Текст книги "Вид с высоты"
Автор книги: Айзек Азимов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 9 (всего у книги 17 страниц)
9. До каких пор можно дробить секунду
Иногда мне приходит в голову новая научная идея. Конечно, не обязательно ценная или важная, но что оригинальная, за это я ручаюсь. Одной из таких идей я хочу посвятить эту главу.
Она зародилась у меня некоторое время назад, когда появилось сообщение о том, что обнаружена субатомная частица «кси-ноль». Подобно другим частицам аналогичного типа, она до странности устойчива: время жизни ее составляет (примерно) целую десятимиллиардную (10-10) секунды.
Может показаться, что в последнюю фразу вкралась опечатка: вы подумаете, что я хотел сказать «неустойчива», – но нет! И одна десятимиллиардная секунды может быть очень долгим промежутком времени; все зависит от того, что с чем сравнивать. По сравнению с одной секстильонной (10-23) одна десятимиллиардная (10-10) секунды – это целая вечность. Разница между этими двумя интервалами времени такая же, как между одним днем и 30 миллиардами лет.
Может быть, вы и поверите мне на слово, но все же вы не сможете преодолеть чувство некоторой неуверенности. Трудно представить себе отчетливо мир долей секунды, а тем более ничтожно малых долей секунды. Сказать «одна секстильонная секунды» так же легко, как сказать «одна десятимиллиардная», но, как ни легко жонглировать символами, обозначающими подобные интервалы времени, мысленно воспроизвести их оказывается невозможно (или кажется, что невозможно).
Моя идея как раз и связана с попыткой сделать эти доли секунды более доступными воображению. Натолкнул меня на эту мысль способ, используемый в другой сфере измерений, тоже непривычный для нас, тоже лежащий вне привычных понятий – в сфере измерений астрономических расстояний.
Нет ничего странного в словах: «Вега – очень близкая к нам звезда. Она находится всего в 250 триллионах (2,5 · 1014) километров от Земли».
Многие из читающих научную фантастику привыкли к мысли, что в космосе 250 триллионов километров – расстояние совсем не большое. Основная масса звезд в нашей Галактике удалена от солнечной системы примерно на 300 квадрильонов (3 · 1017) километров, а ближайшая к нашей другая большая галактика – на 15 квинтильонов (1019) километров.
Триллион, квадрильон, квинтильон – это все обыкновенные слова, обозначающие полноправные числа; совсем не трудно сказать, какое из них больше и насколько, когда нужно лишь манипулировать символами. Однако представить себе реально, что они означают, – это совсем другое дело.
Весь фокус заключается в том, чтобы воспользовавшись скоростью света, довести эти числа до «карманного» размера. Сами расстояния от этого нисколько не уменьшатся, но без этих многочисленных нулей «-иллионов» они будут легче восприниматься.
Скорость света в пустоте равна 299 779 километрам в секунду. Таким образом, можно определить «световую секунду» как расстояние, которое свет проходит в пустоте за одну секунду; такая единица расстояния равна 299 779 километрам.
Отсюда уже нетрудно основать систему мер. «Световая минута» будет равна 60 световым секундам; «световой час» – 60 световым минутам и так далее, вплоть до хорошо знакомого нам «светового года» – расстояния, которое свет (в пустоте) проходит за год. Это расстояние равно 9 460 000 000 000 километров. Округленно можно считать световой год равным 9,5 триллиона (9,5 · 1012) километров.
Можно перейти и к «световым векам» и к «световым тысячелетиям», но это едва ли кому-нибудь нужно. При измерениях астрономических расстояний чаще всего пользуются световым годом. (Есть еще «парсек», который равен 3,26 светового года, или приблизительно 30 триллионам километров, но эту единицу получают, исходя из другого принципа, и нам она не понадобится.)
Используя в качестве единицы измерения световой год, мы можем говорить, что Вега удалена от нас на 27 световых лет; это совсем немного, если учесть, что большинство звезд нашей Галактики удалено от нашей солнечной системы на 35 000 световых лет, а расстояние от нас до ближайшей другой большой галактики составляет 2 100 000 световых лет. Разницу между 27 и 35 000 (или 2 миллионами) легче представить, чем разницу, скажем, между 250 триллионами и 300 квадрильонами (или 15 квинтильонами), хотя пропорции в обоих случаях одни и те же.
