О времени, пространстве и других вещах - Айзек Азимов

Да, гравитация, несомненно, слаба. Но насколько?

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 такова масса очень небольшого астероида). А вместо Земли вообразите 31/3 тонн позитронов.

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 по Земле 31/3 тонн 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 влияние в атомном ядре, электромагнитные силы — в атоме, а гравитационная сила определяет положение крупных астрономических объектов.

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 по величине) — переносом фотонов. Аналогичная частица, участвующая в слабых взаимодействиях, была открыта сравнительно недавно, названа w-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 электрического 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 1042?

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 вас 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».

К счастью, такие казусы меня нисколько не расстраивают. Если дочь не пожелает вести со мной высоконаучные беседы, я всегда могу обратиться к Беспомощному Читателю. Так что простите великодушно, но именно с вами я намерен обсудить проблему черноты ночного неба.

Рассказ о темноте ночи целесообразно начать с немецкого физика и астронома Генриха Вильгельма Маттиаса Олберса, родившегося в 1758 году. Астрономия была его хобби. Именно из-за нее в середине жизни ему пришлось пережить острое разочарование. Дело было так…

В конце XVIII века астрономы предположили, причем имели для этого серьезные основания, что между орбитами Марса и Юпитера находится еще одна планета. Несколько немецких астрономов, из которых Олберс был самым именитым, решили разделить между собой плоскость эклиптики и вести методичные наблюдения (каждый на своем участке) с целью обнаружения новой планеты.

Олберс и его друзья были очень упорны, проделали кропотливую работу и считали свое открытие вопросом времени, не сомневаясь, что скоро получат щедрую награду за труды. Но удача иногда упорно не желает приходить к тем, кто этого заслуживает. Пока немецкие астрономы систематизировали полученные данные, итальянец Джузеппе Пиацци, который и не думал о новой планете, ночью 1 января 1801 года заметил светящуюся точку, смещающуюся на фоне звезд. Некоторое время он продолжал за ней следить и обнаружил, что она равномерно движется несколько медленнее Марса, зато быстрее Юпитера. Пиацци вполне закономерно предположил, что обнаружил планету, занимавшую промежуточную орбиту. Об этом он поведал миру. Так что в анналы истории попал не упорный и методичный Олберс, а случайно направивший свой телескоп в нужное место и в нужное время Пиацци.

Но Олберса все-таки нельзя считать проигравшим. Через некоторое время Пиацци заболел и не смог продолжать наблюдения. К тому времени, когда он сумел вернуться к телескопу, планета уже находилась близко к Солнцу и не была видна.

В результате Пиацци не успел получить достаточно данных, чтобы вычислить орбиту новой планеты, и это было неудачей. Пришлось бы ждать долгие месяцы, прежде чем медленно движущаяся планета обогнет Солнце и снова станет доступной для наблюдений, а не имея расчетной орбиты, на ее повторное открытие можно потратить много лет.