Чтобы использовать рецепты из квантовой кулинарной книги, физики должны знать несколько простых вещей. Не существует модели, показывающей, чем в действительности являются атом или элементарные частицы, и ничто не дает нам понимания, что происходит, когда мы не наблюдаем за ними. Однако уравнения волновой механики (самый популярный и часто используемый вариант описания) могут быть использованы для получения предсказаний на статистической основе. Если мы проводим наблюдение квантовой системы и в результате измерений получаем А, то квантовые уравнения дают нам вероятность получения результата В (или С, D и так далее) при проведении того же измерения спустя некоторое время. Квантовая теория не объясняет, как выглядят атомы или что они делают, пока мы не наблюдаем их. К сожалению, большая часть людей, использующих сегодня волновые уравнения, не понимает этого и просто принимает на веру роль вероятностей. Студенты изучают то, что Тед Бастин назвал «кристаллизованной формой игры идей конца двадцатых… то, с чем способен работать при решении конкретных проблем средний физик, который никогда не задается вопросом о том, что он в действительности думает о фундаментальных задачах». Они учатся считать волны реальными, и лишь немногие заканчивают курс квантовой теории, не представляя наглядно картину строения атома. Люди используют вероятностную интерпретацию, при этом не вполне понимая ее суть, и это доказывает мощь уравнений, выведенных, в частности, Шрёдингером и Дираком, а также интерпретации Борна: даже не понимая, почему эти рецепты работают, люди способны весьма эффективно готовить на квантовой кухне.

Первым квантовым шеф-поваром стал Дирак. Как мы помним, он был первым человеком за пределами Геттингена, кто понял новую матричную механику и развил ее дальше. Точно так же он взял волновую механику Шрёдингера и, развивая ее, дал ей более основательный фундамент. Адаптируя уравнения к требованиям теории относительности и добавляя в качестве четвертого измерения время, в 1928 году Дирак столкнулся с необходимостью ввести новое понятие, которым теперь является спин электрона, и оно неожиданно дало объяснение расщеплению спектральных линий на дублеты, которое мучило теоретиков в течение десяти лет. Одновременно с этим появилось другое неожиданное следствие, открывшее путь для развития современной физики элементарных частиц.

В соответствии с уравнениями Эйнштейна частица с массой т и импульсом р обладает энергией, определяющейся следующим равенством:

Е² = m²р^л + р²с²,

которое сокращается до знаменитого Е = тс², когда импульс равен нулю. Но это еще далеко не все. Поскольку известное уравнение получается, когда берется квадратный корень от его полной формы, в математике необходимо сказать, что Е может быть либо положительной, либо отрицательной. Как известно, 2 × 2 = 4 и -2 × -2 = 4, поэтому, строго говоря, Е = ±mc². Когда в уравнения проникают такие «отрицательные корни», их, как правило, можно отбросить как не имеющие значения, ведь «очевидно», что нам нужен только положительный корень. Будучи гением, Дирак не предпринял этот очевидный шаг, а озадачился следствиями. Когда в релятивистской версии квантовой механики происходит расчет энергетических уровней, появляются два их набора: один положительный, соответствующий mс², а другой – отрицательный, соответствующий – mс². В соответствии с теорией электроны должны падать на самый низкий из свободных энергетических уровней, но при этом даже самый высокий отрицательный энергетический уровень расположен ниже, чем самый низкий положительный энергетический уровень. Так что такое отрицательные энергетические уровни? Почему все электроны во Вселенной не падают на них и не исчезают?

Ответ Дирака основывался на том, что электроны являются фермионами и только один электрон может занять одно возможное электрическое состояние (два на энергетический уровень, один с каждым значением спина). Должно быть, заключил он, электроны не падают на отрицательные энергетические уровни, поскольку все эти уровни уже заполнены. То, что мы называем «пустым пространством», на самом деле является морем электронов с отрицательной энергией! На этом он не остановился. Дайте электрону энергию, и он поскачет вверх по лестнице энергетических состояний. Поэтому, если дать достаточное количество энергии одному из электронов в отрицательном энергетическом море, он должен перепрыгнуть в реальный мир и стать видимым, как обычный электрон. Чтобы перейти из состояния – mс² в состояние +mс², явно необходима энергия, равная 2mс², которая для массы электрона равняется примерно 1 МэВ и довольно просто может появляться в атомных процессах, когда частицы сталкиваются друг с другом. Электрон с отрицательной энергией, перепрыгнувший в реальный мир, будет обычным во всех отношениях, за исключением того, что он оставит после себя дырку в море отрицательной энергии, став отсутствующим электроном с отрицательным зарядом. Эта дырка, по словам Дирака, должна вести себя, как положительно заряженная частица (подобно тому, как двойное отрицание рождает утверждение, отсутствие отрицательно заряженной частицы в отрицательном море должно проявлять себя в качестве положительного заряда). Когда Дирак впервые задумался об этом, он решил, что по закону симметрии эта положительно заряженная частица должна обладать той же массой, что и электрон. Но в минуту слабости, когда он опубликовал свою работу, Дирак предположил, что положительно заряженная частица могла быть протоном – единственной частицей, помимо электрона, которая была известна в конце 1920-х годов. Как он написал в «Путях физики», это было ошибкой и ему следовало, набравшись смелости, предсказать, что эксперименты выявят прежде неизвестную частицу, обладающую массой, равной массе электрона, но положительным зарядом при этом.

Сначала никто не понял, как именно относиться к работе Дирака. Была заявлена идея о том, что положительным противовесом электрону является протон, но никто не отнесся к ней с должной серьезностью, пока в 1932 году американский физик Карл Андерсон не обнаружил следов положительно заряженных частиц в первых наблюдениях космических лучей. Космические лучи – это энергетические частицы, которые проникают на Землю из космоса. Перед Первой мировой войной их обнаружил австриец Виктор Гесс, который в 1936 году разделил Нобелевскую премию с Андерсоном. Эксперименты Андерсона предполагали наблюдение за частицами в процессе их движения по камере Вильсона – устройству, в котором частицы оставляют за собой след, подобный конденсационному следу самолета. Андерсон обнаружил, что некоторые частицы оставляли след, который изгибался магнитным полем на ту же величину, что и след электрона, но в противоположном направлении. Это могли быть только частицы, обладающие той же массой, что и электрон, но заряженные положительно, и их назвали «позитронами». Андерсон получил Нобелевскую премию за это в 1936 году, через три года после того, как Дирак получил свою, и его открытие изменило представление физиков о мире частиц. Они долго предполагали существование нейтральной атомной частицы, нейтрона, который в 1932 году обнаружил Джеймс Чедвик (и получил за это Нобелевскую премию в 1935-м), и были вполне довольны идеей, что ядро атома состоит из положительных протонов и нейтральных нейтронов, а вокруг располагаются отрицательные электроны. Но позитронам в этой модели не было места, и идея о том, что частицы могут создаваться из энергии, полностью изменила понятие фундаментальной частицы.

