никак не задан. Трудно
впихнуть сюда "я потерял ключ за последнее время", "я потерял ключ за всю мою
жизнь", или "Ну, что ты успел сделать?" - "Да вот, ключ потерял", или тем
более "терял, терял, и вот..." Британец, для которого правило скрытого смысла
непреложно, непременно скажет I have lost the key. Американец, не всегда
склонный к поискам скрытого смысла, может выразить ту же самую мысль как I
lost the key again. Напоминаю правило, уже сформулированное выше:
When in doubt - choose Pastlndf.
Когда сомневаетесь - выбирайте Pastlndf.
"Ты теряешь ключи, сколько я с тобой знаком". Это настоящее время, и при этом
задействован период знакомства, начавшийся в прошлом и продолжающийся по сию
пору. Значит, это PrPf, причем Continuous, потому что использован не глагол to
be, to know или to have.
You've been losing keys...
Аналогично - "вот уже четыре года...". Тот же самый период времени
сформулирован другими словами.
For already four years you've been losing keys every month.
"В том году я не терял ключей" - указание на время, которое прошло, и все
последующее тоже относится к этому же времени (вплоть до "может, и этот найду",
что, разумеется, идет в будущем времени - в котором?).
"Но пока не нашел?" - А вот здесь человек требует, чтобы перед ним отчитались.
"Нашел ли ты его за отчетный период времени", то есть с того времени, как
потерял? Успел ли ты его найти?
But you haven't found it yet?
"Пока не нашел", - соглашается собеседник. Не успел. "I haven't".
"С утра искал" - добавляет он. "С утра"! Мы уже знаем, о чем это говорит: об
отчетном периоде, который продолжается, то есть нужно ставить перфект. И это
правильно, но который перфект? Если бы было "с утра ищу", мы бы смело
поставили PrCont и были бы правы. Ставим слово "успел". "Я успел поискать с
утра..." Что-то не то. Смело ставим PrPfCont.
I've been looking for it since morning.
А какое продолжение напрашивается во фразу "я успел поискать с утра"? Что-
нибудь вроде "с утра я успел поискать в холодильнике, в ящике с инструментами
и под кроватью". Так это же следующее предложение - "А в карманах смотрел?"
Успел ли ты с утра посмотреть в карманах?
Have you looked in the pockets?

I have.
"Может, ты его не вынул, когда сдавал серый костюм в химчистку?" Два увязанных
между собой действия - это, как мы помним, уже рассказ (Pastlndf). "Я вообще-
то три костюма сдал в химчистку". Не вчера, не на прошлой неделе и не в
прошлом году, а просто сдал. За последнее время. "За отчетный период, которым
является последнее время..." - перфект; "...я сдал в химчистку три костюма" -
указание на количество, значит не Cont.
I have taken three suits to the cleaner's.
А теперь попробуйте сами:
1. "Why is the house in such a mess?"
"Bill (to do) the apartment. He (to decide) that he should help me about the
house, and (to begin) from this morning."
"(He. to do) anything useful?"
"Not yet."
"And where is he now?"
"Three hours ago he (to go) shopping."
"Do you mean, he (to shop) for already three hours?"
2. "You look tired."
"I (to wash) my husband's clothes." "Why (you, not to ask) him to do it
himself?"
"He (to try) to wash something a few times. After this, I (to have) to throw
away everything, including the washing-machine."
"Now I see why you (to buy) a new washing-machine every three months."
"No, don't say so. In my whole life I (to buy) only six washing machines."
3. "Your son (to grow) so fat."
"No wonder! For six months his granny (to feed) him on pies and candy!"
"I (never, to see) such a fat boy... You see. he's really the fattest of all
the boys I know." "Could you stop saying this, please? You (to repeat) it
three times."
"But you should understand my feelings."
"And you should understand mine. When my wife's mother (to come) and (to see)
her grandson, she (to exclaim) , 'Oh, what a bony, hungry poor thing! ' And
right away, she (to start) to cook and to feed him."
Разбираемся.
1. "Почему в доме такой беспорядок?" - "Билл делал уборку. Делал, делал, и
вот..." Налицо последствия деятельности (очевидно, бесплодной). Дальше -
рассказ (два связанных действия: решил и начал). "Он сделал что-нибудь полезное?
" - призыв к отчету с перечислением плодов деятельности. Успел ли он сделать
что-нибудь полезное? "Три часа назад" - указание на время, которое прошло.
"Ходит по магазинам уже три часа" - три часа назад ушел, и сейчас еще ходит.
Действие началось в прошлом и продолжается по сию пору.
2. "Стирала веши мужа" - налицо последствия деятельности (выглядишь усталой),
а вовсе не ее плоды (куча свежевыстиранных вещей). Собеседницы подчеркивают не
"успела постирать", а, наоборот, "стирала, стирала и вот устала". "Почему ты
не попросила его самого это сделать? " С этим предложением должны были
возникнуть сомнения. Смотрим внимательно. Самые удобные фокусы не проходят: ни слово
"успел" ("почему не успела попросить мужа?") ни конструкцию "не просила, не
просила, и вот..." впихнуть никак не получается. А что у нас с отчетным
периодом? Вряд ли имеется в виду неопределенный период, потому что собеседница
подразумевает не "почему ты ни разу в жизни не попросила мужа" и не "почему ты не

просила мужа за последнее время". А что она подразумевает? Очевидно, "почему
ты не попросила мужа до того, как сама начала стирать". Это период,
закончившийся еще в прошлом. То есть по всем критериям нам никак не удается применить
перфект.
"Он уже несколько раз пытался это сделать" - за время нашей совместной жизни.
"Несколько раз" - указание на количество. "После этого мне каждый раз
приходилось ..." - это действие, связанное с только что упоминавшимися, то есть
рассказ.
"Теперь я вижу, почему вы покупаете новую стиральную машину каждые три
месяца". Искушение поставить какой-нибудь перфект велико, но нужно как-то его
преодолеть. "Каждые три месяца" - это то самое "обычное, постоянное,
повторяющееся действие", о котором говорилось в главе про Present Indefinite.
"Каждые три месяца", "каждый день", "постоянно", "обычно" и так далее - это
все характерные случаи Prlndf. "За всю мою жизнь я купила только 6
стиральных машин" - хороший, ясный случай PrPf. Заявлен отчетный период, который
продолжается, и есть указание на количество.
3. Фразу, с которой начинается третье упражнение, в том виде, в котором она
там дана (с глаголом в скобках), можно трактовать двояко: "Ваш сын растолстел"
и "Ваш сын толстеет". Соответственно, возможны самые разнообразные варианты
перевода:
a. Your son has grown fat.
b. Your son has been growing fat.
e. Your son is growing fat.
Отчетный период везде один и тот же: "за последнее время", или "за время,
прошедшее со дня нашей последней встречи", или еще что-нибудь в этом роде,
наводящее на мысли о перфекте. Вариант а) - "ну и здорово же ваш сын успел
растолстеть за это время". Вариант Ь) - я смотрю, он все это время толстеет (месяц
назад толстел, три недели назад толстел... и сейчас все толстеет). Вариант с)
- говорящий не подразумевает никакого периода времени, а сообщает как факт:
ваш сын толстеет. Почему здесь употреблен PrCont, а не Prindf? Об этом - в
следующем томе, в главе о глаголах, выражающих переход из состояния в
состояние .
Следующая фраза преподносит нам приятный сюрприз. Как бы мы ее ни трактовали -
это все равно PrPfCont. Либо "уже полгода она его кормит" - по-русски
настоящее время, захватывающее период, начавшийся в прошлом, либо "кормила, кормила,
и вот..." "Никогда не видел такого толстого мальчика" - "никогда в моей
жизни", неопределенный отчетный период, про слово "никогда" мы уже все знаем.
Ставим простой перфект, а не Continuous, потому что наш
глагол здесь - to see. "Вы это повторили уже дважды" - за время нашего
разговора. Есть указание на количество. И последнее - рассказ (перечисление
действий, связанных между собой плюс указание на время, которое прошло, - когда
приехала). В качестве небольшого подарка: разберите самостоятельно анекдот:
"Waiter!"
"Yes, sir."
"What's this?"
"It's bean soup, sir."
"No matter what it's been. What is it now?"

Глава 4. Предлоги
"That is not said right," said the
Caterpillar. "Not quite right, I'm afraid,"
said
Alice timidly; "some of the words have got
altered." "It's wrong from beginning to
end," said the Caterpillar decidedly, and
there was silence for some minutes.
Lewis Carroll Alice's Adventures in
Wonderland
Выше уже говорилось, что никакого фокуса на запоминание предлогов нет и быть
не может. Их нужно непременно учить (не выписывая в столбик, разумеется, а тем
способом, который уже описывался в разделе 1.2). В этой главе разбираются
самые главные предлоги, то есть те, в которых все и всегда ошибаются.
4.1. Глагол плюс предлог
We will go to the wood, says Robin to Bobbin,
We will go to the wood, says Richard to Robin,
We will go to the wood, says John all alone,
We will go to the wood, says everyone.
Nursery Rhymes
Начнем с тех предлогов, которые зависят от глаголов. Некоторые глаголы, как мы
уже знаем, требуют своих собственных предлогов. Лучше так и учить глагол
вместе с предлогом, как уже известные нам to look at - смотреть на (кого, что) ,
to look for - искать (кого, что), to look after - присматривать за (кем, чем).
К сожалению...
Когда студенту X наконец удается выучить эти глаголы с предлогами, у него
возникает иллюзия, что без предлогов эти глаголы вообще не употребляются:
What are you doing? -I'm looking at. Что ты делаешь? - Смотрю.
What is he doing? - He is waiting for. Что он делает? - Ждет.
Фокус... (8)
...заключается в том, чтобы понять, что глагол сам по себе никаких предлогов
не требует. Они появляются только тогда, когда мы хотим к глаголу приделать
существительное (или местоимение, что в данном случае одно и то же). Вот тогда
мы вспоминаем, какого предлога требует глагол, и присобачиваем к нему
существительное (в качестве члена предложения оно будет называться дополнением) с
помощью этого предлога:
What are you doing? - I am looking.
What are you looking at? -I'm looking at the picture.
What is he doing? - He is waiting.
Who is he waiting for? - He is waiting for you.
At и for после глаголов (соответственно) to look и to wait появились только
из-за того, что нам нужно было приделать к этим глаголам дополнения: the
picture и you.
Существуют специальные, самые зловещие глаголы, в которых ошибаются все
поголовно (если вдруг окажется, что вы этого не делаете, можете по праву собой
гордиться).
1. to ask
Вот вам целый букет.

I asked for my mother, "Can I help you?"
She is asking to him about her child.
She came up to him and asked him about a cigarette. He asked her about help.
С первыми двумя предложениями все ясно. Нужно просто выучить, что в значении
"спрашивать (кого?)" глагол to ask не требует никаких предлогов:
I asked my mother, "Can I help you?"
She is asking him about her child.
У The Beatles есть песня, которая так и называется - "Ask Me Why":
Ask me why,
I'll say I love you
And I'm always thinking of you.
Почему студент X все время норовит поставить что-нибудь между to ask и его
дополнением, рационально объяснить нельзя. Это происходит от страха говорить на
чужом языке и от уверенности, что в английском языке все не так, как в русском
(которая прекрасно уживается с уверенностью, что в английском языке все точно
так же, как в русском, - см. ниже о глаголах to need, to happen, to follow, to
pay attention и так далее) . В третьем и четвертом предложениях to ask
употреблен в значении "попросить что-то дать" и требует вовсе не предлога about, а
предлога for:
She came up to him and asked him for a cigarette.
He asked her for help.
He путайте эти предлоги. He asked her about help еще могло бы означать "он
спросил ее, как там обстоят дела с помощью", то же самое "Она подошла и
спросила его о сигарете". В случае определенных контекстов, "он спрашивал ее о
какой-то, но обещанной помощью" или "она подошла к следователю и спросила о
сигарете, найденной на месте преступления". Но у вас пока получилось:
Она подошла и спросила о какой-нибудь (любой) сигарете;
Он спросил, как обстоят дела с какой-нибудь (неизвестной) помощью, что напрочь
лишено смысла.
to ask smb about smth - спрашивать кого-то о чем-то.
to ask smb for smth - просить кого-то что-то дать, оказать (помощь) или
предоставить (транспортное средство и т. д.):
I wanna find some answers
1 wanna ask for some help.
to ask smb to do smth - просить кого-то что-то сделать:
And when I ask you to be mine You're gonna say you love me too.
She asked me to stay and she told me to sit anywhere.
2 и 3. to come и to go
(а заодно и слово home, которое не глагол, но которое тоже нужно
рассмотреть) . Здесь есть несколько тонкостей. Прежде всего, если эти глаголы
отвечают на вопрос куда, то они требуют предлога to.
This happened once before
When I came to your door
No reply.
When I get to the bottom I go back to the top of the slide.
Все без исключения об этом помнят, если их прямо спрашивают: "Какого предлога
требуют to come и to go?!" При этом в речи все студенты X упорно говорят in
вместо to.
(На вопрос откуда? эти же глаголы требуют предлога from. И, странное дело, в
этом никто никогда не ошибается. На всякий случай пример:
We come from the land of the ice and snow From the midnight sun where the hot
springs blow.)

