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

1

Перевод С. Я. Маршака. (Здесь и далее, кроме спец. оговоренных случаев — прим. перев.).

2

Вольфганг Эрнст Паули (1900–1958) — швейцарский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике за 1945 г.

3

Поль Валери (1871–1945) — французский поэт, эссеист, философ. Цитата взята из сборника «Дурные мысли и прочее» (1941). Перевод В. Козового.

4

Джон Арчибальд Уилер (1911–2008) — американский физик-теоретик, член Национальной академии наук США. Научные работы Джона Уилера относятся к ядерной физике, проблеме термоядерного синтеза, специальной и общей теории относительности, единой теории поля, теории гравитации, астрофизике.

5

На самом деле Комптон использовал не видимый свет, а рентгеновские лучи. Это высокоэнергетическое излучение настолько обаятельно, что запросто выманивает электроны из атомов. Фактически они реагируют на рентгеновские лучи так, как если бы были свободно плавающими электронами, а не частицами, связанными прочными узами с атомным ядром. (Прим. автора).

6

Как ни удивительно, но понятие «относительность» могло стать естественным и даже не слишком выдающимся продуктом физики шестнадцатого века. Уже после открытия Эйнштейна многие поняли, что относительность, по сути своей, — неизбежное следствие двух вещей. Первая заключается в том, что законы физики выглядят одинаково независимо от того, каким манером вы движетесь, лишь бы скорость движения оставалась постоянной. Например, если два человека перебрасываются мячом, то форма траектории мяча будет одной и той же как в том случае, когда люди развлекаются в поле, так и в том случае, когда они резвятся в поезде, мчащемся со скоростью 100 километров в час. Вторая — это то, что законы физики выглядят одинаково независимо от вашего размещения в трехмерном пространстве. И вовсе не обязательно что-то там предполагать насчет скорости света, как это сделал Эйнштейн. Относительность вполне могла быть открыта Галилеем. См. статью Митчелла Фейгенбаума «Теория относительности — дитя Галилея» (http://xxx.lanl.gov/abs/0806.1234). (Прим. автора).

7

В действительности она выдержала даже больше, чем проверку временем, с тех пор как выяснилось, что не только вещества, но и все остальное в природе — зернистое. «Зернышко» — таково значение слова «квант» в квантовой теории [Разумеется, только в квантовой теории — и, конечно же, это мнение автора. Потому что на самом деле значение слова «квант» совсем иное. Quantum на латинском языке означает «сколько», от латинского же quantus — «сколько; как много». Прим. перев.]. Квант — невидимая крупинка чего-либо. Вещество состоит из квантов. А также энергия, электрический заряд, время и так далее. Мы живем в фундаментально зернистом мире.(Прим. автора).

8

Томас Юнг (принято Юнг, но правильнее Янг, 1773–1829) — английский физик, врач, астроном и востоковед, один из создателей волновой теории света.

9

Цит. по: В. Гейзенберг. Физика и философия. Перевод с немецкого И. А. Акчурина и Э. П. Андреева. — М.: Наука, 1989.

10

Всегда остается возможность, что «под» квантовой теорией существует еще более глубинный уровень реальности и что разнообразные вероятности определяются факторами, действующими на этом уровне, так же как вращение костей при броске определяется факторами пространства, окружающего кости. Эту возможность продолжают исследовать некоторые ученые, например английский физик Энтони Валентини и голландский физик Герард ‘т Хоофт, лауреат Нобелевской премии по физике за 1999 год. Однако они остаются в меньшинстве. Судя по всему, квантовая теория прекрасно работает при том условии, что непредсказуемость — действительно фундаментальная основа природы, ее нижний этаж, так что большинство физиков не видят веских причин заглянуть куда-нибудь поглубже.(Прим. автора).

11

Другая горькая ирония заключается в том, что, в 1900 году, когда Планк предположил существование кванта, лорд Кельвин, один из величайших физиков своего времени, изучив достижения своих коллег, изрек: «В настоящее время в физике ничего нового открыть невозможно. Все, что нам остается, — это дальнейшее уточнение результатов измерений». Как же он ошибался! (Прим. автора).

