Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную

Подобные закономерности должны быть справедливы и для других миров. Например, физик Эдвин Солпитер вместе с Карлом Саганом размышляли о сложной экологии гипотетических шарообразных существ, которые могли бы выжить в плотной атмосфере Юпитера. У каждого нового поколения возникала бы одна и та же проблема гонки со временем: они должны вырасти достаточно большими, чтобы достичь нулевой плавучести, до того как притяжение расплющит их в темных глубинных слоях с высоким давлением.

ЗНАЧЕНИЕ ЧИСЛА N И ПОЧЕМУ ОНО ТАК ВЕЛИКО

Несмотря на всю свою важность для нас, нашей биосферы и космоса, тяготение на самом деле является удивительно слабым по сравнению с другими силами, которые действуют на атомы. Электрические заряды с противоположными знаками притягиваются друг к другу: атом водорода состоит из положительно заряженного протона с единственным (отрицательно заряженным) электроном, пойманным на орбите вокруг протона. Согласно законам Ньютона, два протона будут притягивать друг друга под действием силы притяжения (гравитации), а также подвергаться воздействию электрической силы отталкивания. Обе эти силы одинаково зависят от расстояния (обе подчиняются закону «обратных квадратов»), и поэтому их относительная сила зависит от очень важного числа N, на которое не влияет, насколько далеко находятся протоны друг от друга. Когда два атома водорода соединяются вместе в молекулу, электрическая сила отталкивания между двумя протонами нейтрализуется двумя электронами. Гравитационное притяжение между протонами в 10³⁶ раз слабее электрических сил и практически неизмеримо. Химики спокойно могут не обращать на него никакого внимания, когда изучают, как группы атомов соединяются для формирования молекул.

Тогда почему гравитация является доминирующей силой, прижимающей нас к земле и удерживающей Луну и планеты на их орбитах? Это происходит потому, что сила притяжения – это всегда притяжение: если вы удвоите массу, вы удвоите силу притяжения, которая при этом возникает, в то время как электрические заряды могут как отталкивать друг друга, так и притягивать, они могут быть и положительными, и отрицательными. Два заряда удваивают силу одного из них, только если у них одинаковый знак. Но любой предмет в нашей повседневной жизни состоит из огромного количества атомов, у каждого из которых имеется положительно заряженное ядро, окруженное отрицательно заряженными электронами, – положительные и отрицательные заряды практически полностью нейтрализуются. Даже когда мы «заряжаемся» так, что у нас приподнимаются кончики волос, из равновесия выходит меньше чем один заряд из миллиарда миллиардов. Но по отношению к «гравитационному заряду» все на свете имеет один и тот же знак, поэтому сравнительно с электрическими силами притяжение выигрывает по отношению к более крупным, чем атомы, объектам. Равновесие электрических сил только слегка нарушается, когда твердое тело сжимают или растягивают. Яблоко падает, только когда совместное притяжение всех атомов Земли может одержать победу над электрическим притяжением в черенке, которым оно крепится к ветке дерева. Гравитация играет для нас важную роль, потому что мы живем на тяжелой Земле.

Мы можем дать этому количественную оценку. В главе 1 мы вообразили ряд фотографий, каждая из которых делалась с расстояния, увеличенного в 10 раз по сравнению с предыдущим. Теперь представьте себе ряд сфер различного размера, содержащих соответственно 10, 100, 1000… атомов; другими словами, каждая последующая сфера в 10 раз тяжелее, чем каждая предыдущая. 18-я будет размером с песчинку, 29-я – с человека, а 40-я – с крупный астероид. При каждом увеличении массы в тысячу раз объем также увеличивается в тысячу раз (при условии, что сферы имеют одинаковую плотность), но радиус возрастает только в 10 раз. Значимость собственной силы притяжения сферы, измеряемой количеством энергии, которая потребуется на то, чтобы атом мог преодолеть действие этой силы, зависит от массы сферы, деленной на радиус{3}, и возрастает в сотню раз. В масштабе атомов сила притяжения начинается с 10^–36, но она усиливается в 10² (иначе говоря, 100) раз при увеличении массы на каждые три степени 10 (т. е. в 1000 раз). Таким образом, притяжение наверстает упущенное на 54-м объекте (54 = 36 × 3 / 2), когда масса станет примерно равной массе Юпитера. В любом твердом образовании, которое по массе больше Юпитера, притяжение так сильно, что преодолевает силы, удерживающие твердые тела вместе.

Песчинки и крупинки сахара, как и мы, испытывают на себе притяжение массивной Земли. Но их собственная гравитация – то притяжение, которое дают составляющие их атомы, в отличие от земного тяготения, пренебрежимо мало. Собственная сила тяжести не важна и для астероидов, и для двух спутников Марса, напоминающих по форме картофелины, – Фобоса и Деймоса. Но такие большие тела, как планеты (и даже наша собственная крупная Луна), недостаточно жестки, чтобы сохранять неправильную форму: сила тяжести сделала их практически шарообразными. А массы, превышающие массу Юпитера, будут сдавлены собственной силой тяжести до огромной плотности, если только их центр не будет оставаться достаточно горячим, чтобы поддерживать равновесие за счет давления, как это происходит с Солнцем и другими звездами. Именно из-за того, что притяжение является таким слабым, среднестатистическая звезда, такая как Солнце, может быть такой тяжелой. При меньших объемах притяжение не может конкурировать с давлением, как не может и сжать вещество, чтобы нагреть его до той степени, когда оно начинает светиться.

