Текст книги "Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания"

Расширение пространства

Прежде чем двигаться дальше, я хочу сказать еще одну вещь. Многочисленные неточности в понимании искривления пространства-времени становятся очевидными, когда физики начинают говорить о расширении Вселенной. Если пространство-время представляет собой единый статичный четырехмерный блок, какой смысл вкладывают физики в идею расширения? Как может расширяться нечто включающее в себя в виде неотъемлемого компонента время? В конце концов, слово «расширяться» подразумевает нечто изменяющееся во времени, но ведь оно содержит время в себе самом! Ответ прост: расширение пространства, которое мы наблюдаем через телескопы, не подразумевает одновременного растяжения координаты времени. Растягивается не пространство-время, а, скорее, три пространственных измерения, тогда как время движется вперед. Хотя пространство-время в каком-то смысле демократично, поскольку время представляет собой одно из четырех равноправных измерений, можно провести некоторые алгебраические операции с уравнениями теории общей относительности (представить их в несколько ином виде), так что все расстояния будут теперь умножаться на «масштабирующий коэффициент», который увеличивается по мере движения времени, причем расширяется только пространство.

Вспомним также, что такое расширение происходит только на необъятных просторах между галактиками, потому что внутри самих галактик гравитационное поле, которое удерживает эти галактики от распада, является достаточно сильным, чтобы сопротивляться вселенскому расширению. Галактики подобны изюминкам, находящимся внутри буханки выпекающегося хлеба. Буханка расширяется, а размер самих изюминок остается постоянным – только расстояние между ними увеличивается.

Представим, что в рамках блок-вселенной наше родное пространство-время помещено внутри такой «хлебной вселенной», в которой по мере нашего продвижения по оси времени от прошлого к будущему каждый следующий кусочек хлеба больше предыдущего. Находясь вне этого пространства-времени, вы бы просто увидели статичную буханку с увеличивающимися кусками. Однако, будучи внутри буханки (или внутри воображаемой изюминки внутри буханки), мы можем воспринимать только увеличивающиеся куски, так что нам кажется, что некая точка (например, далекая галактика) все более удаляется от нас по мере нашего продвижения от куска к куску.

Несмотря на эти непростые понятия, все, что я написал в этой главе о пространстве-времени, основано только на одном из трех столпов современной физики. Однако пространство согласно теории относительности является однородным и непрерывным. Если мы будем все более увеличивать масштаб, мы в конечном счете доберемся до второго столпа современной физики, квантовой механики, где нет четких границ и все подчинено случайности и неопределенности. Что же происходит с пространством и временем на этих мельчайших расстояниях и в крошечных временных периодах? Станет ли само пространство-время зернистым, подобно пикселям в изображении, увеличенном более разрешения? Скоро мы займемся этим вопросом.

Кроме того, с точки зрения блок-вселенной в теории относительности мы можем представить время как нечто статичное и неизменное, где прошлое, настоящее и будущее сосуществуют друг с другом как элементы четырехмерного пространства-времени. Однако третий столп физики, термодинамика, утверждает, что идея времени как «дополнительного измерения» не выдерживает критики. Термодинамика объясняет, как системы изменяются во времени; более того, она придает времени направленность, которая не предусмотрена в трехмерном пространстве. Независимо от нашего восприятия времени как текущего в одном направлении – мы помним прошлое, живем в настоящем и предвидим будущее – существует некая стрела времени (подробнее об этом – в главе 6), которая направлена из прошлого в будущее, и это разрушает правильную симметрию блок-вселенной.

Однако мы еще не готовы заниматься следующими двумя столпами физики. Сначала мы должны заполнить чем-то наше пространство-время, заполнить его материей и энергией. Идея Эйнштейна в том, что материя, энергия, пространство и время всегда сопутствуют друг другу. Что это значит, я попробую прояснить в следующей главе.