Более того, применение скорости света в качестве единицы расстояния, оказывается, обладает еще тем достоинством, что позволяет несколько проще сформулировать связь между пространством и временем.
Пусть, например, экспедиция, прибывшая на спутник Юпитера Ганимед, в какой-то момент находится в 800 миллионах километров от Земли. (Расстояние до Ганимеда, конечно, меняется со временем, так как и Земля и Ганимед движутся по своим орбитам.) Расстояние от нас до экспедиции можно определить как 44,8 световой минуты.
В чем преимущество такого способа выражать расстояние? Во-первых, с числом 44,8 легче оперировать, чем с числом 800 000 000. Во-вторых, допустим, экспедиция поддерживает радиосвязь с Землей; радиограмма, посланная с Ганимеда на Землю (или наоборот), придет через 44,8 минуты. Таким образом, световые единицы дают и расстояние и время, нужное для связи.
(На самом деле в мире, где межпланетные путешествия станут обычным делом, астронавты, я думаю, будут измерять расстояния не в «световых минутах», а скорее в «радиоминутах».)
Затем, когда (и если) придет время межзвездных путешествий, а с ним и необходимость в скоростях, близких к скорости света, пригодится и еще одно преимущество световых единиц. Коль скоро релятивистское замедление времени в самом деле существует и для путешественника, движущегося с очень высокой скоростью, время течет медленнее, то путешествие на Вегу, видимо, займет у него всего месяц или неделю. Тем же, кто останется дома, на Земле, путешествие на Вегу, удаленную на 27 световых лет, покажется длящимся не менее 27 лет. Путешественник, возвратившийся из такой экспедиции (какой бы короткой она ему ни показалась), обнаружит, что его друзья постарели по меньшей мере на 54 года. Такое же путешествие к туманности Андромеды займет по земному (или «объективному» времени) не меньше 2 100 000 лет, так как Андромеда находится от нашей планеты на расстоянии 2 100 000 световых лет. Тут снова мы сразу оцениваем и расстояние и время.
* * *
Моя идея состоит в том, что этот же принцип можно применить к области сверхкратких промежутков времени.
Вместо огромных расстояний, которые свет покрывает за обыкновенные единицы времени, почему бы не поразмыслить о невероятно кратких мгновениях, за которые свет покрывает обыкновенные расстояния?
Если уж мы решили говорить о «световой секунде», равной расстоянию, которое свет (в пустоте) покрывает за секунду (299 779 километров), то почему не говорить о «световом километре», равном времени, за которое свет (в пустоте) покроет расстояние в один километр, 1/299 779 секунды?
В самом деле, почему бы и нет? Единственное неудобство заключается в том, что 299 779 – не круглое число. Однако по любопытному совпадению, о котором и не грезили создатели метрической системы мер, скорость света очень близка к 300 000 километров в секунду, так что «световой километр» можно принять равным 1/300 000 секунды. Получится даже более круглое число, если заметить, что 31/3 светового километра равны почти точно 0,00001, или 10-5 секунды.
Кроме того, чтобы получить более мелкие единицы времени, нужно лишь задаваться все более и более мелкими единицами расстояния, которое должен пройти свет.
Так, 1 километр (105 сантиметров) равен миллиону миллиметров, а 1 миллиметр (10-1 сантиметров) равен миллиону миллимикронов. Сделав еще один шаг в этом направлении, мы сможем сказать, что 1 миллимикрон (10-7 сантиметров) равен миллиону ферми. Название «ферми» было предложено (но пока еще, насколько мне известно, официально не утверждено) для единицы длины, равной одной миллионной миллимикрона, или 10-13 сантиметров. Эта единица названа в честь покойного Энрико Ферми, и я буду пользоваться ею в дальнейшем.
Итак, мы можем составить табличку световых единиц для самых кратких мгновений начиная со светового километра.
1 световой километр = 1 000 000 световых миллиметров
1 световой миллиметр = 1 000 000 световых миллимикронов
1 световой миллимикрон = 1 000 000 световых ферми
Чтобы перевести эти единицы в обычные единицы времени (1 световой километр = 1/300 000 секунды), нужно просто составить еще одну короткую табличку:
3 световых километра = 10-5 секунд (одной стотысячной секунды)
3 световых миллиметра = 10-11 секунд (одной стомиллиардной секунды)
3 световых миллимикрона = 10-17 секунд (одной квадрильонной секунды)
3 световых ферми = 10-23 секунд (одной стосекстильонной секунды)
Но зачем останавливаться на световом ферми? Можно дробить время все мельче и мельче, снова и снова деля результат на миллион.
