Вселенная. Руководство по эксплуатации - Бломквист Джефф

Вы были бы вправе обвинить нас в недобросовестности, если бы мы не рассказали вам о некоей загадке, таящейся в нашей таблице. Вы заметили, что u-кварк обладает массой примерно в 0,4% массы протона. Это несколько странно, поскольку протон делают из двух u-кварков и одного d-кварка, а значит, заметите вы, все кварки вместе составляют еле-еле 1-2% массы протона. Откуда же берется вся остальная масса?

Вся остальная масса берется из энергии. Кварки, как и глюоны, летают очень быстро и взаимодействуют очень сильно, и подобно тому, как массу можно превратить в энергию, энергию можно превратить в массу. Если вам показалось странным, что поле Хиггса способно «создавать» массу, считайте это всего лишь очередным случаем, когда Е = mс2 применяется в обратную сторону.

Это отрицательно заряженные кварки. Самый странный из них — странный кварк. Когда в 1947 году были открыты частицы под названием каоны» сначала показалось, что они совершенно бессмысленны. Они распадались на частицы вроде антимюо- нов и нейтрино, но были настолько массивны (около половины массы протона), что не согласовывались ни с одной из известных на то время частиц.

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.

И наш герой: 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.

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.

Рассмотрим старый добрый классический вечный двигатель. Это изобретение чокнутой науки представляет собой устройство, которое не растрачивает энергию, не изнашивается и работает вечно[69]. 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[70] из ничего не получится ничего!» Положим, иногда они пересказывают закон сохранения энергии 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 верный 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 = mс2 .

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.