Вот очень яркие примеры, где этот to так и выпирает:
Do what you want to do
And go where you're going to
Think for yourself 'cause I won't be there with you.
Doesn't have a point of view,
Knows not where he's going to
Isn't he a bit like you and me?
Но вот, предположим, студент X проявил упорство в мурлыкании этих песен (см.
предыдущую главу) и перестал забывать про предлог to после этих глаголов. Что
происходит немедленно вслед за этим? Да то, что студент X лепит этот предлог
после to go и to come (на вопрос куда?) , не обращая внимания на то, что там
стоит дальше:
I go to there;
Come to here;
I am going to away:
I am not going to anywhere;
и даже если он не говорит этого, вот что он говорит непременно:
I go to home.
I came to home.
В случаях с there, here, away и anywhere ему еще можно объяснить, что это
наречия, а перед ними предлог to не ставится, потому что ни перед какими
наречиями он не ставится никогда:
I think I'm gonna be sad
I think it's today
The girl that's driving me mad
Is going away.
Ain't no reason to go up, ain't no reason to go down,
Ain't no reason to go anywhere.
Но случай со словом home куда хуже. Поди объясни студенту X, что это - тоже
наречие. А между тем, как говорят в известной петербургской телепередаче
"Блеф-клуб", это правда. Когда слово home переводится на русский язык не как
"дом", а как "дома" ("сижу дома", "он сейчас дома?", "меня не будет дома") или
"домой" ("пошел домой", "шли бы вы домой", "пойду-ка я домой"), - это самое
настоящее наречие. Поэтому никаких предлогов к нему не нужно присобачивать. Об
этом нам говорит, например, знаменитый лозунг:
Yankee, go home!
а также множество привязчивых песенок:
I'll be coming home again to you, love,
Until the day I do, love,
P.S.I love you.
Since you left me I'm so alone
Now you're coming, you're coming home
I'll be good like I know I should,
You're coming home, you're coming home.
Это относится не только к глаголам to come и to go, но и ко всем случаям
упоминания слов "домой" и "дома":
But when I get home to you
I find the things that you do
Will make me feel all right (...)
When I'm home, everything seems to be right
When I'm home, feeling you holding me tight, tight.

I got a whole lot of things to tell her
When I get home
(...)
When I'm getting home tonight, I'm gonna hold her tight.
I'm gonna love her till the cows come home.
I tried to telephone
They said you were not home
It's a lie.
He следует, впрочем, забывать, что там, где home означает "дом", он - вполне
полноценное существительное:
Oh, throw down your plow and hoe,
Rest not to lock your homes.
She hears them talk of new ways
To protect the home she lives in.
4. to depend
Этот глагол означает "зависеть от", поэтому правильного предлога от студента X
не допросишься. Самые популярные варианты - to depend from и to depend of.
Стоит ли говорить, что оба никуда не годятся?
Если мы рассмотрим этимологию этого глагола, то мы увидим, что он образован от
латинского слова pendere, которое означает "висеть" (сравните с английскими
словами suspended - "подвешенный" и pendant ~ "кулон, подвеска"). Висят обычно
на чем-то. Вот и глагол to depend требует предлога on:
It depends on your behavior.
What does it depend on?
5. to discuss
Многие думают, что после него нужно ставить about. Не нужно. Этот глагол
ничего не требует:
We have to discuss it right now.
They discussed the problem.
(К сожалению, не могу припомнить подходящую цитату. Может быть, вам повезет, и
вы сами найдете?)
6. to doubt
Еще один глагол. Трудно поверить, что он не требует никаких предлогов (так и
напрашивается doubt in, в крайнем случае, of). Однако это так:
I doubt it. I doubt his honesty.
I know, little girl, only a fool would doubt our love.
I'm sorry that I doubted you
I was so unfair.
7. to follow
Этот глагол означает "следовать за", поэтому к нему все норовят приделать
какой-нибудь предлог: after, например, или behind. А он, однако, вовсе не
требует никаких предлогов:
Follow her down to a bridge by a fountain
Where rocking horse people eat marshmallow pies.
One day you'll look to see I've gone
For tomorrow may rain so I'll follow the sun.
8. to give (а также to send, to buy, to show, to bring, etc.)
При обращении с этими глаголами всегда вызывает затруднение одно
обстоятельство : после них обычно нужно поставить целых два дополнения (что

дал/поопал/купил/показал/принес и кому дал/послал/купил/показал/принес), и не
всегда бывает понятно, как их распределить. Существуют правила, позволяющие
это сделать почти без затруднений:
a) Если вы сначала говорите кому, а уже потом - что, то оба эти дополнения так
и пойдут друг за другом безо всяких предлогов. Именно этот случай является
самым популярным:
Give Peace a Chance.
кому что
She showed me her room,
кому что
She's so glad and she's telling all the world
That her baby buys her things, you know
Buys her diamond rings, you know She said so.
Your brother brought me silver,
Your sister warmed my soul.
Show me the way to the next whiskey bar.
So I called up the captain,
"Please bring me my wine."
b) Если сначала идет что, и только потом - кому, то второе из этих дополнений
(то есть отвечающее на вопрос кому?) необходимо вводить с помощью предлога to:
...and I'll send all my loving TO you.
Что кому
Send her back TO me
Cause everyone can see
Without her I will be in misery.
c) Если то, что дают/посылают/покупают/ показывают/приносят, выражено
местоимением, то оба дополнения нужно располагать не так, как в (а) , а так, как в
(Ь), то есть сначала пойдет что, а потом кому, и непременно с предлогом to:
She sent him a letter - She sent a letter TO him - She sent it TO him.
We brought you flowers - We brought flowers TO you - We brought them TO you.
Desmond takes a trolley to the jeweller's store,
Buys a twenty carat golden ring.
Takes it back to Molly waiting at the door
And as he gives it TO her she begins to sing.1
9. to happen
В русском языке звучит "это произошло с ним", поэтому трудно избавиться от
иллюзии, что- to happen требует предлога with (Разделяемой многими американцами.
Не исключено, что скоро to happen with станет литературной нормой. Пока,
однако , этого не произошло.) Он, однако, требует предлога to:
I never realized what a kiss could be,
This could only happen to me,
Can't you see, can't you see?
Whatever happened to our love?
I wish I understood. It used to be so nice,
it used to be so good.
10. to help
Очень простой глагол. После него обычно идет кому помогать, то есть прямое
дополнение (без предлога) и помогать что делать, то есть инфинитив (без частицы
to). Таким образом, этот глагол вообще не требует ничего дополнительного:

If I fell in love with you,
Would you promise to be true
And help me understand.
Help me get my feet back on the ground.
Если вы забыли, что инфинитив после to help идет голый, - не беда, в
британском языке можно после to help поставить и не голый, а с частицей to.
Единственное, чего нельзя делать ни под каким видом, - это говорить "help ТО те",
"we helped FOR him" и другие подобные вещи, то есть ставить предлог перед
прямым дополнением (см. примеры).
11. to join
Он, вообще говоря, не относится к базовой лексике, но так как в последнее
время всем часто приходится заполнять анкеты, составлять резюме и проходить
собеседования (и все это на английском языке), временами приходится говорить что-
нибудь вроде "вступил в профсоюз". Так вот, этот глагол вовсе не требует
предлога in, как и никакого другого:
The piper's calling you to join him
Dear lady, can you hear the wind blow.
My, my, my, I'm so happy
I'm gonna join the band.
12. to laugh и to smile
Смеяться над кем и улыбаться кому требуют одного и того же предлога at:
On the corner is a banker with a motorcar
The little children laugh at him behind his back.
You tell lies thinking I can't see,
You can't cry 'cause you're laughing at me.
I smiled at you,
You smiled at me
And we're on our way
No we can't turn back.
13 и 14. to listen и to wait
0 том, каких предлогов требуют to listen (слушать) и to wait (ждать),
говорилось уже сверх всякой меры. Тем не менее, не только студент X, но вместе с ним
и студент Y регулярно забывают о наличии там хоть каких-то предлогов.
Listen. Jesus, I don't like what I see.
All ask is that you listen to me.
Listen, Jesus, to the warning I give.
Please, remember that I want us to live.
So please listen to me if you wanna stay mine,
1 can't help my feelings, I'll go out of my mind.
Listen to me one more time,
How can I get through.
Is there anybody going to listen to my story.
I feel as though you ought to know
That I've been good, as good as I can be
And if you do. I'll trust in you,
I know that you will wait for me.
All the children are insane
Waiting for the summer rain.
15 и 16. to look и... to look
О том, каких предлогов требуют глаголы to look (смотреть на) , и to look (ис-

кать), уже тоже говорилось. Студент X, однако, упорно повторяет в первом
значении ("смотреть на") - to look on, а во втором значении ("искать") - to find,
который в действительности означает "находить". Почему-то студент X никогда не
видит разницы между этими глаголами. Вот (дословно) что он сказал однажды:
Then I found my key, but couldn't find it. Что, по его мнению, означало: потом
я поискал мой ключ, но не нашел его.
Вот примеры, которые могут вам помочь:
Look at me.
Who am I supposed to be?
Who am I supposed to be? Look at me.
Well, she looked at me
And I, I could see
That before too long I'd fall in love with her.
I wonder what went wrong,
I've waited far too long.
I think I'll take a walk and look for her.1
17. to look like
Это значит "быть похожим на". Вот что обычно вытворяет с этим глаголом студент
X:
Не looks like on his father.
He look-likes his father.
He looks like as his father.
Объясните, пожалуйста, сами, почему все это никуда не годится.
Только после того, как вы сами вычислили все ошибки, можете прочитать мои
комментарии :
В словосочетании to look like "to look" - это глагол, означающий "выглядеть".
A like - это не глагол to like, это предлог like, означающий "как", "подобно".
Значит, все словосочетание дословно означает "выглядеть как", где слово "как"
уже есть, это like, и не нужно пихать туда лишних предлогов вроде on
(руководствуясь тем, что по-русски звучит похож на) или as (руководствуясь непонятно
чем) . Не looks like his father. Он выглядит как его отец.
Именно такая конструкция в английском языке выражает мысль "он похож на своего
отца".
К сожалению...
Если студенту X удается запомнить, как нужно обращаться с to look like, он
начинает вставлять этот like после каждого look, например:
You look like fine.
She looks like strange.
Запомните, пожалуйста: глагол выглядеть - это просто to look. A to look like -
это "выглядеть как", то есть "быть похожим на".
Oh so this is Jesus Christ
I am really quite surprized,
You look so small,
Not a king at all.
When you say she's looking good
She acts as if it's understood.
In a cap she looked much older
And the bag across her shoulder
Made her look a little like a military man.
The newspaper said, she's gone to his head,
They look just like two Gurus in drag.
Well you should see Polythene Pam

She's so goodlooking but she looks like a man.
18. to meet
В русском языке есть два глагола - встречать кого-то и встречаться с кем-то.
Поэтому все думают, что в английском языке их тоже два: to meet somebody и to
meet with somebody. Ничего подобного. Никакого to meet with somebody нет, за
исключением довольно официального оборота "встречаться по предварительной
договоренности", о котором студенту X помышлять пока рано.:
I met you in the morning
Waiting for the tides of time.
But to love her is to meet her everywhere
Knowing that love is to share.
Met a man on the roadside crying.
When I'm riding 'round the world
And I'm doing this and I'm signing that
And I'm trying to meet some girl.
19. to miss
У него два значения. Когда он употреблен в значении "пропускать" (уроки), все
говорят правильно:
Уои missed two lessons yesterday.
Это легко объяснимо: глагол "пропускать" не требует предлогов, и студенту X
обычно не приходит в голову вставить какой-нибудь лишний. Зато если этот
глагол употреблен в значении "скучать по кому-то", предлоги сыплются как из рога
изобилия:
I miss about you
(самый популярный вариант).
I miss on you
(по аналогии с "ходить по крыше": to walk on the roof).
I miss for you
(потому что студент X вообще неравнодушен к предлогу for и рад вставлять его
где нужно и где не нужно. Почему именно for - неизвестно, однако статистика
именно такова).
Но, к сожалению, глагол to miss, означающий "скучать по" - это абсолютно тот
же глагол, который означает "пропускать", а значит, тоже не требует никаких
предлогов:
Close your eyes and I'll kiss you.
Tomorrow I'll miss you.'
20. to need
Как вы думаете, что правильнее:
I need in this book
или
I need of this book?
Подумайте, прежде чем ответить.
Правильный ответ: ни то, ни другое. Глагол to need вообще не требует никаких
предлогов. Правильно было бы "I need this book," только ни студент X, ни даже
студент Y никогда об этом не помнят.
Если у вас тоже есть с этим проблемы, обратитесь к песенке
Oh I need your love, babe
Guess you know it's true.
Hope you need my love, babe
Just like I need you.

