Брайан Клегг - Вселенная внутри вас

Если бы сильное взаимодействие зависело от квадрата расстояния между объектами так же, как гравитация или электромагнетизм, нам всем пришел бы конец. Все ядра атомов во Вселенной начали бы неудержимо стремиться друг к другу. Но, к счастью, его сила по мере удаления убывает намного быстрее. На расстоянии всего 10–15 м от протона или нейтрона она практически равна нулю. Именно поэтому в природе не встречаются сверхмассивные атомы. Ядро любого атома, превосходящее по размерам атом урана, неизбежно распадается.

Но это только половина истории. Обеспечение стабильности ядра атома представляет собой лишь своего рода побочный эффект сильного взаимодействия, так как его основная функция заключается в «склеивании» кварков. Протон и нейтрон состоят из трех кварков, а удерживает их вместе именно сильное взаимодействие. В отличие от всех других сил, сильное взаимодействие в пределах своих границ не ослабевает по мере удаления объектов друг от друга, а, наоборот, усиливается. Пока кварки находятся внутри ядра атома, они могут свободно двигаться, но, как только какой-то из них пытается покинуть ядро, сильно взаимодействие тут же возвращает его на место. Поэтому разбить протон или нейтрон на составляющие практически невозможно.

Четвертый вид силы – самый необычный из всех. Это так называемое слабое взаимодействие. Оно примерно в миллион раз слабее сильного взаимодействия и уступает даже электромагнетизму, но намного сильнее гравитации. Слабое взаимодействие действует еще на более коротких расстояниях, чем сильное, и в его зону действия могут попасть только частицы, составляющие крошечную долю диаметра протона.

Таким образом, в функции слабого взаимодействия входит не столько взаимное притяжение или отталкивание частиц, сколько управление свойствами кварков. С его помощью кварки меняют «аромат», и за счет этого происходит превращение частиц из одного вида в другой. Так протоны превращаются в нейтроны в ходе реакции термоядерного синтеза, протекающей внутри звезды, или в процессе ядерного распада (например, бета-распада, выбивающего электроны высоких энергий из ядра). Хотя слабое взаимодействие никак не участвует в нашей прогулке по парку аттракционов, без него не светилось бы Солнце, а на Земле не было бы жизни. Да и самой Земли тоже не было бы, потому что без ядерных реакций в недрах звезд не появились бы тяжелые элементы.

Теперь, когда вы узнали, что представляют собой все четыре силы, не приходится удивляться, что после посещения американских горок голова идет кругом. А не чувствуете ли вы себя помолодевшим после этого аттракциона? Ведь благодаря поездке на такой скорости вы стали на крошечную долю секунды моложе, чем те, кто стоял вокруг.

Давайте обратимся к самому экстремальному примеру. Предположим, вы записались добровольцем в полет на новейшем космическом корабле, который может лететь со скоростью, составляющей 99 процентов от скорости света. Это 297 тысяч километров в секунду. Продолжительность космического круиза составляет два года и девять месяцев. По возвращении домой вы испытаете настоящий шок. Дело в том, что, пока вы отсутствовали, на Земле прошло 20 лет. Все ваши друзья и родственники стали на двадцать лет старше, и все это прошло мимо вас. Фактически вы совершили путешествие в будущее более чем на 17 лет вперед.

И это путешествие во времени, и ваше едва заметное омоложение после катания на американских горках являются следствием одного из самых революционных достижений науки XX века – специальной теории относительности Эйнштейна. Эйнштейн сумел понять особое свойство света: он может двигаться в вакууме только с определенной скоростью – 300 тысяч километров в секунду.

Это объясняется особым характером взаимодействия между электричеством и магнетизмом. Приведите в движение источник электричества – и вы получите магнетизм. Приведите в движение магнит – и вы получите электричество. А если электрический импульс будет двигаться со скоростью света, то электрическое поле станет последовательно переходить в магнитное, затем опять в электрическое и так далее. Фотон света летит, непрерывно изменяя сам себя. Но этот процесс может происходить только при определенной скорости. Стоит ее снизить, и все прекращается.

У всех остальных вещей скорость может меняться в зависимости от того, с какой скоростью вы сами движетесь относительно их. Допустим, автомобиль едет со скоростью 60 километров в час, но если вы сидите в нем, то он неподвижен по отношению к вам, если не считать тряски на неровностях дороги. Зато окружающий пейзаж проносится мимо вас. Таким образом, любое движение относительно. Если сталкиваются два автомобиля и скорость каждого из них составляет 60 километров в час, то относительно друг друга в момент столкновения их скорость будет 120 километров в час. Но со светом все обстоит иначе. Независимо от того, движетесь вы к источнику света или от него, его скорость всегда будет одинаковой.