Могущественный atom

В то время как Эйнштейн и Хаббл успешно препарировали крупномасштабную структуру Вселенной, другие ученые бились над постижением того, что находится рядом, под самым носом, но в своем роде также далеко: крошечного, неимоверно загадочного атома.

Выдающийся физик из Калифорнийского технологического института Ричард Фейнман однажды заметил, что, если свести историю науки к одному важному утверждению, оно прозвучит так: «Все вещи созданы из атомов». Атомы повсюду и составляют все сущее. Оглянитесь вокруг себя. Все это атомы. Не только твердые предметы вроде стен, столов или диванов, но и воздух между ними. И их число поистине непостижимо.

Основной рабочей конфигурацией атомов является молекула (от латинского «малая масса»). Молекула — это просто два атома или больше, действующие совместно в более или менее устойчивом сочетании: добавьте два атома водорода к одному атому кислорода и получите молекулу воды. Химики склонны мыслить категориями молекул, нежели элементарных частиц. Так же как писатели мыслят словами, а не буквами, химики подсчитывают молекулы. Ате весьма многочисленны, если не сказать больше. На уровне моря при нуле градусов по Цельсию один кубический сантиметр воздуха (примерно с кубик сахара) будет содержать 25 миллиардов миллиардов молекул.

Столько же их в каждом кубическом сантиметре, которые вы видите вокруг себя. Представьте, сколько кубических сантиметров в мире за вашим окном — сколько нужно кубиков сахара, чтобы они заполнили все видимое вами пространство. Теперь представьте, сколько их надо, чтобы создать Вселенную.[127]Короче говоря, атомов великое множество.

Вдобавок к этому они еще и фантастически долговечны. В силу своей живучести атомы действительно повидали свет. Каждый атом вашего тела почти наверняка побывал в составе нескольких звезд и был частью миллионов живых организмов. В нас такое обилие атомов, и мы подвергаемся такой решительной переработке после смерти, что значительное число наших атомов — предположительно, до миллиарда в каждом из нас — когда-то могли принадлежать Шекспиру. По миллиарду каждому досталось от Будды, Чингис-хана, Бетховена и любой другой исторической личности, какая бы ни пришла на ум. (Личности, очевидно, должны быть историческими, поскольку для основательного перераспределения атомам требуется несколько десятков лет; и как бы вам этого ни хотелось, вы вряд ли носите в себе атомы Элвиса Пресли.)

Так что все мы являемся перевоплощениями — правда, недолговечными. Когда мы умрем, наши атомы разберутся и разойдутся искать новое применение где-нибудь в другом месте — станут частью древесного листа, или другого человеческого существа, или капли росы. Сами атомы, однако, живут практически вечно. Никто, по сути, не знает, сколько может просуществовать атом, но, согласно Мартину Рису, вероятно, около 1035 лет — число настолько большое, что даже я рад изобразить его в математической нотации.

И, наконец, атомы еще и очень малы, то есть они действительно совсем крошечные. Полмиллиона их, выстроившись плечом к плечу, могли бы спрятаться позади человеческого волоса. При таких размерах отдельный атом, по существу, невозможно представить, но мы, конечно, попытаемся это сделать.

Начнем с миллиметра, линии вот такой длины «-». Теперь вообразите, что эта линия разделена на тысячу частей. Каждая из них — это микрон. Это масштаб микроорганизмов. Обычная парамеция (туфелька) — крошечное одноклеточное пресноводное живое существо — имеет толщину 2 микрона, или 0,002 миллиметра, — это очень мало.[128]Если бы вы захотели увидеть туфельку невооруженным глазом в капле воды, вам пришлось бы увеличить каплю до диаметра примерно 12 метров. Ну а для того, чтобы увидеть в этой же капле атомы, ее пришлось бы увеличить до 24 километров.

Другими словами, атомы существуют в микроскопических масштабах совершенно другого порядка. Чтобы приблизиться к размерам атомов, нужно каждый микронный кусочек нарезать на десять тысяч еще более тонких ломтиков. Вот это и будет масштаб атома: одна десятимиллионная миллиметра. Эта мера тонкости даже отдаленно недоступна нашему воображению, но можно получить о ней какое-то представление, если учесть, что атом в сравнении с изображенной выше миллиметровой черточкой — это все равно что толщина бумажного листа в сравнении с высотой небоскреба Эмпайр Стейт билдинг.