Однако вернемся вновь к единице ферми. Она равна 10-13 сантиметров, то есть одной десятитриллионной сантиметра. Что интересно именно в этой конкретной величине и почему она названа по имени знаменитого физика-атомщика? Дело в том, что 10-13 сантиметров, кроме всего прочего, еще и приблизительный размер различных субатомных частиц.
Итак, световой ферми – это время, за которое луч света проходит из конца в конец, например, протона. Световой ферми – время, необходимое самому быстрому из известных движений, чтобы покрыть наименьшее из мыслимых расстояний. Пока не придет день, когда мы откроем что-нибудь, что движется быстрее света и имеет размеры меньшие, чем элементарные частицы, нам едва ли придется столкнуться с периодом времени более кратким, чем световой ферми. Ныне световой ферми – самая малая доля секунды.
* * *
Разумеется, вы спросите, что может случиться в течение светового ферми. И если действительно что-то случится за это невообразимо малое мгновение, то откуда будет известно, что это произошло не за один световой миллимикрон, который, как он ни ничтожно краток, все же в миллион раз дольше светового ферми?
Возьмем для примера частицы высоких энергий. Такие частицы (если их энергия достаточно велика) движутся почти со скоростью света. И, когда одна из них на такой скорости приближается к другой, между ними нередко происходит реакция, вызываемая действием взаимных «ядерных сил».
Однако ядерные силы «сильны» лишь на самых коротких расстояниях. Их действие ослабевает с ростом расстояния так резко, что оказывается ощутимым лишь в пределах 1–2 ферми от частицы.
Таким образом, речь идет о двух частицах, проскакивающих мимо друг друга почти со скоростью света и способных взаимодействовать в диапазоне 1–2 ферми. При той колоссальной скорости, с которой они движутся, они располагают временем всего в 1–2 световых ферми, чтобы войти в крошечную зону взаимодействия и покинуть ее. И все-таки реакции происходят!
Ядерные реакции, протекающие в течение мгновений порядка 1 светового ферми, мы относим к «сильным взаимодействиям». Они происходят в результате действия сил, ощутимых лишь на самых коротких расстояниях, какие только можно вообразить, и это самые могучие из всех известных нам сил. «Ядерные силы» такого рода на самом деле в 137 раз больше хорошо знакомых нам электромагнитных сил.
Ученые освоились с этим фактом и были готовы к тому, что любая ядерная реакция между отдельными частицами ядра может быть заметна лишь в течение периодов порядка 1 светового ферми.
Однако тут же возникли осложнения. Когда частицы налетали одна на другую с энергией, достаточной для сильного взаимодействия, вдруг выяснилось, что при этом рождаются новые, ранее неизвестные частицы. Некоторые из этих новых частиц (первая была обнаружена в 1950 году) поразили ученых тем, что оказались очень массивными, явно тяжелее нейтрона и протона, которые до тех пор считались самыми массивными из всех известных частиц.
Эти сверхтяжелые частицы были названы гиперонами (приставка «гипер» происходит от греческого слова, означающего «над», «сверх», «более»). Известны три класса таких гиперонов, которые различаются по названиям различных греческих букв. Есть лямбда-частицы, сигма-частицы и кси-частицы, которые тяжелее протона примерно на 12, 13 и 14 процентов соответственно.
Теоретически казалось естественным, что должны существовать одна пара лямбда-частиц, три пары сигма-частиц и две пары кси-частиц. Такие частицы отличаются друг от друга по электрическому заряду и еще тем, что в каждой паре одна из них – античастица. Один за другим все гипероны были обнаружены в экспериментах, проводимых в пузырьковых камерах. Когда (в начале 1959 года) нашли кси-частицу, набор гиперонов стал полным.
Однако в целом гипероны оказались весьма странными малютками. Живут они недолго, всего одну невообразимо краткую долю секунды. Ученые же считают, что они живут чрезвычайно долго: ведь их распад происходит в мире ядерных сил, в котором счет времени идет на световые ферми.