Масса Солнца примерно в тысячу раз больше массы Юпитера. Если бы оно было холодным, притяжение сжало бы его в миллионы раз плотнее, чем обычное твердое тело. Оно превратилось бы в белого карлика размером примерно с Землю, но в 330 000 раз тяжелее. Но на самом деле солнечное ядро имеет температуру 15 млн градусов – оно в тысячи раз горячее его светящейся поверхности, и давление этого чрезвычайно горячего газа «раздувает» Солнце и позволяет ему оставаться в устойчивом равновесии.

Английский астрофизик Артур Эддингтон одним из первых понял физическую природу звезд. Он размышлял о том, как много мы могли бы узнать о них, если бы представляли их чисто теоретически, обитая на постоянно покрытой облаками планете. Разумеется, мы не могли бы предполагать, сколько звезд существует, но простое рассуждение о тех границах, о которых я только что говорил, могло бы сказать нам, насколько звезды велики. Не слишком трудно продолжить это рассуждение и подсчитать, насколько ярко должны сиять такие объекты. В заключение Эддингтон говорит: «Отстраним теперь завесу из облаков, которая окутывала нашего физика, и позволим ему взглянуть на небо. Он найдет на нем тысячи миллионов газовых шаров, и масса каждого из них лежит между [вычисленными им] массами»[9].

Сила тяготения слабее сил, управляющих микромиром, в 10³⁶ раз – это и есть число N. А если бы тяготение не было таким относительно слабым? Представьте себе, например, вселенную, где гравитация слабее электрических сил «всего» в 10³⁰ раз, а не в 10³⁶. Атомы и молекулы в ней будут вести себя точно так же, как и в нашей реальной Вселенной, но предметам вовсе не будет необходимости быть такими большими, чтобы тяготение могло конкурировать с другими силами. В этой воображаемой вселенной количество атомов, нужное, чтобы создать звезду (связанный гравитацией термоядерный реактор), будет в миллиард раз меньше. Масса планет тоже уменьшится в миллиард раз. Независимо от того, смогут ли эти планеты оставаться на устойчивых орбитах, сила тяготения будет препятствовать развитию жизни на них. В этом воображаемом мире с сильной гравитацией даже насекомым потребуются толстые ноги, и никакое животное не сможет намного обогнать их в размерах. Притяжение разрушит любое существо ростом с человека.

В подобной вселенной галактики будут формироваться гораздо быстрее и получаться более миниатюрными. Звезды, вместо привычного нам расположения, будут так плотно набиты, что близкие соприкосновения станут достаточно частыми. Это само по себе исключает существование стабильных планетных систем, потому что орбиты будут изменяться из-за проходящих мимо звезд, что (к счастью для нашей Земли) едва ли может случиться в нашей Солнечной системе.

Но еще сильнее развитию сложных экосистем будет препятствовать ограниченное время развития. Из мини-звезд такой вселенной будет быстро уходить тепло: в таком воображаемом мире с сильным притяжением время жизни звезд будет в миллион раз короче. Вместо того чтобы существовать миллиарды лет, обычная звезда проживет всего около 10 000 лет. Мини-солнца сгорят быстрее и истощат всю энергию еще до того, как органическая эволюция успеет сделать первые шаги. Условия для сложной эволюции будут, несомненно, куда менее благоприятными, если тяготение будет сильнее, даже если больше ничего не изменится. Не будет такого громадного запаса времени, необходимого для физических и химических реакций, как в нашей Вселенной. Однако, если построить наши рассуждения по-другому, то даже немного более слабое притяжение могло бы обеспечить куда более сложные и долгоживущие структуры.

Тяготение – организующая сила космоса. В главе 7 мы увидим, насколько оно было важно для того, чтобы позволить различным структурам, среди которых первоначально не было резко выраженных неоднородностей, развернуться после Большого взрыва. Но это произошло только потому, что тяготение является слабым по сравнению с другими силами, что позволяет существовать большим и долгоживущим структурам. Парадоксально, но чем слабее притяжение (при условии, что оно не равно нулю), тем значительнее и сложнее может быть его влияние. У нас нет никакой теории, которая бы давала нам значение числа N. Все, что мы знаем, – это то, что такое сложное образование, как человечество, не могло развиться, если бы N было куда меньше 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000.

