«Чудеса обычных вещей»

Маркус Чоун Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной

Карен и Джо, с любовью.

Маркус

Вступление

В одном мгновенье видеть вечность, Огромный мир — в зерне песка, В единой горсти — бесконечность И небо — в чашечке цветка. Уильям Блейк. Из «Песен невинности»[1]

Идея этой книги проста: взять до боли знакомые черты обыденной жизни и показать, каким образом эти черты, в свете современных научных представлений, могут поведать нам глубочайшие истины о природе реальности; прочитать космические письмена на белой бумаге повседневности. Иначе говоря, если вспомнить слова Уильяма Блейка, увидеть «огромный мир в зерне песка». Или в падающем листе. Или в розе. Или же в ночном небе, усеянном звездами…

Например:

— ваше отражение в оконном стекле расскажет вам о потрясающих научных открытиях, о том, что в глубинах Вселенной все подчиняется случайности, а все происходящее в конечном счете не имеет причины;

— тот факт, что железо повсюду — и в машинах, на которых мы ездим, и в основе зданий, где мы работаем, и даже в крови, что бежит по нашим венам, — предполагает, что где-то в глубинах космоса должна иметься печь, раскаленная до температуры 4,5 миллиона градусов;

— тот факт, что на Земле нет пришельцев — ни праздно ошивающихся на улицах, ни летающих в небесах, подобно ангелам, ни материализующихся и дематериализующихся, как команда «Энтерпрайза», — говорит вам о том… Да, собственно, мы толком не знаем, о чем же он говорит. Быть может, мы — первый разум, существующий в нашей Галактике, даже во всей Вселенной, страдающий от ощущения космического одиночества из-за того, что на Земле не с кем больше поговорить. А может, сама Вселенная настолько опасна, что способна уничтожить любую расу, свободно гуляющую по космосу, прежде чем ей удастся подобраться к нам. Этот факт — отсутствие пришельцев — одно из тех повседневных наблюдений, для которых ваше объяснение, честно говоря, будет ничем не хуже моего.

Мысль написать о том, что окружающий мир может рассказать нам о Вселенной, пришла ко мне в тот период, когда, выпустив одну книгу, я занимался ее рекламой, а к следующей еще не приступил. Когда пишешь, ты пребываешь в состоянии «всё или ничего». В процессе работы я веду большей частью затворническую жизнь, и компанию мне составляют лишь мои золотые рыбки — Георг и Рег (была еще Лаура, но, к сожалению, пока писалась эта книга, она ушла в мир иной). Однако в короткий период между книгами — тот самый рекламный период — я, словно оправившись после болезни, постоянно бываю на людях, меня будто несет вихрь общительности. Навыки, требуемые для рекламы произведения, коренным образом отличаются от тех, которые нужны для написания книги. Когда я даю интервью радийщикам, в моем распоряжении всего несколько минут, за которые я должен сказать нечто такое, что засядет в умах слушателей. Выступая с публичными лекциями перед читателями, я отдаю себе отчет, что у большинства в аудитории, возможно, нет научной подготовки. И вот, во время одного из таких выступлений, я неожиданно для себя (хотя это была вполне очевидная вещь) осознал, что, беседуя с неспециалистами, я стремлюсь прицепиться к какому-нибудь повседневному наблюдению, а затем увязать его с серьезной физической проблемой, которой оно служит примером.

К примеру, в 2008 году на Эдинбургском международном фестивале науки мне нужно было высветить основной парадокс, который приводит нас к квантовой теории (это лучшее на сегодняшний день описание микроскопического мира атомов и их составляющих). Недолго думая, я указал на лампу накаливания, горевшую в аудитории, и объявил, что световые волны, исходящие из нее, примерно в пять тысяч раз больше, чем сами атомы. Затем я достал из кармана спичечный коробок и сказал: «Давайте вообразим, что я открываю этот коробок, а из него выезжает сорокатонный грузовик. Вот на что похож свет, изливающийся из лампочки».

А затем в один прекрасный день лампочка вспыхнула в моей собственной голове. Я задумался: почему бы мне не написать книгу, в которой каждая глава, опираясь на какое-нибудь простое ежедневное наблюдение, покажет, какая поразительная глубинная реальность скрывается за этим наблюдением? Вот так, простенько и со вкусом. Как же я не додумался до этого раньше? Внезапно я увидел, как все вещи, о которых я хотел написать, собираются в единое целое. Их словно бы соединила мощная связующая нить.

Я испытал невероятное возбуждение. Но тут же забеспокоился — не повторю ли я самого себя? Тем не менее у меня есть надежда, что, хотя я и возвращаюсь к вещам, о которых говорил в предыдущих книгах, например в «Волшебной печи» (1999) или в той, что называется «Квантовая теория не может вам навредить» (2007), на сей раз я сделаю рассказ более глубоким и представлю вещи в новом свете. Хороший пример этому — загадка, которой уже более четырехсот лет: почему ночью небо темное? Как и 99 процентов астрономов, я склонен был полагать, что чернота ночного неба говорит нам следующее: Вселенная не существовала вечно, а зародилась, и доказательство того, что все началось с Большого взрыва, было у нас перед глазами каждую ночь, на протяжении всей истории человечества, нам только не хватало смекалки, чтобы понять это. По-моему, я даже писал об этом в книге «Зарница Творения» (1993). Теперь же я понимаю, что полуночная тьма говорит нам совсем не об этом. Большинство астрономов не правы. И, как ни странно, первым из всех людей на свете, кто уловил проблеск истины, был Эдгар Аллан По.

Еще одна тема, к которой я здесь возвращаюсь, с тем чтобы сказать больше и лучше, — бесконечное разнообразие мира, в котором мы живем. В конечном счете этим разнообразием мы обязаны принципу Паули, который запрещает электронам сидеть друг на друге и, таким образом, отвечает за то, что существует много видов атомов, а не только один. Я знал, что в книге «Квантовая теория не может вам навредить» мое объяснение было неполным. Я сумел показать, как природа позволяет двум, казалось бы, неразличимым частицам проявлять две отчетливо различимые манеры поведения: либо стадную, либо асоциальную. Затем я сообщил, что природа пользуется обеими возможностями. Частицы с определенным типом «спина» получаются асоциальными — например, электроны, — тогда как частицы с другим типом спина — допустим, как фотоны — ведут себя как стадо. Но вот что я не пояснил: какое, черт побери, отношение имеет спин к поведению, выбираемому частицей?! Я дал только половину объяснения. В свое оправдание могу сказать, что самому Вольфгангу Паули[2], предложившему принцип запрета в 1925 году, потребовались пятнадцать лет, чтобы объяснить, каким образом спин увязывается с «общественным» или «антиобщественным» поведением частиц. Лишь в 1940 году он сформулировал свою теорему о связи спина со статистикой. Поэтому я не считаю, что я так уж плох. Однако надеюсь, что здесь, в этом своем сочинении, я смог дать исчерпывающее объяснение — такое, какого не существует, насколько я знаю, ни в одной другой книге. Все это должно показать, что мое собственное понимание различных вещей и явлений постоянно развивается и что в моих книгах я не только пытаюсь поведать читателям то, что знаю, но и сам всячески стараюсь как можно лучше разобраться в этих вещах и явлениях, дабы удовлетворить собственное любопытство.

Да, я говорю о том, насколько важно для нас разнообразие природы и насколько значительна картина темного ночного неба, но помимо этого я рассуждаю и о другом: сложность нашего мира сообщает нам не только то, что Бог играет в кости со Вселенной (у Эйнштейна эта идея вызывала глубокое отвращение), но также то, что, если бы Он этого не делал, никакой Вселенной не было бы вообще. Я также размышляю о том, как получилось, что однонаправленность времени — причина, по которой мы становимся старше, а не молодеем, — возникла, судя по всему, тогда же, когда «включилась» гравитация, — примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва. Это открытие совершил американский астрофизик Ларри Шульман (р. 1941), пока я писал свою книгу. И еще я описываю открытие Стивена Хокинга, также сделанное, пока я работал над этой книгой: тот факт, что мы живем в не-квантовом мире, в мире, в котором ни один человек никогда не пройдет сквозь две двери одновременно, подразумевает, что в прошлом наша Вселенная претерпела взрывное, сверхбыстрое расширение. Это, безусловно, одно из самых поразительных заключений, к которым нас подталкивает повседневная практика, и вместе с тем оно подчеркивает, насколько уникален гений Хокинга. В книге есть еще много чего другого, однако вступление и так получилось слишком длинным. Надеюсь, вы получите удовольствие от чтения.

Маркус Чоун Лондон Февраль 2009 г.

Часть 1 Что повседневная реальность рассказывает нам об атомах

1. Лицо в окне

Когда вы стоите перед окном, самое потрясающее открытие в истории науки — то, что все происходящее в конечном счете не имеет никакой причины, — буквально таращится на вас

Всякая трудность есть свет. Трудность непреодолимая — солнце.

Поль Валери[3]

Нет прогресса без парадокса.

Джон Уилер, 1985[4]

Поздний вечер. Идет дождь. Вы мечтательно смотрите из окна на огни большого города. Сквозь сбегающие струйки воды вы видите проезжающие по улице машины и собственное размытое отражение. Хотите верьте, хотите нет, но это простое наблюдение сообщает вам нечто очень важное — потрясающе важное! — о фундаментальных основах окружающей вас реальности. Оно говорит о том, что Вселенная — на глубинном уровне — случайна и непредсказуема, как небрежный бросок игральных костей; о том, что все, происходящее в этом мире, не имеет на то никакой причины.

Причина того, что вы видите городские огни за окном и одновременно с этим легкое отображение собственного лица, взирающего на вас, заключается в том, что сквозь стекло проходит 95 процентов света, а 5 процентов — отражаются. Это легко понять, если представить свет в виде волн, подобных ряби на воде, — уж рябь-то всякий видел. Вообразите себе несущийся по озеру катер. От носа катера разбегаются волны. На их пути встречается подтопленное бревно. Большинство волн побегут дальше, словно не встретив никакого препятствия, но малая часть откатится назад. Так и со светом: большая часть волн проникнет сквозь окно, а меньшая — отразится.

Это очень простое объяснение того, почему вы видите в оконном стекле свою собственную персону. Оно явно не подразумевает ничего такого, что имело бы отношение к фундаментальным основам реальности. Однако впечатление обманчиво. Свет — совсем не то, что нам кажется. У него в запасе имеется хитрость, которая опрокидывает эту простую картинку и ставит все с ног на голову. В двадцатом веке физики обнаружили ряд эффектов, из которых следовало, что свет распространяется не как рябь по воде, а как поток частиц, летящих подобно пулям. Взять хотя бы эффект Комптона, выявивший нечто странное в том, как свет отскакивает от электрона — или, иначе говоря, «рассеивается» на нем. Электрон был открыт в 1897 году кембриджским физиком Джозефом Джоном («Джей-Джей») Томсоном. Эта крохотная частица оказалась намного меньше атома и, по сути, представляла собой его ключевую составляющую.

В 1920 году американский физик Артур Комптон решил разобраться, что же происходит со светом, когда он попадает на электрон. Комптон исходил из того, что световая волна должна отскакивать от электрона, подобно тому как волна на реке отражается от буйка. Если вы это видели, то знаете, что в этом случае размер волны — или ее «длина» — остается неизменным. Иными словами, расстояние между соседними гребнями одно и то же как для набежавшей волны, так и для отраженной.

Однако в эксперименте Комптона все было совсем не так. После того как световая волна отражалась от электрона, ее длина увеличивалась. И чем сильнее изменялось направление движения света в результате столкновения, тем больше менялась длина волны. Получалось, что простой «отскок» волны от электрона волшебным образом превращал голубой свет, характеризующийся короткой длиной волны, в красный, у которого длина волны больше [5]. Выходит, длинные — «вялые» — волны обладают меньшей энергией, чем короткие — «буйные». Эксперимент словно бы говорил Комптону: когда свет «отскакивает» от электрона, он каким-то образом теряет энергию.

Комптон мысленно рисовал картины того, что происходит со светом и электроном, и эти картины были абсолютно противоестественные. Свет в его опытах вел себя как угодно, но только не так, как ведет себя волна, отразившаяся от буйка. Чем больше Комптон думал об этом, тем больше осознавал, что свет ведет себя как бильярдный шар, столкнувшийся с другим бильярдным шаром. Когда по шару ударяет биток, шар отскакивает, унося с собой некоторую часть энергии битка. При этом биток неизбежно теряет энергию. В те времена считалось, что электроны похожи на крохотные бильярдные шары, а свет — это нечто вроде ряби, распространяющейся в пространстве, подобно тому как волны бегут по воде. Однако опыты Комптона говорили ясно и четко: вопреки свидетельствам, копившимся столетиями, свет тоже должен состоять из частичек, похожих на крошечные бильярдные шары. За свою революционную работу, установившую корпускулярно-волновую природу света, Комптон в 1927 году получил Нобелевскую премию по физике.

Еще одно доказательство того, что свет ведет себя, как поток частиц, — это фотоэффект, знакомый каждому, кто видит, как двери в супермаркете, если к ним приблизиться, расступаются, словно воды Красного моря перед Моисеем. Двери расходятся по той причине, что нога входящего пересекает луч света. Этот луч постоянно освещает фотоэлемент — устройство, в котором содержится некий металл, способный с легкостью разбрызгивать вокруг электроны, когда на него попадает свет. Это происходит потому, что в таком металле электроны не так уж крепко держатся за свои атомы и энергии света оказывается достаточно, чтобы они пустились в свободный полет. Когда какой-то предмет перекрывает луч света, фотоэлемент оказывается в тени, и атомы перестают брызгать электронами. Система налажена таким образом, что, стоит потоку электронов прерваться, дверь открывается.

Но какое же отношение имеет фотоэффект к корпускулярной природе света? Если свет — это волна, то практически невозможно объяснить, как она может эффективным образом сообщать энергию крохотным, локализованным в пространстве электронам. Типичная световая волна, бегущая от источника излучения, должна взаимодействовать с большим количеством электронов, распределенных по поверхности металла. Неизбежно одни электроны будут «выбиты» позднее, чем другие. В сущности, вычисления показывают, что некоторые электроны покинут свои орбиты аж через десять минут после первых. Вообразите, что поток частиц формируется в фотоэлементе столько времени! Это означает, что посетители супермаркета будут десять минут толпиться перед закрытыми дверями.

Однако все обретает смысл, если представить, что свет состоит из крошечных частиц и каждая взаимодействует с конкретным электроном в металле. Вместо того чтобы постепенно распределять свою энергию среди большого количества электронов, свет, представленный этими частицами — «фотонами», — наносит точечные удары. Каждый фотон не только выбивает один электрон, но делает это сразу, а не после десятиминутной паузы. Именно благодаря корпускулярной природе света вы попадаете в супермаркет без всяких задержек.

Эйнштейн именно так и объяснил фотоэффект: как работу крошечных порций — «квантов» — света. За это он был удостоен Нобелевской премии по физике 1921 года. Многие нашли это странным. Они удивлялись, почему Эйнштейн не получил премию за свою «относительность» — теорию, которая сделала его знаменитым и навсегда изменила наши представления о пространстве и времени. Сам Эйнштейн, однако, считал «относительность» естественным и даже не слишком выдающимся продуктом физики XIX века [6]. А в «кванте», стоящем особняком среди его достижений, он видел единственную по-настоящему революционную идею своей жизни.

Эйнштейн опубликовал работу о существовании квантов в тот же «год чудес» — 1905-й, — когда он познакомил мир и со своей теорией относительности. Пятью годами раньше, в 1900 году, немецкий физик Макс Планк нашел способ объяснить загадку жара, исходящего от печи, предположив, что атомы могут колебаться («вибрировать») только на определенных — «разрешенных» — уровнях энергии и эти уровни в количественном смысле должны быть кратны какой-то базисной порции энергии — кванту. Сам Планк полагал эти кванты не более чем математическим трюком, не имеющим особого физического смысла. Эйнштейн оказался первым, кто увидел в квантах физическую реальность: они были летящим сквозь пространство потоком фотонов в луче света.

Спичечный коробок, проглотивший сорокатонный грузовик

Собственно говоря, сам факт того, что в определенных обстоятельствах свет ведет себя, как крошечные локализованные частицы, мы должны признать, взяв для примера самый обыденный из всех окружающих нас предметов: электрическую лампочку. Ее нить испускает свет, а наш глаз этот свет поглощает. Причина того и другого должна обнаружиться в том, из чего состоят нить накаливания и наша сетчатка. А они, как и все вещество во Вселенной, состоят из атомов.

Эта идея принадлежит греческому философу Демокриту. Примерно в 440 году до нашей эры он подобрал камень или ветку, а может, это был глиняный сосуд и спросил себя: «Если я разрежу эту штуку пополам, а затем каждую половинку разрежу тоже пополам, смогу ли я заниматься этим разрезанием до бесконечности?» И сам же себе ответил: нет, не смогу. Непостижимо, чтобы вещество можно было резать и резать без конца. Демокрит понял: рано или поздно дело должно дойти до такого зернышка вещества, которое уже невозможно разрезать пополам. По-гречески «неразрезаемый» — «а-томос», поэтому Демокритовы предельные зернышки вещества стали называть «атомами».

На самом деле Демокрит пошел дальше и объявил, что атомы бывают разных типов — сейчас сказали бы, что они вроде микроскопических кирпичиков «Лего», — и, составляя их по-всякому, можно получить, например, розу, или облако, или сверкающую в небе звезду. Главная мысль заключалась в том, что реальный мир в конечном счете зернист и состоит из крошечных твердых ядрышек вещества. Что уж говорить, эта идея, несомненно, выдержала проверку временем [7].

Атомы чрезвычайно малы. Внутри булавочной головки — «по линеечке» — их уместилось бы больше миллиона. Поэтому подтвердить существование атомов оказалось нелегко. В научную эпоху было собрано множество косвенных доказательств. Тем не менее удивительно, что до 1980 года никто так и не умудрился «увидеть» атомы — для этого понадобилось устройство, названное сканирующим туннельным микроскопом (СТМ), которое изобрели два физика из лаборатории «Ай-Би-Эм» в Цюрихе.

СТМ принес Герду Биннигу и Генриху Рореру Нобелевскую премию по физике за 1986 год. По существу, принцип действия устройства таков: микроскоп ведет микроскопическим «пальцем» по поверхности материала, ощущая крохотные подвижки этого «пальца», когда он проходит над атомами, так же, как слепой чувствует неровности чужого лица, когда касается его пальцами. И так же, как слепой рисует в воображении ощупываемое им лицо, СТМ рисует на дисплее компьютера атомный пейзаж, по которому он путешествует.

С помощью СТМ Бинниг и Рорер стали первыми людьми в истории, которые, подобно богам, взглянули сверху вниз на микроскопический мир атомов. И то изображение, что проплывало перед их глазами на экране, было именно тем, что представлялось в воображении Демокриту 2500 лет назад. Атомы походили на крохотные теннисные мячи. Они были точь-в-точь как яблоки, сложенные в коробке. В истории науки нет иного примера, чтобы кто-то сделал предсказание столь задолго до экспериментального подтверждения. Если бы только у Биннига и Рорера была машина времени… Они переместили бы Демокрита в свою лабораторию в Цюрихе, поставили бы его перед этим поразительным изображением и сказали: «Смотри, ты был прав». Как художники, умершие в безвестности, никогда не узнают, что их слава достигла заоблачных высот, а полотна продаются за десятки миллионов фунтов стерлингов, так и ученые могут не дожить до той поры, когда их идеи встретят ошеломляющий успех.

Однако атомы, как стало ясно уже довольно давно, — вовсе не предельные зернышки вещества. Их составляют более мелкие частицы. Тем не менее идея Демокрита о том, что материя не бесконечна в своей делимости и в пределе состоит из зернышек, по сей день жива и здравствует, только ныне в мантию неделимых зерен природы облачились «кварки» и «лептоны». И все же, как выясняется, кварки не столь уж важны, когда дело доходит до встречи света с материей в нашему глазу или в лампе накаливания. Когда свет испускается или поглощается, то испускают или поглощают его именно атомы. И здесь скрывается большая проблема.

Согласно нашей теории материи, атомы — это мельчайшие, локализованные в пространстве штучки, похожие на крошечные бильярдные шары. Свет же — это совсем другая штука: он размыт, распределен в пространстве, как рябь на поверхности пруда. Возьмем видимый свет. Удобная мера для определения его «величины» — это длина волны: расстояние между двумя ближайшими точками волны, находящимися в одинаковой фазе колебания — это если говорить строго, — или по-простому — расстояние между двумя соседними гребнями. Длина волны видимого света примерно в пять тысяч раз больше атома. Представьте, что у вас есть коробок спичек. Вы открываете его, и из него на вас выезжает сорокатонный грузовик. Или же сорокатонный грузовик проезжает мимо, вы открываете коробок, и грузовик исчезает внутри. Смешно? Но это в точности тот самый парадокс, который происходит на границе, где свет встречается с материей.

Как атом в нашем глазу может поглотить нечто, в пять тысяч раз большее, чем он сам? Как атом в нити накаливания электрической лампочки может выдавить из себя нечто, в пять тысяч раз превышающее его размеры? В одной из своих телепрограмм Рэй Мирс, британский путешественник, писатель и эксперт по выживанию в условиях дикой природы, сказал: «Ничто не входит в змею так хорошо, как другая змея». Применим эту логику к границе между светом и материей. Если свету суждено «войти» в маленький, конкретно расположенный атом, то он сам должен быть маленьким и конкретным. Проблема в том, что существуют тысячи примеров (самый известный — это эксперимент Томаса Юнга[8] с двумя прорезями), когда свет проявляет себя как распространяющаяся волна.

Вот в первые десятилетия двадцатого века физики и нарезали круги вокруг этой проблемы, отчаянно пытаясь разрешить парадоксы подобного рода. Как писал немецкий ученый Вернер Гейзенберг: «Я вспоминаю многие дискуссии с Бором, длившиеся до ночи и приводившие нас почти в отчаяние. И когда я после таких обсуждений предпринимал прогулку в соседний парк, передо мною снова и снова возникал вопрос, действительно ли природа может быть такой абсурдной, какой она предстает перед нами в этих атомных экспериментах»[9].

Парадокс, возникающий, когда некая теория предсказывает при определенных обстоятельствах один результат, а другая теория при тех же условиях диктует нечто совершенно иное, зачастую бывает весьма и весьма плодотворен. Он показывает, что по крайней мере одна теория ошибочна. И чем крупнее, чем обоснованнее теории, которые вступают в драку, тем революционнее последствия такой схватки. Вот случай, когда свет испускается лампочкой или поглощается вашим глазом: на этот счет есть две теории, которые предсказывают прямо противоположные вещи, — волновая теория света и атомная теория строения вещества. И это две крупнейшие и наиболее обоснованные теории из всех известных.

Какая же из них ошибочна? Физики пришли к совершенно невероятному заключению: ошибочны — обе. А можно сказать и так: не ошибается ни та, ни другая. Свет — это одновременно и волна, и частица. Или, скорее, это некая сущность, для описания которой у нас просто нет слов, и в окружающем нас мире нет ничего, с чем его можно было бы сравнить. Свет принципиально непостижим — как для существ, скованных двухмерным миром листа бумаги, непостижим трехмерный объект: у этих существ нет понятий «вверх»/«над» или «вниз»/ «под». Все, что они могут познать, — это «тень» объекта, однако «двухмерники» никогда не постигнут трехмерный предмет во всей его полноте. Таким же образом и свет — не волна и не частица, а «нечто иное», чего нам никогда не постичь полностью. Все, что мы видим, — не более чем «тени» света; в одних обстоятельствах этот «объект» поворачивается к нам волновой гранью, в других — корпускулярной.

Совершенно очевидно: атомы испускают свет. Но столь же очевидно, что видимый свет в тысячи раз больше атомов, которые его испускают. Оба факта неопровержимы. Таким образом, единственный способ разрешить сей парадокс — это принять нечто, что звучит как чистейшее безумие: свет одновременно в тысячи раз больше атома и меньше его. Он одновременно рассеян в пространстве и локализован в нем. Он одновременно и волна, и частица. Когда свет несется в пространстве, он ведет себя как рябь на поверхности пруда. Однако же когда свет поглощается или испускается атомами, он ведет себя, как очередь крошечных пулек, выпущенных из микроскопического автомата. Вообразите, что вы стоите возле пожарного гидранта на нью-йоркской Таймс-сквер и одновременно, подобно туману, растекаетесь по Манхэттену. Смешно? Да. Тем не менее свет именно таков.

Картина волновой природы света оказалась верна. Однако и картина корпускулярной природы света тоже оказалась верна. Как ни парадоксально, но свет — это и волна, и частица.

Мир, который противоречит здравому смыслу

А должны ли мы вообще удивляться, обнаружив, что свет принципиально отличается от всего остального в окружающем нас мире? Должны ли мы удивляться тому, что он не постижим во всей его полноте, что его свойства бросают вызов нашей интуиции и противоречат здравому смыслу? Пожалуй, здесь нелишне будет разобраться, что мы имеем в виду, говоря «интуиция» или «здравый смысл». В сущности, «здравый смысл» — это объем информации, которую мы накопили в поисках объяснений того, как работает окружающий нас мир. В эволюционном смысле мы нуждались в этой информации, чтобы выжить в африканской саванне посреди существ, которые были больше, быстрее и свирепее нас. Выживание зависело от того, обладаем ли мы зрением, достаточным для того, чтобы различать относительно большие объекты между собой и горизонтом, обладаем ли мы слухом, позволяющим распознавать сравнительно низкие звуки, и так далее. Для нашего выживания не было никакой эволюционной ценности в тех органах чувств, которые выводили бы нас за пределы мира, непосредственно нас окружавшего, — например, нам не нужны были глаза, способные различить микроскопическое царство атомов. Поэтому у нас и не развилось ни малейшей интуиции применительно к этой области. Таким образом, нас не должно удивлять, что, когда мы приступили к исследованию царства, неизмеримо меньшего, чем окружающий нас повседневный мир, мы обнаружили там вещи, которые идут вразрез с нашей интуицией. Атом примерно в 10 миллиардов раз меньше человека. Было бы странно, если бы он хоть в малой степени вел себя как футбольный мяч, или стол, или стул, или что бы то ни было еще, принадлежащее к миру, воспринимаемому нашими чувствами.

Первым человеком, который осознал, что фундаментальная реальность, служащая основой нашего повседневного мира, абсолютно на этот мир не похожа, был шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879), пожалуй, самый значительный физик в период между Ньютоном и Эйнштейном (прискорбный факт: Максвелл умер всего в 48 лет от рака желудка). Его величайшим триумфом — это было в 1860-е годы — стало то, что он свел все магнитные и электрические феномены к небольшому, аккуратному набору формул. «Уравнения Максвелла» настолько компактны, что вы смогли бы записать их на обороте почтовой марки (если, конечно, у вас достаточно мелкий почерк!).

До Максвелла физики выстраивали картину мира, оперируя образами вещей, которые они видели вокруг себя. К примеру, они рассуждали о Ньютоновой «часовой Вселенной», предполагая гигантский часовой механизм мироздания, который когда-то был заведен и продолжает тикать с абсолютной регулярностью. Поначалу Максвелл ничем не отличался от этих ученых. Например, пытаясь понять, как магнит дотягивается до кусочка металла, а затем приближает его к себе, он воображал, что пространство между магнитом и металлом заполнено невидимыми передаточными колесиками с зубчиками. Колесико, тесно прижатое к магниту, поворачивает своими зубчиками соседнее колесико, то поворачивает следующее, и так далее. Подобным образом сила передается от магнита к металлу. Когда эта картина не совпала с его наблюдениями магнитных явлений, Максвелл модифицировал ее, вообразив, что колесики сделаны из пружинистого материала и, вертясь, они немного прогибаются. Когда не сработало и это, ученый в отчаянии возвел к небу руки и распрощался с подобными «механическими» моделями. Он понял, что природа не сравнима ни с чем из того, что окружает нас в повседневной жизни.

Вместо невидимых крутящихся колесиков Максвелл вообразил нечто, не имеющее никаких аналогий в повседневном мире, — призрачные электрические и магнитные «силовые поля», пронизывающие пространство. Это был полный раскол с прежними представлениями — раскол, подобный сейсмическому разрыву. В долгосрочной перспективе прозрение Максвелла раскрепостит ученых, даст возможность Эйнштейну вообразить гравитацию как искривление четырехмерного пространства-времени и позволит физикам нашего времени сформулировать гипотезу о том, что фундаментальные структурные элементы материи — это крошечные струны массы-энергии, вибрирующие в невообразимом пространстве десяти измерений.

Однако потребовалось немалое время, чтобы физики усвоили серьезный урок Максвелла и осознали: в своих попытках понять фундаментальную реальность они должны обходиться без страховочной сетки житейской интуиции. По сути, этот урок еще не был усвоен, когда в первом десятилетии двадцатого века произошло титаническое столкновение между теориями света и материи — столкновение, которое породило корпускулярно-волновую теорию света.

Бог все-таки играет в кости

Представим себе, что свет ведет себя, как поток частиц (собственно, это его поведение и служит предметом нашего разговора в данной главе). Такое представление очень важно для того, чтобы понять, каким образом мы видим отражение собственного лица в оконном стекле. Почему же оно столь важно? А вот почему. Если свет — это волна (вспомним волну от катера, которая частично перекатывается через подтопленное бревно, а частично от него отражается), то объяснить отражение в окне не составляет никакого труда. Но если свет — это поток частиц, несущихся как пули, то объяснение феномена отражения превращается в дьявольски трудную задачу. Ведь все фотоны одинаковы. Однако если все они одинаковы, то и преграда в виде оконного стекла должна одинаково на них воздействовать. Либо все они проходят сквозь стекло, либо все — отражаются. Каким же образом проходят только 95 % фотонов, а 5 % все-таки отскакивают назад?

Это классический случай физического парадокса — ситуации, когда некая теория — в данном случае корпускулярная теория света — предсказывает одно, а здравый смысл говорит нам нечто противоположное. Наш опыт, несомненно, заслуживает доверия — мы и в самом деле можем видеть как пейзаж за окном, так и размытое отражение собственного лица в оконном стекле. Следовательно, что-то не так с нашим представлением о фотонах.

Существует только одна логическая возможность: у каждого фотона есть 95 шансов из 100 проскочить сквозь стекло и пять шансов — отразиться. Это обстоятельство кажется совершенно безвредным, однако на самом деле оно — настоящая бомба, сброшенная в самое сердце физики. Потому что если нам известны только шансы (правильнее говорить — «вероятность») фотона пройти сквозь окно или отскочить от стекла, то это означает только одно: мы теряем всякую надежду узнать в точности, что произойдет с отдельным фотоном на самом деле. Как заметил Эйнштейн — по иронии судьбы первый ученый, предположивший существование фотона, — это катастрофа для физики. Поведение фотона никак не совмещалось с тем, что наука говорила ранее. Ведь физика была рецептом для абсолютно точного предсказания будущего. Если в полночь Луна вот в этой точке небосвода, то, опираясь на Ньютонов закон тяготения, мы со стопроцентной уверенностью можем предсказать, что завтра в это же время она будет вон в той точке. Однако возьмем фотон, ударяющийся об оконное стекло. Мы никогда не сможем с уверенностью предсказать, как он себя поведет. Проскочит фотон или отразится — вопрос чистой, ничем не омраченной случайности, его взаимоотношения со стеклом определяются исключительно капризами шансов.

Случайность такого рода вовсе не похожа на случайность при броске игральных костей или вращении колеса рулетки. Она куда более фундаментальна и куда более… зловеща. Если бы мы знали все мириады сил, воздействующих на игральные кости, то любой физик, который обладает мощным компьютером и которому не занимать настойчивости и терпения, мог бы предсказать результат, основываясь просто-напросто на законах механики Ньютона. Проблема в том, что на траекторию движения костей воздействует слишком много факторов — импульс, сообщенный игроком, потоки воздуха в окружающем пространстве, шероховатости стола и так далее. Никто не в состоянии учесть все эти факторы, чтобы точно предсказать результат броска костей.

Однако вот в чем мы должны отдавать себе отчет: наше незнание всех факторов, воздействующих на вращение костей, — всего лишь вопрос практики. Нет ничего невероятного в том, что когда-нибудь в будущем некий упорный человек (понятно, что он должен будет располагать немалым временем) сумеет с требуемой точностью определить все силы, воздействующие на кости. Штука в том, что исход броска костей не непредсказуем по существу. Он непредсказуем лишь на практике.

Вернемся к нашему фотону. Как он поведет себя, столкнувшись с оконным стеклом, предсказать абсолютно невозможно — и не только на практике, но в принципе. Причем совершенно не важно, знаем мы или не знаем все факторы, воздействующие на его поведение. Тут просто нет факторов, которых мы можем не знать. Фотон проходит сквозь оконное стекло или отскакивает от него исключительно в силу собственной извращенности — без всякой на то причины.

В нашей повседневной жизни каждое событие порождается каким-либо другим событием. Следствию всегда предшествует причина. Число, выпавшее на игральных костях, — результат воздействия множества сил. Вы идете по улице и вдруг спотыкаетесь, потому что одна из плиток, которыми вымощен тротуар, расшаталась и ваша подошва задела за выступ. Однако тому, что происходит с фотоном при встрече с окном, не предшествуют никакие события. Это следствие без причины. Вероятность выпадения «шестерки» на игральной кости может быть определена в принципе, но с фотоном все иначе: вообще нет никакого события, из которого может быть выведена вероятность его прохождения сквозь стекло, тут не существует никакого скрытого механизма, жужжащего под оболочкой реальности. Это фундаментальная основа природы, ее нижний этаж. Глубже ничего нет. По какой-то таинственной причине Вселенная просто так устроена [10].

Тот род непредсказуемости, который характерен для поведения фотонов, когда они встречаются с оконным стеклом, характерен для их поведения и во всех остальных мыслимых обстоятельствах. В сущности, это типично для поведения не только фотонов, но и всех остальных обитателей микроскопического мира атомов и их составных частей — фундаментальных кирпичиков реальности. Атом радия может расщепиться или «распасться». Его ядро при этом взорвется подобно маленькой гранате. Однако нет абсолютно никакой возможности точно предсказать, когда именно самоуничтожится ядро отдельно взятого атома радия; есть лишь вероятность того, что это произойдет в течение определенного периода.

Непредсказуемость микроскопического мира не похожа ни на что из того, с чем люди сталкивались когда-либо ранее. Это нечто совершенно новое под солнцем. Вот почему Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике за то, что, исследовав фотоэффект, пришел к выводу о корпускулярной природе света, а вовсе не за теорию относительности. Он — а вместе с ним и Нобелевский комитет — понимал, что это по-настоящему революционное открытие.

Признание того, что микроскопический мир подчиняется неумолимой, неодолимой случайности и управляется шансами, стало, пожалуй, самым поразительным открытием в истории науки. Это настолько испугало Эйнштейна, что он произнес свое знаменитое: «Бог не играет в кости со Вселенной». (Великий физик Нильс Бор, один из первопроходцев квантового мира, ответил: «Перестаньте говорить Богу, что ему делать со своими игральными костями».) Эйнштейн упорно отказывался верить, что на фундаментальном уровне Вселенной события происходят просто так, без всякой причины. Горькая ирония, не ускользнувшая от Эйнштейна, заключалась в том, что именно он оказался человеком, который, утвердив существование фотона, нечаянным образом впустил джинна случайности в самое сердце физики [11].

Эйнштейн был встревожен тем, что остальные физики 1920-х годов приняли квантовую идею как данность, а значит, приняли и то, что события могут происходить беспричинно. Однако интуиция Эйнштейна подсказала ему нечто важное. Если голую, неприкрытую случайность впустить в самое сердце мира, это неизбежно породит куда более ужасные последствия — последствия настолько устрашающие, считал он, что физики будут просто вынуждены расстаться с квантовой идеей. Эти мысли одолевали его вплоть до 1935 года, и наконец Эйнштейн нашел то, что искал. Работая с двумя другими физиками — Натаном Розеном и Борисом Подольским, — он пришел к следующему выводу: если квантовая теория верна, тогда два атома с неумолимостью должны будут оказывать мгновенное влияние друг на друга, даже если они находятся в разных концах Вселенной.

Чтобы понять, как Эйнштейн пришел к этому выводу, сделаем небольшое отступление. Эта глава началась с утверждения, что отражение лица в оконном стекле легко объяснить, если свет — это волна, подобная ряби на пруду. Однако нигде не было упомянуто, каким образом мы вообще заподозрили, что свет — это волна. Ведь в конце-то концов он вовсе не похож на волну.

Свет — это действительно волна

Ученым, который продемонстрировал волновую сущность света, был англичанин Томас Юнг. Человек энциклопедических знаний, он первым совершил прорыв в расшифровке египетских иероглифов на Розеттском камне, а также предположил, что в глазу должны существовать отдельные рецепторы для трех основных цветов — синего, зеленого и красного. Однако главным достижением Юнга было, бесспорно, раскрытие волновой природы света.

