Текст книги "Охота за кварками"
Автор книги: Юрий Чирков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 19 страниц)
5
Гармония атомных сфер
Там – власть, там – творческие горны!
Пред волей числ мы все – рабы,
И солнца путь вершат, покорны
Немым речам их ворожбы.
Валерий Брюсов
Эверест – непальцы зовут этот горный массив Джомолунгмой – 8848 метров над уровнем моря, высочайший пик Земли. Но почему, собственно, высочайший? Отчего не могут быть – размеры планеты позволяют! – горы повыше, скажем, стокилометровой высоты? Что ограничивает их рост?..
Фантазия ума? Пустые мысли? Нет, вопрос вполне законный. И ответ уже известен. Его дала наука, способная обсуждать и гораздо более сложные проблемы.
Величайшего удивления достойны попытки человека ответить на коренные вопросы мироздания: отчего мы живем именно в трехмерном пространстве? Способно ли время течь вспять? Конечен наш мир или же бесконечен?.. До недавних пор подобное отваживались обсуждать лишь философы да писатели-фантасты. Однако наука развивается сейчас с такой головокружительной быстротой, ч го в эти давние споры начали вступать и ученые-естественники. И прежде всего физики.
Великолепная семерка
Древнегреческий математик и философ Пифагор (570–500 гг. до и. э.) считал, что числа составляют сущность всех вещей и Вселенная наша представляет собой на деле гармоническую систему чисел и их отношений.
Последователи Пифагора – пифагорейцы (свой тайный союз они окружили страшной секретностью, желающих вступить в союз подвергали долгим и строгим испытаниям, только пятилетним молчанием абитуриент мог доказать свою способность к самоотречению) приписывали числам таинственные, сверхъестественные свойства. Согласно их учению из куба возникла земля, из пирамиды – огонь и так далее. Особое внимание уделяли они чету и нечету: в единице усматривали даже нечто божественное. Наивно?
Но в какой-то мере наука ныне исповедует те же взгляды, пытаясь всю многоликость явлений свести к действию очень малого количества числовых факторов.
(Наука тем и отличается от мифологии, что говорит на языке математики, на языке формул, дающих пусть и упрощенную, но верную модель мира.)
Высота земных гор не превышает 9 километров. Почему? Да потому, что прочность камней у основания гор не выдерживает больших нагрузок. (Недаром каменная пирамида Эвереста в основании сложена из прочнейших пород докембрийских гнейсов и гранитов.) Но прочность определяют электрические силы сцепления атомов.
Так, в конечном итоге высота гор оказывается зависящей от соотношения между электричеством и гравитацией.
Земля отстоит от Солнца на 150 миллионов километров. Случайность? Вовсе нет. Именно здесь центробежная сила (вращение Земли вокруг Солнца) уравновешивается силой притяжения. Вот так ход планетам диктует постоянная тяготения, входящая в данный нам И. Ньютоном закон.
Не метры и дюймы, не килограммы и фунты (это единицы случайные, недаром когда-то в каждой стране существовала своя система мер, и даже миля американская отличалась от мили английской), а именно фундаментальные постоянные (это и постоянная тяготения G, и скорость света с, и постоянная Планка h, и многие другие коэффициенты, содержащиеся в основных физических законах) предопределяют видимую гармонию нашей Вселенной, именно они «заказывают» и музыку жизни.
Однако фундаментальных постоянных (или констант), так же как и всех физических законов, слишком много – несколько десятков. В этом многоголосии нелегко подслушать основные ритмы Вселенной, скрытую суть вещей. Поэтому физики в основу своих построений обычно кладут константы четырех основных взаимодействий: сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного. Силы эти можно превратить в числа, если энергию каждого из взаимодействий поделить на энергию кванта света – фотона.
В последние годы оригинальные подходы в космологии предложил старший научный сотрудник Института космических исследований АН СССР доктор физико-математических наук И. Розенталь. Одна из его последних (препринт опубликован в 1982 году) статей носит броское и интригующее название «7 чисел, определяющих структуру Вселенной».