В принципе в соответствии с описанным Дираком процессом из энергии может быть создана любая частица, при условии что одновременно с ней создается античастица – «дырка» в море отрицательной энергии. Хотя сегодня физики предпочитают более сложные версии истории о сотворении частиц, принципы остаются неизменными – и одним из главных является то, что, встречаясь с античастицей, частица «падает в дырку», высвобождая энергию в 2mс² и исчезая, но не столько в клубах дыма, сколько во вспышке гамма-лучей. До 1932 года многие физики наблюдали за следами частиц в камерах Вильсона, и многие из наблюдавшихся ими частиц, должно быть, имели отношение к позитронам, но до исследований Андерсона всегда предполагалось, что эти следы связаны с движением электронов, влетающих в атомное ядро, а не позитронов, вылетающих наружу. Физики с предубеждением относились к идее о существовании новых частиц. Через пятьдесят лет ситуация изменилась, и, как выразился Дирак: «Люди слишком стремятся провозгласить появление новой частицы на малейшем основании, хоть теоретическом, хоть экспериментальном» («Пути физики», с. 18). В результате в «зоопарке» частиц оказалось не только две фундаментальные частицы, известные в 1920-х, но уже более 200 частиц, каждую из которых можно создать, обеспечив достаточной энергией ускоритель частиц. Большая их часть крайне нестабильна и очень быстро «распадается» на лавину других частиц и излучение. В этом зоопарке практически потерялись антипротон и антинейтрон, открытые в середине 1950-х, но они тем не менее представляют собой веское подтверждение верности оригинальных идей Дирака.

О зоопарке частиц написаны целые книги, а занимаясь таксономией частиц, многие физики выстроили свою карьеру. Но мне кажется, что в таком изобилии частиц не может быть ничего фундаментального и ситуация напоминает ситуацию в спектроскопии до развития квантовой теории, когда спектроскописты могли измерить и каталогизировать взаимосвязи линий в разных спектрах, но при этом не догадывались о глубинных причинах наблюдаемых взаимосвязей. Базовые правила для создания множества известных частиц должно было обеспечить нечто более фундаментальное, и в 1950-х годах Эйнштейн объяснил это своему биографу Абрахаму Пайсу. «Было ясно: он чувствовал, что еще не настало время разбираться с этим и что эти частицы в итоге станут решениями уравнений единой теории поля». Тридцать лет спустя окажется, что Эйнштейн был прав, и наброски возможной единой теории, которая включает в себя зоопарк частиц, будут описаны в эпилоге. Сейчас же важно отметить, что великий подъем физики частиц, начавшийся в 1940-х годах, берет свое начало в развитии квантовой теории Дираком – в первых рецептах из квантовой кулинарной книги.

После того как квантовая механика триумфально объяснила поведение атомов, физики естественным образом обратились к ядерной физике, однако, несмотря на многочисленные практические успехи (включая ядерные реакторы и водородную бомбу), мы до сих пор не понимаем поведение ядра настолько же хорошо, как поведение атома. Это, впрочем, не должно удивлять. Радиус ядра в 100 тысяч раз меньше, чем радиус атома, а поскольку объем пропорционален кубу радиуса, то атом по сути в тысячу миллионов миллионов (10¹⁵) раз больше ядра. Можно измерить простые свойства вроде массы и заряда ядра, и эти измерения ведут к концепции изотопов – ядер, обладающих тем же числом протонов, а потому образующих атомы с тем же числом электронов (и теми же химическими свойствами), но другим числом нейтронов, а следовательно, и другой массой.

Так как все протоны, формирующие ядро, заряжены положительно, а потому отталкиваются друг от друга, их должен удерживать вместе некий сильный «клей» – сила, действующая только на очень коротких расстояниях, соответствующих размеру ядра, которая называется сильным ядерным взаимодействием (существует также и слабое ядерное взаимодействие, которое слабее электрической силы, но играет значительную роль в некоторых ядерных реакциях). Похоже, что нейтроны тоже играют роль в стабильности ядра, поскольку, лишь посчитав количество протонов и нейтронов в стабильном ядре, физики создают картину, очень напоминающую оболочечное расположение электронов вокруг ядра. Самое большое число протонов, обнаруженное во встречающемся в естественных условиях ядре, составляет 92 – в уране. Хотя физики преуспели в создании ядер, содержащих до 106 протонов, они нестабильны (за исключением некоторых изотопов плутония с атомным числом 94) и распадаются на другие ядра. Всего существует около 260 известных стабильных ядер. Наше знание об этих ядрах даже сегодня кажется менее адекватным, чем модель Бора в качестве описания атома, но явно видны признаки того, что в ядре есть определенная структура.

Ядра с 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126 нуклонами (нейтронами или протонами) особенно стабильны, и соответствующие им элементы встречаются в природе чаще, чем атомы с несколько иным числом нуклонов, поэтому эти числа иногда называют «магическими». Но в структуре ядра доминируют протоны, и для каждого элемента существует только ограниченное количество возможных изотопов, соответствующих различному количеству нейтронов – возможное количество нейтронов обычно немного превосходит количество протонов и увеличивается для тяжелых элементов. Ядра, обладающие магическим числом и протонов, и нейтронов, особенно стабильны, и на этом основании теоретики предполагают, что сверхтяжелые элементы, в ядре которых содержится около 114 протонов и 184 нейтронов, должны быть стабильны, но такие огромные ядра никогда не обнаруживались в природе и не создавались в ускорителях частиц посредством добавления нуклонов к самым массивным ядрам, встречающимся в природе.

Самое стабильное ядро из всех принадлежит железу-56, и более легкие ядра «хотят» увеличить количество нуклонов и стать железом, в то время как более тяжелые ядра «хотят» избавиться от нуклонов и приблизиться к наиболее стабильной форме. Внутри звезд самые легкие ядра водорода и гелия превращаются в более тяжелые через серию ядерных реакций, которые синтезируют легкие ядра вместе, на пути к железу формируя элементы вроде углерода и кислорода и высвобождая в результате этого энергию. Когда некоторые из звезд взрываются в качестве сверхновых, в ядерные процессы проникает огромное количество гравитационной энергии, и в результате на железе синтез не останавливается, и возникают более тяжелые элементы, включая уран и плутоний. Когда тяжелые элементы возвращаются к самой стабильной форме, высвобождая нуклоны в форме альфа-частиц, электронов, позитронов или отдельных нейтронов, они тоже испускают энергию, которая по сути является аккумулированной энергией давно состоявшегося взрыва сверхновой. Альфа-частица по сути представляет собой ядро атома гелия и состоит из двух протонов и двух нейтронов. Высвобождая такую частицу, ядро сокращает свою массу на четыре единицы, а атомный номер – на две. Это происходит в соответствии с принципами квантовой механики и законами неопределенности, открытыми Гейзенбергом.