Help! I need somebody Help!
Not just anybody Help!
You know I need someone
Help!
When I was younger so much younger than today I never needed anybody's help in
any way.
Love was such an easy game to play,
Now I need a place to hide away.
Вообще, этот глагол очень популярен в лирике. Если вы будете следовать моему
совету и постоянно мычать что-нибудь себе под нос, проблемы с need должны
исчезнуть, как и со всем остальным, выше- или нижеизложенным.
21. to pay attention
Так как по-русски говорят "обращать внимание на", то и здесь студент X без
сомнений лепит on ("I didn't pay attention on his words") . А нужно, между тем,
to:
They didn't want to pay any attention to our warning.
Проблема состоит в том, что для студента X русский язык пока полностью
загораживает английский. Когда он с трудом переводит на английский язык предложение
"Я не обратил внимания на его слова", перед его умственным взором огненными
буквами светится "обратил внимание на". Если бы он хоть немного сосредоточился
не на русской фразе, а на соответствующей английской, он ни за что не сделал
бы такой грубой ошибки.
Дело в том, что никто никогда не говорит "платить на кого-то" (to pay on) .
Платят обычно кому (чему), а дательный падеж в английском языке выражается
главным образом предлогом to. Если вы не будете забывать о наличии слова to
pay в словосочетании "обращать внимание на", есть надежда, что вы не забудете
и to (вместо on) . В отличие от студента X, студент Y говорит to pay attention
at. Он считает, что любой затруднительный предлог в английском языке -
непременно at. К несчастью, это не так.
22. to play
Как правильно:
I play in cards или I play at cards?
He plays on the piano или He plays at the piano?
Ни то, ни другое. В обоих этих случаях глагол to play не требует предлога.
I play cards.
Не plays (the) piano.
Можете запомнить, что глагол to play требует предлога в тех случаях, где в
русском языке стоит предлог "с": "Она играет с собакой" - She is playing with
the dog. Если же в русском языке, как в наших примерах, идет предлог "в" или
"на", то в английском языке вообще никакого предлога ставить не нужно (В
первом томе мы не рассматриваем такие экзотические выражения, как "играть на его
подсознательных страхах" или "играть в открытую".):
The queen was in the parlor
Playing piano for the children of the King.
They say she plays guitar and cries and sings.
Unhappy girl
Left all alone
Playing solitaire.
Точно так же to play ведет себя в значении "играть чью-то роль" (играть кого-
то) :
Now you play the loving woman I'll play the faithful man.

23. to say
Это трагедия. Все студенты (X, Y, Z, U, V, W...) говорят:
Say me please.
I' 11 say him.
Who said you this? etc.
Спасти положение может только выучивание и постоянное распевание буквально
чего попало (этот глагол встречается часто). Дело в том, что глагол to say
непременно требует предлога to:
Oh please say to me
you'll let me be your man
and please say to me
you'll let me hold your hand.
Чтобы облегчить вашу жизнь и приблизить вашу речь к человеческой, я советую
вам никогда не использовать глагола to say в том случае, если после слова
"сказал" вы хотите сразу поставить дополнение, по типу "сказал мне", "скажите
им", "сказали нам", "скажем ей", "скажут ему" и так далее. А используйте в
этом случае глагол to tell, который перед дополнением не требует никаких
предлогов :
Не told me;
Tell them;
They told us:
Let's tell her:
They're going to tell him; etc.
Tell me why you cried and why you lied to me.
I could tell the world a thing or two about our love.
So I'm telling you my friend That I'll get you, I'll get you in the end.
А глагол to say, наоборот, используйте, когда не указано, кому именно
сказали/говорят. В этом случае после глагола to say сразу идет союз "что" (that),
который в английском языке опускается в абсолютном большинстве случаев:
You say you'll be mine, girl
If I have to go.
She says you hurt her so,
She almost lost her mind.
And now she says she knows
You're not the hurting kind.
I'll give you all I got to give
If you say you love me too.
You'd say I'm putting you on
But it's no joke, it's doing me harm.
Тогда вам не придется думать о том, что to say требует предлога to, кроме как
в случае некоторых устойчивых словосочетаний, типа to say good-bye to smb -
"прощаться с кем-то".
Посмотрите на примеры, в которых оба глагола стоят рядом:
Oh yeah I'll tell you something
I think you'll understand
Then I'll say that something
I wanna hold your hand.
...when I tell you that I love you
You're gonna say you love me too
And when I ask you to be mine
You're gonna say you love me too.
Say you don't need no diamond ring

And I'll be satisfied
Tell me that you want those kinds of things
That money just can't buy.
24. to tell
Еще одна трагедия. Никогда не говорите, пожалуйста, Не told to me.
После глагола to tell сразу идет упоминание о том, кому сказали, безо всяких
предлогов. Примеры см. в предыдущем пункте, а также:
Cause I told you once before good-bye
But I came back again.
I got a whole lot of things to tell her
When I get home.
25. to wear
Пока этот глагол употребляется в значении "носить (об одежде, украшениях и т.
д.)", он не вызывает слишком больших затруднений. "Носить" в русском языке не
требует предлогов, поэтому и в английском языке тоже не появляется искушения
поставить там что-нибудь лишнее:
I always wear jeans.
Не never wears a tie.
Теперь посмотрим, что произойдет, когда мы поставим этот глагол в PrCont:
I am wearing jeans.
To есть: "в данный момент я нахожусь в процессе ношения джинсов", другими
словами, "на мне надеты джинсы", другими словами, "я одет в джинсы". Вот тут-то и
начинаются проблемы. В зависимости от того, из какого именно русского
предложения мысленно исходит студент X, у него появляются следующие варианты:
Jeans are wearing on me
(якобы, "на мне надеты джинсы")
или
I am wearing in jeans
(якобы, "я одет в джинсы").
Запомните, пожалуйста, что с глаголом to wear никогда не нужно изощряться: в
каком бы значении вы его ни употребляли, он всегда останется глаголом, после
которого не нужно ставить никаких предлогов:
If you wear red tonight
remember what I said tonight
for red is the color my baby wore.
Two of us wearing raincoats
Вы поняли, что это не PrCont? Иначе было бы "Two of us are wearing raincoats."
Это предложение с причастным оборотом, которого вы пока не знаете. Не
обращайте на него внимания, запомните только, что после wearing сразу идут raincoats,
без предлогов.
Standing solo in the sun.
And the banker never wears a mac
In the pouring rain - very strange.
Упражнения
Постарайтесь найти ошибки и исправить их.
1. "Help to me!" she screamed.
"I need in your help!
Help to me to go away from here, to go to home!
Help me!"

2. "Look on yourself," he snapped. "You look like as a drunken hooker. If you
go in the restaurant with this makeup on, everybody will laugh upon you. And
what's more, they'll laugh at me, too."
3. I already said you. I am not going to wait you any longer. If you want to
stay home, I'll go to there without you.
4. "She is wearing in a pretty evening gown," his wife said. "When are you
going to earn enough to buy for me something like this?"
5. I don't think you are really going to follow his example. I doubt in it.
You may not pay attention at my words, but I'm telling to you I'm right.
6. When she comes at home late, they go in bed right away, they don't play in
cards, they don't even listen to the radio.
7. "Join to us," he said, smiling charmingly on poor Mrs Robbins. "Follow
after your sisters. Give us your money. Someday you're going to need us, and
we will help for you."
8. "I ask for you to forget me," he said in a trembling voice. "I know I'll
miss about you, and you'll never miss me. Someday, maybe soon, you'll meet
with another man, and he will make you happy. Look at me - I have nothing to
tell to you."
9. Now he's looking for a job. because he doesn't want to depend of his father
any longer. He goes to different places, and everywhere they tell him to come
next week.
10. "What happened with your sister?"
"Oh, she wants to get married, but nobody pays attention to her, although she
wears all those weird clothes and wild makeup."
"But she looks like a whore."
"Yes, but she thinks she looks tike on a princess. She is waiting for a
charming prince, you know." "Oh, I doubt her chances."
11. "Nothing is going to happen to her," he said reassuringly. "Listen me. She
met a nice, decent man, she asked him for help, and he was ready to give to
her it. We shouldn't discuss about her behavior now, it's too late, anyway.
Let's discuss her future instead."
12. "Where are my papers?" he shouted. "I can't look for after them any more!
I can't depend on those lazy morons of servants any longer! My patience is
over. 1 can't play these games anymore, I'll go away and join the army!"
Упражнения
А теперь сами вставьте предлоги (если нужно).
1. She asked... me... help... her, but I didn't pay attention... her request,
and only laughed... her.
2. He tells... her he will miss... her, but she doubts... his words.
3. If you listen... me and follow... my advice, nobody is going to laugh...
you.
4. They are playing... cards, drinking wine and discussing... their problems
at the same time.
5. She looked. . . his pale face and smiled. . . him. Then she said, "I am ready
to help you if you really need... my help."
6. "Listen... me," he said. "If you don't want to look... an idiot, you
shouldn't join... this organization."
7. I am waiting... her because she promised to come... here.
8. She is looking... her black hat, but she can't find it anywhere. If she
doesn't find it. she can't go... the party. Without the hat, she is going to
look... a scarecrow.
9. "A strange thing happened... me," he said. "I met... a gypsy girl who
told. . . me all about my fate. I wanted to give. . . her all my money, but she

didn't take it."
10. "I wouldn't like to depend... you." he said coldly. "Although you're
wearing... this police uniform, you don't look... a policeman. You don't even
look... an honest man. You don't look... trustworthy."
11. I meet... her at the same crossroads everyday. She constantly wears... the
same black stockings and red skirt. I think she waits... somebody. But 1 never
tried to follow... her.
12. If he absolutely wants to play... violin, I can give... him my own violin.
But I doubt... the firmness of his decision. If he needs... something, it's a
guitar, not a violin.
4.2. Предлог плюс обстоятельство
Now that I was getting close, there was an
almost ungovernable urge to hurry, to get it
over with. But if I hurried, I would die. So
I forced myself to go slowly.
Stephen King, The Ledge
Обстоятельство - это такой член предложения, который не зависит от глагола.
Например, "Я слушаю радио на кухне". "Радио" - это дополнение, оно зависит от
глагола и присоединяется с помощью именно того предлога, которого требует
глагол: слушать кого-то, что-то - to listen to smb/ smth, следовательно, I am
listening to the radio.
А вот какой предлог мы поставим перед "кухней" - это не зависит ни от какого
глагола, а только от самой кухни. Уж какой предлог принято ставить перед
кухней , такой и нужно ставить.
Перед кухней принято ставить предлог in:
I am listening to the radio in the kitchen.
Итак, выше мы рассматривали дополнения, и они вводились тем предлогом,
которого требовал глагол. А теперь мы будем рассматривать обстоятельства, и они
будут вводится теми предлогами, которых требуют они сами. Здесь же мы, кстати,
рассмотрим и прочие затруднительные предлоги, которые не зависят от глаголов.
1. near
Когда студент X, по обыкновению, переводит то, что он хочет сказать, с
русского языка, у него получается:
I live near from the bus stop.
Я живу недалеко от остановки автобуса.
It's near with my house.
Это рядом с моим домом.
I work nearly from here.
Я работаю близко отсюда.
Часто также (по причине необъяснимой) он ставит после near предлог of:
We'll place the bookcase near of the desk.
Это можно объяснить только в случае, если студент X предварительно изучал,
например, французский язык. Если это действительно так, то пусть он запомнит: в
английском языке предлог "near" ведет себя не так, как французское
"pres de".
Все это не соответствует действительности. Есть два варианта использования
этого предлога: просто near (и дальше сразу обстоятельство, без всяких лишних
предлогов) или near to (и дальше обстоятельство):
I live near (to) the bus stop.
It's near (to) my house.

I work near here.
We'll place the bookcase near (to) the desk.
Как вы заметили, только в одном из этих примеров нельзя поставить to после
near. Почему? Чем отличается here от the bus stop или ту house?
Мы уже сталкивались с подобной ситуацией, когда речь шла про глаголы to go и
to come. Конечно же, here - это наречие, поэтому перед ним мы to не ставим.
Слово nearly - это вообще не предлог, это наречие, означающее "почти" (или, в
некоторых случаях, "чуть не"). Предложение I work nearly here означало бы "Я
работаю почти здесь". (А предложение I nearly fell off the bike - "Я чуть не
упал с велосипеда".)
Примеры:
Peter Brown called to say, you can make it OK.
You can get married in Gibraltar near Spain.
I'm a loser
And I lost someone who's near to me.
Let me sleep all night in your soul kitchen
Warm my mind near your gentle stove.
"Doctor, I am sorry to drag you so far out in the country on such a bad
night," "Oh, it's all right because I have another patient near here so 1 can
kill two birds with one stone."
И для сравнения:
I nearby died
Cause you walked hand in hand
With another man in my place.
2. Предлоги и время
Who found the tail?
"At a quarter to two
"I," said Pooh,
(Only it was quarter to eleven really), I
found the tail!"
A. A. Milne, Winnie-The-Pooh
a) когда мы говорим, в каком часу что-то произойдет, следует употреблять
предлог at (а не in!):
The band begins at ten to six
when Mr K. performs his tricks without a sound.
Wednesday morning at five o'clock as the day begins.
Well, I stood stonelike at midnight suspended in my masquerade.
b) когда речь идет о днях, ставится предлог on (опять-таки не in!):
The celebrated Mr К. performs his feat on Saturday At Bishopsgate,
кроме тех случаев, когда к названиям дней приделаны слова morning, evening,
afternoon или night. В этом случае никаких предлогов ставить не нужно:
Friday morning at nine o'clock she is far away.
Thursday night your stockings needed mending.
To же самое, естественно, происходит, если дни фигурируют не как дни недели, а
как числа или просто в виде слова "день":
On the I st on January.
On the day of their wedding.
I married Isis on the fifth day of May.
Driving into Darlington County Me and Wayne on the Fourth of July.
Driving into Darlington County lookin' for some work on the county line.

