Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной
Шрифт:
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
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.
И может, это потому, что атомам моим на месте не сидится, им хочется повсюду пускаться в рок-н-ролл…
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.
14
Адриан Митчелл (1932–2008) — английский поэт, романист и драматург. Один из критиков назвал его «британским Маяковским».
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
15
См. главу 1. (Прим. автора).
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.
16
Двойное название объясняется тем, что закон был независимо переоткрыт французским физиком Эдмом Мариоттом (1620–1684) в 1679 г.
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.
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.
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.
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).
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.