У Юнга было серьезное подозрение, что свет скорее похож на волну, чем на поток подобных пулям «корпускул», как то полагал Ньютон. В 1678 году голландский физик Христиан Гюйгенс догадался, что если представить свет как волну, бегущую в пространстве, то можно объяснить многие оптические явления — например, отражение света в зеркале либо изменение направления, или «преломление», луча света в плотной среде, такой, как стекло. Гюйгенсова волновая теория даже предсказала правильное преломление луча света, когда он попадает из воздуха в стеклянный блок, тогда как у теории Ньютона это не очень-то получалось (во всяком случае, требовались некоторые ухищрения). Однако Ньютон имел такую высокую репутацию — в науке он был уже почти богом, — что на теорию Гюйгенса не обратили особого внимания. Пока не появился Юнг.

Какова главная характеристика волнового движения? При наложении разных волн друг на друга они попеременно то усиливаются, то гасятся. Волны усиливаются, когда максимум одной волны совпадает с максимумом другой (это называется «усиливающая интерференция»), и они гасятся, когда максимум одной волны попадает на минимум другой («ослабляющая интерференция»). Эта «интерференция» действует просто гипнотически, если наблюдать за ней в луже, когда идет дождь. Концентрические круги от падающих капель расходятся, пересекаются, проходят друг через друга, и крохотные волны то усиливаются, то сходят на нет.

Юнг знал об этом эффекте. Ему также было известно, что подобное происходит со светом, но эту картину уже не увидишь невооруженным глазом, можно только понять, что гребни световых волн отделены друг от друга куда меньшими расстояниями, чем толщина человеческого волоса — одна из самых малых вещей, доступных человеческому зрению. Сделать интерференцию таких крошечных волн видимой было серьезнейшей задачей, настоящим вызовом природе, и это еще мало сказать. Но Юнг оказался на высоте.

Главное, понял он, — это создать два одинаковых источника концентрических волн, похожих на те, что расходятся от двух дождевых капель, проколовших тонкую поверхностную пленку пруда. Поскольку волны пересекаются, они должны интерферировать. Там, где будет ослабляющая интерференция, возникнет темнота; а в местах усиливающей интерференции возрастет яркость. Темные и светлые участки будут перемежаться. Чтобы увидеть их, достаточно поместить некое подобие белого экрана туда, где концентрические волны станут накладываться друг на друга. Там-то и обнаружится интерференция в виде чередующихся светлых и темных полос, как у зебры (мы бы сказали — как на штрихкоде, что можно увидеть на любом продукте в супермаркете).

Для успеха эксперимента Юнгу было очень важно, чтобы излучаемый свет был одного цвета или, во всяком случае, как можно ближе к одному цвету. Ныне известно, что различным цветам света соответствуют разные размеры волны, или «длины волны». Так, расстояние между гребнями у волны красного света примерно вдвое больше, чем у волны синего. Возможно, Юнг подозревал это. Для демонстрации интерференции требовалось полное усиление и полное ослабление накладывающихся друг на друга волн, а это было возможно только в том случае, если свет был одного цвета.

В 1801 году Юнг создал свои два источника концентрических волн, направив свет с одной стороны на непрозрачный экран с близко расположенными параллельными прорезями. С другой стороны экрана свет выходил из каждой прорези, распространялся дальше и проходил сквозь свет из соседней прорези. Там, где волны должны были наложиться друг на друга, Юнг поместил белый экран. И увидел на нем, к своей нескрываемой радости, чередование светлых и темных полос — верный признак интерференции. Вне всякого сомнения, свет оказался волной. Причина, по которой это не видно невооруженному глазу, заключалась в том, что световые волны слишком малы: всего лишь тысячная доля миллиметра от гребня до гребня [12]. Почему же нам важно знать про этот эксперимент начала XIX века, который продемонстрировал волновую природу света? Да потому, что эксперимент Юнга с двойными прорезями на этом не закончился. Никоим образом. В двадцатом веке он продолжился, но уже в новом воплощении. И вот что поразительно: в наше время этот эксперимент демонстрирует не волновой характер света, а нечто совершенно иное — нечто почти невероятное. Он демонстрирует, что одна, отдельно взятая микроскопическая сущность — фотон или атом — может находиться в двух местах одновременно.

Волна информирует частицы

Вспомним, что Юнг освещал одноцветным светом, или светом с одной длиной волны, непрозрачный экран, в котором были проделаны две близко расположенные параллельные прорези. Каждая прорезь служила источником вторичной световой волны для соседней прорези, так же как два упавших в пруд камня, «работая» совместно, становятся источниками двух наборов концентрических кругов. Волны от двух камней, проходя друг сквозь друга, попеременно усиливаются и ослабевают, и то же самое происходит со световыми волнами, исходящими из двух прорезей. Там, где они усиливаются, свет становится ярче; там, где они гасят друг друга, свет затухает, оставляя вместо себя темноту. Юнг поместил второй экран там, где волны накладываются друг на друга. И любой мог увидеть на экране перемежающиеся полосы света и темноты. Вне всякого сомнения, свет был волной.

Однако он также представляет собой поток частиц — и это опять-таки вне всякого сомнения. Артур Комптон доказал, что свет отскакивает от электронов, словно бы он состоял из крошечных биллиардных шаров, а кроме того, есть еще фотоэффект, при котором отдельные частицы света выбивают отдельные электроны из поверхности металла. И вот вопрос вопросов: как примирить это с экспериментом Юнга?

Подумаем о фотонах видимого света. Каждый несет очень мало энергии. Вот почему до Эйнштейна никто не замечал их существования. Если бы фотоны несли большое количество энергии, тогда при включения света с помощью светорегулятора яркость сразу поднималась бы резкими скачками до некоего минимального уровня, затем удваивалась бы, утраивалась бы, и так далее. Мы никогда не увидели бы, что лампочка разгорается медленно. А причина медленного разгорания лампочки в том, что отдельные фотоны несут очень мало энергии и скачки яркости — хотя они наличествуют — настолько мизерны, что неразличимы невооруженным глазом.

В эксперименте Юнга источник света также излучал триллионы триллионов крошечных фотонов. Хотя это объясняет, почему корпускулярная природа света не доступна глазу, мы тем не менее не получаем ясного ответа на вопрос, каким образом фотоны «сговариваются», чтобы выстроить интерференционный узор из темных и светлых полосок — явственный признак того, что перед нами волны, а не частицы. Один возможный ответ такой: когда наличествует много фотонов, их корпускулярная природа каким-то образом затушевывается, уступая место волновой природе, — словно бы фотоны теряют свою индивидуальность, как отдельный человек теряется в толпе болельщиков на футбольном матче. Но что, если мы заставим свет проявить его корпускулярную природу? Это можно сделать, использовав для эксперимента Юнга такой слабый источник света, что он будет испускать не триллионы триллионов фотонов, а очень немного, буквально единицы. Если источник света будет настолько слаб, что фотоны станут проходить сквозь прорези в экране по одному, да еще с большими интервалами, тогда не останется сомнений в том, что мы имеем дело с частицами.

Человеческий глаз не может разглядеть отдельные фотоны, так что их попадание на второй экран останется незамеченным. Однако это препятствие можно преодолеть, расположив на поверхности экрана множество чувствительных детекторов, способных регистрировать отдельные частицы света. Представим их как крошечные ведерки, которые ловят фотоны так же, как обыкновенные ведра собирают дождевые капли. Если фотонные ведерки подсоединить к компьютеру, то все, что в них поймалось, появится на экране, став таким образом видимым для человека.

Что же мы ожидали бы увидеть, доведись нам создать такую высокотехнологичную версию эксперимента Юнга? Ну, мы ведь знаем, что вся суть интерференции в том, что она берет две волны и смешивает их, заставляя «интерферировать» между собой. В случае с экспериментом Юнга два набора волн, подобно наборам концентрических кругов, появляются из двух прорезей в непрозрачном экране. Однако если фотоны появляются перед экраном по одному, с большими временными интервалами, то резонно предположить, что в единицу времени сквозь экран будет проходить только один фотон — он выскочит по ту сторону экрана либо из одной прорези, либо из другой. У такого одинокого фотона не будет пары, с которой он мог бы смешаться. Интерференция невозможна. Если такой эксперимент будет продолжаться довольно долго и через прорези пройдет весьма много фотонов, которые усеют второй экран, то рисунок на экране компьютера будет совсем прост: две параллельные яркие линии — отображение двух прорезей.

Однако в реальности происходит совсем не это.

Поначалу экран компьютера вроде как показывает, что фотоны дождем обрушиваются на весь второй экран, словно ими наобум палят из какого-нибудь пулемета. Однако по мере хода эксперимента образуется нечто поразительное. Медленно, но верно начинает вырисовываться некий узор — словно Лоуренс Аравийский появляется из песчаной бури: этот узор состоит из фотонов, перехваченных крошечными световыми ведерками (напомним: по одному в каждую единицу времени). И это не просто какой-то там узор. Это узор из перемежающихся темных и светлых полос — точь-в-точь та самая интерференционная картина, которую Юнг увидел в 1801 году. Но как такое возможно? Интерференция образуется при смешивании волн из двух источников. Здесь же свет настолько слабый, что легко доказать: он состоит именно из частиц — в конце концов, световые детекторы отщелкивают их по штуке в единицу времени, — и ни один фотон не имеет пары, с которой он мог бы смешаться.

Добро пожаловать в сумасшедший, потусторонний мир квантов! Когда мы видели, что поведение фотонов не имеет абсолютно никаких причин, это было лишь началом безумия.

Судя по всему, фотоны, даже тогда, когда их очень мало и они явно представляют собой частицы, каким-то образом «осведомлены» о своей волновой природе. В конце концов они попадают на втором экране ровно в те места, где волны, которые выбегали бы из прорезей, усиливали бы друг друга, и усердно избегают тех мест, где волны гасились бы. Такое впечатление, будто с каждым фотоном ассоциирована некая волна, которая каким-то образом указывает ему, куда именно ему нужно прилететь, чтобы занять место на экране.

Примерно такую картину — правильно это или нет — держат в уме большинство физиков. Существует некая волна, ассоциируемая с фотоном. Она сообщает ему, куда двигаться и что делать. Но вот какая причуда. Это не реальная физическая волна, которую можно увидеть или потрогать, как волну на воде. Вместо реальности перед нами — нечто абстрактное, чисто математического свойства. В своем воображении физики рисуют картину, как эта волна, часто именуемая «волновой функцией», простирается в пространстве. Если волна большая, если у нее высокие максимумы, там велика вероятность (больше шансов) обнаружить фотоны, а в тех «местах», где волна маленькая, довольно плоская, там вероятность обнаружить фотон весьма мала. Можно сказать несколько точнее: шансы на обнаружение частицы (вероятность ее нахождения) в некоем месте пространства определяются квадратом высоты квантовой волны в этом месте. Квантовые волны могут смешиваться и интерферироваться, и, когда это происходит, возникает интерференционный узор, который показывает, где скорее всего обнаружатся фотоны.

Такую картину трудно уложить в голове. Но во всяком случае, она дает нам намек на фундаментальную двойственность природы. Не только световые волны могут вести себя как частицы — фотоны, — но и фотоны могут вести себя как волны, пусть даже волны эти абстрактные, квантовые.

Как уже говорилось, последствия того, что волны ведут себя подобно частицам, просто сногсшибательны. Миром фотонов — и всех остальных частиц — в конечном итоге дирижирует случай, Его Величество шанс. Но получается, что последствия волнового поведения фотонов не менее сногсшибательны. Один-единственный фотон может быть в двух местах одновременно (или делать две разные вещи одновременно) — это все равно как если бы вы пребывали в Лондоне и Париже в одно и то же время. Но как такое может быть? Поясню. Если фотоны могут вести себя как волны, следовательно, они умеют делать все то же самое, что делают волны. А волна умеет делать одну интересную вещь, и, хотя последствия этой «вещи» в повседневной жизни большого мира самые что ни на есть обыденные, в микроскопическом мире те же последствия иначе как фантастическими не назовешь.

В двух местах одновременно

Представьте себе море в штормовую погоду. По поверхности несутся большие валы, гонимые ветром. А теперь представьте море на следующий день, когда шторм уже прошел. Поверхность воды ровная, спокойная, если не считать небольшой зыби, мелкой ряби, создаваемой легким бризом. Что ж, теперь можно вообразить и другую картину: большие валы, на которых рябит мелкая зыбь. Между прочим, это и есть общая черта всех волн на свете. Если возможны две различные волны, то всегда возможна и комбинация этих двух волн. В случае океанских волн последствия этого вряд ли достойны упоминания. Однако в случае квантовых волн, «привязанных» к фотонам и диктующих, где им быть и что делать, последствия просто удивительны.

Представьте себе квантовую волну по одну сторону оконного стекла, у нее высокий гребень, поэтому вероятность того, что она обнаружится именно по эту сторону стекла, весьма велика. Теперь представьте себе вторую квантовую волну по другую сторону стекла, также с высоким гребнем. Ничего из ряда вон выходящего пока здесь нет. Но! Поскольку обе волны, каждая сама по себе, возможны, то и комбинация обеих этих волн, или их «суперпозиция», также возможна. В сущности, просто необходимо, чтобы она, эта суперпозиция, существовала. Однако это соответствует тому, что фотон — один фотон! — одновременно пребывает по обе стороны окна. Фотон одновременно и проходит сквозь стекло, и отражается. Но ведь это невозможно?!

Вернемся к эксперименту Юнга с двумя прорезями. Вспомним: чтобы на экране получился интерференционный рисунок, то, что вылетает из одной прорези, должно смешаться с тем, что вылетает из второй прорези. Можно посмотреть на это явление с точки зрения волн. В этом случае квантовые волны, ассоциируемые с каждым фотоном, концентрическими кругами расходятся из прорезей в непрозрачном экране. Но можно посмотреть на то же самое с точки зрения частиц. В этом случае каждый фотон, «упершись» в непрозрачный экран, оказывается в двух разных местах в одно и то же время. Это дает ему возможность пройти сквозь две прорези одновременно и смешаться с самим собой.

Способность фотона совершать две вещи за один присест — прямой результат того обстоятельства, что если возможны две волны, то и комбинация этих двух волн также возможна. Но природа не остановилась только лишь на двух волнах. Если возможно любое количество волн — три, 99 или 6 миллионов, — то возможна и комбинация всех этих волн. Фотон может делать одновременно не только две вещи — он способен делать одновременно сколь угодно много вещей.

Оказывается, есть уравнение — если хотите, рецепт, — которое точно предсказывает, каким именно образом квантовые волны, соответствующие фотону или чему бы то ни было еще, будут распространяться в пространстве. Это уравнение вывел австрийский физик Эрвин Шрёдингер. Его уравнение дает ответ на загадку квантового мира, а загадка эта вот какая: если Вселенная фундаментально непредсказуема и отдана на милость игральных костей, то почему же тогда окружающий мир настолько по большому счету предсказуем? Как получается, что мы почти с полной уверенностью можем предсказать: если человек попадет под дождь, то он промокнет; если солнце зашло вечером, то утром оно взойдет?

Уравнение Шрёдингера показывает: то, что природа забирает одной рукой, другой рукой она с неохотой возвращает обратно. Да, Вселенная фундаментально непредсказуема. Однако — вот он, ключик! — сама непредсказуемость предсказуема. Мы не можем знать наверняка, что будет делать фотон или какая-нибудь другая микроскопическая частица. Но с помощью уравнения Шрёдингера мы можем узнать вероятность того, что он будет делать это, или будет делать то, или поступит третьим образом, и так далее. А этого, оказывается, достаточно, чтобы гарантировать: мы живем по большому счету в предсказуемом мире.

Более того. Квантовая теория — самая успешная из всех когда-либо существовавших физических теорий. Ее предсказания соответствуют тому, что мы видим в экспериментах, с невероятной точностью — эта точность выражается числами просто с непотребным количеством знаков после запятой. Квантовая теория в буквальном смысле «сделала» современный мир: она дала нам не только лазеры, компьютеры и айподы, но также понимание того, почему солнце светит и почему земля под нашими ногами твердая. Ну не парадоксальна ли эта поразительно успешная теория? С одной стороны, она служит нам замечательным пособием по конструированию вещей и пониманию нашего мира, а с другой — открывает окно в мир «Алисы в Стране чудес», который куда более странен, чем все то, что род человеческий наизобретал за свою историю.

Мгновенное воздействие

Итак, фотон делает какие-то вещи без всякой на то причины или может находиться в двух местах одновременно. Если вы думаете, что все это очень плохо, то вы ошибаетесь — дальше будет еще хуже. И вот здесь на сцене снова появляются Эйнштейн, Розен и Подольский. Они ясно обозначили: то, что вытекало из квантовой теории, было, по их мнению, настолько нелепо, что все здравомыслящие люди просто обязаны выбросить эту теорию на свалку. Вспомним о корпускулярной природе световой волны, подразумевающей абсолютную непредсказуемость, и о волновой природе фотонов, которая дает им возможность оказываться в двух местах одновременно. А теперь представим, что эти две природы соединились. Как обнаружила группа Эйнштейна, результатом этого соединения станет новое, еще более диковинное, еще более «потустороннее» явление: мгновенная связь между разными точками пространства, даже если эти точки расположены в противоположных концах Вселенной.

На самом деле для того, чтобы такой фокус получился, требуется еще один, третий ингредиент. Но этот ингредиент настолько фундаментален, что он превосходит квантовую теорию. Речь идет о законе сохранения. Физики открыли несколько таких законов. Например, есть закон сохранения энергии. Он гласит, что энергия никоим манером не может быть создана или уничтожена, она может лишь переходить из одной формы в другую. Например, в лампе накаливания электрическая энергия превращается в энергию света и тепловую энергию. В наших мышечных тканях химическая энергия, по большому счету извлекаемая из пищи, преобразуется в механическую энергию движения мускулов.

В 1918 году одна из величайших невоспетых героинь науки, немецкий математик Эмми Нётер (1882–1935) сделала удивительное открытие в области физических законов сохранения. Она выявила, что эти законы всего лишь следствие глубинных «симметрий» природы — вещей, которые остаются одними и теми же, как и с какой стороны мы их ни разглядывали бы. Например, закон сохранения энергии вытекает из симметрии, именуемой «трансляция времени». Пояснить ее довольно просто. Допустим, мы наметили провести некий эксперимент. Так вот, мы можем осуществить его прямо сейчас, а можем «транслировать» (перенести) по оси времени, скажем, на неделю или год вперед — в любом случае, при прочих равных условиях, мы получим один и тот же результат. Еще одна глубинная симметрия в природе — это «вращательная симметрия». Предположим, проводя эксперимент, мы выстраиваем наше оборудование в направлении север — юг и получаем некий результат. Если теперь мы повернем оборудование и расположим его, скажем, по линии восток — запад, то результат будет тот же. Закон, который вытекает из этой невинной симметрии, — сохранение углового момента (это величина, характеризующая количество вращательного движения). Земля, вращающаяся на своей оси, обладает очень большим угловым моментом, поэтому она, судя по всему, будет вращаться еще очень и очень долго.

Оказывается, микроскопические частицы, такие, как фотон, обладают квантовым свойством, именуемым «спин» («спин» в переводе с английского — «верчение, кружение»). Подобно неодолимой случайности, царящей в квантовом мире, это «верчение» также не имеет никаких аналогов в нашей повседневной жизни. Насколько нам известно, фотоны, летя сквозь пространство, не вертятся, подобно Земле, вокруг своей оси. Спин фотона — вещь сугубо «внутренняя». Тем не менее фотон ведет себя так, будто и впрямь крутится. Точнее говоря, у него есть две возможности: фотон может вести себя так, как если бы он ввинчивался в пространство по часовой стрелке относительно направления своего движения, причем с определенной скоростью вращения, или же он может вести себя так, словно бы ввинчивался в пространство против часовой стрелки, с той же скоростью вращения.

Самое важное здесь то, что квантовый спин подчиняется закону сохранения углового момента. И закон этот, применительно к фотонам, гласит, что если два фотона созданы вместе, то их суммарный спин никогда не изменится. То есть один всегда будет вращаться по часовой стрелке, другой — против. Их спины гасят друг друга. Говоря на языке физиков, суммарный спин двух означенных фотонов равен нулю. В этом случае закон сохранения углового момента требует, чтобы суммарный спин оставался нулевым всегда или пока какой-нибудь процесс не разрушит сами фотоны.

Пока ничего особенного и тем более противоречивого здесь нет.

Однако рассмотрим реальный процесс, при котором создаются два фотона, вертящихся в противоположных направлениях. Электрон — крохотная частица, вращающаяся внутри атома, — имеет своего близнеца — «античастицу», называемую позитроном. Для всех частиц и их близнецов из мира «антивещества» характерно то, что при встрече они взаимоуничтожаются, или «аннигилируют». Теперь следует понять, что электрон и позитрон тоже обладают «внутренним» спином, как и фотоны. Величина этого спина иная, чем у спина фотонов, но в данном случае это не важно. Важно то, что непосредственно перед аннигиляцией электрон и позитрон вращаются в противоположных направлениях и, таким образом, их спины гасят друг друга. Отсюда непременно вытекает, что у двух фотонов, рожденных при аннигиляции (да-да, аннигиляция порождает фотоны!), тоже будет нулевой суммарный спин. Один фотон должен вращаться по часовой стрелке, а другой — против часовой стрелки.

Вот тут-то и возникает очередная квантовая причуда. Закон сохранения углового момента требует только одного: чтобы спины двух фотонов, разлетающихся от точки аннигиляции, были противоположны. Есть два варианта, как это может происходить. Либо первый фотон вращается по часовой стрелке, а второй — против часовой стрелки. Либо первый фотон вращается против часовой, а второй — по часовой. Однако не будем забывать, что это мир квантов. Каждая возможность представлена квантовой волной. А если возможны две волны, то — вспомним! — возможна и их комбинация (в сущности, эта комбинация даже необходима).

Итак, новорожденные фотоны разлетаются — а разлетаются они в противоположные стороны, — но при этом обе частицы существуют в «потусторонней» квантовой суперпозиции. Так же как одиночный фотон может одновременно находиться по эту и по другую сторону оконного стекла, два разлетающихся фотона тоже одновременно вращаются «по часовой / против часовой» и «против часовой / по часовой». Возможно, вы не видите, что здесь скрывается нечто сногсшибательное. Не волнуйтесь. Никто не видел. Чтобы увидеть эту сногсшибательность, понадобился Эйнштейн.

В дополнение к закону сохранения углового момента мы пока использовали только один квантовый ингредиент — квантовую суперпозицию. Но есть и другой ингредиент — непредсказуемость. Допустим, мы устроили дело так, что у нас появился некий детектор, который будет перехватывать первый фотон и определять его спин: ведь уверенно предсказать, в каком направлении будет вращаться фотон, абсолютно невозможно — даже в принципе. Неодолимая случайность — вот главная характеристика квантового мира. Все, что мы знаем, это следующее: есть 50-процентная вероятность того, что при обнаружении фотона он будет вращаться по часовой стрелке, и 50-процентная вероятность того, что вращение фотона будет происходить против часовой стрелки.

Допустим, мы перехватили первый фотон и установили, что он вращается по часовой стрелке. И вот теперь — та самая сногсшибательность. Второй фотон мгновенно должен начать крутиться в обратном направлении. Ведь когда фотоны родились, они вращались в противоположных направлениях, а закон сохранения углового момента требует, чтобы они всегда крутились в разные стороны. Если, с другой стороны, мы, перехватив первый фотон, обнаружили, что он вращается против часовой стрелки, то второй фотон обязан мгновенно начать вертеться по часовой стрелке. Что здесь самое умопомрачительное, так это то, что не существует никакого указания, сколь велико (или мало) должно быть расстояние между фотонами. Если обнаружено, что один фотон вращается в одном направлении, то его близнец должен мгновенно отреагировать, обеспечив вращение в противоположном направлении, — даже если фотоны находятся в разных концах Вселенной.

Квантовая теория, как блестяще продемонстрировали Эйнштейн, Розен и Подольский, открыта для полного безумия: она разрешает мгновенное воздействие на расстоянии. Это означает, что частицы, родившись вместе, должны с этого момента всю оставшуюся жизнь вести себя не как две самостоятельные частицы, а, образно говоря, быть не разлей вода. Они знают друг о друге. Их свойства неразрывно переплетены или, на жаргоне квантовой физики, «запутаны». Мгновенное воздействие — это что-то вроде призрачного влияния, которое квантовые частицы оказывают друг на друга с бесконечной скоростью. Однако сей феномен бросает вызов теории относительности Эйнштейна, которая утверждает, что никакое влияние не может распространяться быстрее скорости света — 300 000 километров в секунду.

Все может быть сведено к взаимодействию трех вещей: суперпозиции, непредсказуемости и закона сохранения углового момента. Поскольку два фотона пребывают в суперпозиции, состояние этих двух частиц — вертятся ли они «по часовой / против часовой» или «против часовой / по часовой» — не может быть точно определено, пока не установлен спин одной из них. Но даже когда спин установлен, результат все равно непредсказуем. Тем не менее закон сохранения углового момента каким-то образом срабатывает: он передает второй частице знание о спине ее партнера, так что она может мгновенно начать вращаться в противоположном направлении.

Именно тонкое взаимодействие трех вышеупомянутых факторов предопределяет существование мгновенного влияния, для которого существует специальный термин — «квантовая нелокальность». И на самом деле сохранение углового момента не столь уж важно. Нет абсолютно никакой причины, почему мгновенное воздействие не может быть продемонстрировано, если мы заменим закон сохранения углового момента, скажем, законом сохранения энергии. Просто потребуется немного изобретательности, чтобы состряпать ситуацию, в которой мгновенное действие проявит себя и в этом случае.

В некоторых популярных книгах утверждается, что две запутанные частицы похожи на пару перчаток. Вообразите: вы достали из ящика перчатку, не посмотрев на нее, положили в сумку, сели за руль, пустились в путь и, лишь проделав немалое расстояние, решили открыть сумку и проверить, что там лежит. Если вы обнаруживаете левую перчатку, то можете с уверенностью утверждать, что дома, в ящике, осталась правая, и наоборот. Но сказать так — значит недооценить (и даже опошлить!) магию запутанности. Две отдельные квантовые частицы вовсе не похожи на пару перчаток. В случае с перчатками одна из них подходит для левой руки, а вторая — для правой, и так будет всегда, ну, по крайней мере, все то время, пока эти перчатки существуют на белом свете. Если перчатка, которую вы прихватили с собой, оказалась правой, она и была правой до того, как вы открыли сумку, а это означает, что левая перчатка осталась дома. Нет ни малейшей необходимости в том, чтобы какой-то сигнал полетел домой и приказал оставшейся там перчатке непременно быть левой. Она и так была левой, есть левая и будет левой.

Сравним это с двумя фотонами. Если каждый подобен перчатке, то это странная, «потусторонняя» перчатка, она не левая и не правая, а точнее, это перчатка, в которую изначально вообще не заложено свойство «левости» или «правости». Таковое свойство возникает, только когда вы достаете перчатку из сумки и разглядываете, с какой стороны она более округлая, — причем для данной конкретной перчатки эта округлость совершенно случайна, ей, перчатке, абсолютно все равно, правая она или левая. И тогда оставшаяся дома перчатка — в которую тоже изначально не было заложено свойство «правости» или «левости» — должна мгновенно отреагировать, став противоположностью своей партнерши. Именно то обстоятельство, что перчатка (или фотон) не имеет конкретного состояния, — а также то, что «левое» либо «правое» состояние затем определяется совершенно случайным образом, — и понуждает к образованию призрачной связи между данной перчаткой (фотоном) и ее партнершей (вторым фотоном) как раз тогда, когда происходит определение этого состояния.

С этой «нелокальностью» Эйнштейн окончательно убедился в своей правоте — его предсказание было настолько смехотворным, отдавало таким оголтелым помешательством, что это могло означать только одно: квантовая теория — вовсе не последнее слово природы. Беда в том, что нелепый феномен, предсказанный Эйнштейном, был подтвержден экспериментально — это сделал французский физик Ален Аспе (р. 1947). В 1982 году, спустя четверть века после смерти Эйнштейна, Аспе продемонстрировал, как фотоны в одном конце его лаборатории (Университет Париж-Юг) ответили фотонам в другом конце лаборатории — словно бы призрачное воздействие перепорхнуло с одних частиц на другие, причем со скоростью, значительно превышавшей скорость света. Эйнштейн ошибся. Квантовая теория выдержала еще один труднейший экзамен. Реальность, которую она описывает, может показаться нелепой, неприятной, отталкивающей, но это жесткая реальность. Просто так все устроено в природе.

Ах, как было бы замечательно, если бы мы могли передавать сообщения на бесконечной скорости, дерзко нарушая эйнштейновский скоростной предел — скорость света! Однако — хотите верьте, хотите нет — то, что природа дает одной рукой (соблазнительную возможность мгновенной коммуникации, как в сериале «Звездный путь»), она тут же забирает другой. Все опять сводится к случайности. Единственная информация, которая может быть передана при помощи мгновенного воздействия, — это спиновое состояние фотона. Но если отправитель хочет использовать «нелокальность», он должен посылать каждый фотон своего сообщения в суперпозиции двух вращений — по часовой стрелке и против. Допустим, вращению по часовой стрелке можно придать значение «0», а вращению против часовой стрелки — «1». Но если каждый фотон пребывает в суперпозиции своих состояний, у него будет только 50-процентная вероятность служить «нулем» и такая же 50-процентная вероятность — служить «единицей». Получается, единственное сообщение, которое может быть отправлено, это случайная последовательность «нулей» и «единиц», — смысла в таком сообщении ровно столько же, сколько в послании, составленном из результатов случайных бросков монетки. Эйнштейновский скоростной предел, выражаемый скоростью света, не нарушается, потому что эта скорость — так уж получается! — представляет собой верхний предел скорости передачи информации. Природа не накладывает ограничений на скорость передачи бесполезной тарабарщины. Эта мгновенность бессмыслицы и есть то единственное, что разрешает нам «нелокальность», казавшуюся на первый взгляд столь поразительной.

Мы проделали немалый путь, начав с отражения вашего лица в окне. Ваш размытый образ, взирающий на вас «из-за стекла», говорит о том, что микроскопическим миром фотонов дирижирует Его Величество случай. Затем мы разобрались с волноподобным поведением фотонов — оказалось, они могут делать две вещи одновременно, — и это привело нас к «нелокальности». Многие физики считают, что мгновенное воздействие — величайшая загадка квантовой теории. Сказать по справедливости, никто не знает, что означает эта самая «нелокальность» для Вселенной в целом. Однако есть одна вещь, которую мы знаем наверняка. Все бесчисленные частицы Вселенной родились совместно 13,7 миллиарда лет назад в огненном облаке Большого взрыва. А следовательно, призрачные узы, что соединяют два «вертящихся» фотона, должны — в каком-то смысле, но этот смысл мы пока не можем уловить — связывать вас и меня с атомами самых удаленных звезд и галактик.

2. Почему атомы повсюду танцуют рок-н-ролл

Тот факт, что вы не проваливаетесь сквозь пол, говорит вам: есть что-то такое, что не дает микроскопическим составляющим материи развалиться на еще более мелкие части

С классической точки зрения атомы попросту невозможны.

Ричард Фейнман[13]

И может, это потому, что атомам моим на месте не сидится, им хочется повсюду пускаться в рок-н-ролл…

Адриан Митчелл («Солнце меня любит», из сборника «Сердце слева. Стихотворения 1953–1984 гг.»)[14]

Земля под вашими ногами — твердая, крепкая. Книга, которую вы держите в руках, — тоже крепкая. Да и вы сами — твердый, крепкий человек. Вероятно, вы считаете эти вещи само собой разумеющимися. Как бы не так! Должен вас огорчить: 99,9999999999999 % материи — пустота. Земля, на которой вы стоите, куда более разрежена, чем самая разреженная утренняя дымка. Эта книга — не более чем призрак; слова, которые вы читаете, — призрачные слова. Да и вы сами — простите великодушно — тоже призрак. Конечно, если земля столь поразительно иллюзорна, вы не можете не задуматься: как же она способна выдерживать ваш вес? Почему вы не проваливаетесь сквозь нее, хотя должны были бы провалиться, раз она подобна утреннему туману? Ответ таков: есть что-то, что мешает кирпичикам материи даже отдаленно соседствовать друг с другом. Есть некая таинственная сила… — она столь яростна, что неумолимо расталкивает в разные стороны электроны и атомные ядра; при этом материя становится жесткой, как если бы образующие ее частички крепились к каркасу из прочных невидимых балок. Именно за счет этой силы земля под вашими ногами — несмотря на то что она столь невероятно разрежена — способна выдерживать ваш вес.

Чтобы понять, почему вещество столь всеобъемлюще заполнено пустотой, сначала нужно разобраться с атомами. Как уже говорилось, идеей, что все состоит из атомов, мы обязаны греческому философу Демокриту [15]. Он убеждал, что не только материя в конечном итоге состоит из очень маленьких, неделимых зерен, но сами такие зерна бывают разных видов, причем набор этих видов весьма ограничен. Комбинируя крошечные зернышки (микроскопические кирпичики «Лего», могли бы мы сказать) по-разному, можно получить дерево, или стол, или человека. Все дело в комбинациях. Конечно, далеко не очевидно, что материя зерниста, а не делима до бесконечности. Это потому, утверждал Демокрит, что атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть или пощупать. И вот два тысячелетия спустя ученые начали накапливать косвенные свидетельства существования атомов. Например, они осознали, что поведение газа — скажем, водяного пара — поддается объяснению лишь в том случае, если этот газ состоит из множества крошечных атомов, снующих туда и сюда, будто рой рассерженных пчел. В 1662 году ирландский физик Роберт Бойль (1627–1691) открыл, что если объем коробки, содержащей газ, уменьшить вдвое — вдвинув туда подвижную стенку («поршень»), — то потребуется вдвое больше сил, чтобы удерживать поршень, потому что давление газа будет его выталкивать. Если объем уменьшить втрое, то и сила потребуется втрое большая.

Итак далее. Это наблюдение, известное как закон Бойля-Мариотта[16], обретает смысл, если представить, что давление, оказываемое газом, — просто-напросто сила, с которой бесчисленные атомы лихорадочно колотят по поршню, словно дождевые капли по жестяной крыше. Если объем емкости сократить до половины (вдвинув тот самый поршень до середины коробки), то атомам, для того чтобы ударить сначала по поршню, а потом по донышку, нужно будет преодолеть вдвое меньшее расстояние. Следовательно, они будут биться о стенки вдвое чаще, создавая удвоенное давление. Если же объем уменьшить до одной трети, то атомам придется пробегать втрое меньшее расстояние и отскакивать от стенок они станут в три раза чаще — давление утроится.

Вот такое доказательство того, что атомы — это крохотные зернышки, пребывающие в постоянном движении. А как доказать, что они бывают разных видов? Это очень сложно, ведь, по Демокриту, главная причина того, что мир ошеломляюще разнообразен, заключается в следующем: атомы не просто прилепляются к себе подобным, но при первой возможности связываются с другими типами атомов. Однако же, как заметил Эйнштейн: «Бог хитер, но не злонамерен»[17]. Оказывается, некоторые вещества, например золото, не могут быть разобраны на более мелкие составляющие ни с помощью тепла, ни с помощью кислоты, ни каким-либо иным способом. Такие «элементные» вещества дают все основания для того, чтобы считать их большими скоплениями атомов одного типа.

Первым, кто идентифицировал такие вещества, был французский химик, аристократ Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794). Его список, составленный в 1789 году, содержал 23 «элемента». На самом деле некоторые из них вовсе не были элементами, но, во всяком случае, Лавуазье положил начало. Пять лет спусти он был уже неспособен пополнять свой список, поскольку лишился головы на гильотине, однако его дело продолжили другие. Проблема заключалась в том, что к середине девятнадцатого века число известных элементов уже перевалило за пятьдесят, что было явно больше той горстки атомов различных типов, которые Демокрит полагал кирпичиками всей материи. Сегодня нам известны 92 элемента, встречающихся в природе, — этот ряд начинается с водорода, самого легкого, и заканчивается ураном, самым тяжелым из природных элементов. Почему так много?

Один из возможных ответов вот какой: атомы вовсе не конечные кирпичики материи, они сами состоят из более мелких частей. Это предположил один лондонский химик во втором десятилетии девятнадцатого века. Уильям Праут (1785–1850) сравнил веса различных элементов, последовательно их расположив, и открыл поразительную систему этой последовательности: большинство весов элементов были в точности кратны весу водорода, легчайшего из них [18]. Система, если заглянуть в словарь, — это «определенный порядок в расположении и связи действий». Возьмем «систему» в виде числа 8787878787878787878787. «Определенный порядок» виден сразу: простейшая составная часть этой записи числа — «87». Вот и система последовательности в виде весов элементов, которую обнаружил Праут, заманчиво намекала на то, что в атомах что-то происходит на некоем более глубоком, фундаментальном уровне: у них, судя по всему, есть внутренняя структура! Все становится на свои места, заключил Праут в 1815 году, если основной кирпичик природы — это атом водорода, а все более тяжелые элементы — просто различные количества атомов водорода, сцепленных вместе.

