Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - [163]

Невидимое и безостановочное движение окружает нас в прямом смысле слова везде, потому что вещи вокруг нас состоят из колоссального количества малых движущихся частей – молекул и атомов. Подробности этого движения «стерты» для нас, и из всего огромного числа его параметров мы непосредственно ощущаем только один – среднюю энергию движения, по существу являющуюся температурой. Дистанционное проявление внутреннего движения – тепловое излучение. В наших силах оказывается статистическое описание массового движения в терминах вероятностей, с которыми участники движения приобретают различные значения энергии. Сигналы о некоторых свойствах не наблюдаемого напрямую молекулярного движения удается считывать, наблюдая мелкие объекты значительно большего масштаба, чем молекулы. Воздействие на них со стороны молекулярного хаоса порождает специальный вид движения, сводящийся к случайной последовательности смещений; законы реализуемой при этом случайности лежат в основе широко распространенных явлений типа диффузии.

Неконтролируемость молекулярного движения оборачивается низкой эффективностью тепловых машин. Потерянное знание о молекулярном движении численно выражается энтропией. Эта величина, возникшая из законов передачи тепла и лишь затем понятая как мера потерянной информации, оказалась общей, универсально применимой концепцией, использование которой может давать подсказки об устройстве неизвестных частей мира. Она указала на наличие фундаментальной дискретности на субатомном уровне строения мира в тот момент, когда никакие подробности этого строения еще не были открыты; сейчас она же намекает на возможное «внутреннее содержание» черных дыр. Возрастание энтропии в макроскопических процессах отражает перераспределение внутреннего движения по все большему числу возможностей и необратимость подавляющего большинства процессов в мире. Равновесный характер внутреннего движения означает максимум энтропии. Идея использовать знание о поведении молекул для совершения работы затрагивает законы обработки информации, которые на самом фундаментальном уровне оказываются связанными с законами молекулярного движения.

Прогулка 10 Неопределенность и непримиримость

Маршрут:Атом не должен существовать. – Природа не терпит траекторий. – Спасибо неопределенности. – Атом почти не существует. – Вражда, отбирающая свойства. – Господство целых чисел. – Напряженное существование. – Почему Менделеев был прав. – Неугомонные колебания. – Квантовая первооснова. – Кипящая пустота. – Один мир и две системы. – Вращение без движения. – Спин электрона, наконец-то! – Лишняя половина, и такая разница. – Про что же уравнение?

Главный герой:непримиримая вражда

Атом не должен существовать. Неожиданно скоро после того, как окончательно утвердилась реальность атомов, случился «взрыв внутрь» – проникновение вглубь атома[198]. Атом оказался делимым и сложенным из некоторого числа «деталей», которые, очевидно, не могли не пребывать в движении, но одновременно с этим должны были соединяться между собой каким-то относительно устойчивым образом. Эти требования оказались взаимно противоречивыми. Для понимания происходящего потребовался переворот во взглядах на движение и, как следствие, на устройство мира, кульминация которого – неповторимая эпоха Sturm und Drang («бури и натиска») – пришлась на 1925–1926 гг., когда была сформулирована новая механика, названная квантовой. Слово «механика» указывает на изучение движения, в первую очередь с точки зрения его причин, т. е. выражает желание ответить на вопрос о том, что будет, исходя из того, что имеется сейчас, если известны все действующие факторы. Смысл же прилагательного «квантовая» оказался значительно шире, чем у слова «квант», как его использовал Планк[199].

Начало этой цепочки событий пришлось на 1908–1911 гг., когда – всего через несколько лет после смерти Больцмана – для прощупывания внутренности атомов удалось использовать движение. Идея была близка к следующему, довольно затратному способу знакомства с окрестным ландшафтом. Если перед вами находится начисто затянутая туманом узкая полоса зеленых насаждений (деревьев или кустов), то способ разобраться, что там скрыто от глаз, – усердно бросать в туман камни и фиксировать, пролетают ли они насквозь. Из моего пристрастия к рогаткам можно, наверное, сделать вывод, что в детстве я не настрелялся вволю, но здесь и правда подойдет хорошая рогатка, используемая с некоторым «стандартным» натяжением. Через кустарник камни будут пролетать насквозь, испытывая лишь небольшое влияние встреченного ими по дороге, но в случае отдельно стоящих деревьев вроде сосен картина будет иной: камни или пролетят через исследуемую область без какого-либо сопротивления, или, в достаточно редких случаях, вообще не пролетят насквозь, из чего вы сможете со временем сделать вывод о густоте, с которой посажены деревья, и даже о средней толщине стволов. Революционное предложение состояло в том, чтобы похожим образом простреливать слой вещества. Подходящими «камнями» оказались альфа-частицы (ядра атомов гелия, по другому поводу уже встречавшиеся нам в главе «прогулка 5» и далее; они электрически заряжены и поэтому поддаются ускорению электрическим полем, хотя в первых экспериментах достаточно было скоростей, с которыми они вылетали из радиоактивного источника). Альфа-частицы направили на фольгу из золота толщиной всего в несколько сотен атомов, а затем фиксировали, как они разлетаются; все работало даже лучше, чем с рогаткой, потому что альфа-частицы никогда не оставались где-то внутри, а всегда вылетали,