Охота за кварками - Чирков Юрий Георгиевич

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 h есть 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 е или, 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 10-28 грамма. 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.