Другую заманчивую систему, связанную со свойствами элементов, выявил позднее русский химик Дмитрий Менделеев. Готовя учебник по химии, Менделеев составил карточки для каждого из известных на ту пору 67 элементов и занес в каждую свойства конкретного элемента, такие, как точка плавления и особенности химического «поведения». К своему собственному удивлению, Менделеев обнаружил, что если он особым образом расположит карточки горизонтальными рядами, в порядке возрастания атомного веса элементов, то в вертикальных колонках выстроятся элементы с одним и тем же «поведением». Периодическая система свойств химических элементов, открытая Менделеевым, говорила ученым о том, что атомы должны состоять из еще более мелких частиц, — то есть то же, о чем сообщала система весов элементов, выявленная Праутом.

На исходе девятнадцатого века крохотный кирпичик атома наконец-то явился на свет. Для того чтобы вырвать его из атома, кембриджский физик Джозеф Джон Томсон использовал ток высокого напряжения. «Электрон» — носитель электричества, поиски которого велись столь долго, — оказался фантастически мал. По измерениям Томсона, его «вес» составлял всего лишь одну двухтысячную от массы водорода, легчайшего из атомов. Этого было слишком мало, чтобы электрон оказался одним из тех субатомных кирпичиков, о которых рассуждал Праут. Также оставалось совершенно непонятным, какой может быть связь между этой крохотной частичкой и периодической системой химических свойств атомов, открытой Менделеевым. Однако электрон позволил ученым сделать первый штрих на картине внутреннего устройства атома.

Электрон несет «отрицательный» электрический заряд. Никто толком не знает, что же такое электрический заряд, известно только, что у него есть два конкретных имени — «плюс» и «минус», то есть заряды бывают положительные и отрицательные. Одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные — притягиваются. Поскольку в повседневной жизни мы не обнаруживаем никакой электрической силы, которая тянула бы нас туда-сюда, мы знаем, что материя в целом должна быть электрически нейтральной: отрицательные заряды полностью уравновешиваются равным количеством положительных зарядов. Но таким образом, и в атоме отрицательный заряд электрона должен уравновешиваться положительным зарядом «чего-то еще». Хотя Томсон не имел ни малейшего представления, чем может быть это «что-то еще», он сумел состряпать весьма убедительную модель атома, изобразив его как расплывчатую сферу с положительным зарядом, в которой крошечные электроны сидят, словно изюминки в рождественском пудинге (в слове «состряпать» ничего обидного нет: эту модель порой так и называют — «пудинговой»).

В начале XX века томсоновская пудинговая модель была уже признанной картиной атома. Но в 1909 году один из гигантов экспериментальной физики перевернул все с ног на голову. Физик Эрнест Резерфорд, родом из Новой Зеландии, был одним из пионеров изучения «радиоактивности». На этот феномен в 1896 году наткнулся французский химик Антуан Анри Беккерель (1852–1908), обнаруживший, что фотопластинки затуманиваются таинственными «лучами», исходящими из образцов, которые содержали уран или торий. Далее эстафетную палочку перехватила Мария Кюри: в 1898 году, в Париже, она установила — совершенно корректно, надо сказать, — что загадочная «радиоактивность» представляет собой свойство атомов. Лучи, исходящие из радиоактивного вещества, были настолько интенсивны, что их можно было обнаружить, даже если в наличии имелось ничтожное количество атомов. Кюри с впечатляющим успехом использовала это свойство атомов, чтобы открыть два, до тех пор неизвестных науке элемента: полоний, который замелькал в заголовках мировой прессы в 2006 году, когда в Лондоне им был отравлен российский диссидент Александр Литвиненко, и радий.

В том же году, когда Мария Кюри открыла, что радиоактивность — это свойство атомов, работавший в Монреале Резерфорд обнаружил, что за радиоактивностью кроется испускание атомами двух совершенно разных типов лучей, которые он окрестил альфа- и бета-лучами. Ученый довольно быстро доказал, что бета-лучи представляли собой электроны, но с альфа-лучами пришлось повозиться. Лишь в 1903 году, когда Резерфорд работал в Манчестере вместе с молодым немецким студентом-физиком Гансом Гейгером, им удалось получить из образца радия достаточно большое количество альфа-лучей, чтобы понять, что это такое. Оказалось, эти загадочные лучи — вот уж чего никто не мог ожидать! — состояли из атомов гелия, второго наилегчайшего элемента после водорода [19]. Все указывало на то, что в ходе процесса, который был назван «радиоактивностью», один тип атома — радий — исторгал из себя другой тип атома — гелий. И это было еще одним свидетельством в пользу того, что атом состоит из более мелких частиц.

В конечном итоге Резерфорд решил загадку радиоактивности. Радиоактивный атом, как установили в 1901–1903 годах Резерфорд и работавший под его руководством химик Фредерик Содди (1877–1956), — это не что иное, как тяжелый атом, страдающий нестабильностью. Он просто бурлит от избытка энергии. В конце концов он сбрасывает этот избыток в виде альфа- или бета-частицы и, проделывая это, «расщепляется», или «распадается», становясь атомом элемента с меньшим атомным весом [20]. Но Резерфорду вовсе не обязательно было знать, что такое радиоактивность, для того чтобы найти способ «заглянуть» внутрь атома. В 1903 году он измерил скорость альфа-частиц, излучаемых радием, и обнаружил, что она невероятно велика — 25 000 километров в секунду, вполне достаточно, чтобы обогнуть пол-Земли менее чем за секунду. Образец радия походил на крохотный пулемет, выпускающий очереди субатомных пуль со сверхвысокой скоростью. Резерфорд понял, что это был превосходный инструмент для исследования внутренностей атома.

Его идея заключалась в том, чтобы обстрелять из радиевого «пулемета» тонкую фольгу. Проходя сквозь фольгу, некоторые альфа-частицы будут неизбежно отклоняться от своего пути, и по тому, как именно они будут отклоняться, Резерфорд надеялся сделать заключение о внутренней структуре атомов материала, из которого состояла фольга. Это все равно что обстрелять теннисными мячами какой-нибудь загадочный предмет меблировки и, определив направления, в которых отскакивают мячи, определить, что там такое было — стул, стол или же кухонный буфет. В поисках ответа на вопрос о внутренностях атома Резерфорд совершенно гениально задумал взять атом и… обернуть его против самого себя! Он решил использовать один тип атома — атом гелия, изрыгаемый радием, — чтобы создать представление об устройстве совершенно другого типа атома.

Альфа-частица в четыре раза тяжелее атома водорода и, таким образом, примерно в 8000 раз весомее электрона. Поэтому Резерфорд ожидал, что альфа-пули, выпущенные из его радиевого автомата, прошьют тонкую фольгу насквозь. У них было столько же шансов отразиться от электронов внутри атома, сколько у пули — отскочить от тучи комаров.

Резерфорд поручил проведение эксперимента Гансу Гейгеру и студенту из Новой Зеландии Эрнесту Марсдену. Их радиевый пулемет палил альфа-пулями по тонкой золотой фольге. Затем Гейгер и Марсден, которые через пять лет будут палить друг в друга настоящими пулями, находясь по разные стороны Западного фронта, должны были измерять отклонения альфа-частиц. Как и следовало ожидать, никаких существенных отклонений не наблюдалось. Затем в один прекрасный день Резерфорд просунул голову в дверь лаборатории и предложил нечто совершенно нелепое. Он попросил Гейгера и Марсдена посмотреть, не отскакивают ли альфа-частицы от золотой фольги назад.

Увидеть альфа-частицу, которая отрикошетила бы от фольги назад, — это все равно что, пустив пулю в тучу комаров, увидеть, как она отскакивает и возвращается в том направлении, откуда пришла. Однако гении тем и отличаются — а Резерфорд был величайшим физиком-экспериментатором двадцатого века, — что они всегда готовы к неожиданностям и никогда не позволят предвзятости, диктуемой теорией, ограничить их поле зрения и помешать увидеть то, что являет их глазам природа. И Резерфорд был вознагражден. Спустя три дня после того, как он высказал свою просьбу, Гейгер и Марсден ворвались в его кабинет с невероятной новостью. На каждые восемь тысяч альфа-частиц, выстреливаемых в золотую фольгу, одна возвращается обратно. Как вспоминал позднее Резерфорд: «Это было, пожалуй, самым невероятным событием, какое я когда-либо переживал в моей жизни».

Резерфорду понадобились два года, чтобы обосновать ошеломительный результат, полученный Гейгером и Марсденом. Если альфа-частица натыкается на что-то внутри атома и это «что-то» не просто останавливает ее, но отбрасывает частицу так, что она возвращается тем же путем, которым пришла, значит, таинственное нечто должно быть куда массивнее альфа-частицы. Плюс ко всему оно должно занимать поразительно малую часть объема атома: уж больно крохотная получается мишень, если в нее попадает лишь одна на восемь тысяч частиц.

К 1911 году Резерфорд провел уже достаточно много экспериментов, чтобы прийти к выводу о внутренней структуре атома. Не было никаких крошечных электронов-«изюминок», сидящих в рыхлом тесте положительного заряда, как то представлял себе Томсон; вместо этого электроны порхали вокруг маленького, положительно заряженного узелка в центре атома. Мощная сила отталкивания, заставляющая альфа-частицу совершить разворот на 180°, могла возникнуть только в том случае, если природа втиснула большой положительный заряд в чрезвычайно малый объем. По оценке Резерфорда, плотный узелок положительного заряда должен был быть ужасно тяжелым — на него приходилось не менее 99,9 % массы всего атома. Резерфордовская модель атома была невообразимо далека от «рождественского пудинга» Томсона. Атом походил на миниатюрную Солнечную систему, где электроны, подобно планетам, кружились вокруг своего Солнца — атомного «ядра» [21].

Коллега Резерфорда по Кембриджскому университету, знаменитый писатель и физик Чарлз Перси Сноу (1905–1980), отметил:

«Как только Резерфорд начал заниматься радиоактивностью, это стало делом всей его жизни. Его идеи были просты, грубы и наглядны, во всяком случае, так он их излагал. Он думал об атомах так, словно они были теннисными мячами. Ему удалось открыть частицы меньше атомов и выяснить, как они движутся и сталкиваются. Иногда частицы сталкивались не так, как обычно. Исследовав эти случаи, он создал новую, но, как обычно, простую картину происходящего. Таким путем — с той же уверенностью, с какой бродит лунатик, — он пришел от неустойчивых радиоактивных атомов к открытию атомного ядра и структуры атома»[22].

Резерфорд оказался в Англии по счастливой случайности. Его стипендию Кембриджского университета поначалу выиграл другой новозеландец, обошедший Резерфорда по рейтингу. Однако в последний момент тот человек женился, и стипендия перешла к претенденту, значившемуся строчкой ниже. Резерфорд был крупным человеком с громким голосом, властными манерами и буйным характером. Однако даже в последние годы жизни, когда он был уже лордом Резерфордом, лауреатом Нобелевской премии и почитался как один из величайших физиков-экспериментаторов всех времен, у него легко появлялись слезы на глазах при мысли о том, что, не будь одного случайного события, его жизнь сложилась бы совершенно иначе.

Полнейшей неожиданностью как для Резерфорда, так и для всех остальных был размер атомного ядра. Выходило, что оно в 100 000 раз меньше самого атома. Поразительно, но атомы самым необыкновенным образом состояли из одной пустоты. По сути, они настолько «пусты», что если бы удалось выдавить из атомов все свободное пространство, то человечество, в полном его составе, уместилось бы в объеме одного кубика сахара. Но почему же атомы содержат так много пустого пространства? Или если сказать по-другому: почему они столь огромны в сравнении с их сверхмалыми ядрами? Оказывается, эти вопросы нерасторжимо связаны с другим, более фундаментальным вопросом: почему атомы существуют вообще? Ведь по законам физики их… просто не должно быть!

Законы электромагнетизма

Законы физики, о которых пошла речь, — это законы электромагнетизма. Их сформулировал в 1860-е годы шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. Как говорилось ранее, Максвеллу удалось свести все электрические и магнитные явления к одному компактному набору уравнений [23]. Он начал с того, что представил силу, которую магнит оказывает на кусочек металла, как действие призрачного магнитного «силового поля», распространяющегося от магнита в окружающем пространстве. Таким же образом он представил и электрическое «силовое поле», исходящее от электрических зарядов, например от тех, которые путешествуют по проволоке в виде электрического тока.

Однако теория Максвелла не просто описывала поведение электрического и магнитного полей. В ней скрывался большой сюрприз. Изучая уравнения, которые он записал, Максвелл отметил, что они допускают существование волны — волнообразного движения, проходящего сквозь электрическое и магнитное поля. Такая «электромагнитная волна» должна была распространяться в пространстве подобно ряби на поверхности пруда. И в пустом пространстве она обладала характерной скоростью.

Каково же было изумление Максвелла, когда он обнаружил, что эта скорость — скорость света!

До того ни один ученый — если не считать пионера электричества Майкла Фарадея — не заподозрил, что между электричеством, магнетизмом и светом может существовать хоть какая-то связь. Это ведь очень разные явления! Но вот же она, связь-то: уравнения Максвелла ясно показывали, что это волна электричества и магнетизма, распространяющаяся в пустом пространстве со скоростью света. Не нужно было быть гением, чтобы догадаться: эти две вещи, волна и свет, — одно и то же. Свет, понял Максвелл, и есть электромагнитная волна.

Это неожиданное открытие изменит мир до неузнаваемости. Теория Максвелла предсказывала, что если просто «потрясти» электрический ток в проволоке, то это заставит ток излучать электромагнитные волны — не свет, видимый глазом, а другие волны, более длинные, которые впоследствии получат название радиоволн. Максвелл умер в 1879 году, в возрасте 48 лет; его предсказание будет подтверждено немецким физиком Генрихом Герцем (1857–1894) в 1887-м. Еще через 14 лет, в 1901 году, Гульельмо Маркони (1874–1937) сумеет организовать первую радиосвязь через Атлантику, провозвестив эпоху мгновенной коммуникации, что сделает возможным современный мир.

Теория Максвелла гласит: электромагнитные волны порождаются любым электрическим зарядом, который получает «ускорение», — то есть зарядом, меняющим либо свою скорость, либо направление движения, либо и то и другое. «Тряска» электрического тока в проволоке ускоряет носителей тока — электроны, — вот почему такая проволока-антенна излучает радиоволны. Но тут возникает проблема с атомами. А именно: то самое явление, которое обеспечивает возможность дальней связи, полностью отменяет «планетарную» модель атома Резерфорда. Трудность здесь вот какая: электрон, обращающийся вокруг атомного ядра, постоянно изменяет направление и таким образом постоянно ускоряется. А как заряженная частица он обязан излучать электромагнитные волны, подобно маленькому радиопередатчику. Но электромагнитные волны уносят энергию от электрона. Теряя подобным образом энергию, он должен по спирали упасть на ядро менее чем за стомиллионную долю секунды. Короче говоря, атомы не должны существовать.

Но они существуют.

Мало того что атомы не расстаются с жизнью в мгновение ока, и уж тем более за стомиллионную долю секунды, — судя по всему, они стабильны уже миллиарды лет, все то время, пока существует Вселенная. На поверку их срок жизни оказался в неимоверное число раз (это число выражается единицей с 40 нулями) больше, чем тот период, который отводят атомам законы электромагнетизма. До 1998 года, когда ученые открыли непостижимую космическую «темную энергию», это было самым большим расхождением между наблюдением и предсказанием в истории науки [24].

Резерфорд был сбит с толку. Он блестяще преуспел в раскрытии внутреннего строения атома, однако, сделав это, ученый выявил крупнейший конфликт в физической науке. Эксперимент с золотой фольгой продемонстрировал, что атом — это крошечная «планетарная» система. Однако теория электромагнетизма предсказывала, что такая система категорически нестабильна — она не продержится и «мгновения ока». Это была парадоксальная ситуация, и найти из нее выход казалось почти невозможным. Тем не менее одному человеку — молодому датскому физику — это удалось.

Нильс Бор (1885–1962) приехал в Англию в 1911 году, после того как получил докторскую степень в Копенгагене, и с тех пор работал под руководством сначала Дж. Дж. Томсона, а затем Резерфорда. Он понимал, что планетарная модель атома Резерфорда, подкрепленная серьезными экспериментальными данными, вполне убедительна. Но вместе с тем он понимал, что и законы электромагнетизма, подарившие миру электромоторы и динамо-машины, убедительны в неменьшей степени. Боровское революционное разрешение атомного парадокса было одновременно и простым, и дерзким. В 1913 году Бор объявил, что законы электромагнетизма просто-напросто не действуют внутри атомов. Электроны, вращаясь вокруг ядра, не испускают электромагнитные волны и поэтому не падают по спирали на ядро. Короче говоря, известные законы физики не применимы к области сверхмалых объектов.

Свою революционную идею Бор доказывал очень просто: известные законы физики утверждают, что атомы не могут существовать, а они тем не менее существуют. Вот и всё. Однако Бор не знал, чем можно заменить известные физические законы в микроскопическом царстве. Он не понимал, почему электроны все же не падают по спирали на ядра. Объяснением этого феномена физика обязана французскому ученому Луи де Бройлю.

Частицы ведут себя как волны

Де Бройль знал о предположении Эйнштейна, что световые волны могут вести себя как частицы — фотоны, — и о том, что это предположение подтверждалось как фотоэффектом, так и эффектом Комптона. Но де Бройлю удалось — совершенно невероятным образом! — сделать шаг вперед. В своей докторской диссертации 1923 года он объявил, что не только световые волны могут вести себя подобно локализованным в пространстве частицам, но и частицы, такие, как электроны, могут вести себя как расходящиеся в пространстве волны. Все микроскопические кирпичики материи, по де Бройлю, были двулики. Всем им был свойствен особый корпускулярно-волновой дуализм.

Идея де Бройля о «волнах материи» была настолько фантастична, что большинство физиков совершенно ее проигнорировали. Однако все изменилось, когда Эйнштейн прочитал экземпляр дебройлевской диссертации. Отец фотона поразился идее де Бройля и пришел к убеждению, что в догадке французского ученого что-то есть. Теперь требовалось только продемонстрировать, что частица — например, электрон — может вести себя как волна. На практике это означало: следовало показать, что электроны могут интерферировать друг с другом, ибо как раз интерференция служит характерным признаком волн. Этот подвиг совершат в 1927 году Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер в США и Джордж Томсон в Шотландии. Ирония в том, что Джордж Томсон был сыном Дж. Дж. Томсона. Отец получил Нобелевскую премию, доказав, что электрон — это частица, а сын получит свою Нобелевскую премию за то, что опровергнет мнение отца и докажет: на самом-то деле электрон — это волна.

Как раз по той причине, что все микроскопические частицы ведут себя подобно волнам, то умозаключение, которое мы сделали, наблюдая за собственным отражением в оконном стекле, может быть распространено именно на все частицы. Не только фотон — каждый обитатель микроскопического мира танцует под мелодию случайности. Суперпозиции и прочие «потусторонние» квантовые феномены свойственны всем из них до последнего.

Де Бройль в своей диссертации не просто допустил, что частицы материи действуют как волны, — он разобрался в том, насколько велики эти волны материи. Величина волны частицы обратно пропорциональна ее импульсу, который представляет собой произведение массы тела на его скорость. Вообще говоря, большие объекты, которые передвигаются в окружающем нас мире, — например, «Боинг-747» или даже улитка, — обладают куда большим импульсом, чем крошечные штучки, суетящиеся в микроскопическом мире атомов. А поскольку, согласно де Бройлю, величина волны, ассоциированной с неким телом, обратно пропорциональна его импульсу, из этого следует, что волны, ассоциированные с окружающими нас вещами, намного меньше тех, которые ассоциированы с такими частицами, как электроны.

Возьмем бейсбольный мяч. Питчер подает его со скоростью около 150 километров в час. По гипотезе де Бройля, этот мяч ведет себя как волна с длиной всего лишь 10-34 метра. Это в триллион триллионов раз меньше, чем атом. Не удивительно, что до двадцатого столетия никто и не подозревал о волновых свойствах материи. Длины волн больших предметов в окружающем нас мире просто-напросто настолько умопомрачительно малы, что эти волны категорически невозможно обнаружить. Поэтому мы и не видим, как люди растекаются рябью по улице или интерферируют друг с другом усиливающим или ослабляющим образом.

А теперь представьте, что электрон летит со скоростью примерно 6000 километров в секунду. Поскольку он очень легок, его без труда можно разогнать до этой скорости, даже приложив весьма скромное напряжение в 100 вольт. Такой электрон обладает длиной волны 10-10 метров. Важность этой величины в том, что она соизмерима с расстояниями между атомами в некоторых веществах, например в металлах. Посему, если такими электронами выстрелить по металлу, появляется хорошая возможность увидеть волновые эффекты — в частности, интерференцию. Именно эту стратегию избрали Дэвиссон, Джермер и Томсон, чтобы продемонстрировать волновую природу электронов. Они обстреливали пучком быстрых электронов металлическую мишень. Атомы в металлах располагаются в строгом порядке, они равномерно распределены параллельными слоями, поэтому металлическая пластинка похожа на стопку блинов. Когда электронами стреляют по металлу, некоторые из них отскакивают от поверхностного слоя. Иные, прежде чем вылететь из металла, достигают следующего слоя. Еще какие-то проникают до третьего «блина» и отражаются только после этого. И так далее. Но главное здесь то, что все электроны, отражаемые металлом, ведут себя как волны. Следовательно, есть направления, в которых волны-электроны, отраженные от различных слоев, будут идти «в ногу», и там произойдет усиливающая интерференция. А есть направления, где они будут идти совсем уж «не в ногу», и там случится интерференция ослабевающая. Необходимо только замерить количества электронов, отлетающих от металла в разных направлениях.

Это и сделали Дэвиссон с Джермером в США, а Томсон — в Шотландии. И обнаружили они именно то, что в некоторых направлениях от металла отлетало множество электронов, а в других — просто-таки ни одного. Причем направления, в которых отскакивало много электронов, чередовались с теми, где было совсем пусто. Иначе говоря, возник рисунок интерференции — или, строго говоря, рисунок дифракции, явления, тесно связанного с интерференцией, — и это неопровержимо доказывало, что электроны действительно ведут себя как волны. Ах, какое же это было, надо полагать, удивительное зрелище! Ведь в конце-то концов, одно дело — сидеть в башне из слоновой кости и теоретизировать о существовании чего-то смехотворно абсурдного, о каких-то там волнах материи, как это делал де Бройль, и совсем другое дело — «увидеть», что происходит с электронами: все полагают их крошечными бильярдными шарами, а тут они ведут себя как рябь на поверхности пруда.

Волнам нужен простор

Волны материи, предложенные де Бройлем, должны по идее служить объяснением того, почему электрон не стремится к смерти, уносясь по крутой спирали в атомное ядро. Однако объяснение это вовсе не очевидно. Для того чтобы понять, в чем тут дело, нужно иметь в виду следующее: волне, вся суть которой в том, что она распространяется, требуется простор [25]. Электрон — самая легкая из всех известных субатомных частиц — обладает, по всей вероятности, и самой большой ассоциированной с ним волной. Это означает, что именно электрон более всего подвержен влиянию «потусторонних» квантово-волновых эффектов. А также это означает, что ему требуется больше простора, чем любой другой частице. При той скорости, с которой электрон обычно носится внутри атома, ассоциированная с ним волна, по сути, столь же велика, как сам атом. Она, вообще говоря, и определяет размер атома.

Один маленький нюанс. Можно предположить, что раз ядро атома водорода в две тысячи раз больше электрона, то волна атомного ядра по идее должна составлять одну двухтысячную волны электрона. На самом же деле волна, ассоциируемая с ядром атома, меньше волны электрона не в две тысячи, а скорее в сто тысяч раз. Такое расхождение возникает по той причине, что электрон подчиняется электромагнитному взаимодействию, тогда как частицами атомного ядра управляет куда более мощное взаимодействие — оно так и называется: сильное. Чем сильнее взаимодействие, тем быстрее движется частица, а это означает, что импульс ядра больше, чем следовало ожидать, и длина его волны куда меньше, чем одна двухтысячная длины волны электрона, вокруг ядра обращающегося.

Вот почему электроны не уносятся по спирали к ядру: они обладают сравнительно большими ассоциируемыми с ними волнами, а таким волнам нужен простор. Именно по этой причине атомы и существуют на белом свете. Но что же мешает волне электрона ужаться и занять поменьше места? Иными словами, что отталкивает электроны, если они прижимаются слишком близко к своим ядрам? Что отвечает за жесткость и упругость материи? Для того чтобы ответить на эти вопросы, надо снова вообразить электроны частицами и по-другому посмотреть на эксперимент с параллельными прорезями.

Принцип неопределенности Гейзенберга

Вспомним, что, когда фотонами обстреливают непрозрачный экран с двумя узкими параллельными прорезями, на втором экране, расположенном с некоторым интервалом позади первого, появляется рисунок из вертикальных полос. В этом частоколе линии, куда попадает большинство фотонов, перемежаются с участками, которых фотоны старательно избегают. Такой «интерференционный» рисунок обретает смысл только в том случае, если мы допустим: действительно существуют квантовые волны, ассоциированные с фотонами, и эти волны указывают фотонам, куда они должны попасть. Волны, выходящие из одной прорези, накладываются на волны, выходящие из второй прорези; они периодически усиливают или ослабляют друг друга, — вот на втором экране и возникает отчетливый рисунок из фотонов, похожий на зебровую шкуру.

Конечно, в свете догадки де Бройля ясно, что не только частицы света будут интерферировать друг с другом, если палить ими по прорезям в непрозрачном экране. Эксперимент с двумя прорезями даст тот же результат, если вместо фотонов использовать электроны, или сами атомы, или любые другие частицы. Хотя на деле чем массивнее частицы, тем меньше у них длина волны и тем труднее заставить их интерферировать. А если вы сумеете «уговорить» тяжелые частицы, чтобы они это сделали, увидеть зебровый рисунок будет не так-то просто.

Впрочем, какими бы ни были частицы, вспомним: интерференция происходит, если смешиваются две вещи (две волны накладываются друг на друга). Когда по прорезям стреляют одиночными частицами, да еще с большими интервалами, медленное выстраивание интерференционной картины на втором экране говорит о том, что каждая частица проходит сквозь обе прорези одновременно — иначе говоря, что она в один и тот же момент пребывает в двух разных местах [26]. Но что, если мы будем знать точно, через какую из прорезей проходит частица? Ясное дело: если нам это удастся, то интерференционная картина исчезнет, поскольку мы исключим возможность одновременного прохождения частицы через две прорези и смешивания ее с самой собой.

Скажу сразу: если бы интерференционная картина вдруг исчезла, это означало бы, что с частицами материи произошло что-то очень серьезное и тревожное, не говоря уже о том, что сама природа окружающей нас реальности изменилась бы коренным образом. Почему это так, можно понять, если мы вообразим, что именно нужно сделать, дабы определить, через какую прорезь проходит частица. Представим, что мы изменили масштаб эксперимента и теперь вместо фотонов, электронов или других субатомных частиц мы имеет дело с пулеметными пулями, экраном служит толстый стальной лист — допустим, толщиной в два-три сантиметра, — а две вертикальные прорези превратились в две узкие щели, пробитые в этом стальном листе. Сосредоточимся на пулях. Проходя сквозь щели, они рикошетят от стенок, и каждый раз, когда это происходит, стенки щели — а вместе с ними весь стальной лист — испытывают отдачу. Это дает нам возможность определить, через какую щель проходит пуля.

Для простоты картины вообразим, что пули, проходя сквозь щели, отскакивают от стенок и заканчивают свой путь, впиваясь в самый центр интерференционного рисунка. В этом случае мы можем сказать, что если стальной лист испытал отдачу влево, то пуля, должно быть, прошла сквозь левую щель. А если лист испытал отдачу вправо, то пуля, надо полагать, прошла через правую щель. Таким образом, теперь мы знаем, что, если нам не удается определить, сквозь какую щель проходит каждая пуля, на втором экране мы видим зебровый рисунок: полосы, усеянные пулями, перемежаются полосами, куда ни одна пуля так и не попала. А если мы обнаруживаем, сквозь какую щель пролетает каждая пуля — отмечая отдачи стального листа, — зебровый рисунок должен исчезнуть.

Теперь сосредоточимся на полосах. Что с ними должно произойти, чтобы они размылись? Ну как же! Всего-то и необходимо, чтобы пуля, которой суждено угодить именно в «пулевую» полосу, впилась либо в «пулевую» полосу, либо в «не пулевую». Этого достаточно, чтобы пули равномерно усеяли второй экран и зебровый рисунок, размывшись, превратившись в однородную серую поверхность. Вот что здесь имеется в виду: каждая пуля, несясь в воздухе, должна случайным образом хоть немного рыскать из стороны в сторону (ну хорошо, если слово «рыскать» не очень понятно, тогда «подрагивать»), — этого хватит, чтобы ее траектория стала в достаточной степени неопределенной, пуля угодит куда попало, и интерференционный рисунок перестанет существовать. А свое рыскание, или дрожание, пуля может обрести только в том случае, если она будет рикошетить от стенок щели, пробитой в стальном листе.

Иными словами, происходит следующее: уже одна только попытка определить, в какую щель пролетит пуля, наделяет ее тем самым рысканием, которое необходимо, чтобы разрушить интерференционную картину. Это рыскание — не что иное, как мера предосторожности: таким способом природа защищает квантовую теорию. Для того чтобы вести себя как волна, частица должна иметь возможность делать две вещи одновременно — или, сказать по-другому, иметь две возможности делать разные вещи, — так чтобы волны, ассоциируемые с этими неразличимыми, по сути, возможностями, могли накладываться друг на друга, или интерферировать. Если же эти возможности удается различить — путем измерения или наблюдения, что реализовалась скорее одна возможность, а не другая, — тогда уже больше нет неразличимых возможностей, а значит, нет и интерференции. Наше измерение-наблюдение делает нечто такое, что уничтожает возможность интерференции между частицами, а именно: оно наделяет частицы случайным рысканием [27].

Уточню — на примере с нашим пулеметом. Уже само обнаружение щели, сквозь которую проходит пуля, — иными словами, точное определение места, где эта пуля находится (вспомним про отдачу стенок щели), — наделяет пулю случайным рысканием и, таким образом, добавляет неопределенности ее скорости (или импульсу, что в данном случае одно и то же). В этом — вся суть! Как установил в 1927 году молодой немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901–1976), существует компромисс: чем больше мы уверены в том, где находится частица, тем меньше мы уверены в величине ее импульса. Обратное тоже справедливо: чем больше мы уверены в том, что знаем импульс частицы, тем меньше уверены в ее местонахождении.

И это фундаментальный принцип. Речь идет в равной степени как о неодолимой неопределенности наших представлений о субатомных частицах, так и о неодолимой непредсказуемости их поведения. В повседневном мире мы точно знаем: вот человек переходит улицу на городском перекрестке и движется он со скоростью три километра в час. В микроскопическом мире мы лишены возможности с уверенностью знать обе эти вещи. Если мы знаем точно одно, это неизбежно означает, что мы остаемся в полном неведении относительно другого. Есть предельный предел — да простят мне эту тавтологию — наших знаний об окружающем мире. Вглядитесь как следует в реальность, и вы не увидите там ничего четко обрисованного. Эта реальность расплывается бессмысленным пятном с неясными очертаниями, подобно фотографии в газете, если рассматривать ее слишком близко.

Вот он — «принцип неопределенности Гейзенберга». Именно этот принцип в конечном итоге объясняет, почему атомы не съеживаются, превращаясь в ничто, и почему земля под нашими ногами твердая. Согласен: тот факт, что электроны представляют собой волны, а волнам необходим простор, — это лишь половина объяснения. Вторая половина обнаружится, стоит лишь поразмышлять, что случится с электроном, если его начнут слишком сильно прижимать к ядру. Это будет означать, что его местоположение станет известным с большой степенью точности. Но, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, чем больше мы уверены в местоположении частицы, тем меньше мы уверены в ее импульсе. Это очень похоже на то, как если бы мы засунули пчелу в спичечный коробок. Встряхните коробок — пчела разозлится и будет с остервенением колотиться о стены своей тюрьмы. Вот электроны в атомах и есть те самые пчелы в коробках. Атомам, по словам поэта Адриана Митчелла, «на месте не сидится, им хочется повсюду пускаться в рок-н-ролл…». Когда мы ступаем по земле, наш вес сжимает атомы, из которых она состоит. Это сжатие заставляет электроны хоть чуть-чуть, но приблизиться к ядрам. А принцип неопределенности Гейзенберга понуждает их воспротивиться и оттолкнуться от ядер.

Вот почему земля твердая, а материя — плотная. Да, в частности, по причине волновой природы электронов. Но также по причине неодолимой неопределенности микроскопического мира и еще потому, что наши знания о фундаментальной реальности имеют «предельный предел». Именно об этом в конечном итоге и говорит нам тот факт, что земля под нашими ногами — твердая.

3. Не больше двух горошин в стручке одновременно

Многообразие мира говорит нам удивительную вещь: в природе должно существовать нечто такое, что мешает электронам сидеть друг на друге

…Именно благодаря тому, что электроны не могут сидеть друг на друге, существуют и столы, и другие твердые предметы.

Ричард Фейнман[28]

Квантовые механики? И что они делают целыми днями?

Роб Эванс (поэт-исполнитель)

Оглянитесь вокруг: вот одуванчик, вот ураган, назревающий в Мексиканском заливе, вот новорожденный ребенок, вот звезда, мерцающая в вечернем небе. Невероятное, безграничное многообразие — одна из самых поразительных черт окружающего нас мира. Как пророчески заметил Демокрит два с половиной тысячелетия назад, все это удивительное многообразие — просто-напросто отражение того факта, что небольшое число кирпичиков, или атомов, могут соединяться друг с другом огромным количеством способов. Из простого, как ни парадоксально, рождается сложное. Все дело в комбинациях.

Таким образом, многообразие мира говорит нам: невозможно, чтобы атомные кирпичики были одного-единственного вида — таких видов должно быть множество. Но почему все же множество, а не один? Причина этого должна иметь какое-то отношение к тому, что отличает один вид атомов от другого. А то, что отличает атомы, — это количество электронов, которые они содержат. Именно электроны, обращающиеся на огромных (по меркам малого мира) расстояниях от центрального ядра, обеспечивают взаимодействие между атомами. Они обозначают «поверхность» атома и то, как один атомный кирпичик «Него» сцепляется с другими. Проще говоря, именно электроны делают атом кальция кальцием, атом золота — золотом, а атом платины — платиной.

Итак, безграничное многообразие окружающего мира говорит нам нечто очень важное об электронах. По сути, это «нечто важное» можно выразить так: электроны испытывают удивительную антипатию друг к другу, и притом очень сильную. Но здесь мы забегаем немного вперед…

Для того чтобы мы в полной мере оценили, с какой стати многообразие окружающего мира решило поделиться с нами таким необычным и весьма специфическим фактом, требуется некоторая подготовка. Например, необходимо знать кое-что о том, каким образом электроны размещаются внутри атомов и почему этот способ размещения порождает атомы, которые ведут себя столь по-разному.

Как и все частицы материи, электроны ведут себя подобно волнам. По де Бройлю, чем меньше импульс частицы, тем больше волна. Поскольку электрон — самая легкая на свете частица, обладающая массой [29], он, вообще говоря, отличается и самой большой длиной волны. Разумеется, именно по этой причине электрон, в большей степени, чем все остальные субатомные частицы, проявляет поразительнейший волновой характер, и по этой же причине абсолютно невозможно понять атом, не приняв во внимание сей аспект природы электрона. Вспомним: только жажда простора, присущая волне электрона, спасает эту частицу от стремительного полета по спирали к ядру атома и превращения там в ничто — только она делает возможным само существование атомов.

У органной трубы есть самая низкая, или основная, частота и плюс к ней более высокие частоты — «обертона». Чем больше частота, чем больше максимумов и минимумов волны в данной области пространства — тем более резок и интенсивен звук. Если говорить об электроне в атоме, то подобная волна соответствует частице, которая движется быстрее, обладает большей энергией и, таким образом, способна презреть электрическое притяжение ядра и обращаться вокруг него на большом расстоянии.

Тот факт, что волне электрона доступен лишь ограниченный набор частот, означает, что электрон в атоме не волен нарезать свои круги на произвольном расстоянии от ядра. Ему разрешено обращаться вокруг ядра только на строго определенных, «специально выделенных» расстояниях, — а о каких-нибудь других и думать не смей! Вообразим, что законы физики позволяют вам стоять только в трех метрах от дерева, или в восьми, или в двадцати семи, но никак иначе. Вам это покажется полной нелепостью, однако для электронов, обращающихся вокруг атомного ядра, дело обстоит именно так.