Разумеется, именно изобилие и поразительная живучесть атомов делают их такими полезными, а из-за малых размеров их так трудно обнаружить и осмыслить. Понимание того, что атомы малы, многочисленны и практически неразрушимы, а также, что все вещи состоят из них, впервые пришло в голову не Антуану-Лорану Лавуазье, как можно было ожидать, и даже не Генри Кавендишу или Хамфри Дэви, а, скорее, скромному, поверхностно образованному английскому квакеру по имени Джон Дальтон, с которым мы впервые встретились в главе 7.[129]

Дальтон родился в 1766 году на границе Озерного края, близ Кокермауса, в бедной семье ткачей, набожных квакеров. (Четыре года спустя в Кокермаусе также появится на свет поэт Уильям Вордсворт.) Он был на редкость способным учеником — до того способным, что в невероятно юные годы, в двенадцать лет, его поставили во главе местной квакерской школы. Возможно, это больше говорит о самой школе, нежели о раннем развитии Дальтона, но может быть, и нет. Из его дневников мы знаем, что примерно в этом возрасте он читал «Начала» Ньютона в оригинале, на латыни, а также другие столь же сложные труды. В пятнадцать лет, все еще продолжая возглавлять школу, он нашел работу в ближайшем городке Кендале, а через десять лет переехал в Манчестер, откуда почти не уезжал остальные пятьдесят лет своей жизни. В Манчестере его в интеллектуальном отношении словно прорвало — он стал выдавать книги и статьи по широкому кругу предметов, от метеорологии до грамматики. Благодаря его исследованиям цветовая слепота, которой он страдал, долгое время называлась дальтонизмом. Но научную славу ему принесла опубликованная в 1808 году пухлая книга, озаглавленная «Новая система химической философии».

В ней, в краткой главе всего на пять страниц (из почти девятисотстраничной книги), ученые впервые встретились с атомами, которые чем-то напоминали наше современное представление о них. Дальтон просто предположил, что основу всего сущего составляют чрезвычайно малые простейшие частицы вещества. «Создать или уничтожить частицу водорода — все равно что пытаться внести в Солнечную систему новую планету или уничтожить уже существующую», — писал он.

Ни идея атома, ни сам термин не были, строго говоря, чем-то новым. И то и другое придумали еще древние греки. Вклад Дальтона состоял в определении относительных размеров и свойств этих атомов и их сочетаний. Он, например, знал, что легчайшим элементом был водород, и принял его атомный вес за единицу. Считая также, что вода состоит из семи частей кислорода и одной части водорода, он определил атомный вес кислорода как 7. Таким путем он смог определить относительные атомные веса известных элементов. Он не всегда был очень точен — атомный вес кислорода на самом деле равен 16, а не 7, — но сам принцип был понят правильно и послужил основой всей современной химии и значительной части других современных наук.

Этот труд сделал Дальтона знаменитым — правда, в скромном, присущем английским квакерам духе. В 1826 году французский химик П. Ж. Пеллетье совершил поездку в Манчестер, чтобы встретиться с героем, изобретшим атом. Пеллетье ожидал найти его в каком-нибудь важном учреждении и был поражен, обнаружив, что тот учит арифметике ребятишек в маленькой школе где-то на задворках. По словам историка науки Э. Дж. Холмъярда, Пеллетье, увидев великого ученого, заикаясь от смущения, пробормотал: «Est-се que j'ai Phonneur de m'addresser a Monsieur Dalton?»* (* Имею ли я честь обратиться к месье Дальтону? (фр.)) — ибо едва мог поверить, что стоящий перед ним прославленный на всю Европу химик учит мальчишку четырем правилам арифметики. «Да, — будничным тоном ответил квакер. — Присядьте, пожалуйста, пока я растолкую этому пареньку задачку».

Хотя Дальтон старался избегать всяческих почестей, он вопреки своему желанию был избран в Королевское общество, осыпан наградами и получил щедрую государственную пенсию. Когда в 1844 году он скончался, за гробом шли сорок тысяч людей, и похоронная процессия растянулась на две мили. Статья о нем в «Национальном биографическом словаре» — одна из самых больших и среди биографий ученых девятнадцатого века уступает по объему только статьям о Дарвине и Лайеле.

