Жизнь в невозможном мире: Краткий курс физики для лириков
Шрифт:
Я горжусь своими ребятами и не скрываю этого. Замечательно то, что те из них, кто остался в науке, совершенно влились в наше научное сообщество. Теперь я встречаю их на конференциях, они абсолютно независимые люди, не нуждающиеся более в моей помощи. Жизнь продолжается.
Глава 15
Снова Америка
В апреле 2001 года я и моя жена Лена перебрались в Америку. Мне предложили работу в Брукхэйвенской национальной лаборатории, расположенной в середине длинного острова (он так и называется — Лонг-Айленд), к востоку от Нью-Йорка.
Дом наш находится совсем близко от океана, наш любимый Нью-Йорк тоже относительно недалеко, если повезет, то на машине до Манхэттена добираешься за 1 час 15 минут. Мы шутим, что живем на «101-м километре» от столицы.
За девять лет моего отсутствия в Америке здешняя физика порядком изменилась. Она, в частности, здорово обрусела. «Русские» (а на Западе так называют всех выходцев из бывшего СССР без различия их этнического происхождения) всюду: в Принстоне, Йеле, Гарварде, Массачусетском технологическом институте, Колумбийском университете, Чикаго, Брукхэйвене, Техасе, Миннеаполисе, Юте, Висконсине, Сиеттле, Сан-Диего. И за пределами Америки — в Париже, в Карлсруэ, в Лондоне, в Кембридже, в Эдинбурге, в Риме, в Триесте, Реховоте, Тель-Авиве…
Назови мне такую обитель, ЯОтрадно, что за прошедшие двадцать лет выросло молодое поколение «русских» физиков, в которых живут традиции, заложенные Ландау и его сподвижниками. Многие представители этого поколения учились на Западе, хотя бы в аспирантуре. Тут многие учились у нас, стариков, или даже у наших учителей, которые и в восемьдесят лет не теряют бодрости и оптимизма. Так что можно сказать, что школа российской физики, хотя и оторвалась от родимой почвы, но не утратила своего духа. Не следует, впрочем, думать, что «русские» тут учат только «русских». У меня, например, защитилось десять аспирантов, из коих шесть британцев, один французский канадец, один итальянец, один албанец и один чилиец. Ни одного выходца из России. Повторю с гордостью, что самые удачные из них (пятеро) уже профессора, а самые неудачные (трое) — миллионеры.
Ну хорошо, вы не так бледно выглядите, скажет читатель, а есть ли среди вас гении, новые Ландау? Утверждаю, есть. Я лично знаю троих, и, кажется, есть и четвертый, молоденький. Самому старшему из гениев за шестьдесят, и как ученый он полностью сформировался в Союзе. Внешне он несколько напоминает Моцарта — есть в нем что-то искрометное, легкость, полет. Второму под шестьдесят, и с виду он несколько похож то ли на Карла Маркса, как его изображали на советских портретах, то ли на анархиста Бакунина. Третьему — за сорок, и учился он у «Бакунина». Похож на Жерара Депардье, каким тот был двадцать лет тому назад (его даже раз в аэропорту Кеннеди приняли за Депардье). Но еще больше он похож на главного героя фильма «Господин оформитель» — художника-символиста. Тут уж внутреннее сходство доходит до чрезвычайного. Нраву он не лилейного. А вот молоденький — очень скромный и застенчивый.
Как распознать гения в теоретической физике? Так же, как и в литературе. Теорфизика — та же литература, только говорит она на языке математики. И тот, кто понимает этот язык, получает от настоящих произведений такое же наслаждение, как, скажем, от стихов Пастернака (мне он, кстати, именно как физику нравится; он был в высшей степени наделен тем, что я называю «космическим чувством», такие стихи, как «Давай ронять слова…», я для себя считаю просто программными). А можно и с музыкой ее сравнить, как это и делал когда-то Пифагор («музыка сфер»).
С каждым из упомянутых выше гениев у меня связано какое-нибудь особое воспоминание.
«Моцарт» потряс меня лет двадцать пять назад, когда мы все были еще в Союзе. Помню, на одном из семинаров в институте Ландау он сказал, что теория струн (наиболее современная версия общей теории элементарных частиц) не может быть математически непротиворечиво сформулирована в пространстве-времени. Это означает, добавил он, что время должно появляться каким-то внешним актом (математически путем аналитического продолжения). Я понял это так, что из вечности во время Вселенную выводит какой-то акт сознания. Потрясающе…
«Бакунин» и «Депардье» изумляли меня красотой почти каждой своей работы, но самое большое потрясение пришло несколько лет назад, когда они показали, что систему огромного количества взаимодействующих частиц можно описать ОДНИМ дифференциальным уравнением.