В эту семерку, кроме упомянутой выше четверки сил, московский ученый добавил еще две комбинации из масс протона и нейтрона, деленных на массу электрона (числа!): из этих трех частиц состоят все атомы. И венчает список фаворитов природы еще одно число – размерность N физического пространства (мы «прописаны» в трехмерии, у нас N=3).
Вот она – великолепная семерка чисел, держащая якобы в своих браздах все тайные пути мира, все ключи от Прошлого, Настоящего и Будущего.
Конструирование вселенных
Жажда познания у ученых безгранична. Череда вопросов все растет, так как каждый ответ рождает десятки новых, еще более сложных. К примеру, в физике элементарных частиц давно уже есть некая проблема массы.
Чтобы войти в суть этой проблемы, напомним, что скорость света или, скажем, постоянная Планка потому-то и являются фундаментальными постоянными, что эталоны эти не созданы руками человека (как метр или секунда), а сотворены самой природой.
Замечательное свойство скорости света (говоря о ее величине, обычно имеют в виду скорость света в вакууме) в том, что она одна и та же для всех наблюдений.
Даже формально нельзя построить теории, в которой были бы постоянны две скорости, скажем, скорость света и скорость звука. (Скорость света одна-единственная, а скорость звука в сухом воздухе – 330 м/с, в пресной воде – 1430 м/с, в металлах она еще больше.)
И постоянная Планка только одна, общая для всех физических систем. Это стало понятным с открытием квантовой механики.
Но вот странность: природа позаботилась о том, чтобы дать миру эталон скорости и эталон действия (размерность hесть энергия, умноженная на время, эту странную на первый взгляд единицу ввел в 1900 году М. Планк), а вот эталона массы природа не сотворила.
Для массы масштаба нет!
Существует громадное множество элементарных частиц, и у каждой своя масса. Почему их так много? Никто этого не знает.
Заметим еще, что и масштабов расстояний, как и масштабов массы, природа предоставила человеку также в изобилии – выбирай любой!
И масштаб времени также остается полностью не определенным.
Видимо, чтобы пойти на этот произвол, у природы были для этого веские основания. Но какие?
Пока это тайна.
Но попробуем задать вопрос попроще. Почему семерка основных (назовем их мировыми) чисел именно такая? И этого мы пока не знаем. Однако это не мешает нам поразмыслить над тем, что произойдет, если константы взаимодействий будут иметь другие значения. Кто может помешать нам мысленно увеличивать или уменьшать величину заряда электрона еили, скажем, постоянную тяготения G?
У американского фантаста Р. Шекли есть остроумный рассказ. В нем некая космическая строительная контора по заданию «заказчиков» создавала… Метагалактику.
Продолжим эту шутку писателя. Предположим, «заказчикам» наш мир чем-то не по нраву и они задумали улучшить его, создав новый вариант. Им захотелось сконструировать Вселенную, в которой некоторые из помянутых выше семи имели бы несколько иное значение.
Что же, заказ есть заказ! Получив такие необычные «рабочие чертежи», строительная фирма, не посоветовавшись с учеными, принялась за дело.
Дельцы руководствовались здравым смыслом. Казалось очевидным, что возводимая ими Метагалактика, хотя и окажется несколько иной, но все же будет вполне приемлемой для существования. Ну, несколько сократятся (или увеличатся) размеры атомов, скажем, слоны и киты станут метровых размеров… Или, допустим, убыстрится время: десятки минут сократятся в минуты. Так ли уж велика будет разница?
А вы, читатель, что думаете на этот счет? Решились бы вы, будь ваша воля, на подобную «хирургию»?
Подобное неподобно
Геометрия научила нас подобию фигур. Теорема Пифагора одинаково справедлива и для маленького прямоугольного треугольника, и для большого. А есть ли подобие в мире физических явлений?
Видимо, первым изучал эту проблему великий итальянский ученый Г. Галилей (1564–1642).
Отец Галилея был известным музыкантом, но 17-летнего сына отправил изучать медицину в Пизанский университет, где (случайность?) тот впервые познакомился с физикой Аристотеля.
В сохранившихся юношеских записях лекций будущего великого физика можно найти разбор наивных и схоластических вопросов: является ли небо простым или составленным пз «элементов», одушевлено ли оно и так далее. Гений Г. Галилея креп медленно и своего расцвета достиг, пожалуй, только в пору счастливых исследований по механике машин и законов падения тел.