12

Эксперимент Юнга с двумя прорезями — один из поворотных в истории науки. Однако сегодня вы можете доказать, что свет — это волна, при помощи лазерной указки и металлической линейки. Просто посветите лазером под очень маленьким углом вдоль линейки, так чтобы узенький луч высветил деления, наиболее близкие к источнику света. Каждое деление будет работать как вторичный источник концентрических световых волн, которые, распространяясь в пространстве, проходят друг сквозь друга. Там, где они усиливают друг друга, возникнут яркие пятна, и эти пятна обязательно проявятся, особенно если на пути света попадется белая стена. Строго говоря, эти пятна — результат «дифракции», явления, тесно связанного с интерференцией, но в любом случае несомненно характерного для волн.(Прим. автора).

13

Ричард Филлипс Фейнман (1918–1988) — выдающийся американский ученый. Один из создателей квантовой электродинамики. Предложил партонную модель нуклона (1969), теорию квантованных вихрей. Реформатор методов преподавания физики в вузе. Лауреат Нобелевской премии по физике 1965 г. Приведенная цитата взята из знаменитых «Фейнмановских лекций по физике»: Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Перевод с английского А. В. Ефремова, Г. И. Копылова, О. А. Хрусталева. — М.: Мир, 1965.— Вып. III. Гл. 38.

14

Адриан Митчелл (1932–2008) — английский поэт, романист и драматург. Один из критиков назвал его «британским Маяковским».

15

См. главу 1.(Прим. автора).

16

Двойное название объясняется тем, что закон был независимо переоткрыт французским физиком Эдмом Мариоттом (1620–1684) в 1679 г.

17

Замечание, сделанное Эйнштейном в апреле 1921 г., во время его первого визита в Принстонский университет. Цит. по: Ronald W. Clark, Einstein: The Life and Times, New York: Avon Books, 1971.

18

Проблема заключалась в том, что есть исключения — элементы, атомные веса которых не кратны атомному весу водорода. Например, атомный вес хлора — 35,5. Праут не знал, что хлор бывает нескольких видов (речь идет об изотопах), атомный вес каждого вида в точности кратен атомному весу водорода, но в среднем получается именно 35,5.(Прим. автора).

19

По сути, альфа-лучи, испускаемые радием, — не что иное, как ядра атомов гелия, но тут мы немного забегаем вперед. Просто к тому моменту, когда Резерфорд обнаружил их, они уже соединились с электронами, и получились именно атомы гелия.(Прим. автора).

20

На самом деле есть еще третий тип лучей, которые может испускать радиоактивное вещество. Это «гамма-излучение» — высокоэнергетическое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны.(Прим. автора).

21

Термин «ядро» не использовался до 1912 года.(Прим. автора).

22

Из эссе Чарлза Перси Сноу «Резерфорд». Перевод Г. Льва. Цит. по: Ч. П. Сноу. Портреты и размышления. — М.: Прогресс, 1985.

23

См. главу 1.(Прим. автора).

24

Темная энергия невидима и заполняет все пространство, а его гравитационная сила отталкивания ускоряет расширение Вселенной. Плотность этой энергии ошеломительна: она выражается числом, где за единицей следуют 120 нулей. И все же это меньше, чем величина, предсказываемая квантовой теорией — лучшим объяснением реальности на сегодняшний день.(Прим. автора).

25

Де Бройль думал, что волны материи — и впрямь волны материи. Но вспомним, что волна, ассоциированная с частицей подобной электрону, гораздо более абстрактна. Это вероятностная волна, которая распространяется в соответствии с уравнением Шрёдингера, и высота этой волны в любом месте — строго говоря, квадрат высоты — определяется шансом, или вероятностью нахождения здесь частицы.(Прим. автора).

26

Другое популярное объяснение заключается в том, что существует бесконечное количество параллельных реальностей, «сброшюрованных» как страницы бесконечной книги. Эта «многомировая интерпретация» предполагает следующее: когда частица находится в суперпозиции, соответствующей пребыванию в двух местах одновременно, на самом деле она пребывает в двух местах не одной и той же реальности; то есть одно «место» — в одной реальности, а второе — в «соседней». С этой точки зрения частица проходит только через одну прорезь в светонепроницаемом экране, но интерферирует она с частицей, которая прошла сквозь другую прорезь в соседней реальности.(Прим. автора).

