Космический ландшафт - Леонард Сасскинд

Дальнодействующие силы, способные захватить частицу на большом расстоянии, являются редкостью. Из множества различных типов сил в природе только две являются дальнодействующими. С обеими этими силами мы хорошо знакомы, и лучше всего знакомы с гравитацией. Когда мы прыгаем вверх, земная гравитация тянет нас обратно. Она простирается на сотни миллионов километров, удерживая планеты на их орбитах вокруг Солнца, и на десятки тысяч световых лет, удерживая звёзды в галактиках. Именно сила такого типа необходима, чтобы удерживать в атоме внешние электроны. Разумеется, гравитация не годится на эту роль, потому что она слишком слаба, чтобы обеспечить устойчивость атома.

Вторым знакомым нам типом сил является сила притяжения между магнитом и железной скрепкой. Магниту не нужен непосредственный контакт со скрепкой, чтобы притянуть её. Сильный магнит притягивает скрепки даже на большом расстоянии, но на электроны в атоме действует кузина магнитной силы – дальнодействующая электрическая сила между заряженными частицами. Она похожа на силу гравитационного притяжения, но гораздо сильнее. Электрическое притяжение удерживает валентные электроны в атоме так же, как гравитация удерживает Плутон в Солнечной системе.

Как уже говорилось в главе 1, электрические силы между заряженными частицами переносятся фотонами, которыми частицы обмениваются между собой.[59] Сверхлёгкие фотоны (вспомните, что у них нет массы) способны перепрыгивать на большие расстояния, создавая дальнодействующие силы, привязывающие далёкие валентные электроны к ядру. Удалите фотон из списка частиц, и у вас не останется ничего, что удержало бы атом от распада.

Фотон – частица исключительная. Это единственная элементарная частица, помимо гравитона, не имеющая массы. Что бы произошло, если бы фотон не обладал такой исключительностью и имел массу? Теория Фейнмана говорит нам, как вычислить силу взаимодействия в случае, когда прыжки между ядрами и электронами совершают гипотетические массивные фотоны. Одним из следствий будет невозможность для тяжёлого фотона совершать далёкие прыжки. Даже если масса фотона будет составлять ничтожную часть от массы электрона, электрическое взаимодействие станет короткодействующим и не удержит далёкие валентные электроны.

Дальнодействие электрических сил не единственный фактор, важный для стабильности атомов. Сила взаимодействия также критична. Сила, удерживающая электрон в атоме, не очень велика по нашим повседневным стандартам. Она исчисляется миллиардными долями килограмм-силы. Что же определяет силу электрического взаимодействия между заряженными частицами? И снова теория Фейнмана даёт нам ответ. Ещё один, помимо частиц, компонент фейнмановских диаграмм – вершинная диаграмма. Вспомним, что каждая вершинная диаграмма имеет числовое значение – константу связи, – и для процесса испускания и поглощения фотона такой константой связи является постоянная тонкой структуры α, равная приблизительно 1/137. Малость α является математическим обоснованием того, почему электрическое взаимодействие слабее своего ядерного коллеги.

Что бы произошло, если бы постоянная тонкой структуры превышала, скажем, единицу? Это привело бы сразу к нескольким катастрофам, одной из которых стала бы гибель атомных ядер. Ядерные силы, удерживающие нуклоны (протоны и нейтроны) вместе, похожи на силу, действующую на муху со стороны липкой ленты, – они сильные и короткодействующие. Само ядро похоже на липкий шар для мух. Каждый нуклон «приклеен» к своим ближайшим соседям, но если он сумеет «отклеиться», то свободно улетит прочь.

Ядерным силам противодействует электрическая сила отталкивания. Протоны имеют положительный электрический заряд и отталкиваются друг от друга, притягивая отрицательно заряженные электроны. Нейтроны электрически нейтральны и не играют роли в балансе электрических сил. Если ядро содержит около 100 протонов, то их суммарной силы электрического отталкивания достаточно, чтобы разорвать ядро на части.

Что произойдёт, если электрические силы станут такими же сильными, как и ядерные? Очевидно, что все составные ядра станут нестабильными, поэтому электрические силы должны быть слабее ядерных, чтобы по крайней мере ядра углерода и кислорода были стабильными. Почему же постоянная тонкой структуры мала?

Этого не знает никто, но если бы она была больше, то некому было бы задавать этот вопрос.