И все же факт есть факт. Даже самые нестабильные из гиперонов, сигма-ноль-частицы, живут не менее чем квинтильонную долю секунды. Может показаться, что это довольно короткий промежуток времени. Но если тот же период выразить не в обычных единицах, а в световых, то окажется, что квинтильонная доля секунды равна 30 000 световых ферми.
Слишком долго!
Но даже 30 000 световых ферми – это необычайно короткий срок жизни для гиперона. У других гиперонов, включая недавно открытые кси-ноль-частицы, период полураспада длится примерно 30 000 000 000 000 световых ферми, или 30 световых миллиметров.
Так как ядерные силы, расщепляющие гипероны, действуют по крайней мере в 10 триллионов раз дольше того промежутка времени, который требуется для рождения частиц, то эти силы должны быть гораздо слабее тех сил, которые относятся к «сильным взаимодействиям». Естественно, о новых силах говорят, что они относятся к «слабым взаимодействиям», и они поистине слабы, так как почти в триллион раз слабее даже электромагнитных сил.
Новые частицы, имеющие отношение к «слабым взаимодействиям», были названы «странными частицами», и это название, приставшее к ним, отчасти оправданно. У каждой частицы есть «странность», выраженная числами: +1, 0, –1 или –2.
У таких обычных частиц, как протоны и нейтроны, «странность» равна 0; у лямбда– и сигма-частиц «странность» равна –1; у кси-частиц «странность» равна –2 и так далее.
* * *
Путь движения сквозь вещество и поведение различных гиперонов (и других элементарных частиц) прослеживаются по эффекту их воздействия на молекулы вещества, с которыми они сталкиваются. Обычно такое столкновение влечет за собой просто отрыв одного или двух электронов от молекулы воздуха. То, что остается от молекулы, называется заряженным ионом.
Капелька воды гораздо охотнее образуется около иона, чем около первоначальной незаряженной молекулы. Когда быстро движущаяся частица сталкивается с молекулами в специально приспособленном для опытов сосуде, заполненном перенасыщенным водяным паром (так это делается в камере Вильсона) или жидким водородом при температуре его кипения (так делают в пузырьковой камере), то каждый образующийся ион тотчас становится центром – в первом случае водяной капельки, а во втором – пузырька газообразного водорода. Таким образом, движущаяся частица отмечает свой путь тоненькой дорожкой водяных капель. Когда частица распадается на две другие, которые начинают двигаться в двух разных направлениях, водяная дорожка прослеживает и их пути, разветвляясь в форме буквы γ.
Наши органы чувств не могут воспринять эти мгновенные изменения. Но фотоснимок за фотоснимком фиксируют следы частиц, предоставляя физикам-ядерщикам возможность проследить пути частиц и события, разыгравшиеся в мире частиц.
Только субатомные частицы, которые сами имеют электрический заряд, эффективно выбивают электроны с внешних оболочек молекул воздуха. Именно поэтому заряженные частицы и можно выследить по дорожкам в паре, а незаряженные или нейтральные частицы в любом классе частиц обнаруживаются последними.
Например, нейтрон, который не несет заряда, был открыт на целых 18 лет позже подобной ему (но несущей электрический заряд) частицы – протона. И в семействе гиперонов последней была обнаружена кси-ноль-частица, одна из лишенных заряда тяжелых частиц («ноль» означает «нулевой заряд»).
И все же незаряженные частицы можно обнаружить именно по отсутствию следа. Например, кси-ноль-частицу порождает частица, имеющая заряд, а распадается она в конце концов, давая заряженные частицы другого типа. На фотографии, которая наконец «сорвала банк» (а было изучено 70 000 фотографий!), были видны дорожки, разделенные значительным пробелом. К этому пробелу не удалось подогнать ни одну известную незаряженную частицу: любая из них дала бы пробел другого вида или другую последовательность событий после него. Подходит только кси-ноль-частица. Так, методом безжалостного исключения ученые нашли ту единственную частицу, которая не вызывала сомнений.
Но где здесь световые единицы, с которых я начал? Пожалуйста: ведь частица, движущаяся почти со скоростью света, имеет возможность, если время ее жизни равно примерно 30 световым миллиметрам, проделать путь в 30 миллиметров, прежде чем распадется.
