Жизнь проста. Как бритва Оккама освободила науку и стала ключом к познанию тайн Вселенной - Джонджо МакФадден
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Это и делает квантовая механика. Когда различия энергетических состояний слишком малы и их нельзя измерить, они признаются несущественными. Таким образом, считается, что энергия может излучаться только порциями, измеримо отличающимися друг от друга. Такие порции называются квантами. Если термодинамика допускает колебания частиц в непрерывном диапазоне частот, квантовая механика допускает лишь поддающиеся количественному определению частоты. Именно такое квантование объясняет особенности излучения абсолютно черного тела, которое описывает формула Планка.
Однако своеобразие квантовой механики не ограничивается квантованием энергии. Квантовые неопределенности проявляются в парадоксальных свойствах частиц, которые могут одновременно существовать во многих местах, проникать сквозь непроницаемые с точки зрения классической физики барьеры или вращаться одновременно в двух разных направлениях просто потому, что невозможно доказать, что это не так. Кроме того, эти частицы могут образовывать сверхъестественные связи, преодолевая время и пространство, и это тоже происходит потому, что принцип неопределенности Гейзенберга убеждает нас в том, что мы не можем доказать, что таких связей не существует.
Как водится, все проверяется практикой, в том числе и наука. С квантовой механикой связаны самые точные в истории науки прогнозы и появление новых технологий от лазеров до компьютерных микросхем, систем спутниковой навигации GPS, МРТ-сканеров и мобильных телефонов. Возможно, в недалеком будущем нас ожидают новые революционные технологии, например сверхбыстрые квантовые компьютеры или квантовая телепортация. Еще более удивительно то, что живые организмы, по-видимому, тоже искусно пользуются квантовыми чудесами, о чем рассказывается в моей книге[427], а также в книге, написанной мной в соавторстве с Джимом аль-Халили[428].
Одним из самых больших успехов квантовой механики стало открытие мира субатомных частиц. Однако вместо желанной простоты наука окунулась в джунгли.
АТОМ И КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА
Представление об атомах возникло еще в Древней Греции, однако и в начале XX века ученые продолжали спорить о природе атома: является ли он чем-то реальным, или это удобное для науки абстрактное понятие. В одной из четырех работ, опубликованных в 1905 году, Эйнштейн разрешил этот спор, показав, что хаотичное (броуновское) движение частиц, например микроскопических частиц пыльцы, взвешенных в воде, имеет смысл только в случае их столкновения с невидимыми атомами воды.
В понимании Демокрита атомы представляют собой мельчайшие неделимые частицы материи. Это представление сохранялось на фоне борьбы между атомизмом и теорией заполненного веществом пространства, которая не утихала во времена Античности, Средневековья и Нового времени, продолжаясь вплоть до рубежа XIX и XX веков. Примерно тогда же, когда Эйнштейн писал свою работу о реальности атома[429], Антуан Анри Беккерель (1852–1908) и супруги Мари Кюри (1867–1934) и Пьер Кюри (1859–1906) независимо друг от друга открыли радиоактивный распад атомов на более мелкие частицы. Вслед за этим открытием Эрнест Резерфорд (1871–1937) провел ряд экспериментов и показал структуру атома, состоящего из крошечного положительно заряженного ядра, вокруг которого на расстоянии, в 100 000 раз превосходящем диаметр ядра, находится облако отрицательно заряженных частиц – электронов. Более поздние эксперименты показали, что само ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов – знакомая всем нам и довольно простая картинка строения атомов, которую можно зачастую увидеть на футболках.
Однако картинка недолго оставалась простой. Некоторые физики обратили внимание на то, что радиоактивный бета-распад в нее не вписывается – в картине явно чего-то не хватало. Вольфганг Паули (1900–1958), занимавшийся проблемами квантовой физики, в письме 1930 года к коллегам по Швейцарской высшей технической школе, к которым он обращается «Уважаемые радиоактивные дамы и господа», высказывает предположение о существовании еще одной элементарной частицы с нулевым зарядом, как нейтрон, но намного меньшей массой. Его итальянский коллега Энрико Ферми (1901–1954) подтвердил существование этих частиц, дав им название нейтрино, то есть маленькие нейтроны, в результате число элементарных частиц увеличилось до четырех. В 1928 году английский физик Поль Дирак (1902–1984) создал уравнение, объединившее квантовую механику и специальную теорию относительности, согласно которому каждой элементарной частице должна соответствовать античастица, ее зеркальное отражение с противоположным зарядом. Вскоре после этого была открыта положительно заряженная античастица электрона – позитрон; она была обнаружена в следах пара в камере Вильсона[430].
Камеры Вильсона стали излюбленным оборудованием физиков, занимавшихся элементарными частицами; в них они могли отслеживать их в большом количестве, чтобы потом использовать для улавливания космических лучей, которые в противном случае поглощались бы атмосферой Земли. Эти эксперименты позволили обнаружить «космические ливни», состоящие из огромного количества новых частиц, которые появлялись из глубокого космоса. В 1936 году был открыт мюон – элементарная частица с отрицательным зарядом, но с массой, в 207 раз превосходящей массу электрона. Американский физик Исидор Айзек Раби (1898–1988) отреагировал на его появление саркастическим замечанием: «А это кто заказывал?» Число элементарных или фундаментальных частиц резко возросло и превратилось в двухзначное по мере того, как ученые находили все новые треки в диффузионных камерах. Ситуация усложнилась с появлением в 1950-х годах ускорителей частиц, а вместе с ними огромного количества экзотических пионов, каонов и барионов, возникших в результате столкновения высокозарядных частиц. Паули, увидев такое разнообразие предполагаемых фундаментальных частиц, напоминающее зоопарк, воскликнул: «Если бы я мог предвидеть это, я бы занялся ботаникой!»
Ученых, разделявших опасения Паули, озадачивало не столько количество элементарных частиц, сколько тот факт, что ни одна теория не прогнозировала их существование. Большинство из них не объясняли процессов возникновения звезд, планет и человека. Новые элементарные частицы произвольно возникали десятками, словно в насмешку над бритвой Оккама.
К счастью, простой выход из неразберихи с элементарными частицами был найден благодаря еще одному авторитетному ученому ХХ века, чье имя остается не столь известным.
ПУГАЮЩАЯ СИММЕТРИЯ
Эмми Нётер (1882–1935) родилась 6 марта 1882 года в немецком городе Эрлангене в семье математика Макса Нётера и Иды Амалии Кауфман. В школе она изучала немецкий, английский и французский языки, а также арифметику, поэтому предполагалось, что она станет учительницей иностранных языков – одна из немногих профессий для образованных женщин того времени. Однако Эмми совсем не собиралась преподавать иностранные языки, ее больше интересовала математика. Она понимала, что это будет непросто, хотя бы