Самая близкая к ядру орбита, разрешенная электрону, — как раз та, которая установлена принципом неопределенности Гейзенберга. Можно сказать и по-другому: ее устанавливает сам электрон, который с пчелиным раздражением жужжит в своей коробке, не желая, чтобы ему отвели еще более тесное пространство [30]. Эта орбита соответствует самым низким колебаниям из всех возможных для электрона — то есть основной частоте. Другие доступные орбиты, располагающиеся все дальше и дальше от ядра, соответствуют высокочастотными обертонам.

Не удивительно, что самая «нижняя» орбита помечена цифрой 1, а более «высокие» орбиты, последовательно отступающие от ядра, поименованы как 2, 3, 4 и так далее. Эти «квантовые числа» — очередная иллюстрация к тому, как устроено микроскопическое царство атомов: оно по-прежнему «зернисто», никакой непрерывности нет и в помине, все подается порциями — вездесущими «квантами».

Тут есть еще один нюанс. Задумаемся над тем, как именно электроны движутся по своим орбитам в атомах. Вероятностная волна электрона может быть весьма сложной трехмерной штукой, из чего следует, что этой волне свойственно соответствовать электрону, для которого не только наиболее велика вероятность быть обнаруженным на определенном расстоянии от ядра, но также наиболее велика вероятность быть застигнутым в конкретных направлению, а не где попало. Например, волна электрона на северном и южном полюсах атома может быть больше, чем где-либо еще, поэтому именно в этих местах вероятнее всего обнаружить электрон.

Еще раз скажу: совершенно очевидно, что слова, используемые для описания окружающего нас большого мира, просто не применимы в мире очень малых величин. Хотя Резерфорд весьма живописно изобразил, как электроны движутся по орбитам вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца, однако на самом деле их перемещение совсем не похоже на движение планет. Электроны не только обращаются на конкретных, строго определенных расстояниях от ядра — и эти их орбиты не более чем «наиболее вероятные» области, где можно обнаружить электроны, — но они также имеют склонность оказывать предпочтение одним направлениям (азимутам) перед другими. Сознавая это, физики предпочитают вообще не говорить об орбитах электронов. Вместо этого они изобрели термин «орбиталь электрона», чтобы таким образом обозначить более сложную, «потустороннюю» реальность природы.

Для того чтобы охарактеризовать направление при движении в трехмерном пространстве, нужны два числа; вспомним о «широте» и «долготе» на земном шаре [31]. Соответствующим образом и волне электрона, величина которой меняется в зависимости от азимута, требуются два квантовых числа, дабы эту волну можно было привязать к определенному месту, — и плюс к ним еще то самое главное число, которое обозначает расстояние от атомного ядра. В сумме получается три.

Так уж распорядилась природа, что только двум электронам — не более того — разрешено обладать волной, описываемой конкретной триадой квантовых чисел. И оказывается, эта особенность и есть главнейший, если не единственный ключ к бесконечному многообразию окружающего нас мира. Но чтобы понять, почему это так, нам потребуется несколько расширить наше представление о том, каким образом электроны размещаются внутри атомов.

Все орбитали, расположенные на определенном расстоянии от ядра — то есть те, у которых одно и то же главное квантовое число, но разные вспомогательные квантовые числа (их еще называют орбитальными, или азимутальными), — образуют, как принято говорить, «оболочку». Получается, что максимальное количество электронов, которые могут занять ближайшую к ядру оболочку, обозначенную цифрой «1», равно двум. Максимальное количество электронов, которые могут образовать следующую оболочку, обозначенную цифрой «2», равно восьми. Для оболочки с порядковым номером «3» максимальное число электронов составляет 18. Ну и так далее.

Вот только сейчас — наконец-то! — мы подбираемся к сути дела: к тому, что отличает один атом от другого. Вспомним, что у разных типов атомов количество электронов тоже разное. У самого легкого элемента — водорода — один электрон, а у самого тяжелого природного элемента — урана — этих электронов аж 92. Теперь давайте вообразим — чисто гипотетически, — что произойдет, если электроны будут добавляться к атомному ядру по одному, дабы последовательно получались атомы все более тяжелых элементов. Первая доступная оболочка — самая «нижняя», ближайшая к ядру. Если электроны каким-то образом добавляются, они первым делом поступают именно в эту оболочку. Когда она заполняется до отказа, электроны накапливаются в следующей доступной оболочке, расположенной дальше от ядра. Когда заполняется и эта оболочка, электроны начинают набиваться в следующую, ту, которую отделяет от ядра еще большее расстояние. И так далее.

У атома водорода в «нижней» оболочке всего один электрон, а у атома гелия, следующего по тяжести элемента, — два. Этого достаточно, чтобы заполнить первую оболочку под завязку. Следующий по порядку атом — литий, у него три электрона. Поскольку в первой оболочке больше нет места, третий электрон начинает формировать новую оболочку, расположенную дальше от ядра. Емкость этой оболочки — восемь электронов. Однако, если у атома более десяти электронов, возможности второй оболочки исчерпываются и начинает заполняться следующая, еще более удаленная от ядра.

Помните, что обнаружил Менделеев? Когда он разложил карточки с названиями элементов горизонтальными рядами, по большей части в порядке возрастания атомного веса, то в вертикальных колонках магическим образом расположились элементы с одинаковыми свойствами. Так вот, оказывается, «периодичность» в свойствах атомов отражает периодичность в заполнении электронами атомных оболочек. В частности, она отражает количество электронов, которые остаются во внешней оболочке атома. Все атомы с одним электроном во внешней оболочке, такие, как литий, натрий и калий, имеют очень сходные свойства. Также похожими свойствами обладают атомы с двумя электронами во внешней оболочке — магний, кальций и радий.

Причина этого заключается в том, что именно электроны, обращающиеся вокруг ядра на самых дальних расстояниях, вступают в контакт с другими атомами. Если вообразить атом бильярдным шаром, то как раз эти внешние электроны определяют «поверхность» шара и придают ему соответствующий размер. А поскольку они находятся на «поверхности» атома, то им и дано определять, как данный атом соединяется с другими представителями атомного мира. Представьте, что внешние электроны — это крючки, с помощью которых один атом цепляется к другому. Картина, конечно, грубая, но принцип тем не менее ясен. Атом с одним электроном на внешней орбите — например, натрий, который мы легко найдем в солонке на столе, — сцепляется с другим атомом только определенным способом. Атом с двумя электронами на внешней орбите, такой, как кальций, содержащийся в наших костях, цепляется другим способом. Атом с тремя внешними электронами, допустим, алюминий, легчайший из металлов, — третьим. И так далее.

То направление в пространстве, в котором вероятнее всего обнаружить эти внешние электроны, строго определяет, каким образом один тип атомов состыковывается с другими типами, чтобы получить такие соединения, как полиэтилен, аммиак или метан. Химики изображают предпочтительные направления волн, ассоциированных с электронами, в виде «связей», расходящихся от атома на манер иголок, отчего он становится похож на ежика, — эти связи способны соединяться с иглами другого ежистого атома. Получается, что химия в конечном итоге — это электронная геометрия.

Наиболее стабильными оказываются те атомы, внешние оболочки которых полностью заполнены электронами. Поскольку у них нет электронных игл, торчащих во все стороны, то они не испытывают никакого желания соединяться узами с другими атомами. Им и так хорошо. Они надменны и равнодушны по отношению к другим атомам. Они совершенны. Именно это желание атомов достичь совершенства, обрести полноту жизни обусловливает практически всю химию. Например, атом хлора, которому не хватает всего одного электрона для заполнения своей внешней оболочки, готов отнять его у натрия, — а у того во внешней оболочке как раз один-единственный электрон. По окончании этой игры «ты — мне, я — тебе» внешние оболочки у обоих атомов будут заполнены. Соединение, получившееся в результате этого «брака по расчету», — не что иное, как хлорид натрия, обычная пищевая соль.

Но есть и другие пути достичь электронной нирваны. Вместо того чтобы один атом заимствовал электрон, а второй им жертвовал, два атома могут поделить свои внешние электроны, так что у каждого будет иллюзия завершенности внешней оболочки. Наиболее важным примером этого для нас — созданий, жизнь которых строится на углероде, — служит… ну да, конечно же, углерод. Поскольку во внешней оболочке у него четыре электрона, а максимальная емкость этой оболочки — восемь, каждый атом углерода имеет сильнейшее побуждение объединиться с другими атомами этого элемента. Четыре плюс четыре получается восемь — вот вам и дом полная чаша. Именно эта склонность атомов углерода вступать в однополые отношения — по сути, в множественные однополые отношения — и служит причиной существования на белом свете умопомрачительного количества длиннющих углеродсодержащих «молекул», из которых самые важные для нас — молекулы жизни, такие, как гигантская, неохватная двойная спираль ДНК.

Приношу извинения за «кровосмесительные» подробности того, как электроны располагаются в атомах, но другого пути у меня не было. Многообразие нашего мира проистекает из того, что в природе существует не один вид атомов, а множество. А тот факт, что существует много видов атомов, проистекает из другого факта: атомы обладают очень специфической внутренней структурой. Внутри атома существуют концентрические оболочки, каждая из которых может содержать строго определенное число электронов, при этом количество электронов в неполной внешней оболочке как раз и определяет поведение атома, будь то кальций, уран или золото. И в конечном итоге причина того, что атомы имеют такую специфическую структуру, как уже упоминалось, заключается в крайней замкнутости электронов, в их антиобщественном поведении.

Вообразите, что атомные орбитали — это ступеньки некой лестницы. Ближайшая к ядру орбиталь, обладающая самой низкой энергией, соответствует нижней ступеньке. Добавление электронов, отчего атом становится все тяжелее и тяжелее, равноценно раскладыванию электронов на первой ступеньке, а когда она закончится — на второй, третьей и так далее. Теперь необходимо сказать следующее. Все вещи склонны стремиться к состоянию с самой низкой энергией — это их стремление столь же несомненно, как несомненно стремление мяча скатиться со склона на дно низины и занять положение, в котором он будет обладать наименьшей «гравитационной энергией». Но для атома это означало бы, что электроны — хоть один, хоть 92 — должны устремляться к нижней ступеньке лестницы, к орбитали с минимальным энергетическим уровнем.

Если бы подобное происходило с атомами — если бы все электроны толпились на нижней орбитали, — то не существовало бы и такой вещи, как электронная оболочка с пределом заполняемости, который никоим образом не может быть превышен. А если бы не было электронных оболочек, то сама идея заполненной оболочки была бы лишена смысла. При отсутствии у атомов желания обрести заполненную внешнюю оболочку исчезла бы побудительная причина создавать межатомные связи. Все типы атомов вели бы себя одинаково антиобщественно. Не было бы никакого многообразия. Не было бы никаких различий. Не было бы и нас с вами.

Как видите, многообразие мира, по сути, говорит нам: должно быть что-то мешающее электронам сидеть друг на друге, какой-то закон природы, о котором ранее никто не подозревал, — закон, неким образом объясняющий внутреннюю структуру атомов. И такой закон есть. Он называется «принцип запрета Паули» — по фамилии швейцарского физика Вольфганга Паули, который и предложил его в 1925 году.

Принцип Паули (принцип запрета)

Паули едва перевалило за двадцать, когда в 1921 году он ворвался на научную сцену, написав обзор, посвященный общей теории относительности, который даже Эйнштейну сообщил кое-что новенькое о его собственной теории. Знаменитый своей прямолинейностью — или просто высокомерием (одни физики считали так, а другие эдак), — Паули был не прочь встать на лекции и сообщить лектору, что он говорит полную ерунду, невзирая на то, кто он и какова его репутация. Самомнение Паули было настолько высоким, что в физическом сообществе о нем был пущен анекдот примерно следующего характера.

Паули умирает и попадает на небеса. Бог спрашивает у него: есть ли в физике что-нибудь такое, о чем он, Паули, хотел бы узнать. Паули отвечает: да, есть; ему непонятно, почему постоянная тонкой структуры, характеризующая силу электромагнитного взаимодействия, имеет значение 1/137,035 999 074, а не просто 1/137. Бог подходит к доске и начинает быстро покрывать ее уравнениями. Спустя короткое время лицо Паули озаряет победоносная ухмылка. Он выхватывает из рук Бога мелок и говорит: «Вот оно! Смотри, в этом месте ты допустил ошибку, и дальше все пошло не так».

Однако, несмотря на его чудовищный эгоизм, Паули был одним из влиятельнейших физиков XX века. В 1930 году он сделал свое знаменитое предсказание о существовании «нейтрино», призрачной частицы, которая уносит с собой энергию, «исчезающую» при радиоактивном бета-распаде. Эта частица поразительно увертлива: сквозь нас каждую секунду проносятся 100 триллионов солнечных нейтрино и атомы нашего тела им нисколечко не мешают. Уже одного открытия нейтрино было бы достаточно, чтобы Паули сделал себе имя. Однако знаменит он прежде всего своим принципом запрета, за который Паули в 1945 году получил Нобелевскую премию по физике.

Принцип запрета, сформулированный Паули, — один из самых удивительных эдиктов во Вселенной, и тем не менее он пользуется дурной славой: даже лучшие попытки физиков объяснить его на понятном всем языке терпели неудачу. Однако не пугайтесь. Первый шаг к пониманию — это снова оценить эксперимент с двумя прорезями и выудить из него кое-что еще, а именно: одно конкретное умозаключение, которое он позволяет сделать, имеет более общий характер, чем кажется на первый взгляд.

Вспомним: если нам удастся определить прорезь, сквозь которую проходит каждая частица, никакого зебрового интерференционного рисунка на втором экране не будет и в помине. Вместо этого частицы, проходящие сквозь прорези, равномерно распределятся по второму экрану. Исследование вопроса: каким образом определение прорези, через которую проходит частица, размывает интерференционную картину, — подталкивает к выводу, что сам акт наблюдения заставляет частицу, несущуюся сквозь пространство, рыскать в полете самым случайным образом. Это рыскание, эта «нервная дрожь» частицы, как и многое другое в квантовом мире, имеет фундаментальный характер, она от природы свойственна всем обитателям микроскопического царства и абсолютно неодолима. Она, эта дрожь, говорит нам: как бы мы ни старались одновременно определить и местоположение частицы, и ее импульс, нашим стараниям положен жесткий предел. Чем точнее мы устанавливаем местоположение, тем неопределеннее наше представление об импульсе. И наоборот. Вот такой компромисс.

С точки зрения волны (но не частицы) этот самый «принцип неопределенности» довольно тривиален. Чем больше волна локализована в пространстве, тем больше в ней ярости и порывистости, и, следовательно, тем большими энергией и импульсом она обладает.

Принцип неопределенности служит для защиты интерференции — основы квантовой «потусторонности». Если у микроскопической частицы есть два варианта выбора и можно обнаружить — пусть даже в принципе, — какой из них она предпочла другому, то исключается сама возможность интерференции, поскольку важнейшее условие интерференции заключается в том, что две вещи должны смешиваться. Однако если не получается обнаружить, какую возможность выбрала частица, то интерференция между волнами, отображающими два варианта выбора, обязательно произойдет.

Это и есть ключевой момент — обобщение результата эксперимента с двумя прорезями. Интерференция происходит, если два варианта выбора неразличимы.

А какое отношение все это имеет к электронам? Самое прямое. Ведь получается, что электроны принципиально не различимы. Еще раз повторю: мы говорим здесь о свойствах микроскопического царства, у которого нет абсолютно никаких параллелей с миром нашей повседневной жизни. Мы можем сказать, что две куклы Барби неразличимы, однако фактически, на молекулярном уровне, это вовсе не так. Даже если взять уровень повыше, отличия все равно найдутся: в прическе одной куклы может быть на несколько волосинок больше, чем у другой, может различаться количество мятых складок на одежде. В нашем повседневном мире нет двух истинно одинаковых объектов. А теперь сравним этот мир с миром микроскопическим. Насколько мы знаем, каждый из триллионов триллионов триллионов электронов во Вселенной абсолютно идентичен всем остальным. У любого электрона, какой ни возьми, нет ни царапин, ни шрамов, ни пятнышек, ни чего-либо еще, выделяющего его из множества других электронов. И эта неразличимость — нечто поистине новое под солнцем.

А ключевой момент — помните об этом! — заключается в том, что неразличимые вещи могут интерферировать друг с другом. И поскольку невозможно отличить один электрон от другого, это имеет важные последствия для атомов, которые как раз электроны-то и содержат.

Вообразим себе некий процесс, в котором участвуют две идентичные частицы, взаимодействующие друг с другом. Это могут быть две любые частицы, лишь бы они были неразличимы. Например, два электрона, или два фотона, или даже два атома золота (на данном этапе наших рассуждений лучше, чтобы пример был как можно более обобщенный, вовсе не обязательно цепляться именно за электроны). В самом общем случае детали взаимодействия между частицами нам не известны. Они могут ходить парой, сталкиваться лоб в лоб, отскакивать друг от друга. Или же могут делать множество других вещей. Главное — мы не знаем никаких деталей.

Предположим, что, как и в эксперименте с двумя прорезями, мы имеем доступ к частицам только до и после их взаимодействия. Ну что же, теперь вообразим, что две частицы стартуют соответственно из точки 1 и точки 2. Затем они взаимодействуют и оказываются в точках 3 и 4. Есть два варианта, как это могло произойти. Частица, стартовавшая из точки 1, может оказаться в точке 3, а частица, начавшая свой путь из точки 2, заканчивает его в точке 4. Или же частица из точки 1 попадает в точку 4, а частица из точки 2 — в точку 3.

Конечно, мы могли бы сказать, какой из двух вариантов произошел, если бы частицы как-то отличались друг от друга — например, если бы одна была зеленой, а другая — синей или если бы на одной была татуировка: «частица А», а на другой: «частица В». Но эти две частицы абсолютно, решительно неразличимы. Таким образом, нет никакой практической возможности определить, какая из возможностей состоялась на самом деле. И это еще одно новое блюдо, которое неразличимые частицы подают на наш стол. Их неразличимость означает, что события, в которых они участвуют, тоже могут быть неразличимыми. А для микроскопического мира это имеет важные последствия, потому что, как уже подчеркивалось ранее, если два события неразличимы, вероятностные волны, отображающие каждую из двух возможностей, могут интерферировать между собой [32].

В нашем случае, когда две неразличимые частицы стартуют из точек 1 и 2, а заканчивают свой путь в точках 3 и 4, можно добиться некоторой точности. Общая высота волны для всего процесса — вспомним: ее следует возвести в квадрат, чтобы получить значение вероятности процесса, — равна сумме высот волн для первого и второго вариантов. Теперь обратимся к теории вероятности. Допустим, кто-то бросает игральную кость и у него выпадает «шестерка», — вероятность этого события составляет 1/6. А если кто-то еще бросает монетку и она ложится орлом вверх, то вероятность такого события —1/2. Если же оба броска происходят одновременно, то вероятность исхода «шестерка + орел» составит 1/6 х 1/2 = 1/12. Именно это происходит с высотами волн, если мы имеем дело с идентичными частицами. Суммарная высота волн в том случае, когда частица из точки 1 попадает в точку 3, а частица из точки 2 заканчивает свой путь в точке 4, составит В (1→3) х В (2→4). Таким образом, высота волны для всего процесса, включающего оба варианта, будет равна В (1→3) х В (2→4) + В (2→3) х В (1→4).

Теперь следует обратить внимание на кое-какие особенности высоты квантовой волны, ассоциированной с событием. Как и в случае с любой другой волной, для ее описания нужны два числа. Одно необходимо для того, чтобы обозначить максимальную высоту, или «амплитуду», волны. А поскольку волна идет то вверх, то вниз, достигает максимума, затем минимума, снова максимума и так далее, то есть не всегда имеет эту максимальную высоту, требуется еще одно число, именуемое «фазой», которое определяет расположение максимумов.

Самый простой способ визуально представить высоту квантовой волны — это вообразить ее стрелой, указывающей в определенном направлении, ровно как стрелка на часах[33]. У стрелы есть «амплитуда» — это всего-навсего длина стрелки часов. А также у нее есть «фаза». Она определяется с учетом конкретного направления: например, стрелка часов указывает на 12. В этой картинке высота волны — просто-напросто высота кончика стрелки над нулевым уровнем: в случае часов нулевой уровень — это линия, соединяющая на циферблате цифры 9 и 3.

Вернемся к двум неразличимым событиям, в которых участвуют те самые две неразличимые частицы. Предположим, точки 3 и 4 — одно и то же место. Тогда высота волны для всего процесса равна В (1→3) х В (2→3) + В (2→3) х В (1→3). Другими словами, высота квантовой волны для всего события — это суммарная высота квантовых волн для варианта, когда частицы движутся «нормально», и варианта, когда они меняются местами.

Предположим, конечная точка находится на одном и том же расстоянии от точек 1 и 2. Получаются две неотличимые возможности, зеркально отображающие друг друга. И если расстояние действительно таково, разумно предположить, что вероятности двух вариантов тоже одинаковые. Иными словами, квадраты высот волн, каждая из которых отображает возможность «своего» варианта, — одна и та же величина.

Итак, стрелы одинаковой длины имеют один и тот же квадрат высоты, независимо от направления, в котором они указывают. Это легко понять, если вы посмотрите на стрелку обыкновенных часов. Квадрат ее длины один и тот же, куда бы она ни показывала — на 2, 11 или 9 часов. А теперь вы вполне можете вообразить стрелы, отображающие квантовые волны каждого из двух вариантов, в виде двух равновеликих стрелок на часах.

Вот здесь-то и зарыта квантовая собака. Не важно, каков угол между стрелами, — квадраты их длин всегда будут одной и той же величиной. Допустим, стрела № 2, отображающая возможность второго варианта, отклонена от стрелы № 1 на х градусов. Вообразим, что мы поменяли местами исходные позиции частиц, входящих в точку 3, — точки 1 и 2. Оп! Стрела № 1 уже выглядит как стрела № 2. Другими словами, она отклонилась от первоначального направления на х градусов. А теперь поменяем местами две исходящие частицы. Происходит то же самое. Стрела № 1 отклоняется еще на х градусов от того положения, которое она занимала, — в сумме получается 2х градусов. Однако перемена сначала исходных мест, а затем исходящих частиц просто-напросто возвращает все к тому, с чего все началось, — восстанавливает первичную ситуацию. Поэтому 2х градусов должны равняться полному обороту, поскольку что-то — что бы то ни было — будет выглядеть как раньше только в одном случае: если это «что-то» совершило полный оборот вокруг оси. Или два оборота. Или три. И далее. Лишь при этом условии стрела будет выглядеть одинаково.

Рассмотрим разные возможности. Если 2х равны полному обороту, тогда х — это половина оборота. Если 2х равны двум полным оборотам, тогда х — один оборот. Если 2х равны трем полным оборотам, тогда х — полтора оборота. Если 2х равны четырем полным оборотам, то х = 2 оборота. Если 2х = 5 полных оборотов, то х = 2,5 оборота. И так далее. Но поворачивать что-либо на полтора или два с половиной оборота — то же самое, что поворачивать на половину оборота. А поворачивать что-либо на два или четыре оборота — все равно что поворачивать на один оборот. Поэтому ясно: существуют всего лишь две возможности. Вероятности двух событий не изменятся, если стрелы, отображающие высоты вероятностных волн для каждого из событий, отстоят друг от друга либо на пол-оборота, либо на полный оборот.

Что это означает в реальном мире? Рассмотрим сначала вторую возможность. Если стрелы отстоят друг от друга на полный оборот, то, понятное дело, они указывают в одном и том же направлении и, таким образом, складываются. Представьте, что вы проходите по стреле пять километров на северо-запад, а затем по аналогичной стреле делаете марш-бросок еще на пять километров, и тоже в северо-западном направлении. Это все равно что пройти на северо-запад по стреле длиной десять километров. Итак, если стрелы отстоят друг от друга на один оборот, высота волны удваивается, а это означает, что вероятность происходящего события в четыре раза больше вероятности каждого события, из которых складывается процесс, по отдельности.

Иначе говоря, какой бы ни была вероятность попадания одной частицы в конкретную точку, вероятность того, что в эту точку попадут обе частицы, в четыре раза больше. Вы, наверное, по наивности полагали, что вероятность может быть только вдвое больше. Ан нет. Оказывается, в случае идентичных частиц вероятность увеличивается. То обстоятельство, что одна частица пребывает в конкретной точке, увеличивает вероятность того, что и вторая частица будет обнаружена здесь же. И между прочим, исход такого события носит куда более обобщающий характер, чем здесь изображено. Тот факт, что одна частица пребывает в определенном «квантовом состоянии» — то есть делает некую определенную вещь, — увеличивает вероятность того, что и другая частица будет делать то же самое. Это можно сравнить с детской игрой «Делай, как я». Или с поведением овечьего стада. Одна овца направляется к дереву в конце поля. Затем к ней присоединяется другая. И еще одна. Глазом не успеешь моргнуть, как уже все стадо устремляется к тому же дереву.

Работа лазера тоже основана на «овечьем поведении». Стоит атому испустить в неком направлении фотон определенной частоты, как сразу увеличивается вероятность, что соседний атом испустит фотон той же частоты и тот полетит «в ногу» с первым. А когда есть два фотона, увеличивается вероятность того, что к ним присоединится третий. В мгновение ока образуется целая лавина фотонов — все мчатся сквозь пространство в одном направлении, и у всех одни и те же свойства. Такая «стимулированная эмиссия» порождает световые волны, бегущие строго «в ногу», их гребни и впадины идеально выстроены, и в этом причина беспрецедентной яркости лазера.

Вот и все, что можно сказать об одной из возможностей, открывающейся двум взаимодействующим неразличимым частицам. А как там обстоят дела с другой возможностью, когда стрелы отстоят друг от друга на пол-оборота? Ну что же, если стрелы разнесены на пол-оборота, они указывают в разных направлениях и, таким образом, гасят друг друга. Вообразите, что вы проходите пять километров по стреле, указывающей на северо-запад, а затем пять километров по стреле, указывающей на юго-восток, то есть в обратном направлении. Вы вернетесь туда, откуда начали свой путь. Поэтому, если две стрелы разошлись на пол-оборота и, следовательно, погасили друг друга, высота волны оказывается равной нулю. Вероятность события отсутствует. Оно просто не произойдет. Точка.

Если две идентичные частицы ведут себя подобным образом, у них нет никаких шансов попасть в одну точку. Говоря более обобщенно, они даже не могут делать одну и ту же вещь. Мало того что их поведение никак не назовешь стадным или «овечьим», они выказывают абсолютно антиобщественный характер и относятся друг к другу с безграничной антипатией. Эта антипатия и носит название «принцип запрета Паули».

Вот ведь что удивительно! Из одного только факта, что две частицы неразличимы, следуют — вследствие интерференции неразличимых возможностей — две поразительно отличающиеся друг от друга модели поведения. С одной стороны, идентичные частицы могут вести себя антиобщественно, а с другой стороны, они могут быть стадом. Вопрос вот в чем: пользуется ли природа этими двумя открывающимися перед ней возможностями? Есть ли частицы, которые демонстрируют стадное, «овечье» поведение, и частицы, глубоко антиобщественные по сути? Ответ: да, есть. Фундаментальные частицы природы действительно распадаются на два отдельных лагеря. Те, которые предпочитают сбиваться в стадо, известны как «бозоны», а те, которые проявляют антиобщественное поведение, именуются «фермионами». Но что определяет принадлежность конкретной частицы к лагерю бозонов или фермионов? Ответ таков: ее «спин».

Спин, и почему он так важен

Спин — еще одно из тех квантовых свойств, которые не имеют аналога в повседневном мире. Несмотря на картинку, которую он вызывает в воображении, — фигуристка, исполняющая вращение на льду, — на самом деле спин говорит нам, как выглядит частица, если ее рассматривать под разными углами, или, что равноценно, как она будет выглядеть, если вы станете ее вращать. Как и все остальное в микроскопическом мире, от электрического заряда до видимого света, спин порционен. Иными словами, существует квант спина. Частица с двойным целым спином, или спином 2, останется такой же, как была, если вы повернете ее на пол-оборота, — представьте себе стрелу с двумя наконечниками. Частица со спином 1 не изменит своего вида, если вы дадите ей совершить полный оборот, — здесь можно вообразить просто обычную стрелу. Но природа на этом не остановилась. Она допускает существование частицы со спином 1/2 (по техническим соображениям квант спина на самом деле составляет половину целого спина). Такая частица — и в это почти невозможно поверить — обретет свой изначальный вид, только если ее прокрутить на два полных оборота.

Если квантованный спин — нечто новое под солнцем, то спин 1/2 — нечто новое вдвойне. Вообразите, что вам ни за что не обрести свой прежний вид, если вы обернетесь один раз вокруг оси, — вы вновь станете самим собой, только если повернётесь вокруг оси два раза. Между тем именно это и происходит с электронами — самым типичным примером частиц, обладающих полуцелым спином. Дело в том, что стрела, отображающая высоту квантовой волны электрона, сделав один полный оборот, указывает в направлении, противоположном первоначальному. Только после двух оборотов она будет указывать направление, соответствующее стартовому.

Но какое отношение имеет спин к антиобщественному или стадному поведению частиц, к тому, подчиняются они принципу запрета или нет? Это ключевой вопрос.

Представим себе те самые две неразличимые частицы, которые сходятся и взаимодействуют в одной и той же точке. Вспомним: поскольку частицы неразличимы, высота квантовой волны для данного события представляет собой сумму высот квантовых волн для того варианта, когда частицы снялись со своих «родных» точек, и того варианта, когда они поменялись местами. Эти два варианта можно представить в виде двух стрел-стрелок на циферблате. Природа допускает две ситуации: стрелы могут указывать в одном направлении и складываться, или же они могут указывать в противоположные направления и гасить друг друга. Последнее подводит нас к принципу запрета Паули — а именно нулевой вероятности того, что две частицы окажутся в одном месте или будут делать одно и то же.

А что случится, если поменяются местами два электрона — частицы с полуцелым спином? Представьте себе два электрона в виде двух идентичных футбольных мячей, лежащих рядышком. Поскольку нам важно следить за их ориентацией в пространстве, вообразите, что они лежат бок о бок по линии восток — запад и в западном направлении у каждого торчит маленький красный флажок. Теперь заставьте мячи поменяться местами.

И сделайте это следующим, весьма странным образом. Сначала перекатите западный мяч по поверхности восточного так, чтобы он сделал пол-оборота (допустим, флажок уцелеет, если его приплюснуть мячом). В этом случае красный флажок, торчавший в сторону запада, сначала укажет на север, а затем на восток. Иными словами, западный мяч совершит пол-оборота по часовой стрелке. Теперь представьте мячи в их прежней позиции и совершите тот же маневр с восточным мячом. Он перекатится по поверхности западного мяча. При этом флажок, указывавший на запад, сначала обозначит на направление на юг, а затем — на восток. Иначе говоря, восточный мяч совершит пол-оборота против часовой стрелки.

Между тем чистый эффект от этой перемены мест двух мячей выражается в том, что один мяч совершил полный оборот относительно второго. А теперь вспомним: частица с полуцелым спином должна совершить два полных оборота, чтобы стрела, отображающая высоту ее волны, оказалась в том месте, где она была вначале. Если частица совершит всего лишь один оборот, то стрела укажет в противоположном направлении. А ведь именно это и требуется, чтобы погасить две возможности, открывающиеся в том случае, когда две идентичные частицы сходятся и взаимодействуют. Таким образом, частицы с полуцелым спином, подобные электрону, должны быть фермионами. Эти творения природы — антиобщественные частицы, они подчиняются принципу запрета Паули. А частицы с целым спином, чьи стрелы возвращаются в исходную позицию после одного оборота (таким образом, когда идентичные частицы сходятся, возможности не гасятся), должны быть бозонами — другими творениями природы, частицами, которым свойственно стадное поведение [34].

Атомы таковы, каковы они есть, потому что электроны — это фермионы, подчиняющиеся принципу запрета Паули [35]. Попытайтесь сблизить два электрона — они будут сопротивляться изо всех сил. Вот эта чудовищная антипатия, желание во что бы то ни стало разбежаться и не дает электронам сидеть друг на друге. Принцип запрета разрешает только одному электрону — не больше! — пребывать в одном квантовом состоянии. Поэтому первая, ближайшая к ядру оболочка атома может содержать только один электрон, вторая — четыре, третья — девять и так далее. Но постойте-ка. Разве максимальная вместимость первой оболочки не два, второй — не девять, а следующей — не 18 электронов? Все правильно. Принцип запрета действительно не разрешает двум идентичным частицам находиться в одном и том же месте. Однако электроны нашли способ быть не-идентичными. Все дело в их спине.

Электрон, обладающий спином, подобно всем движущимся электрическим зарядам, действует как магнит (несмотря на то что спин — его внутреннее свойство и на самом деле электрон вовсе не вращается). По сути, именно спин отвечает за магнетизм железа и за возбуждение магнитного поля в электрической катушке, что дало нам электромоторчики в фенах и миксерах и динамо-машины, вырабатывающие электричество по всей планете. Манипуляции, которые магнитные поля производят со спином электронов, позволяют также хранить огромное количество данных (и извлекать эти данные) на жестких дисках компьютеров и айподов.

В магнитном поле спин электрона ведет себя как крошечная стрелка компаса. Только эта стрелка компаса — квантовая. В отличие от знакомой всем стрелки обычного компаса, она не способна устанавливаться в любом положении (лишь бы это положение соответствовало направлению на Северный магнитный полюс) — у нее есть только две возможности: указывать по направлению поля или против него [36]. Можно сказать, что эти две возможности соответствуют двум вариантам «вращения» электрона — по часовой стрелке и против часовой стрелки. Ну что же, получается, что «по-часовой» и «противо-часовой» электроны не идентичны друг другу и, таким образом, они могут занимать в пространстве одно и то же место, то есть находиться в одном и том же квантовом состоянии. Вот почему каждая атомная оболочка может содержать в два раза больше электронов, чем следовало ожидать.

Теперь можно развить прозвучавшее ранее объяснение, почему земля под нашими ногами твердая [37]. Да, атомы сжимаются под нашим весом, но электроны в этих атомах начинают суетиться быстрее, отчего становятся еще больше похожи на рассерженных пчел: они сопротивляются тому, что их втискивают в столь маленькое пространство. Однако в то время, как этот эффект, в силу принципа неопределенности Гейзенберга, объясняет существование самих атомов и дает исчерпывающее толкование того, почему простейший атом — водород с его единственным электроном — сопротивляется сжатию, для всех более тяжелых атомов в игру вступает другой фактор. И этот фактор — принцип запрета Паули. Только два электрона, не более того, могут делить одно и то же квантовое состояние. В каждом стручке могут сидеть только по две горошины. Когда ваш вес сжимает атомы в земле, их, эти атомы, раздвигает объединенный эффект принципа неопределенности Гейзенберга и принципа запрета Паули.

Итак, теперь мы можем со всей определенностью сказать, о чем же говорит нам многообразие нашего мира. Оно говорит, что атомы бывают разных видов, а это обстоятельство, в свою очередь, сообщает нам о том, что непременно должен существовать эдикт, воспрещающий электронам в атомах сидеть друг на друге. Этот эдикт — принцип запрета Паули — сам по себе оказывается неизбежным следствием двух вещей: неразличимости электронов и того факта, что они обладают полуцелым спином. Вот она — фантастическая «машина различий» Ее Величества природы.

Принцип запрета — не единственный эффект, носящий имя Паули. Ученый обладал особенностью, о которой ходили легенды: если он находился рядом, в экспериментальном оборудовании неизменно происходило короткое замыкание или же оно взрывалось, а то и просто разваливалось, превращаясь в бесформенную груду. «Эффект Паули» был настолько ужасен, что физик-экспериментатор Отто Штерн[38] даже выгнал Паули из своей лаборатории в Гамбурге и предпочитал обсуждать с ним физические проблемы через закрытую дверь. Однако то, что Паули не пускали в лаборатории, порой не помогало. Однажды, когда Паули даже не предполагался где-нибудь на горизонте, у физика Джеймса Франка произошел просто повальный отказ оборудования в его лаборатории в Геттингене. Сверившись с расписанием поездов, ученый обнаружил, что в момент наивысшего хаоса в его хозяйстве поезд, в котором Паули ехал из Цюриха в Копенгаген, сделал пятиминутную остановку на вокзале Геттингена в нескольких километрах от лаборатории[39].

Это может показаться очень странным, но сам Паули был убежден, что «эффект Паули» — абсолютно реальное явление. Будучи закадычным другом швейцарского психиатра Карла Юнга, Паули верил, что его «эффект» — некий психокинетический феномен, демонстрирующий способность человека управлять материей усилием воли: мол, пусть это явление пока необъяснимо, но рано или поздно оно станет достоянием науки.