Внутри ядра нуклоны сдерживаются сильным ядерным взаимодействием, но если альфа-частица находится рядом с ядром, она будет сильно отталкиваться электрической силой. Совокупный эффект двух сил создает то, что физики называют «потенциальной ямой». Представьте себе разрез вулкана с пологими склонами и глубоким кратером. Мяч, размещенный сразу за границей кратера, скатится вниз по склону горы, а мяч, размещенный внутри кратера, упадет вниз, в сердце вулкана. Нуклоны внутри ядра находятся в подобном положении – они расположены в яме в центре атома, но если они пересекут «границу» – хотя бы слегка, – они «укатятся прочь» под действием электрической силы. Суть в том, что в соответствии с классической механикой нуклоны (или группы нуклонов вроде альфа-частицы) просто не обладают достаточным количеством энергии, чтобы выбраться из ямы и пересечь границу – а если бы обладали, они бы не оказались в этой яме. Однако квантово-механическое представление этой ситуации довольно сильно отличается. Хотя потенциальная яма все равно создает барьер, он не является непреодолимым, и существует определенная, хотя и маленькая, вероятность того, что альфа-частица может на самом деле оказаться за пределами ядра, а не внутри него. Если говорить о неопределенности, одно из соотношений Гейзенберга включает в себя энергию и время и утверждает, что энергия любой частицы может определяться только в диапазоне ΔE в период времени Δt, при этом ΔE x Δt должно быть больше ħ. На короткое время частица может «заимствовать» энергию из закона неопределенности, набирая достаточное количество энергии, чтобы перепрыгнуть через потенциальный барьер, а затем отдавать ее назад. Возвращаясь к «должному» энергетическому состоянию, она находится уже снаружи барьера, а не внутри него, и устремляется дальше.

Рис. 7.1. Потенциальная яма в центре атомного ядра. Частице А приходится оставаться внутри, пока она не получит достаточно энергии, чтобы перепрыгнуть «через край» в точку В, откуда она скатится «вниз». Квантовая неопределенность позволяет частице время от времени «пробиваться» от А к В (или от В к А), не имея достаточного количества собственной энергии на подъем.

Также на это можно посмотреть с позиции неопределенности положения. Частица, которая «должна быть» внутри барьера, оказывается снаружи него, потому что в квантовой механике ее положение определяется лишь в общих чертах. Чем большей энергией обладает частица, тем проще ей выбраться, но она не должна обладать достаточным количеством энергии, чтобы выбраться из потенциальной ямы, как того требует классическая теория. Кажется, что частица как бы «пробивается» сквозь барьер, и этот эффект имеет чисто квантовую природу. На этом основан радиоактивный распад, но чтобы объяснить деление атомного ядра, необходимо переключиться на другую модель ядра атома.

Теперь забудьте об отдельных нуклонах в оболочках и представьте ядро в качестве капли жидкости. Капля воды принимает разные формы, и точно так же некоторые общие свойства ядра можно объяснить его изменяющейся формой. Можно представить, что большое ядро выгибается в разные стороны, то становясь похожим на сферу, то на гантель. Если такому ядру придать энергии, колебания могут стать столь существенными, что ядро распадется надвое, сформировав два меньших по размеру ядра и разбрызгав вокруг крошечные капли – альфа– и бета-частицы и нейтроны. В некоторых ядрах такой распад может быть запущен столкновением быстро двигающегося нейтрона с ядром, после чего запускается цепная реакция, в процессе которой каждое ядро, разделенное таким образом, выпускает достаточное количество нейтронов, чтобы произошел распад еще как минимум двух соседних ядер. В случае с ураном-235, который содержит 92 протона и 143 нейтрона, всегда создаются два неравных ядра с атомными числами в диапазоне от 34 до 58, в сумме дающими 92, и испускаются свободные нейтроны. В результате каждого распада высвобождается примерно 200 МэВ энергии, и каждый запускает еще несколько распадов, при условии, что количество урана достаточно велико, чтобы нейтроны не вылетели из него разом. Процесс идет по экспоненте и представляет собой принцип действия атомной бомбы. Управляя им при помощи материала, который поглощает нейтроны, чтобы процесс шел медленно, мы можем построить контролируемый ядерный реактор, который используется для нагрева воды, выработки пара и производства электричества. И снова энергия, которую мы извлекаем, является энергией звездного взрыва, давным-давно произошедшего очень далеко от нас.

Однако в процессе синтеза мы можем скопировать выработку энергии звездой, как происходит и в случае с Солнцем. Пока мы смогли воссоздать только первую ступень на лестнице синтеза, переход от водорода к гелию, и не смогли контролировать реакцию, позволив ей идти своим чередом только в водородной, или термоядерной, бомбе. Суть синтеза противоположна сути деления. Вместо того чтобы склонять к распаду большие ядра, необходимо подтолкнуть к слиянию маленькие ядра, преодолевая при этом естественное электростатическое отторжение их положительных зарядов, пока они не окажутся так близко друг к другу, что сильное ядерное взаимодействие, действующее только на крайне малых расстояниях, не сможет превзойти электрическую силу и притянуть их друг к другу. Как только появляются несколько ядер, которые можно синтезировать таким образом, получаемое в процессе тепло запускает направленный наружу поток энергии, стремящийся разделить все остальные ядра в момент синтеза и полностью останавливающий весь процесс. Надежда на получение в будущем бесконечного количества энергии из ядерного синтеза покоится на необходимости найти способ в течение достаточного времени удержать вместе достаточное количество ядер, чтобы они испустили приемлемое количество энергии. Также важно обнаружить такой процесс, в ходе которого высвобождается больше энергии, чем использовалось для столкновения ядер. Это довольно просто сделать внутри бомбы: по сути, нужно просто окружить ядра, которые необходимо подвергнуть синтезу, ураном, а затем запустить ядерный взрыв. Обращенное внутрь давление от взрыва столкнет друг с другом достаточное количество ядер водорода, чтобы запустить второй, более масштабный термоядерный взрыв. Но для гражданских электростанций нужно что-то более тонкое, и сейчас изучаются методы, которые включают в себя использование сильных магнитных полей, сформированных таким образом, чтобы они действовали подобно бутылке, удерживающей внутри заряженные ядра, и световых импульсов лазерных пучков, которые физически сталкивают ядра. Лазеры, конечно, производятся в соответствии с очередным рецептом из квантовой кулинарной книги.

Хотя для разработки рецептов создания новых частиц в квантовой кулинарии требовался искусный шеф-повар вроде Дирака, понимание ядерных процессов менее полно, чем модель атома Бора. Поэтому, возможно, не стоит удивляться, узнав, что и самой модели Бора до сих пор находится некоторое применение. Одну из самых экзотических и восхитительных разработок современной науки – лазеры – поймет любой компетентный квантовый повар, умеющий готовить на скорую руку и слышавший о модели Бора: для объяснения лазеров не нужен великий гений. (В этом случае гений нужен для разработки технологии их конструирования, но это другая история.) Поэтому, извинившись перед Гейзенбергом, Борном, Йорданом, Дираком и Шрёдингером, давайте на некоторое время забудем о квантовых тонкостях и вернемся к аккуратной модели атома, в которой электроны вращаются вокруг ядра. Как мы помним, в этой модели, когда атом получает квант энергии, электрон перескакивает на другую орбиту, а когда такой возбужденный атом оставляется в покое, рано или поздно электрон падает обратно на основной уровень, испуская ровно тот же квант излучения с определенной длиной волны. Этот процесс называется спонтанным излучением и является противоположным поглощению.