Глава 4. Энергия и материя

Общая теория относительности получила свое математическое воплощение в том, что известно как уравнение поля Эйнштейна (вообще-то, несколько уравнений, которые можно записать в компактной форме одной строкой). Но в уравнениях всегда две части, которые отделяются друг от друга знаком «=», а форма пространства-времени – это только половина уравнения. Теперь я хочу исследовать вторую часть.

Уравнение Эйнштейна отражает то, как гравитационное поле, или скорее форма пространства-времени, определяется материей и энергией. Часто говорят, что его уравнение поля показывает, как пространство-время искривляется материей и энергией и в то же время как материя и энергия ведут себя в искривленном пространстве.

Дело в том, что, с одной стороны, материя и энергия не могут существовать без чего-то, в чем можно существовать, а с другой – без материи и энергии не было бы никакого пространства-времени. Поэтому давайте рассмотрим, что мы знаем о «наполнении» Вселенной.

Энергия

Энергия – это одно из тех понятий, которые, как нам кажется, мы понимаем на уровне интуиции. Например, если мы голодны, устали или плохо себя чувствуем, мы говорим, что нам «не хватает энергии». Наоборот, если мы в хорошей форме и хорошо себя чувствуем, нам «хватает энергии», чтобы пойти в спортзал. Иногда этот термин используется в бытовом смысле в выражениях типа «в комнате ощущалась позитивная энергия» или «от него исходит отрицательная энергия». В физике понятие энергии используется в смысле способности выполнить работу. Таким образом, чем больше энергии, тем больше можно сделать – перенести материю с места на место, нагреть ее или просто накопить для дальнейшего использования. Понятие энергии широко используется в физике уже пару веков, с тех самых пор, как оно оказалось полезнее, чем более «ощутимое» на первый взгляд понятие силы – ведь мы можем почувствовать силу, но не всегда непосредственно ощущаем энергию, даже если она принимает форму тепла или света.

Тем не менее определение энергии как способности совершать работу не объединяет ее с понятием силы, поскольку, когда в физике используется термин «работа», обычно имеется в виду способность сдвинуть тело, преодолевая некую силу сопротивления. Например, мне нужна энергия, чтобы передвинуть тяжелый предмет мебели или чтобы поднять что-то над головой, преодолевая силу притяжения. Точно так же батарейке требуется энергия, чтобы «протолкнуть» электрический ток по цепи, преодолевая сопротивление материала, а тепловая энергия пара порождает давление, действующее на силовые турбины, которые преобразуют эту энергию в электричество. Последнюю можно использовать для механической работы или снова преобразовать ее в энергию света или тепла.

Энергия существует во многих ипостасях: кинетическая энергия движущегося тела; потенциальная энергия тела, находящегося в гравитационном поле; тепловая энергия горячего тела благодаря движению атомов внутри него. Но, хотя все это верно, мы еще не добрались до самой сути понятия энергии.

Давайте начнем с закона сохранения энергии: общее количество энергии во Вселенной неизменно. Он выводится, через теорему Нётер, из более фундаментальной идеи временной симметрии, гласящей, что все законы физики являются «инвариантами преобразования времени», откуда следует, что общая энергия физического процесса сохраняется во времени. Эта идея позволила предсказать существование новых элементарных частиц. Сохранение энергии также доказывает невозможность создания вечного двигателя, поскольку энергию нельзя постоянно получать из ничего.

С первого взгляда можно подумать, что говорить больше не о чем: вся энергия в системе (то есть во всей Вселенной) остается неизменной, хотя ее количество изменяется от одной Вселенной к другой. Однако в природе энергии есть нечто более глубокое, о чем я еще не упоминал. В самом общем смысле можно разделить ее на два вида: полезную энергию и бесполезную энергию, – и это разделение имеет глубочайшие последствия, связанные со стрелой времени. Мы знаем, что для нашей повседневной жизни – для работы транспорта и промышленности, для генерирования электричества, которое мы используем для освещения и обогрева наших домов, для питания приборов и всей домашней техники – для всего этого нужна энергия. Собственно говоря, энергия необходима просто для поддержания самой жизни.