На протяжении сотни лет после того, как Дальтон изложил свои идеи, они оставались чисто гипотетическими, а некоторые видные ученые — в частности, венский физик Мах,[130]именем которого названа скорость звука, — вообще сомневался в существовании атомов. «Атомы нельзя воспринять ощущениями… они — принадлежность мысли», — писал он. Скептицизм в отношении существования атомов был настолько силен, особенно в немецкоязычном мире, что, как говорили, сыграл определенную роль в самоубийстве в 1906 году видного физика-теоретика и горячего приверженца атомов Людвига Больцмана.[131]

Первые неопровержимые доказательства существования атомов дал Эйнштейн в своей работе 1905 года о броуновском движении. Но она привлекла мало внимания, к тому же сам Эйнштейн был вскоре поглощен разработкой общей теории относительности. Так что первым героем «атомного века», если не главным его действующим лицом, стал Эрнест Резерфорд.

Резерфорд родился в 1871 году в новозеландской «глубинке». Его родители, эмигрировавшие из Шотландии, выращивали, перефразируя Стивена Вайнберга, «немного льна и уйму детей». Подрастая в глухом уголке далекой страны, Эрнест, как и следовало ожидать, был далек от большой науки. Но в 1895 году он получил стипендию, благодаря которой попал в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета, ту самую, которая вскоре станет самой «горячей» точкой мировой физической науки.

Физики славятся пренебрежительным отношением к ученым других направлений. Великий австрийский физик Вольфганг Паули, узнав, что жена ушла от него к химику, был потрясен. «Я бы еще понял, если бы она вышла за тореадора, — удивленно заметил он приятелю. — Но за химика…»

Резерфорд, видимо, разделял эти чувства. «Вся наука делится на физику и коллекционирование марок», — заметил он однажды. С тех пор это высказывание повторялось множество раз. Поэтому присуждение ему в 1908 году Нобелевской премии в области химии, а не физики, может вызвать, как минимум, улыбку.

Резерфорду повезло — повезло, что он был гением, а еще больше, что жил в то время, когда физика и химия были такими увлекательными и так хорошо сочетались (несмотря на его собственные сантименты). Никогда больше они не будут так удачно выступать единым фронтом.

При всех своих успехах Резерфорд не обладал особо блестящим интеллектом, а с математикой у него был просто кошмар. Часто во время лекций он безнадежно путался в собственных уравнениях, так что бросал все на полпути и предлагал студентам закончить самим. По словам его давнего коллеги Джеймса Чэдвика, открывшего нейтрон, Резерфород не был особенно силен и как экспериментатор. Он просто брал упорством и широтой кругозора. Блеск ума ему заменяли проницательность и своего рода дерзость. Его ум, по словам одного из биографов, «постоянно стремился к переднему краю, каким он ему представлялся, а видел он куда дальше других». Сталкиваясь с неподатливой проблемой, он был готов работать упорнее и дольше большинства и был более восприимчив к неортодоксальным объяснениям. Его самое большое открытие пришло к нему, потому что он был готов утомительно долго просиживать у экрана, подсчитывая сцинтилляции альфа-частиц — труд, который обычно сваливали на кого-нибудь другого. Он одним из первых — возможно, самым первым — разглядел, что заключенная в атоме энергия, если ее направить по определенному руслу, может привести к созданию бомбы, достаточно мощной, чтобы «сей старый мир исчез в дыму».

Он был огромного роста и обладал зычным голосом, который пугал особо робких. Однажды, услыхав, что Резерфорд собирается выступить в радиопередаче, которая должна была транслироваться через Атлантику, один из его коллег сухо спросил: «А зачем ему радио?» Резерфорд также обладал колоссальной, правда, добродушной, самоуверенностью. Когда кто-то заметил, что он всегда оказывается на гребне волны, Резерфорд ответил: «Но волну-то в конечном счете поднимаю я, не так ли?» Ч. П. Сноу вспоминал, что как-то у портного в Кембридже он нечаянно услышал реплику Резерфорда: «Каждый день я прибавляю в весе. И в уме».

Но вес и слава в 1895 году, когда он появился в Кавендишской лаборатории*, были еще далеко впереди.

---

* (Название происходит от тех же Кавендишей, которые дали науке Генри Кавендиша. На сей раз это был Уильям Кавендиш, седьмой герцог Девонширский, способный математик и стальной магнат викторианской Англии. В 1870 году он пожертвовал университету 6300 фунтов стерлингов на создание экспериментальной лаборатории.)