c) а вот к году, месяцу и времени года полагается ставить предлог in:
in summer, in 1968, in May. etc.
Penny Lane is in my ears and in my eyes
A four of fish and finger pies in summer
Meanwhile back.
They let him out in '79, he'd lost a little weight.
And then one day in April, I wasn't even there, For there were many things I
didn't know. A son was born to me.
Mama held his hand, sayin' someday you'll understand.
d) Когда перед словами, обозначающими нечто календарное (неделя, месяц, год,
лето, зима, осень, понедельник, вторник и т. д.) стоят слова next, last или
this, никаких предлогов ставить не нужно:
Last summer.
Next Sunday.
Thi s week.
Last night the wife said. Oh boy when you're dead
You don't take nothing with you but your soul.
e) постоянная проблема возникает со словом "через" (через две недели, через
месяц, через три года). Это вовсе не through и не after, как многие считают.
Это in:
See you in a week.
Увидимся через неделю.
I am going to LA in two months.
Через два месяца я поеду в Лос-Анджелес.
It's a thousand pages give or take a few
I'll be writing more in a week or two.
Тогда как слово after означает не "через", а "после":
после войны - after the war;
после уроков - after the classes.
3. Предлоги и место
"Please, then," said Alice, "how am I to get in?"
"There might be some sense in your knocking," the
Footman went on without attending to her, "if we
had the door between us. For instance, if you were
inside, you might knock, and I could let you out,
you know."
Lewis Carroll, Alice's Adventures in Wonderland
Чаще всего они более или менее совпадают с русскими. Например, в
Париже/Лондоне/ Нью-Йорке - in Paris/London/New York, в Италии/Испании/Португалии
- in Italy/ Spaiп/Portugal, на стуле - on the chair, в кресле - in the
armchair, в коридоре/комнате - in the hallway/room. Вообще, предлог in почти
всегда совпадает с русским "в", когда речь идет о том, что нечто находится
внутри чего-то:
She took off a silver locket she said remember me by this
She put her hand in my pocket I got a keepsake and a kiss.
In her own mad mind she's in love with you.
In your room
Where souls disappear

Only you exist here.
It's the mood that I am in
That left us back where we began.
Правда, на кухне - тоже in (а не on!) the kitchen:
Let me sleep all night in your soul kitchen
Warm my mind near your gentle stove.
А, например, на улице - on the street:
She lives on Love Street
Lingers long on Love Street.
Некоторые затруднения возникают с предлогом по (улице, дороге и т. д.) . Очень
хочется сказать on, upon или along; так студент X обычно и делает. Из всех
этих вариантов годится только along, и то у него сильно выпирает значение
вдоль:
We were walking along the road.
Мы шли вдоль дороги (а не поперек).
Рекомендуется в этих случаях употреблять предлог down:
She's walking down the street
Blind to every eye she meets.
И еще одно, с чем всегда возникает путаница: на картине/фотографии. Предлог on
абсолютно неуместен, если речь идет о том, что изображено на картине. В этом
случае нужно ставить предлог in, а не on:
You can see my ex-wife in this picture.
А предлог on употребляется только в том случае, если на картине сверху что-то
налеплено (предположим, паутина) или кто-то на нее сел:
There's some muck on the photo.
4.3. Предлоги (заключение)
It has long been an axiom of mine that the
little things are infinitely the most
important.
A. Conan Doyle, A Case of Identity
В заключение - небольшой подарок. Целая куча предлогов, которые полностью
совпадают с русскими. Дело за малым: запомнить их.
She won't waste time on elementary talk.
While you are wasting your time on your enemies
Engulfed in a fever of spite
Beyond your tunnel vision reality fades
Like shadows into the night.
With the book in my hand
And truth on my side.
Well you can burn my house steal my car drink my liquor from an old fruit
jar.
And I wait for them to interrupt
Me drinking from my broken cup
And ask me to open up the gate for you.
My name is Luka
I live on the second floor.
Well I'm down on my knees again
And 1 pray to the only one
Who has the strength

To bear the pain
To forgive all the things that I've done.
Instant Karma's gonna get you (gonna = going to)
Gonna knock you right on the head.
Hey little girl, standing on the corner
Today's your lucky day for sure, all right.
The lunatic is on the grass
The lunatic is on the grass
Remembering games, and daisy chains and laughs.
ГЛАВА 5. КАК НУЖНО ГОВОРИТЬ
The Red Queen shook her head. "You may call
it 'nonsense' if you like," she said, "but
I've heard nonsense, compared with which
that would be as sensible as a dictionary!"
Lewis Carroll, Through the Looking-Glass
Представим себе еще раз студента X. Вот он сидит на занятии и рассуждает о том
о сем на английском языке, поминутно спрашивая у Джона какие-нибудь слова. И,
наконец, между ними происходит следующий диалог.
Студент X: А как будет "у"?
Джон: Что "у"?
Студент X: Просто "у".
Джон (терпеливо): В каком смысле? "У окна", "у-у, гад!", "у тещи на блинах"
или самолет "у-2"?
Студент X: "У меня".
Джон (чуя неладное): Что "у меня"?
Студент X: "У меня нет денег".
Дальнейшее зависит от состояния здоровья Джона. Возможен инфаркт.
Студент X, впрочем, как и все остальные студенты, прекрасно осведомлен о том,
что конструкции типа "у меня нет денег", "у него красивая жена" и "у попа была
собака" выражаются в английском языке с помощью глагола to have. Откуда же
возникает приведенный выше кошмар? Оттуда же, откуда следующие перлы, ни один
из которых не придуман мною - все они были когда-то высказаны студентами X или
Y:
1. Tomorrow I go in guests.
2. She became to open the door.
3. He sits in prison.
4. How is your opinion?
5. He lies in hospital.
6. "I'm sorry!" - "Nothing-nothing."
Интересно, вы догадались, что все это значит? Все построено по тому же
принципу, по которому и приводившийся в предисловии диалог: "How are you?"
"Nothing." Берется русское предложение и переводится на английский язык
дословно :
Завтра я иду в гости. - Tomorrow I go in guests.
Понять этого не сможет никто и никогда - я говорю об иностранцах, не владеющих
русским языком, то есть именно о том контингенте лиц, ради которого мы,
собственно, и начали изучать английский.
В предложении (2) сделана очень распространенная ошибка, связанная с глаголом
"становиться". Она, мол, стала открывать дверь. Студенту X, в его простодушии,
не приходит в голову спросить себя: а может быть, глагол "становиться" только
в русском языке означает также "начинать" или "приниматься за"? В частности, в

английском языке to become - это "становиться" (пожарником, космонавтом,
президентом) , а "начинать" - это to start или to begin.
Еще хуже обстоят дела с глаголом "сидеть" или "садиться". Он столько всего
означает в русском языке, что, кроме примера (3), студент X любит также
говорить, например, I sat on a bus, в то время как глагол to sit в английском
языке означает исключительно сидеть, извините, задницей.
Примерно то же самое относится и к глаголу "лежать" (пример (5)), который
означает не "проходить курс лечения", а "находиться в горизонтальном положении".
Потешной фразой (4) студент X, боюсь, гордится: как же, не просто перевел с
русского языка ("Как ваше мнение?") , но и не забыл глагол to be. Что с того,
что эту фразу можно перевести единственным образом - "Как там поживает ваше
мнение?" Впрочем, не единственным. Возможен еще вариант "Как себя чувствует
ваше мнение?"
Предложения (6) иностранец вообще не поймет. "Ничего-ничего!"- вовсе не
"Nothing-nothing!", точно так же, как если фильм "идет" в кино, то это не
Значит, что он там goes, "результат налицо" - вовсе не result on the face, а "моя
любимая жена" - это не ту favorite wife, если, конечно, вы не султан.
Этот список можно продлевать до бесконечности. И что же теперь делать?
Создается впечатление, что теперь вообще нельзя открывать рот. А то откроешь,
скажешь что-нибудь, а все либо не поймут, либо смеяться будут, либо еще, не
дай Бог, что-нибудь неприличное получится (такие случаи бывали: например,
студент X сказал во время ролевой игры: And now I offer you to eat. Хорошо еще,
что во время игры, а если бы на переговорах?..) . Что же, повторяю, делать?
А сделать нужно вещь довольно непривычную и неудобоваримую: забыть русский
язык. Представить себе, что его нет. Что в вашем распоряжении нет вообще
ничего, кроме того минимума грамматики и лексики английского языка,
который вы знаете твердо. Иначе вы всегда - повторяю: всегда - будете
вляпываться в недоразумения.
Еще раз, для ясности: вы должны исходить не из русского языка, а из
английского . Говорите только то, что знаете. Любую мысль можно выразить с помощью тех
слов и конструкций, которыми вы уже овладели.
Пример. На занятии изучается тема "Внешность".
Студент X: Как сказать "кровь"?
Джон: Blood. (Спохватывается.) А вам зачем?
Студент X: Нужно. А "молоко"?
Джон (подозрительно): А это Зачем?
Студент X: Нужно. "Milk", правильно? Ага. She is blood with milk.
Джон (в ужасе): Pardon?
Студент X: Ну, выражение есть такое. Кровь с молоком.
Можно ему объяснить, что такого выражения нет. Но гораздо важнее объяснить ему
другое. А именно: иностранец, изучающий язык, не имеет права на творчество,
даже на такое, как перевод. Он может использовать в своей речи только то, чему
его научил преподаватель, или то, что он
а) слышал от носителя языка,
б) вычитал в неадаптированной книжке, а затем проверил любым способом,
правильно ли он это понял и запомнил.
Простейший способ - спросить у преподавателя. Другие способы суть: первый -
проверить по словарю, но там возможна некоторая путаница, связанная с тем, что
не каждый X умеет пользоваться словарем (см. главу о словарях во
втором томе); второй - проверить с помощью практики, то есть обратить внимание
на реакцию собеседника после использования вами тех или иных слов и оборотов.
Вот, например, беседа студента Y с живым американцем:
Y: It is raining cats and dogs.

А. : What?
Y: I mean, it's pouring with rain.
A. : It is.
Тем самым студент Y проверил два вычитанных в книжках варианта выражения мысли
"льет как из ведра", отбросил первый и оставил второй. Весь алгоритм его
действий был правилен, потому что ему ни на один безумный миг не пришло в голову
сказать It is pouring as if from a bucket. А это самое главное.
Итак, мы договорились, что будем избегать всяческих метафор, образных
олицетворении , каламбуров, крылатых выражений и идиоматических оборотов. Но это еще
не все. Вот еще один пример.
На занятии идет ролевая игра. Основная идея: увы, ваш дядюшка скончался, но
ура, вы получили наследство. Студент X последовательно спрашивает у Джона
слова: грустно; известие; сообщать; скоропостижно; трагический; скончаться.
У Джона лопается терпение и он спрашивает: "Ну что вы, наконец, хотите
сказать?" - "Я хочу сказать, - отвечает X, - что мне очень грустно сообщать вам
эту трагическую новость, но ваш дядюшка скоропостижно скончался".
Вопрос к читателям. Как можно выразить ту же самую мысль, не прибегая к
словарю и не выстраивая чудовищных конструкций, скопированных с русского языка?
Правильно:
I am very sorry, but your uncle has died.
Вот и все. И вы можете быть стопроцентно уверены, что здесь все сказано
правильно . И что все вас правильно поймут. И что вы не Запутаетесь в длинном
предложении и не будете выглядеть нелепо, высматривая в словаре слово
"скоропостижный" в то время как нетверды в словах "стол" и "стул". Постарайтесь не
путать две вещи. Я отнюдь не ставлю своей целью убедить вас не пополнять ваш
словарный запас и вообще не совершенствовать вашу речь. Как раз наоборот. Я
хочу убедить вас в одном: не создавайте ничего сами. Ничего не переводите с
русского языка. А о совершенствовании я расскажу вам в следующем томе. В
качестве упражнения подумайте, как с помощь" известной вам лексики и грамматики
выразить идею нижеприведенных предложений.
Пример. Его умственная ограниченность такова, что он не в состоянии понимать
простейших вещей, не говоря уже о способности к элементарному анализу. - Не is
stupid.
1. Вся природа радовалась теплому солнышку, нежный зефир гнал по небу пушистые
облачка, и цветы доверчиво открывали свои бутоны.
2. Не соблаговолите ли вы предоставить мне вашу машину, разумеется, не
бесплатно, на некоторый срок?
3. Я не знаю, сможете ли вы когда-нибудь простить меня, но я приношу свои
глубочайшие искренние извинения.
4. Я не хотел бы вас затруднять, но буду бесконечно признателен, если вы не
откажете мне в помощи.
5. В настоящее время я испытываю определенные финансовые затруднения.
6. Боюсь, что мои агностические, чтобы не сказать атеистические, взгляды не
дают мне возможности разделять религиозное чувство моих сограждан.
7. Твоя пагубная привычка к избыточному курению превосходит все мыслимые
пределы.
8. Он злоупотребляет алкоголем самых разных видов, от дорогих ликеров до
бормотухи включительно.
Наиболее адекватно эти фразы могут быть переведены на английский следующим
образом .
1. The weather was fine.
2. Can you lend me your car?
3. I am sorry.
4. Help me, please.