Конечно, это не может длиться вечно. И что же, однажды эта полезная энергия иссякнет? Уменьшив масштаб, можно представить себе всю Вселенную в виде механических часов, которые постепенно замедляются. Но как же это возможно, если количество энергии всегда остается неизменным? Почему она не может циркулировать бесконечно – пусть даже меняя форму? Оказывается, что ответ кроется в статистике и теории вероятности и в том, что известно как второй закон термодинамики. Однако, если вы не против, я отложу этот разговор до главы 6. А сейчас давайте двинемся дальше – от энергии к материи.

Материя и масса

Когда мы говорим о природе материи, надо понимать, что такое масса. На самом элементарном уровне масса тела – это мера количества содержащегося в нем «вещества».

В обыденной жизни часто полагают, что масса тела – это то же, что его вес. Для земных условий это нормально, поскольку эти две величины пропорциональны друг другу. Однако в космосе у тела нет веса, но масса все же существует.

Но даже масса не всегда остается постоянной. Чем быстрее движется тело, тем больше увеличивается его масса. Такие вещи не преподают в школе, а Исаак Ньютон был бы этим поражен, потому что это – еще одно следствие природы пространства-времени с точки зрения специальной теории относительности Эйнштейна. Если вы задаете себе вопрос, почему мы не видим этого в реальной жизни, так это потому, что мы обычно не наблюдаем скоростей, близких к скорости света, когда этот эффект становится заметным. Например, тело, движущееся со скоростью 87 % скорости света, будет иметь массу, в два раза превышающую массу того же тела, но в покое. А масса тела, движущегося со скоростью 99,5 % скорости света, будет больше в десять раз. Но даже самая быстрая пуля летит со скоростью всего лишь 0,0004 % скорости света, а это означает, что мы не видим релятивистских эффектов или изменений в массе движущихся тел.

Увеличение массы тела по мере приближения его скорости к скорости света не означает, что оно становится больше по размеру или что увеличивается количество составляющих его атомов; скорее, это значит, что возрастает его импульс (его становится труднее остановить) по сравнению с тем, которого можно было ожидать, зная массу этого тела в состоянии покоя. Согласно механике Ньютона импульс тела – это произведение его массы на скорость, а значит, он увеличивается при росте скорости: если скорость тела возрастет в два раза, то же произойдет и с импульсом. Однако ньютоновская механика ничего не говорит об увеличении массы при движении тела. Специальная теория относительности дает нам иную (и более корректную), «релятивистскую» формулу импульса, которая не пропорциональна скорости тела. На самом деле при достижении телом скорости света его импульс становится бесконечным.

Все это помогает понять, почему никакое тело не может двигаться быстрее скорости света (это еще один вывод из специальной теории относительности). Подумайте, сколько энергии требуется, чтобы ускорить движение тела. При низкой скорости эта энергия по мере ускорения тела трансформируется в кинетическую (энергию движения). Однако по мере приближения к скорости света ускорять движение тела становится все труднее и все больше энергии, прилагаемой к телу, уходит на увеличение его массы. Это отражается в самой известной физической формуле E = mc², которая связывает массу (m) и энергию (E) (а также скорость света c в квадрате) и позволяет предположить, что эти две величины могут трансформироваться друг в друга. В каком-то смысле массу можно представить как застывшую энергию. А поскольку квадрат скорости света – огромная величина, небольшая масса может конвертироваться в значительное количество энергии или, наоборот, большое количество энергии застывает в виде совсем небольшой массы.

Таким образом, закон сохранения энергии скорее сводится к закону сохранения энергии и массы: все количество энергии и вся масса во Вселенной – величина, постоянная во времени. Нигде эта идея не видна так явно и не является столь важной, как в субатомном мире, где E = mc² привело к открытию ядерного распада и высвобождению ядерной энергии. И именно E = mc² лежит в основе полувековой истории ускорителей, в которых потоки субатомных частиц сталкиваются с выделением еще большей энергии, создавая при этом новую материю – новые частицы. Однако есть определенные правила относительно того, какого рода частицы можно получать из такой энергии, и некоторые из них мы рассмотрим в следующем разделе.

