Макс Тегмарк - Наша математическая вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности

• Хотя эти параллельные вселенные остаются предметом споров, основная критика в их адрес поменялась с «Это не имеет смысла, и я это ненавижу» на «Я это ненавижу».

Часть II. Все мельче и мельче

Глава 7. Космическое «лего»

Все, что мы называем реальным, состоит из вещей, которые не могут рассматриваться как реальные.

«Нет, это какая-то ерунда! Здесь где-то ошибка», – я один в комнате подруги в стокгольмском общежитии готовлюсь к первому экзамену по квантовой механике. В учебнике говорится: малые объекты, вроде атомов, могут находиться в нескольких местах одновременно, а крупные объекты, вроде людей, – не могут. «Как бы не так! – говорю я себе. – Люди состоят из атомов, и если те могут быть в нескольких местах сразу, то и мы, конечно, тоже!» Там также сказано, что всякий раз, когда некто наблюдает, где находится атом, тот случайным образом прыгает в одно из тех мест, где он ранее пребывал. Но я не нашел ни одного уравнения, описывающего, что именно полагается считать наблюдением. «Может ли робот считаться наблюдателем? А отдельный атом?» В книге говорилось лишь, что любая квантовая система изменяется детерминистическим образом согласно уравнению Шредингера. Но разве это логически совместимо с подобными случайными прыжками?

Я набрался смелости и постучался в дверь нашего крупнейшего эксперта, профессора физики из Нобелевского комитета. Двадцать минут спустя я вышел из кабинета в полном недоумении, убежденный, что я умудрился вообще ничего не понять. Так началось мое долгое и до сих пор не подошедшее к концу путешествие к квантовым параллельным вселенным. Лишь пару лет спустя, перебравшись для работы над диссертацией в Беркли, я понял, что это было вовсе не мое непонимание. Выяснилось, что многие знаменитые физики горячо спорят о проблемах квантовой механики, и я получил немало удовольствия от сочинения собственных статей на эту тему.

Но прежде чем рассказывать о своем понимании того, как все это увязывается (гл. 8), я хочу вернуться в прошлое, чтобы дать возможность в полной мере прочувствовать безумство квантовой механики и то беспокойство, которое она вызывает.

Атомное «лего»

Когда в прошлый раз я спросил Александра, своего сына, какой подарок он желает получить ко дню рождения, он ответил: «Удиви меня! Подойдет все, что угодно, если это будет „Лего“». Я тоже люблю «Лего», и, мне кажется, наша Вселенная – тоже: все в ней состоит из одинаковых «строительных блоков» (рис. 7.1). По-моему, замечательно, что один набор космического конструктора (80 стабильных атомов периодической таблицы[29]) может служить для создания вообще всего на свете – от камней до кроликов, от звезд до стереосистем, – и вся разница сводится к тому, сколько нужно деталей каждого типа и как они расположены.

Рис. 7.1. Карандашный грифель сделан из графита, который состоит из слоев атомов углерода (здесь дано изображение, полученное сканирующим туннельным микроскопом), которые состоят из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны состоят из кварков, которые могут, в свою очередь, оказаться колеблющимися струнами. Сменный грифель, который я покупаю для работы, содержит около 2 × 1021 атомов, так что вы могли бы разрезать его пополам 71 раз.

Идея конструктора «Лего» – использование неделимых строительных блоков – имеет, конечно, долгую историю, причем самим термином «атом» мы обязаны древним грекам: это слово означает «неделимый». Платон в диалоге «Тимей» доказывал, что четыре основных элемента, признаваемых в то время (земля, вода, воздух и огонь), состоят из атомов четырех типов. Атомы представляют собой крошечные невидимые математические объекты – соответственно кубы, икосаэдры, октаэдры и тетраэдры, – четыре из пяти правильных многогранников, называемых в честь древнегреческого философа платоновыми телами (рис. 7.2). Платон писал, что острые углы тетраэдра обуславливают боль, причиняемую огнем, округлая форма икосаэдра обеспечивает текучесть воды, а уникальной способностью кубов к плотной укладке объясняется твердость Земли. Хотя эта очаровательная теория в итоге была опровергнута наблюдением, некоторые ее аспекты устояли, и среди них предположение о том, что каждый химический элемент состоит из определенного типа атомов, а свойства вещества определяются свойствами его атомов. Более того, в гл. 10 я объясню, что самые фундаментальные «строительные блоки» нашей Вселенной – математические (в ином смысле, нежели предполагал Платон: Вселенная не состоит из математических объектов, а сама является частью единственного математического объекта).