27

Здесь мы по-прежнему говорим об «акте наблюдения», или взаимодействии пули со стенкой, отчего пуля начинает некоторым образом рыскать из стороны в сторону. Другими словами, мы говорим, что неопределенность не свойственна частице «от рождения», она порождается актом наблюдения. На самом же деле неопределенность именно свойственна частице. Лучшая иллюстрация этого — декогерентность, распад суперпозиционных состояний.(Прим. автора).

28

Цит. по: Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Перевод с английского А. В. Ефремова, Г. И. Копылова, О. А. Хрусталева. — М.: Мир, 1965. — Вып. III. Гл. 38.

29

Здесь имеется в виду «масса покоя». Некоторые частицы, такие, как фотоны, не имеют массы покоя. Они рождены, чтобы двигаться со скоростью света, и не могут существовать в покое по отношению к чему-либо или кому-либо.(Прим. автора).

30

См. главу 2.(Прим. автора).

31

Конечно, ширина и долгота используются, чтобы точно определить местоположение на поверхности земного шара. Но это возможно только потому, что все точки на поверхности находятся на одном и том же расстоянии от центра Земли.

32

Этим подчеркивается лишь то, что квантовая теория — просто-напросто еще одна теория о том, что мы может узнать или измерить, — а это, собственно, и есть смысл любой научной теории. Если мы знаем только результат события — например, результат взаимодействия между двумя идентичными частицами, — мы не вправе спрашивать, откуда этот результат взялся. В сущности, такой вопрос «незаконен» с точки зрения науки. Он лишен смысла. Как сказал Нильс Бор: «Квантового мира не существует. Есть только абстрактное физическое описание. Ошибочно думать, что задача физики — выяснить, что там такое природа. Физику заботит, что мы можем сказать о природе». [Это высказывание Нильса Бора было впервые приведено его сотрудником Оге Петерсеном в статье «Философия Нильса Бора» («Бюллетень ученых-атомщиков». Т. 19. № 7. Сентябрь, 1963) Прим. перев.]. (Прим. автора).

33

«Стрела» и «стрелка» в русском языке — по сути, одно и то же слово, в отличие от английского языка, где стрела — это arrow, а стрелка часов — hand. Тем не менее образ удобный и внятный, искать ему замену было бы неправильно, просто нужно помнить, что, когда речь идет о вероятностях, употребляется слово «стрела», а в реальных часах фигурируют, конечно же, «стрелки».

34

На самом деле все частицы с полуцелым спином —1/2, 3/2, 5/2 и так далее — фермионы, а частицы с целым спином — 0,1,2 и так далее — бозоны.(Прим. автора).

35

Доказать, что частицы со спином 1/2 (или, в общем случае, частицы с полуцелым спином) подчиняются принципу запрета, было очень непросто. Только в 1940 году — спустя 16 лет после того, как он сформулировал принцип запрета, — Паули доказал так называемую теорему о связи спина со статистикой.(Прим. автора).

36

Первый намек на существование спина дало то наблюдение, что «вращение» электрона направлено по магнитному полю. Когда электрон в атоме перепрыгивает из одного состояния в другое — совершает так называемый квантовый скачок, — он испускает или поглощает свет с энергией, равной разнице между энергиями в этих состояниях. Однако в магнитном поле свет может иметь два немного различных значения энергии — чуть больше и чуть меньше положенного. Объясняется это тем, что спин электрона может быть направлен по полю или против поля и каждому из этих направлений соответствует свое значение энергии, немножко отличное от второго. Интересно, что Паули сформулировал свой принцип запрета до того, как американские физики голландского происхождения Сэмюэл Гаудсмит (1902–1978) и Джордж Уленбек (1900–1988) открыли собственно спин электрона в 1925–1926 годах. Хотя Паули ничего не ведал про спин, он тем не менее знал о двузначности (zweideutigkeit) энергетических состояний электрона в магнитном поле.(Прим. автора).

37

См. главу 2.(Прим. автора).

