В одном мгновенье видеть вечность,

Огромный мир — в зерне песка,

В единой горсти — бесконечность

И небо — в чашечке цветка.

Уильям Блейк. Из «Песен невинности»

Идея этого раздела сайта 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…

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

Нет прогресса без парадокса.

Джон Уилер, 1985

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.

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».

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.»)

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. 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.

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.

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. 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.

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.

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

Квантовые механики? И что они делают целыми днями?

Роб Эванс (поэт-исполнитель)

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».

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.

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)

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

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.

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.

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

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

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).