Рис. 7.2. Платоновы тела: тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр. Лишь додекаэдр не вошел в платоновскую атомистическую теорию.

Для становления современной атомной теории понадобилось два тысячелетия, а знаменитый австрийский физик Эрнст Мах еще в начале XX века отказывался верить в реальность атомов. Его, безусловно, впечатлили бы наши возможности получения изображений отдельных атомов (рис. 7.1) и даже манипулирования ими.

Ядерное «лего»

Огромный успех атомной гипотезы привел к вопросу, не ошибочно ли атом назван атомом, неделимым: если все макроскопические объекты состоят из «кубиков», которые мы называем атомами, те, возможно, тоже делятся на еще меньшие «кубики», которые могут переупорядочиваться?

Мне кажется невероятно элегантным то, что атомы сложены всего из трех типов меньших «кубиков» – их даже меньше, чем в платоновской теории. Мы кратко говорили о них в гл. 3, а на рис. 7.1 видно, как «кубики» этих трех типов (протоны, нейтроны и электроны) компонуются наподобие миниатюрной планетной системы, где электроны обращаются вокруг компактного сгустка протонов и нейтронов – атомного ядра. В то время как Земля удерживается на орбите вокруг Солнца силой гравитации, электроны удерживаются в атомах электрическим взаимодействием, которое притягивает их к протонам (электроны имеют отрицательный заряд, протоны заряжены положительно, а противоположные заряды притягиваются). Поскольку электроны также чувствуют притяжение протонов других атомов, они помогают атомам соединяться друг с другом в более крупные структуры, называемые молекулами. Если атомные ядра и электроны перетасовываются без изменения их числа и типа, мы называем это химической реакцией, независимо от того, происходит ли это быстро, как лесной пожар (при котором в основном атомы углерода и водорода, входящие в состав древесины и листьев, соединяются с кислородом воздуха, образуя молекулы углекислого газа и воды), или медленно, как рост дерева (который в основном представляет собой обратную реакцию, протекающую под воздействием энергии солнечного света).

Столетиями алхимики пытались превратить атомы одного типа в другие: как правило, дешевые, например свинец, в более дорогие, такие как золото. Почему эти попытки терпели неудачу? Типы и названия атомов связаны с числом входящих в них протонов (1 = водород, 79 = золото и т. д.), так что алхимики просто не смогли поиграть в «лего» с протонами, перемещая их из одного атома в другой. Почему им это не удалось? Мы теперь знаем, что неудача постигла алхимиков не потому, что они брались за невозможное, а в основном потому, что у них было недостаточно энергии! Поскольку электрические силы заставляют одинаковые заряды отталкиваться, протоны в ядрах разлетелись бы, если бы их не удерживала вместе еще более могучая сила. Она вполне обоснованно получила название сильного ядерного взаимодействия и работает как своего рода застежка-липучка, удерживающая вместе и протоны, и нейтроны, если они сойдутся достаточно близко. Лишь чудовищное усилие способно преодолеть это взаимодействие: если столкновение двух молекул водорода (каждая из двух атомов) на скорости 50 км/с разрушит их так, что атомы разделятся, то два ядра гелия (каждое из двух протонов и двух нейтронов) понадобится столкнуть с головокружительной скоростью 36 тыс. км/с, чтобы иметь шанс разделить нейтроны и протоны. Указанная скорость составляет около 12 % скорости света (за десятую долю секунды можно добраться от Нью-Йорка до Сан-Франциско).

В природе такие зубодробительные столкновения происходят при очень высоких температурах – миллионах градусов. Когда Вселенная была молода, в ней не было иных атомов, кроме водорода (одиночных протонов), но, поскольку она была чрезвычайно горячей, протоны и нейтроны слипались, а более тяжелые атомы разбивались на части. В процессе расширения и охлаждения Вселенной был период длительностью несколько минут, когда столкновения еще были достаточно сильны, чтобы преодолевать электрическое отталкивание между протонами, но их силы уже не хватало на то, чтобы разъединять «липучки» сильного взаимодействия, которые соединяли протоны и нейтроны в ядра гелия. То был период гамовского первичного нуклеосинтеза (гл. 3). В ядре Солнца температура близка к магическому диапазону, в котором атомы водорода могут сливаться, образуя атомы гелия.