Строительные блоки материи

С того самого момента, когда около 100 лет назад Эрнест Резерфорд с помощью Ханса Гейгера и Эрнеста Марсдена впервые заглянул внутрь атома, когда он направил альфа-частицы на лист золота и наблюдал, как одни проникают сквозь лист, а другие отскакивают, физики поглощены идеей проникнуть поглубже в субатомный мир. Они впервые открыли структуру самих атомов – электронных облаков, окружающих крошечное плотное ядро. Затем они заглянули внутрь ядра и выяснили, что оно состоит из более мелких строительных блоков, протонов и нейтронов. И наконец, нырнув еще глубже, они открыли элементарные частицы – кварки, скрытые внутри протонов и нейтронов. Чтобы вы представили себе соответствующий масштаб, скажу: если бы атом удалось увеличить до размеров дома, то размер кварка внутри протона или нейтрона был бы равен крупице соли. Напомню, что атомы и сами по себе чрезвычайно малы: в одном стакане воды помещается больше атомов, чем количество стаканов воды во всем Мировом океане.

В школе мы узнаем об электромагнитной силе, существующей в форме электрического или магнитного отталкивания и притяжения, однако эта сила играет еще большую роль на более мелком, атомном уровне. Атомы связываются в разных сочетаниях, образуя при этом простые молекулы или сложные вещества, а в конечном счете – все разнообразные материалы, которые мы видим вокруг нас. Но то, каким образом осуществляются эти связи, зависит от организации электронов вокруг ядер, что составляет самую суть химии, и эти комбинации атомов, составляющие наш материальный мир, практически полностью обусловлены электромагнитными силами вокруг электронов. По сути, электромагнитная сила наряду с силой притяжения прямо или косвенно порождает почти все явления, которые мы наблюдаем в природе. В микроскопическом масштабе материалы существуют за счет электромагнитных сил, возникающих между атомами. А вот в космическом масштабе материя существует за счет гравитации.

Внутри атомного ядра мир совершенно иной. Поскольку ядра состоят из двух видов частиц, положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов (которые совокупно называются нуклонами), электромагнитное отталкивание должно приводить к распаду ядра; сила притяжения в этом ничтожном масштабе слишком мала, чтобы на что-то влиять. И все же элементы ядра плотно связаны друг с другом. Это происходит благодаря еще одной силе, которая, подобно клею, связывает не только протоны с нейтронами, но и протоны с протонами, хотя положительные заряды отталкиваются друг от друга. Она называется сильным ядерным взаимодействием и больше всего проявляется при взаимодействии еще более мелких частиц протонов и нейронов – кварков, которые связаны друг с другом «переносчиками сильного взаимодействия» – глюонами. Таким образом, кварки связаны друг с другом посредством обмена глюонами, но они взаимодействуют с электронами и через электромагнитное взаимодействие (поскольку и те и другие обладают зарядом) путем обмена протонами.

Квантовые законы, от которых зависит структура, форма и размеры атомных ядер, очень сложны, и я не буду здесь о них рассказывать. Однако в конечном счете именно взаимодействие электромагнитных сил отталкивания между положительно заряженными протонами и сил притяжения между всеми нуклонами внутри ядра (которые отражают остаточное «сильное взаимодействие» – внутреннего «глюонного» притяжения между кварками внутри нуклонов) и обеспечивает стабильность ядер, а значит, атомов и окружающей нас материи, включая нас самих.

