Маркус Чоун - Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной

• Название: Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной
• Автор: Маркус Чоун
• Издательство: Ломоносовъ
• Жанр: Научпоп
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-91678-095-6

Маркус Чоун — британский ученый, журналист и писатель, один из лучших популяризаторов науки сегодняшнего дня. Мало кто умеет так, как он — просто, доходчиво, с легким юмором, — рассказать о сложнейших научных представлениях, будь то принципы квантовой механики или космологические концепции.

В своей новой книге «Чудеса обычных вещей» Маркус Чоун демонстрирует удивительный, обманчиво простой принцип знакомства с миром современной физики: он берет самые обычные вещи и явления и заставляет их рассказывать о тайнах мироздания, о загадках микро- и макромира.

Под пером Маркуса Чоуна обыкновенное оконное стекло повествует о вероятностях, управляющих Вселенной. Капелька крови на пальце, оставшаяся после укола, делится впечатлениями о процессах, происходящих в глубинах звезд. А заурядная электрическая лампочка и доски пола под ногами превращаются в парадоксальные, загадочные предметы, которые, оказывается, в принципе не должны существовать!

Маркус Чоун (р. 1959) — в прошлом радиоастроном, успешно работавший в Калифорнийском технологическом институте; ныне — постоянный автор журнала «Нью сайентист», теле- и радиоведущий, популяризатор науки.

---

Представьте себе квантовую волну по одну сторону оконного стекла, у нее высокий гребень, поэтому вероятность того, что она обнаружится именно по эту сторону стекла, весьма велика. Теперь представьте себе вторую квантовую волну по другую сторону стекла, также с высоким гребнем. Ничего из ряда вон выходящего пока здесь нет. Но! Поскольку обе волны, каждая сама по себе, возможны, то и комбинация обеих этих волн, или их «суперпозиция», также возможна. В сущности, просто необходимо, чтобы она, эта суперпозиция, существовала. Однако это соответствует тому, что фотон — один фотон! — одновременно пребывает по обе стороны окна. Фотон одновременно и проходит сквозь стекло, и отражается. Но ведь это невозможно?!

Вернемся к эксперименту Юнга с двумя прорезями. Вспомним: чтобы на экране получился интерференционный рисунок, то, что вылетает из одной прорези, должно смешаться с тем, что вылетает из второй прорези. Можно посмотреть на это явление с точки зрения волн. В этом случае квантовые волны, ассоциируемые с каждым фотоном, концентрическими кругами расходятся из прорезей в непрозрачном экране. Но можно посмотреть на то же самое с точки зрения частиц. В этом случае каждый фотон, «упершись» в непрозрачный экран, оказывается в двух разных местах в одно и то же время. Это дает ему возможность пройти сквозь две прорези одновременно и смешаться с самим собой.

Способность фотона совершать две вещи за один присест — прямой результат того обстоятельства, что если возможны две волны, то и комбинация этих двух волн также возможна. Но природа не остановилась только лишь на двух волнах. Если возможно любое количество волн — три, 99 или 6 миллионов, — то возможна и комбинация всех этих волн. Фотон может делать одновременно не только две вещи — он способен делать одновременно сколь угодно много вещей.

Оказывается, есть уравнение — если хотите, рецепт, — которое точно предсказывает, каким именно образом квантовые волны, соответствующие фотону или чему бы то ни было еще, будут распространяться в пространстве. Это уравнение вывел австрийский физик Эрвин Шрёдингер. Его уравнение дает ответ на загадку квантового мира, а загадка эта вот какая: если Вселенная фундаментально непредсказуема и отдана на милость игральных костей, то почему же тогда окружающий мир настолько по большому счету предсказуем? Как получается, что мы почти с полной уверенностью можем предсказать: если человек попадет под дождь, то он промокнет; если солнце зашло вечером, то утром оно взойдет?

Уравнение Шрёдингера показывает: то, что природа забирает одной рукой, другой рукой она с неохотой возвращает обратно. Да, Вселенная фундаментально непредсказуема. Однако — вот он, ключик! — сама непредсказуемость предсказуема. Мы не можем знать наверняка, что будет делать фотон или какая-нибудь другая микроскопическая частица. Но с помощью уравнения Шрёдингера мы можем узнать вероятность того, что он будет делать это, или будет делать то, или поступит третьим образом, и так далее. А этого, оказывается, достаточно, чтобы гарантировать: мы живем по большому счету в предсказуемом мире.

Более того. Квантовая теория — самая успешная из всех когда-либо существовавших физических теорий. Ее предсказания соответствуют тому, что мы видим в экспериментах, с невероятной точностью — эта точность выражается числами просто с непотребным количеством знаков после запятой. Квантовая теория в буквальном смысле «сделала» современный мир: она дала нам не только лазеры, компьютеры и айподы, но также понимание того, почему солнце светит и почему земля под нашими ногами твердая. Ну не парадоксальна ли эта поразительно успешная теория? С одной стороны, она служит нам замечательным пособием по конструированию вещей и пониманию нашего мира, а с другой — открывает окно в мир «Алисы в Стране чудес», который куда более странен, чем все то, что род человеческий наизобретал за свою историю.