ОТ НЬЮТОНА К ЭЙНШТЕЙНУ

Спустя более двух столетий после Ньютона Эйнштейн предложил свою теорию тяготения, получившую название «общая теория относительности» (ОТО). Согласно этой теории, планеты на самом деле следуют прямым путем в «пространстве-времени», но этот путь искривляется из-за присутствия Солнца. Иногда говорят, что Эйнштейн «сверг с пьедестала» ньютоновскую физику, но это заблуждение. Законы Ньютона по-прежнему с высокой точностью описывают движение объектов в Солнечной системе (самым известным противоречием теории Ньютона является небольшая аномалия орбиты Меркурия, объяснимая с помощью теории Эйнштейна). Этот закон вполне отвечает требованиям, необходимым для программирования траекторий автоматических аппаратов, отправляющихся на Луну и другие планеты. Тем не менее теория Эйнштейна, в отличие от теории Ньютона, объясняет явления, происходящие с объектами, движущимися со скоростью, близкой к скорости света, в условиях огромной силы тяготения, которая может быть причиной таких громадных скоростей, и с эффектом гравитационного отклонения самого света. Куда важнее то, что Эйнштейн углубил понимание самого явления гравитации. Для Ньютона оставалось тайной, почему все предметы падают одинаково и следуют по схожим орбитам – почему сила тяготения и инерция для любых веществ имеют одно и то же соотношение (в отличие от электрических сил, где «заряд» и «масса» непропорциональны), но Эйнштейн доказал, что это естественное следствие того, что все тела следуют прямым путем в пространстве-времени, но этот путь искривляется из-за массы и энергии. ОТО, таким образом, стала понятийным прорывом – особенно значительным, поскольку этот прорыв стал следствием озарения Эйнштейна, а не появился в результате какого-либо отдельного эксперимента или наблюдения.

Эйнштейн не доказывал, что Ньютон ошибался, он вышел за рамки теории Ньютона, включив ее в нечто более глубокое и более широко применимое. На самом деле было бы куда лучше (и помогло бы избежать неправильного понимания ее культурного значения), если бы теория Эйнштейна получила другое название. Ее бы стоило назвать не «теорией относительности», а «теорией инвариантности». Достижение Эйнштейна состояло в том, что он разработал систему уравнений, которые можно применить для любого наблюдателя, и выявил феноменальное обстоятельство: скорость света, измеренная в любом месте, является одной и той же, несмотря на то что наблюдатель движется.

Вехами в развитии любой науки является создание все более обобщенных теорий, которые сосредотачивают в себе прежде не связанные факты и расширяют широту охвата тех теорий, которые существовали до них. Физик и историк Джулиан Барбур использует метафору о восхождении в горы{4}, которая, как мне кажется, выглядит очень правдоподобно:

Чем выше мы поднимаемся, тем более всеохватывающий перед нами открывается вид. Каждая новая точка обзора дает лучшее понимание взаимосвязи вещей. Более того, постепенное накопление понимания перемежается неожиданным и ошеломляющим расширением горизонта, когда мы добираемся до перевала и видим нечто, что и вообразить себе не могли во время подъема. Стоит лишь найти направление в открывшемся пейзаже, наш путь к недавно покоренной вершине становится очевидным и занимает почетное место в новом мире.

Опыт формирует наше восприятие и здравый смысл: мы усваиваем те физические законы, которые напрямую влияют на нас. Законы Ньютона в какой-то мере были усвоены обезьянами, перепрыгивающими с дерева на дерево. Но на далеких просторах космического пространства среда очень отличается от нашей. Мы не должны удивляться тому, что знания, основанные на здравом смысле, не приложимы к огромным космическим расстояниям, высоким скоростям или к очень большой силе тяготения.

Разумное существо, способное быстро перемещаться по Вселенной, но ограниченное основными физическими законами (а не уровнем развития техники), развило бы свое интуитивное восприятие пространства и времени, соединив характерные и кажущиеся невероятными следствия из ОТО. Особое значение, как оказалось, имеет скорость света: к ней можно приблизиться, но ее невозможно превысить. Но это «космическое ограничение скорости» не ограничивает вас в том, куда вы можете добраться за время вашей жизни, потому что, когда космический корабль разгоняется почти до скорости света, часы идут медленнее и время на его борту «растягивается». Тем не менее если вы совершите путешествие до звезды, находящейся в 200 св. годах, а потом вернетесь на Землю, здесь пройдет больше 200 лет, каким бы молодым вы ни оставались. Ваш космический корабль не может лететь со скоростью большей, чем свет (с точки зрения оставшегося дома наблюдателя), но чем ближе ваша скорость приближается к световой, тем меньше вы состаритесь.

Эти явления находятся за пределами интуитивного восприятия только потому, что наш опыт ограничен низкими скоростями. Авиалайнер развивает всего миллионные доли скорости света и недостаточно быстр, чтобы заметить замедление времени: даже для самых активных воздушных путешественников эта задержка составит меньше миллисекунды за всю жизнь. В наше время это крошечное воздействие, тем не менее измерено с помощью экспериментов, где использовались атомные часы, отмеряющие миллиардные доли секунды, и оказалось, что полученные результаты согласуются со значением, предсказанным Эйнштейном.