Когда Эйнштейн в 1916 году исследовал такие процессы и выводил статистическое обоснование квантовой теории, которую он впоследствии счел столь неприятной, он понял, что есть и другая возможность. Возбужденный атом можно заставить испустить лишнюю энергию и вернуться на основной уровень, если его подтолкнуть, так сказать, пролетающим мимо фотоном. Этот процесс называется вынужденным излучением и совершается только в том случае, если пролетающий фотон обладает ровно той же длиной волны, что и тот, который готов испустить атом. Подобно каскаду нейтронов, которые задействованы в цепной реакции ядерного деления, мы можем представить массив возбужденных атомов и всего один фотон с правильной длиной волны, который стимулирует один атом к излучению, после чего оригинальный фотон вместе с новым стимулируют к излучению еще два атома, четыре фотона стимулируют еще четыре атома и так далее. В результате получается каскад излучения, частота которого в точности совпадает. Более того, учитывая способ, которым запускается излучение, все волны точно синхронны друг другу: они вместе поднимаются «вверх», на гребень волны, и опускаются «вниз», в провал волны, создавая очень чистый пучок когерентного излучения. Так как ни один из гребней и провалов такого излучения не уничтожает другой, вся энергия, выпущенная атомами, остается в пучке и может передаваться на маленькую область вещества, куда направлен этот пучок.

Когда группа атомов или молекул возбуждается теплом, они заполняют диапазон энергетических уровней и, брошенные на произвол судьбы, излучают энергию с разными длинами волн беспорядочным и некогерентным образом. В таком процессе эффективной энергии гораздо меньше, чем энергии, которую испустили атомы и молекулы. Однако существуют способы выборочного заполнения узкой полосы энергетических уровней, с тем чтобы затем вызвать возврат возбужденных атомов на этой полосе на основной уровень. Катализатором для этого каскада является слабое внешнее излучение правильной частоты. На выходе получается гораздо более сильный пучок, имеющий ту же частоту. Эти методы были впервые разработаны в конце 1940-х годов независимо командами в США и СССР с использованием радиочастотного излучения с длиной волны от 1 до 30 сантиметров, которое называется микроволновым излучением. В 1954 году первооткрыватели получили за свою работу Нобелевскую премию. Поскольку излучение на этом участке называется микроволновым излучением, а также из-за того, что процесс включает в себя усиление радиоволн индуцированным излучением в соответствии с идеями Эйнштейна 1917 года, первооткрыватели использовали акроним МАЗЕР (от microwawe amplification by stimulated emission of radiation – «усиление микроволн с помощью индуцированного излучения»).

Потребовалось еще десять лет, чтобы найти способ, при котором этот трюк работал бы для оптических частот излучения, но в 1957 году почти одновременно эта идея пришла в голову двум людям. Одним из них (судя по всему, первым) был студент Колумбийского университета Гордон Гулд, а вторым – один из пионеров мазера Чарлз Таунс, который получил часть Нобелевской премии 1964 года. Спор о том, кто именно что и когда открыл, лег в основу судебной баталии за патент, так как лазеры, оптический эквивалент мазеров (от light amplification… т. e. «усиление света…»), теперь стали очень прибыльным изобретением. Впрочем, нас, к счастью, не слишком волнуют юридические тяжбы. Сегодня существует несколько типов лазера, и самым простым из них является твердотельный лазер с оптической накачкой.

В таком лазере небольшой стержень материала (например, рубина) обтачивается и полируется для получения плоской грани, а затем окружается ярким источником света – газоразрядной трубкой, которая может быстро включаться и выключаться, создавая световые импульсы, обладающие достаточной энергией, чтобы возбуждать атомы стержня. Весь прибор охлаждается, чтобы удостовериться в минимальном влиянии теплового возбуждения на атомы стержня, и яркие вспышки лампы используются для того, чтобы стимулировать (или накачивать) атомы до возбужденного состояния. Когда лазер запущен, с плоской грани стержня испускается импульс чистого рубинового света, в котором содержатся тысячи ватт энергии.

Кроме того, существуют жидкостные лазеры, лазеры на флуоресцентных красителях, газовые лазеры и так далее. Все они обладают одинаковыми основными свойствами: внутрь входит некогерентная энергия, а наружу выходит когерентный свет, который переносит много энергии. Некоторые лазеры, например газовые, дают непрерывный чистый пучок света, который представляет собой идеальную «линейку» для измерений и нашел широкое применение на рок-концертах и в рекламе. Другие выпускают краткие, но мощные импульсы энергии, которыми можно просверливать отверстия в твердых предметах (и которые нашли применение в военных целях). Лазерные резцы используются в разных отраслях: от швейной промышленности до микрохирургии. Лазерные пучки более эффективны при передаче информации, чем радиоволны, ведь чем выше частота излучения, тем больше информации можно передать посредством него за одну секунду. Штрихкоды на продуктах в супермаркете (и на обложке этой книги) считываются лазерным сканером; видео– и аудиодиски, появившиеся на рынке в начале 1980-х, считываются лазером; настоящие трехмерные фотографии, или голограммы, делаются при помощи лазеров и так далее.

Список этот практически бесконечен, даже если не включать в него использование мазеров в качестве усилителей слабых сигналов (например, с телекоммуникационных спутников), радаров и других подобных приборов; и все это берет свое начало даже не в истинной квантовой теории, а в первой версии квантовой физики. Когда вы покупаете пачку кукурузных хлопьев и кассир считывает с нее штрихкод лазерным сканером, когда вы посещаете рок-концерт с огромными цветными дисплеями, или смотрите концерт по телевидению через спутник, находящийся на другом конце мира, или проигрываете концерт той же самой группы на новейшей видеосистеме, или восхищаетесь магией голографического воспроизведения, все это происходит благодаря Альберту Эйнштейну и Нильсу Бору, которые более девяноста лет назад вывели принципы вынужденного излучения.

Самое серьезное влияние квантовой механики на повседневную жизнь, без сомнения, относится к области физики твердого тела. Сама по себе фраза «твердое тело» лишена романтики; услышав ее, вы вряд ли проведете в уме связь с квантовой теорией. Да, это то самое направление физики, которое подарило нам транзисторное радио, Sony Walkman, электронные часы, карманные калькуляторы, микрокомпьютеры и программируемые стиральные машины. Пренебрежение физикой твердого тела связано не с тем, что она представляет собой запутанную ветвь науки, а с тем, что она настолько привычна нам, что мы воспринимаем ее как должное. И снова нужно заметить, что ни один из этих приборов не появился бы, если бы в дело не вступила квантовая кулинария.