38

Отто Штерн (1888–1969) — немецкий физик, выдающийся экспериментатор. В числе его заслуг — открытие спина, измерение атомных магнитных моментов, демонстрация волновой природы атомов и молекул, открытие магнитного момента протона. Лауреат Нобелевской премии по физике в 1943 г.

39

Восторженная реплика Джеймса Франка по данному поводу заслуживает того, чтобы ее здесь привести: «Сам радиус действия этого эффекта заставляет признать Паули величайшим теоретиком всех времен!»

40

Джон Фредерик Вильям Гершель (1792–1871) — английский астроном и физик, сын Уильяма Гершеля. Был известен также как замечательный оратор и популяризатор науки. Его «Очерки по астрономии», выдержавшие с 1849 по 1893 г. двенадцать изданий, долгое время служили образцом популярной книги по астрономии.

41

Если кому-то хочется знать точнее — пожалуйста: масса Солнца составляет 1,99 •10³⁰кг.

42

Единственное, в чем проявляется состав сгораемого тела, так это в том, насколько быстро оно теряет тепло, а последнее зависит от количества свободных электронов, поскольку именно свободные электроны, как выяснилось, прекрасно умеют «рассеивать», или перенаправлять, излучаемое тепло, тормозя его выход из центра тела во внешнее пространство. Объект, состоящий преимущественно из водорода, располагает всего одним свободным электроном на каждое атомное ядро, чтобы удерживать внутреннее тепло, тогда как у объектов, состоящих из более тяжелых атомов, свободных электронов больше.(Прим. автора).

43

Анаксагор из Клазомен (ок. 500 до н. э. — 428 до н. э.) — древнегреческий философ, математик и астроном, основоположник Афинской философской школы.

44

Анаксагор мог позволить себе быть точным — ведь он первым понял, что Луна непрозрачна, а потому, проходя перед Солнцем, отбрасывает на Землю тень. Он смог оценить размер тени со слов очевидцев — главным образом моряков — во время кольцеобразного солнечного затмения 478 года до нашей эры. Тень накрыла Пелопоннесский полуостров, из чего Анаксагор сделал вывод: Луна «столь же велика, сколь и Пелопоннес», а Солнце, следовательно, «во много раз больше Пелопоннеса».(Прим. автора).

45

См. главу 3.(Прим. автора).

46

Первоначально Гершель окрестил Уран «Звездой Георга» (Georgium Sidus) в честь короля Великобритании Георга III. Не так уж много людей знают это.(Прим. автора).

47

Эта оценка была сделана в 1658 году ирландским архиепископом Джеймсом Ашшером. (Прим. автора).

48

Надо сказать, что в 1862 г. Уильям Томсон еще не был лордом Кельвином. Королева Виктория пожаловала ученому пэрство с титулом «барон Кельвин» в 1892 г. Однако в литературе чаще встречается именно лорд Кельвин, а не Уильям Томсон — вне зависимости от того, о каком периоде жизни ученого идет речь. Автор данной книги повсюду именует Уильяма Томсона просто Кельвином. Это, разумеется, неточность (если не сказать фамильярность). «Кельвин» — не имя и не фамилия, а титул, который полностью звучит так: «1-й барон Кельвин из Ларгса» (при этом Ларгс — город, а Кельвин — река, близ которой располагалась лаборатория Уильяма Томсона, работавшего и преподававшего в Университете Глазго). Тем не менее авторское «Кельвин» повсюду сохранено.

49

Более сложное объяснение этого явления требует использования закона сохранения энергии. В процессе откачивания энергия движения поршня превращается в тепловую энергию воздуха позади поршня — другими словами, вызывает хаотичное, бешеное движение молекул воздуха.(Прим. автора).

50

См. главу 2.(Прим. автора).