Протоны и нейтроны больше не считаются элементарными частицами. Каждый из них состоит из трёх кварков. Существуют несколько различных типов кварков: u-кварк, d-кварк, s-кварк, c-кварк, b-кварк и t-кварк. Имена у них малозначащие,[60] но различия между типами кварков очень важны. Если пробежаться по списку масс элементарных частиц, приведённому в главе 3, то можно обнаружить, что массы кварков варьируются в очень широких пределах: от порядка 10 масс электрона для u-кварка до 344 000 масс электрона для t-кварка. Долгое время физики ломали голову, почему t-кварк такой тяжёлый, но недавно пришли к пониманию, что это не t-кварк аномально тяжёлый, а u-кварк и d-кварк абсурдно лёгкие, и тот факт, что они в 20 000 раз легче, чем такие частицы, как Z-бозон и W-бозон, нуждается в объяснении. Стандартная модель такого объяснения предоставить не может.

Таким образом, мы можем задаться вопросом, на что был бы похож наш мир, если бы u-кварк и d-кварк были гораздо тяжелее. И опять ответом будет катастрофа. Протон и нейтрон состоят из u– и d-кварков (частицы, состоящие из s-, c-, b– и t-кварков, не играют никакой роли в обычной физике и химии и представляют интерес исключительно для специалистов в области высокоэнергетической физики). Согласно кварковой теории протонов и нейтронов, ядерные силы (силы, действующие между нуклонами) можно описать при помощи обмена кварками.[61] Если кварки утяжелить, нуклонам будет труднее ими обмениваться, и ядерные силы практически исчезнут. Без сил, склеивающих нуклоны вместе, не будет атомных ядер, не будет тяжёлых элементов, соответственно не будет атомов и, как следствие, не будет химии и нас с вами. Нам в очередной раз повезло.

Вспомним теперь, что в терминах Ландшафта наша Вселенная лежит в долине, все свойства которой удивительно хорошо подогнаны для возможности нашего существования. Но средний стандартный регион Ландшафта может сильно отличаться от нашей долины. Постоянная тонкой структуры там запросто может быть больше, чем у нас, фотоны – обладать массой, кварки – быть тяжелее, и более того, электроны, фотоны или кварки могут и вовсе отсутствовать в списке элементарных частиц. Любое из этих отличий сделает наше существование невозможным.

Даже если все стандартные частицы будут присутствовать в списке, иметь «правильные» массы и взаимодействовать с «правильными» силами, этого недостаточно для существования обычной химии. Необходимо ещё, чтобы электроны были фермионами. Следствием из того факта, что электроны являются фермионами, является невозможность нахождения в одном и том же квантовом состоянии более одного электрона – свойство, необходимое для существования химии. Если на электроны не будет действовать принцип запрета Паули, то все электроны в атоме «свалятся» на самую нижнюю орбиту, откуда их будет крайне тяжело выбить. Та химия, которая царит в нашем мире, полностью определяется принципом запрета Паули. Если электроны вдруг неожиданно станут бозонами, жизнь, основанная на химических соединениях углерода, станет невозможной. Как вы видите, мир, в котором возможна известная нам химия, далеко не универсальное явление.

Физики часто используют слова в ином смысле, нежели принято в обычной жизни. Когда мы говорим, что что-то существует, мы обычно подразумеваем, что это что-то может быть обнаружено где-то во Вселенной. Например, если я скажу, что существуют чёрные дыры, вы можете спросить: «Где можно найти хотя бы одну из них?» Чёрные дыры существуют в обычном смысле: это реальные астрономические объекты, которые находятся, например, в центрах галактик. Но предположим, я сообщаю вам о существовании миниатюрных чёрных дыр размером не больше пылинки. Вы снова можете задать резонный вопрос: «Где они находятся?» На этот раз я мог бы ответить, что я не знаю ни одной такой чёрной дыры. «Стоп! – воскликнете вы. – Кончайте вешать мне лапшу на уши! Вы же только что заявили, что они существуют!»

Когда физики (особенно теоретики) говорят, что что-то существует, они имеют в виду положительный ответ на вопрос, может ли это что-то теоретически существовать. Другими словами, в их понимании этот объект существует в виде решения уравнений в их теории. Согласно этому критерию, существуют идеальные бриллианты размером в несколько сотен километров. Точно так же существуют и планеты, состоящие из чистого золота. Они могут или не могут быть реально обнаружены, но их существование разрешено законами физики.