Все устройства, перечисленные в предыдущем абзаце, основаны на свойствах полупроводников, которые являются твердыми телами и, что логично, обладают характеристиками, представляющими собой нечто среднее между свойствами проводников и диэлектриков. Не вдаваясь в детали, можно сказать, что диэлектрики – это вещества, которые не проводят электричество и не проводят его потому, что электроны в их атомах крепко присоединены к ядрам в соответствии с законами квантовой механики. В проводниках, например металлах, каждый атом имеет некоторое число электронов, которые слабо связаны с ядром и находятся в энергетических состояниях, расположенных близко к верхней границе атомной потенциальной ямы. Когда атомы группируются вместе в твердом веществе, верхняя граница одной энергетической ямы сливается с ямой, принадлежащей следующему атому, и электроны на высоких уровнях могут свободно перемещаться от одного атомного ядра к другому, не оставаясь более присоединенными только к одному ядру, и переносить электрический ток в металле.

В целом свойство проводимости основывается на статистике Ферми – Дирака, которая запрещает этим слабо присоединенным электронам падать глубоко в атомные потенциальные ямы, где все энергетические уровни для крепко присоединенных электронов являются полностью занятыми. Если попробовать сжать металл, он сопротивляется давлению; металлы твердые. Причина, по которой металлы так тверды и так сопротивляются давлению, кроется в том, что в соответствии с принципом исключения Паули для фермионов электроны не могут быть сжаты теснее.

Энергетические уровни электронов в твердом теле рассчитываются при помощи квантово-механических волновых уравнений. Электроны, которые крепко присоединены к ядру, считаются находящимися в валентной зоне твердого тела, а электроны, которые свободно перемещаются от ядра к ядру, считаются находящимися в зоне проводимости. В диэлектрике все электроны находятся в валентной зоне, а в проводнике некоторые из них перемещены в зону проводимости. В полупроводнике валентная зона заполнена и есть только узкая энергетическая прослойка между этой зоной и зоной проводимости, обычно в 1 эВ. В связи с этим электрону легко перепрыгнуть в зону проводимости и перенести электрический ток по материалу. Однако, в отличие от ситуации с проводником, электрон, получивший энергию, оставляет после себя дырку в валентной зоне. Точно так же, как и в описанном Дираком случае создания электронов и позитронов из энергии, это отсутствие отрицательно заряженного электрона в валентной зоне ведет себя – что касается электрических свойств, – как положительный заряд. Естественный полупроводник обычно обладает несколькими электронами в зоне проводимости и несколькими положительно заряженными дырками в валентной зоне, причем и электроны, и дырки могут переносить электрический ток. Можно представить себе, что электроны один за другим падают в дырку в валентной зоне и оставляют после себя дырку, в которую падает следующий электрон и так далее, а можно представить, что дырки – это настоящие положительно заряженные частицы, двигающиеся в противоположном направлении. Что касается электрического тока, эффект одинаков.

Естественные полупроводники довольно интересны, и не в последнюю очередь из-за того, что они представляют собой прекрасную аналогию создания пары электрон – позитрон. Но их электрические свойства с трудом поддаются контролю, а именно контроль сделал эти материалы столь важными для нашей повседневной жизни. Контроль достигается посредством создания искусственных полупроводников, один тип которых содержит большее количество свободных электронов, а другой – большее количество свободных «дырок».

И снова этот трюк просто понять, но не так просто заставить его работать на практике. Например, в кристалле германия каждый атом содержит на внешней оболочке четыре электрона (это квантовая кулинария на скорую руку, поэтому модель Бора вполне подходит для нее), которыми он «делится» с соседними атомами, чтобы создать химические связи, формирующие кристалл. Если германий «разбавлен» несколькими атомами мышьяка, атомы германия по-прежнему доминируют в структуре кристаллической решетки и атомам мышьяка приходится с трудом внедряться внутрь. В химическом смысле основное различие между германием и мышьяком заключается в том, что у мышьяка есть пятый электрон на внешней оболочке и мышьяку легче всего внедриться в решетку германия, проигнорировав этот дополнительный электрон и установив четыре химические связи, притворившись, что он является атомом германия. Дополнительные электроны, оставшиеся у атомов мышьяка, движутся по полосе проводимости получившегося полупроводника, а соответствующие им дырки отсутствуют. Такой кристалл называется полупроводником п-типа.

Альтернативой является легирование германия (в соответствии с нашим первоначальным примером) галлием, у которого только три электрона образуют химическую связь. В результате мы будто создаем дырки в валентной зоне каждого атома галлия, и валентные электроны перемещаются, прыгая в дырки, которые ведут себя подобно положительным зарядам. Такой кристалл называется полупроводником p-типа. Самое интересное происходит, если приложить друг к другу два разных типа полупроводников. Избыток положительного заряда, с одной стороны, и отрицательного – с другой создает разницу электрического потенциала, которая пытается вытолкнуть электроны в одном направлении и мешает их движению в другом. Такая объединенная пара полупроводниковых кристаллов называется диодом и дает возможность электрическому току двигаться лишь в одном направлении. Углубляясь в детали, стоит отметить, что электроны возможно заставить перепрыгнуть в дырку, и при этом будет излучаться свет. Диоды, которые излучают свет таким образом, называются светодиодами, или СИД (светоизлучающими диодами). Они используются в многочисленных дисплеях. Диод, работающий противоположным образом – поглощающий свет и выбрасывающий электрон из дырки в соседнюю зону проводимости, является фотодиодом, который используется, когда необходимо обеспечить пропускание тока лишь при попадании пучка света на полупроводник. Это основа для автоматически открывающихся дверей, которые срабатывают, когда вы приближаетесь к ним, попадая в зону светового пучка. Однако полупроводники не ограничиваются только диодами.

Если поместить вместе три полупроводниковых части, сложив их, как бутерброд (p-n-p или n-p-n), в результате получится транзистор (каждая из трех частей транзистора обычно подключена к электрическому току, поэтому их можно идентифицировать по трем паучьим лапам, торчащим из металлической или пластиковой оболочки, в которую заключен сам транзистор). Если правильно легировать материалы, возможно создать ситуацию, когда слабый поток электронов через n-p-контакт создает гораздо больший поток через другой контакт в бутерброде, то есть транзистор ведет себя как усилитель. Как знают любители электроники, диод и усилитель вместе составляют основу для конструирования аудиосистемы. Однако сегодня даже транзисторы являются весьма устарелыми устройствами, и вы не сможете найти никаких коробок с тремя ножками в своем радио, если, конечно, это не старый транзисторный приемник.

До 1950-х годов основным развлечением было громоздкое «радио» – устройство, которое хоть и называлось беспроводным, содержало множество проводов и светящихся вакуумных трубок, делавших то же самое, что сегодня делают полупроводники. К концу 1950-х началась транзисторная революция, и вместо больших светящихся электронных ламп стали использовать платы, на которых печатали проводящую схему и к которым припаивали транзисторы. Оставался один шаг до создания интегральной схемы, где бы все проводящие линии, полупроводниковые усилители, диоды и прочее располагались вместе, просто соединяясь друг с другом, образуя сердце радио, кассетного плеера или чего угодно. Одновременно с этим революция происходила и в компьютерной индустрии.

