Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной - [2]

Еще одна тема, к которой я здесь возвращаюсь, с тем чтобы сказать больше и лучше, — бесконечное разнообразие мира, в котором мы живем. В конечном счете этим разнообразием мы обязаны принципу Паули, который запрещает электронам сидеть друг на друге и, таким образом, отвечает за то, что существует много видов атомов, а не только один. Я знал, что в книге «Квантовая теория не может вам навредить» мое объяснение было неполным. Я сумел показать, как природа позволяет двум, казалось бы, неразличимым частицам проявлять две отчетливо различимые манеры поведения: либо стадную, либо асоциальную. Затем я сообщил, что природа пользуется обеими возможностями. Частицы с определенным типом «спина» получаются асоциальными — например, электроны, — тогда как частицы с другим типом спина — допустим, как фотоны — ведут себя как стадо. Но вот что я не пояснил: какое, черт побери, отношение имеет спин к поведению, выбираемому частицей?! Я дал только половину объяснения. В свое оправдание могу сказать, что самому Вольфгангу Паули[2], предложившему принцип запрета в 1925 году, потребовались пятнадцать лет, чтобы объяснить, каким образом спин увязывается с «общественным» или «антиобщественным» поведением частиц. Лишь в 1940 году он сформулировал свою теорему о связи спина со статистикой. Поэтому я не считаю, что я так уж плох. Однако надеюсь, что здесь, в этом своем сочинении, я смог дать исчерпывающее объяснение — такое, какого не существует, насколько я знаю, ни в одной другой книге. Все это должно показать, что мое собственное понимание различных вещей и явлений постоянно развивается и что в моих книгах я не только пытаюсь поведать читателям то, что знаю, но и сам всячески стараюсь как можно лучше разобраться в этих вещах и явлениях, дабы удовлетворить собственное любопытство.

Да, я говорю о том, насколько важно для нас разнообразие природы и насколько значительна картина темного ночного неба, но помимо этого я рассуждаю и о другом: сложность нашего мира сообщает нам не только то, что Бог играет в кости со Вселенной (у Эйнштейна эта идея вызывала глубокое отвращение), но также то, что, если бы Он этого не делал, никакой Вселенной не было бы вообще. Я также размышляю о том, как получилось, что однонаправленность времени — причина, по которой мы становимся старше, а не молодеем, — возникла, судя по всему, тогда же, когда «включилась» гравитация, — примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва. Это открытие совершил американский астрофизик Ларри Шульман (р. 1941), пока я писал свою книгу. И еще я описываю открытие Стивена Хокинга, также сделанное, пока я работал над этой книгой: тот факт, что мы живем в не-квантовом мире, в мире, в котором ни один человек никогда не пройдет сквозь две двери одновременно, подразумевает, что в прошлом наша Вселенная претерпела взрывное, сверхбыстрое расширение. Это, безусловно, одно из самых поразительных заключений, к которым нас подталкивает повседневная практика, и вместе с тем оно подчеркивает, насколько уникален гений Хокинга. В книге есть еще много чего другого, однако вступление и так получилось слишком длинным. Надеюсь, вы получите удовольствие от чтения.

Маркус Чоун Лондон Февраль 2009 г.

Часть 1 Что повседневная реальность рассказывает нам об атомах

1. Лицо в окне

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[3]

Нет прогресса без парадокса.

Джон Уилер, 1985[4]

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.

Причина того, что вы видите городские огни за окном и одновременно с этим легкое отображение собственного лица, взирающего на вас, заключается в том, что сквозь стекло проходит 95 процентов света, а 5 процентов — отражаются. Это легко понять, если представить свет в виде волн, подобных ряби на воде, — уж рябь-то всякий видел. Вообразите себе несущийся по озеру катер. От носа катера разбегаются волны. На их пути встречается подтопленное бревно. Большинство волн побегут дальше, словно не встретив никакого препятствия, но малая часть откатится назад. Так и со светом: большая часть волн проникнет сквозь окно, а меньшая — отразится.

Это очень простое объяснение того, почему вы видите в оконном стекле свою собственную персону. Оно явно не подразумевает ничего такого, что имело бы отношение к фундаментальным основам реальности. Однако впечатление обманчиво. Свет — совсем не то, что нам кажется. У него в запасе имеется хитрость, которая опрокидывает эту простую картинку и ставит все с ног на голову. В двадцатом веке физики обнаружили ряд эффектов, из которых следовало, что свет распространяется не как рябь по воде, а как поток частиц, летящих подобно пулям. Взять хотя бы эффект Комптона, выявивший нечто странное в том, как свет отскакивает от электрона — или, иначе говоря, «рассеивается» на нем. Электрон был открыт в 1897 году кембриджским физиком Джозефом Джоном («Джей-Джей») Томсоном. Эта крохотная частица оказалась намного меньше атома и, по сути, представляла собой его ключевую составляющую.