5. I have no money.
6. I don't believe in God.
7. You smoke too much.
8. He drinks too much.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ПОЛЕЗНЫЕ СОВЕТЫ
Advice is seldom welcome; and those-who want
it the most always like it the least.
Earl of Chesterfield
I. Как учить слова
Ну что же это такое! - воскликнул Воланд, -
зачем ты позолотил усы? И на кой черт тебе
нужен галстук, если на тебе нет штанов?
М. Булгаков, "Мастер и Маргарита"
Для начала неплохо бы ответить на вопрос: какие слова нужно учить?
Студент X очень любит учить слова вроде "целеустремленный", "альпеншток" и
"неотразимо". И страшно огорчается, когда забывает их: начинает сетовать на
плохую память, теряет веру в себя и забрасывает английский язык.
Зачем вам "заунывный" и "ликование", если вы не знаете слов "грустный" и
"радость"? Зачем "полудрема" и "убаюкивать", если вы не помните трех форм глагола
"спать"?
Я смотрю в свой учебник итальянского языка и вижу там "шпинат", "миндаль" и,
хуже того, - "артишок". Это в списке слов к седьмому уроку, когда еще сами-то
глаголы "есть" и "пить" вызывают большие затруднения! Что я делаю с
этими словами? Правильно: я их пропускаю. А когда я перевожу на итальянский
язык предложения, предлагаемые мне этим учебником, я заменяю слова "шпинат" и
"артишок" на "огурцы" и "помидоры", которые мне еще как-то
могут пригодиться. Итак...
Правило первое: не учить ничего лишнего
Ни под каким видом не старайтесь запомнить те слова, которые не входят ваш
постоянный русский лексикон. Если у вас возникает хоть тень подозрения, что
данное слово вам не придется употребить в беседе с иностранцем, - игнорируйте это
слово. Один студент X, помню, хотел рассказать, чем отличается жизнь в деревне
от жизни в городе, и выписал себе на бумажку бесконечный список слов по типу
"жать", "пахать", "сеять", "веять", "молотить", "собирать в житницы" и не знаю
что еще. Стоит ли говорить, что ему как человеку сугубо городскому никогда не
представится случай побеседовать на эту тему с кем бы то ни было?
Правило второе: учить преимущественно глаголы
Любое существительное можно в крайнем случае описать словами "такая штука,
которая..." - и дальше описание действий. Я рекомендую вам очень хорошее
упражнение: посмотрите по сторонам и опишите (по-английски) с помощью
глаголов все существительные, которые вам встретятся. Например, кровать
"штука, в которой я сплю", стол - "штука, за которой мы едим", книга - "штука,
которую я читаю" и т. д. Все глаголы, которые вам при этом встретятся, - это
хорошие глаголы, их стоит запомнить. А единственное существительное, которое
вам понадобится - это "thing".
Правило третье: учить слова только в контексте
У меня был ученик, который выписывал слова из словаря по алфавиту и как-то там
их учил. К моменту нашего знакомства он дошел до буквы "d."

Я из интереса открываю англо-русский словарь на букву "d," и вот какие слова
(подряд) предстают передо мною:
dab I (I) - 1) легкое прикосновение, легкий удар;
2) мазок, пятно.
dab I (II) - 1) слегка прикасаться; прикладывать что-л.; ударять, тыкать; (at)
клевать; 2) намазывать;
3) покрывать краской, делать легкие мазки.
dab 2 - камбала (рыба). dab 3 - разг, знаток, дока.
Кроме камбалы (рыбы), здесь же, в первой четверти левой колонки, присутствуют
елец (рыба) и такса (собака) : dace и dachshund. И другие слова с аналогичной
частотностью. Ну как, полезно?
Не менее (и не более) полезно выписывать из словаря слово (даже хорошее,
нужное слово с высокой частотностью) вместе со всем букетом его значений.
Например, студент X полез в словарь за словом "стена", потому что вовремя не
вспомнил ни название известного альбома Pink Floyd, ни соответствующего фильма
Алана Паркера. Стоит ему открыть словарь, как у него разбегаются глаза. Еще бы,
столько всего полезного!
капитальная ~ main wall; голые стены bare walls; обносить ~ой wall in; жить ~
в стену с кем-л. be close neighbours with smb.; припереть кого-л. к ~е drive
smb. into a corner, back smb. against the wall; быть припертым к ~e be driven
into a corner, have one's back against the wall; be at bay;...
Жаль, у меня не хватило терпения - там еще много подобного. Студент X
аккуратно перерисовывает это на карточку. Предположим на один безумный миг, что ему
удалось каким-то чудом все это выучить. Но так как возможности сказать своему
оппоненту "Вот тут-то мы и приперли вас к стенке!" в ближайшие два дня не
подворачивается, то приходится каждый день извлекать эту карточку на свет божий и
мучительно твердить: капитальная стена - main wall; обносить стеной - wall in;
жить стена в стену... Наконец, карточка теряется, студент X для вида ищет ее,
а в душе радуется, что больше не надо мучиться, хотя на самом дне души скребут
кошки: надо же, столько было хороших выражений, там тебе и "припереть кого-
либо к стене", и еще что-то важное, а я все забыл...
Похожая ситуация возникает, если студент X лезет в англо-русский словарь.
Например, в тексте ему часто встречается глагол to hold. И каждый раз вроде бы в
разном значении. Наконец-то, думает он, я с этим словом разберусь! Берет
словарь, карточку, ручку...
1) держать(ся), удерживать(ся);
2) выдерживать;
3) вмещать, содержать, заключать в себе;
4) иметь, владеть;
5) иметь силу (о законе и т. п.) ; this rule will ~ in all cases это правило
относится ко всем случаям;
6) сдерживать, останавливать;
7) считать, полагать,
а потом еще длинный список разных hold back, hold by, hold down, hold forth и
так далее, у каждого из которых тоже более одного значения. От избытка
информации студент X окончательно теряет чувство реальности и выписывает на другую
карточку (чтобы уж все было как следует!) слово hold на этот раз в качестве
существительного. Там тоже много значений, причем под номером 3 фигурирует
некое таинственное "ушко, захват". Студенту X некогда раздумывать о том, что бы
это значило, он пишет "ушко" в тот же список - "до кучи" - и с чувством
выполненного долга присовокупляет эту карточку к целой стопке других таких же.
Интересно, что он собирается с ними делать? Твердить весь список про себя в
ожидании того, что кто-нибудь спросит, как будет "ушко, захват"? Или в
надежде, что когда настанет пора сказать "держаться, удерживаться", то to hold

сразу придет на язык? Ни того, ни другого никогда не случится. Студент X
согласится с этим, если поразмыслит логически. Но традиция выписывать из словаря
все подряд, в подробностях, очень живуча, как любая нелепая традиция.
Как же интерпретировать наше третье правило - "учить слова в контексте"?
Прежде всего, необходимо научиться полностью игнорировать тот факт, что у того
или иного слова есть еще какие-то значения, кроме того единственного, которое
вам непосредственно нужно. Если вы посмотрели в словаре слово stone и
обнаружили, что оно означает "камень", и если по контексту "камень" подходит, то
сделайте над собой усилие и не читайте, что еще написано в этой словарной
статье. Какое вам дело до "косточек (плода)", "градин" и прочих значений этого
слова? А если в кулинарном тексте вы опять встретили stone, но слово "камень"
не подошло, то слазайте в словарь еще раз и найдите там значение "косточка
(плода)". Я даже не советую вам фиксироваться на мысли, что это тот же самый
stone, который только что был камнем. Пусть эти два "стоуна" существуют для
вас отдельно, каждый в своем контексте. Никогда в жизни никто вас не спросит,
какие значения слова stone вам известны.
Нет уж, думает студент X. Зачем мне лишняя работа. Я лучше сразу выпишу все
про stone, но зато когда мне понадобится "градина" или "косточка (плода)",
тут-то я и...
Что - "и"? Вы же не компьютер, чтобы запоминать раз и навсегда, что у вас где
написано. Написано это без смысла и связи, по одному-единственному принципу,
что в английском языке эти понятия выражаются одним и тем же словом!
Всю жизнь жить в ожидании того, что удастся блеснуть словом "косточка
(плода)", значит обречь себя на адские муки. Представьте себе целую кучу карточек,
на которых - на каждой! - без складу и ладу записаны десятки этих "косточек
(плода)"... А впрочем, что там - "представьте"... Посмотрите на свой
письменный стол. Вот они, эти карточки, с помощью которых вы так долго вырабатывали у
себя два ощущения: собственной неполноценности и отвращения к английскому
языку.
Спрячьте-ка их подальше. И вернемся к слову stone.
Итак, мы выяснили, что оно означает "камень". И, напоминаю, коль скоро слово
"камень" подходит к нашему контексту, то мы должны полностью забыть о
возможности существования у слова stone других значений. Камень - и камень, и все
тут. А как бы нам теперь этот "камень" выучить?
Допустим, пишем на карточку. С одной стороны - "камень", с другой - stone.
Кладем эту карточку на вершину целой кучи других таких же... Ой. Что-то
подобное мы уже слышали. Можно долго вращать карточки туда-сюда, любовно подбирать
к ним резиночки и спичечные коробки по размеру, но слова от этого не
запомнятся . То есть, конечно, если ваш собеседник будет, в свою очередь, показывать
вам карточки, на которых по-русски написано "камень" (и так далее), то рефлекс
сработает, и вы если и не произнесете, то, по крайней мере, внутренним взором
увидите слово stone, красиво написанное вашим почерком. Однако на такую
ситуацию надежды, прямо скажем, маловато. Если быть до конца честными, ее нет
вовсе. Ситуация обычно прямо противоположная: вы должны говорить сами, и слова
должны свободно и плавно приходить на язык. Причем именно те слова, которые
уместны в данном контексте, а не те, которые вы давно уже мечтаете впихнуть,
чтобы зря не пропадали ("ушко, захват").
Дело совсем плохо. На карточки не выписывать, в столбик тем более..., А что же
делать?
О том, что делать, вы уже читали выше. Речь шла о том, как учить глаголы в
трех формах, но то же самое относится и к другим частям речи. Слово запомнится
только после того, как вы несколько раз (чем больше, тем лучше) употребили его
в контексте, который придумали сами.
Поговорите сами с собой о "камне". Спросите: у вас есть камень? А почему у вас

нет камня? А какие камни вы любите? А какие камни любит ваша жена? А какой
камень вы собираетесь подарить ей на день рождения?
Поиграйте. Придумайте контекст. Представьте себе, что вы - два человека: вы и
ваша жена. Она куда-то задевала какой-то важный камень, и вот вы его ищете.
Мне нужен этот камень! - Почему ты сам никогда не можешь найти свои
камни? - Куда ты положила мой камень? - Сам ищи свой камень, если он тебе так
нужен! - и так далее, до бесконечности.
Чего только нет в этой саге о камне: и глагол to have, и вопросительные
предложения, и PrPf, и to need. Все это вы сможете повторить. И в каждом
предложении (на худой конец, через одно) будет фигурировать "камень". И если вы
проделываете все это долго, громко и отчетливо, "камень" засядет в вашем сознании
на веки вечные, а на язык будет приходить без затруднений. Все, что вам нужно,
- это микроскопическая доля фантазии, чтобы вам было не скучно проделывать эту
операцию по поводу каждого слова, которое вы хотите запомнить. Надоело
препираться с якобы женой - представьте себя парочкой кладоискателей, которые тоже
не могут найти камень (под которым клад). А ты уверен, что камень должен быть
слева от дерева, а не справа? - Слева, там справа нет никакого камня. - По-
моему , под этим камнем мы уже копали. - Ничего, еще покопаем, - и т.д. и т.п.
А если мы все-таки забудем то слово, которое так долго учили? Ну и черт с ним.
Правило четвертое: не расстраиваться по поводу забытых слов.
Себе дороже. Ну, забыли и забыли, зато пока его учили, всю грамматику
вспомнили и потренировали. А пока мы этим занимались, у нас всплывало множество
хороших, употребимых глаголов, которые мы по ходу дела запомнили уже навсегда. Так
что теперь мы из любой ситуации можем выкрутиться, описав любое слово с
помощью глаголов. Главное - почаще говорить вслух. Или петь, но об этом вы уже
знаете. И последнее...
Как учить слова по темам
Если вы занимаетесь с преподавателем или по самоучителю, вам предлагаются
лексические темы, которыми надо овладеть, и с этой целью даются длинные списки
слов. Посмотрим, как здесь работают наши правила. Для примера
возьмем тему "одежда".
1. Не учить ничего лишнего
Это очевидно. Никаких "вытачек", "оборочек" и "двубортных пиджаков". Если вас
как кошмар преследует мысль: "А вдруг я буду покупать одежду, и мне подсунут
однобортный пиджак вместо двубортного?!" - успокойтесь. На это есть
словари. В крайнем случае, перед походом в магазин можно выписать слово
"двубортный" на бумажку. Есть хорошие слова - pants, shirt, skirt, shoes, hat,
coat, - которыми действительно нужно владеть. Например, слово coat с успехом
заменяет множество других:
parka, windbreaker, anorak... Эти дополнительные слова можно (я не говорю -
"нужно") учить только в том случае, если вы свободно чувствуете себя со
"штанами" , "рубашками" и "юбками".
2. Учить преимущественно глаголы
Такие, например, как to wear, to dress, to put on, to take off и пр.
Действительно, трудно сказать "я снял шляпу", если не знать глагола "снимать". Без
слова "шляпа" это выражается элементарно: "Я снял ту штуку, которая на
голове".
3. Учить слова только в контексте
Само собой. Надо подавить в себе искушение полезть в словарь и выяснить, не

означает ли олово "coat еще чего-нибудь, а потом выписывать на карточку "слой
(краски)", "оболочка, плева" и многое другое. А потом хоронить эту карточку
среди ей подобных.
4. Не расстраиваться по поводу забытых слов
Вы думаете, вы их учили, чтобы помнить всю жизнь? Ничего подобного. Вы их
учили, чтобы иметь возможность поразмять язык на новом материале и заодно
повторить грамматику (помните историю с "камнем"?). Что-нибудь да запомнится. Пусть
вас не смущает, что коэффициент полезного действия вроде бы невелик: ведь
знания накапливаются. Если вы твердо выучили три слова из темы "одежда", четыре
из темы "пища" и три из темы "домашнее хозяйство" - это уже десять новых слов.
И если хотя бы половина из них - глаголы, то с помощью этих новых лексических
единиц можно описать целую систему мироздания.
А вот полезный совет: как оформлять слова по темам.
Если вы написали их в столбик, то в вашей тетрадке можно наблюдать следующую
картину:
skirt - юбка
shirt - рубашка
shawl - шаль, платок
handkerchief - носовой платок
pants - штаны, брюки
socks - носки
cotton - хлопок
wool - шерсть
и так на четыре-пять страниц. Что остается делать дома, взглянув на такой
длинный, унылый ряд однообразных столбиков? Только повеситься с тоски.
Нарисуйте лучше картинку. Если вы не умеете рисовать - что ж, тем смешнее
получится. Изобразите на ней все эти юбки и штаны, на человечке или без него.
Обдумывание вопроса, как бы изобразить хлопок (в виде негра на плантации?) или
шерсть (в виде овцы?) принесет вам массу положительных эмоций. А если вы при
этом будете бормотать себе под нос "cotton, cotton...," то начало запоминанию
слов будет уже положено. Пронумеруйте все нарисованное цифрами и напишите
соответствующие слова где-нибудь на другой половине листа, где вам не будет их
видно. И сначала просто выучите все слова, задействуя кратковременную память,
то есть так, как вы всегда умели учить, только не по карточкам или столбикам,
а по картинке. А затем переходите к описанному мною методу: сложите сагу о
каждом предмете туалета и попрепирайтесь на эту тему с воображаемым
собеседником. Перед вами будет не заунывный список, а забавная картинка, к которой,
кстати, вам будет куда приятнее обращаться впоследствии (для освежения слов в
памяти), чем к беспросветным столбикам.