Мгновенное воздействие

Итак, фотон делает какие-то вещи без всякой на то причины или может находиться в двух местах одновременно. Если вы думаете, что все это очень плохо, то вы ошибаетесь — дальше будет еще хуже. И вот здесь на сцене снова появляются Эйнштейн, Розен и Подольский. Они ясно обозначили: то, что вытекало из квантовой теории, было, по их мнению, настолько нелепо, что все здравомыслящие люди просто обязаны выбросить эту теорию на свалку. Вспомним о корпускулярной природе световой волны, подразумевающей абсолютную непредсказуемость, и о волновой природе фотонов, которая дает им возможность оказываться в двух местах одновременно. А теперь представим, что эти две природы соединились. Как обнаружила группа Эйнштейна, результатом этого соединения станет новое, еще более диковинное, еще более «потустороннее» явление: мгновенная связь между разными точками пространства, даже если эти точки расположены в противоположных концах Вселенной.

На самом деле для того, чтобы такой фокус получился, требуется еще один, третий ингредиент. Но этот ингредиент настолько фундаментален, что он превосходит квантовую теорию. Речь идет о законе сохранения. Физики открыли несколько таких законов. Например, есть закон сохранения энергии. Он гласит, что энергия никоим манером не может быть создана или уничтожена, она может лишь переходить из одной формы в другую. Например, в лампе накаливания электрическая энергия превращается в энергию света и тепловую энергию. В наших мышечных тканях химическая энергия, по большому счету извлекаемая из пищи, преобразуется в механическую энергию движения мускулов.

В 1918 году одна из величайших невоспетых героинь науки, немецкий математик Эмми Нётер (1882–1935) сделала удивительное открытие в области физических законов сохранения. Она выявила, что эти законы всего лишь следствие глубинных «симметрий» природы — вещей, которые остаются одними и теми же, как и с какой стороны мы их ни разглядывали бы. Например, закон сохранения энергии вытекает из симметрии, именуемой «трансляция времени». Пояснить ее довольно просто. Допустим, мы наметили провести некий эксперимент. Так вот, мы можем осуществить его прямо сейчас, а можем «транслировать» (перенести) по оси времени, скажем, на неделю или год вперед — в любом случае, при прочих равных условиях, мы получим один и тот же результат. Еще одна глубинная симметрия в природе — это «вращательная симметрия». Предположим, проводя эксперимент, мы выстраиваем наше оборудование в направлении север — юг и получаем некий результат. Если теперь мы повернем оборудование и расположим его, скажем, по линии восток — запад, то результат будет тот же. Закон, который вытекает из этой невинной симметрии, — сохранение углового момента (это величина, характеризующая количество вращательного движения). Земля, вращающаяся на своей оси, обладает очень большим угловым моментом, поэтому она, судя по всему, будет вращаться еще очень и очень долго.

Оказывается, микроскопические частицы, такие, как фотон, обладают квантовым свойством, именуемым «спин» («спин» в переводе с английского — «верчение, кружение»). Подобно неодолимой случайности, царящей в квантовом мире, это «верчение» также не имеет никаких аналогов в нашей повседневной жизни. Насколько нам известно, фотоны, летя сквозь пространство, не вертятся, подобно Земле, вокруг своей оси. Спин фотона — вещь сугубо «внутренняя». Тем не менее фотон ведет себя так, будто и впрямь крутится. Точнее говоря, у него есть две возможности: фотон может вести себя так, как если бы он ввинчивался в пространство по часовой стрелке относительно направления своего движения, причем с определенной скоростью вращения, или же он может вести себя так, словно бы ввинчивался в пространство против часовой стрелки, с той же скоростью вращения.

Самое важное здесь то, что квантовый спин подчиняется закону сохранения углового момента. И закон этот, применительно к фотонам, гласит, что если два фотона созданы вместе, то их суммарный спин никогда не изменится. То есть один всегда будет вращаться по часовой стрелке, другой — против. Их спины гасят друг друга. Говоря на языке физиков, суммарный спин двух означенных фотонов равен нулю. В этом случае закон сохранения углового момента требует, чтобы суммарный спин оставался нулевым всегда или пока какой-нибудь процесс не разрушит сами фотоны.

Пока ничего особенного и тем более противоречивого здесь нет.

Однако рассмотрим реальный процесс, при котором создаются два фотона, вертящихся в противоположных направлениях. Электрон — крохотная частица, вращающаяся внутри атома, — имеет своего близнеца — «античастицу», называемую позитроном. Для всех частиц и их близнецов из мира «антивещества» характерно то, что при встрече они взаимоуничтожаются, или «аннигилируют». Теперь следует понять, что электрон и позитрон тоже обладают «внутренним» спином, как и фотоны. Величина этого спина иная, чем у спина фотонов, но в данном случае это не важно. Важно то, что непосредственно перед аннигиляцией электрон и позитрон вращаются в противоположных направлениях и, таким образом, их спины гасят друг друга. Отсюда непременно вытекает, что у двух фотонов, рожденных при аннигиляции (да-да, аннигиляция порождает фотоны!), тоже будет нулевой суммарный спин. Один фотон должен вращаться по часовой стрелке, а другой — против часовой стрелки.