ВЕЛИКИЙ ВСЕЛЕНСКИЙ КАТАЛОГ. РАЗМЕРЫ ВСЕГО
– К вашему сведению, дорогой профессор, мой следующий эксперимент будет иметь историческое значение. Я намерена доказать, что у нейтрино есть масса.
– У нейтрино бывают мессы? – продолжал валять дурака Лэнгдон. – А я и понятия не имел, что они католики!
Дэн Браун. Ангелы и демоны
Предположим, вы решили найти массы и размеры всех разнообразных тел, которые встречаются во Вселенной, – звезд, планет, атомов, молекул, комет, астероидов, людей и так далее. Нанесите значения на график, на котором соотносятся массы и размеры. Как он будет выглядеть? На первый взгляд, можно предположить, что значения будут в полном беспорядке рассыпаны по графику и займут все доступное пространство. Но по мере выстраивания картинки обнаруживаются удивительные закономерности. Распределение точек уж точно не случайное. Огромные пространства схемы совершенно пусты, а большинство точек образует узкую полосу, пересекающую схему по диагонали.
Эта замечательная схема помогает нам приблизительно понять Вселенную, начертив всего три прямые линии. Первая линия указывает, где на схеме находятся черные дыры и, следовательно, в каких областях заключены явления, происходящие внутри черных дыр и абсолютно недоступные для наблюдения.
Как говорилось в главе «Гравитационная анонимность. Безволосые черные дыры», , черные дыры – это такие регионы Вселенной, в которых огромная масса материала сжата в таком небольшом пространстве, что ни один элемент этой материи не может преодолеть собственного гравитационного притяжения, после того как попадает за критический горизонт событий, имеющий сферическую форму. Радиус такой сферической области невозврата R равен 2GM с2, где G – это гравитационная постоянная Ньютона, М- масса, заключенная в сфере с радиусом R, а с – скорость света. Это необычное отношение, так как оно описывает области, размер которых прямо пропорционален массе, в то время как у обычных твердых тел масса прямо пропорциональна кубу размера. На приведенной ниже схеме показана линия черных дыр. Очень большая область в верхней левой части схемы пустует, так как она описывает объекты, удовлетворяющие неравенству R < 2GM с2, а эти объекты находятся внутри черных дыр, и, следовательно, мы не можем их наблюдать.
Все тела и предметы, окружающие нас и лежащие у нас под ногами, состоят из атомов различных видов. Это касается и арахиса, и планет, и астероидов. Все эти твердые тела обладают немного разным материальным составом, но в приблизительном смысле все это – тела, состоящие из похожих атомных решеток. Этот факт позволяет нам оценивать плотность любых тел, поскольку атомы в них прижаты друг к другу и плотность любого твердого тела в среднем практически равна средней плотности слагающих его атомов. Эта плотность зависит от конкретного атома и совсем незначительно варьируется у различных веществ – воды, камня или металла. Ведь плотность определяется универсальными естественными константами: массами электрона и протона, электрическим зарядом отдельного электрона, скоростью света и квантовой постоянной Планка.
Оказывается, что, поскольку плотность твердых тел, состоящих из атомов, константна и определяется как масса, деленная на объем, а объемы тел пропорциональны кубу их размера, R, массы практически точно соответствуют кубу размеров. На нашей иллюстрации мы начертили эту линию постоянной атомной плотности. Она проходит точно через основную полосу наблюдаемых объектов, от отдельных атомов и до самых звезд, чья средняя плотность также определяется плотностью атомов.
Чтобы закончить эту историю, остается добавить еще одну линию. Если мы перенесемся в микромир, где определяющее влияние на структуру материи оказывают квантовые эффекты, то начнем ощущать влияние волновых свойств, которыми обладают все частицы. Волны, соответствующие частицам, скорее напоминают всплеск в том смысле, в каком мы говорим «всплеск преступности» или «всплеск истерии», а не обычные волны на воде. Можно сказать, что это волны информации. Если электронная волна проходит через наш детектор, то мы скорее обнаружим частицу, которую называем электроном. Длина такой волны обратно пропорциональна массе объекта, поэтому для крупных объектов, таких как мы с вами, длина волны оказывается совсем крошечной, несравнимо меньше нашего тела. Поэтому в обыденной жизни нашими квантовыми свойствами можно пренебречь. Но когда длина квантовой волны оказывается больше, чем физические габариты тела, то поведение этого объекта подчиняется преимущественно квантовым законам. Одно из следствий подобной ситуации заключается в том, что мы не можем определить скорость и положение такого объекта одновременно и с неограниченной точностью. Всегда остается некоторая неопределенность, пропорциональная квантовой постоянной Планка. Принцип неопределенности, впервые сформулированный Вернером Гейзенбергом, утверждает, что произведение массы и размера наблюдаемых малых объектов всегда должно превышать эту постоянную. Данное ограничение – это третья «квантовая» граница на нашей диаграмме. Если бы мы попытались увидеть любую частицу, которая находится в пустой области в левой нижней части схемы, то сам факт такого наблюдения привел бы к переходу этой частицы вправо, через «квантовую» границу.
Как видим, распределение практически всех видимых тел во Вселенной определяется тремя линиями. Исключениями являются галактики, находящиеся в верхней правой части схемы. Галактики – это не твердые объекты, а множества вращающихся звезд, где сила, необходимая для вращения по окружности, обеспечивается гравитацией. И все же они очень близки к продолжению линии, соединяющей планеты и звезды. Наконец остаются еще два объекта – ядро атома и нейтронная звезда, – которые также не лежат на линии постоянной атомной плотности. Если провести линию от атома ядра к нейтронным звездам и образующимся из них пульсарам, то эта новая линия будет параллельна линии атомной плотности. Нейтронные звезды обладают такой же плотностью, как и ядра атомов. Они напоминают огромные свалки нейтронов, скопившихся вместе, так что их общая плотность практически равна плотности отдельного нейтрона или атомного ядра – в 100 000 000 раз больше, чем наша с вами атомная плотность. Итак, новая линия также соответствует постоянной плотности, определяемой естественными константами, но на этот раз речь идет о ядерной плотности, а не об атомной.
Наконец необходимо отметить еще один любопытный факт. Наша Вселенная имеет три пространственных измерения. Предположим, что их было бы больше – четыре, пять, шесть… – сколько хотите, каким тогда был бы наш размер по сравнению с картиной масс всех предметов? Ответ удивителен. В мире вообще не было бы привычных нам вещей: атомов, молекул, планет, звезд, галактик. Лишь в трехмерном мире силы природы могут связывать материю в какие-либо структуры. Поэтому неудивительно, что мы живем именно в трехмерном мире – в любом другом мы просто не могли бы существовать.