Принцип запрета имеет интересные философские последствия для нашей охоты за предельными кирпичиками материи. Когда-то люди думали, что эти кирпичики — атомы. Затем атом неожиданно распался на ядро и облако электронов. Хотя главные составляющие ядра еще не упоминались в этой книге, потому что они пока не имели прямого отношения к обсуждавшимся здесь проблемам, тем не менее секрета здесь нет: это «протон» и «нейтрон». И каждая из этих частиц тоже, оказывается, составная. Протоны и нейтроны сделаны из так называемых «кварков», которые, между прочим, как и электроны, имеют полуцелый спин.

Очевидный вопрос: добрались ли мы до самого «низа»? Или нам суждено и дальше разъединять частицы, находя внутри все более и более мелкие «частичечки» (воображение рисует бесконечную последовательность матрешек)? Ну хорошо, попробуем остановиться. И электроны, и кварки подчиняются принципу запрета Паули, а это подчинение обусловлено тем, что все электроны идентичны и все кварки идентичны тоже. Раз нет никакой возможности отличить одну частицу данного вида от другой, то из этого следует, что внутренней структуры у них тоже нет — и не просто нет, а не может быть! — потому что тогда какие-нибудь различия непременно обнаружились бы. Сам факт, что электроны и кварки подчиняются принципу запрета Паули, — это сильный намек на то, что в конце концов мы все же обнаружили фундаментальные кирпичики природы.

Часть 2 Что окружающий мир рассказывает нам о звездах

4. Ошибка лорда Кельвина

С тем, что на солнышке жарко, и спорить нечего, но этот факт говорит нам удивительную вещь: на свете существует источник энергии, в миллион раз более концентрированный, чем динамит

Постигнуть, что может поддерживать такой огромный пожар (если это действительно пожар), — значит раскрыть величайшую тайну. Каждое открытие химической науки в этой области заводит нас в совершенный тупик или, скорее, все дальше уводит нас от возможного объяснения загадки.

Джон Гершель («Очерки по астрономии», 1849)[40]

Как же много я не знаю об астрофизике. Надо бы почитать книгу того парня в инвалидной коляске.

Гомер Симпсон («Хэллоуин Симпсонов», VI специальный выпуск, 29 октября 1995 г.)

Прогуливаясь летним днем в парке, вы чувствуете теплые успокоительные лучи Солнца на своем лице. Несмотря на то что до Солнца примерно 150 миллионов километров, оно неплохо нас греет. На самом деле Солнце дает Земле тепло уже 4,55 миллиона лет. Это наблюдение может показаться банальным и очевидным, однако тот факт, что Солнце горячее, говорит нам нечто важное о солнечном источнике топлива. Если взять «шашку» этого топлива и шашку динамита, то первая должна содержать в миллион раз больше энергии.

Чтобы понять, почему это так, для начала надо спросить: почему Солнце горячее? Ответ до удивления прост. Солнце горячее, потому что у него большая масса. Поместите в одном месте большую массу чего бы то ни было, и собственное тяготение этой массы будет неизбежно прижимать все части «чего бы то ни было» ближе друг к другу. Чем больше масса, чем мощнее собственное тяготение, тем с большей силой будет сжиматься материя. Если вы когда-нибудь накачивали камеру велосипедным насосом, то знаете, что насос нагревается. На самом деле прежде всего нагревается воздух в насосе, потому что он сжимается. Солнце горячее именно по этой причине.

В сущности, не имеет особого значения, из чего состоит масса. Солнце в основном «сделано» из водорода и весит примерно миллиард миллиардов миллиардов тонн[41]. Однако соберите в одном месте миллиард миллиардов миллиардов тонн бананов или миллиард миллиардов миллиардов тонн микроволновок, и результат будет тем же: пылающий шар газа, не менее горячий, чем Солнце. Совершенно безразлично, какой материал вы возьмете: сила тяжести такой гигантской массы сжимает материю столь мощно, что температура глубоко внутри составляет миллионы градусов. При этой головокружительно высокой температуре атомы сталкиваются так яростно, что у них просто срывает электроны. В результате получается электрически заряженный газ, или «плазма», — некое анонимное состояние, которое при таких экстремальных условиях становится уделом любой материи, вне зависимости от того, водород это, бананы или микроволновки [42].

Тот факт, что Солнце имеет большую массу, объясняет, почему оно горячее — но, конечно же, только для конкретного мгновения. Он не объясняет, почему Солнце остается горячим. В конце концов, наше светило беспрерывно теряет тепло, излучая его в пространство, и по этой причине оно должно остывать. Однако этого не происходит, из чего можно сделать вывод: что-то восполняет тепло по мере его потери. Но что именно?

На Земле самый привычный для нас источник тепла — горение, сжигание чего бы то ни было. Еще в 434 году до нашей эры греческий философ Анаксагор[43] размышлял о том, что Солнце охвачено пожаром. «Солнце — это огромный раскаленный камень», — сказал он. В сущности, он пошел даже немного дальше и с трогательной точностью объявил, что Солнце представляет собой «раскалённую металлическую глыбу или камень размером во много раз больше Пелопоннеса» [44]. Для сжигания требуется кислород. В школе на уроках физики это демонстрируют, накрывая стеклянным колпаком горящую свечу. Когда последние частицы кислорода пожираются пламенем, огонь шипит и гаснет. Так же и Солнцу для горения требуется источник кислорода. Оставим в стороне совершенно пустячный вопрос: интересно, а где оно может получить такой практически неистощимый источник газа? — и вместо этого зададим вопрос более уместный: что же такое горящее Солнце?

К топливу, которое сжигается на Земле, относятся древесина, нефть, уголь, даже динамит, который при сжигании выделяет тепло столь быстро, что не горит, а взрывается. Горение — это химическая реакция, то есть процесс, при котором электроны перегруппировываются вокруг атомов, поэтому древесину, нефть, уголь, динамит и так далее собирательно называют «химическим топливом» [45]. Получается, что в Солнце тоже сжигается химическое топливо? Может ли оно быть, например, гигантской пылающей глыбой угля — глыбой больше миллиона километров в поперечнике? Это может показаться идиотской идеей. Однако в девятнадцатом веке, когда ученые впервые начали всерьез задумываться, что же питает Солнце, это было вовсе не смешно. В конце концов, они жили в индустриальном обществе, где стало возможным высвобождать энергию, сжигая уголь.

Дабы понять, что такое Солнце — глыба горящего угля или что-то еще, — надо оценить, как много тепла оно излучает в космос. Только вооружившись такой оценкой, можно определить, действительно ли глыба горящего угля величиной с Солнце способна выполнить такую работу. Решающие измерения произвели в XIX веке французский физик Клод Пуйе (1790–1868) и, независимо от него, английский астроном Джон Гершель. Последний был сыном Уильяма Гершеля, который в 1781 году обнаружил планету, не известную в древности, — он открыл Уран [46]. В 1834 году Джон Гершель приплыл в Кейптаун с заданием дополнить звездные карты Британского адмиралтейства картами Южного полушария неба. С женой, детьми, телескопом и пожитками он долго бродил по кишащим бегемотами болотам, пока не нашел место для обсерватории на возвышенности рядом с городом. Сейчас этот пригород Кейптауна называется Обсерваторией. И здесь в 1837 году, в часы дневного отдыха между ночными наблюдениями, Гершель успешно измерил тепловую отдачу Солнца.

Гершель и Пуйе пришли примерно к одному и тому же выводу: ежегодно Солнце выделяет достаточно тепла, чтобы растопить на Земле слой льда толщиной 31 метр. Возможно, это покажется не очень впечатляющим, но надо принять во внимание, что солнечное тепло распространяется не только в направлении нашей маленькой планеты — оно расходится во всех направлениях. Из этого можно сделать только один вывод: солнечного тепла достаточно для того, чтобы каждый год растапливать 31-метровый слой льда не только на Земле, но повсюду на расстоянии радиуса земной орбиты. Другими словами, оно может растопить сферическую оболочку, толщина которой — 31 метр, а поперечник — 300 миллионов километров! Вообразите себе надувной пляжный мяч, который настолько велик, что вмещает в себя околосолнечную орбиту Земли, и еще вообразите, что его внутренняя поверхность покрыта слоем льда толщиной 31 метр. Вот сколько льда Солнце может растопить за один год. Этого льда достаточно — тут можно прибегнуть к другому сравнению, — чтобы слепить из него примерно 500 земных шаров.

Вооружившись оценкой количества тепла, выделяемого Солнцем, ученые девятнадцатого века задумались: а возможно ли, чтобы наше светило и впрямь работало на угле? Первым, кто произвел необходимый эксперимент, был немецкий врач Юлиус фон Майер (1814–1878). В 1848 году он измерил количество тепла, получаемое при сжигании крупного куска угля в жаровне. Затем он изменил масштаб и математически «раздул» глыбу до размеров Солнца. Вопрос был следующий: как долго такое количество угля может поддерживать солнечное тепло, измеренное раньше Гершелем и Пуйе, пока глыба не превратится в тлеющий уголек? Ответ фон Майера был совершенно четок: не более пяти тысяч лет. Поразительно короткий срок! Он был слишком коротким даже для буквальных толкователей Библии, которые считали, что Земля была создана вечером 22 октября в 4004 году до Рождества Христова [47].

Итак, уголь был исключен из источников топлива, поддерживающих высокую температуру Солнца. Впрочем, та же участь постигла и остальные виды химического топлива, включая динамит. Что же тогда питает Солнце энергией? Фон Майер выдвинул невероятное предположение. Он пришел к мысли, что Солнце поддерживается в горячем состоянии за счет метеоритов, постоянно на него падающих. Идея проста. Представим, что вы берете большой камень и с высокой скалы бросаете его на покрытый галькой пляж. Камень ускоряется во время падения и врезается в гальку. Существуют разные виды энергии — химическая, звуковая, электрическая и так далее. Согласно закону сохранения энергии, который фон Майер, кстати, признал одним из первых, энергия не может быть создана или уничтожена, она может лишь перейти из одного вида в другой. В случае с падающим камнем «гравитационная потенциальная энергия» — энергия, заключенная в гравитационном «силовом поле», которое удерживает все на Земле, — переходит в «энергию движения». Камень падает на пляж со звуком, подобным пистолетному выстрелу. Целые галечные камешки и их осколки шрапнелью разлетаются в разные стороны. Температура камня и потревоженной гальки при этом немного повышается, да что там камень и галька, чуть-чуть повышается даже температура воздуха, коль скоро он сотрясается от звука удара. И тем не менее все подчиняется закону сохранения энергии. Одна форма энергии — энергия движения камня — переходит в другие формы: в энергию движения разлетающейся гальки, звуковую энергию, тепловую и так далее.

Тепловая энергия — самая рядовая форма энергии, нижняя ступенька лестницы, конечный шлак Вселенной. Это энергия беспорядка, случайности, хаотичного движения микроскопических атомов. В конечном итоге, когда звук падения камня рассеивается в воздухе, а галечная шрапнель успокаивается, заняв новые места на пляже, все, что остается, — это тепло. Таким образом, когда камень падает на пляж, происходит, в сущности, не что иное, как трансформация гравитационной энергии в тепловую. Именно эту трансформацию и имел в виду фон Майер, когда он предположил, что источник солнечного тепла — метеориты, дождем сыплющиеся на наше светило. Заменим поверхность Солнца пляжем, а космические камни — метеориты — земным камнем, и вот пожалуйста: перед нами идея фон Майера в самом общем виде.

«Метеоритная гипотеза» была с восторгом подхвачена Уильямом Томсоном (1824–1907), более известным как лорд Кельвин. Именно Кельвину, одному из величайших ученых XIX столетия, мы обязаны температурной шкалой, которой до сих пор пользуются все ученые, и первым трансатлантическим телеграфным кабелем. Он также считал вопрос о том, что именно поддерживает высоченную температуру Солнца, одной из главных, хотя и трудно разрешимых проблем эпохи. Кельвин внимательно рассмотрел метеоритную гипотезу. Однако, будучи подвергнута пристальному изучению, она рассыпалась в прах. Чтобы обеспечить выход солнечной энергии, соответствующий измерениям, слой метеоритного мусора, накапливающегося на поверхности Солнца, должен расти со скоростью десять метров в год. Это повлекло бы за собой некоторый прирост диаметра Солнца — впрочем, слишком маленький, чтобы его можно было обнаружить экспериментально, так что ахиллесова пята идеи была не в этом. Кельвин предположил, что космический мусор, падающий на Солнце, должен пребывать в некой области пространства, которая ближе к Солнцу, чем к Земле. Если бы это было не так, то при движении Земли по орбите вокруг Солнца наша планета сама подбирала бы этот мусор, отчего менялись бы орбитальная скорость Земли и продолжительность года. Однако подобных эффектов никто не наблюдал. А если весь мусор, падающий на Солнце, пребывает в некой области внутри земной орбиты, то возникает другая проблема: этот мусор должен обладать небольшой, но ощутимой силой собственного тяготения. По расчетам Кельвина, ее было бы достаточно, чтобы повлиять на движение внутренних планет — Меркурия и Венеры — по своим орбитам. И снова та же картина: подобный эффект никем не наблюдался.

К 1862 году Кельвин[48] распрощался с метеоритной гипотезой.

Вместо этого он воодушевился другим предположением: идеей, что Солнце сохраняет высокую температуру, потому что оно медленно сжимается. «Гипотеза сжатия» была детищем шотландского гидрографа Джона Джеймса Уотерстона (1811–1883), который, независимо от фон Майера, в 1853 году тоже пришел к метеоритной идее. Кстати, научный доклад именно Уотерстона, а не фон Майера привлек внимание Кельвина к метеоритной гипотезе. Красота идеи сжатия Солнца состояла в том, что это сжатие, по сути, неизбежно. Солнце — гигантский газовый шар; сила тяготения делает все возможное, чтобы сжать этот шар, между тем как сила раскаленного газа, рвущегося наружу, делает все от нее зависящее, чтобы расширить его. Эти две противоположные силы находились бы в полном, даже изысканном равновесии, если бы не одна проблема: Солнце постоянно теряет тепло, излучая его в пространство. Потеря тепла лишает газ его способности рваться наружу, пренебрегая гравитацией. Получается, что сила тяготения не просто владычествует, но набирает все больше и больше власти, а из этого следует только один вывод: Солнце должно сжиматься.

При сжатии газовый шар разогревается. Вновь вспомним о нагреве воздуха в велосипедном насосе [49]. Можно представить сжатие газа и по-другому — в виде очень медленного метеоритного дождя. Однако в данном случае речь идет не о малом количестве вещества в виде камней, стремительно пронзающих гравитацию Солнца (как это было бы при метеоритном нагреве), а о том, что сквозь поле тяготения Солнца очень медленно «проваливается» огромное количество вещества — собственно, вся масса светила. Оба механизма «подключены» к одному и тому же могучему источнику, первичному источнику энергии во Вселенной — гравитации. А гравитационная энергия, как понял Уотерстон, потенциально куда больший резервуар энергии, чем любое химическое топливо.

Вычисления Уотерстона показали, что если бы Солнце сжималось на 280 метров в год — это всего лишь 10 миллионных от его диаметра, и такое сжатие абсолютно не заметно с Земли, — то подобной убыли хватило бы, чтобы восполнять постоянно отдаваемое космосу тепло. Идея сжатия была весьма многообещающей, но ее требовалось проверить. Кельвин и его немецкий современник Герман фон Гельмгольц нашли способ сделать это. Если Солнце сжимается сегодня, рассудили ученые, оно должно было сжиматься и в прошлом. Когда-то давным-давно Солнце, надо полагать, было гигантским газовым облаком, намного большим, чем даже нынешняя Солнечная система. Кельвин и Гельмгольц рассчитали, какое количество гравитационной энергии должно было превратиться в тепло, пока это колоссальное облако сжималось до того объема Солнца, который известен сейчас. А затем они задались вопросом: как долго это тепло могло поддерживать сияние Солнца на уровне, наблюдаемом в современную эпоху? И получили ответ: не более 30 миллионов лет.

Продолжительность жизни в 30 миллионов лет — гораздо больше, чем пять тысяч лет для Солнца, работающего на угле. Но, как ни удивительно, этого все равно недостаточно. Существуют серьезные доказательства со стороны геологии и биологии, что Земля — а следовательно, и Солнце, коль скоро его возраст никак не меньше возраста Земли, — значительно старше, чем это получалось по оценке Кельвина и Гельмгольца.

И геологи, и биологи распознали процессы, которые коренным образом изменили лик Земли, но эти процессы протекают столь невероятно медленно, что их ход оставался незаметным на протяжении всей человеческой истории. Если говорить о геологии, то горы, когда-то бывшие морским дном, о чем свидетельствуют окаменелые морские твари на их вершинах, взметнулись к небу, достигнув многокилометровой высоты. Если говорить о биологии, то населяющие Землю существа, при всем их потрясающем многообразии, судя по разным признакам, эволюционировали из простейшего общего предка, преобразуясь из одной формы в другую под управлением дарвиновского естественного отбора. Эти превращения сформировали земную поверхность, ее флору и фауну. Но чтобы это произошло, потребовалась умопомрачительная, неохватная прорва времени. Не просто десятки миллионов, а сотни миллионов, может быть, даже миллиарды лет.

Картина понятная: точная оценка возраста Земли и Солнца нужна для того, чтобы узнать наверняка, как долго горит Солнце и какое количество энергии требуется солнечному источнику питания. Такую оценку не могли дать ни биология, ни геология — вся надежда была на физику. И, как ни парадоксально, в данном случае именно непредсказуемость квантового мира помогла создать лучшее, что только можно придумать в области предсказуемости, — квантовые «часы».

Одному человеку удавалось лучше всех остальных обернуть причуды и слабости природы к собственной выгоде, и этим человеком был Эрнест Резерфорд. В конце концов, именно он с нескрываемой наглостью «разоблачил» атом, использовав атом одного элемента — радия, — чтобы выявить внутреннее строение атома другого элемента — золота [50]. И не кто иной, как Резерфорд, выступил с идеей использовать радиоактивные атомы, чтобы определять возраст камней. Ключом к «радиоактивному датированию» стало наблюдение, сделанное Резерфордом в 1900 году: ученый обнаружил, что радиоактивность образца, который он изучал, снижалась, повинуясь простому закону. По прошествии определенного временного интервала половина атомов оставались нераспавшимися; столько же времени требовалось на то, чтобы распалась еще четверть атомов; еще один такой интервал — распадалась одна восьмая, и так далее. Этот интервал окрестили «периодом полураспада»; свой период полураспада есть у любого радиоактивного вещества.

Резерфорд не догадался, что этот поразительно простой закон атомного распада — на самом деле неизбежное следствие неодолимой случайности, царящей в микроскопическом мире [51]. Если бы ему это удалось, он предвосхитил бы Эйнштейна, который увидел в фотонах руку Бога, бросающего кости. Однако Резерфорд, хотя и упустил одно открытие, сделал другое. Он понял, что закон радиоактивного распада может оказаться мощным инструментом для датирования невероятно старых вещей.

Период полураспада различных радиоактивных веществ варьируется от мимолетных долей секунды до многих миллиардов лет. В случае урана, который широко распространен в природе, период полураспада непомерно велик — 4,5 миллиарда лет. Как правило, конечный элемент ряда радиоактивного распада тяжелых элементов наподобие урана — это стабильный элемент свинец. Следовательно, по прошествии времени количество свинца в урансодержащих минералах неумолимо возрастает по сравнению с количеством урана. Измерение этой пропорции, таким образом, демонстрирует, сколько периодов полураспада прошло с того момента, как минерал сформировался и затикали радиоактивные часы. Если, например, в минерале осталась половина урана, значит, произошел один полураспад; если четверть — два полураспада, и так далее.

Американский физик Бертрам Болтвуд (1870–1927) усовершенствовал резерфордовскую технику радиоактивного датирования. Он обнаружил, что камни, собранные на Шри-Ланке, невероятно, неправдоподобно стары — им 2,2 миллиарда лет. В наши дни лучшие оценки возраста Земли получены в результате радиоактивного датирования не земных пород, а камней из космоса. Метеориты — в общем и целом их считают строительным мусором, оставшимся после формирования Солнечной системы, — говорят, что Болтвуд даже сильно преуменьшил возраст Земли: ей не 2,2, а примерно 4,55 миллиарда лет.

Почтеннейший возраст Земли дает возможность оценить то колоссальное количество энергии, которое необходимо Солнцу, чтобы оно сохраняло свою высоченную температуру. Вообще говоря, химическое топливо не так уж неэффективно. Литр бензина содержит достаточно энергии, чтобы машина массой в одну тонну могла пройти двадцать километров. Марафонец может пробежать 42 километра, «заправившись» тарелкой макарон. Но химическое топливо не способно поддерживать высокую температуру Солнца свыше пяти тысяч лет. Поскольку возраст Земли едва ли не в миллион раз больше, это говорит нам, что источник солнечного топлива в миллион раз мощнее, чем бензин или макароны.

Ядерная энергия

Первый ключик к тому, что на самом деле питает Солнце, нашелся, когда ученые преуспели в измерении тепла, выделяемого радиоактивным веществом. Хотя радиоактивность была открыта в 1896 году французским физиком Антуаном Анри Беккерелем, получить даже малые количества радиоактивных веществ было чрезвычайно сложно. На самом деле потребовались титанические труды Марии Кюри, чтобы почти из тонны урановой руды, «урановой смолки», добыть крохотные крупицы радиоактивных элементов — полония и радия. Однако к 1903 году муж Марии, Пьер, и его коллега Альбер Лаборд накопили достаточно радия, чтобы измерить его тепловой выход. То, что они обнаружили, ошеломило ученых. Радий выделял достаточно тепла, чтобы всего за 45 минут нагреть равноценный объем воды от температуры замерзания до температуры кипения. Если это вас не впечатляет, подумайте о том, что радий проделает то же самое и в следующие 45 минут. И в следующие. И может продолжать эту свою деятельность без малейших заминок сотни, даже тысячи лет подряд. С тонной радия вы можете кипятить тонну за тонной воды каждые 45 минут — по сути, до бесконечности.

Измерения Кюри и Лаборда показали, что внутри атомного ядра таится едва ли не бездонный резервуар энергии; ждать оставалось недолго: в самом ближайшем времени кто-нибудь должен был ухватиться за это открытие и предположить, что именно радиоактивность служит источником энергии Солнца. И вот здесь Резерфорду явно не хватило воображения. «Энергия атома не тот предмет, о котором стоит много говорить, — заявил он. — Те, кто ожидает получить источник энергии от трансформации атомов, несут вздор»[52]. Резерфорд ошибся, сочтя радиоактивность скудным источником энергии. Однако ошибались и те, кто видел в радиоактивности источник энергии Солнца.

Атомы разных элементов испускают свет с различными длинами волн, таким образом, получаются своеобразные «дактилоскопические отпечатки», «пальчики», по которым можно определить, какой именно элемент послужил источником данного светового излучения. Но когда астрономы стали исследовать с этой целью солнечный свет, они не смогли обнаружить «пальчиков» ни радия, ни урана, ни какого-либо иного радиоактивного вещества. Несмотря на это, одно было неоспоримо: атомное ядро — средоточие колоссальной энергии. Оно также оставалось едва ли не единственным кандидатом на роль поставщика солнечной энергии. Но если радиоактивность снимается с пробега, может быть, есть другой способ высвобождения энергии, распирающей атомные ядра?

Свидетельство того, что такой способ есть, поступило с неожиданной стороны. Скромный физик Фрэнсис Астон (1877–1945) сделал ключевое открытие вскоре после окончания Первой мировой войны. В одном из подвалов Кембриджского университета он собрал установку, позволявшую скрупулезно измерять массы атомов различных элементов. По существу, его «масс-спектрограф» измерял, насколько траектории различных атомов искривляются под воздействием магнитного поля. Если бы у всех атомов — строго говоря, не у всех атомов, а у заряженных, то есть «ионов», — был один и тот же электрический заряд, то больше искривлялись бы траектории тех, что обладают меньшей массой, и меньше искривлялись бы траектории тех, что потяжелее. Чтобы получить наглядное представление об этом, Астон поместил на пути летящих атомов фотопластинку, тем самым принудив их оставлять неизгладимые следы.

То, что Астон обнаружил, измерив массы разных атомов, было неожиданным и донельзя удивительным. Однако, чтобы оценить это в полной мере, надо знать кое-что об атомах — точнее, о ядрах атомов. Они сами выстроены из более мелких кирпичиков. Один такой ядерный кирпичик «Лего» обладает массой протона — ядра атома водорода. (На самом деле — наверное, чтобы доставить всем еще больше трудностей — природа использует два разных кирпичика, причем оба с массой протона: собственно протон и нейтрон, открытый лишь в 1932 году.) Ядро самого легкого элемента — водорода — состоит из одного ядерного кирпичика «Лего»; в ядре гелия, следующего по весу атома, их четыре; потом идет литий с шестью кирпичиками, и так далее; где-то в самом конце этого ряда — уран, который выстроен из 238 кирпичиков.

Резонно предположить, что гелий, сделанный из четырех кирпичиков, должен весить в четыре раза больше, чем один кирпичик — ядро водорода; литий — в шесть раз больше; уран — в 238 раз, и так далее. Однако Астон обнаружил вовсе не это. Вопреки ожиданиям, диктуемым здравым смыслом, его масс-спектрограф показал, что каждое ядро весит меньше, чем сумма кирпичиков «Лего», из которых оно составлено. Представьте, что вы кладете на весы десять килограммовых пакетов риса, а весы показывают девять килограммов. Вот какую бомбу взорвал Астон в мире физики. Однако посмотрим на это с другой стороны. Если тяжелое ядро каким-то образом все же собралось из основных кирпичиков, значит, в ходе процесса часть массы бесследно исчезла. Но куда же она делась? Оказывается, ответ на этот вопрос и служит ключом к тайне источника солнечной энергии.

Здравый смысл говорит, что масса не может исчезнуть. И тем не менее может! Именно это открыл Эйнштейн в 1905 году. Его теория относительности навсегда изменила наши представления о природе пространства и времени. Но также она сообщила кое-что еще, и тоже совершенно неожиданное: масса — это форма энергии. Таким образом, к электрической энергии, энергии движения и всем прочим бесчисленным проявлениям энергии следует добавить новую сущность: массу-энергию. Значение этого открытия трудно переоценить. Ведь энергия, согласно закону сохранения энергии, не рождается из небытия и не уходит в небытие, а лишь преобразуется из одной формы в другую. Если масса — это форма энергии, следовательно, масса-энергия может перейти в другую форму энергии. Да, энергия не может исчезнуть, а вот масса — может. Но как именно это произойдет, если мы попробуем сцепить ядерные кирпичики «Лего» друг с другом, чтобы составить большое ядро?

Тут важно задуматься о той силе, что склеивает все в этом мире. Вспомните камень, падающий на галечный пляж. Между Землей и камнем существует сила тяготения, которая и тянет их друг к другу. А когда камень падает на пляж, освобождается энергия — в конечном итоге тепловая, — источником которой служит гравитационное поле Земли. Ну так вот, в том случае, когда соединяются ядерные кирпичики «Лего», происходит нечто очень похожее. Существует сила, которая толкает их друг к другу, да еще с ускорением. И когда кирпичики на большой скорости яростно сшибаются друг с другом, освобождается энергия — в конечном итоге тепловая, — источником которой служит силовое поле между кирпичиками «Лего». Сила, существующая между ядерными кирпичиками «Лего», называется «сильным взаимодействием», и она отличается от силы тяготения в нескольких отношениях. Самое главное — то, что это взаимодействие в 10 000 триллионов триллионов триллионов раз сильнее гравитационного. Его не зря окрестили «сильным».

Вновь подумайте о падающем камне, о том, с какой неистовой силой он врезается в пляж, и о том, что при этом освобождается энергия. А теперь попробуйте вообразить это неистовство и эту освобождаемую энергию, если земное тяготение будет в 10 000 триллионов триллионов триллионов раз сильнее. Наверное, вы уже понимаете, сколь велика энергия, вырывающаяся на свободу при формировании тяжелых ядер из ядерных кирпичиков «Лего». Вот почему, если говорить коротко, атомное ядро представляет собой средоточие колоссальной энергии.

По этой же причине и атомные ядра, которыми занимался Астон, «весили» меньше, чем сумма их составных частей. Колоссальная энергия, выделявшаяся при формировании этих ядер, должна была откуда-то взяться, и бралась она из массы-энергии частиц, соединявшихся в ядре. Масс-спектрограф Астона показал самую что ни на есть конкретную реальность того, что теоретически предсказал Эйнштейн: масса — это форма энергии, и, таким образом, она может преобразовываться в другие формы энергии.

Масса-энергия — вещь особая: это самая концентрированная форма энергии из всех возможных. Энергия (Е), содержащаяся в массе (m), выражается, бесспорно, самой известной формулой во всей науке: E=mc2, где с — принятое в физике обозначение скорости света. Использовав формулу Эйнштейна и «пропавшую» массу, измеренную Астоном, ученые смогли рассчитать энергию, вырывающуюся на свободу при формировании ядер из составляющих их кирпичиков. Цифра была умопомрачительная. При прочих равных, формирование атомных ядер высвобождает примерно в миллион раз больше энергии, чем динамит.

Множитель 1 000 000 говорил о многом. Именно этого множителя «не хватало» химическому топливу в виде угля или динамита, чтобы разжечь Солнце. Резерфорду, который обозвал «вздором» возможность получения энергии из трансформации ядер, пришлось взять свои слова назад. «Постоянство солнечной энергии… больше не представляет какой-либо фундаментальной трудности, если внутренняя энергия составляющих элементов считается доступной, — заявил он, — то есть если идут процессы субатомного превращения»[53].

Ядерная энергия и солнце

Какие же процессы субатомного превращения могут питать Солнце? Открытие Астона ясно говорило о том, что если бы атомное ядро собиралось из базисных ядерных кирпичиков «Лего», что называется, с чистого листа, то произошел бы настоящий прорыв плотины и высвободилась бы колоссальная энергия. Однако возможно ли, чтобы именно такой процесс формирования элементов происходил внутри Солнца? Маловероятно, что все кирпичики в одно и то же время собираются вместе — это все равно как если бы компания друзей сошлась на углу улицы секунда в секунду. Куда больше шансов на то, что друзья будут подходить поодиночке. То же самое должно быть и внутри Солнца: если там происходит процесс формирования элементов, то, вероятнее всего, он идет шаг за шагом, путем усердного пристраивания кирпичика к кирпичику. И действительно, тому существовало доказательство — оно было в данных, полученных Астоном. Точнее, оно проявилось в его данных, когда Астон усовершенствовал свой масс-спектрограф и его измерения массы атомного ядра стали еще более точными.

Результаты первых экспериментов Астона говорили о том, что масса каждого атомного ядра меньше, чем сумма составляющих его кирпичиков. В свете открытия Эйнштейна было ясно: это происходит потому, что, если бы природа собирала ядра «на пустом месте», буквально с чистого листа, то масса-энергия пропадала бы, переходя в другие формы энергии. Но просто знать, какое количество массы-энергии пропадает при создании ядра одного типа, недостаточно: это не позволяет значимым образом сравнить данное ядро с иными ядрами, поскольку, разумеется, некоторые ядра больше, чем другие. В целях сравнительного анализа лучше измерять количество массы-энергии, теряемое с каждым кирпичиком. В конце концов, чем больше теряется массы-энергии, тем легче будут казаться кирпичики, из которых складывается ядро.

Применив этот подход, Астон увидел, что в результатах его измерений начинает вырисовываться четкая картина. Ядра атомов железа и никеля — это весьма средние ядра, если иметь в виду количество составляющих их частей, — собраны из наилегчайших отдельных кирпичиков. В ядрах элементов с меньшим количеством кирпичиков, чем у никеля и железа, кирпичики были тяжелее. И та же картина с ядрами элементов, состоявших из большего количества кирпичиков.

График отразил ситуацию более точно. По горизонтальной оси Астон выстроил ядра в соответствии с возрастающим количеством кирпичиков, начиная с водорода слева и заканчивая ураном далеко справа. Вертикальная ось отображала вес ядерных кирпичиков. На графике получилась горная долина. На дне долины устроились ядра железа и никеля. Высоко на левом склоне располагались ядра «маленьких» элементов, таких, как гелий, а высоко на правом склоне размещались ядра «больших» элементов наподобие урана.

Маленькая масса в пересчете на один ядерный кирпичик означает, что изрядная масса была потеряна при сборке ядра из составляющих частей. А потеря большой массы может происходить только в том случае, если составляющие части с силой врезаются друг в друга, подчиняясь мощной силе притяжения. Поэтому такие ядра чрезвычайно крепко связаны и соответственно очень стабильны. Иными словами, кривая Астона показала, что никель и железо — состоящие из легчайших кирпичиков — самые стабильные ядра в природе. По этой причине получившуюся у Астона кривую стали называть «долиной ядерной стабильности».

На первый взгляд может показаться, что все сказанное не имеет никакого отношения к тому таинственному процессу высвобождения ядерной энергии, которым увлечено Солнце. Но это не так.

В природе все тела имеют сильнейшую склонность минимизировать, насколько это возможно, свою энергию. Например, футбольный мяч, оказавшийся на склоне долины, непременно попробует скатиться на дно, минимизируя свою потенциальную, то есть гравитационную, энергию. Ну так вот, ядра в астоновской долине ядерной стабильности ведут себя точно так же, как футбольный мяч. При первой же возможности они покатятся вниз, чтобы свести к минимуму свою массу-энергию. Теоретически они должны скатиться до самого дна — то есть превратиться в ядра железа и никеля. Однако на практике самое большое, на что они способны, — это скатиться ненамного, во всяком случае за один раз.

Такая картина сразу же проливает свет на то, почему радиоактивность в основном — свойство больших, тяжелых ядер, подобных ядрам урана. А все из-за того, что они располагаются высоко на правом склоне долины ядерной стабильности. Они могут уменьшить количество массы-энергии, приходящейся на один кирпичик, скатившись по склону — то есть распавшись на меньшие, более легкие ядра. Однако астоновская долина ядерной стабильности предлагает и другой возможный способ высвобождения ядерной энергии. Ядро, сидящее высоко в левой части долины, также может убавить массу-энергию, приходящуюся на один кирпичик, скатившись по своему склону — то есть трансформировавшись в большее, более тяжелое ядро. При таком процессе формирования элементов — он представляет собой полную противоположность радиоактивности — излишки ядерной энергии будут высвобождаться с той же обязательностью, как и при радиоактивном распаде.

Измерения Астона неожиданным образом вывели на сцену возможный ядерный процесс, который мог бы питать Солнце энергией. Неужели там, глубоко в недрах Солнца, маленькие, легкие ядрышки элементов складываются в более крупные и тяжелые ядра — «синтезируют» их? В 1920-е годы эту идею с энтузиазмом подхватил английский астроном Артур Стэнли Эддингтон (1882–1944) — тот самый ученый, который доказал правоту Эйнштейна и таким образом возвел его к звездным небесам науки. В 1919 году Эддингтон измерил отклонение лучей звездного света за счет гравитации Солнца во время полного солнечного затмения и подтвердил: отклонение было именно таким, каким его предсказывала теория Эйнштейна. Когда один физик задал Эддингтону вопрос: правда ли, что он полагает себя одним из трех человек в мире, которые понимает теорию Эйнштейна? — Эддингтон в ответ спросил: «А кто третий-то?»

Эддингтон быстро сконцентрировался на первом шаге в процессе формирования элементов: слиянии ядер самого легкого элемента — водорода — в ядро следующего по легкости элемента — гелия. Согласно данным астоновского масс-спектрографа, в этом процессе исчезает, превращаясь в тепло, целых 0,8 % массы — больше, чем в любом другом процессе ядерного синтеза. «Я думаю, звезды — это тигли, в которых более легкие атомы сплавляются в более сложные элементы», — заявил Эддингтон.

Синтез гелия из водорода был обещающей, даже многообещающей реакцией. Но существовали две крупные проблемы. Первая — довольно серьезная — заключалась в том, что Солнце, как казалось, вовсе не содержит водорода. Зато весь его спектр был заляпан характерными «пальчиками» железа. Если принять это за чистую монету, следовало предположить, что Солнце исключительно из железа и состоит. Однако один ученый, точнее, ученая осмелилась не согласиться с «железной» версией. Звали ее Сесилия Пейн (Сесилия Хелена Пейн-Гапошкин, 1900–1979), и написала она, пожалуй, самую важную докторскую диссертацию по астрономии в двадцатом веке. Пейн отлично разбиралась в квантовой теории. Согласно этой теории, каждый раз, когда электрон в атоме переходит с одной орбиты на другую, обладающую более низкой энергией, излишек энергии выплескивается в виде светового излучения с характерной длиной волны. Сесилию Пейн озарило: она поняла, что элемент может быть очень распространенным и тем не менее выдавать совсем немного света, сообщая о своем присутствии. Это может происходить, например, при очень высокой температуре — достаточно высокой, чтобы электроны, обращающиеся вокруг атомных ядер, были большей частью сорваны со своих орбит. Пейн показала, что в случае с водородом это действительно так — и именно при температуре 5600 градусов, типичной для поверхности Солнца.