В эти же годы им была написана работа с велеречивым названием «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки и относящиеся к механике и местному движению». В ней он изложил результаты изысканий (сказались занятия медициной?) по механике тел животных. Тут-то Г. Галилей и показал наивность надежд на подобие в мире физики.
Вопрос ставится так. Представьте, вы проснулись утром и узнаёте, что размеры всех предметов в мире и ваши увеличились в одинаковое число раз. Казалось бы, факт этот никак себя не обнаружит, в мире ровно ничего не изменится. Увы! Это не так.
В своей работе Г. Галилей сформулировал правило, известное теперь как «квадратно-кубичный закон».
При увеличении всех размеров животных или человека их объем возрастает в кубе (если ваш рост увеличить вдвое, вы станете в восемь раз тяжелее), однако площадь поперечного сечения их костей – а следовательно, их прочность – только в квадрате. Потому-то стройный красавец олень, увеличенный до размеров слона, был бы смят, буквально раздавлен собственным весом. Кости ног оленя просто не выдержали бы такой тяжести. Великаны слоны потому и могут существовать, что кости у них толще и массивнее…
Это было крупное открытие Г. Галилея. Отсюда следовало, что животные и растения на Земле имеют наиболее выгодные размеры. А для нашей истории важно тут то, что подобное оказывается неподобным!
(Любопытно, что после Г. Галилея та же проблема очень занимала английского писателя Д. Свифта (1667–1745). Первые две части «Путешествий Гулливера» рассказывают о людях в 12 раз меньше нормального человеческого роста и о великанах 70 футов высотой 21 метр.)
Д. Свифт проявляет бездну остроумия, но малую проницательность. Он и не подозревает, что, будь лилипуты человеческими существами из плоти и крови, они бы обладали способностью прыгать, как блохи, на высоту, в несколько раз превышающую их собственную. А великаны Бробдингнега оказались бы настолько привязаны к земле, что вряд ли бы сумели просто находиться в вертикальном положении.)
Итак, в поле тяготения подобия нет. Горы не бывают сколь угодно высокими, в океане нет сколь угодно больших глубин. Но – важное замечание! – горы все же бываю/ большие и малые. Колеблются и размеры животных и растений. Есть люди высокие и низкие (в среднем рост людей колеблется примерно на 20 процентов от средней величины).
Однако эти вольности, вполне допустимые в мире макрообъектов, совершенно исключены в микромире.
Электроны – тем же свойством должны обладать нейтрино, кварки, фотоны все одинаковы, все «сшиты» по одному типовому образцу. Нет электронов, подобно людям, больших и маленьких. Каждый электрон имеет массу ровно в 9,1094 x 10 -28грамма. Электроны абсолютно взаимозаменяемы, и никому еще не удавалось обнаружить хоть какую-либо разницу между двумя электронами.
Таинственное обстоятельство! Отчего электроны представляют собой скопище миллиардов близнецов, которых никакая «мама» не различит, – вопрос непростой. Это еще одна из глубоких загадок природы. Поиски ответа завели бы нас слишком далеко. Поэтому обсудим более простое: отчего бы массе электрона (или любой другой его характеристике) не быть несколько иной? Ну хоть сколько-нибудь отличающейся? Чуть-чуть большей или чуть меньшей?..
Ветерок рушит скалы
Вы взяли в руки молоток и ударили по кирпичу.
Он развалился. Но было бы странно, если б тот же удар расколол еще и атомы, из которых слагается кирпич.
Впрочем, странно ли?
Начнем мысленно (и осторожно!) изменять мировые константы. Спрашивается, сохранит ли после подобных «операций» наш мир внутреннюю крепость вещей (устойчивость атомов) или начнет разваливаться у нас на глазах?
Изменим вначале и без того малую константу тяготения, скажем, увеличим ее на 10 процентов. Что произойдет? Сократится радиус земной орбиты, увеличится количество тепла, поступающего на Землю от Солнца.