То был особенно богатый научными событиями период. В год приезда Резерфорда в Кембридж в Германии, в Вюрцбургском университете Вильгельм Рентген открыл рентгеновские лучи; в следующем году Анри Беккерель открыл радиоактивность. А для самой Кавендишской лаборатории наступало время величия. В 1897 году Дж. Дж. Томсон с коллегами откроют там электрон, в 1911 году Ч. Т. Р. Вильсон изобретет первый детектор заряженных частиц (об этом ниже), а в 1932 году Джеймс Чэдвик все там же откроет нейтрон. Еще позднее, в 1953 году, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик создадут в Кавендишской лаборатории структурную модель молекулы ДНК.

Сначала Резерфорд работал с радиоволнами, и небезуспешно — ему удалось передать четкий сигнал на расстояние более мили; очень неплохое достижение для того времени, но он оставил эту тему, когда один из старших коллег убедил его, что у радио нет большого будущего. Да и вообще Резерфорд не очень преуспевал в Кавендишской лаборатории и через три года, не видя перспектив, занял должность в Макгилльском университете в Монреале, откуда началось его долгое и неуклонное восхождение к вершинам славы. К моменту получения Нобелевской премии (согласно официальной формулировке, за «исследования в области расщепления элементов и химии радиоактивных веществ») он уже работал в Манчестерском университете и, фактически, там и проделал самые важные работы по определению строения и природы атома.

К началу XX века было уже известно, что атомы состоят из частей, — это было установлено в результате открытия Томсоном электрона. Но тогда еще не знали, из какого количества частей состоит атом, как они крепятся друг к другу и какую форму принимают. Некоторые физики думали, что атомы имеют форму куба, потому что куб можно сложить таким образом, чтобы не оставалось пустого пространства. Правда, более общепринятым было представление об атоме, похожем на булочку с изюмом: что это плотный, положительно заряженный предмет, напичканный, как изюмом, отрицательно заряженными электронами.

В 1910 году Резерфорд (при участии своего студента Ханса Гейгера, который позднее изобрел детектор радиоактивности, носящий его имя) обстрелял листок золотой фольги ионизированными атомами гелия, иначе альфа-частицами*.

----

* (Гейгер позднее станет убежденным нацистом, без колебаний выдававшим коллег-евреев, включая многих, прежде оказывавших ему помощь.)

К удивлению Резерфорда, некоторые частицы отскакивали назад. Словно, по его словам, он выстрелил 15-дюймовым снарядом в лист бумаги, а снаряд отскочил ему на колени. Возможность такого явления было невозможно предположить. После долгих размышлений он нашел единственно возможное объяснение: частицы отскакивали, сталкиваясь с чем-то очень малым и плотным в сердцевине атома, тогда как другие частицы беспрепятственно пролетали сквозь лист. Атом, догадался Резерфорд, это в основном пустое пространство с очень плотным ядром в центре. Это было весьма обнадеживающее открытие, но оно сразу ставило одну проблему. По всем законам традиционной физики атомы в таком случае не должны были существовать.

Прервемся на минутку и рассмотрим строение атома, как оно представляется теперь. Каждый атом состоит из трех видов элементарных частиц: протонов, несущих положительный электрический заряд, отрицательно заряженных электронов и нейтронов, которые не несут никакого заряда. Протоны и нейтроны плотно упакованы в ядро, а электроны обращаются вокруг него. Химическую индивидуальность дает атомам количество протонов. Атом с одним протоном — это атом водорода, с двумя — атом гелия, с тремя — лития и так далее по таблице. Добавляя протон, вы каждый раз получаете новый элемент. (Ввиду того, что число протонов в атоме всегда уравновешивается равным числом электронов, иногда можно прочесть, что элемент определяется количеством электронов, что, в сущности, одно и то же. Как мне объяснили, протоны придают атому индивидуальность, а электроны определяют его личность.)

Нейтроны не влияют на идентичность атома, но увеличивают его массу. Число нейтронов обычно примерно такое же, как и протонов, хотя может несколько отличаться в ту или иную сторону. Добавьте или убавьте нейтрон-другой, и вы получите изотоп. Обозначения, которые вы встречаете в связи с датированием пород в археологии, относятся к изотопам, например, термин «углерод-14» означает атом углерода с 6 протонами и 8 нейтронами (в сумме получается 14).