Вычисления Пейн показывали, что только крохотная доля атомов водорода сохраняла свои электроны, но, несмотря на это, солнечный водород все равно излучал заметно много света. Как догадалась Пейн, есть только одна причина, по которой это может происходить: если пресловутая крохотная доля атомов — это крохотная доля чудовищно большого количества атомов. По расчетам ученой получалось, что Солнце невероятно богато водородом: оно на 90 % состоит из этого элемента. Да, в солнечном излучении очень много волн с разными длинами, испускаемых железом, но это не потому, что Солнце «железное», а лишь по той простой причине, что атомы железа содержат много электронов — их там 26, если говорить точно, — и эти атомы почти никогда не бывают лишены всех своих электронных оболочек. При таком количестве электронов и таком множестве разных орбит, между которыми электроны прыгают как сумасшедшие, солнечное железо излучает свет на сотнях волн различной длины.

Впоследствии астрономы обнаружили, что водород составляет 90 % всех атомов не только на Солнце, но повсюду во Вселенной. Они начали понимать, что элементы, из которых состоит Земля (не говоря уже о нас с вами), — всего лишь незначительные примеси в обыкновеннейшей материи, из которой состоит мир. Несмотря на это, открытие Пейн было очень противоречивым. Большинство астрономов того времени упорно стояли на своей вере в железное Солнце. И хотя Пейн открыла главные составные части Вселенной, ее научный руководитель, видный американский астрофизик Генри Норрис Расселл (1877–1957), настаивал, чтобы Пейн исключила из своей работы любые утверждения такого рода. В диссертации, опубликованной в 1925 году, Пейн вынуждена была «уточнить»: «Огромный избыток (водорода)… почти наверняка является нереальным»[54]. По иронии судьбы четыре года спустя, когда доказательства правоты Пейн сыпались уже как из ведра, честь этого открытия досталась Расселу. Таков был горький удел женщины-астронома в первые десятилетия двадцатого века.

Однако для Эддингтона работа Пейн была лишь подтверждением той картины, что просто должна была быть на самом деле. Он верил, что Солнце питает тепловая энергия, высвобождаемая при синтезе гелия из водорода, поэтому Солнце обязано было содержать значительное количество водорода, кто бы что ни говорил. Но даже если допустить, что наше светило — это гигантский водородный шар, возникает другая серьезная проблема: для реакций ядерного синтеза Солнце недостаточно горячо.

Как уже отмечалось, при формировании сложносоставного ядра базисные ядерные кирпичики склеиваются воедино посредством сильного взаимодействия, а еще указывалось, что это взаимодействие в нескольких отношениях отличается от силы тяготения. Одно из отличий — то, что сильное взаимодействие в 10 000 триллионов триллионов триллионов раз мощнее гравитационного. Другое же важное отличие заключается в том, что сильное взаимодействие работает на невероятно коротких расстояниях. Пока два ядерных кирпичика не сблизятся настолько, что почти коснутся друг друга, они вообще не почувствуют никакого притяжения. А затем — вжжжик! — их захватывает микроскопическое подобие «притягивающего луча» из «Звездного пути», и вот кирпичики уже сталкиваются лбами с оглушительным треском. Таким образом, чтобы два ядра водорода склеились и получился гелий, нужно заставить эти ядра подойти друг к другу на очень-очень близкое расстояние, а уж потом сильное взаимодействие сделает все остальное. Ну да, заставить два ядра водорода подойти друг к другу… Легко сказать! Из своей планетарной модели атома Резерфорд вывел, что где-то там в ядре должна находиться массивная положительно заряженная частица, которая уравновешивает отрицательный заряд обращающихся вокруг ядра электронов, — «протон». В ядре водорода, легчайшего из атомов, содержится один-единственный протон. Но ведь одноименные заряды отталкиваются. Для того чтобы два протона сблизились и подпали под действие «сильного» ядерного клея, необходимо преодолеть их яростное отталкивание.

Внутри Солнца ядра водорода находятся в бешеном движении. Чем выше температура, тем быстрее движутся протоны и тем сильнее они сталкиваются друг с другом. Но вот насколько должна быть высокой температура, чтобы ядра водорода врезались друг в друга с силой, способной преодолеть их взаимную неприязнь? Эддингтон нашел ответ: около 10 миллиардов градусов. Неужели наше Солнце столь горячо?

Измерение температуры в самом сердце Солнца — если, конечно, не заглянуть туда с термометром в руках — кажется очень трудной задачей. Однако Эддингтон нашел способ оценить эту температуру: он просто допустил, что Солнце — газовый шар, и постарался определить, насколько сжата материя в его центре. Это все та же старая история с велосипедным насосом. Вспомним: то, что Солнце горячее, не имеет никакого отношения к источнику энергии Солнца. Оно горячее просто потому, что содержит колоссальную массу, которая давит на его внутренности. Эддингтон взялся вычислить, насколько горяча масса, находящаяся в самом центре светила, и получил результат: несколько десятков миллионов градусов (по современным данным, около 15 миллионов градусов). Проблема в том, что эта температура примерно в 1000 раз меньше той, что нужна для реакции синтеза гелия из водорода — единственного известного источника энергии, который мог бы обеспечить жар Солнца. Для многих это стало бы серьезным ударом. Однако Эддингтон был убежден, что он на правильном пути. Тем, кто с пренебрежением относился к его идее и утверждал, что Солнце недостаточно горячее для реакции синтеза, он отвечал: «Идите поищите место погорячее» (подразумевалось: «Идите к черту!»).

Спасение пришло с неожиданной стороны: от квантовой теории. Или точнее, от принципа неопределенности Гейзенберга. В 1929 году, в Берлине, английский физик Роберт Аткинсон (1898–1982) и немецкий физик Фриц Хоутерманс (1903–1966) сосредоточились на проблеме: каким образом два ядра внутри Солнца могут подобраться друг к другу настолько близко, что испытают сильное взаимодействие и в результате схлопнутся? Они наглядно представили эту проблему так: когда одно ядро придвигается все ближе и ближе к другому, оно испытывает все более сильное отталкивание, и наконец, когда расстояние совсем невелико, отталкивание внезапно сменяется неодолимой силой притяжения. Это все равно что толкать шар вверх по склону холма, который становится все круче и круче, и вдруг, на самой вершине, обнаруживается шахта, в которую шар и проваливается. С ядром атома внутри Солнца весьма похожая ситуация: это ядро, как и шар, из последних сил толкают к вершине холма; казалось бы, вершина близко, но сил уже нет вовсе, и шар, не докатившись до шахты, никуда не проваливается.

Во всяком случае, такой эта ситуация виделась большинству физиков старой школы. Но принципиально важно то, что Аткинсон и Хоутерманс поняли: в квантовой теории все по-другому. Вспомним: с каждой частицей ассоциирована квантовая волна и квадрат высоты квантовой волны в любой точке дает нам вероятность обнаружения частицы в этой точке. Следовательно, шар в нашем примере не локализован в одном месте, а некоторым образом расходится в пространстве, как волна на озере. Поэтому, даже если он находится на склоне холма ниже вершины, его квантовая волна уходит вглубь и пронзает стенку шахты, пробуренной сквозь холм. Малейшего намека на то, что квантовая волна проникла в шахту, достаточно, чтобы дать шару крохотную вероятность там обнаружиться, — другими словами, существует крохотная вероятность, что шар исчезнет со склона холма и появится в шахте, словно попав туда по туннелю, — «туннелирует» в недра холма.

Этот «туннельный эффект» — всего лишь следствие принципа неопределенности Гейзенберга, а сам этот принцип, в свою очередь, — следствие расходимости квантовых волн и невозможности привязать какую бы то ни было частицу к конкретной точке. Аткинсон и Хоутерманс догадались: вот он, отсутствующий решающий ингредиент, который позволил бы ядрам гелия синтезироваться из ядер водорода внутри Солнца при температурах в 1000 раз более низких, чем те, которые представлялись необходимыми. Теперь двум физикам оставалось только прояснить детали этого процесса.

Ядро атома водорода состоит из одного базисного ядерного кирпичика, а ядро атома гелия — из четырех. Однако шансы на то, что четыре водородных ядра слетятся вместе в один и тот же момент и склеятся в единое целое, чрезвычайно малы — принять возможность такого события почти невозможно, тут усомнятся даже самые легковерные из легковерных. Хуже того, ядер с двумя протонами вообще не существует в природе — такое ядро разлетелось бы на части, еще не успев сформироваться, — так что два протона не имеют ни малейшего шанса столкнуться и склеиться воедино. В общем, синтез гелия как-то не очень вырисовывался. Столкнувшись с этими трудностями, Аткинсон и Хоутерманс призадумались: им нужно было найти нестандартный подход. И вот что нарисовало им воображение: «протон-захватное» ядро. Это должно было быть сравнительно большое ядро, которое, обретаясь где-то внутри Солнца, играло бы роль неподвижной мишени для протонов. Вот появляется протон, сталкивается с этим ядром и туннелирует внутрь. Затем следующий. И следующий. И следующий… Наконец, когда «протон-захватное» ядро проглатывает четыре протона, происходит что-то вроде ядерного несварения желудка, и это удивительное ядро изрыгает из себя полностью сформировавшееся ядро атома гелия. Самое важное здесь то, что при формировании такого ядра исчезает как раз 0,8 % массы-энергии четырех протонов — на самом деле энергия массы, конечно, никуда не девается, просто она проявляется уже в виде тепловой энергии [55].

Вопрос в том, действительно ли подобный процесс может генерировать солнечное тепло, которое летним днем мы ощущаем на своем лице? Используя приемлемые цифровые значения, характеризующие состояние материи внутри Солнца, Аткинсон и Хоутерманс произвели необходимые вычисления. К их восторгу, полученные результаты весьма соответствовали выходу солнечного тепла, измеренному Гершелем и Пуйе. На следующий день Аткинсон и Хоутерманс уже работали над статьей, где сообщали о своем открытии. Как рассказывал сам Хоутерманс: «В тот же вечер я пошел гулять с прелестной девушкой. Когда стемнело и одна за другой стали появляться звезды во всем их великолепии, моя спутница воскликнула: „Как прекрасно они сверкают! Не правда ли?“ Я выпятил грудь и произнес важно: „Со вчерашнего дня я знаю, почему они сверкают“»[56].

На самом деле Хоутерманс немного поторопился. Он и Аткинсон понятия не имели, каково на вид это «протон-захватное» ядро, которому отводилась столь решающая роль в разработанной ими операции. К тому же ученые пока еще ведать не ведали, что в ядре содержатся два главных компонента. Только в 1932 году английский физик Джеймс Чедвик (1891–1974) открыл «нейтрон» — частицу, обладающую практически той же массой, что и протон, но лишенную электрического заряда. Открытие Чедвика сразу же объяснило, почему ядро второго за водородом элемента, гелия, не вдвое тяжелее ядра водорода, а вчетверо; почему ядро 92-го элемента, урана, тяжелее ядра водорода не в 92 раза, а в 238 раз; и так далее. Каждое следующее ядро набирало «лишний вес» за счет нейтронов. Каков сам элемент, зависит от того, сколько в ядре протонов, поскольку они уравновешиваются равным количеством электронов, определяющих химические свойства элемента. А вот массу ядра определяет суммарное количество входящих в него частиц — протонов и нейтронов. Среди ученых принято именовать ядра по их суммарной массе. Так, ядро наиболее распространенной в природе разновидности урана, элемента номер 92, называют уран-238, поскольку оно состоит из 92 протонов и 146 нейтронов, и, таким образом, в сумме получается 238 ядерных частиц, или «нуклонов». А ядро наиболее распространенной разновидности гелия называют гелий-4, потому что вдобавок к двум протонам оно содержит два нейтрона.

В свете сказанного выше может показаться, что формирование ядра гелия — дело довольно простое: надо лишь, чтобы два протона и два нейтрона собрались вместе и склеились. К несчастью, свободные нейтроны распадаются на протоны и некоторые иные частички всего за десять минут, поэтому в недрах Солнца их почти и не найдешь. Если уж готовить гелий, да в соответствии с рецептом, да по всем правилам, у природы есть только одна возможность собрать вместе четыре протона и как следует их склеить. После открытия Чедвика стало ясно: для этого нужно, чтобы два протона превратились в нейтроны, а в ядерном мире это соответствует примерно тому, как если бы у нас кошки запросто превращались в собак. Никто понятия не имел, как такое может произойти внутри «протон-захватного» ядра. Тем не менее было известно, что при радиоактивном бета-распаде, когда ядро испускает высокоскоростной электрон, нейтрон в ядре спонтанно превращается в протон. Посему представлялось вполне вероятным, что у природы есть способ сделать обратный ход — трансформировать протон в нейтрон.

Человеком, принявшим эстафету у Аткинсона и Хоутерманса, был Ханс Бете, американский, а до этого немецкий физик-теоретик еврейского происхождения, который вынужден был уехать из Германии, когда в 1933 году к власти пришел Гитлер. После конференции, посвященной источникам звездной энергии, которая состоялась в столице Соединенных Штатов в 1938 году, Бете вдруг понял, что он обладает достаточными знаниями о свойствах различных ядер и теперь в состоянии выявить неуловимую ядерную реакцию, которая снабжает Солнце энергией. По словам организатора конференции Джорджа Гамова[57], знаменитого физика и великолепного рассказчика, дело было так. Уже в поезде, на обратном пути из Вашингтона в Нью-Йорк, Бете объявил: «В конце концов, не так уж и трудно определить реакцию, которая в точности подойдет для нашего старого солнышка. Я наверняка смогу сделать необходимые вычисления еще до обеда». И, схватив салфетку, Бете приступил к расчетам ядерных реакций, которые должны были привести к синтезу гелия из водорода.

Бете пришел к выводу, что «протон-захватным» ядром должно быть ядро углерода, и цепочка нацарапанных им на салфетке ядерных реакций стала известна как углеродно-азотно-кислородный цикл, или CNO-цикл, потому что азот и кислород тоже были вовлечены в процесс. Так уж совпало, но CNO-цикл был открыт в то же самое время в Германии, и сделал это физик Карл Фридрих фон Вайцзеккер, сын второго высшего должностного лица в гитлеровском Министерстве иностранных дел. Итак, после сотен лет размышлений и поисков источник солнечной энергии — превращение водорода в гелий в ходе CNO-цикла — был наконец установлен.

Так? Так, да не так.

Безусловно, цепочка ядерных реакций, рассчитанных Бете и Вайцзеккером, была верным путем к синтезу гелия из водорода и высвобождению колоссальной энергии, заключенной в атомных ядрах. Однако существовала и другая возможность. В 1932 году американский химик Гарольд Юри открыл тяжелый водород. В отличие от ядра обычного водорода, водорода-1, содержащего один-единственный протон, ядро тяжелого водорода, водорода-2, содержит один протон и плюс к нему один нейтрон. Открытие водорода-2, получившего название «дейтерий», заставило по-новому посмотреть на ядерные реакции, идущие внутри Солнца и дающие нам солнечный свет.

Стабильных ядер, содержащих два протона, в природе не существует, и это обстоятельство полностью исключает формирование гелия путем простого, «поштучного» добавления протонов к ядру водорода. Потому, разумеется, и пришлось вызвать к жизни такую вещь, как «протон-захватное» ядро. Однако существование дейтерия открыло возможность другого пути: предположим, два протона сталкиваются внутри Солнца и образуют дейтерий, вполне стабильное ядро. Реальна ли такая возможность? Если да, тогда дейтерий способен выступить как миниатюрное «протон-захватное» ядро, а дальнейшие попадания в него протонов приведут к образованию гелия, и этот вариант будет попроще, чем CNO-цикл.

Бете рассудил, что вариант с дейтерием действительно возможен. Призвав в помощники своего студента Чарлза Критчфилда, он проработал необходимые детали. Независимо от Бете и Критчфилда фон Вайцзеккер в Германии пришел к такому же результату. Как и в случае с CNO-циклом, в сердце этого процесса — «протон-протонного» цикла — лежит туннелирование. Протон туннелирует в ядро дейтерия и образует ядро гелия-3, легкого изотопа гелия, а затем гелий-3 туннелирует прямиком в другое ядро гелия-3. Так создается желанное ядро гелия-4, и еще два протона остаются на свободе, чтобы начать весь цикл снова.

Возникает вопрос: какой же именно цикл — CNO или протон-протонный — питает Солнце? Поскольку протон, приближающийся к другому протону, испытывает меньшую силу отталкивания, чем протон, приближающийся к ядру углерода (положительный заряд этого ядра больше, чем заряд ядра водорода), протон-протонный цикл может работать при меньших температурах, чем CNO-цикл. Таким образом, все зависело от того, какова же на самом деле температура в недрах Солнца. Со временем выяснилось, что при той температуре, которая существует в глубинах Солнца, протон-протонный цикл выигрывает по сравнению с CNO-циклом. Он куда более эффективен. С другой стороны, в очень горячих звездах, более массивных, чем Солнце, лучше работает CNO-цикл. Итак, вот он, неуловимый источник солнечной энергии и соответственно солнечного света — протон-протонная цепочка ядерных реакций.

По существу, протон-протонная цепочка — трехшаговый процесс, но самый главный, решающий шаг — первый: образование дейтерия из двух протонов. Такое превращение требует, чтобы в природе существовало еще одно взаимодействие — оно получило название «слабого». Разумеется, такое название было дано не без умысла: слабое взаимодействие действительно слабее… чего же? — ну конечно, сильного взаимодействия. Однако есть одна очень важная вещь, которую следует хорошо понимать: в квантовом мире, где силы именуются «взаимодействиями» именно потому, что они и есть результат взаимодействия частиц — носителей этих сил, «слабый» служит синонимом слова «медленный». Вот почему столь важен первый шаг: он — медленный. Так же, как от самого медленного члена команды велогонщиков на «Тур де Франс» зависит общекомандная скорость, от скорости превращения протона в нейтрон при создании дейтерия зависит общая скорость синтеза гелия из водорода внутри Солнца.

И здесь слово «медленный» в буквальном смысле означает медленный. На круг протон проводит в полете внутри Солнца невообразимый срок — около 10 миллиардов лет, — прежде чем ему удается столкнуться с другим протоном, склеиться с ним и превратиться в нейтрон, образовав дейтерий. Это значит, что для производства солнечного света Солнце использует, наверное, самую неэффективную из всех ядерных реакций, какие только можно вообразить. Верите или нет, но ваш желудок генерирует тепло быстрее, чем такой же объем солнечных внутренностей. Возможно, вы спросите: как получается, что при столь неэффективной работе Солнце выдает такое гигантское количества тепла? Ответ незамысловат: просто Солнца очень много. И, как у всех больших объектов, площадь его поверхности — а ведь собственно поверхность и излучает тепло — довольно мала по сравнению с объемом. Таким образом, тепло словно бы закупоривается внутри Солнца, отчего и поддерживается высокая температура нашего светила.

Итак, паре протонов приходится сновать по внутренностям Солнца в среднем 10 миллиардов лет, прежде чем они встретятся и образуют дейтерий — то есть сделают первый шаг в протон-протонном цикле, — этот факт и определяет срок жизни Солнца. Солнце расходует водородное топливо столь бережливо, что должно пройти не менее 10 миллиардов лет, прежде чем запас этого топлива подойдет к концу. Поскольку Солнце горит уже почти пять миллиардов лет, ему осталось жить примерно столько же — то есть тоже около пяти миллиардов лет.

Теперь нужно сказать следующее. Оказывается, первый шаг в протон-протонном цикле — тот шаг, когда один протон, угодив в другой протон, превращается в нейтрон и обе частицы склеиваются, — возможен только благодаря счастливой случайности. Это «счастье» (кстати, можно и без кавычек) связано с величиной сильного взаимодействия. Если бы сильное взаимодействие было всего на один-два процента «сильнее», чем оно есть на самом деле, то его «мощности» хватило бы, чтобы преодолеть взаимную антипатию двух протонов, они склеились бы и образовали ядро с двумя протонами. Поскольку в квантовом мире «сильный» — синоним слова «быстрый», такая реакция происходила бы с чрезвычайно высокой скоростью. В сущности, все водородное топливо Солнца было бы использовано менее чем за секунду, и в ходе столь бурного процесса Солнце просто взорвалось бы — лопнуло бы, как чрезмерно надутый воздушный шарик.

Этой счастливой случайности мы обязаны нашим существованием. Если бы сильное взаимодействие было на несколько процентов «сильнее», Солнце просто не могло бы существовать. Но поскольку это взаимодействие именно таково, каково оно есть, Солнце может безбедно существовать 10 миллиардов лет, предоставляя колоссальный срок для эволюции сложных живых организмов, то есть нас с вами.

Ну что же… Выйдем в ясный день на улицу. В небе сияет Солнце. Этот простой факт рассказывает нам не только о том, что в природе существует источник энергии, в миллион раз более концентрированный, чем динамит. Он говорит нам еще и о поразительной счастливой случайности, подаренной нам природой в виде «силы» одного из фундаментальных взаимодействий, — случайности, на которой зиждется само наше существование.

5. Вы, я и поразительно неправдоподобный тройной альфа-процесс

Само ваше существование говорит вам о том, что наша Вселенная — возможно, не единственная

Если мы приглядимся к Вселенной и сопоставим множество случайностей в физике и астрономии, которые совместно работают к нашему благу, то покажется, что Вселенная словно бы предполагала наше появление.

Фримен Дайсон[58]

И мужчине и женщине я говорю: да будет ваша душа безмятежна перед миллионом вселенных.

Уолт Уитман («Песня о себе»)[59]

Оглядитесь вокруг. Земля полна жизнью. Никто не знает, как эта жизнь началась. Но бесспорно одно. Жизнь в том виде, в котором мы ее знаем, не могла начаться без углерода. Атомы углерода обладают уникальной способностью соединяться с другими атомами углерода, создавая ошеломительный набор сложных молекул. В наших телах углеродные «биомолекулы» выполняют множество важных задач — метаболизируют пищу, которую мы едим; реагируют на свет, попадающий на сетчатку; шифруют наследственную информацию в дезоксирибонуклеиновой кислоте, или ДНК, и так далее Мы — углеродные двуногие, само существование которых строится на том, что углерод — широко распространенный элемент. После водорода, гелия и кислорода углерод — четвертый элемент, которым изобилует Вселенная. И вот это изобилие, между прочим, рассказывает весьма интересные вещи. Оно говорит нам о цепочке поразительно неправдоподобных совпадений в свойствах горстки атомных ядер. Мало того что эти совпадения несут ответственность за наше существование, они прозрачнейшим образом намекают, что наша Вселенная — всего лишь одна из бесконечного множества вселенных, плавающих, подобно пузырям, в невообразимо гигантской «мультивселенной».

Это слишком необыкновенное заключение, чтобы вывести его из одного лишь факта нашего существования, однако логика здесь, если вдуматься, совершенно неотвратимая. Первым делом надо осознать, что все элементы, включая углерод, не были размещены во Вселенной Создателем в День Номер Один. Вместо этого Вселенная началась с простейших ядерных кирпичиков — протонов и нейтронов, — и лишь впоследствии они склеились, чтобы образовать ядра девяносто двух природных элементов.

Свидетельства того, что элементы были сделаны — собраны по кирпичику, — на самом деле не так уж бросаются в глаза. Один из наиболее важных ключей к разгадке — изобилие различных элементов во Вселенной. Оценить это можно многими способами. Например, проанализировать состав камней из земной коры и метеоритов из космоса. Такие измерения впервые произвел норвежский химик Виктор Мориц Гольдшмидт в 1936 году. Распространенность элементов также может быть измерена путем исследования характерных «пальцевых отпечатков», которые они оставляют в свете, идущем от звезд; эту технику эффективно использовала Сесилия Пейн, когда она удивила научный мир, открыв, что Солнце едва ли не целиком состоит из самых легких элементов — водорода и гелия. Здесь интересно вспомнить слова французского философа Огюста Конта (1798–1857), составившего в 1835 году список вещей, которых, как он полагал, никогда не будут постигнуты наукой. Имея в виду Солнце и звезды, Конт писал: «Мы понимаем, как определить их форму, расстояния до них, их массу и их движения, но мы никогда не сможем ничего узнать об их химическом и минералогическом составе»[60]. Не прошло и четверти столетия, как немецкий физик Густав Роберт Кирхгоф (1824–1887) показал, что химические элементы — например, натрий, — будучи накалены в пламени газовой горелки, испускают свет с характерными для них длинами волн, и подобные «спектральные отпечатки» можно использовать для идентификации различных элементов в свете, идущем от Солнца и звезд. Огюсту Конту не пришлось краснеть от стыда и брать свои слова обратно — он умер до этого открытия[61].

Анализ состава звезд, земных камней и метеоритов дал поразительные результаты. Оказалось, что по всему космосу элементы присутствуют примерно в одних и тех же пропорциях. Как сказал американский физик Ричард Фейнман: «…самым выдающимся открытием астрономии было открытие того, что звезды состоят из таких же атомов, что и Земля»[62]. Менее удивительно, однако не менее важно то, что во «вселенской» распространенности элементов виден определенный рисунок. Общее правило таково: чем тяжелее элемент, тем реже он встречается в природе. Однако на деле кривая распространенности элементов уходит вниз невероятно круто: например уран, элемент № 92, встречается в миллиард раз реже, чем элемент № 11, натрий. Легче всего это увидеть на листе миллиметровки. Если построить график, на горизонтальной оси расположив элементы по возрастанию их атомного веса, а на вертикальной оси отобразив распространенность элементов в природе, то в результате получится горный склон. От самых легких элементов в левой части листа склон крутым обрывом уйдет к тяжелым элементам, наподобие урана, расположенным в крайней правой части.

Некоторые элементы, однако, выступают против общей тенденции — им словно бы не нравится это резкое падение распространенности с нарастанием атомного веса. Получается, что они более распространены, чем их соседи по горному склону. Так, на склоне есть холмики, соответствующие углероду, азоту и кислороду; железо и его ближайшие соседи тоже образуют холмик. Но встречаются и такие элементы, распространенность которых отчетливо меньше, чем у соседей. Например, на склоне есть впадины, соответствующие литию, бериллию и бору.

Почему одни элементы более распространены, чем ожидалось, а другие менее? Важный ключ к разгадке можно найти в удивительном месте: в астоновской долине ядерной стабильности.

Вспомним, что в долине ядерной стабильности ядра с наименьшей массой в пересчете на один нуклон — железо и никель — находятся внизу, а по склонам, расположенным по обе стороны низины, поднимаются атомы, у которых все больше и больше массы в пересчете на нуклон. Ну что же, как выяснилось, эта простая картина не рассказывала всей правды. Когда Астон усовершенствовал свой масс-спектрограф и смог измерить массы ядер более точно, он обнаружил, что склоны его долины не слишком уж гладкие. Там, где были ядра с большей массой на нуклон, чем у ближайших соседей, располагались небольшие бугорки, а там, где были ядра с меньшей массой на нуклон, получились ямки. Примечательно то, что горбики на горном склоне распространенности элементов в точности совпали с ямками астоновской долины ядерной стабильности, а впадины на склоне распространенности совпали с холмиками на склонах астоновской долины. Вывод неизбежен: между этими явлениями должна быть связь. Насколько распространен элемент, должно зависеть от конкретных свойств его атомного ядра. Это и есть сильнейший намек на то, что за формированием элементов стоят ядерные процессы, — иначе говоря, намек на то, что элементы были сделаны.

Представим себе, что высоко со склонов долины кто-то сбрасывает партию футбольных мячей. Катясь по склонам ко дну долины, они огибают бугорки, но застревают в ямках. Соответствие между распространенностью элементов в космосе и астоновской кривой говорит о том, что нечто подобное, видимо, произошло и в природе. Атомные ядра, должно быть, были «сброшены» с высокого левого склона долины ядерной стабильности. Затем они «покатились» по склону ко дну долины, огибая бугорки и застревая в ямках. Атомное ядро в верхней левой части астоновской долины ядерной стабильности — это ядро маленькое, легкое. То ядро, которое скатывается ко дну долины, следовательно, не что иное, как легкое ядро, становящееся все тяжелее и тяжелее по мере последовательного накопления в нем ядерных кирпичиков. Другими словами, это легкое ядро, из которого строится более тяжелое.

Но если элементы были сделаны, на что указывают все свидетельства, то где именно происходило это делание? Ключевой момент здесь — температура, требующаяся для построения элементов. У ядер, которые побольше и потяжелее, и электрический заряд соответственно больше, чем у тех ядер, что поменьше и полегче. Следовательно, большие ядра намного яростнее отпихивают друг друга, а это означает только одно: чтобы они как следует столкнулись да еще склеились, требуются куда более высокие температуры. Судя по всему, самое жаркое место во Вселенной — это звезды, подобные Солнцу. К несчастью, расчеты английского астронома Артура Эддингтона, выполненные в 1925 году, показали, что звезды не могут быть космическими плавильными тиглями, в которых выпекаются элементы. Как объяснил Эддингтон, по причине вращения самого Солнца вещество внутри нашей звезды пребывает в нескончаемом круговом движении, и в результате этой бесконечной циркуляции солнечная материя непрерывно и очень тщательно перемешивается. Поэтому, если бы водород спекался в гелий, порождая таким образом солнечный свет, «пепел» гелия равномерно распространялся бы по всему веществу звезды. Беда в том, что этот пепел постоянно разбавлял бы водородное топливо Солнца. По мере хода времени Солнце постепенно остывало бы, а затем погасло бы окончательно. От тигля же, в котором выпекаются элементы, требуется как раз обратное.

В Соединенных Штатах Джордж Гамов знал о расчетах Эддингтона. Соображения английского астронома побуждали его найти другой плавильный тигель, достаточно горячий, чтобы в нем можно было выпекать элементы. И вскоре он нашел такой тигель: огненный шар Большого взрыва. В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл (1889–1953), работавший в обсерватории Маунт-Вилсон в Южной Калифорнии, открыл, что галактики (это тоже «кирпичики», но уже большой Вселенной, их миллиарды и миллиарды, и наш Млечный Путь лишь один из них) разлетаются друг от друга, подобно космической шрапнели, несущейся во все стороны после взрыва титанического фугаса. Мы живем в расширяющейся Вселенной. И поскольку она расширяется, следует неизбежный вывод: в прошлом Вселенная была гораздо меньше. Если вообразить, что это расширение идет в обратном направлении, словно бы нам стали показывать фильм задом наперед, мы, по сути, придем к некоей точке во времени, когда все мироздание было сжато в бесконечно малом объеме. Это и есть момент рождения Вселенной в Большом взрыве, случившемся, как представляется сегодня, 13,7 миллиарда лет назад.

Гамов подхватил идею Большого взрыва и развил ее. Если в прошлом Вселенная была меньше, рассуждал он, следовательно, она должна была быть горячее (вновь все тот же старый эффект — воздух, нагревающийся в велосипедном насосе). Получается, что Большой взрыв, помимо прочего, был очень «горяч». А если этот самый Большой взрыв был очень горяч, то не могли он стать тем плавильным тиглем, где из нескольких простеньких базисных ингредиентов и выпекались химические элементы? Но вот проблема: Большому взрыву явно не хватало на это времени. Когда Вселенной было всего десять минут от роду, она уже расширилась и остыла до такой степени, что процессы формирования элементов благополучно заглохли. Это даже не пощечина мирозданию — это две пощечины подряд. Спустя десять минут после Большого взрыва огненный шар был уже не такой плотный, чтобы ядра могли часто сталкиваться друг с другом, а когда они все же сталкивались, то двигались слишком медленно и взаимное отталкивание было непреоборимо. Однако Гамова это не смутило. Десяти минут должно хватить, вот и весь сказ! «Элементы были приготовлены быстрее, чем готовится утка с жареной картошкой», — утверждал он[63].

Впрочем, оптимизм Гамова был неуместен. Существовало более серьезное препятствие для формирования элементов, чем ограниченность по времени. В природе нет стабильных ядер, содержащих пять или восемь базисных кирпичиков. Это означает, что практически невозможно построить ядро, которое было бы тяжелее ядра гелия. Как же так? Ведь если один ядерный кирпичик — протон либо нейтрон — столкнется и склеится с ядром, именуемым гелий-4, то получится ядро с массой 5? Нет, стабильных ядер с такой массой не существует. Ну хорошо, тогда столкнутся и склеятся два ядра гелия — получится ядро с массой 8. Опять-таки нет, не получится: таких стабильных ядер тоже не существует. Отсутствует даже малейшая возможность формирования ядер элементов, следующих за гелием. К большому разочарованию Гамова, Большой взрыв не мог быть тиглем, в котором выпекались природные элементы [64].

И вот тут на сцене появляется британский астроном Фред Хойл (1915–2001). По Хойлу, звезды — куда более привлекательны в качестве плавильных тиглей для выпекания элементов. В конце концов, они остаются плотными и горячими миллионы, если не миллиарды лет, а это уже не сравнишь с жалкими десятью минутами, «разрешенными» Большим взрывом. Поскольку времени было более чем достаточно, появилась возможность, что весьма нечастые ядерные процессы все же возьмутся за свое волшебство. Главное — чтобы какой-нибудь эдакий редкий процесс перепрыгнул через зловредные барьеры «масса-5» и «масса-8», и тогда дорога к выпеканию тяжелых элементов будет открыта. Проблема в том, что для любого такого процесса, вне всякого сомнения, нужна очень высокая температура. А ведь Эддингтон убедительно показал, что, по мере того как звезды синтезируют гелий из водорода, они постепенно остывают и в результате вообще испускают дух. Однако Хойла это не обескуражило. В космосе есть огромные звезды — могучие крепкие здоровяки, которые так и пышут жаром, выделяя в 10 000 раз больше тепла, чем Солнце. Само существование таких «красных гигантов» (первейший пример — это Бетельгейзе, сверкающая, словно бриллиант, в созвездии Ориона) — доказательство того, что звезды нашли способ избежать той постыдной кончины, которую наметил для них Эддингтон.

Например, как понял Хойл, звезда может выжить, если ее сердцевина будет в большей степени насыщена тяжелыми элементами, чем внешняя оболочка. За счет этого центральная область станет более плотной, чем периферия, и собственное тяготение звезды будет сдавливать сердцевину, раскаляя ее. Температура может запросто подняться до 100 миллионов градусов, а это именно то, что доктор прописал: легкие ядра будут спекаться в более тяжелые, осуществляя таким образом ядерный синтез. В то же время чрезвычайно горячая сердцевина звезды, выделяя чудовищное количество тепла, будет накачивать его во внешнюю оболочку, и та станет раздуваться до гигантских размеров. Но, раздуваясь, звездное вещество начнет остывать — в итоге его сияние потускнеет и обретет красноватую окраску. Таков был рецепт образования красного гиганта. Рецепт получился убедительный, и Хойл решил, что он на правильном пути.

Была, конечно, одна трудность: расчеты Эддингтона показывали, что звездное вещество в любой момент времени тщательно перемешано. Но Хойла это не остановило. Вместе с астрономом Реймондом Литлтоном (1911–1995) он придумал, как обойти эддингтоновский звездный капкан. Вполне можно представить, что при формировании звезды образуется плотное, сверхгорячее ядро, которое трепыхается в самом центре, окруженное жирной, толстой оболочкой. Для этого двум ученым потребовалось допустить существование плотных, холодных облаков газообразного водорода, дрейфующих по Галактике. Никто не знал, существуют ли подобные облака. Но если они существуют, то, как указали Хойл и Литлтон, звезда, обращаясь вокруг центра Галактики, должна непременно пробиваться сквозь эти облака, собирая вокруг себя густую пелену газообразного водорода. В таком случае внутренность этого звездного объекта, представляющая собой смесь гелия и водорода, будет плотнее, чем наружная оболочка. Вот он — рецепт образования красных гигантов со сверхплотным, сверхгорячим ядром.

Идея Хойла была остроумна, однако необходимость в ней уже отпала. Эддингтон был выдающимся астрофизиком своего времени, и он вовремя обнаружил, что в своих расчетах допустил глупейшую числовую ошибку. Да, он был прав в том, что по причине вращения самого Солнца вещество внутри него пребывает в нескончаемом круговом движении. Однако Эддингтон ошибся в оценке скорости этого кругового движения. Циркуляция вещества внутри Солнца происходит много медленнее — чертовски много медленнее! — чем выходило по расчетам ученого. В реальности она настолько медленная, что просто не может перемешивать вещество внутри Солнца. А раз нет перемешивания, то сердцевина звезды все сильнее обогащается гелием по мере выгорания водорода. Центральная область Солнца уплотняется, сжимается — и, конечно, разогревается до высоченных температур. Как выяснилось, перспектива стать красным гигантом — это естественная и неизбежная участь любой звезды, подобной Солнцу [65].