2. Как произносить звуки
Мистер Хиггинс рассказал нам о задачах
симпозиума. Вступительную часть завершил
словами : - Мировая история едина!
- Факт! - отозвался из своего угла
загадочный религиозный деятель Лемкус. Мистер
Хиггинс слегка насторожился и добавил:
- Убежден, что Россия скоро встанет на путь
демократизации и гуманизма! - Факт! - все
так же энергично реагировал Лемкус.
Мистер Хиггинс удивленно поднял брови и ска-
зал:
- Будущая Россия видится мне процветающим
свободным государством! - Факт! - с тем же
однообразием высказался Лемкус.
Наконец мистер Хиггинс внимательно оглядел
его и произнес:
- Я готов уважать вашу точку зрения, мистер
Лемкус. Я только прошу вас изложить ее
более обстоятельно. Ведь брань еще не
аргумент . . .
С. Довлатов, "Филиал"
Я не буду, с вашего позволения, помещать схему гортани в разрезе, так как
сильно сомневаюсь, чтобы кто-нибудь когда-нибудь понял, что изображено на
подобных картинках. Задача этой главы, строго говоря, состоит не столько в том,
чтобы научить вас произносить те или иные звуки, сколько в том, чтобы
развенчать некоторые предрассудки и тем самым облегчить вам самостоятельное
овладение фонетикой.
К сожалению, отсутствие шрифта для написания транскрипций не позволяет
нормально выложить следующие 17 страниц книги в сеть. Вернее он у меня есть, но он
не загружается в программы для редактирования HTML, а возможно я не знаю как
это делается.
Предрассудок номер один
Звук [о] (в словах got, hot, сор, etc.) - это "о".
Вот типичный диалог со студентом X:
Студент X: And then I get... Ой, нет. Как вторая форма от get?..
Джон: Got.
Студент X (ошарашенно): Что?!
Джон: Got.
Студент X (растерянно): "Гат"?.. (Догадывается.) А, "гот"!
Что его так напугало? Звук [э]. Вы знаете, на что он больше всего похож? Если
вы иногда слышите американскую речь, то вы правильно ответите на этот вопрос.
Звук [э] больше всего похож на очень открытое русское "а". Но никак не на "о".
Посмотрите какой-нибудь фильм зарубежного производства, там кто-нибудь
непременно крикнет "Stop it!". Вот и послушайте, как будет звучать это stop, а если
получится - то и еще какие-нибудь узнаваемые слова, вроде impossible, сор,
doctor или того же got.
Один мой студент упорно говорил "гот", "хот" и "импоссибл", но зато делал
великолепное [э] в слове coffee. Однажды он открыл мне свою тайну: оказывается,
у него две недели жила американка, которая каждое утро требовала кофе, и это
было единственное слово, которое он понимал в ее речи. Так он это слово и за-

помнил, с хорошим звуком [э] - почти как очень открытое русское "а".
В действительности это, конечно, не совсем русское "а". Но рот надо открывать
широко.
После того, как вы с помощью телевизора, магнитофона или видео уяснили себе,
как звучит слово got (или stop, или impossible), посмотрите на такой список:
got (вторая форма глагола get)
lock (замок)
collar (воротник)
сор (полицейский)
hot (горячий)
dock (пристань)
dog(собака)
rob (грабить)
robber (грабитель)
lost (вторая/третья форма от глагола to lose)
Во всех этих словах произносится такой же гласный звук, как в слове "stop".
Интересно, думает студент X, если это "о" - это не "о", а "а" ("Не совсем "а"!
- напомню я. - Внимательно слушайте настоящих американцев!"), то что же делать
с теми словами, в которых как раз должно звучать "а"?
Посмотрим теперь на такой список:
gut (кишка)
luck(удача)
color (цвет)
сир (чашка)
hut (хижина)
duck (утка)
dug (вторая форма от глагола dig)
rub (тереть)
rubber (резина)
lust (страсть, вожделение)
Предрассудок номер два
Гласный звук [и] в вышеперечисленных словах - это "а".
Ох, нет. Как раз тот звук, который в транскрипции обозначается "домиком" - вот
он-то ближе к русскому "о". Во всяком случае, он куда ближе к "о", чем звук в
слове got.
Все с ног на голову. "О" - это "а", но зато "а" - это "о".
Снова предлагаю: посмотрите телевизор. Прямо сейчас. В зависимости от того,
что там идет, ищите одно из двух ключевых слов:
а) Идет кино про любовь. Ищите слово love, оно будет часто повторяться.
б) Идет боевик. Ищите слово, прошу прощения, fuck. Оно будет повторяться еще
чаще.
Гласный звук, который вы услышите, будет очень невразумительным, нечто вроде
русского "о", сказанного с закрытым ртом. А вот на что он похож меньше всего,
так это на "а".
В некоторых современных словарях уже вообще отказались от "домика" в качестве
знака транскрипции, и вместо "домика" они изображают [э] ; Узнаете? Такой же
знак, как в конце, например, слова mother.
И о чем это говорит? Да о том, что в слове mother в обоих слогах - один и тот
же Звук. То же самое, например, в слове summer. Единственная разница в том,
что тот, который вы привыкли воспринимать как "а" и обозначать домиком,
стоит под ударением.
Попробуйте теперь прочитать эти слова попарно, держа в голове, что у слов
слева такой же гласный, как в слове stop, а у слов справа - такой же, как в слове

love.
stop
love
got
gut
hot
hut
collar
color
dock
duck
cop
cup
lock
luck
dog
dug
rob
rub
robber
rubber
lost
lust
рот широко открыт, и
рот почти закрыт, и звук
получается хороший
получается неотчетливый,
открытый звук
напоминает конец слова
mother, только без "р" и
под ударением
Понимаете, в чем соль? Если вы произносите слово got через русское "о", как вы
привыкли это делать, то у вас получается звук, хотя и не существующий в
английском языке, но все-таки более близкий к "кишке" (gut), чем к глаголу to get
во второй форме. То же самое, например, со словом "полицейский" (сор), вместо
которого у вас отчетливо слышна "чашка" (сир), и с грабителем (robber), вместо
которого - то ли резина, то ли вообще презерватив (rubber).
Теперь еще раз посмотрим на эпиграф. Казалось бы, в свете только что
прочитанного, ничего страшного не прозвучало: в русском слове "факт" звучит "а", в то
время как в нецензурном английском - непонятный закрытый звук, ближе к "о". Но
не тут-то было. В действие вступают три фактора: во-первых, вы иностранец, и
носители языка не ожидают от вас идеального произношения; во-вторых, в слове
"факт" сильно выпирают характерные согласные звуки; в-третьих, звука,
аналогичного русскому "а" в односложных словах в английском языке тоже нет. В итоге
действия всех трех факторов результат получается однозначный - тот, который
описан Довлатовым.
Итак, нужно запомнить, что в словах
facsimile factory
fact faculty
factor fax
следует стараться очень четко артикулировать звук [ае] - такой же, как в слове
cat. Во избежание недоразумений.
Во избежание еще худших недоразумений тот же самый звук [ае] должен звучать и
в словосочетании can't: [kaent]. Звук [ае] делается так: вы упираете кончик
языка в нижние зубы, открываете рот очень широко - как будто собираетесь
зевать - и произносите нечто среднее между "а" и "э". Непонятно? Разумеется.
Постарайтесь услышать (в фильмах, песнях и так далее) слова bad, had или sad - у
них достаточно высокая частотность. И не путайте слова, в которых должно
звучать [ае] , со словами, в которых должно звучать более или менее нормальное
"э":
[as]
[е]
bad (плохой)
bed (кровать)
had (вторая или третья форма
глагола to have)
head (голова)
sad (грустный)
said (вторая/третья форма глагола

to say)
man (мужчина, в единственном числе)
men (мужчины, во множественном
числе)
mat(циновка)
met (вторая/третья форма глагола to
meet)
dad (папа)
dead (мертвый)
pan (кастрюля)
pen (ручка, которой пишут)
Предрассудок номер три
Еще хуже обстоит дело со звуком "и". Все знают, что их два - [i:] и [i] ,
первое из которых якобы долгое, а второе якобы короткое. Поэтому в слове live все
произносят нормальное русское "и", но зато в слове leave тянут этот звук на
полчаса (если, конечно, вспомнят, что он там "долгий").
Проделайте, пожалуйста, следующие действия: произнесите русский звук "и", но
сделайте это несколько утрированно, словно вы что-то втолковываете туговатому
на ухо идиоту и должны показать это "и" всей вашей артикуляцией. "И"! Еще раз:
"и"! Замрите и зафиксируйте положение вашего языка. Уголки ваших губ растянуты
в стороны, а края языка напряжены. (Если это не так, то попробуйте еще раз.)
Так вот. При произнесении звука [i] (так называемого короткого) ничего
подобного происходить не должно. Уголки губ должны оставаться на месте (возьмите
зеркальце). Края языка абсолютно расслаблены. Вообще, весь ваш речевой аппарат
отдыхает. Единственное, что происходит, - это слегка отваливается нижняя
челюсть. И произносится то, что получится (то ли "э", то ли "ы", но никоим
образом не то "и", которое мы только что репетировали). Следите за тем, чтобы края
языка не напрягались! Следите За уголками губ! Скажите: bit. Проверьте уголки
и края языка. Еще раз: bit. Не задействуйте ни губ, ни язык: только еле
заметное движение нижней челюсти вниз.
Если обратиться еще раз к кинематографическому наследию Соединенных Штатов
Америки, придется с сожалением констатировать, что проще всего услышать этот
звук в слове shit, которое звучит часто и выразительно. Я могу ручаться, что
это слово вы не раз слышали в фильмах и уже научились его идентифицировать.
Как по-вашему, похож этот звук на "и"? А что выходит, когда мы произносим
такое слово через нормальное "и", при напряженных краях языка и растянутых
уголках губ? Вот именно - sheet. Простыня. Даже выругаться, как следует, не
получится, если мы не овладеем звуком [i]. Кто же сквернословит с помощью слова
"простыня"?
Как вы уже поняли, так называемое долгое "и" - это как раз и есть ваше русское
"и", но несколько утрированное. Именно сейчас уголки губ расходятся в стороны
(не случайно фотографы призывают:
"Say "cheese'!"), а края языка напрягаются. Что же касается долготы этого
звука, то я вам не советую особенно фиксироваться на этой мысли и петь его по
нескольку минут. Если он и длиннее русского "и", то на долю секунды.
Итак:
[i]
■и
shit (известно что)
sheet (простыня)
hit (удар)
heat (жара)
it (это, оно)
eat (есть, в смысле кушать)
live (жить)
leave (уезжать, оставлять,
покидать)
sin (грех)
seen (третья форма глагола to see)
will (есть такой вспомогательный
wheel (колесо)

глагол. Вы еще помните его?)
bit (кусочек)
beat (бить)
hip (бедро)
heap (куча)
chip (щепка)
cheap (дешевый)
his ("его", при ответе на вопрос
"чей?")
he's (he + is или has)
Если вы сами себя не слышите, то есть вам трудно анализировать качество ваших
звуков, то заткните одно ухо пальцем, тогда вы услышите себя как бы со
стороны.
Я надеюсь, что никому не пришло в голову учить приведенные здесь слова. Они
даны исключительно как фонетическое упражнение. Я привожу их перевод с
единственной целью - уберечь вас от соблазна лезть за ними в словарь и терять
драгоценное время.
А теперь посмотрим на слова, в которых почему-то всегда все ошибаются.
Статистика собрана за десять лет преподавания, поэтому каждый читатель найдет что-
нибудь полезное для себя лично.
1. Ударение.
В словах hotel, per cent и police ударение такое же, как в русском языке, то
есть на втором слоге, а не на первом.
На второй (а не на первый!) слог ударение падает также в словах result (глагол
и существительное), exact, exactly, fulfill (глагол), prefer (глагол) и event.
Слово promise читается ['promis], а не [pre'mais].
Слово private читается ['praivrt], а не [pri'veit].
Слово society читается [so'saieti].
В словах casino, mercedes и technic (а также technique) ударение не такое, как
в русском языке, а такое, как в итальянском, испанском и французском
соответственно, откуда они произошли: в данном случае - на второй слог.
2. Сочетание -ch-
В словах главным образом греческого происхождения, таких как character,
orchestra, mechanic, mechanical, mechanics, technic, technical, technique,
technology, echo, arch, archeology и так далее, сочетание -ch- выражает не
Звук [ч], а Звук [к].
Эти слова очень просто вычислить следующим образом: все они в приблизительно
таком же виде существуют и в русском языке, и в соответствующих русских словах
на месте английского -ch- стоит либо -х- (характер, механика,
техника, технология, эхо, археология), либо -к- (оркестр, арка). Значит, если у
вас есть сомнения, читать английское слово через [ч] или через [к],
посмотрите, нет ли такого же интернационального слова, и если есть, то не звучит ли в
его русском варианте -к- (или -х-). Если да, то по-английски это слово
читается через [к] . Если же нет, то лучше проверить по словарю, но в абсолютном
большинстве случаев окажется звук [ч]. Исключение составляет, например, слово
machine, которое читается через [ш]. А ударение в нем, кстати, падает на
второй слог.
3. Сочетание -еа-
Оно далеко не всегда читается как [i:]. Возможен также вариант [е] : breath,
weapon, death, dead, meadow, pleasant, Л peasant, sweat, weather, feather,
heather, или [ei]: great, break.
Если после -ea- стоит -г-, то обычно все вместе читается как [ie]: fear, hear,
ear, tear (слеза) и так далее. Однако здесь вновь возможны варианты:

[а: ]
[еэ]
[э: ]
heart, hearth
pear, tear (рвать)
pearl
4. Суффиксы -ous-, -able и -ate- имен прилагательных
Почему-то студент X очень любит на них напирать. При этом -ous он произносит с
завыванием, -able- как [eibl] , a -ate- как [eit] . В действительности эти
суффиксы не стоят под ударением, и поэтому произносятся очень ненавязчиво:
-ous- как безударное [ээ]: dangerous, frivolous, ominous, luminous. Наконец,
continuous, -able- - как безударное [эЬ1]: capable, sep arable, movable,
respectable.
-ate- - как безударное [it]: delicate, sepa rate, approximate, immediate.
Такое же произнесение этих суффиксов сохранится, если вы сделаете из этих
прилагательных наречия: dangerously, frivolously, ominously, luminously,
delicately, separately, approximately, immediately.
А глаголы, наоборот, произносятся именно так, как студент X норовит
произносить прилагательные с суффиксом -ate-, то есть через [eit]: to approximate, to
separate.
5. Слова, существующие в русском языке
Мы хорошо знаем, что абсолютное большинство слов английского языка читаются не
по правилам, а так, как исторически сложилось. Поэтому обычно все студенты
внимательно смотрят на транскрипцию. Однако когда им встречается слово,
похожее на русское, они так радуются, что читают его тоже словно по-русски.
Вот список самых зловещих из подобных слов. Посмотрите транскрипцию в словаре
сами и убедитесь: внешнее сходство не должно заслонять принципиальное
фонетическое различие.
antibiotic, biography, biology и все с корнем -bio-
budget
cousin
cowboy
crisis
firm
micro- (microwave, microscope, microorganism, microphone, etc.) process
psych- (psychiatrist, psychology, psychoanalist, etc.) vacuum
zoo
Особенно поучительно то, что происходит со словом "процесс". Вроде бы все
знают, что в английском языке нет звука [tz]. Но все норовят произнести "process"
именно через русское "ц".
Некоторые слова студенты, наоборот, стремятся исказить так, чтобы они ничем не
напоминали соответствующие русские. В наибольшей степени это относится к
словам "суп", "рубль" и "группа": soup, rouble, group. Все эти слова читаются
через [v: ] , а не через [эи] или [л] .
6. Буква h
Она не всегда читается в начале слова.
В частности, она не читается в словах:
hour (и все его производные: hour-glass, hourly, etc.) honor (honest, honesty,
dishonest, etc.)
heir (heiress, heirdom, etc.)
Вы не знаете этих слов? Тогда не учите их.
7. Сочетание -аи-
Все помнят, что это [э] , пока дело не доходит до таких слов, как author,

automatic, sauce, august, automobile и других, которые имеют несчастье в
русском языке произноситься через "ав-" или, как в случае "соуса", через "оу".
Все эти слова в английском языке произносятся по правилам, то есть через [э].
8. Слова, которым не повезло
То есть на них падает наибольшее число фонетических ошибок. Во-первых, это
слова, похожие между собой.
Например, walk и work. Ну никак не разобрать, работаете вы или гуляете. Первое
слово читается через известный нам звук [э] , а второе - мало того, что через
[э], так еще и [г] там есть.
Или четыре близнеца: медведь, пиво, птица и борода.
Вот вам головоломка: поставьте эти четыре слова во взаимно-однозначное
соответствие со следующими четырьмя:
beard, bear, bird, beer.
А теперь со следующими четырьмя, записанными в фонетической транскрипции:
[ 'Ыэг] , [ 'bierd] , [ 'Ьеэг] , [b3rd] .
Интересно, что у вас получилось. Правильный ответ такой: если мы пронумеруем
русские слова:
(1) медведь,
(2) пиво,
(3)птица,
(4) борода,
то порядок английских слов такой:
4,1,3.2,
а фонетической транскрипции - такой:
2,4,1,3.
Не повезло также словам "перец" и "бумага". Что из них pepper, а что paper? И
какова разница в их произношении? А чем (фонетически) отличается "дядя"
(uncle) от "щиколотки" (ankle)?
А слово quite (вполне) от слова quiet (тихий, спокойный)?
А слово low (низкий) от слова law (закон)?
А слово staff (штат, персонал) от слова stuff (вещество, материал)?
Ответьте на эти вопросы самостоятельно и в дальнейшем не путайте эти слова.
Для этого составьте с ними (обязательно сами и обязательно вслух) как можно
больше предложений, где эти слова сталкивались бы друг с другом. Например,
"Мой дядя сломал щиколотку", "Сколько щиколоток у вашего дяди?" и так далее.
Следующей группе слов не повезло по неизвестным причинам. Просто так уж вышло:
большинство студентов произносит их неправильно. Вот они, бедняги:
- also (особенно ему достается от тех, кто ранее учил немецкий язык);
- blood (все почему-то произносят его через "у". Вспомните хотя бы о капитане
Бладе из далеких детских лет);
- climb (почему-то именно это слово вызывает искушение прочитать его так, как
оно пишется);
- catch (вызывает иррациональное желание сказать "коч". Наверное, потому, что
его вторая форма - caught. Кстати, как она читается?);
- clothes (один мой студент упорно говорил "клувз". А вы, интересно, что
говорите?) ;
- daughter (студент X знает либо как оно пишется, либо как оно читается. Обеих
премудростей сразу не постиг почти никто);
- eight (его все стремятся произнести со звуком ч на конце. Но тогда выходит
не цифра "8", а название буквы h);
- famous (у этого слова нету никакого t на конце!);
- height (подсказываю: оно произносится не так, как eight, и не так, как
weight) ;

- idea и ideal (это трехсложные слова с ударением на втором слоге);
- island (вспомните название штата Род-Айленд);
- key (нет, не "кей"!);
- south (рифмуется со словом mouth).
Выберите из этого списка те слова, в произношении которых вы не уверены, и
проверьте себя по словарю. Разумеется, если здесь есть слова, незнакомые вам,
не лезьте За ними в словарь. Проигнорируйте их. Мы же знаем: не нужно учить
ничего лишнего.
А вообще, конечно, фонетике надо учиться с преподавателем. Как и всему
остальному. Здесь перед нами возникает вопрос, на который мы отвечаем в следующем
разделе.
3. Как выбирать преподавателя
Wisdom comes by disillusionment.
George Santayana, Reason in Common Sense
Все согласятся, что лучше всего учить иностранный язык с преподавателем. Но на
рынке их так много, что студент X вполне может стать легкой добычей шарлатана.
Чтобы этого не произошло, он должен руководствоваться некоторыми простыми
правилами .
1 этап
Многое можно почерпнуть из текста рекламного объявления. Если вам
а) обещают английский язык на блюдечке с голубой каемочкой за срок меньше чем
полгода (ну так уж и быть, три месяца. Хотя этого мало);
б) гарантируют что бы то ни было;
в) предлагают методику, в соответствии с которой от вас не потребуется
никакого напряжения, а одно сплошное удовольствие, -
это все сказки, мифы и побасенки. Нельзя выучить язык меньше чем за полгода
(три месяца - это абсолютный минимум, дающий только базовый уровень) упорного
труда, и даже в этом случае ни один компетентный преподавателе не возьмется
гарантировать результат. Слишком многое зависит от вашей трудоспособности,
усидчивости, памяти, артистизма, воображения и множества других факторов, из
которых складывается неясное понятие "способности к иностранным языкам".
На этом же этапе хотелось бы избавить студента X от одного из его любимых
предрассудков.
Студент X часто требует, чтобы его обучал носитель языка, одним словом -
американец. "А вы что, русский?" - разочарованно спрашивает он, звоня по
объявлению хорошему преподавателю, и немедленно вешает трубку.
Спрашивается: а зачем вам американец? Что, он лучше русского знает ваши
трудности? Да он вообще не может понять, что вам непонятно. Для него-то
американский язык - свой, родной, и ему психологически бесконечно трудно уловить, что
это вы там так ковыряетесь с перфектом. Подумаешь, перфект, думает американец,
это же так просто, я, например, с детства знаю, где перфект, а где не перфект!
Если вы еще не до конца поняли, о чем это я толкую, попытайтесь сами
быстренько сформулировать теоретически что-нибудь из правил русского языка, например
какой порядок слов в русском вопросительном предложении, и почему в
предложении "Где ты живешь?" инверсии нет, а в предложении "Где живут твои родители?"
она есть, и в каких случаях надо говорить так, а в каких сяк, и нет ли из этих
правил каких-нибудь исключений. Или вот еще лучше: когда мы говорим "мой",
"твой", "его" и так далее, а когда "свой"? Ага!
А чем же это американец лучше вас? Не стоит ли обратиться к квалифицированному
преподавателю, у которого родной язык - русский, как и у вас, и который
поэтому способен помочь вам преодолеть именно ваши специфические за-

труднения, связанные с вашим родным русским языком? Уверяю вас,
квалифицированный русский преподаватель сделает для вас гораздо больше, чем
квалифицированный американец (по причинам, только что изложенным), а найти его гораздо
проще. Дело в том, что американцы, к сожалению, являются нацией, падкой на все
новенькое, поэтому и шарлатанские методики среди них распространены еще шире.
Другое дело, что сами они обычно не догадываются, что методики их -
шарлатанские. Они свято верят в их доброкачественность и свою собственную
добросовестность .
Но вам-то какой от этого прок?
2 этап
Предположим, вы нашли преподавателя, который ничего сверхъестественного не
обещает и вообще производит хорошее впечатление.
И вот вы приходите к нему на первое занятие.
Внимание. Если он делает хотя бы что-то одно из нижеперечисленного - вы должны
забыть про свои уплаченные вперед деньги и бежать оттуда быстрее лани:
1. Он кладет перед вами распечатки, ставит на магнитофон кассету, а сам сидит,
дремлет.
2. Он выдает вам тексты диалогов, и вы с вашим соседом по парте занимаетесь
сначала их чтением, затем переводом, затем чтением по ролям, а в качестве
домашнего задания вам предлагается выучить свою партию наизусть.
3. Он не поощряет записывание материала в тетрадки, под тем предлогом, что все
должно запоминаться в процессе.
4. Он гасит свет, вы беретесь за руки и скандируете что-то хором.
5. Он избегает говорить по-английски.
6. Он ни разу не произнес ни одного из следующих слов: "подлежащее",
"сказуемое", "глагол", "грамматика", "правило".
7. Вместо слов, перечисленных в п. 6, он употребляет слова "подсознание",
"подкорка" и "энергетика".
8. Он не предложил вам ничего сказать самостоятельно.
9. Он сообщает, что заниматься вам предстоит по некоему пособию (даже если это
пособие очень хорошее - неважно).
10. И держит свое слово: вы действительно занимаетесь по пособию.
11. Он долго (по-русски) рассказывает о том, каких успехов добились его
прошлые ученики.
12. Его методика включает телодвижения (танцы, хороводы, прихлопывания,
притопывания ит. д.).
13. Слова got, stop, impossible и так далее он произносит через о.
И наоборот, не совершите противоположной ошибки. Не отказывайтесь от
преподавателя, не выносите поспешного суждения о его квалификации, если:
1. Вы спросили его, как будет такое-то слово, а он сказал "не знаю" или "не
помню".
Он не обязан знать все слова. Во-первых, на это есть словари; во-вторых, вы
тоже знаете не все слова русского языка. Меня, например, студенты обогатили
словами "бугель", "дюбель" и "пантограф". В-третьих, если вы когда-нибудь
разгадывали кроссворд, вы должны помнить, как трудно бывает вдруг вспомнить
нужное слово. Так что не судите строго человека, который честно говорит: не
помню.
2. У него нет специального образования.
Лучший в городе преподаватель немецкого языка закончила институт Бонч-
Бруевича. Ни наличие диплома филологического факультета, ни его отсутствие не
говорят о преподавателе ничего. Он может прекрасно знать язык и быть
прирожденным преподавателем, имея, в зависимости от того, как сложилась жизнь,
гуманитарное, техническое или десятиклассное образование, и может быть занудой и