А «молоденький» восхитил меня недавно. В январе 2012 года мы собрались на конференцию в Аспен, штат Колорадо, приятный такой курортный городок в горах (2400 метров над уровнем моря). И вот подходит ко мне молодой человек и объясняет, каким образом возможно научное знание (это про КАМ-теорему, я уже упоминал о ней в медитации про сильные взаимодействия). Говорят, в физике исчерпаны все проблемы и ничего интересного больше не происходит. И вот на тебе — речь идет просто о первоосновах.
Медитация. Ускорители, бозон Хиггса и эволюция
Брукхэйвенская национальная лаборатория, где я работаю, является колоссальным заведением, расположенным в лесу, полном оленей, диких индеек и гусей, сусликов и, к сожалению, клещей. В лаборатории нашей находятся два огромных синхротрона (их теперь используют как большие — пару сотен метров в диаметре — рентгеновские аппараты для установления структуры разных сложных объектов типа биологических молекул) и колоссальный ускоритель элементарных частиц — релятивистский столкновитель тяжелых ионов (Relativistic Heavy Ion Collider — RHIC). С осознанием того, что обсуждалось нами в медитации про атомы, предназначение ускорителей несколько изменилось. RHIC нацелен главным образом на создание и изучение новых состояний вещества, возникающих при тех плотностях, которые существуют внутри атомных ядер. В огромном и откачанном до высокого вакуума его кольце разгоняют до скорости, близкой к скорости света, ионы тяжелых элементов и сталкивают их. При столкновении на краткий миг атомные ядра буквально входят друг в друга, протоны и нейтроны сливаются и образуется то, что называют кварк-глюонной плазмой. Плазма эта может быть разряженной или (в зависимости от энергии столкновения) более плотной. В последнем случае получается что-то вроде металла, где кварки играют роль электронов, а взаимодействие переносится не электромагнитными силами, как в металле, а глюонами (поле Янга-Миллса). Такой металл и похож и непохож на металлы, к которым мы привыкли, и изучать его страшно интересно. Даже я, не являясь ядерным физиком, приложил к этому руку, чем и горжусь. Разумеется, в ускорителе кварк-глюонная плазма существует только на краткий миг столкновения. Но, полагают, есть звезды настолько плотные, что кварк-глюонный металл там стабилен. Там, на звездах, наверное, и работает моя теория.
Пресса сейчас вовсю обсуждает тему бозона Хиггса, на открытие которой нацелен новый сверхмощный ускоритель, построенный под Женевой. Мощности RHIC’a на это не хватает, однако неоткрытый еще бозон Хиггса уже нашел практическое применение у нас на Лонг-Айленде. Читатель будет удивлен, узнав, что применяет бозон Хиггса (вернее, его идею, но ведь, как мы здесь обсуждали, мир микроскопических частиц ближе к миру идей, чем вещей) коммерческая компания ЛАЙПА, поставляющая в наши дома электроэнергию. Недавно эта компания уложила первый в истории сверхпроводящий кабель, сделанный из высокотемпературных сверхпроводников (я говорил о них в восьмой главе). Сверхпроводимость есть состояние вещества, характеризуемое двумя замечательными, неотделимыми друг от друга свойствами: (а) ток течет через сверхпроводник абсолютно без потерь и (б) магнитное поле не проникает в глубь сверхпроводника. Компанию ЛАЙПА интересует первое свойство, а тех, кто делает сверхбыстрые поезда на магнитной подушке или ищет бозон Хиггса, — второе.