Интуиция не подвела Хойла. Звезды и впрямь могут быть достаточно горячи, чтобы в них формировались элементы. Но оставалась проблема барьеров «масса-5» и «масса-8», которые, как выяснил Гамов, перекрывают путь к выпеканию тяжелых элементов в тигле Большого взрыва. Хойл принялся искать тот редкий ядерный процесс, который мог бы перескочить через барьеры. И нашел. Этот процесс предполагал взаимодействие не двух ядер гелия, а трех. Возможно ли, чтобы глубоко внутри красного гиганта, в самой его сердцевине, богатой гелием, ядра гелия — альфа-частицы — собирались по трое? Если бы они спеклись, то в результате получилось бы ядро углерода-12, — вот вам чистое, без малейшего фола, взятие барьера «масса-8».

На самом деле этот «тройной альфа-процесс» был уже рассмотрен американским физиком Эдвином Солпитером (1924–2008) в 1952 году. Солпитер быстро понял: шансы на то, что три ядра гелия соберутся вместе в одно и то же время, ничтожно малы, практически сведены к нулю. (Вообразите себе трех футболистов с завязанными глазами: они носятся, спотыкаясь, по всему полю и вдруг сталкиваются лбами — все трое! — у углового флажка.) Вместо этого Солпитер сосредоточился на взаимодействии двух сталкивающихся ядер гелия. Такое столкновение может показаться совершенно бесполезным, поскольку из склеивания двух ядер гелия получится ядро с массой 8, а подобные ядра, конечно же, нестабильны. Но вот что осознал Солпитер: хотя это ядро — бериллий-8 — действительно нестабильно, оно… не то чтобы совсем уж нестабильно. Прежде чем распасться, какие-то ничтожные доли секунды бериллий-8 все же существует. И вот что важно: в эти ничтожные доли секунды он становится «неподвижной мишенью» для третьего ядра гелия.

Для тройного альфа-процесса не нужно было неправдоподобного, до абсурда невероятного схождения трех частиц — вместо этого он мог вполне осуществиться в ходе короткой серии более прозаических процессов, где в каждом случае участников всего двое. Солпитер предположил, что процесс идет в два этапа. Сначала сталкиваются два ядра гелия, они склеиваются и образуют бериллий-8. Затем, не дожидаясь, пока бериллий-8 распадется, в него ударяет еще одно ядро гелия, и получается ядро углерода-12.

Предложенный Солпитером двухшаговый тройной альфа-процесс имел куда больше шансов на успех, чем его одношаговая версия. Но к несчастью, и этого было еще недостаточно. Когда Солпитер произвел расчеты для ядра красного гиганта, он обнаружил, что посредством тройного альфа-процесса в углерод может преобразоваться только крохотная доля гелия, содержащегося в звезде. Слишком неэффективно. Вновь тупик.

Хойл знал о неудаче Солпитера. Однако он не собирался отказываться от тройного альфа-процесса по той причине, что… да, в общем, по той причине, что это была, честно говоря, единственная возможность. Хойл задумался: а есть ли способ ускорить ход вещей? Он снова и снова прокручивал проблему в голове, и вдруг его озарило: есть, действительно есть способ повысить эффективность тройного альфа-процесса! Беда лишь в том, что у этого способа было страшно мало шансов.

Вообразите ребенка на качелях. Допустим, качели делают ход взад-вперед каждые пять секунд. Если вы будете подталкивать качели каждые три или каждые семь секунд, то не сможете раскачать их сильнее, и довольно скоро перед вами будет очень недовольный ребенок, интересующийся, зачем это дядя (или тетя) так неловко остановил(а) качели. Однако если вы станете подталкивать качели каждые пять секунд, они будут взлетать все выше. Физики скажут, что качели обладают «собственной частотой», равной одному качанию в пять секунд. Это характерно для всех колебательных систем (качели тоже колебательная система): когда движущая сила — в данном случае ваши толчки — совпадает с ее собственной частотой, энергия передается наиболее эффективно. В таком случае говорят, что колебательная система «вошла в резонанс».

Теперь рассмотрим атомное ядро — а именно ядро углерода-12. Представим его себе как мешок, в который помещены двенадцать ядерных кирпичиков. На самом деле такого мешка не существует, однако сильное взаимодействие, которое связывает кирпичики, с успехом удерживает их в очень малом объеме, как если бы они и впрямь находились в мешке. Внутри «мешка» ядерные кирпичики неустанно толкают друг друга туда-сюда, и надо сказать, что толкание это не совсем уж случайное. Есть свидетельства, что внутри ядра нуклоны движутся по орбитам плотно упакованных «оболочек», напоминающих электронные оболочки атома. А самое главное — то, что у «мешка» есть определенные собственные частоты, с которыми колеблется, или вибрирует, его содержимое.

«Частота» — синоним энергии: ленивые, низкочастотные вибрации несут небольшую энергию, а яростные, высокочастотные вибрации — большую. Таким образом, каждая внутренняя вибрация ядра углерода-12 соответствует определенной колебательной энергии. Так вот, именно энергия была тем способом, с помощью которого Хойл надеялся повысить эффективность тройного альфа-процесса. Если сталкиваются три ядра гелия — или, что то же, ядро гелия и ядро бериллия-8 — и их суммарная энергия в точности совпадает с одной из собственных частот углерода-12, возникает резонанс. Только в этом случае не качели взлетают выше, а возрастает скорость ядерной реакции, которая склеивает ядерные компоненты, чтобы произвести на свет углерод-12.

Конечно, ядерная реакция войдет в резонанс лишь при том условии, если у углерода-12 найдется «энергетическое состояние», которое будет в точности совпадать с суммарной энергией движения трех ядер гелия при температуре в 100 миллионов градусов, типичной для центральной области красного гиганта [66]. Хойл ввел в уравнения нужные значения и рассчитал энергию. Она составила 7,65 мегаэлектронвольта (МэВ). Что такое этот самый МэВ, в данном случае не важно; достаточно сказать, что это единица энергии, которую физики посчитали удобной для измерения энергии микрочастиц, имеющих электрический заряд. Важно другое: если энергетический уровень углерода-12 окажется в точности равным 7,65 МэВ, то ядерная реакция синтеза углерода-12 из трех атомов гелия войдет в резонанс. Хойл подсчитал, какое количество углерода-12 может быть выпечено в сердцевине красного гиганта при том условии, что энергетический уровень в 7,65 МэВ существует. Количество получилось весьма и весьма ощутимое. Ускоренный тройной альфа-процесс работал. Барьеры «масса-5» и «масса-8» остались позади. Путь к формированию любых тяжелых элементов был открыт. Все зависело от того, обладает ли углерод-12 колебательной энергией, в точности равной 7,65 МэВ. Вот и главный вопрос: обладает он этой энергией или нет?

К счастью или к несчастью, но весной 1953 года Хойл получил очередной академический отпуск в своем Кембриджском университете — такие отпуска с определенной регулярностью предоставляются преподавателям для научной работы. А местом назначения отпуска был Калифорнийский технологический институт в Пасадене (Калтех), где работала экспериментальная группа физиков-ядерщиков. Эта группа пробовала свои силы и в «ядерной астрофизике» тоже. Их измерения скорости важнейшей ядерной реакции в CNO-цикле имели критическое значение: все говорило в пользу того, что CNO-цикл может быть источником энергии только для звезд, существенно массивнее Солнца. Прибыв в Калтех, Хойл, не теряя ни минуты, направился в Радиационную лабораторию имени Келлога, чтобы повидаться с руководителем группы Уильямом Фаулером (1911–1995) и задать ему свой главный вопрос. Может ли углерод-12 обладать энергетическим уровнем, равным 7,65 МэВ?

Хойл мог с таким же успехом спросить: правда ли, что ядерными реакциями в сердце Солнца управляют феи? Фаулер подумал, что к нему заявился сумасшедший. Никогда еще ни один теоретик не мог предсказать точную энергию составного ядра. Математика этого дела была чертовски сложной.

Хотя физики редко это признают, но единственная физическая система, поведение которой они могут предсказать с уверенностью, — это система из двух тел: вот Луна движется по орбите под действием притяжения Земли; вот электрон в атоме водорода движется по своей орбите, подчиняясь электромагнитной хватке протона… Однако если речь заходит о системе из трех и более тел, теоретики сбиваются с толку. А углерод-12, с его двенадцатью электронами, жужжащими вокруг ядра, как пчелиный рой, — это уже система из «многих тел». Точно предсказать ее свойства — за пределами возможностей теоретиков. Но Хойл — молодой очкастый астроном из Англии — утверждал, что именно это ему и удалось: он сумел предсказать энергетические свойства углерода-12.

Что делало предсказание Хойла еще более абсурдным, так это сумасшедшая логика, стоящая за ним. «Я существую, я сделан из углерода, следовательно, углерод-12 должен обладать энергетическим уровнем в 7,65 МэВ». Вот такая логика! Никогда ранее за всю свою исследовательскую карьеру Фаулер не слышал ничего более удивительного. Заключение, вытекающее из наблюдательного факта, что в природе существуют люди. «Антропный» аргумент. Физика, определяемая биологией. Научная мысль, перевернутая с ног на голову.

Существовала очень высокая вероятность, что Хойл ошибается. С другой стороны, Фаулер придерживался принципа экспериментатора: никогда не будь глух к неожиданному. Он собрал членов своей небольшой исследовательской группы, и те вежливо выслушали, как Хойл повторил свои необыкновенные доводы в пользу существования у углерода-12 энергетического уровня в 7,65 МэВ. Возможно ли, спросил Хойл, что известные на сегодняшний день эксперименты каким-то образом упустили этот уровень? Последовала техническая дискуссия, большую часть которой Хойл даже не понял. Однако в конце концов коллеги Фаулера пришли к единому мнению. Если уровень углерода-12 с энергией 7,65 МэВ имеет некоторые очень специфические свойства, то да, вполне возможно, что эксперименты его упустили. Команда решила перенастроить свое оборудование и «заглянуть» в углерод-12.

Десять дней, пока продолжался эксперимент, Хойл мучился в неизвестности. Каждый день он спускался в недра Лаборатории имени Келлога — щедрого подарка магната кукурузных хлопьев — и наблюдал, как коллега Фаулера Уорд Уэйлинг и его группа работают не покладая рук в джунглях силовых кабелей, трансформаторов и камер, похожих на водолазные колокола, в которых сталкивались друг с другом атомные ядра. И каждый день, когда Хойл вновь выползал из лаборатории на мучительно яркое калифорнийское солнце, он испытывал облегчение от того, что его идея продержалась еще одни сутки и ее никто пока не растер в порошок, но облегчение тут же сменялось тревогой: а что будет завтра? а послезавтра?.. На десятый день Хойла встретил Уэйлинг. Руководитель группы долго жал руку английского астронома и извергал поздравления. Эксперимент удался. Предсказание Хойла подтвердилось. Невероятно, но углерод-12 обладал энергетическим уровнем со значением, всего лишь на волосок отличающимся от 7,65 МэВ.

Это был самый поразительный результат из всех, которые Фаулер когда-либо наблюдал. Он и впрямь не верил, что вопиющее предсказание Хойла будет подтверждено. Однако же вот — подтвердилось, да еще как эффектно! Подобно некоему всеведущему богу, Хойл вгляделся в сердце природы и высмотрел нечто такое, что простым смертным — или, во всяком случае, простым физикам-ядерщикам — было не дано увидеть. Он провозгласил, что углероду-12 должен быть свойствен уровень с энергией 7,65 МэВ, потому что если бы такого уровня не было, то и людей не было бы на свете. До сегодняшнего дня Хойл остается единственным человеком, который сделал успешное предсказание на основании антропного аргумента, опередив физический эксперимент.

Однако Хойл понимал, что, несмотря на потрясающий триумф, радоваться было рано. Стоит углероду-12 образоваться в недрах красного гиганта, как он сразу становится неподвижной мишенью, ожидающей, что по ней вот-вот ударит очередное ядро гелия. А в результате образуется ядро кислорода-16. Все хорошее, что принес тройной альфа-процесс, будет сведено на нет. Хотя углерод и получается в ходе этого процесса, он немедленно превращается в кислород. И Вселенная остается без углерода.

Для формирования углерода необходимо, чтобы ядро углерода-12 вибрировало с частотой, соответствующей очень конкретной энергии — суммарной энергии трех ядер гелия при температуре, типичной для недр красного гиганта. Это было понятно. Но теперь Хойл понял кое-что еще: углерод сможет выжить и не превратится в кислород только в том случае, если кислород-16 не будет вибрировать с определенной частотой, соответствующей конкретной энергии. А именно: кислород-16 не должен обладать энергией, равной суммарной энергии ядра углерода-12 и ядра гелия при той самой «сердцевинной» температуре красного гиганта. Если же такая энергия ему свойственна, возникнет резонанс, и весь углерод-12 тотчас превратится в кислород-16.

В рамках своей работы по CNO-циклу команда Фаулера уже измерила свойства ядра кислорода-16. Хойл внимательнейшим образом изучил эти данные. У него замерло сердце, когда он увидел, что энергетическое состояние кислорода-16 очень близко к тому уровню энергии, который следовало избегать любой ценой. Но, тщательно изучив проблему, Хойл к своему облегчению обнаружил, что значение этого энергетического состояния лежит за пределами опасного диапазона. Кислород и впрямь может формироваться внутри звезд, но, к счастью для рода человеческого, не за счет углерода.

Когда у Хойла появлялась свободная минутка и он принимался размышлять над тем, что именно он открыл, он все больше и больше изумлялся тем совпадениям в ядерном мире, от которых столь решительно зависит наше существование. Бериллий-8 нестабилен, но не настолько нестабилен, чтобы тройной альфа-процесс был невозможен. Значение энергетического уровня углерода-12 ровно таково, чтобы тройной альфа-процесс входил в резонанс и порождал значительные количества углерода. А у кислорода-16 как раз нет энергетического уровня с «нехорошим» значением, поэтому не весь углерод-12 превращается в кислород-16. Если бы эти три условия не удовлетворялись, Вселенная не содержала бы элементы тяжелее углерода, или, как вариант, в ней были бы тяжелые элементы, но не было бы углерода. Однако ничего подобного не произошло, все было тонко сбалансировано таким образом, чтобы родилась именно наша Вселенная, в которой примерно равные количества углерода и кислорода — элементов, принципиально необходимых для жизни.

Хойл задумался: как все это понимать? — и пришел к двум вполне логичным возможностям. Первая заключалась в том, что есть Бог, который тонко настроил свойства ядер бериллия-8, углерода-12 и кислорода-16, так чтобы мы могли прийти в этот мир. Проблема с этим вариантом лишь в том, что он ненаучен. Поразительная черта науки: вы получаете больше, чем вкладываете. Научное объяснение — зачастую сведенное к формуле или уравнению — всегда проще и компактнее, чем те наблюдения, которые оно обобщает. Если же Бог тонко настраивает вещи, то объяснение — мол, причиной всему сложное всевышнее существо — оказывается столь же сложным, если не более сложным, как те вещи, для которых оно понадобилось. Вы получаете меньше, чем вкладываете, — это антитеза науки. Есть еще одна проблема с гипотезой Бога: едва ли не самое поразительное заключение, которое можно сделать о Вселенной, — это то, что она, судя по всему, замечательно, просто превосходно функционирует, подчиняясь лишь известным физическим законам, без какого-либо сверхъестественного ввода данных.

Но если Создатель не занимался тонкой настройкой энергетических уровней бериллия-8, углерода-12 и кислорода-16, как тогда объяснить все эти невероятные совпадения? Хойл высказал сногсшибательное предположение. Возможно, наша Вселенная — не единственная. Возможно, есть множество вселенных, каждая со своими физическими законами. В большинстве вселенных физические законы не сговариваются, чтобы сотворить ядерные совпадения для образования углерода, и там нет жизни. Тогда не удивительно, что мы обнаружились во вселенной, где эти ядерные совпадения, необходимые для жизни, существуют.

Как же нам не возникнуть в таком случае?

Это удивительная, перевернутая логика. Но для Хойла только такая логика и имела смысл. Невероятно: сам факт нашего существования как углеродных созданий, возможно, рассказывает нам не просто и не только лишь о том, что глубоко внутри звезд бытуют ядерные совпадения. Возможно, он рассказывает нам о том, что где-то там, в других пространствах или других измерениях, существует огромное — если не бесконечное — количество других вселенных.

Продолжение следует.

Благодарности

Я благодарен следующим людям, которые непосредственно помогали мне, вдохновляли или просто подбадривали, пока писалась эта книга: Карен, Генри Волансу, Фелисити Брайан, Нилу Белтону, Ларри Шульману, Джиму Хартлу, Стивену Шу, Михаэле Массими, Дэвиду Арнетту, Эду Харрисону, Э. К. Грейлингу, Стивену Хокингу, Адриану Митчеллу, Фриману Дайсону, Иэну Бахрами, Саймону Сингху, Брайану Мею, Саре Менгуч, Элу Джонсу, Тане Монтейро, Брайану Клеггу, Клер Дадман, Алексу Холройду, Джону Гриндроду, Саре Сэвитт, Майлзу Пойнтону, Мишель Топам, Шаназу Мирзе, Патрику О’Халлорану, Энди и Кэнди Когланам, Джереми Уэббу, Валери Джеймисон, Роджеру Хайфилду, Бобби Дербиширу, Александру Гордону Смиту, Алому Шаха, Стиву Хеджесу, Сью О’Малли, Дэвиду Хау, Пэм Янг, Хейзел Мьюр, Стюарту и Никки Кларкам, Спенсеру Брайту, Крисси Айли, Карен Гуннелл, Йо Гуннелл, Пэт и Брайну Чилвер, Стелле Барлоу, Барбаре Пелл и Дэвиду Бруину, Джулии и Биллу Бейтсонам, Анни и Мартину Урселл, Барбаре Кайзер, Дайане, Питеру, Кирану и Люси Томлин, Эрику Гурли, Полу Брандфорду, Хелен и Стиву, Люси, Крису, Хелен и Оливии, Нуале, Навину и Ибрагиму, Мэри, Акселю и Симоне, Карло и Биллу.

Словарь

Абсолютный нуль. Минимальный предел температуры, который может иметь физическое тело. Когда тело охлаждается, его атомы движутся все более и более медленно. При абсолютном нуле, что соответствует -273,15 С° по шкале Цельсия, их хаотическое движение прекращается. (На самом деле это не совсем так, поскольку принцип неопределенности Гейзенберга «заставляет» атомы дрожать даже при абсолютном нуле — это так называемые нулевые колебания.)

Аккреция (от лат. accrētiō — «приращение, увеличение»). Ключевой процесс в астрофизике, при котором сила тяжести тела притягивает все больше и больше вещества из окружающего пространства. Когда материя вращается, стягиваясь к центру, подобно воде в ванне, устремляющейся к сливному отверстию, она может создать «аккреционный диск». Трение внутри диска разогревает его; считается, что это трение и служит источником чудовищно сильного излучения, испускаемого очень мощными ядрами далеких галактик — «квазарами». Явление аккреции подсказывает, что в мощных ядрах галактик должны находиться сверхмассивные черные дыры — масса такой дыры может в 10 миллиардов раз превышать массу Солнца.

Альфа-распад. Выплевывание высокоскоростной альфа-частицы большим нестабильным ядром, которому хочется стать полегче и постабильнее.

Альфа-частица. Положительно заряженная частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов, — в сущности, ядро атома гелия, — которая вылетает из нестабильного ядра при радиоактивном альфа-распаде.

Альфа-процесс. Процесс формирования тяжелых атомных ядер внутри звезд за счет добавления альфа-частиц к ядрам легких элементов. Требует температуры порядка миллиарда градусов.

Андромеда. Ближайшая к нашему Млечному Пути большая галактика, расположенная примерно в 2,5 миллиона световых лет. Андромеда и Млечный Путь — крупнейшие галактики в кластере из более чем 50 галактик, известном как Местная группа.

Антропный принцип. Представление о том, что Вселенная такова, какова она есть, по той причине что если бы это было не так, то нас здесь не было бы и, следовательно, обратить внимание на Вселенную тоже было бы некому. Другими словами, факт нашего существования — важное научное наблюдение.

Антиматерия. Термин, обозначающий большое скопление античастиц. Антипротоны, антинейтроны и позитроны могут, по идее, собираться вместе и образовывать антиатомы. И ничто, в принципе, не исключает возможности существования антизвезд, антипланет и антижизни. Одна из величайших загадок физики — в том, почему мы живем во Вселенной, состоящей, судя по всему, исключительно из материи, в то время как по существующим физическим законам соотношение материи и антиматерии должно быть — ну хотя бы примерно — пятьдесят на пятьдесят.

Античастица. Каждая субатомная частица имеет своего двойника: античастицу с некоторыми характеристиками взаимодействия — такими, как электрический заряд, — обладающими противоположным знаком. Например, двойник отрицательно заряженного электрона — это античастица с положительным зарядом, именуемая позитроном. Когда частицы и античастицы сталкиваются, они самоуничтожаются, или «аннигилируют», при этом высвобождается огромное количество энергии.

Атом. Кирпичик обыкновенной материи. Атом состоит из ядра, окруженного облаком электронов. Положительный заряд ядра уравновешивается отрицательным зарядом электронов. Кирпичики материи чрезвычайно малы: «диаметр» атома составляет около одной десятимиллионной миллиметра.

Атомная энергия. См.: Ядерная энергия.

Атомное ядро. Плотная кучка протонов и нейтронов (в случае водорода — всего один протон) в центре атома. Масса ядра составляет более 99,9 % массы атома.

Бета-распад. Выброс высокоскоростного электрона нестабильным атомным ядром. То, что остается после бета-распада, — это ядро элемента, в котором на один протон больше.

Бета-лучи. Поток частиц, испускаемых в результате бета-распада. На самом деле бета-частицы — то есть электрона, испускаемого при бета-распаде, — в ядре изначально нет, она «рождается» при превращении нейтрона в протон.

Бозон. Микроскопическая частица с целым значением спина — 0, 1, 2 и так далее. Из-за этой «целостности» своего спина такие частицы очень «общительны», им свойственно стадное поведение, в результате чего мы имеем лазеры, сверхтекучие жидкости и сверхпроводники.

Большой взрыв. Титанический взрыв, произошедший 13,7 миллиарда лет назад, в результате чего, как считается, появилась наша Вселенная. В сущности, «взрыв» — неправильное название, поскольку этот самый Большой взрыв произошел везде одновременно и до него не существовало никакой пустоты, в которую могла бы извергнуться Вселенная. Пространство, время и энергия — все появилось в результате Большого взрыва.

Броуновское движение. Беспорядочное движение достаточно больших тел, находящихся под пулеметным обстрелом маленьких тел. Самый известный пример — это зигзагообразное движение зернышек пыльцы на поверхности воды: зернышки дергаются, потому что по ним постоянно ударяют молекулы воды. Феномен броуновского движения, открытый британским ботаником Робертом Броуном (1773–1858) в 1827 году и триумфально объясненный Альбертом Эйнштейном в 1905-м, стал мощным доказательством существования атомов.

Водород. Самый легкий элемент в природе. Атом водорода состоит из одного протона, вокруг которого обращается один электрон. Примерно 90 % всех атомов во Вселенной — атомы водорода.

Волновая функция. Математическая данность, описывающая состояние квантовой системы, например атома. Волновая функция изменяется во времени в соответствии с уравнением Шрёдингера.

Вселенная. Все, что есть на свете. Весьма растяжимый термин: когда-то им обозначали то, что мы теперь называем Солнечной системой; затем «Вселенной» стали именовать то, что мы называем Млечным Путем; сейчас этот термин используют для обозначения совокупности всех галактик в мире: судя по всему, в «наблюдаемой Вселенной» содержится более 100 миллиардов галактик.

Газ. Скопление атомов, которое летит сквозь пространство, подобно рою крошечных пчел.

Галактика. Один из кирпичиков строения Вселенной. Галактики — огромные звездные острова. Наш собственный остров, Млечный Путь, обладает спиральной формой и содержит не менее 200 миллиардов звезд.

Гамма-лучи (гамма-излучение). Электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны. Испускается главным образом при переходах между возбужденными состояниями атомного ядра, то есть когда атомное ядро «перегруппировывается».

Гелий. Второй самый легкий элемент в природе. Единственный элемент, который был обнаружен на Солнце, прежде чем его открыли на Земле. Гелий — второй по распространенности элемент во Вселенной после водорода, на его долю приходится примерно 10 % всех атомов Вселенной.

Гипотеза сжатия. Представление о том, что Солнце остается горячим потому, что по мере его сжатия гравитационная энергия постоянно превращается в тепловую. Гипотеза неверна.

Горение водорода. Реакция синтеза гелия из водорода, сопровождаемая высвобождением большого количества ядерной энергии. Мощный источник энергии Солнца и большинства звезд.

Горение кремния. Цепочка быстрых, бурных ядерных реакций, берущих старт после того, как массивная звезда начинает производить кремний. Всего лишь за день эти реакции превращают кремний в железо и никель — конечные пункты обычных звездных ядерных реакций. После этого звезда находится уже на грани катастрофы и готова взорваться, став сверхновой.

Гравитация. См.: Гравитационное взаимодействие.

Гравитационная волна. Рябь, распространяющаяся по пространству-времени. Гравитационные волны порождаются бешеным движением масс материи, что происходит, например, при слиянии черных дыр. Поскольку гравитационные волны очень слабые, они до сих пор не обнаружены напрямую.

Гравитационная потенциальная энергия. Энергия, которой обладает масса благодаря своему положению в гравитационном поле. Например, незакрепленная на крыше черепица обладает большей потенциальной энергией, чем та, что лежит на земле. Если она упадет на землю, ее потенциальная энергия преобразуется в другие формы — первым делом в энергию движения.

Гравитационное взаимодействие (притяжение, тяготение). Самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий, существующих в природе. Гравитационное взаимодействие в приближенном виде описывается теорией тяготения Ньютона; более точно его описывает теория гравитации Эйнштейна — общая теория относительности. Общая теория относительности «не работает» в случае сингулярности в сердце черной дыры и в случае сингулярности при рождении Вселенной. В наше время физики ищут более точное описание гравитации. Теория, уже получившая название «квантовой гравитации», пытается объяснить гравитацию через обмен частиц, именуемых «гравитонами».

Дейтерий. Редкий изотоп водорода. В ядре дейтерия кроме одного протона содержится еще один нейтрон.

Декогерентность. Механизм, который разрушает странную, «потустороннюю» квантовую природу объекта, и, таким образом, этот объект начинает казаться локализованным, а не находящимся во многих местах одновременно. Декогеренция происходит, если внешний мир получает «знание» об объекте. Это знание может быть принесено отдельным фотоном видимого света или молекулой воздуха, отскочившей от объекта. Поскольку большие объекты, например обеденный стол, постоянно подвергаются бомбардировке фотонами или молекулами воздуха и не могут оставаться полностью изолированными от окружающей среды хоть сколько-нибудь долго, они теряют свою способность быть во многих местах одновременно за фантастически короткий период времени — слишком короткий, чтобы мы это каким-либо образом заметили.

Длина волны. Расстояние, которое проходит волна за полный период колебания (то есть расстояние между двумя соседними гребнями волны).

Закон Бойля-Мариотта. Формулируется он так: «При постоянной температуре и массе идеального газа произведение его давления и объема постоянно». На практике все несколько проще: если уполовинить объем газа, его давление удвоится.

Закон всеобщего тяготения Ньютона. Представление о том, что все тела действуют друг на друга с силой, которая зависит от произведения их индивидуальных масс и обратного квадрата расстояний между ними. Другими словами, если расстояние между телами увеличивается вдвое, сила становится в четыре раза слабее; если расстояние утраивается, сила ослабевает в девять раз; и так далее. Закон всеобщего тяготения Ньютона прекрасно подходит для повседневной жизни, но все же он приблизителен. Эйнштейн «улучшил» этот закон, предложив общую теорию относительности.

Законы сохранения. Фундаментальные физические законы, согласно которым при определенных условиях некоторые измеримые физические величины не изменяются с течением времени. Например, закон сохранения энергии указывает на то, что энергия не может быть создана или уничтожена, а может только преобразовываться из одной формы в другую. Так, химическая энергия бензина может преобразоваться в энергию движения автомобиля.

Закон сохранения импульса. Принцип, согласно которому импульс замкнутой системы не может быть создан или уничтожен.

Запутанность. Квантовая взаимозависимость двух или более микроскопических частиц, отчего они теряют свою индивидуальность и во многих отношениях ведут себя как единая сущность.

Звезда. Гигантский газовый шар, который пополняет свою тепловую энергию, отдаваемую окружающему пространству, за счет ядерной энергии, вырабатываемой в его сердцевине.

Изотоп. Разновидность атома химического элемента. Изотопы одного элемента отличаются друг от друга только массами, а именно количеством нейтронов в ядре. Например, хлор имеет два стабильных изотопа с массами 35 и 37. Различие в массах отражает разные числа нейтронов в ядрах: хлор-35 содержит 18 нейтронов, а хлор-37–20. (Однако оба изотопа содержат одно и то же количество протонов — 17, поскольку именно количество протонов определяет «индивидуальность» элемента.)

Импульс. Импульс тела — это показатель того, какое усилие надо приложить к движущемуся телу, чтобы остановить его. Например, нефтяной танкер, даже если он движется со скоростью всего несколько узлов, гораздо труднее остановить, чем гоночную машину на чемпионате «Формула-1», несущуюся со скоростью 200 километров в час. А все из-за того, что у нефтяного танкера импульс больше.

Интерференция. Способность двух волн, проходящих друг через друга, усиливаться там, где совпадают их максимумы, и сходить на нет там, где максимум одной волны совпадает с минимумом другой.

Интерференционный рисунок. Рисунок из светлых и темных полос, который появляется на экране, освещенном светом из двух источников. Этот рисунок возникает по той причине, что световые волны из двух источников в одних местах экрана усиливают друг друга, а в других — сходят на нет.

Ион. Атом или молекула, которая лишилась одного или более из своих электронов и таким образом обрела положительный результирующий электрический заряд.

Квант. Мельчайшая порция, до которой что-либо можно разделить. К примеру, фотоны — это кванты электромагнитного поля.

Квантовая вероятность. Вероятность события в микромире. Хотя природа препятствует тому, чтобы мы с большой точностью знали какие-то вещи, она тем не менее позволяет нам с большой точностью знать вероятность этих вещей.

Квантовая непредсказуемость. Непредсказуемость микроскопических частиц. Их поведение непредсказуемо даже в принципе. Сравним это с непредсказуемостью при подбрасывании монеты. Результат непредсказуем только на практике. Но теоретически, если нам известны форма монеты, силы, на нее действующие, окружающие воздушные потоки и прочее, мы вполне можем предсказать результат.

Квантовая неразличимость. Невозможность различить два квантовых события. Они могут быть неразличимы, например, потому, что в них участвуют две одинаковые частицы, или потому, что события не поддаются наблюдению. Однако важно то, что вероятностные волны, ассоциированные с неразличимыми событиями, интерферируют. Это влечет за собой всякого рода квантовые феномены.

Квантовое число. Число, характеризующее те свойства микроскопического объекта, которые «делятся на порции» (или квантуются), — к ним относятся, например, спин и орбитальная энергия электрона.

Квантовая суперпозиция. Ситуация, при которой квантовый объект, такой, как атом, в конкретный момент пребывает более чем в одном состоянии. Он может быть, к примеру, в нескольких местах одновременно. Между отдельными состояниями в суперпозиции существует взаимодействие, или «интерференция», — в сущности, на ней и строится вся диковинность, «потусторонность» квантового мира. Декогерентность препятствует этому взаимодействию и, таким образом, мешает проявлению квантового поведения частиц.

Квантовая теория. В сущности, это теория о микроскопическом мире атомов и их составляющих. Те, кому нравится «многомировая интерпретация», верят, что квантовая теория также описывает и большой мир.

Квантовая электродинамика. Теория о взаимодействии света с материей. Она объясняет практически все в окружающем мире: почему земля под нашими ногами твердая, принцип работы лазера, химия обмена веществ, работа компьютеров — все это квантовая электродинамика.

Квантовое туннелирование. Явно волшебная способность микроскопических частиц выбираться из своего заключения. Например, альфа-частица может туннелировать сквозь барьер, удерживающий ее в атомном ядре, — это все равно, как если бы прыгун в высоту перемахнул через четырехметровую стену. Туннелирование — это еще одно следствие волнового характера микроскопических частиц.

Классическая физика. Неквантовая физика. В сущности, вся физика до 1900 года, когда немецкий физик Макс Планк первым предположил, что энергия может передаваться отдельными порциями — «квантами». А Эйнштейн первым понял, что эта идея абсолютно не совместима со всей той физикой, что была раньше.

Корпускулярно-волновой дуализм. Способность субатомной частицы вести себя и как локализованная в пространстве частица, подобная биллиардному шару, и как распределенная в пространстве волна.

Космологический горизонт. Вселенная имеет горизонт, очень похожий на тот, что окружает корабль в море. Причина существования горизонта Вселенной в том, что свет имеет предельную скорость, а Вселенная существует ограниченный период времени. Это значит, что мы видим только те объекты, свету которых хватило времени, чтобы долететь до нас с момента Большого взрыва. Наблюдаемая вселенная похожа на пузырь с Землей в центре: поверхность пузыря и есть тот самый космологический горизонт. С каждым днем Вселенная становится старше (на один день), поэтому каждый день горизонт расширяется, и становятся видимы новые объекты — точь-в-точь как корабли, появляющиеся на горизонте в море.

Красный гигант. Звезда, которая исчерпала водородное топливо в своем ядре. Парадоксально, но сжатие звездного ядра — которому не хватает тепла, чтобы противостоять гравитации, — нагревает внутреннюю область звезды. Яростное горение водорода в огненной оболочке непосредственно вокруг звездного ядра приводит к тому, что внешняя оболочка сначала раздувается, а затем остывает и обретает тускло-красный цвет. Красный гигант (между прочим, это далекое будущее Солнца) может выделять в 10 000 раз больше тепла, чем Солнце, — главным образом про причине своей огромной поверхности.

Лазер. Источник света, в котором на передний план выступает стадная природа фотонов, то бишь бозонов. А именно: чем больше фотонов пройдет сквозь некий материал, тем больше вероятность, что другие атомы этого материала будут излучать фотоны с теми же свойствами. В результате образуется толпа фотонов, марширующих в ногу (ну хорошо, скажем иначе: лавина стройно летящих фотонов).

Магнитное поле. Силовое поле, окружающее магнит.

Масса. Мера количества материи в объекте. Масса — самая концентрированная форма энергии. Одни грамм массы (любого вещества) содержит то же количество энергии, что и 100 000 тонн динамита.

Масс-спектрограф. Устройство для сравнения масс атомов — или, если быть более точным, ионов. Это делается путем измерения того, насколько магнитное поле изгибает траекторию атома, летящего в пространстве. Чем массивнее частица, тем меньше изгибается траектория.

Метеоритная гипотеза. Представление о том, что Солнце получает тепло от постоянно сыплющегося на его поверхность метеоритного дождя. К сожалению, это не так.

Млечный Путь. Наша Галактика.

Мгновенное воздействие. См.: Нелокальность.

Модель Резерфорда. Ранняя модель атома, в которой отрицательно заряженные электроны представлялись рассыпанными по обширному облаку положительного заряда, подобно изюму на сливовом пудинге.

Молекула. Компания атомов, склеенных вместе электромагнитными силами. Один атом — а именно углерод — обладает способностью устанавливать стабильные химические связи разного типа с другими атомами, образуя таким манером огромное количество молекул. По этой причине химики делят молекулы на «органические»: основанные на углероде — и «неорганические»: все остальные.

Многомировая интерпретация. Представление о том, что квантовая теория описывает все на свете, а не только микроскопический мир атомов и их составляющих. Поскольку квантовая теория разрешает атому быть в двух местах одновременно, значит, и обеденный стол может быть в двух местах одновременно. Однако при этом, согласно «многомировой интерпретации», разум того, кто наблюдает за столом, разделяется на две части: одна воспринимает стол в одном месте, а вторая — в другом. Таким образом, в двух отдельных реальностях, или вселенных, существуют уже два разума.

Мультивселенная. Гипотетическое укрупнение космоса, в котором наша Вселенная оказывается всего лишь одной из бесчисленного множества отдельных индивидуальных вселенных. Большинство вселенных мертвы и неинтересны. Только в крохотном подмножестве вселенных законы физики способствуют появлению звезд, планет, а затем и жизни.

Наблюдаемая вселенная. Все, что мы можем видеть вплоть до горизонта Вселенной. Ну хорошо, все вплоть до космологического горизонта.

Нейтрино. Нейтральная субатомная частица с очень малой массой, которая передвигается со скоростью, очень близкой к скорости света. Нейтрино почти никогда не взаимодействуют с материей. Однако когда их образуется большое количество, они могут разорвать звезду на части, как при взрыве сверхновой.

Нейтрон. Один из двух базисных кирпичиков атомного ядра. Нейтроны, по сути, обладают той же массой, что и протоны, но не несут электрический заряд. Вне атомного ядра они нестабильны и распадаются примерно через десять минут.

