Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной - Леонард Сасскинд

Жизнь – это химический процесс. Что-то в природе атомов заставляет их собираться в самые причудливые конфигурации: гигантские молекулы жизни – ДНК, РНК, сотни белков и прочие. Хотя химия обычно рассматривается как отдельная научная дисциплина – она имеет собственные университетские факультеты и научные журналы, – на самом деле это раздел физики, который имеет дело с внешними атомными электронами. Эти валентные электроны, прыгая туда-сюда или обобществляясь между атомами, ответственны за удивительные способности атомов соединяться в разнообразные молекулы.

Как же получается, что Законы Физики позволяют таким потрясающе сложным структурам, как ДНК, существовать длительное время, не разрушаясь при столкновении друг с другом или под действием иных внешних воздействий? В какой-то степени это просто везение.

Как мы помним из первой главы, Законы Физики начинаются со списка элементарных частиц: электронов, кварков, фотонов, нейтрино и прочих, каждая из которых обладает индивидуальными свойствами, такими как масса или электрический заряд. Никто не знает, почему список элементарных частиц именно такой или почему частицы обладают именно такими свойствами. Возможно бесконечное количество других списков, но Вселенная, содержащая в себе живых существ, представляет собой совсем не то, что можно было бы ожидать от случайного набора частиц со случайными свойствами. Удаление любой частицы из списка (электрона, кварка или фотона) и даже незначительное изменение её свойств приведёт к невозможности существования обычной химии.

Это очевидно в отношении электронов и кварков, из которых состоят атомы и атомные ядра, но, возможно, не столь очевидно в отношении фотона. Фотоны – это крошечные «пули», из которых состоит свет. Разумеется, без них мы не могли бы видеть, но ведь остаются слух и обоняние, так что, возможно, фотон не так важен, как электрон или кварки? Это большая ошибка. Фотоны являются клеем, скрепляющим атомы вместе.

Что удерживает валентные электроны на своих орбитах? Почему они не улетают прочь, говоря «Адью!» протонам и нейтронам? Ответ: сила электрического притяжения между разноимённо заряженными электронами и атомными ядрами. Электрическое притяжение отличается от притяжения между мухой и липкой лентой. Муха может быть очень крепко приклеена к липкой ленте, но раз от неё оторвавшись, даже очень лёгкая муха немедленно освободится от ленты. Муха улетит прочь и, если только она не настолько глупа, чтобы вернуться обратно, она будет полностью свободна. На физическом жаргоне силы, удерживающие муху на липкой ленте, называются короткодействующими – они не простираются на большие расстояния.

Короткодействующие силы не играют роли в удерживании электронов около ядер. Атом похож на миниатюрную Солнечную систему, и все валентные электроны похожи на наиболее удалённые от Солнца планеты, это своеобразные атомные Нептуны и Плутоны. Только силы, способные действовать на больших расстояниях, могут удержать их от «отлёта» во «внешнее пространство».

Дальнодействующие силы, способные захватить частицу на большом расстоянии, являются редкостью. Из множества различных типов сил в природе только две являются дальнодействующими. С обеими этими силами мы хорошо знакомы, и лучше всего знакомы с гравитацией. Когда мы прыгаем вверх, земная гравитация тянет нас обратно. Она простирается на сотни миллионов километров, удерживая планеты на их орбитах вокруг Солнца, и на десятки тысяч световых лет, удерживая звёзды в галактиках. Именно сила такого типа необходима, чтобы удерживать в атоме внешние электроны. Разумеется, гравитация не годится на эту роль, потому что она слишком слаба, чтобы обеспечить устойчивость атома.

Вторым знакомым нам типом сил является сила притяжения между магнитом и железной скрепкой. Магниту не нужен непосредственный контакт со скрепкой, чтобы притянуть её. Сильный магнит притягивает скрепки даже на большом расстоянии, но на электроны в атоме действует кузина магнитной силы – дальнодействующая электрическая сила между заряженными частицами. Она похожа на силу гравитационного притяжения, но гораздо сильнее. Электрическое притяжение удерживает валентные электроны в атоме так же, как гравитация удерживает Плутон в Солнечной системе.

Как уже говорилось в главе 1, электрические силы между заряженными частицами переносятся фотонами, которыми частицы обмениваются между собой.[59] Сверхлёгкие фотоны (вспомните, что у них нет массы) способны перепрыгивать на большие расстояния, создавая дальнодействующие силы, привязывающие далёкие валентные электроны к ядру. Удалите фотон из списка частиц, и у вас не останется ничего, что удержало бы атом от распада.

Фотон – частица исключительная. Это единственная элементарная частица, помимо гравитона, не имеющая массы. Что бы произошло, если бы фотон не обладал такой исключительностью и имел массу? Теория Фейнмана говорит нам, как вычислить силу взаимодействия в случае, когда прыжки между ядрами и электронами совершают гипотетические массивные фотоны. Одним из следствий будет невозможность для тяжёлого фотона совершать далёкие прыжки. Даже если масса фотона будет составлять ничтожную часть от массы электрона, электрическое взаимодействие станет короткодействующим и не удержит далёкие валентные электроны.

Дальнодействие электрических сил не единственный фактор, важный для стабильности атомов. Сила взаимодействия также критична. Сила, удерживающая электрон в атоме, не очень велика по нашим повседневным стандартам. Она исчисляется миллиардными долями килограмм-силы. Что же определяет силу электрического взаимодействия между заряженными частицами? И снова теория Фейнмана даёт нам ответ. Ещё один, помимо частиц, компонент фейнмановских диаграмм – вершинная диаграмма. Вспомним, что каждая вершинная диаграмма имеет числовое значение – константу связи, – и для процесса испускания и поглощения фотона такой константой связи является постоянная тонкой структуры α, равная приблизительно 1/137. Малость α является математическим обоснованием того, почему электрическое взаимодействие слабее своего ядерного коллеги.

Что бы произошло, если бы постоянная тонкой структуры превышала, скажем, единицу? Это привело бы сразу к нескольким катастрофам, одной из которых стала бы гибель атомных ядер. Ядерные силы, удерживающие нуклоны (протоны и нейтроны) вместе, похожи на силу, действующую на муху со стороны липкой ленты, – они сильные и короткодействующие. Само ядро похоже на липкий шар для мух. Каждый нуклон «приклеен» к своим ближайшим соседям, но если он сумеет «отклеиться», то свободно улетит прочь.

Ядерным силам противодействует электрическая сила отталкивания. Протоны имеют положительный электрический заряд и отталкиваются друг от друга, притягивая отрицательно заряженные электроны. Нейтроны электрически нейтральны и не играют роли в балансе электрических сил. Если ядро содержит около 100 протонов, то их суммарной силы электрического отталкивания достаточно, чтобы разорвать ядро на части.