Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - [23]

Большая часть звезд первого поколения во Вселенной уже не существует, поскольку они давно взорвались как сверхновая, выбросив в космос большую часть своего содержимого и оставив сжатую материю в виде нейтронных звезд или черных дыр. Более тяжелые элементы – то есть все элементы периодической системы, кроме железа, – образуются только благодаря таким бурным событиям, как слияния новых, сверхновых и нейтронных звезд. Чем выше температура и чем экстремальнее условия в звезде, тем глубже процесс ядерного синтеза и тем более тяжелые элементы смогут образоваться – серебро, золото, свинец или уран. Это объясняется тем, что температура и плотность внутри звезды, необходимые для образования тяжелых элементов, достигаются в этот последний, драматический момент жизни звезды, когда она подвергается сильнейшему сжатию и при этом интенсивно сбрасывает внешние слои.

Материя, извергаемая при взрыве звезды, смешивается с межзвездным газом и может снова собираться в сгустки, образуя звезды следующего поколения. Тот факт, что на Земле есть такие тяжелые элементы, подтверждает, что наше Солнце является звездой по крайней мере второго поколения. Вот почему, как вы, наверное, слышали, иногда говорят, что мы буквально состоим из звездной пыли, поскольку многие атомы нашего тела сформировались именно внутри звезд.

Теперь, когда, как я надеюсь, я дал вам некоторое представление о том, как была образована материя во Вселенной, а также о тесных взаимосвязях между материей и энергией, пространством и временем, мы готовы окунуться в микрокосм, в мир совсем малого, который нельзя описать в терминах общей теории относительности. Пора исследовать квантовую механику, которая считается вторым столпом физики.

Глава 5. Квантовый мир

В 1799 году Джозеф Бэнкс, президент Королевского общества в Лондоне, основал новое учреждение, Королевский институт Великобритании, имевший целью внедрение «полезных механических изобретений и усовершенствований», а также «чтение [широкой публике] курсов философских наук и экспериментов». С тех самых пор институт организует открытые лекции и мероприятия, в том числе Пятничные вечерние дискуссии в лекционном театре Фарадея, которые являются неотъемлемой частью его программы со времени их учреждения самим Майклом Фарадеем в 1826 году. Я имел честь читать две такие лекции, на последней, в 2013 году, я рассказывал как раз о квантовой механике.

Квантовую механику совершенно справедливо считают самой увлекательной и одновременно самой запутанной и непонятной научной теорией, порожденной человеческим разумом. На лекции в Королевском институте я обсуждал знаменитый «эксперимент с двумя щелями», который американский физик Ричард Фейнман назвал «главной тайной квантовой механики». Я описал, насколько поразительны оказались результаты этого эксперимента: субатомные частицы, которые одна за другой направляли на экран с двумя узкими щелями, вели себя так, как будто каждая проходила сквозь обе щели одновременно, и на втором экране возникала картина интерференции. Затем я бросил публике вызов: если кто-то может предложить логическое объяснение причин этого явления, им следует связаться со мной, ибо они, безусловно, достойны получения Нобелевской премии.

Я высказал это шутливое предложение, поскольку хорошо знал, что пока никто никогда не мог предложить простое объяснение этого классического эксперимента, несмотря на многолетние споры и хитроумные опыты, которые заставили физиков признать, что у этого явления нет простого, логического объяснения. Материя в квантовом мире ведет себя таким образом, и нам остается только это принять. Кроме того, когда я бросил аудитории этот вызов, я считал, что обращаюсь только к той паре сотен человек, которые сидели в зале в тот пятничный вечер. Однако Королевский институт публикует большую часть своих образовательных материалов в интернете, что произошло и с моей лекцией. С тех пор я получил уже сотни писем от ученых-самоучек со всего мира, где они утверждают, что раскрыли эту тайну, а физики до них просто забыли учесть тот или иной аспект или механизм.

Раньше я им отвечал, но, признаюсь, бросил это дело. Так что позвольте мне здесь загладить свою вину перед теми, кто продолжает биться над тайнами квантовой механики, и описать некоторые важнейшие ее особенности, не поддающиеся интуитивному пониманию. В этой главе мы бегло рассмотрим то, что этот второй столп современной физики говорит нам о микрокосме. Поскольку моя научная деятельность, которой пошел уже четвертый десяток лет, связана с изучением квантовой механики и ее применением сначала в ядерной физике, а затем в молекулярной биологии, вас не должно удивить, что я считаю ее самой мощной и важной теорией в науке вообще. В конце концов, именно на ее основе в большой степени строятся современные физика и химия, и она произвела революцию в нашем понимании того, как из мельчайших строительных блоков создается весь наш мир.

Азбука квантовой механики

К концу XIX века статус физики, как тогда казалось, окончательно определился. Уже были открыты механика Ньютона, электромагнетизм и термодинамика (о которой я расскажу в главе 6), и стало ясно, что все эти три области в совокупности прекрасно объясняют движение и поведение предметов обычного размера и практически все явления, которые мы наблюдаем вокруг, от пушечного ядра до часов, от грозы до паровоза, от магнита до мотора, от маятника до планет. Изучением всех этих объектов в совокупности занимается так называемая классическая физика, и это то, что нам в основном до сих пор преподают в школе. Однако классическая физика, как бы она ни была хороша, не дает нам полной картины. Когда ученые обратили внимание на микроскопические составляющие материи, атомы и молекулы, они открыли новые явления, которые не удавалось объяснить с помощью известной им физики. Казалось, что законы и уравнения, которыми они привыкли пользоваться, больше не работают. Физике предстояло испытать тектонический сдвиг.