бездарностью с дипломом в кармане.
3. То, что он говорит, не соответствует тому, чему вас учили в школе.
Это тоже не критерий: в большинстве случаев проблема в школе, а не в
преподавателе .
4. Он никогда не был в стране изучаемого языка.
Ну и что? Вы собираетесь изучать язык или работу Нью-йоркского метрополитена?
5. Вам постоянно кажется, что он над вами смеется.
Впрочем, если вы не выносите, когда над вами смеются, вряд ли вы дочитали до
этого места. Смейтесь побольше, для изучения иностранных языков это не менее
важно, чем для жизни вообще.
6. Не для каждого слова он знает правила его написания.
Господи, да кто же это знает?
7. Вы спрашиваете его: "Как будут проходить наши занятия?" - а он мнется,
делает какие-то невразумительные жесты и бормочет что-то невнятное.
И очень хорошо. У настоящего преподавателя занятия проходят настолько
разнообразно, что сразу и не описать. Там есть все - от изложения грамматики до
ролевых игр и политических конференций.
8. Вы спрашиваете: "А какая у вас методика?" - а он опять ничего толкового не
говорит. Вот именно. Мы дошли до самого главного пункта.
В последнее время все почему-то склонны считать, что корень преподавания
иностранного языка - это хорошая методика. Что, более того, существует некая
универсальная методика, пригодная для всех студентов и способная волшебным
образом помочь им в овладении иностранным языком.
Будем рассуждать логически. Если бы такая методика существовала, все уже давно
были бы полиглотами. Языковые барьеры рухнули бы, и мы вступили бы в эпоху
всеобщего благоденствия. Но этого почему-то не происходит. Интересно почему?
Представьте себе, что вы пришли к врачу. А он вам от всех болезней прописывает
УВЧ. Дело, конечно, хорошее, но когда от воспаления легких - УВЧ, и от
гастрита - УВЧ, и от экземы - УВЧ, тут поневоле Задумаешься. И придешь к тому же
логическому выводу: если бы существовала панацея от всех болезней (скажем,
пресловутая уринотерапия), все бы давно уже ходили здоровенькие. Тут же
вспоминается известная максима: мол, настоящий врач лечит не болезнь, а больного, и
двух одинаковых болезней не бывает, и так далее.
Точно так же дело обстоит и с языком. Есть хорошие методики, но все они по
сути своей частичны. Они учитывают одно (например, как избавить вас от
комплексов и заставить говорить свободно), но игнорируют другое (например,
грамматику, то есть правильность этого самого свободного говорения). Они могут
помочь в выработке какого-нибудь одного навыка, допустим технического перевода
по избранной специальности. Но они не могут научить вас языку, потому что язык
большой и включает в себя слишком много разных аспектов (и свобода говорения,
и правильность, то есть грамматика, и большой набор слов, и соответствие этого
набора тезаурусу среднего носителя языка, и ориентация в ситуации, и
произношение) , которые сразу ни одна методика не учтет. Точно так же она не учтет
ваших личных особенностей (робость или бойкость, отсутствие или избыток
фантазии , хорошая или плохая память, наличие или отсутствие свободного времени и
т.д.). Поэтому языку вас может научить не методика, а только преподаватель. И
выбирать вы должны преподавателя, а не методику. Не говоря о том, что и самая
лучшая методика (которой, правда, нет в природе) не работает сама по себе. Все
помнят пример Макаренко:
он сам был педагогом от Бога, но когда его "методику" стали применять в
массовом порядке, что получилось? Тут-то и становится ясно, что важна не методика,
а личность педагога, потому что обучение - это процесс взаимодействия
личностей.
Хорошие американские преподаватели на вопрос "Какая у вас методика?" честно

отвечают: эклектическая. Некоторые, правда, чтобы не пугать клиента, заменяют
это слово на "комплексная", но суть остается прежней: хороший
преподаватель возьмет из сотни разных методик то, что ему понравится, и будет
преподавать в соответствии с собственным талантом, опытом и вдохновением, при
этом не прилагая механически алгоритм действия методики, а обучая
лично вас, со всем букетом ваших достоинств и недостатков, и воздействуя на
вас прежде всего своим личным обаянием.
Вопрос усложняется. Надо искать хорошего преподавателя, а как его найдешь?
Выше мы уже перечислили несколько критериев, однако, вот самый главный: найдите
среди ваших знакомых или среди знакомых ваших знакомых человека, который
удовлетворен своим преподавателем и делает или уже сделал успехи в изучении
английского языка.
К этому преподавателю и идите, независимо от того, что занятия происходят
далеко, продолжаются месяцами (а не пять дней, как в рекламе, которую вы видели
вчера!) и не основываются на модной методике. Когда вы посетите его
впервые, проверьте на нем наши критерии. Если все будет обстоять благополучно,
то посмотрите, нравится ли он вам лично. Достаточно ли у него обаяния, чтобы
удерживать ваше внимание в течение всего срока обучения так, чтобы вы
ходили к нему как на праздник. Это очень важно, потому что эмоциональный
момент - главный в изучении языка. Если вам скучно и противно, если вам тошно
смотреть на вашего педагога и уши вянут от его разговоров, то ничего не
выйдет.
Если вы нашли такого преподавателя, то я вас поздравляю. Если нет, то не
сдавайтесь , ищите. Они есть. А пока читайте книжечки, в частности эту. Я прощаюсь
с вами не надолго - до второго тома.
KEYS
(счет страниц от начала публикации)
Стр. 17
1. I am not reading this book now.
2. He will marry her.
3. I know what you want.
4. I am going to Paris next week.
5. Do you understand me?
6. He went to Washington yesterday.
7. I didn't lock the front door.
8. I will send you a letter.
Стр. 21
What music does he like to listen to?
What are they speaking about?
What does he always write with?
How many snickers did my wife eat yesterday?
What do they rob twice a month? How often do they rob banks?
How many packs of Whiskas will I buy for my darling Fluff?
Who/whom will 1 buy ten packs of Whiskas for?
Стр. 23
Для студента Y:
Who are you talking about?
Who did he buy this wonderful necklace for?
Whom did he abandon?
Whom does she love?

Who is he looking for?
Who did he steal $ 1,000,000 from?
Whom will he love for ever?
Стр. 23
1. What did he lock with the brass key? What did he lock the back door with?
2. What does everything depend on?
3. How many glasses of beer did he drink?
4. Who(m) will they do away with?
5. What dress did she put on?
6. What (kinds of) songs are they singing to the guitar? What are they singing
traditional songs to?
7. Who(m) doesn't he want to understand?
8. What did she forget about?
9. Who(m) does he remind her of?
10. Who(m) is he apologizing for his misbehavior to? What is he apologizing to
her for?
11. What will love find?
12. Who is she shouting at again?
Стр. 24
Who waited for her on the street? Who did he wait for on the street? Where did
he wait for her?
Who lives in a large beautiful house? What kind of house do they live in?
Who is hunting for her money? What is her fiance hunting for?
Who will kill him? Whom will her husband kill?
Стр. 27
Who has the largest Persian cat in the world? What kind of cat does his wife
have?
Who had one hundred mice at the country house last summer? How many mice did
we have at our countryhouse last summer? Where did we have one hundred mice
last summer? When did we have one hundred mice at our country house?
Who has seven meals a day? How many meals a day do they have?
Who had a wife in every town? What did the adventurer have in every town?
Who had the famous parrot as a member of the crew? Who (m) did the pirats have
as a member of the crew?
Стр.28
1. 1. Who is in this house all alone?
2. Where are we all alone?
3. Are we in this house all alone?
2. What am I against?
3. 1. Who was a decent man?
2. What .kind of man was her husband?
3. Was her husband a decent man?
4. 1. Who is not sure of our reliability?
2. What aren't our partners sure of?
5. 1. Who is up to something dangerous?
2.Whatishe up to?
6. 1. What mood were you in at the party?
2. When were you in a bad mood?
3. Were you in a badpood at the party?

Стр. 2, а также 29
2. Do you have children?
3. Are you married?
4. What do you like to do?
5. Where do you live?
6. How long have you been studying English?
7. Why do you study English?
8. How old are your children?
9. What does your husband do?
10. Do you work or study?
11. Can you play the piano?
12. Are your children small?
Стр. 30
1. What bird catches the worm? Who(m) does the early bird catch?
2. What killed the cat? Who(m) did curiosity kill?
3. What calls for desperate remedies? What remedies do desperate diseases call
for?
4. Who doesn't eat dog? Who(m) doesn't a dog eat?
5. What does every dog have?
6. Who has a skeleton in the cupboard? What does every family have in the
cupboard? Where does every family have'a skeleton?
7. What makes waste? What does haste make?
8. Who will not pick out hawk's eye? What won't hawk pick out?
9. What is the mother of invention? What is necessity?
10. What is the road to hell paved with?
11. What gathers no moss?
12. What is money? What is time?
13. Who has ears? What do walls have?
14. What can't you make out of a sow's ear? What can't you make a silk purse
out of?
15. What can't you make without breaking eggs? What can't you make an omelette
without?
Стр. 32-33
1. am reading
2. is raining, is not snowing
3. comes
4. is smoking, smokes
5. don't think
6. need
7. spends (Remember Tarzan!)
8. is saying
9. don't know
10. don't like
11. is happening
12. are not saying, have
Стр. 35
1. will do
2. will pass
3. is going to be
4. will do it
5. am going to buy

6. will give
7. is your mother coming
8. will always be
9. am going to
10. 'II be
11. are going to stay
12. are you going to cook
13. will get up
14. 'II take
15. are going to lose
16. is going to laugh
17. is going
18. 'II love
Без сомнения, вы все сделали правильно. На всякий случай, вот краткий обзор:
1. 4, 6, 8, 10 — обещания.
2. 13, 14, 18 — в предложении есть I think, I believe, maybe, выражающие
предположение .
7, 17 — глаголы to come, to go.
Все остальное — обыкновенное будущее время.
Стр. 4 9
1. haven't slept
2. went, crossed, held, danced, held, fell
3. have changed
4. 've lost
5. have lost
6. was
7. have closed
8. picked up, dragged, threw, put, said, felt, rode
9. 've found
10. have swallowed
11. has come
12. was
13. 've seen, were, took
Стр. 52
1. know, have known, have known
2. have had, had
3. have you been, married, have been
4. did you buy, didn't buy, gave, have been, have been, bought
5. have been, have found
Стр.54
1. I haven't seen him for two months.
2. He has been looking for his dog since morning.
3. They have been living in this town since 1992.
4. I've known it from the first (= from the start, from the beginning, etc.).
5. They have been kissing for about twenty minutes.
6. For the last three years I've been selling cars.
Стр.60
1. have been quarreling, have quarreled
2. have you been doing
have been working

have you earned
have you been working
3. have been watching, have watched
4. have been thinking, has been
5. have been buying, have bought
6. have never been, have been divorced, have buried, have never felt
Стр.63
1.
has been doing, decided, began.
Has he done
went
has been shopping
2.
have been washing
didn't you ask
has tried
had
buy
have bought
3.
has grown
has been feeding
have never seen
have repeated
came, saw, exclaimed, started
Стр. 76
Предлоги, которые в первоначальных предложениях стояли правильно, выделены и
подчеркнуты. Неправильные предлоги зачеркнуты, и вместо них вставлены жирные
правильные или, если глагол не требовал предлога, вставлен жирный
восклицательный знак в скобках.
1. "HelpTO(!) me!" she screamed.
"I need IN(!)your help!
Help TO (!) me to go away from here, to go TO (!) home!
Help
me! "
2. "Look ON at yourself," he snapped. "You look like AS (!) a drunken hooker.
If you go IN to the restaurant with this makeup on, everybody will laugh UPON
at you. And what's more, they'll laugh at me, too."
3. I already SAID told you, I am not going to wait for you any longer. If you
want to stay home, I'll go TO (!) there without you.
4. "She is wearing IN (!) a pretty evening gown." his wife said. "When are you
going to earn enough to buy FOR (!) me something like this?"
5. I don't think you are really going to follow his example. I doubt IN (!)
it. You may not pay attention AT to my words, but I'm telling TO (!) you I'm
right.
6. When she comes AT (!) home late, they go IN to bed right away, they don't
play IN (!) cards, they don't even listen to the radio.
7. "Join TO (!) us," he said, smiling charmingly ON at poor Mrs Robbins.
"Follow AFTER (!) your sisters. Give us your money. Someday you're going to
need us, and we will help FOR (!) you."
8. "I ask FOR (!) you to forget me." he said in a trembling voice. "I know
I'll miss ABOUT (!) you, and you'll never miss me. Someday, maybe soon, you'll

meet WITH (!) another man, and he will" make you happy. Look at me — I have
nothing to tell TO (!) you."
9. Now he's looking for a job, because he doesn't want to depend OF on his
father any longer. He goes to different places, and everywhere they tell him
to come next week.
10. "What happened WITH to your sister?"
"Oh, she wants to get married, but nobody pays attention to her. although she
wears all those weird clothes and wild makeup."
" But she looks like a whore."
"yes, but she thinks she looks like ON (!) a princess. She is waiting for a
charming prince, you know." "Oh, I doubt her chances."
11. "Nothing is going to happen to her," he said reassuringly. "Listen to me.
She met a nice, decent man, she asked him for help, and he
was ready to GIVE TO HER IT give it to her. We shouldn't discuss ABAUT (!)
her behavior now, it's too late, anyway. Let's discuss he
12. "Where are my papers?" he shouted. "I can't look for AFTER them any more!
I can't depend on those lazy morons of servants any longer! My patience is
over. I can't play these games anymore, I'll go away and join the army!"
Стр.76-77
I. —, to, —, to, at. 2. —,—,—.
3. to, —, at.
4.
5• at f at f f *
6. to, like, —.
7. for, —.
8. for, to. like.
9. to, —, —. —.
10. on, —, like, like, —.
II. —, —, for, —.