О времени, пространстве и других вещах. От египетских календарей до квантовой физики
Шрифт:
Представьте себе, что Земля представляет собой скопление одних только позитронов, а Солнце — электронов. Сила притяжения между ними тогда была бы намного больше, чем слабая гравитация, удерживающая их на своих местах сейчас. В действительности, чтобы уменьшить электромагнитное притяжение до величины существующей в настоящее время гравитационной силы, Земле и Солнцу пришлось бы «отодвинуться» друг от друга приблизительно на 33 000 000 000 000 000 световых лет, то есть на расстояние в 5 миллионов раз большее, чем диаметр известной Вселенной.
Или представьте себе на месте Солнца миллион тонн электронов (примерно
Электромагнитное притяжение между этими двумя незначительными массами, разделенными расстоянием от Земли до Солнца, будет равно гравитационному притяжению между гигантскими массами этих небесных тел сейчас.
В действительности, если бы можно было разбросать по Солнцу миллион тонн электронов, а на Земле З 1/ 3тонн позитронов, это удвоило бы притяжение Земли Солнцем и значительно изменило ее орбиту. Если же на оба небесных тела поместить электроны, сила электромагнитного отталкивания легко преодолеет силу гравитационного притяжения, и Земля отправится в путешествие из Солнечной системы в неизведанное.
Конечно, все это лишь расчеты на бумаге. Сам факт, что электромагнитные силы так велики, означает, что невозможно собрать сколько-то существенное количество одинаково заряженных частиц в одном месте. Они будут отталкивать друг друга слишком сильно.
Представьте, что вы разделили Солнце на небольшие шарики и рассыпали их по Солнечной системе. Смогли бы вы с помощью какого-то прибора, созданного руками человека, удержать эти шарики от приближения друг к другу под действием гравитации? Эта задача не сложнее, чем попытка раздобыть миллион тонн электронов и собрать из них некое тело размером с футбольный мяч.
Аналогичная проблема — попытка отделить изрядный положительный заряд от такого же отрицательного.
Если бы Вселенная состояла из электронов и позитронов, они непременно собрались бы вместе под действием электромагнитного притяжения. Являясь античастицами, то есть полными взаимными противоположностями, они соединились бы, аннулировали друг друга и отправились в путь в космической вспышке гамма-лучей.
К счастью, Вселенная состоит из электронов и протонов, которые являются основными заряженными частицами. И хотя их заряды являются взаимными противоположностями (-1 у электронов, +1 у протонов), остальные их характеристики, в том числе масса, существенно разнятся. Поэтому они не являются античастицами и не могут уничтожить друг друга.
Но благодаря зарядам противоположных знаков они взаимно притягиваются, и этот факт невозможно опровергнуть. Электрон и протон приближаются друг к другу, оставляя между собой небольшое расстояние, и образуют атом водорода.
Отдельные протоны могут приблизиться друг к другу вплотную, несмотря на существование электромагнитного отталкивания, потому что существует короткодействующая сила взаимодействия внутри ядра, которая притягивает соседние протоны друг к другу, легко преодолевая силу электромагнитного отталкивания. Поэтому существуют и другие атомы, отличные от атома водорода.
Подведем краткие итоги: ядерные силы имеют преобладающее
Слабость гравитационной силы неизменно является источником разочарования для физиков.
Различные силы проявляются посредством переноса частиц. Ядерная сила, самая мощная из всех существующих в природе, проявляется переносом пи-мезонов. Электромагнитная сила (следующая но величине) — переносом фотонов. Аналогичная частица, участвующая в слабых взаимодействиях, была открыта сравнительно недавно, названа ^'-частицей и пока считается неустойчивой.
Поскольку гравитация тоже является силой, то при ее проявлениях также должен происходить перенос частиц.
Физики назвали такую частицу гравитон. Они даже описали ее свойства: гравитон электрически нейтрален и не имеет массы (не обладая массой, он должен двигаться с неизменной скоростью — скоростью света). Он стабилен и, будучи предоставлен сам себе, не распадется на другие частицы.
Заметили? Пока гравитон очень напоминает нейтрино (см. главу 13 моей книги «Взгляд с высоты»), которое также стабильно, электрически нейтрально, не имеет массы и движется со скоростью света.
Однако гравитон и нейтрино все же имеют некоторые различия. Нейтрино бывают двух видов: электронные нейтрино и мю-мезонные нейтрино, причем оба имеют свою античастицу. То есть существует четыре вида нейтрино. Гравитон только один и является одновременно своей же античастицей.
Гравитон имеет спин 2, а нейтрино, как и подавляющее большинство субатомных частиц, имеет спин 1/ 2. (Еще существуют некоторые мезоны со спином 0, а также фотон, имеющий спин 1.)
Следует отметить еще одну существенную деталь: гравитон пока не обнаружен. Он более неуловим, чем нейтрино. Нейтрино, хотя лишено массы и электрическою заряда, все-таки обладает энергией, которую можно измерить. Благодаря этому ученые впервые высказали предположение о существовании новой элементарной частицы.
Ну а гравитон?
Вы помните число 10 42?
Отдельный гравитон должен обладать энергией в триллионы триллионов раз меньшей, чем нейтрино. А зная, как сложно было обнаружить нейтрино, вряд ли есть основания полагать, что об открытии гравитона будет объявлено в ближайшем будущем.
Глава 9 ТЕМНОТА НОЧИ
Думаю, многие из нас видели юмористический сериал «Пинатс». Моя дочь Робин (сейчас она в четвертом классе) от него в восторге. Мне он тоже нравится.
Как-то раз она пришла ко мне, находясь под впечатлением очередного эпизода, в котором один из маленьких героев спрашивает свою раздражительную старшую сестру: «Почему небо голубое?» — на что она отвечает: «Потому что оно не зеленое».
Робин еще смеялась, а я уже решил, что обязан воспользоваться случаем и свести наш разговор к серьезному научному обсуждению (разумеется, для блага Робин) этого вопроса. Поэтому я спросил: «А ты знаешь, Робин, почему ночью небо черное?»
Моя дочь ответила не задумываясь (видит бог, я должен был это ожидать): «Потому что оно не красное».