51

Если распад атома непредсказуем, это предполагает следующее: допустим, вы наблюдаете за ним, скажем, десять минут, затем следующие десять минут, еще десять минут, и так далее, — сколько бы вы ни наблюдали, у атома одни и те же шансы на то, что он распадется в любой из этих десятиминутных интервалов. Если же шансы не равны и, положим, более вероятен распад между 30-й и 40-й минутами, а не в любой другой интервал, тогда очевидно, что его поведение уже не непредсказуемо — вы знаете, что он, скорее всего, распадется между 30-й и 40-й минутами. Теперь предположим, что у нас есть образец, содержащий большое количество радиоактивных атомов. И вероятность того, что они распадутся в первые десять минут, — допустим, 1/2. Следовательно, по прошествии десяти минут половина атомов не распадется, а половина — распадется. Спустя двадцать минут распадется половина из тех, что остались, то есть четверть, и так далее. Этот простенький пример показывает, как равные шансы распада в каждый десятиминутный интервал приводят к закону радиоактивного распада с периодом полураспада в 10 минут. А вот что не столь уж просто для понимания, так это следующее: даже если вероятность распада атома в любой конкретный период времени будет составлять 1/10,1/63 или 0,000 023, из этого в любом случае воспоследует все тот же закон радиоактивного распада, характеризующийся специфическим периодом полураспада для каждого радиоактивного элемента.(Прим. автора).

52

Следует заметить, что автор несколько упростил и даже исказил высказывание Резерфорда. В полном виде оно звучит так: «В этих процессах мы могли бы получить гораздо больше энергии, чем ее дает протон, однако на круг мы не стали бы ожидать, что можно извлекать энергию таким образом. Это очень скудный и неэффективный способ производства энергии, и все, кто искали источник энергии в трансформации атомов, несли вздор. Тем не менее сам предмет был интересен с научной точки зрения, потому что он позволил заглянуть внутрь атома…» Под «процессами» имеются в виду эксперименты по расщеплению лития, проведенные учениками Резерфорда Джоном Кокрофтом (1897–1967) и Эрнестом Уолтоном (1903–1995) в 1932 г. (в будущем Кокрофт и Уолтон поделят Нобелевскую премию по физике за 1951 г. «за исследовательскую работу по превращению атомных ядер с помощью искусственно ускоряемых атомных частиц»). А свое знаменитое высказывание Резерфорд сделал, произнося речь на съезде Британской ассоциации развития науки 11 сентября 1933 г. На следующий день речь Резерфорда была опубликована в газете «Таймс». Эти слова ученого постоянно цитируют, и очень часто они приводятся как пример недальновидности великого физика. В защиту Резерфорда надо сказать, что он не так уж и ошибался. Ведь речь шла о расщеплении лития, легкого элемента, а такие процессы действительно требуют больших энергетических затрат, плохо соизмеримых с выходом энергии, и практической пользы от такого ядерного деления мало. Расщепление атомов легких элементов, осуществляемое на современных ускорителях, и в наши дни остается очень неэффективным способом получения энергии.

53

При всем уважении к автору данной книги приходится поправить его и в этом случае. Видимо, между автором и Резерфордом сложились какие-то непростые вневременные отношения (великий физик умер за 22 года до рождения Маркуса Чоуна). Дело в том, что приведенная здесь цитата взята из классической работы Эрнеста Резерфорда и его соратника Фредерика Содди (лауреата Нобелевской премии по химии 1921 г.) «Радиоактивное превращение», опубликованной в шестом номере «Лондонского, Эдинбургского и Дублинского философского научного журнала» за 1903 г., то есть за тридцать лет до того, как Резерфорд произнес свои знаменитые слова о «вздоре». Совершенно явно, что этой работой он никак не мог «взять свои слова назад». Более того, именно в статье «Радиоактивное превращение» Резерфорд и Содди пришли к выводу, что «энергия радиоактивных превращений по крайней мере в 20 000 раз, а может, и в миллион раз превышает энергию любого молекулярного превращения», и в любом случае «энергия, скрытая в атоме, во много раз больше энергии, освобождающейся при обычном химическом превращении». Чрезвычайно прозорливые слова! Можно повторить дату: 1903 г.

54

Цит. по: Дэвид Боданис. Е=mc². Биография самого знаменитого уравнения в мире. Перевод с английского С. Ильина. — М.: КоЛибри, 2009.