Есть еще одна сила природы (из известных) – четвертая и последняя, которая также в основном ограничена пределами атомного ядра. Ее называют просто «слабым ядерным взаимодействием», а возникает она вследствие обмена бозонами W и Z между определенными частицами (точно так же, как кварки обмениваются глюонами, а электроны – протонами). Подобно сильному ядерному взаимодействию, эта слабая сила действует на очень коротком расстоянии; мы не можем непосредственно наблюдать ее воздействие. Между тем физические процессы, запускаемые этой силой, нам хорошо известны, ибо она заставляет протоны и нейтроны превращаться друг в друга, что, в свою очередь, приводит к бета-излучению – испусканию заряженных частиц из ядра. Бета-частицы бывают двух типов – электроны и их партнеры в антиматерии, позитроны, которые являются теми же электронами, но с противоположным зарядом. Весь процесс достаточно прост: если в ядре наблюдается дисбаланс между количеством протонов и нейтронов, что приводит к его нестабильности, то некоторое количество протонов или нейтронов преобразуется в свою противоположность, восстанавливая этот баланс. В таком процессе создается или испускается либо электрон, либо позитрон (что обеспечивает сохранение электрического заряда). Таким образом, ядро, обладающее слишком большим количеством нейтронов, подвергается бета-распаду, при котором нейтрон превращается в протон с испусканием электрона, причем отрицательный заряд последнего уравновешивает положительный заряд вновь образованного протона (поскольку первоначально существовавший нейтрон заряда не имеет). И наоборот, избыток протонов заставляет один из них превратиться в нейтрон плюс позитрон, который уносит положительный заряд протона, тем самым стабилизируя ядра.

Каждый из протонов и нейтронов содержит по три кварка, которые бывают двух типов (или ароматов), известных под незамысловатыми названиями «верхний» и «нижний». Эти два аромата связаны с разными долями электрического заряда. Протон содержит два верхних кварка, каждый с положительным зарядом, равным двум третям отрицательного заряда электрона, и один нижний кварк с отрицательным зарядом, который составляет одну треть электронного. В сумме они составляют +1, что соответствует положительному заряду протона. С другой стороны, нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего, так что его заряд равен нулю.

В целом существует шесть различных ароматов кварков, и у каждого – своя масса. Подобно верхнему и нижнему кваркам, которые составляют атомное ядро, остальные четыре получили совершенно произвольные наименования «странный», «прелесть», «топ» и «ботом». Эти кварки тяжелее, чем верхний и нижний, но существуют только мгновения. Наконец, кроме электрического заряда, кварки обладают еще одним свойством, которое называется цветовым зарядом и связано с сильным ядерным взаимодействием, оно помогает объяснить то, как кварки взаимодействуют друг с другом[16]16
  Три кварка образуют нуклон, но они могут встречаться и парами (точнее говоря, кварк и антикварк), образуя новый класс частиц под названием «мезоны». Мы еще не знаем наверняка, могут ли кварки вступать в сочетания, образуя еще более экзотичные составные частицы – тетракварки, которые состояли бы из двух кварков и двух антикварков, или пентакварки из четырех кварков и одного антикварка.


[Закрыть].

Электроны принадлежат к другому классу частиц, под названием лептоны, и их тоже шесть видов. Наряду с электронами, известны еще мюоны и тау (недолговечные тяжелые «кузены» электронов) и три вида нейтрино (очень легкие, почти неуловимые частицы, образующиеся в процессе бета-распада). Лептоны не воспринимают сильного ядерного взаимодействия и не несут цветного заряда.

Теперь подытожим. Согласно современным воззрениям, стандартная модель физики частиц говорит нам, что существует два вида частиц: материальные (фермионы), которые включают в себя шесть ароматов кварков и шесть – лептонов, и частицы – переносчики силы (бозоны), которые включают в себя фотоны и глюоны, W и Z, и, конечно, бозон Хиггса, о котором мы поговорим позже.

Если все эти рассуждения звучат слишком сложно, то вам будет приятно услышать, что в большинстве жизненных ситуаций их можно не учитывать. Все, что вы видите, – вся материя, из которой состоит наш мир, включая наши тела, все, что мы видим в космосе, – Солнце, Луна и звезды – состоит из атомов, а атомы, в свою очередь, только из двух видов частиц – кварков и лептонов. На самом деле атомы состоят только из кварков двух видов (верхних и нижних) плюс один вид лептонов (электрон). Вот и все. Если иметь это в виду, то основные строительные блоки материи даже менее сложны, чем четыре стихии древних греков.