Нейтроны и протоны занимают ядро атома. Оно совсем крошечное — всего одна миллионная миллиардной части полного объема атома, — но фантастически плотное, поскольку содержит практически всю массу атома. Как писал Кроппер, если атом увеличить до размеров собора, ядро будет всего лишь размером с муху, но эта муха будет во много тысяч раз тяжелее собора. Именно эта обширность, эта невообразимая, потрясающая вместительность атома заставили Резерфорда в 1910 году чесать в затылке.

По сей день у многих вызывает удивление мысль о том, что атомы в основном представляют собой пустое пространство, и твердость окружающих нас тел — не более чем иллюзия. Когда в реальном мире друг с другом сближаются два тела — чаще всего в качестве иллюстрации берут биллиардные шары, — они на самом деле не ударяются друг о друга. «Правильнее сказать, — поясняет Тимоти Феррис,[132]— что отрицательные заряды обоих шаров взаимно отталкиваются… Не будь у них электрических зарядов, они могли бы, подобно галактикам, беспрепятственно пройти сквозь друг друга». Сидя на стуле, вы на самом деле не сидите на нем, а висите над ним на высоте одного ангстрема (стомиллионная доля сантиметра), ваши электроны и электроны стула отчаянно противятся любой более тесной близости.

Рисунок атома, как его представляют почти все, состоит из одного-двух электронов, которые обращаются вокруг ядра, наподобие планет, вращающихся вокруг Солнца. Это изображение было создано в 1904 году японским физиком Хантаро Нагаока на основе не более чем догадки. Оно абсолютно неверно, но все равно надолго сохранилось. Как не раз отмечал Айзек Азимов,[133]оно вдохновляло поколения писателей-фантастов на создание произведений о мирах внутри миров, в которых атомы становятся маленькими обитаемыми солнечными системами или наша Солнечная система оказывается всего лишь пылинкой в значительно более крупной системе. Даже сегодня Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН) использует созданное Нагаокой изображение в качестве эмблемы своего сайта в Интернете.[134]На самом деле, как вскоре поняли физики, электроны совсем не похожи на вращающиеся по орбитам планеты, а больше напоминают лопасти крутящегося вентилятора, умудряясь одновременно заполнять каждый кусочек пространства на своих орбитах (с одной существенной разницей, что если лопасти вентилятора только кажутся находящимися одновременно везде, электроны действительно находятся сразу всюду).

Стоит ли говорить, что очень немногое из этого было понятно в 1910 году или даже годы спустя. Открытие Резерфорда поставило рад крупных неотложных проблем. Не последняя среди них состояла в том, что электроны не могут обращаться вокруг ядра, не падая на него. По законам традиционной электродинамики электрон при вращении должен очень быстро — практически мгновенно — израсходовать свою энергию и по спирали упасть на ядро с гибельными последствиями для них обоих. Была также проблема: каким образом протоны с их положительными зарядами могут быть связаны друг с другом внутри ядра, не разорвав на куски самих себя и весь атом. Становилось ясно, что все происходящее там, в мире очень малого, не подчиняется законам макромира, которые мы берем за основу.

По мере того как физики углублялись в субатомное царство, они начинали понимать, что его реальность не только отличается от всего, что нам известно, но и от всего, что вообще можно себе представить. «Поскольку поведение атома столь сильно отличается от нашего повседневного опыта, — заметил однажды Ричард Фейнман, — очень трудно к этому привыкнуть, и оно представляется необычным и загадочным каждому в равной мере, как начинающему, так и опытному физику». Когда Фейнман высказывался по этому поводу, у физиков уже было полвека, чтобы приспособиться к странностям поведения атомов. Представьте, что должен был испытывать Резерфорд и его коллеги в начале 1910-х годов, когда все это было совершенно новым и неизведанным.

Одним из сотрудников Резерфорда был мягкий обходительный датчанин Нильс Бор. В 1913 году Бору, бившемуся над строением атома, пришла в голову идея, настолько взволновавшая его, что он отложил медовый месяц и сел за написание статьи, которая стала поворотным пунктом в науке.