55

На самом деле все, что сделали Аткинсон и Хоутерманс, — это поставили с ног на голову идею, высказанную их коллегой Георгием Гамовым. Он первым применил квантовую теорию к атомным ядрам, пытаясь объяснить радиоактивный альфа-распад, при котором ядро гелия на сверхвысокой скорости вылетает из нестабильного ядра тяжелого элемента, например радия. Проблема в том, что альфа-частицы не обладают достаточной энергией, чтобы выбраться из своей ядерной тюрьмы, — они замурованы в самом низу шахты, — и тем не менее они находят способ выбраться, спонтанно появляясь на нижних склонах ядерного холма. Гамов понял, что ключом к этому их поведению в стиле Гарри Гудини служит квантовая природа альфа-частиц. Хотя у них недостаточно энергии, чтобы добраться до верха шахтного ствола, их распределенная в пространстве «волнистость» позволяет частицам «туннелировать» сквозь склон холма на свободу.(Прим. автора).

56

Цит. по: Роберт Юнг. Ярче тысячи солнц. Перевод В. Н. Дурнева. — М.: Государственное издательство литературы в области атомной науки и техники, 1961.

57

Георгий Антонович Гамов (также известен как Джордж Гамов, 1904–1968) — советский и американский физик-теоретик, астрофизик и популяризатор науки. В 1933 г. покинул СССР, став «невозвращенцем». В 1940 г. получил гражданство США. Член-корреспондент АН СССР (с 1932 по 1938 г., восстановлен посмертно в 1990 г.). Член Национальной академии наук США (1953). Известен своими работами по квантовой механике, атомной и ядерной физике, астрофизике, космологии, биологии.

58

Джон Дайсон Фримен (р. 1923) — американский физик-теоретик английского происхождения. Один из создателей квантовой электродинамики. Высказывание Дайсона процитировано в книге Джона Барроу и Фрэнка Типлера «Антропный космологический принцип» (1986).

59

Перевод К. Чуковского.

60

Цит. по: Огюст Конт. Курс позитивной философии: в 6 томах. Полный перевод с последнего 5-го французского издания под редакцией, с примечаниями и статьями профессоров С. Е. Савича, С. П. Глазанала, О. Д. Хвольсона, Д. И. Менделеева, К. И. Тимирязева, А. С. Лаппо-Данилоевского, И. М. Гревса и Н. О. Лосского, с приложением статьи профессора Н. И. Кареева. — СПб, 1901, — Книга II. Глава I.

61

Это не совсем так. Густав Роберт Кирхгоф проводил свои опыты в 1854 г., а Огюст Конт умер в 1857-м. Конечно, французский философ знал о новейших достижениях естественных наук, просто он до последних дней продолжал стоять на своем.

62

Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Перевод с английского А. В. Ефремова, Г. И. Копылова, О. А. Хрусталева. — М.: Мир, 1965. — Вып. I. Гл. 3.

63

Цит. по: Алекс Виленкин. Мир многих миров. Физики в поисках параллельных вселенных. Перевод с английского А. Сергеева. — М.: ACT: Астрель: CORPUS, 2010.

64

Впоследствии выяснилось, что легчайшие ядра, такие, как дейтерий — тяжелый водород — и гелий, все-таки были сделаны в огненном шаре Большого взрыва. По сути, в итоге десятиминутной бури ядерных реакций примерно 10 % ядер стали ядрами гелия; эту пропорцию мы видим сегодня по всей Вселенной, и то, что реальность совпала с картиной, предсказанной физиками, преподносится как один из главных триумфов модели Большого взрыва.(Прим. автора).

65

Хойл был одним из тех ученых, которые часто оказываются правы даже в тех случаях, когда они ошибаются. Хотя разработанный им механизм образования красных гигантов был неверен, холодные, плотные, темные облака газообразного водорода, обоснованные Хойлом, действительно существуют. Это и есть те места, где рождаются новые звезды. Астроном оказался прав и в другом. Предложенная им «аккреция» — процесс, в ходе которого звезды собирают вокруг себя газообразный водород, — один из самых важных и наиболее распространенных процессов во Вселенной. Помимо всего прочего аккреция питает чудовищные «сверхмассивные» черные дыры, которые таятся в сердце практически любой галактики, включая наш с вами Млечный Путь.(Прим. автора).

66

На самом деле звезда должна иметь массу, по меньшей мере троекратно превышающую массу Солнца, чтобы ее температура достигла 100 миллионов градусов.(Прим. автора).