Охота за кварками

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.

Возьмем теперь крошку электрон и лишь слегка увеличим его массу. Казалось бы, пустяк. Но вновь от этого малого «толчка» возникнут страшные последствия — наша Вселенная, утверждают физики, превратится в… нейтронную Вселенную!

Дело в том, что существование галактики, звезд, планет зависит от стабильности атомов водорода, состоящих из одного протона и одного электрона. И если увеличить массу электрона в 2,5 раза, то все атомы водорода будут коллапсировать по схеме: р + е-KI+V. Выражаясь простыми словами, все протоны и электроны, слившись, превратятся в нейтроны и нейтрино. Возникает нейтронная Вселенная. И наш мир, сжимаясь, превратится либо в нейтронную звезду, либо в «черную дыру».

Подобная «игра» с массами электрона, протона и нейтрона может привести и к другим вариантам: водородной Вселенной (в ней элементы с атомными весами, больше единицы будут отсутствовать, и останется только водород!), лептонной Вселенной (все протоны в конце концов превратятся в лептоны, то есть в электроны и нейтрино, для чего необходимо лишь несколько изменить силу электромагнитного взаимодействия), гелиевой Вселенной (если несколько увеличить ядерные силы, то можно все протоны превратить в атомы гелия)…

И последний пример. Попробуем изменить заряд электрона. Если его увеличивать, то притяжение к находящимся в атомном ядре протонам погубит все тяжелые (с большими атомными весами) элементы (конечно, мир в целом должен остаться электронейтральным, поэтому необходимо увеличить и заряды протонов). А увеличив заряд электрона в 12 раз, можно извести таким «приемом» все сорта атомов, включая и атом водорода!..

Столь же неожиданная ситуация возникнет, если уменьшать заряд электрона. Силы, притягивающие протоны и электроны в любом атоме, при этом уменьшатся, атомы станут более рыхлыми, увеличатся их размеры.

Трехкратного уменьшения заряда электрона достаточно, чтобы все вещество Земли превратилось в плазму. И не останется на ней ни растений, ни животных, ни людей.

Странным, непредсказуемым станет мир. Кристаллическая структура скал начнет разрушаться даже от легкого дуновения ветерка. Падение камня с горы порвало бы и связи молекул — в веществе пошли бы неконтролируемые химические реакции…

Подобные умозрительно-физические упражнения можно продолжать и дальше. Многие примеры заимствованы нами из вышедшей в 1984 году книги И. Розенталя «Элементарные частицы и структура Вселенной». Читатель найдет в ней не только многочисленные ответы на древний вопрос: «Как устроен мир?», но и на тот, который люди осмелились задавать себе лишь недавно: «Почему мир устроен так, а не иначе?»

Итак выясняется, что семерка мировых чисел подогнана друг к другу настолько тщательно (современный теолог мог бы утверждать, что господь-бог творил не небо, землю, свет… а скрупулезно подбирал фундаментальные постоянные!), что даже небольшое изменение мировых констант способно вызвать катастрофические последствия. Так что мы живем в мире, «сработанном» исключительно тонко и гармонично.

Впрочем (о, диалектика!), о какой гармонии мира может идти речь, когда структура нашей Вселенной оказалась столь неустойчивой! Ведь мы только что убедились, что даже небольшое изменение фундаментальных постоянных кардинально ломает привычную картину мира.