Поскольку физики не могли видеть столь малые объекты, как атомы, им приходилось делать выводы об их строении, наблюдая, как они реагируют на различные воздействия. Так, например, Резерфорд обстреливал фольгу альфа-частицами. Неудивительно, что иногда результаты таких экспериментов вызывали новые вопросы. Одной из загадок долгое время были особенности спектра водорода. Вид этого спектра говорил о том, что атомы водорода излучают энергию на определенных длинах волн и не проявляются на других. Будто кто-то находящийся под наблюдением обнаруживается то в одном, то в другом месте, но ни разу не был замечен в движении между ними. Никто не мог понять, почему так происходит.

Ломая голову над этой проблемой, Бор неожиданно наткнулся на решение и поспешил изложить его в своей знаменитой статье, озаглавленной «О строении атомов и молекул». В ней объяснялось, как электроны могут удержаться от падения на ядро: для этого выдвигалось предположение, что они могут занимать только отдельные, строго определенные орбиты. Согласно этой новой теории электрон перемещается с орбиты на орбиту, исчезая на одной и мгновенно возникая на другой, не появляясь в пространстве между ними. Эта идея — знаменитый «квантовый скачок» — конечно, была чрезвычайно странной, но она была слишком красивой, чтобы оказаться ошибочной. «Квантовый скачок» не только удерживал электроны от катастрофического спирального падения на ядро, но также объяснял странности с длинами волн в спектре водорода. Электроны появлялись только на определенных орбитах, потому что только на них могли существовать. Это была блестящая проницательная догадка, и она принесла Бору Нобелевскую премию в 1922 году, через год после Эйнштейна.

Тем временем неутомимый Резерфорд, вернувшись в Кембридж и сменив Дж. Дж. Томсона на посту руководителя Кавендишской лаборатории, предложил модель, объяснявшую, почему не взрываются ядра. Он понял, что положительные заряды протонов должны компенсироваться какими-то нейтрализующими частицами, которые он назвал нейтронами. Идея была простой и привлекательной, но труднодоказуемой. Коллега Резерфорда Джеймс Чэдвик целых одиннадцать лет усиленно охотился за нейтронами, пока наконец в 1932 году не добился успеха. Он тоже получил Нобелевскую премию — в 1935 году. Как отмечают Бурс с соавторами[135]в своей истории данного вопроса, задержка с открытием, возможно, оказалась к лучшему, поскольку овладение нейтроном имело существенное значение для разработки атомной бомбы. (Ввиду того, что нейтроны не несут никакого заряда, они не отторгаются электрическими полями в сердцевине атома и тем самым могут, подобно крошечным торпедам, выстреливаться в атомное ядро, давая начало разрушительному процессу, известному как деление.) Случись, что нейтрон был бы выделен в 1920-х годах, замечают они, «весьма вероятно, что атомная бомба была бы впервые разработана в Европе и, несомненно, немцами».

Как бы то ни было, европейцы изо всех сил старались понять странное поведение электрона. Главная проблема, с которой они сталкивались, заключалась в том, что электрон вел себя то как частица, то как волна. Эта невероятная двойственность доводила физиков почти до помешательства. Все следующее десятилетие ученые по всей Европе лихорадочно выдвигали конкурирующие гипотезы. Во Франции принц Луи-Виктор де Бройль, потомок герцогского рода, пришел к заключению, что отдельные аномалии в поведении электронов исчезают, если рассматривать их как волны. Это наблюдение вызвало живой интерес австрийца Эрвина Шредингера, который весьма изощренным способом построил удобную для использования систему, названную волновой механикой. Почти одновременно немецкий физик Вернер Гейзенберг выступил с конкурирующей теорией, названной матричной механикой. Она была до того сложна математически, что вряд ли кто-нибудь в полной мере понимал ее, включая самого Гейзенберга. («Я даже не знаю, что такое матрица», — однажды в отчаянии признался он приятелю.) Но похоже, что он справился с некоторыми проблемами, которые не удалось разрешить Шредингеру.

В результате у физиков появились две теории, основанные на противоречащих друг другу посылках, но дающие одинаковые результаты. Это была неприемлемая ситуация.