Оказалось (и это еще один пример тех замечательных аналогий между внешне несхожими явлениями природы, которые видны лишь математику),
Разница между Вселенной и лонг-айлендским кабелем состоит в том, что кабель является идеальным проводником электрического тока, а Вселенная — электрослабого тока, переносимого слабыми ядерными взаимодействиями. Но подобно тому, как сверхпроводник выталкивает из себя магнитное поле, вакуум нашей Вселенной выталкивает из себя поле слабых ядерных сил. Отсутствию проникновения магнитного поля можно дать эквивалентную формулировку, а именно: фотон, частица, переносящая электромагнитное взаимодействие и летящая в вакууме со скоростью света (она и есть свет), в сверхпроводнике приобретает массу. Подобным же образом частицы — переносчики слабых ядерных взаимодействий (W и Z– бозоны) приобретают массу в СЯ-СП-состоянии. В итоге эти взаимодействия становятся короткодействующими. Чтобы двум разделенным друг от друга в пространстве источникам слабых ядерных сил провзаимодействовать, им нужно переброситься массивным W- или Z-бозоном, а энергию для этого занять из вакуума. По соотношению неопределенности занять энергию Е = тс2, т — масса бозона, можно лишь на время t ~ h/тс2 (h — постоянная Планка), что означает, что бозон с массой т не пролетит дальше, чем на расстояние L ~ h/тс, что для слабых сил составляет 10– 17 — 10– 16 метра. Скажем для сравнения: глубина проникновения магнитного поля в сверхпроводник может составлять 10– 6 метра. В то время как для обычных сверхпроводников у нас есть многочисленные эксперименты, для слабых ядерных сил описанный сценарий все еще является только теорией. Чтобы теория не была просто байкой, созданной для объяснения задним числом уже имеющихся фактов, она должна предсказать какое-то явление, которое впоследствии было бы обнаружено. Вот бозон Хиггса и является таким побочным продуктом перехода Вселенной в «сверхпроводящее» состояние. Именно поэтому его так активно ищут.
Слабые ядерные взаимодействия, хоть и слабы, играют немалую роль в общей экономии Вселенной. Например, ими движим жизненно важный для атомных и термоядерных реакций процесс распада нейтрона. Время жизни нейтрона вне ядра равно семнадцати минутам, а распадается он на протон, электрон и электронное антинейтрино. Последняя частица (как и все другие виды нейтрино) не имеет электрического заряда и взаимодействует с окружающим миром только посредством слабых сил и гравитации, то есть очень слабо. Поэтому обнаружить нейтрино было тяжело, и нашли его только потому, что хорошенько поискали. А между тем, не знай мы про нейтрино, не построить бы нам теорию электрослабых взаимодействий и не получить бы за нее Стивену Вайн-бергу и Абдусу Саламу Нобелевскую премию. И еще много чего другого интересного мы бы не знали.
История открытия нейтрино поучительна. Нейтрон — тяжелая частица, незаряженный побратим протона, образующий вместе с последним атомные ядра, был открыт Джеймсом Чедвиком в начале 1930-х годов. Как я уже сказал, вне ядра нейтрон нестабилен и распадается. Те продукты распада, которые обнаружили сразу, являются заряженными частицами — протоном и электроном. Нейтрон нейтрален, электрон заряжен отрицательно, протон — положительно, в сумме их заряд равен нулю, все как положено. Зачем что-то еще? И если бы экспериментаторы не вели количественно точных измерений, никаких подозрений про «что-то еще» у них бы не появилось. «Не вводите сущности без достаточных оснований», — гласит философский принцип, называемый «бритвой Оккама». Основания для введения новой сущности возникли, когда стало понятно, что сумма импульсов протона и электрона не равна импульсу нейтрона. Недостающий импульс кто-то уносил с собой. Этот кто-то не имел электрического заряда и очень слабо взаимодействовал с остальным миром. Энрико Ферми дал ему имя «нейтрино», то есть «нейтрончик».
Лаборатория наша находится в центре острова, с юга омываемого Атлантическим океаном. С северной стороны находится большой спокойный залив, отделяющий Лонг-Айленд от штата Коннектикут. Залив этот всего лишь в трех минутах езды от моего дома, и я часто брожу по его берегам.
Приедается все, Лишь тебе не дано примелькаться. Дни проходят, И годы проходят И тысячи, тысячи лет. В белой рьяности волн, Прячась В белую пряность акаций, Может, ты-то их, Море, И сводишь, и сводишь на нет.Вокруг много живности, главным образом птиц, но также кроликов, енотов, черепах. Природа и пейзаж напоминают мне места на Волге под Самарой, где я вырос. На самой кромке воды чуть ли не самым частым гостем является очень древний обитатель нашей планеты — подковообразный краб. Это жутковатое на вид, хотя и совершенно безобидное существо, достигающее довольно больших размеров (до сорока сантиметров в диаметре). По справкам, этому виду двести пятьдесят, а может, и триста миллионов лет, то есть он на десятки миллионов лет старше самых древних динозавров. Краб этот пережил две страшные планетарные катастрофы: чудовищную засуху пермского периода, когда, по оценкам, погибло восемьдесят процентов живых существ, населяющих землю, и катастрофу конца мелового периода (семьдесят миллионов лет назад), приведшую, в частности, к исчезновению динозавров.