Здесь одно предполагает другое. Пользуясь обычными единицами, вы могли бы сказать, что длина следа примерно 30 миллиметров предполагает, что период полураспада равен примерно триллионной доле секунды (и наоборот); но между этими численными величинами нет никакой видимой связи. Сказать же, что след в 30 миллиметров предполагает период полураспада в 30 световых миллиметров, – тоже верно, но как отчетливо проявляется взаимосвязь! Вновь, как и в случае астрономических единиц расстояния, скорость света позволяет одним числом охарактеризовать и расстояние и время.
* * *
Группа частиц, вышедшая на сцену раньше гиперонов, – это мезоны. Эти частицы выступают в среднем весе: они легче протонов и нейтронов, но тяжелее электрона (поэтому их название и было образовано от греческого слова, означающего «средний»).
Мезонов тоже известно три разновидности. Два более легких вида мезонов различают греческими буквами: это мю-мезоны, открытые в 1935 году и имеющие массу, которая составляет примерно 11 процентов массы протона, и пи-мезоны, открытые в 1947 году, – их масса составляет примерно 15 процентов массы протона. Наконец, начиная с 1949 года было открыто несколько необычайно тяжелых мезонов, так называемых ка-мезонов. Их массы равны примерно половине массы протона.
В целом мезоны не так нестабильны, как гипероны. Их время жизни дольше. Даже самые устойчивые из гиперонов имеют период полураспада лишь 30 световых миллиметров, тогда как период полураспада мезонов колеблется от 8000 световых миллиметров (у заряженных пи-мезонов) до 800 000 световых миллиметров (у мю-мезонов).
Теперь уже 800 000 световых миллиметров покажутся вам поистине долгой «полужизнью», поэтому я напомню, что в обычных единицах это как раз 1/400 000 секунды.
Короткое мгновение для нас, но долгое, очень долгое время по ядерным масштабам.
Из мезонов только ка-разновидность относится к «странным» частицам. Ка-плюс– и ка-ноль-мезоны имеют «странности», равные +1, а ка-минус-мезон имеет «странность» –1.
Кстати, слабые взаимодействия недавно вызвали в физике почти революцию. Примерно в первые 8 лет после их открытия слабые взаимодействия казались не более чем досадной неясностью. И вдруг в 1957 году в результате исследований, связанных с ними, обнаружили, что «закону сохранения четности» подчиняются отнюдь не все процессы в природе.
Я не буду углубляться в подробности; пожалуй, достаточно сказать, что демонстрация опыта поразила физиков как гром среди ясного неба; двое молодых ученых, которые разгадали загадку, тотчас стали лауреатами Нобелевской премии, а перед теорией ядра открылись новые горизонты.
Кроме мезонов и гиперонов, известна только одна нестабильная частица – нейтрон. В атомном ядре нейтрон стабилен; но пребывания в одиночестве он не выдерживает и в конце концов распадается, порождая протон, электрон и нейтрино. (Разумеется, античастицы – позитроны и антипротоны – нестабильны в том смысле, что вступают в реакцию с электронами и протонами. В обычных условиях это совершается не позже чем примерно через миллионную долю секунды после их рождения. Однако, если бы эти античастицы оказались в изоляции, они оставались бы неизменными до бесконечности, а именно это мы и подразумеваем под стабильностью.)
Период полураспада нейтрона равен 1010 секундам (или примерно 17 минутам), а это значит, что он живет примерно в миллиард раз дольше, чем любая другая нестабильная частица.
В световых единицах период полураспада нейтрона составил бы 350 миллионов световых километров. Другими словами, если бы группа нейтронов неслась со скоростью света, то они покрыли бы расстояние 350 миллионов километров (от одной крайней точки земной орбиты до другой и еще немного), прежде чем половина из них распалась бы.
Разумеется, нейтроны, которыми пользуются ученые, движутся далеко не со скоростью света. На деле нейтроны, особенно подходящие для расщепления урана, – это как раз очень медленные нейтроны, движущиеся не быстрее молекул воздуха. Их скорость равна примерно 1,5 километра в секунду.
Однако даже так, ползком, поток нейтронов покроет расстояние 1500 километров, прежде чем половина из них распадется. А на этой дистанции с ними может случиться многое и многое другое. Например, если нейтрон движется в уране или плутонии, то у него есть шанс быть захваченным ядром и положить начало делению ядер. И сыграть немаловажную роль в том, что мир, в котором мы сегодня живем, станет еще более сложным и опасным.