Нелокальность. «Сверхъестественная» способность объектов, подчиняющихся квантовой теории, продолжать «узнавать» состояние друг друга, даже если разделены большим расстоянием.

Нуклеосинтез. Процесс образования ядер химических элементов тяжелее водорода в ходе реакции ядерного синтеза (слияния, «склеивания»). В астрофизике различают первичный нуклеосинтез, происходивший в процессе Большого взрыва, и звездный нуклеосинтез, происходящий внутри звезд.

Нуклон. Обобщающий термин, используемый для обозначения как протона, так и нейтрона — двух базисных кирпичиков атомного ядра.

Общая теория относительности. Теория гравитации Эйнштейна, которая показывает, что гравитация не что иное, как искривление пространства-времени. Теория включает несколько идей, которых не было в теории гравитации Ньютона. Одна из них заключается в том, что ничто, даже гравитация, не может двигаться быстрее света. Другая гласит, что все формы энергии обладают массой и, таким образом, служат источником гравитации. Помимо всего прочего общая теория относительности предсказала черные дыры, расширение Вселенной и то, что гравитация может изгибать путь света.

Период полураспада. Время, за которое распадается половина ядер в образце радиоактивного вещества. После одного периода полураспада остается половина атомов; после двух — четверть; после трех — восемь, и так далее. У разных радиоактивных элементов и изотопов период полураспада может длиться от ничтожных долей секунды до многих миллиардов лет.

Принцип относительности. Представление о том, что для наблюдателей, перемещающихся с постоянной скоростью относительно друг друга, все физические законы одинаковы.

Плазма. Частично или полностью ионизированный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов).

Планковская длина. Фантастически крошечное расстояние, на котором сила гравитационного взаимодействия становится сравнима с силами других фундаментальных взаимодействий. Планковская длина в триллион триллионов раз меньше атома. Она соответствует планковской энергии. Маленькие расстояния соответствуют большим энергиям из-за волновой природы вещества.

Плотность. Масса объекта, разделенная на его объем. Воздух имеет низкую плотность, а железо — высокую.

Позитрон. Античастица электрона.

Полное солнечное затмение. Покрытие Солнца диском Луны, когда она проходит между Землей и Солнцем.

Принцип запрета (принцип Паули). Запрет двум микроскопическим частицам (фермионам) разделять одно и то же квантовое состояние. Принцип Паули не позволяет электронам, то бишь фермионам, сидеть друг на друге и, следовательно, объясняет существование различных атомов и многообразие мира вокруг нас.

Принцип неопределенности Гейзенберга. Принцип квантовой теории, гласящий, что существуют пары величин, таких, как положение частицы и скорость, которые не могут быть известны одновременно с абсолютной точностью. Принцип неопределенности устанавливает предел тому, насколько точно может быть вычислено произведение этой пары величин. На практике сие означает: если точно известен импульс частицы, то невозможно понять, где же находится эта частица. И наоборот: если точно известно местоположение частицы, то совершенно непонятно, что там с ее импульсом. Устанавливая пределы нашим знаниям, принцип неопределенности Гейзенберга придает природе «расплывчатость». Если мы всмотримся как следует, то все расплывется бессмысленным пятном с неясными очертаниями, подобно фотографии в газете, если рассматривать ее слишком близко.

Принцип сохранения энергии. Принцип, согласно которому энергия не появляется ниоткуда и не исчезает бесследно, она лишь преобразуется из одной формы в другую.

Причинность. Идея, заключающаяся в том, что причина всегда предшествует следствию. Причинность — самый заветный принцип в физике. Однако квантовые события, такие, как распад атома, судя по всему, представляют собой следствия, которым не предшествовали никакие причины.

Пространство-время. В общей теории относительности пространство и время, по существу, одно и то же. Они рассматриваются как одна сущность — пространство-время. А искривление пространства-времени есть не что иное, как тяготение.

Протон. Один из двух базисных кирпичиков ядра. Протон несет положительный электрический заряд, равный и противоположный заряду электрона.

Протон-протонный цикл. Цепочка ядерных реакций, посредством которых звезды с массой до полутора солнечных масс превращают водород в гелий.

Радий. Очень нестабильный, то есть радиоактивный, элемент, открытый Марией Кюри в 1898 году.

Радиоактивное датирование. Использование радиоактивного распада элементов — например, урана — для определения возраста пород. Рано или поздно нестабильный уран распадается до стабильного свинца, с ходом времени соотношение свинец/уран изменяется в пользу свинца, и это может быть использовано для датирования материала.

Радиоактивный распад. Распад нестабильных тяжелых атомов на легкие и стабильные. Процесс сопровождается испусканием либо альфа-частиц, либо бета-частиц, либо гамма-лучей.

Расширение вселенной. Разбегание галактик в результате Большого взрыва.

Сверхновая. Катастрофический взрыв звезды. На короткое время сверхновая может превзойти по яркости целую галактику из 100 миллиардов обычных звезд. Считается, что после взрыва сверхновой на ее месте остается сильно сжатая нейтронная звезда.

Световой год. Удобная единица для характеристики расстояний во Вселенной. Это просто-напросто расстояние, которое свет проходит за один год, а именно — 9,46 триллиона километров.

Сильное взаимодействие. Одно из четырех фундаментальных взаимодействий в физике. Мощное взаимодействие, действующее в масштабах порядка размера атомного ядра и менее. Удерживает протоны и нейтроны в атомном ядре.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Устройство, которое медленно ведет сверхтонкой иглой по поверхности материала и, считывая вертикальные движения иглы, выдает изображение атомного пейзажа поверхности материала.

Скорость света. Абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме, составляющая 299 792,458 километра в секунду.

Слабое взаимодействие. Одно из четырех фундаментальных взаимодействий в физике. Проявляется на расстояниях, значительно меньших размера атомного ядра. Хотя это взаимодействие называется «слабым» и действительно много слабее сильного взаимодействия, оно может превратить нейтрон в протон и, таким образом, ответственно за бета-распад.

Спин. Параметр, которому нет аналога в повседневном мире. Очень упрощенно говоря, субатомные частицы со спином ведут себя так, будто они маленькие вращающиеся волчки (только на самом деле они вовсе не вращаются).

Субатомная частица. Частица размером меньше атома, такая, как электрон или нейтрон.

Теория большого взрыва. Представление о том, что Вселенная возникла из некоего сверхплотного, сверхгорячего состояния 13,7 миллиарда лет назад и с тех пор расширяется и охлаждается.

Тройной альфа-процесс. «Неправдоподобный» процесс, при котором в недрах звезды три ядра атома гелия спекаются в ядро атома углерода, открывая дорогу к формированию всех тяжелых элементов.

Уравнения Максвелла. Горстка изящных уравнений, составленных Джеймсом Клерком Максвеллом в 1868 году, в которых аккуратно резюмируются все электрические и магнитные явления. Уравнения показывают, что свет — это электромагнитная волна.

Уравнение Шрёдингера. Уравнение, которое показывает, как вероятностная волна, или волновая функция, описывающая, например, какую-либо частицу, изменяется во времени.

Фермион. Микроскопическая частица с полуцелым спином — 1/2, 3/2, 5/2 и так далее. Благодаря такому спину эти частицы избегают друг друга. Их «антиобщественное» поведение — причина того, что земля под нашими ногами твердая.

Физические законы. Фундаментальные законы, управляющие поведением Вселенной.

Фотон. Частица (квант) света.

Фотоэффект. Испускание электронов веществом под действием света.

Фундаментальные взаимодействия. Четыре главные силы, которые, как считается, стоят за всеми явлениями природы. Эти четыре силы — гравитационное взаимодействие, электромагнитное взаимодействие, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие. Физики сильно подозревают, что все эти силы — на самом деле разные аспекты одной сверхсилы. Во всяком случае, эксперименты уже продемонстрировали, что электромагнитное и слабое взаимодействия — две стороны одной медали.

Фундаментальная частица. Один из базисных кирпичиков материи. В настоящее время физики полагают, что существует шесть различных кварков и шесть различных лептонов, таким образом, в сумме получается 12 фундаментальных частиц. Есть надежда, что кварки окажутся всего лишь другой стороной лептонов.

Химическая связь. «Клей», который сцепляет атомы, создавая из них молекулы. Химическая связь предполагает, что атомы могут делиться своими внешними электронными оболочками, жертвовать ими или заимствовать у других атомов.

Химическое топливо. Топливо, подобное углю, нефти или динамиту. Перераспределение электронов в атомах вещества связано с высвобождением тепловой энергии.

Черная дыра. Мощное искривление пространства-времени, остающееся после того, как гравитация сжимает массивное тело до точки. Ничто, даже свет, не может выбраться из этой области, отсюда и эпитет «черная». Во Вселенной существуют по меньшей мере два типа черных дыр: черные дыры размером со звезду, которые образуются, когда массивные звезды больше не могут вырабатывать внутреннее тепло, противоборствующее сжимающей звезду гравитации, и «сверхмассивные» черные дыры. В сердце большинства галактик — судя по всему, именно сверхмассивные черные дыры. Например, масса черной дыры в сердце нашей галактики, Млечного Пути, в миллионы раз превосходит массу Солнца, а в могучих квазарах сидят черные дыры, масса которых превышает массу Солнца в миллиарды раз.

Электрический заряд. Свойство микроскопических частиц. Электрический заряд бывает отрицательным и положительным. Электроны, к примеру, несут отрицательный заряд, а протоны — положительный. Частицы с одинаковыми зарядами отталкивают друг друга, а с противоположными — притягиваются друг к другу.

Электрическое поле. Силовое поле, окружающее электрический заряд.

Электромагнитная волна. Волна, состоящая из чередующихся электрических и магнитных полей. Электромагнитные волны — это поперечные волны, в которых вектора напряженностей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Электромагнитные волны распространяются в пространстве со скоростью света.

Электромагнитное взаимодействие. Одно из четырех фундаментальных взаимодействий в природе. Отвечает за склеивание вещества в атомы — будь то атомы в наших телах или атомы в земле под нашими ногами.

Электрон. Отрицательно заряженная субатомная частица, обычно обнаруживаемая на орбите вокруг атомного ядра. Насколько известно ныне, это действительно элементарная частица: она не поддается делению на какие-либо части.

Элемент. Вещество, которое не может быть поделено на составляющие химическими способами. У всех атомов одного элемента в ядре одно и то же количество протонов. Например, у всех атомов водорода в ядре один протон, у всех атомов хлора —17 и так далее.

Энергия. Величина, которую почти невозможно определить. Энергия не может быть создана или уничтожена, она может быть только преобразована из одной формы в другую. Среди множества известных форм энергии — тепловая, электрическая, звуковая, энергия движения и так далее.

Энергия планка. Сверхвысокая энергия, при которой гравитация становится сравнима по силе с остальными фундаментальными силами природы.

Ядерная реакция. Любой процесс, в ходе которого атомные ядра одного типа превращаются в атомные ядра другого типа.

Ядерная энергия. Избыточная энергия, которая высвобождается, когда одно атомное ядро превращается в другое атомное ядро.

Ядерный синтез. Спекание (склеивание) двух легких ядер, в результате чего образуется более тяжелое ядро и высвобождается энергия связи ядра. Самая важная для человека реакция ядерного синтеза — склеивание ядер водорода в недрах Солнца и формирование, таким образом, гелия: ведь «побочный продукт» такой реакции — солнечный свет.

CNO-цикл. Серия ядерных реакций, посредством которых звезды гораздо массивнее Солнца превращают водород в гелий. Процесс называется циклом, потому что он возвращается к начальной точке и в итоге воссоздает углерод, израсходованный в этих ядерных реакциях.

Примечания

1

Перевод С. Я. Маршака. (Здесь и далее, кроме спец. оговоренных случаев — прим. перев.).

(обратно)

2

Вольфганг Эрнст Паули (1900–1958) — швейцарский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1945 г.

(обратно)

3

Поль Валери (1871–1945) — французский поэт, эссеист, философ. Цитата взята из сборника «Дурные мысли и прочее» (1941). Перевод В. Козового.

(обратно)

4

Джон Арчибальд Уилер (1911–2008) — американский физик-теоретик, член Национальной академии наук США. Научные работы Джона Уилера относятся к ядерной физике, проблеме термоядерного синтеза, специальной и общей теории относительности, единой теории поля, теории гравитации, астрофизике.

(обратно)

5

На самом деле Комптон использовал не видимый свет, а рентгеновские лучи. Это высокоэнергетическое излучение настолько обаятельно, что запросто выманивает электроны из атомов. Фактически они реагируют на рентгеновские лучи так, как если бы были свободно плавающими электронами, а не частицами, связанными прочными узами с атомным ядром. (Прим. автора).

(обратно)

6

Как ни удивительно, но понятие «относительность» могло стать естественным и даже не слишком выдающимся продуктом физики шестнадцатого века. Уже после открытия Эйнштейна многие поняли, что относительность, по сути своей, — неизбежное следствие двух вещей. Первая заключается в том, что законы физики выглядят одинаково независимо от того, каким манером вы движетесь, лишь бы скорость движения оставалась постоянной. Например, если два человека перебрасываются мячом, то форма траектории мяча будет одной и той же как в том случае, когда люди развлекаются в поле, так и в том случае, когда они резвятся в поезде, мчащемся со скоростью 100 километров в час. Вторая — это то, что законы физики выглядят одинаково независимо от вашего размещения в трехмерном пространстве. И вовсе не обязательно что-то там предполагать насчет скорости света, как это сделал Эйнштейн. Относительность вполне могла быть открыта Галилеем. См. статью Митчелла Фейгенбаума «Теория относительности — дитя Галилея» (). (Прим. автора).

(обратно)

7

В действительности она выдержала даже больше, чем проверку временем, с тех пор как выяснилось, что не только вещества, но и все остальное в природе — зернистое. «Зернышко» — таково значение слова «квант» в квантовой теории [Разумеется, только в квантовой теории — и, конечно же, это мнение автора. Потому что на самом деле значение слова «квант» совсем иное. Quantum на латинском языке означает «сколько», от латинского же quantus — «сколько; как много». Прим. перев.]. Квант — невидимая крупинка чего-либо. Вещество состоит из квантов. А также энергия, электрический заряд, время и так далее. Мы живем в фундаментально зернистом мире.(Прим. автора).

(обратно)

8

Томас Юнг (принято Юнг, но правильнее Янг, 1773–1829) — английский физик, врач, астроном и востоковед, один из создателей волновой теории света.

(обратно)

9

Цит. по: В. Гейзенберг. Физика и философия. Перевод с немецкого И. А. Акчурина и Э. П. Андреева. — М.: Наука, 1989.

(обратно)

10

Всегда остается возможность, что «под» квантовой теорией существует еще более глубинный уровень реальности и что разнообразные вероятности определяются факторами, действующими на этом уровне, так же как вращение костей при броске определяется факторами пространства, окружающего кости. Эту возможность продолжают исследовать некоторые ученые, например английский физик Энтони Валентини и голландский физик Герард ‘т Хоофт, лауреат Нобелевской премии по физике за 1999 год. Однако они остаются в меньшинстве. Судя по всему, квантовая теория прекрасно работает при том условии, что непредсказуемость — действительно фундаментальная основа природы, ее нижний этаж, так что большинство физиков не видят веских причин заглянуть куда-нибудь поглубже.(Прим. автора).

(обратно)

11

Другая горькая ирония заключается в том, что, в 1900 году, когда Планк предположил существование кванта, лорд Кельвин, один из величайших физиков своего времени, изучив достижения своих коллег, изрек: «В настоящее время в физике ничего нового открыть невозможно. Все, что нам остается, — это дальнейшее уточнение результатов измерений». Как же он ошибался! (Прим. автора).

(обратно)

12

Эксперимент Юнга с двумя прорезями — один из поворотных в истории науки. Однако сегодня вы можете доказать, что свет — это волна, при помощи лазерной указки и металлической линейки. Просто посветите лазером под очень маленьким углом вдоль линейки, так чтобы узенький луч высветил деления, наиболее близкие к источнику света. Каждое деление будет работать как вторичный источник концентрических световых волн, которые, распространяясь в пространстве, проходят друг сквозь друга. Там, где они усиливают друг друга, возникнут яркие пятна, и эти пятна обязательно проявятся, особенно если на пути света попадется белая стена. Строго говоря, эти пятна — результат «дифракции», явления, тесно связанного с интерференцией, но в любом случае несомненно характерного для волн.(Прим. автора).

(обратно)

13

Ричард Филлипс Фейнман (1918–1988) — выдающийся американский ученый. Один из создателей квантовой электродинамики. Предложил партонную модель нуклона (1969), теорию квантованных вихрей. Реформатор методов преподавания физики в вузе. Лауреат Нобелевской премии по физике 1965 г. Приведенная цитата взята из знаменитых «Фейнмановских лекций по физике»: Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Перевод с английского А. В. Ефремова, Г. И. Копылова, О. А. Хрусталева. — М.: Мир, 1965.— Вып. III. Гл. 38.

(обратно)

14

Адриан Митчелл (1932–2008) — английский поэт, романист и драматург. Один из критиков назвал его «британским Маяковским».

(обратно)

15

См. главу 1.(Прим. автора).

(обратно)

16

Двойное название объясняется тем, что закон был независимо переоткрыт французским физиком Эдмом Мариоттом (1620–1684) в 1679 г.

(обратно)

17

Замечание, сделанное Эйнштейном в апреле 1921 г., во время его первого визита в Принстонский университет. Цит. по: Ronald W. Clark, Einstein: The Life and Times, New York: Avon Books, 1971.

(обратно)

18

Проблема заключалась в том, что есть исключения — элементы, атомные веса которых не кратны атомному весу водорода. Например, атомный вес хлора — 35,5. Праут не знал, что хлор бывает нескольких видов (речь идет об изотопах), атомный вес каждого вида в точности кратен атомному весу водорода, но в среднем получается именно 35,5.(Прим. автора).

(обратно)

19

По сути, альфа-лучи, испускаемые радием, — не что иное, как ядра атомов гелия, но тут мы немного забегаем вперед. Просто к тому моменту, когда Резерфорд обнаружил их, они уже соединились с электронами, и получились именно атомы гелия.(Прим. автора).

(обратно)

20

На самом деле есть еще третий тип лучей, которые может испускать радиоактивное вещество. Это «гамма-излучение» — высокоэнергетическое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны.(Прим. автора).

(обратно)

21

Термин «ядро» не использовался до 1912 года.(Прим. автора).

(обратно)

22

Из эссе Чарлза Перси Сноу «Резерфорд». Перевод Г. Льва. Цит. по: Ч. П. Сноу. Портреты и размышления. — М.: Прогресс, 1985.

(обратно)

23

См. главу 1.(Прим. автора).

(обратно)

24

Темная энергия невидима и заполняет все пространство, а его гравитационная сила отталкивания ускоряет расширение Вселенной. Плотность этой энергии ошеломительна: она выражается числом, где за единицей следуют 120 нулей. И все же это меньше, чем величина, предсказываемая квантовой теорией — лучшим объяснением реальности на сегодняшний день.(Прим. автора).

(обратно)

25

Де Бройль думал, что волны материи — и впрямь волны материи. Но вспомним, что волна, ассоциированная с частицей подобной электрону, гораздо более абстрактна. Это вероятностная волна, которая распространяется в соответствии с уравнением Шрёдингера, и высота этой волны в любом месте — строго говоря, квадрат высоты — определяется шансом, или вероятностью нахождения здесь частицы.(Прим. автора).

(обратно)

26

Другое популярное объяснение заключается в том, что существует бесконечное количество параллельных реальностей, «сброшюрованных» как страницы бесконечной книги. Эта «многомировая интерпретация» предполагает следующее: когда частица находится в суперпозиции, соответствующей пребыванию в двух местах одновременно, на самом деле она пребывает в двух местах не одной и той же реальности; то есть одно «место» — в одной реальности, а второе — в «соседней». С этой точки зрения частица проходит только через одну прорезь в светонепроницаемом экране, но интерферирует она с частицей, которая прошла сквозь другую прорезь в соседней реальности.(Прим. автора).

(обратно)

27

Здесь мы по-прежнему говорим об «акте наблюдения», или взаимодействии пули со стенкой, отчего пуля начинает некоторым образом рыскать из стороны в сторону. Другими словами, мы говорим, что неопределенность не свойственна частице «от рождения», она порождается актом наблюдения. На самом же деле неопределенность именно свойственна частице. Лучшая иллюстрация этого — декогерентность, распад суперпозиционных состояний.(Прим. автора).

(обратно)

28

Цит. по: Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Перевод с английского А. В. Ефремова, Г. И. Копылова, О. А. Хрусталева. — М.: Мир, 1965. — Вып. III. Гл. 38.

(обратно)

29

Здесь имеется в виду «масса покоя». Некоторые частицы, такие, как фотоны, не имеют массы покоя. Они рождены, чтобы двигаться со скоростью света, и не могут существовать в покое по отношению к чему-либо или кому-либо.(Прим. автора).

(обратно)

30

См. главу 2.(Прим. автора).

(обратно)

31

Конечно, ширина и долгота используются, чтобы точно определить местоположение на поверхности земного шара. Но это возможно только потому, что все точки на поверхности находятся на одном и том же расстоянии от центра Земли.

(обратно)

32

Этим подчеркивается лишь то, что квантовая теория — просто-напросто еще одна теория о том, что мы может узнать или измерить, — а это, собственно, и есть смысл любой научной теории. Если мы знаем только результат события — например, результат взаимодействия между двумя идентичными частицами, — мы не вправе спрашивать, откуда этот результат взялся. В сущности, такой вопрос «незаконен» с точки зрения науки. Он лишен смысла. Как сказал Нильс Бор: «Квантового мира не существует. Есть только абстрактное физическое описание. Ошибочно думать, что задача физики — выяснить, что там такое природа. Физику заботит, что мы можем сказать о природе». [Это высказывание Нильса Бора было впервые приведено его сотрудником Оге Петерсеном в статье «Философия Нильса Бора» («Бюллетень ученых-атомщиков». Т. 19. № 7. Сентябрь, 1963) Прим. перев.]. (Прим. автора).

(обратно)

33

«Стрела» и «стрелка» в русском языке — по сути, одно и то же слово, в отличие от английского языка, где стрела — это arrow, а стрелка часов — hand. Тем не менее образ удобный и внятный, искать ему замену было бы неправильно, просто нужно помнить, что, когда речь идет о вероятностях, употребляется слово «стрела», а в реальных часах фигурируют, конечно же, «стрелки».

(обратно)

34

На самом деле все частицы с полуцелым спином —1/2, 3/2, 5/2 и так далее — фермионы, а частицы с целым спином — 0,1,2 и так далее — бозоны.(Прим. автора).

(обратно)

35

Доказать, что частицы со спином 1/2 (или, в общем случае, частицы с полуцелым спином) подчиняются принципу запрета, было очень непросто. Только в 1940 году — спустя 16 лет после того, как он сформулировал принцип запрета, — Паули доказал так называемую теорему о связи спина со статистикой.(Прим. автора).

(обратно)

36

Первый намек на существование спина дало то наблюдение, что «вращение» электрона направлено по магнитному полю. Когда электрон в атоме перепрыгивает из одного состояния в другое — совершает так называемый квантовый скачок, — он испускает или поглощает свет с энергией, равной разнице между энергиями в этих состояниях. Однако в магнитном поле свет может иметь два немного различных значения энергии — чуть больше и чуть меньше положенного. Объясняется это тем, что спин электрона может быть направлен по полю или против поля и каждому из этих направлений соответствует свое значение энергии, немножко отличное от второго. Интересно, что Паули сформулировал свой принцип запрета до того, как американские физики голландского происхождения Сэмюэл Гаудсмит (1902–1978) и Джордж Уленбек (1900–1988) открыли собственно спин электрона в 1925–1926 годах. Хотя Паули ничего не ведал про спин, он тем не менее знал о двузначности (zweideutigkeit) энергетических состояний электрона в магнитном поле.(Прим. автора).

(обратно)

37

См. главу 2.(Прим. автора).

(обратно)

38

Отто Штерн (1888–1969) — немецкий физик, выдающийся экспериментатор. В числе его заслуг — открытие спина, измерение атомных магнитных моментов, демонстрация волновой природы атомов и молекул, открытие магнитного момента протона. Лауреат Нобелевской премии по физике в 1943 г.

(обратно)

39

Восторженная реплика Джеймса Франка по данному поводу заслуживает того, чтобы ее здесь привести: «Сам радиус действия этого эффекта заставляет признать Паули величайшим теоретиком всех времен!»

(обратно)

40

Джон Фредерик Вильям Гершель (1792–1871) — английский астроном и физик, сын Уильяма Гершеля. Был известен также как замечательный оратор и популяризатор науки. Его «Очерки по астрономии», выдержавшие с 1849 по 1893 г. двенадцать изданий, долгое время служили образцом популярной книги по астрономии.

(обратно)

41

Если кому-то хочется знать точнее — пожалуйста: масса Солнца составляет 1,99 •1030кг.

(обратно)

42

Единственное, в чем проявляется состав сгораемого тела, так это в том, насколько быстро оно теряет тепло, а последнее зависит от количества свободных электронов, поскольку именно свободные электроны, как выяснилось, прекрасно умеют «рассеивать», или перенаправлять, излучаемое тепло, тормозя его выход из центра тела во внешнее пространство. Объект, состоящий преимущественно из водорода, располагает всего одним свободным электроном на каждое атомное ядро, чтобы удерживать внутреннее тепло, тогда как у объектов, состоящих из более тяжелых атомов, свободных электронов больше.(Прим. автора).

(обратно)

43

Анаксагор из Клазомен (ок. 500 до н. э. — 428 до н. э.) — древнегреческий философ, математик и астроном, основоположник Афинской философской школы.

(обратно)

44

Анаксагор мог позволить себе быть точным — ведь он первым понял, что Луна непрозрачна, а потому, проходя перед Солнцем, отбрасывает на Землю тень. Он смог оценить размер тени со слов очевидцев — главным образом моряков — во время кольцеобразного солнечного затмения 478 года до нашей эры. Тень накрыла Пелопоннесский полуостров, из чего Анаксагор сделал вывод: Луна «столь же велика, сколь и Пелопоннес», а Солнце, следовательно, «во много раз больше Пелопоннеса».(Прим. автора).

(обратно)

45

См. главу 3.(Прим. автора).

(обратно)

46

Первоначально Гершель окрестил Уран «Звездой Георга» (Georgium Sidus) в честь короля Великобритании Георга III. Не так уж много людей знают это.(Прим. автора).

(обратно)

47

Эта оценка была сделана в 1658 году ирландским архиепископом Джеймсом Ашшером. (Прим. автора).

(обратно)

48

Надо сказать, что в 1862 г. Уильям Томсон еще не был лордом Кельвином. Королева Виктория пожаловала ученому пэрство с титулом «барон Кельвин» в 1892 г. Однако в литературе чаще встречается именно лорд Кельвин, а не Уильям Томсон — вне зависимости от того, о каком периоде жизни ученого идет речь. Автор данной книги повсюду именует Уильяма Томсона просто Кельвином. Это, разумеется, неточность (если не сказать фамильярность). «Кельвин» — не имя и не фамилия, а титул, который полностью звучит так: «1-й барон Кельвин из Ларгса» (при этом Ларгс — город, а Кельвин — река, близ которой располагалась лаборатория Уильяма Томсона, работавшего и преподававшего в Университете Глазго). Тем не менее авторское «Кельвин» повсюду сохранено.

(обратно)

49

Более сложное объяснение этого явления требует использования закона сохранения энергии. В процессе откачивания энергия движения поршня превращается в тепловую энергию воздуха позади поршня — другими словами, вызывает хаотичное, бешеное движение молекул воздуха.(Прим. автора).

(обратно)

50

См. главу 2.(Прим. автора).

(обратно)

51

Если распад атома непредсказуем, это предполагает следующее: допустим, вы наблюдаете за ним, скажем, десять минут, затем следующие десять минут, еще десять минут, и так далее, — сколько бы вы ни наблюдали, у атома одни и те же шансы на то, что он распадется в любой из этих десятиминутных интервалов. Если же шансы не равны и, положим, более вероятен распад между 30-й и 40-й минутами, а не в любой другой интервал, тогда очевидно, что его поведение уже не непредсказуемо — вы знаете, что он, скорее всего, распадется между 30-й и 40-й минутами. Теперь предположим, что у нас есть образец, содержащий большое количество радиоактивных атомов. И вероятность того, что они распадутся в первые десять минут, — допустим, 1/2. Следовательно, по прошествии десяти минут половина атомов не распадется, а половина — распадется. Спустя двадцать минут распадется половина из тех, что остались, то есть четверть, и так далее. Этот простенький пример показывает, как равные шансы распада в каждый десятиминутный интервал приводят к закону радиоактивного распада с периодом полураспада в 10 минут. А вот что не столь уж просто для понимания, так это следующее: даже если вероятность распада атома в любой конкретный период времени будет составлять 1/10,1/63 или 0,000 023, из этого в любом случае воспоследует все тот же закон радиоактивного распада, характеризующийся специфическим периодом полураспада для каждого радиоактивного элемента.(Прим. автора).

(обратно)

52

Следует заметить, что автор несколько упростил и даже исказил высказывание Резерфорда. В полном виде оно звучит так: «В этих процессах мы могли бы получить гораздо больше энергии, чем ее дает протон, однако на круг мы не стали бы ожидать, что можно извлекать энергию таким образом. Это очень скудный и неэффективный способ производства энергии, и все, кто искали источник энергии в трансформации атомов, несли вздор. Тем не менее сам предмет был интересен с научной точки зрения, потому что он позволил заглянуть внутрь атома…» Под «процессами» имеются в виду эксперименты по расщеплению лития, проведенные учениками Резерфорда Джоном Кокрофтом (1897–1967) и Эрнестом Уолтоном (1903–1995) в 1932 г. (в будущем Кокрофт и Уолтон поделят Нобелевскую премию по физике за 1951 г. «за исследовательскую работу по превращению атомных ядер с помощью искусственно ускоряемых атомных частиц»). А свое знаменитое высказывание Резерфорд сделал, произнося речь на съезде Британской ассоциации развития науки 11 сентября 1933 г. На следующий день речь Резерфорда была опубликована в газете «Таймс». Эти слова ученого постоянно цитируют, и очень часто они приводятся как пример недальновидности великого физика. В защиту Резерфорда надо сказать, что он не так уж и ошибался. Ведь речь шла о расщеплении лития, легкого элемента, а такие процессы действительно требуют больших энергетических затрат, плохо соизмеримых с выходом энергии, и практической пользы от такого ядерного деления мало. Расщепление атомов легких элементов, осуществляемое на современных ускорителях, и в наши дни остается очень неэффективным способом получения энергии.

(обратно)

53

При всем уважении к автору данной книги приходится поправить его и в этом случае. Видимо, между автором и Резерфордом сложились какие-то непростые вневременные отношения (великий физик умер за 22 года до рождения Маркуса Чоуна). Дело в том, что приведенная здесь цитата взята из классической работы Эрнеста Резерфорда и его соратника Фредерика Содди (лауреата Нобелевской премии по химии 1921 г.) «Радиоактивное превращение», опубликованной в шестом номере «Лондонского, Эдинбургского и Дублинского философского научного журнала» за 1903 г., то есть за тридцать лет до того, как Резерфорд произнес свои знаменитые слова о «вздоре». Совершенно явно, что этой работой он никак не мог «взять свои слова назад». Более того, именно в статье «Радиоактивное превращение» Резерфорд и Содди пришли к выводу, что «энергия радиоактивных превращений по крайней мере в 20 000 раз, а может, и в миллион раз превышает энергию любого молекулярного превращения», и в любом случае «энергия, скрытая в атоме, во много раз больше энергии, освобождающейся при обычном химическом превращении». Чрезвычайно прозорливые слова! Можно повторить дату: 1903 г.

(обратно)

54

Цит. по: Дэвид Боданис. Е=mc2. Биография самого знаменитого уравнения в мире. Перевод с английского С. Ильина. — М.: КоЛибри, 2009.

(обратно)

55

На самом деле все, что сделали Аткинсон и Хоутерманс, — это поставили с ног на голову идею, высказанную их коллегой Георгием Гамовым. Он первым применил квантовую теорию к атомным ядрам, пытаясь объяснить радиоактивный альфа-распад, при котором ядро гелия на сверхвысокой скорости вылетает из нестабильного ядра тяжелого элемента, например радия. Проблема в том, что альфа-частицы не обладают достаточной энергией, чтобы выбраться из своей ядерной тюрьмы, — они замурованы в самом низу шахты, — и тем не менее они находят способ выбраться, спонтанно появляясь на нижних склонах ядерного холма. Гамов понял, что ключом к этому их поведению в стиле Гарри Гудини служит квантовая природа альфа-частиц. Хотя у них недостаточно энергии, чтобы добраться до верха шахтного ствола, их распределенная в пространстве «волнистость» позволяет частицам «туннелировать» сквозь склон холма на свободу.(Прим. автора).

(обратно)

56

Цит. по: Роберт Юнг. Ярче тысячи солнц. Перевод В. Н. Дурнева. — М.: Государственное издательство литературы в области атомной науки и техники, 1961.

(обратно)

57

Георгий Антонович Гамов (также известен как Джордж Гамов, 1904–1968) — советский и американский физик-теоретик, астрофизик и популяризатор науки. В 1933 г. покинул СССР, став «невозвращенцем». В 1940 г. получил гражданство США. Член-корреспондент АН СССР (с 1932 по 1938 г., восстановлен посмертно в 1990 г.). Член Национальной академии наук США (1953). Известен своими работами по квантовой механике, атомной и ядерной физике, астрофизике, космологии, биологии.

(обратно)

58

Джон Дайсон Фримен (р. 1923) — американский физик-теоретик английского происхождения. Один из создателей квантовой электродинамики. Высказывание Дайсона процитировано в книге Джона Барроу и Фрэнка Типлера «Антропный космологический принцип» (1986).

(обратно)

59

Перевод К. Чуковского.

(обратно)

60

Цит. по: Огюст Конт. Курс позитивной философии: в 6 томах. Полный перевод с последнего 5-го французского издания под редакцией, с примечаниями и статьями профессоров С. Е. Савича, С. П. Глазанала, О. Д. Хвольсона, Д. И. Менделеева, К. И. Тимирязева, А. С. Лаппо-Данилоевского, И. М. Гревса и Н. О. Лосского, с приложением статьи профессора Н. И. Кареева. — СПб, 1901, — Книга II. Глава I.

(обратно)

61

Это не совсем так. Густав Роберт Кирхгоф проводил свои опыты в 1854 г., а Огюст Конт умер в 1857-м. Конечно, французский философ знал о новейших достижениях естественных наук, просто он до последних дней продолжал стоять на своем.

(обратно)

62

Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Перевод с английского А. В. Ефремова, Г. И. Копылова, О. А. Хрусталева. — М.: Мир, 1965. — Вып. I. Гл. 3.

(обратно)

63

Цит. по: Алекс Виленкин. Мир многих миров. Физики в поисках параллельных вселенных. Перевод с английского А. Сергеева. — М.: ACT: Астрель: CORPUS, 2010.

(обратно)

64

Впоследствии выяснилось, что легчайшие ядра, такие, как дейтерий — тяжелый водород — и гелий, все-таки были сделаны в огненном шаре Большого взрыва. По сути, в итоге десятиминутной бури ядерных реакций примерно 10 % ядер стали ядрами гелия; эту пропорцию мы видим сегодня по всей Вселенной, и то, что реальность совпала с картиной, предсказанной физиками, преподносится как один из главных триумфов модели Большого взрыва.(Прим. автора).

(обратно)

65

Хойл был одним из тех ученых, которые часто оказываются правы даже в тех случаях, когда они ошибаются. Хотя разработанный им механизм образования красных гигантов был неверен, холодные, плотные, темные облака газообразного водорода, обоснованные Хойлом, действительно существуют. Это и есть те места, где рождаются новые звезды. Астроном оказался прав и в другом. Предложенная им «аккреция» — процесс, в ходе которого звезды собирают вокруг себя газообразный водород, — один из самых важных и наиболее распространенных процессов во Вселенной. Помимо всего прочего аккреция питает чудовищные «сверхмассивные» черные дыры, которые таятся в сердце практически любой галактики, включая наш с вами Млечный Путь.(Прим. автора).

(обратно)

66

На самом деле звезда должна иметь массу, по меньшей мере троекратно превышающую массу Солнца, чтобы ее температура достигла 100 миллионов градусов.(Прим. автора).

(обратно)

Оглавление

Маркус Чоун Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной

  Вступление

  Часть 1 Что повседневная реальность рассказывает нам об атомах

    1. Лицо в окне

    2. Почему атомы повсюду танцуют рок-н-ролл

    3. Не больше двух горошин в стручке одновременно

  Часть 2 Что окружающий мир рассказывает нам о звездах

    4. Ошибка лорда Кельвина

    5. Вы, я и поразительно неправдоподобный тройной альфа-процесс

  Благодарности

  Словарь Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg