Вселенная. Руководство по эксплуатации - Дэйв Голдберг

Лишь в 1964 году, когда Мюррей Гелл-Манн выдвинул идею кварка, стало ясно, что каоны распадаются на антистранный кварк и либо u-кварк, либо d-кварк. Странные кварки отличаются от прочих тем, что мы их открыли, еще не догадываясь, что они есть.

Это частицы-переносчики, лишенные массы, — носители трех из фундаментальных сил. Немного странно вписывать сюда дату открытия фотона — мы «наблюдаем» его постоянно. Однако интерпретация фотоэффекта, которую сделал Эйнштейн в 1905 году, — это момент, когда мы впервые поняли, что свет переносят частицы. Глюоны были обнаружены лишь около 30 лет назад.

Гравитоны, переносчики гравитационного поля, не только не обнаружены, но, согласно общей теории относительности, не очень-то и нужны. Однако есть веские причины предполагать, что гравитация должна быть похожа на остальные фундаментальные силы, а значит, у нее должен быть переносчик.

Эти пухленькие частицы отвечают за перенос слабого взаимодействия. Обратите внимание, что они очень похожи друг на друга, если не считать надписей на шляпах. Это не случайность. На самом деле W+ и W- такие близкие родственники, что являются друг для друга античастицами. Один из величайших триумфов теоретической физики XX века — вычисление отношения масс Z/W, примерно 1,13. Это предсказание было сделано на основе модели Хиггса, а затем подтвердилось экспериментально с поразительной точностью.

Частица Хиггса. Она лишена заряда, но не обаяния. Это единственная частица в стандартной модели, которую еще не открыли, поэтому мы не знаем, какой именно массой она обладает. Скорее всего, это от 120 до 200 масс протона. Поскольку он вступает в сильное взаимодействие с массивными частицами, у него складываются запутанные и сложные отношения с t-кварком.

Глава 5. МОЖНО ЛИ ПОСТРОИТЬ МАШИНУ ВРЕМЕНИ?

Хотелось ли вам когда-нибудь покататься на динозавре? Попить чайку с королевой Викторией? Произвести сенсацию на фьючерсных торгах? А может быть, вы робот-убийца и у вас руки чешутся не допустить рождения одного-единственного супергероя, который способен остановить восстание роботов? Для всего этого вам понадобится машина времени, а они по дешевке не продаются. С нашей точки зрения, проще смастерить такую машину своими руками, и лично мы вам мешать не будем, но ваше семейство, надо полагать, в восторг не придет. Родственники сразу скажут вам, что ничего у вас не выйдет. Не исключено, что они сочтут вас чокнутым.

Но разве создать машину времени в принципе невозможно? И что такого плохого в том, чтобы быть чокнутым?

В мире есть вещи похуже умопомешательства, особенно если ты ученый и вообще профессор. Обычные профессора могут переключать напряжение с помощью катодного осциллографа, а чокнутый профессор — останавливать время ледяным лучом. Кругом полно героев, которым нужно ставить палки в колеса, и очаровательных подружек супергероев, которых так удобно похищать. Если бы мы снова поступали в университет, то, пожалуй, предпочли бы чокнутую науку обычной.

Рядовым примером чокнутой технологии на уровне научной фантастики можно считать телепортацию. Как мы уже видели в главе 2, эта популярнейшая техническая новинка из комиксов уже в нашем распоряжении. К несчастью, пока что мы способны телепортировать атомы по одному, так что, честно говоря, легче их, негодников, просто переносить вручную.

Главное, хотя технические новинки из комиксов и научной фантастики не обязательно противоречат научным данным, они чаще всего не стоят затраченных усилий. Вероятно, именно поэтому, в частности, у чокнутых профессоров столько неприятностей. Вероятно, дело еще и в том, что большинство их хитроумных приспособлений нарушают очень важные законы — и не только те, которые защищают супергерои, вертящиеся под ногами дети и их верный пес.

I. Можно ли построить вечный двигатель?

Рассмотрим старый добрый классический вечный двигатель. Это изобретение чокнутой науки представляет собой устройство, которое не растрачивает энергию, не изнашивается и работает вечно[77].

Лучшие из них делают следующий шаг и неустанно вырабатывают энергию — видимо, из ничего.

Редколлегии журналов обожают получать статьи о вечных двигателях, поскольку рецензии на них пишутся на полном автопилоте. «А вот и нет, а вот и нет, — говорят рецензенты, — по закону сохранения энергии[78] из ничего не получится ничего!»