Наконец, в 1926 году Гейзенберг нашел знаменитый компромисс, создав новую дисциплину, которая получила известность под названием квантовой механики.[136]В ее основе лежал сформулированный Гейзенбергом принцип неопределенности, устанавливающий, что электрон является частицей, но такой, что ее можно описывать в терминах волн. Неопределенность, на которой построена эта теория, состоит в том, что мы можем знать, как движется электрон в пространстве, или знать, где он находится в данный момент, но не можем знать то и другое вместе. Любая попытка определить одно неминуемо нарушает определение другого. Это не вопрос применения более точной аппаратуры, а неотъемлемое свойство Вселенной.

На практике это означает, что нельзя предсказать, где будет находиться электрон в каждый конкретный момент. Можно только рассчитать вероятность его нахождения там. В известном смысле, как это выразил Деннис Овербай, электрон не существует, пока его не замечают. Или чуть иначе: пока его не замечают, следует считать, что электрон находится «одновременно везде и нигде».

Если вас это смущает, можете найти утешение в том, что это смущало и многих физиков. Овербай пишет: «Бор однажды заметил, что тот, кто, впервые услышав о квантовой теории, не возмутился, просто не понял, о чем шла речь». Когда Гейзенберга спросили, как можно представить себе атом, он ответил: «Не пытайтесь».

Так что атом оказался совсем не похожим на то, каким его представляло большинство. Электрон не летает вокруг ядра, как планета вокруг Солнца, а, скорее, имеет бесформенные очертания наподобие облака. «Скорлупа» атома представляет собой не какую-то твердую блестящую оболочку, как порой подталкивают думать некоторые иллюстрации, а просто наиболее удаленные от центра края этих неясно очерченных электронных облаков. Само облако — это, по существу, всего лишь зона статистической вероятности, обозначающая пространство, за пределы которого электрон очень редко выходит. Так что атом, если бы его можно было увидеть, скорее похож на очень нечетко очерченный теннисный мяч, чем на жесткий металлический шар (впрочем, он не очень похож ни на то, ни на другое, и вообще не похож ни на что из когда-либо виденного вами; все-таки мы имеем дело с миром, очень сильно отличающимся от того, что мы наблюдаем вокруг себя).

Казалось, удивительному нет конца. Как выразился Джеймс Трефил,[137]ученые впервые столкнулись с «областью Вселенной, которую наши мозги просто не приспособлены понимать». Или, как сказал Фейнман, «в поведении малых тел нет ничего общего с поведением больших». Копнув глубже, физики поняли, что открыли мир, в котором не только электроны могут перескакивать с орбиты на орбиту, не перемещаясь через разделяющее их пространство, но также материя может возникать из ничего «при условии, — по словам Алана Лайтмана[138]из Массачусетского технологического института, — что она достаточно быстро исчезает».

Возможно, самой захватывающей из квантовых невероятностей является идея, вытекающая из сформулированного в 1925 году Вольфгангом Паули принципа запрета, согласно которому в определенных парах субатомных частиц, даже разделенных значительными расстояниями, каждая моментально «узнает», что делает другая. Частицы обладают свойством, известным как спин.[139]И, согласно квантовой теории, в тот момент, как вы устанавливаете спин одной частицы, ее родственная частица, независимо от того, как далеко она находится, моментально начинает крутиться с той же скоростью в противоположном направлении.

Это похоже на то, пользуясь сравнением научного писателя Лоуренса Джозефа,[140]как если бы у вас было два одинаковых бильярдных шара, один в Огайо, другой на Фиджи, и в тот момент, когда вы закрутите один шар, второй тотчас же крутится в противоположном направлении с точно такой же скоростью. Удивительно, что это явление подтвердилось в 1997 году когда физики Женевского университета разнесли фотоны на расстояние семи миль и продемонстрировали, что вмешательство в движение одного вызвало мгновенную реакцию другого.[141]

Дошло до того, что на одной из конференций Бор по поводу одной из теорий бросил замечание, что вопрос не в том, безумна ли она, а в том, достаточно ли она безумна. Чтобы проиллюстрировать непостижимую природу квантового мира, Шредингер предложил знаменитый мысленный эксперимент, в котором гипотетического кота помещают в ящик с одним атомом радиоактивного вещества, прикрепленным к пробирке с синильной кислотой. Если в течение часа частица распадется, она запустит механизм, который разобьет пробирку и отравит кота. Если нет, кот останется жив. Но мы не сможем узнать, что произошло на самом деле, так что с научной точки зрения нет другого выбора, как считать, что кот одновременно на 100 процентов жив и на 100 процентов мертв. Это означает, как с понятным раздражением заметил Стивен Хокинг, что никто не может «точно предсказать дальнейшие события, если не может даже точно определить нынешнее состояние Вселенной!».

