Идея игры с масштабами не нова. Всем знакомы «Путешествия Гулливера», опубликованные в 1726 году Джонатаном Свифтом (1667–1745), где герой, выживший в кораблекрушении, попадает на остров лилипутов, чей рост не превышает 15 см. Во втором путешествии Гулливер оказывается на острове Бробдингнег, где все наоборот: на этом острове живут великаны. В «Невероятно худеющем человеке» Ричарда Матесона (1956) живописуются бедствия несчастного, чей рост уменьшается после контакта с неким радиоактивным дымом. На этом кинематограф не успокоился. В 1966-м Ричард Флейшер снимает «Фантастическое путешествие», на основе которого Айзек Азимов напишет целых два романа: одноименный и свой, оригинальный — «Цель — мозг» (1987). В этом фильме, как и в ремейке режиссера Джо Данте («Внутреннее пространство», 1987), показано путешествие микроскопической субмарины с экипажем из хирургов по кровеносным сосудам ученого с целью проведения операции на мозге, невозможной обычным способом. В фильме «Дорогая, я уменьшил детей!» (режиссер Джо Джонстон, 1989) дети эксцентричного ученого попадают в сконструированный им прибор, уменьшающий предметы.
Супергерои тоже наведываются в микроскопический мир. Этим с 1940-х годов занимается в комиксах знаменитый Атом. В более современной версии Атом — альтер эго ученого Рэя Палмера, изобретшего технологию уменьшения роста при помощи линзы из случайно найденного на Земле куска белого карлика. Это не слишком удачная попытка объяснить миниатюризацию, учитывая, что белым карликом называют остывшую звезду; вряд ли кому-то удастся представить останки этого космического трупа, валяющиеся у нас на планете. Сценарист стремился, без сомнения, сделать акцент на свойствах белых карликов, особенно на их сверхплотности, которую как раз начинали изучать астрофизики. Поэтому забавно наблюдать, как герои разгуливают с куском белого карлика размером 30 см, масса которого составляет порядка нескольких десятков тысяч тонн! Позже к Атому присоединятся Человек-муравей (впервые появившийся в черно-белом варианте в 1962 году) и Оса — супергероиня и жена Пима, фигурирующая потом в фильме «Человек-муравей и Оса» (2018).
Микроскопический мир — арена невероятных приключений: приятно поставить себя на место персонажей, сталкивающихся со вселенной уменьшенного масштаба. Но что произошло бы в действительности, уменьшись мы вдруг до размера муравья? Были бы мы так сильны, как воображает Пим? Как насчет полетов верхом на насекомых? Естественно, физика способна ответить на эти вопросы, только, чур, не огорчайтесь от ее ответов…
Возможно ли уменьшить размер предмета?
В фильме разработчик костюма Человека-муравья Хэнк Пим объясняет принцип своего изобретения, основанный на уменьшении расстояния между атомами. И верно, в микроскопическом масштабе материя чрезвычайно рыхлая. Размер атома — несколько десятых нанометра (нанометр — миллиардная доля метра), что уже немного, а ядро атома меньше еще в 100 000 раз! На бумаге идея Пима выглядит заманчиво: уменьшить размеры атомов, объем которых заполнен в основном пустотой, отчего состоящие из атомов предметы тоже уменьшатся. Но это чистой воды фантазия: размер атома — физическая константа. Перейдем к подробностям.
Электроны, имеющие отрицательный электрический заряд, притягиваются протонами, заряженными положительно. Несмотря на это притяжение, электроны не падают на ядро, а остаются на почтительном расстоянии от него (так и хочется сказать: подобно планетам относительно Солнца). Но из законов электромагнетизма следует, что заряженная и ускоренная частица излучает свет, как в синхротроне. Как спутнику, теряющему из-за трения в атмосфере энергию и в конце концов падающему на Землю, электронам как будто суждено рухнуть на ядро, отчего материи грозит схлопывание. Стабильность материи — некое чудо, необъяснимое с точки зрения классической физики, ведь ее законы не запрещают электронам упасть рано или поздно на ядро атома, а материи — обрушиться. Хэнк Пим как будто в курсе этой возможности обрушения: он снабжает свой костюм «регулятором» и говорит, что в случае его неисправности Человек-муравей «перейдет в квантовый мир». Вот только он забывает об основополагающем правиле квантового мира: связанный электрон не может быть неподвижным и скорость его тем выше, чем меньше объем пространства, в котором он заключен.
