Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса Страница 47

Единственная причина, по которой электроны не могут упаковываться так тесно, что начнут перекрываться, состоит в том, что это частицы со спином-½, а мы живем во вселенной, которой свойственна симметрия замещения тождественных частиц.

Вырождение говорит нам не только о том, какая участь нас ждет, но и о нашем происхождении. Я уже упоминал, что наша звезда создает гелий, водород и углерод. Несколько более массивные звезды способны порождать и более тяжелые элементы — неон, магний, кремний и железо. Однако и на Земле, и вообще повсюду полным-полно вещества, которое состоит из других элементов.

Откуда взялось все остальное?

Чтобы получить ответ на этот вопрос, нам придется рассмотреть самые массивные звезды. С какого бы огромного-преогромного ядерного бензобака все ни начиналось, в конце концов у любой звезды кончается топливо. Более того, хотя у самых тяжелых звезд больше водорода для сжигания, чем у Солнца, горят они существенно жарче — и гораздо ярче. В результате жизнь у этих звездных тяжеловесов короткая и бурная, и умирают они молодыми.

Самые массивные звезды сжигают все свои запасы, и в результате у них остается только железо. И точка. Сколько ни сжимай железо, для того, чтобы сделать из него что-то еще более тяжелое, нужно больше энергии, чем получается в процессе. Вот почему для расщепления атома требуется уран, плутоний или что-то в этом роде, то есть элементы много тяжелее железа. Раздираешь их и получаешь энергию. А бедненькое одинокое железо идет на свалку ядерной вселенной.

Без выгорания ядер у самых тяжелых звезд не хватит давления, чтобы поддерживать их существования. Однако и давления от вырождения электронов самым массивным звездам, в отличие от Солнца, недостаточно. Подобные звезды располагают огромными запасами энергии гравитации и с ее помощью лепят из протонов и электронов нейтроны.

Я заговорил о нейтронах, поскольку у неопределенности есть одна странная особенность. До того, как вступит в силу принцип запрета Паули, более тяжелые частицы можно стиснуть сильнее, чем более легкие. Масса нейтрона примерно в 2000 раз больше массы электрона, поэтому свежесформированные нейтронные звезды могут схлопнуться до размеров примерно в 2000 раз меньше, чем белый карлик той же массы. Казалось бы, слова «нейтронная звезда» звучат не так уж страшно, однако держитесь от них подальше. Масса нейтронных звезд в два-три раза больше массы Солнца, а радиус у них всего около пяти километров. По сравнению с обычной звездой сущие крохотульки.

А теперь представьте себе, что у вас есть необычайно жесткое звездное ядро, которое больше уже невозможно сжимать, и оно занимает совсем крошечное пространство. Все вещество внешних оболочек такой звезды вдруг обнаруживает, точь-в‑точь как персонаж диснеевского мультика, что пол ушел у него из-под ног. Этот газ, который составляет существенную часть массы звезды, начинает падать — и к тому моменту, когда он ударяется о ядро, он летит со скоростью, очень близкой к скоростью света.

А потом отскакивает.

И налетает на остальное вещество, которое еще не упало на звезду, и получается чудовищный взрыв, который видно из соседних галактик. Это и называется сверхновая, как вы, возможно, знаете.

Сверхновые тоже вносят важный вклад в саму возможность нашего существования. Во-первых, они вбрасывают в галактику энергию и кое-какие относительно легкие элементы — углерод, азот, кислород, железо и т. д. Эти элементы входят в число самых распространенных, и если вы отрежете себе руку и сунете ее в масс-спектрометр, то обнаружите, что состоите в основном из ошметков звезд.

Однако некоторые самые тяжелые элементы вообще не могут создаваться в звездах. Мы уже убедились, что звезда способна создавать лишь элементы легче железа, и при этом вырабатывать энергию, а все, что тяжелее, наоборот, требует больших вложений энергии. В результате все, что тяжелее железа, приходится делать каким-то иным способом, и этот иной способ — взрывы сверхновых. Никель, медь, золото и даже (личный суперменский) криптон — вот лишь некоторые из множества элементов, создать которые без взрывов сверхновых было бы энергетически невозможно.

Мы с вами — результат подобного катаклизма, а скорее двух-трех подобных катаклизмов. Оглядитесь вокруг — и вы увидите мир, полный тяжелых металлов. Из одних мы делаем орудия труда, а из других состоим сами.