Как и старое радио, первые компьютеры были очень громоздкими. В них было множество электронных ламп и километры проводов. Даже пятьдесят лет назад, в первую полупроводниковую революцию, компьютер с такой же производительностью, что и современные, и размером с печатную машинку, потребовал бы целую комнату, чтобы разместить свой «мозг», и еще больше места для охлаждающих установок. Революция, которая превратила такую машину в планшет стоимостью несколько сотен долларов, помещающийся в руке, – это та же самая революция, которая превратила настольный приемник дедушки в радио размером с пачку сигарет и благоприятствовала переходу от транзистора к чипу.

Биологический мозг и электронный компьютер связаны с процессом переключения. Ваш мозг состоит примерно из 10 000 миллионов переключателей в виде нейронов, образуемых нервными клетками. Переключатели компьютера состоят из диодов и транзисторов. В 1950 году компьютер с тем же числом переключателей, что содержится в мозгу человека, имел бы размер с остров Манхэттен. Сегодня посредством соединения микрочипов можно разместить столько же переключателей в объеме, равном объему человеческого мозга, однако подключение такого компьютера представляет серьезную проблему, а потому он до сих пор не создан. Однако этот пример показывает, насколько мал чип даже в сравнении с транзистором.

Полупроводники, используемые в стандартных современных микрочипах, сделаны на основе силиката – в принципе из самого обыкновенного песка. При правильной стимуляции силикат пропускает электрический ток, а без стимуляции – не пропускает. Длинные кристаллы силиката по 10 см каждый разрезаются на тонкие (с лезвие бритвы) слои и далее на сотни маленьких прямоугольных чипов – каждый меньше спичечной головки, а затем на каждый чип, подобно утонченной греческой выпечке, слой за слоем наносится электрическая схема – эквивалент транзисторов, диодов, интегральных схем и всего остального. По сути один чип является целым компьютером, и микропроцессор занимается лишь получением информации и ее записью на чип. Чипы настолько дешевы в производстве (после того как были вложены значительные средства в разработку схемы и создание необходимых станков), что их можно производить сотнями, затем тестировать, а те, которые не работают, просто выбрасывать. Для создания одного чипа с нуля могут потребоваться миллионы долларов, но чтобы сделать сколько угодно тех, которые уже разработаны, достаточно будет и нескольких центов за штуку.

Таким образом, существует еще несколько повседневных вещей, которые связаны с миром кванта. Рецепты лишь из одной главы квантовой кулинарной книги дали нам цифровые часы, домашние компьютеры, электронную начинку, которая запускает спутник на орбиту (а иногда и не дает ему полететь вне зависимости от людей-операторов), мобильное телевидение, сотовые телефоны, стереосистемы и оглушительное Hi-Fi, а также лучшие слуховые аппараты, чтобы потом справляться с глухотой. Планшетные компьютеры стали реальностью, и вполне возможно, что не за горами появление устройств с искусственным интеллектом. Компьютеры, рассчитывающие приземление на Марс и исследующие Солнечную систему и ее пределы, являются первыми братьями чипов, которые управляют аркадами, и все они основаны на странном поведении электронов в соответствии с основными квантовыми законами. Но потенциал физики твердого тела не ограничивается даже могучими микропроцессорами.

Как и полупроводники, сверхпроводники имеют логически верное название. Сверхпроводник – это вещество, которое проводит электричество без какого-либо видимого сопротивления. Это самое близкое к вечному двигателю из того, что мы, вероятно, когда-либо сможем обнаружить, – это не совсем создание нечто из ничего, но редкий пример в физике, когда ты получаешь за свои деньги все и тебя при этом не обманывают. Сверхпроводимость можно объяснить процессом связывания пары электронов друг с другом и их совместного движения. Хотя каждый электрон имеет полуцелый спин и, соответственно, подчиняется статистике Ферми – Дирака и принципу исключения, пара электронов при некоторых условиях может вести себя как одна частица с целым спином. Такая частица не запрещена принципом исключения и удовлетворяет той же статистике Бозе – Эйнштейна, которая квантово-механическим образом описывает поведение фотонов.

Голландский физик Камерлинг-Оннес открыл сверхпроводимость в 1911 году, когда обнаружил, что ртуть полностью теряет электрическое сопротивление при охлаждении ниже 4,2 градуса в единицах абсолютной температурной шкалы (4,2 градуса Кельвина примерно равны -269 градусам Цельсия). В 1913 году за свой труд по физике низких температур Оннес получил Нобелевскую премию, однако она была вручена за другое достижение – получение жидкого гелия, а сверхпроводимость не могла найти полноценного объяснения до 1957 года, когда Джон Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер выдвинули теорию, которая в 1972 году принесла им Нобелевскую премию. Это объяснение зависит от того, как спаренные электроны взаимодействуют с атомами в кристаллической решетке. Один электрон взаимодействует с кристаллом, в результате чего изменяется взаимодействие кристалла с другим электроном пары. Таким образом, несмотря на естественную склонность отталкивать друг друга, пара электронов образует слабую связь, достаточную для того, чтобы перейти от статистики Ферми – Дирака к статистике Бозе – Эйнштейна. Не все вещества могут быть сверхпроводниками, и даже у тех, которые имеют это свойство, мельчайшее колебание атомов в кристаллической решетке разрушает электронные пары, в связи с чем сверхпроводимость наблюдается только при очень низких температурах – в диапазоне от 1 до 10 градусов Кельвина. Некоторые вещества становятся сверхпроводниками ниже определенной критической температуры, которая различна для разных веществ, но всегда одинакова для одного и того же вещества. Выше этой температуры электронные пары разрушаются и вещество обладает нормальными электрическими свойствами.

Эта теория подтверждается тем фактом, что материалы, являющиеся хорошими проводниками при комнатной температуре, не становятся лучшими сверхпроводниками. Обычный «нормальный» проводник позволяет электронам двигаться свободно именно потому, что они не сильно взаимодействуют с атомами кристаллической решетки, а без взаимодействия электронов с атомами невозможно образование электронных пар, необходимое для появления низкотемпературной сверхпроводимости.

Очень жаль, что сверхпроводники должны быть настолько холодны для появления этого феномена, ведь легко представить потенциальные удобства в использовании сверхпроводников. Самый очевидный пример – это передача электричества по проводам без потери энергии. У сверхпроводников есть и другие любопытные свойства. В нормально проводящий металл может проникать магнитное поле, однако сверхпроводник образует на своей поверхности электрические токи, которые отталкивают и вытесняют магнитное поле. Таким образом получается идеальный экран от нежелательного воздействия магнитных полей, однако он непрактичен ввиду необходимости в охлаждении до нескольких градусов Кельвина.