Температура Земли, как показывают расчеты физиков, подскочит на 100 градусов. Понятно, резко изменится и климат, изменится угрожающе. В подобных условиях существование на Земле высокоорганизованной органической материи стало бы, по-видимому, невозможным.
Возьмем теперь крошку электрон и лишь слегка увеличим его массу. Казалось бы, пустяк. Но вновь от этого малого «толчка» возникнут страшные последствия – наша Вселенная, утверждают физики, превратится в… нейтронную Вселенную!
Дело в том, что существование галактики, звезд, планет зависит от стабильности атомов водорода, состоящих из одного протона и одного электрона. И если увеличить массу электрона в 2,5 раза, то все атомы водорода будут коллапсировать по схеме: р + е-KI+V. Выражаясь простыми словами, все протоны и электроны, слившись, превратятся в нейтроны и нейтрино. Возникает нейтронная Вселенная. И наш мир, сжимаясь, превратится либо в нейтронную звезду, либо в «черную дыру».
Подобная «игра» с массами электрона, протона и нейтрона может привести и к другим вариантам: водородной Вселенной (в ней элементы с атомными весами, больше единицы будут отсутствовать, и останется только водород!), лептонной Вселенной (все протоны в конце концов превратятся в лептоны, то есть в электроны и нейтрино, для чего необходимо лишь несколько изменить силу электромагнитного взаимодействия), гелиевой Вселенной (если несколько увеличить ядерные силы, то можно все протоны превратить в атомы гелия)…
И последний пример. Попробуем изменить заряд электрона. Если его увеличивать, то притяжение к находящимся в атомном ядре протонам погубит все тяжелые (с большими атомными весами) элементы (конечно, мир в целом должен остаться электронейтральным, поэтому необходимо увеличить и заряды протонов). А увеличив заряд электрона в 12 раз, можно извести таким «приемом» все сорта атомов, включая и атом водорода!..
Столь же неожиданная ситуация возникнет, если уменьшать заряд электрона. Силы, притягивающие протоны и электроны в любом атоме, при этом уменьшатся, атомы станут более рыхлыми, увеличатся их размеры.
Трехкратного уменьшения заряда электрона достаточно, чтобы все вещество Земли превратилось в плазму. И не останется на ней ни растений, ни животных, ни людей.
Странным, непредсказуемым станет мир. Кристаллическая структура скал начнет разрушаться даже от легкого дуновения ветерка. Падение камня с горы порвало бы и связи молекул – в веществе пошли бы неконтролируемые химические реакции…
Подобные умозрительно-физические упражнения можно продолжать и дальше. Многие примеры заимствованы нами из вышедшей в 1984 году книги И. Розенталя «Элементарные частицы и структура Вселенной». Читатель найдет в ней не только многочисленные ответы на древний вопрос: «Как устроен мир?», но и на тот, который люди осмелились задавать себе лишь недавно: «Почему мир устроен так, а не иначе?»
Итак выясняется, что семерка мировых чисел подогнана друг к другу настолько тщательно (современный теолог мог бы утверждать, что господь-бог творил не небо, землю, свет… а скрупулезно подбирал фундаментальные постоянные!), что даже небольшое изменение мировых констант способно вызвать катастрофические последствия. Так что мы живем в мире, «сработанном» исключительно тонко и гармонично.
Впрочем (о, диалектика!), о какой гармонии мира может идти речь, когда структура нашей Вселенной оказалась столь неустойчивой! Ведь мы только что убедились, что даже небольшое изменение фундаментальных постоянных кардинально ломает привычную картину мира.
При этом один за одним «исчезают» основные элементы Вселенной – ядра, атомы, молекулы, звезды, галактики.
И еще. Те дельцы, строители Метагалактики (вспомним о них), непременно бы обанкротились, убедившись лишний раз, что сегодня без науки и шагу ступить нельзя!
Большой Взрыв
Потребность исследовать Вселенную, размышлять о ней, глубоко заложена в уме и природе человека. Однако космология – наука, соединяющая расчеты физика-теоретика, наблюдения астронома и размышления философа, – родилась и оформилась сравнительно недавно.
Одна из центральных тем космологии – как возникла Вселенная. Сейчас большинство ученых придерживается модели «горячей расширяющейся Вселенной».