Это вытекает из предположения, высказанного в 1924 году французским физиком Луи Де Бройлем, что частицы ведут себя как волны. Бройль всего лишь перевернул ситуацию со светом: необходимость ввести «частицу света», фотон, возникла потому, что свет — обычно описываемый как электромагнитная волна — порой ведет себя так, будто он состоит из частиц. Волна материи — казалось бы, такая же странная идея, как частица света, однако волновая гипотеза получила подтверждение в 1927 году в опыте с рассеиванием пучка электронов при помощи кристалла. Луи де Бройль вывел закономерность: длина волны, связанной с электроном, обратно пропорциональна его скорости. Точно так же при помещении частицы в емкость длина ее волны всегда зависит от размеров этой емкости. Схожая ситуация наблюдается при вибрации гитарной струны: длина волны ее колебания не превышает удвоенной длины струны. Отсюда вывод: чем меньше емкость — и, следовательно, длина волны, — тем выше скорость электрона.
Так почему же электрон не подлетает все ближе к ядру? Потому что это заключало бы его во все более ограниченную атомную емкость и все сильнее разгоняло бы. Точнее, раз скорость электрона обратно пропорциональна размеру «атомной емкости», то энергия его движения, изменяющаяся как квадрат скорости, будет обратно пропорциональна квадрату этого размера. Одновременно энергия электростатической связи между протоном и электроном — а она отрицательная — меняется обратно пропорционально размеру атома. В итоге при уменьшении атома энергия движения растет быстрее, чем энергия взаимодействия между ядром и электроном. Результат диктуется большей из этих двух энергий: если движение слишком быстрое, то атом разрывается, если слишком велика энергия связи, то он падает. Размер атома — это оптимальный компромисс: тот, при котором общее значение энергии — сумма энергии движения и энергии электрической связи — минимально. Это условие и приводит к размеру атома — нескольким десятым нанометра, — установленному экспериментально. Следовательно, никакой физике, даже квантовой, изменить размер атома не под силу.
Отметим, наконец, что процесс, якобы объясняющий уменьшение Человека-муравья, имеет место при постоянной массе: все атомы героя вроде бы остаются при нем, меняется только разделяющее их расстояние. Первое затруднение: сложно представить, чтобы уменьшенный человек, по-прежнему весящий 75 кг, перемещался на спине у летучего муравья[4], весящего миллиграммов десять. С другой стороны, уменьшение роста человека в 100 (минимум) раз сопровождается уменьшением его объема в 100 х 100 х 100, то есть в миллион раз. Получается, что его объемная масса — масса, поделенная на объем тела, — достигает нескольких тонн на кубический сантиметр, а это… показатель белого карлика! Данный астрономический объект — результат эволюции звезды типа Солнца. Если его масса равна доле массы Солнца, то размер близок к размеру Земли[5]. Для достижения этого экстремального режима вещество белого карлика подвергается ионизации высокими температурами. Иначе говоря, электроны отрываются от ядер, и получившаяся плазма может подвергаться сжатию высокой гравитацией звезды, очень массивной и при этом очень маленькой. Давление сжатых электронов уравновешивает гравитацию и не дает звезде самоуничтожиться. Белые карлики состоят из одной из самых плотных среди всех известных форм материи, уступающей только нейтронным звездам. Первые оценки их объемной массы, сделанные в 1910-е годы, были сочтены «невозможными», настолько они выходили за пределы обычных значений.
Что стало бы с миниатюрным человечком?
