О времени, пространстве и других вещах. От египетских календарей до квантовой физики

Представьте себе, что Земля представляет собой скопление одних только позитронов, а Солнце — электронов. Сила притяжения между ними тогда была бы намного больше, чем слабая гравитация, удерживающая их на своих местах сейчас. В действительности, чтобы уменьшить электромагнитное притяжение до величины существующей в настоящее время гравитационной силы, Земле и Солнцу пришлось бы «отодвинуться» друг от друга приблизительно на 33 000 000 000 000 000 световых лет, то есть на расстояние в 5 миллионов раз большее, чем диаметр известной Вселенной.

Или представьте себе на месте Солнца миллион тонн электронов (примерно такова масса очень небольшого астероида). А вместо Земли вообразите 3¹/₃ тонн позитронов.

Электромагнитное притяжение между этими двумя незначительными массами, разделенными расстоянием от Земли до Солнца, будет равно гравитационному притяжению между гигантскими массами этих небесных тел сейчас.

В действительности, если бы можно было разбросать по Солнцу миллион тонн электронов, а по Земле 3¹/₃ тонн позитронов, это удвоило бы притяжение Земли Солнцем и значительно изменило ее орбиту. Если же на оба небесных тела поместить электроны, сила электромагнитного отталкивания легко преодолеет силу гравитационного притяжения, и Земля отправится в путешествие из Солнечной системы в неизведанное.

Конечно, все это лишь расчеты на бумаге. Сам факт, что электромагнитные силы так велики, означает, что невозможно собрать сколько-то существенное количество одинаково заряженных частиц в одном месте. Они будут отталкивать друг друга слишком сильно.

Представьте, что вы разделили Солнце на небольшие шарики и рассыпали их по Солнечной системе. Смогли бы вы с помощью какого-то прибора, созданного руками человека, удержать эти шарики от приближения друг к другу под действием гравитации? Эта задача не сложнее, чем попытка раздобыть миллион тонн электронов и собрать из них некое тело размером с футбольный мяч.

Аналогичная проблема — попытка отделить изрядный положительный заряд от такого же отрицательного.

Если бы Вселенная состояла из электронов и позитронов, они непременно собрались бы вместе под действием электромагнитного притяжения. Являясь античастицами, то есть полными взаимными противоположностями, они соединились бы, аннулировали друг друга и отправились в путь в космической вспышке гамма-лучей.

К счастью, Вселенная состоит из электронов и протонов, которые являются основными заряженными частицами. И хотя их заряды являются взаимными противоположностями (-1 у электронов, +1 у протонов), остальные их характеристики, в том числе масса, существенно разнятся. Поэтому они не являются античастицами и не могут уничтожить друг друга.

Но благодаря зарядам противоположных знаков они взаимно притягиваются, и этот факт невозможно опровергнуть. Электрон и протон приближаются друг к другу, оставляя между собой небольшое расстояние, и образуют атом водорода.

Отдельные протоны могут приблизиться друг к другу вплотную, несмотря на существование электромагнитного отталкивания, потому что существует короткодействующая сила взаимодействия внутри ядра, которая притягивает соседние протоны друг к другу, легко преодолевая силу электромагнитного отталкивания. Поэтому существуют и другие атомы, отличные от атома водорода.

Подведем краткие итоги: ядерные силы имеют преобладающее влияние в атомном ядре, электромагнитные силы — в атоме, а гравитационная сила определяет положение крупных астрономических объектов.

Слабость гравитационной силы неизменно является источником разочарования для физиков.

Различные силы проявляются посредством переноса частиц. Ядерная сила, самая мощная из всех существующих в природе, проявляется переносом пи-мезонов. Электромагнитная сила (следующая по величине) — переносом фотонов. Аналогичная частица, участвующая в слабых взаимодействиях, была открыта сравнительно недавно, названа w-частицей и пока считается неустойчивой.

Поскольку гравитация тоже является силой, то при ее проявлениях также должен происходить перенос частиц.

Физики назвали такую частицу гравитон. Они даже описали ее свойства: гравитон электрически нейтрален и не имеет массы (не обладая массой, он должен двигаться с неизменной скоростью — скоростью света). Он стабилен и, будучи предоставлен сам себе, не распадется на другие частицы.

Заметили? Пока гравитон очень напоминает нейтрино (см. главу 13 моей книги «Взгляд с высоты»), которое также стабильно, электрически нейтрально, не имеет массы и движется со скоростью света.

Однако гравитон и нейтрино все же имеют некоторые различия. Нейтрино бывают двух видов: электронные нейтрино и мю-мезонные нейтрино, причем оба имеют свою античастицу. То есть существует четыре вида нейтрино. Гравитон только один и является одновременно своей же античастицей.

Гравитон имеет спин 2, а нейтрино, как и подавляющее большинство субатомных частиц, имеет спин ¹/₂. (Еще существуют некоторые мезоны со спином 0, а также фотон, имеющий спин 1.)