Рис. 7.2. На джозефсоновском контакте (когда два сверхпроводника разделены слоем диэлектрика) наблюдаются странные явления. При некоторых условиях электроны способны туннелировать через барьер.

Когда два сверхпроводника разделены слоем диэлектрика, можно ожидать отсутствия протекания тока, однако стоит вспомнить, что электрон подчиняется тем же квантовым правилам, которые позволяют частицам туннелировать из ядра. Если барьер достаточно тонок, то велика вероятность, что электронные пары смогут преодолеть его, однако это не согласуется со здравым смыслом. Через подобные контакты (называемые джозефсоновскими контактами) не протекает ток, если на контакте существует потенциальный барьер, но ток идет, если разница потенциалов равна нулю. Двойной джозефсоновский контакт, образованный двумя сверхпроводниками, изогнутыми в форме камертонов и соединенными парными концами, между которыми помещен диэлектрик, может демонстрировать квантово-механическое поведение электрона по подобию эксперимента с двумя прорезями. Мы углубимся в эту тему в следующей главе и убедимся, что это краеугольный камень самых странных свойств квантового мира.

Рис. 7.3. Два джозефсоновских контакта могут быть объединены в систему, аналогичную используемой в эксперименте со светом, проходящим через две прорези. В такой системе может наблюдаться интерференция между электронами – одно из многих указаний на волновую природу этих «частиц».

Объединяться, создавая псевдобозоны, нарушающие при низких температурах обычные законы физики, могут не только электроны. Атомы гелия проделывают схожий трюк, который лежит в основе свойства жидкого гелия, называемого сверхтекучестью. Когда вы размешиваете кофе, а затем останавливаетесь, кружение жидкости постепенно замедляется и в итоге прекращается из-за сил трения и вязкости в жидкости. Если попробовать сделать то же самое с гелием, охлажденным до 2,17 градуса Кельвина, вращение не прекратится никогда. Даже если оставить сверхтекучий гелий сам по себе, он может выползти из сосуда через край, и, вместо того чтобы с трудом течь по узкой трубке, сверхтекучий гелий течет тем легче, чем уже трубка, в которую он заключен. Это странное поведение может быть объяснено статистикой Бозе – Эйнштейна, и хотя опять же необходимость столь сильного охлаждения не дает возможности найти практическое применение этому явлению, поведение атомов при столь низких температурах, как и поведение электронов при сверхпроводимости, дает возможность увидеть квантовый мир в действии. Если поместить немного сверхтекучего гелия в крошечное ведерко диаметром около 2 мм и начать раскручивать его, то первое время гелий останется в покое. По мере увеличения скорости вращения ведерка при некотором критическом угловом моменте весь гелий начнет вращаться, перейдя из одного квантового состояния в другое. Квантовые законы запрещают существование промежуточного состояния, соответствующего промежуточному значению углового момента, и можно наблюдать, как все атомы гелия, которые содержатся в видимом объеме (гораздо большем, чем атом или частицы квантового мира), ведут себя в соответствии с квантовыми законами. Как мы увидим позже, сверхпроводимость может применяться и к объектам человеческого, а не только атомного масштаба. Однако квантовая теория не ограничивается миром физики или даже физических наук. Стоит вспомнить, что вся химия сегодня понимается в терминах основных квантовых законов. Химия – это наука о молекулах, а не об индивидуальных атомах или субатомных частицах, и есть молекулы, которые крайне важны для нас, – молекулы жизни, в том числе ДНК. Наше современное понимание жизни само по себе неразрывно связано с квантовой теорией.

Помимо научной важности квантовой теории для химии жизни, существуют прямые личные связи между некоторыми ведущими учеными из квантовой области и открытием двойной спирали ДНК – молекулы жизни. Законы, описывающие дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах, были открыты Лоренсом Брэггом и его отцом Уильямом, работавшими в Кавендишской лаборатории, за несколько лет до Первой мировой войны. За работу они получили совместную Нобелевскую премию, при этом Лоренс был настолько молод (в 1915 году он служил офицером по Франции), что был еще жив (несмотря на то что служил во Франции в Первую мировую), когда праздновался 50-летний юбилей этого события. Брэгг-старший изначально завоевал репутацию, работая над изучением альфа-, бета– и гамма-излучений, и в последние годы первого десятилетия

XX века показал, что и гамма-излучение, и рентгеновские лучи в некоторых аспектах ведут себя, как частицы. Однако закон Брэгга о рентгеновской дифракции, ставший ключом к раскрытию тайн структуры кристаллов, основывается на волновых свойствах рентгеновских лучей, отраженных от атомов кристалла. Получающиеся в результате картины интерференции зависят от расстояния между атомами в кристалле и длины волны рентгеновского излучения, и в умелых руках этот инструмент позволил показать расположение индивидуальных атомов в даже самых сложных кристаллических структурах.

Идея, которая привела к закону Брэгга, появилась в 1912 году, в основном благодаря Лоренсу Брэггу. К концу 1930-х годов он занимал должность Кавендишского профессора физики в Кембридже (вслед за Резерфордом после его смерти в 1937 году) и среди прочего все еще активно занимался работой над рентгеновскими лучами. Именно в то десятилетие начала развиваться новая наука – биофизика. Новаторская работа Дж. Д. Бернала по определению структуры и состава биологических молекул посредством рентгеновской дифрактометрии стала началом подробных исследований сложных белковых молекул, определяющих многие функции жизни. Исследователи Макс Перуц и Джон Кендрю в 1962 году получили Нобелевскую премию по химии за определение структуры гемоглобина (молекула крови, которая переносит кислород) и миоглобина (мышечный белок), что стало результатом исследования, начатого в Кембридже до Второй мировой войны.

Однако в популярной мифологии с рождением молекулярной биологии связывают имена «бунтовщика» Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона, которые в начале 1950-х годов разработали модель двойной спирали ДНК и также в 1962 году получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине (совместно с Морисом Уилкинсом). Вызывает восхищение та легкость, с которой члены Нобелевского комитета наградили разных новаторов в области биофизики, дав в один год премию с пометками «химия» и «физиология», однако жаль, что строгие правила, запрещающие посмертные награды, не дали возможности наградить вместе с Криком, Уотсоном и Уилкинсом также коллегу Уилкинса Розалинд Франклин, выполнившую большую часть ключевой кристаллографической работы, которая привела к раскрытию структуры ДНК. Франклин скончалась в 1958 году в возрасте тридцати семи лет. В популярной мифологии она занимает место яростной феминистки из книги Уотсона «Двойная спираль». Книга эта весьма занятна и полна ярких личных воспоминаний о времени, проведенном в Кембридже, однако далека от честного и точного описания коллег и самого автора.

