Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир - Феликс Фликер

за знакомыми нам полями лежал целый еще не открытый мир. В первой статье Эйнштейн изобрел квантовую механику. Во второй он объяснил, как один простой эксперимент подтверждает существование атомов, опираясь на статистическую механику. В третьей разработал специальную теорию относительности. А в четвертой вывел самую знаменитую формулу в мире: E = mc2. Любая из этих статей привела бы к революционным изменениям наших взглядов на мир. Как же ему удалось написать все их сразу? Между всеми четырьмя статьями была скрытая связь: стоит шагнуть за эту границу, за знакомые нам поля, и все они кажутся в равной степени логичными. До этого мы плавали по поверхности моря; Эйнштейн нашел способ заглянуть в его глубины. То, что он обрисовал в этих четырех статьях, и есть современная физика.

В народном сознании Эйнштейн стал архетипическим эксцентричным гением, живым воплощением теоретической физики. Один из моих любимых анекдотов о нем – это история, которую рассказывал его племянник: Эйнштейн любил ходить под парусом, но выходил в море, только когда не было ветра, так как считал, что иначе это слишком просто[61]. Как и любую другую великую магию, работу Эйнштейна можно оценить в три этапа. Сначала вам ясно видно, что это действительно чистая магия. Все знают, что E = mc2, но по большей части даже не пытаются выяснить, что это значит, так как считают, что это так же невозможно, как научиться колдовскому заклинанию. На втором этапе, если вы изучаете его работы в университете, вы узнаете, что многие из приписываемых ему формул были разработаны другими. Например, уравнения, которые описывают искажения времени и пространства, вызываемые относительным движением, создал Хендрик Лоренц. Эйнштейн этого совершенно не скрывал, но в популярных изложениях эти предшествовавшие ему работы часто обходят вниманием. Но затем вы переходите к третьему этапу: прозрения Эйнштейна действительно были волшебными, как это и казалось с самого начала, – но волшебством были вовсе не изысканные математические формулы. Его новаторство было концептуальным, а потому еще более глубоким: оно не требовало тайных знаний. Он предложил интерпретацию истинного смысла уравнений Лоренца и тем упростил наше понимание мира. Наука никогда не развивается в изоляции. В 1950 году Эйнштейна спросили, кого из ученых он уважает больше всего; он назвал Лоренца и Марию Склодовскую-Кюри. Исследования излучения и материи, проведенные Кюри, во многом заложили основу собственных результатов Эйнштейна. Современная физика тоже создавалась не один год. Все те темы, о которых Эйнштейн писал в 1905 году, продолжают разрабатываться и сегодня. По мере понимания все новых подробностей предметы изучения становились все более сложными: получение возможности применять квантовую механику сразу к множеству частиц заняло десятилетия. В результате получилось то, что мы называем квантовой теорией поля. Именно тогда родилась дисциплина, исследующая огромные наборы частиц и их квантовые свойства, – физика конденсированного состояния.

Микроскопический мир, которым управляет квантовая механика, – это мир возможностей и вероятностей, того, что могло бы быть, и того, что должно быть. Уверенные заявления нашей срединной области – например «мои вещи тут» – в квантовой области становятся недостоверными. Там у ваших вещей может быть только вероятность, с которой они могут находиться где бы то ни было. А как только вы их найдете, у них появится вероятность быть в другом месте. Как известно, Эйнштейн считал такое квантовое безумие чрезмерным. В 1926 году он отозвался о квантовой механике в следующих словах:

Эта теория дает немало, но практически не приближает нас к секрету Старика. Как бы то ни было, я убежден, что Он не играет в кости.

Возражения Эйнштейна были вполне основательными: принять квантовую механику – значит признать, что наш мир гораздо волшебнее, чем отваживался его описывать кто бы то ни было из любых авторов фэнтези. В этой главе мы будем лишь скользить по поверхности этой магии, время от времени опуская под волны ведро со стеклянным дном, чтобы бросить взгляд в глубины.

Прежде чем пускаться в такое умопомрачительное путешествие, важно обзавестись надежным якорем. Возьмите талисман; когда вы почувствуете, что падаете в бесконечную бездну, сожмите его, ощутите, как привычно он лежит в руке, как успокаивает его тяжесть, и напомните себе, что некогда вы были в здравом уме и еще вернетесь в это состояние. Талисманом будет один простой факт:

Квантовая механика не была придумана, чтобы сделать мир более волшебным.

Мир и так волшебен.

Квантовая механика – это простейшее из возможных его описаний.

А Старик, несомненно, играет в кости, и мы можем убедиться в этом на опыте.

Существует множество конкурирующих друг с другом философских интерпретаций квантовой механики – предположений относительно того, что ее математические результаты на самом деле говорят о реальности. Определить справедливость этих интерпретаций на опыте невозможно. Я постараюсь не допускать, чтобы поток домыслов смыл нас в это мутное море, по возможности придерживаясь экспериментальных наблюдений. В этой книге я не пытаюсь дать ответы на вопросы, оставшиеся неразрешенными после столетия размышлений. Иметь связную философскую систему важно, но физики, ежедневно использующие квантовую механику, по большей части не особенно тревожатся о том, почему она работает – так же, как автомеханики не размышляют дни напролет о том, как автомобили могут двигаться, если древнегреческие философы утверждали, что любое движение – всего лишь иллюзия. Один прославленный «квантовый механик», корнельский профессор Н. Дэвид Мермин, кратко сформулировал этот подход в следующих словах: «Заткнись и считай!»

Поэтому же квантовая механика должна нас интересовать – потому что она работает. Вспомните наш талисман: мы изобрели магию не ради самой магии. Квантовая механика проверена точнее, чем любая другая теория за всю историю человечества; например, значение ее постоянной тонкой структуры подтверждено экспериментально с точностью до 81 миллионной. Это гораздо более высокая точность, чем та, что использовалась в классической механике при строительстве домов, та, которой мы доверяем в гидродинамике, рассчитывая, что наш самолет полетит. Благодаря квантовой механике мы знаем теперь, как устроены звезды, создаем лазеры для передачи информации интернета по оптоволоконным линиям и пользуемся медицинской томографией. Процесс прохода на ту сторону зеркала с использованием рентгеновской дифракции – это процесс чисто квантовомеханический. Она управляет миром атомов и играет ключевую роль в освоении новых источников энергии – например солнечной и термоядерной энергетики. Она управляет всеми существующими электронными приборами – телефонами, компьютерами, чем угодно. И все это она делает потому, что физика конденсированного состояния – это прикладная квантовая механика.

В предыдущих главах мы видели, как именно наша срединная область возникает из микроскопического мира. Но прочесывая глубины микромасштаба, мы достигаем области