Положим, иногда они пересказывают закон сохранения энергий своими словами, но по сути они правы: локально невозможно ни создавать, ни уничтожать энергию, а энергия в замкнутой системе может преобразовываться (например, в массу и из массы), но общая сумма должна оставаться постоянной.

Не исключено, что чокнутые профессора, мечтающие о вечном движении или генераторах энергии, — поголовно идиоты. В конце концов, человек, рассказывающий о своих планах завоевать мировое господство не просто первому встречному, а именно тому, кто способен эти планы расстроить, вполне способен и проворонить всякие мелочи вроде закона сохранения энергии. Но ведь, с другой стороны, не исключено, что чокнутый профессор обнаружит лазейку в законах, красной нитью проходящих по самой ткани пространства и времени.

Иногда чокнутого профессора и не отличишь от обычного ученого. Чтобы окончательно прояснить, что именно мы пытаемся доказать, упомянем о том, как Ричард Фейнман, который тогда работал в Калифорнийском технологическом институте, придумал очень хитроумный вечный двигатель — но с преднамеренным изъяном. Хотите, расскажем, как он был устроен? Конечно, хотите. Продемонстрировать его помогут наши славные ассистенты: позвольте представить вам парочку архизлодеев, у которых отрицательная научная харизма прямо-таки лезет из ушей, — доктора Дейва и его подельника Робо-Джеффа.

1. Доктор Дейв берет лазер и направляет его на вершину утеса, где ждет Робо-Джефф с параболической тарелкой в руках.

2. Собрав луч, Робо-Джефф превращает его свет в массу (детали опустим) при помощи великого уравнения Эйнштейна: Е = mc2.

3. Робо-Джефф роняет массу с утеса. Как вы знаете, когда вы что-то роняете, то оно набирает энергию.

4. Вуаля! Когда масса долетает до низа, энергии в системе больше, чем в начале. Некоторым количеством энергии злодеи заряжают лазер, а остальную используют на что-нибудь полезное — например, заряжают лазер побольше.

Беда только в том, что такой вечный двигатель не работает, и Фейнман знал об этом с самого начала.

Нет, мы не придумали способ нарушить первый закон термодинамики, а всего лишь показали всем этим устройством, что если свет исходит от источника гравитации, он должен потерять энергию. Если направить лазерный луч снизу вверх, на утес, энергия луча наверху будет меньше, чем внизу. С другой стороны, если свет падает к Земле, то набирает энергию. Это не просто произвольная спекуляция. В 1959 году Роберт Паунд и Джордж Ребка, которые тогда работали в Гарварде, сумели измерить потерю энергии фотонов, когда фотоны летели вверх вдоль стены лаборатории Джефферсона в Гарварде — всего в 22,5 метра высотой.

Измерить эту потерю непросто. В ходе эксперимента Паунда-Ребки фотоны потеряли всего одну квадрильонную своей начальной энергии. Даже если бы мы направили лазерный луч на утес, уходивший в глубокий космос, мы бы потеряли лишь одну миллиардную его энергии. Неудивительно, что в обыденной жизни подобные явления не бросаются нам в глаза. Если бы гравитация была сильнее, она бы проявлялась гораздо заметнее, а измерить ее было бы проще.

Великолепным примером маленьких тугих тючков с гравитацией служат белые карлики. Белые карлики обладают массой примерно в миллион раз больше массы Земли, хотя размера они сравнимого, поэтому и гравитация там примерно в миллион раз сильнее. Если бы вы находились на белом карлике, то весили бы в миллион раз больше, и если бы мы были хуже воспитаны, то донимали бы вас сальными шуточками.

Но во Вселенной есть места и с более суровыми условиями, чем белые карлики. Представьте себе, что мы стоим на поверхности крайне массивной планеты, где гравитация крайне сильна, и направляем в воздух лазерный луч. Чем выше взлетает фотон, тем больше энергии он теряет.

Теперь представьте себе, что эта планета еще и крайне компактна. В таком случае свет потеряет столько энергии, что обратится вспять и вернется на поверхность планеты. Или не вернется? Если планета и правда такая плотная, что свет не может с нее выбраться, то он, прежде всего, и вверх не поднимется. Это вроде малыша, который пытается идти вверх по эскалатору, едущему вниз. Ах, лапочка, он так старается, но неминуемо спускается все ниже и ниже. Вообще-то у такой планеты и поверхности толком не будет. Она тоже схлопнется под воздействием чудовищной гравитации, и вся планета тоже схлопнется в одну точку — в сингулярность.