Из-за этих странностей многие физики недолюбливали квантовую теорию или, по крайней мере, отдельные ее аспекты, и больше всех Эйнштейн. Это было более чем странно, поскольку именно он в своем annusmirabilis [142] 1905 года так убедительно показал, что фотоны могут вести себя то как элементарные частицы, то как волны — представление, лежащее в самой основе новой физики. «Кванговая теория весьма достойна уважения», — тактично отмечал он, но на самом деле не питал к ней любви. «Господь не играет в кости», — говаривал он*.

---

* (Во всяком случае, данную мысль обычно передают именно этими словами. Подлинная же цитата звучит следующим образом: «В карты Всевышнего заглянуть трудно. Но в то, что Он играет в кости и прибегает к «телепатии»… я ни на миг не поверю».)

Эйнштейн не мог смириться с мыслью, что Бог мог создать Вселенную, в которой некоторые вещи были бы абсолютно непознаваемы. Кроме того, мысль о воздействии на расстоянии — что одна элементарная частица могла моментально повлиять на другую за триллион миль от нее — была полным попранием специальной теории относительности. Ничто не могло превзойти скорость света, и тем не менее находились физики, настаивавшие на том, что на субатомном уровне информация каким-то образом могла обгонять свет. (Между прочим, никто так и не объяснил, каким образом элементарным частицам удается такое достижение. По словам физика Якира Ааронова,[143]ученые решили эту проблему, «просто перестав о ней думать».[144])

Вдобавок ко всему сказанному, квантовая физика породила невиданный до тех пор уровень беспорядка. Для объяснения свойств Вселенной вдруг потребовалось два набора законов — квантовая теория для мира очень малых величин и теория относительности для Вселенной больших расстояний. Гравитация из теории относительности блестяще объясняла, почему планеты обращаются по орбитам вокруг звезд и почему галактики имеют тенденцию к скучиванию, но оказалось, что она не имеет никакого влияния на уровне элементарных частиц. Для объяснения того, что же связывает атом воедино, требовалась некая иная сила, и в 1930-х годах были обнаружены сразу две таких: сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие. Сильное взаимодействие скрепляет атомы воедино; это оно дает возможность протонам удерживаться вместе в ядре. Слабое взаимодействие отвечает за более разнообразный круг задач, главным образом относящихся к управлению скоростью определенных видов радиоактивного распада.

Слабое ядерное взаимодействие, несмотря на свое название, в десять миллиардов миллиардов миллиардов раз сильнее тяготения,[145]а сильное взаимодействие еще мощнее, причем намного. Но их влияние ограничивается крайне малыми расстояниями. Сильное взаимодействие распространяется всего на стотысячную часть диаметра атома. Вот почему ядра атомов такие компактные и плотные, а элементы с большими переполненными ядрами такие нестойкие: сильное взаимодействие просто не может удержать все их протоны.

Кончилось тем, что у физиков на руках оказалось два набора законов — один для мира очень малых величин, другой для большой Вселенной, — существующих отдельно друг от друга. И это тоже не нравилось Эйнштейну. Остаток жизни он посвятил попыткам найти способ связать эти свободные концы в одну Единую теорию и неизменно терпел неудачи. Время от времени он думал, что ему это удалось, но в конечном счете узел всегда развязывался. Со временем он все более оказывался в стороне от господствующих направлений в науке, и порой его даже немного жалели. Сноу писал, что почти все без исключения «его коллеги считали и считают поныне, что вторую половину жизни он растратил впустую».

Однако в других областях был достигнут реальный прогресс. К середине 1940-х годов ученые чрезвычайно глубоко изучили атом — чересчур эффектно продемонстрировав это в августе 1945 года, когда взорвали пару атомных бомб над Японией.

На тот момент физикам можно было простить их убеждение, что они почти покорили атом. В действительности же все в физике элементарных частиц становилось значительно сложнее. Но прежде чем взяться за этот несколько утомительный рассказ, нам следует подтянуть другую нить нашего повествования, продолжив важный и полезный разговор об алчности, обмане, злоупотреблении наукой, о случаях бесполезной гибели людей и об окончательном определении возраста Земли.

Дата добавления: 2014-11-20