Тот взгляд, что наша Вселенная, ее галактики, планеты, разумная жизнь на них являются результатом так называемого Большого Взрыва, мысль о том, что примерно 18 миллиардов лет назад Вселенная представляла собой крохотный сгусток материи, обладающий бесконечно высокими температурой и плотностью, что затем, после «взрыва», началось расширение вещества, которое продолжается и поныне и проявляет себя в экспериментально установленном разбегании галактик (интересно, что разлетающиеся галактики мы наблюдаем такими, какими они были примерно Ю9 лет назад!) от общего центра, – все эти необычные, даже дикие с точки зрения здравого смысла представления пробили себе дорогу совсем недавно.
Прежде – а писал об этом еще Аристотель – Вселенная считалась статичной, неизменной. Идея вечности «механизма часов Вселенной» никем не оспаривалась.
Но то были заблуждения. Мы знаем, например, что радиоактивные элементы необратимо распадаются. В вечной Вселенной радиоактивное вещество давно должно было бы развалиться. И сам факт существования радиоактивности свидетельствует: с момента образования Земли и других объектов Вселенной прошло конечное время.
Все так. И все же мысль о Большом Взрыве с трудом укладывается в голове. И космологам, которые развивали эти полуфантастические идеи, вначале было нелегко: их взгляды были встречены с неодобрением.
Однако факты, собранные астрономами, подтвердили самые, казалось бы, «безумные» утверждения теоретиков.
И современный сценарий развития Вселенной уже дописан до времен, отстоящих от момента взрыва на столь ничтожную величину, для которой у математиков нет даже названия, – до 10 -43секунды. И суждения космологов считаются теперь столь же верными, сколь верно то, что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот.
Но что же, галактики так и будут вечно разбегаться друг от друга? Не может ли случиться, что они повернут назад и начнут сближаться?
Теория утверждает, что в «ближайший период», в течение, скажем, пятидесяти миллиардов лет разбегание сохранится. А дальше? Возможно, бег галактик замедлится до полной остановки, а затем они (если на то будет соизволение управляющих миром фундаментальных постоянных!) начнут движение вспять, пока не сольются в первоначальную точку.
И снова будет Большой Взрыв. И родится новая Вселенная… Какой она будет? Это и есть второй «большой» вопрос космологии (эта наука становится все респектабельнее, все представительнее проходят съезды ее ученых). Каковы возможные варианты рождающихся вселенных? Скажем, наш мир имеет три координаты, но отчего бы «очередной» Вселенной не быть двухмерной, плоской или, наоборот, четырех-, пятимерной?..
О Большом Взрыве, о связанных с ним проблемах, о спорах космологов довелось мне узнать во время наших встреч с И. Розенталем. Много необычного и любопытного рассказал он.
И. Розенталь окончил МГУ в 1941 году. С блеском начал исследовательскую работу у Д. Блохинцева. Но началась жестокая война. На фронте И. Розенталь командовал радиолокационной установкой. После войны занялся изучением космических лучей, исследовал элементарные частицы. А в последние годы с юношеским пылом увлекся космологией.
– К вопросам космологии я подхожу с экспериментальных позиций, – помню, говорил И. Розенталь. – Давайте исходить из той реальности, которая существует. Расположим все известные нам элементарные частицы в порядке возрастания их массы. Быстро обнаруживается: все частицы сгрудились тесной группкой вокруг протона, его массу можно считать за среднюю. И только электрон, имеющий массу в тысячи раз меньшую, чем протон, явно выпадает из общей компании. Это гигантский выброс, большая флуктуация в мире элементарных частиц.
– Этот факт имеет глубокий смысл?
– Да. Такие флуктуации совершенно необходимы для существования сложных форм материи. Ведь вы уже убедились, что подправлять конструкцию Вселенной очень опасно: даже небольшой сдвиг в величине массы электрона привел бы к катастрофе…
В беседах с И. Розенталем я начал постигать удивительную нетривиальность набора фундаментальных констант Вселенной. Но oсобенно увлекли меня новые идеи ученого, высказанные им в статье «Образование вселенных в пространстве переменной размерности».