Что сделает с вами чайная ложка нейтронной звезды

Забыть о том, как мы сюда попали, проще простого. Нейтронные звезды — а следовательно, взрывы сверхновых, а следовательно, тяжелые металлы — основаны в конечном итоге на симметрии замещения тождественных частиц. Ведь именно симметрия замещения тождественных частиц и вращательная симметрия фермионов легли в основу принципа запрета Паули, который, в свою очередь, лежит в основе давления вырожденного газа. Какой долгий извилистый путь нам пришлось пройти, чтобы увидеть едва ли не самых странных обитателей нашей вселенной — нейтронные звезды. Помимо всего прочего, они служат нам наглядным напоминанием о том, как необычайно пусто в пространстве при нормальных обстоятельствах и каким неизмеримым могуществом обладает простая симметрия.

Нейтронные звезды окружают нас повсюду, и хотя они совсем невелики, однако очень опасны. Поскольку лучшего примера того, как действует принцип запрета, пожалуй, и не сыщешь, я хотел бы дать вам представление о том, каких значительных плотностей нужно достичь, чтобы включился механизм вырождения.

Проделаем мысленный эксперимент. Предположим, вы хотите взять чайную ложку вещества нейтронной звезды и принести домой. Что будет?

Поскольку плотность нейтронной звезды неимоверно велика, гравитация у нее очень сильная. Вполне можно рассчитывать, что все это схлопнется в черную дыру, а вы окажетесь совсем близко. Именно поэтому нейтронные звезды и не могут набирать массу больше нескольких масс Солнца. Иначе они и в самом деле превратятся в черную дыру.

Так что же произойдет, если у вас хватит глупости приблизиться к этой твари?

Посадка будет очень жесткой. Нейтронные звезды вращаются со скоростью несколько тысяч оборотов в секунду, а магнитные поля у многих из них более чем в 10 миллионов раз сильнее земного. Это скверно повлияет на вас сразу в нескольких отношениях. Во-первых, магнитные поля такого уровня почти наверняка разрушат все, что содержит ферромагнитные материалы (это такое ученое выражение, обозначающее вещества вроде железа, из которых можно сделать магниты), а также ваши компьютерные системы.

Кроме того, сочетание вращения с сильными магнитными полями означает, что у нейтронных звезд, в сущности, налажены свои охранные системы. Вам они, вероятно, известны под названием «пульсары», а состоят они в основном из высокоэнергичного луча, который каждую долю секунды обшаривает небо. Ну и наконец: вы когда-нибудь пробовали сесть на планету, чья поверхность вращается со скоростью несколько тысяч километров в секунду? Сочините об этом научно-фантастический рассказ. Это нелегко.

Однако предположим, что вы можете приземлиться на поверхность нейтронной звезды. Там, конечно, примерно миллион градусов по Кельвину, однако это еще цветочки по сравнению с остальными трудностями, с которыми вы столкнетесь. Гравитация там примерно в 200 миллиардов раз больше, чем на поверхности Земли. Если вас это не настораживает, подумайте, что разница в гравитации между вашими ногами и головой составит примерно 60 миллионов g. Вас практически мгновенно расплющит.

Но вы мне нравитесь, так что поживите еще немного. Мы уже обсуждали особенности конструкции такого устройства для телепортации, какое показано в «Звездном пути», поэтому вполне можем им воспользоваться. Предположим, вы телепортировали чайную ложечку нейтронной звезды из ее ядра прямо в грузовой отсек. Я говорю о ядре, поскольку внешняя кора звезды ничем не примечательна, она в основном состоит из тяжелых элементов вроде железа. Чтобы получить чистый продукт, вам придется копнуть поглубже.

Что же будет потом? Тут-то и начнется настоящее веселье.

Для начала уясните себе, что мы говорим о плотностях примерно в 1018 килограммов на кубометр, то есть в чайную ложку поместится масса порядка 10 миллиардов тонн. Это масса горы приличных размеров.

Внутри нейтронной звезды соблюдается тонкое равновесие между чудовищной гравитацией звезды и давлением вырождения нейтронов. Стоит вынести оттуда нейтроны, и все летит в тартарары. Нет гравитационного давления, чтобы притискивать нейтроны друг к другу, а при этом не надо забывать, что нейтроны находятся в условиях температур в миллионы градусов. Давление газа, мягко говоря, очень велико. Даже если бы вам удалось при помощи телепортатора переместить вещество нейтронной звезды в трюм звездолета, внезапное падение давления привело бы к тому, что газ расширился бы мгновенно, наподобие взрыва. Прикинем объем грузового отсека вашего корабля[91] — он должен быть довольно вместительным — и получим, что чайная ложка чистых высококачественных нейтронов создаст давление примерно в миллион раз больше нормального атмосферного и плотность примерно в 10 миллионов раз больше плотности скалы. Так что, когда будете телепортировать в грузовой отсек вещество нейтронной звезды, сами туда не становитесь. Очень вас прошу.