Работа, которая привела Уотсона и Крика к структуре ДНК, проводилась в Кавендишской лаборатории, руководителем которой все еще был Брэгг. В своей книге Уотсон, который в те годы был молодым американцем, приехавшим в Европу для научной работы, описывает, как впервые познакомился с Брэггом, когда пытался получить работу в Кавендишской лаборатории. Седоусому Брэггу было за шестьдесят, и, будучи символом научного прошлого, он поразил молодого Уотсона, показавшись ему человеком, который проводил большую часть дней в солидных лондонских клубах. Однако работа была получена, и Уотсон удивился тому интересу, который Брэгг проявил к исследованию, давая бесценные, хотя и не всегда приятные, советы на пути к решению проблемы ДНК. Фрэнсис Крик, хотя и был старше Уотсона, с формальной точки зрения все еще оставался студентом, работая над докторской. Как и у многих других ученых того поколения, его научная карьера была прервана Второй мировой войной, впрочем, в его случае это, возможно, оказалось к лучшему. Он изначально учился на физика и только к концу 1940-х годов перешел в биологические науки. Этому решению способствовала в том числе небольшая книга, написанная Шрёдингером и опубликованная в 1944 году. Это заслуживающее внимания сочинение под названием «Что такое жизнь?» все еще есть в продаже и является классикой, выдвинувшей идею о том, что фундаментальные молекулы жизни могут быть поняты с помощью законов физики. Важными молекулами, которые нужно объяснить таким образом, являются гены, несущие информацию об устройстве живого организма и о его функционировании. Когда Шрёдингер написал «Что такое жизнь?», считалось, что гены, как и многие другие молекулы жизни, состоят из белка. Впрочем, как раз в то время было открыто, что наследственные особенности в действительности передаются молекулами дезоксирибонуклеиновой кислоты, которую обнаружили в центральных ядрах биологических клеток. Это и есть ДНК, и Уотсон с Криком определили ее структуру, используя данные рентгеновских исследований, полученные Уилкинсом и Франклин.

Я в деталях описал структуру ДНК и ее роль в жизненных процессах в другой книге. Ключевой особенностью является то, что ДНК – это двойная молекула, созданная из двух нитей, скрученных вокруг друг друга. Порядок, в котором вдоль цепочки ДНК выстроены различные химические компоненты, называемые основаниями, несет информацию, которую клетка использует для создания молекул белка, выполняющих всю работу– от переноса кислорода в крови до функционирования мышц. Молекулярная цепочка ДНК может частично распутываться, открывая цепь оснований, которые становятся шаблоном для создания других молекул. Также она может раскрываться полностью и точно копировать себя согласно каждому основанию цепи, которому соответствует противоположное основание, тем самым создавая зеркальное отображение, которое формирует новую двойную спираль. В качестве исходных материалов оба процесса используют химический бульон внутри клетки. И оба процесса играют важнейшую роль в самом существовании жизни. Сегодня человек научился внедряться в код ДНК, изменяя инструкции, зашифрованные в фундаменте жизни, – по крайней мере, на примере простейших живых организмов.

Это является основой генной инженерии. Фрагменты генетического материала – ДНК – могут быть созданы совмещением химических и биологических техник, и микроорганизмы, подобные бактериям, можно заставить взять эту ДНК из химического бульона вокруг них и внести ее в собственный генетический код. Если в штамм бактерии добавить закодированную информацию о том, как необходимо производить инсулин, ее собственные биологические механизмы сделают это, создав именно то, что требуется диабетикам для ведения нормальной жизни. Близка к реальности мечта об изменении человеческого генетического материала, с тем чтобы в первую очередь устранить дефекты, создающие проблемы вроде диабета, и нет теоретической причины не добиться этого результата. Мы уже способны использовать методы генной инженерии на примере других животных и растений, создавая устойчивые штаммы для производства пищи и удовлетворения других нужд человека.

Подробности опять-таки можно найти в других книгах. Важным является то, что мы все слышали о генной инженерии, читали о ее многообещающем будущем и об опасностях, которые она таит. Однако очень немногие осознают, что понимание молекул жизни, которое делает возможным генную инженерию, зависит от нашего современного понимания квантовой механики, без которой мы не были бы способны интерпретировать данные рентгеновской дифрактометрии, не говоря уже обо всем остальном. Чтобы понять, как конструировать или разбирать на фрагменты гены, мы должны понимать, как и почему атомы образуют лишь определенные конфигурации на определенных расстояниях друг от друга и имеют химические связи определенной силы. Это понимание является даром квантовой физики химии и молекулярной биологии.

Я рассказал об этом несколько больше, чем мог бы, исключительно из-за одного члена Университетского колледжа Уэльса. В марте 1983 года в опубликованном в журнале New Scientist отзыве я вскользь упомянул, что «без квантовой теории не было бы ни генной инженерии, ни твердотельных компьютеров, ни атомных электростанций (или бомб)». В ответ на мой отзыв корреспондент из этого уважаемого научного учреждения написал жалобу, заявив, что он сыт по горло тем, что генную инженерию упоминают для красного словца везде, где надо и где не надо, и что Джон Гриббин не имеет права на такие грубые замечания. Какая вообще связь, даже тонкая, может быть между квантовой теорией и генетикой? Надеюсь, в этот раз связь очевидна. На каком-то уровне приятно понимать, что обращение Крика к биофизике было явно спровоцировано Шрёдингером и что работа, которая привела к открытию двойной спирали ДНК, велась под формальным, хоть порой и неохотным, руководством Лоуренса Брэгга. На более глубоком уровне, конечно, становится понятно, что интерес пионеров вроде Брэгга и Шрёдингера, а также следующего поколения физиков, включая Кендрю, Перуца, Уилкинса и Франклин, к биологическим проблемам был обусловлен тем, что проблемы эти, как заметил Шрёдингер, были просто другим типом физики, который занимался огромным количеством атомов в крупных молекулах.

Совершенно не отказываясь от своего замечания в New Scientist, я готов лучше обосновать его. Если попросить умного и начитанного, но при этом далекого от науки человека перечислить важнейшие достижения науки, которые внесли существенный вклад в нашу жизнь, и предположить, какие возможные выгоды и опасности принесет научный прогресс в ближайшем будущем, он точно включит в список компьютерные технологии (автоматизация, безработица, развлечения, роботы), атомную энергию (бомба, крылатые ракеты, электростанции), генную инженерию (новые лекарства, клонирование, угроза созданных человеком заболеваний, повышение урожайности) и лазеры (голография, лучи смерти, микрохирургия, коммуникации). Вероятно, большая часть опрошенных людей будут знать о теории относительности, не оказывающей влияния на повседневную жизнь, но вряд ли хоть один заметит, что каждое достижение из списка уходит корнями в квантовую механику – направление науки, о котором они, возможно, никогда не слышали и которое наверняка не понимают.

Они не одиноки. Все эти достижения стали возможны благодаря квантовой кулинарии, использующей законы, которые кажутся работоспособными, хотя никто в действительности не понимает, почему они работают. Несмотря на достижения последних восьмидесяти лет, вряд ли хоть кто-то понимает, почему работают квантовые рецепты. Остаток этой книги посвящен исследованию ряда самых глубоких тайн, которые зачастую так и остаются покрытыми мраком, а также обзору некоторых возможностей и парадоксов.