Глава 3. Здесь очень мало составляющих

Дальше: Глава 4. Здесь очень мало законов

Еще детьми мы познаем разнообразие окружающего мира. Здесь есть другие люди, животные, растения, вода, почва, камни, ветер, Солнце и Луна, звезды, облака, книги, смартфоны и многое другое. Мы постепенно учимся разбираться с этими вещами, понимаем, как они могут воздействовать на нас, а мы — на них. Но мы редко придаем значение важному факту, что все многообразие вещей состоит из небольшого количества первичных строительных блоков. А ведь это одна из ключевых научных истин.

АТОМЫ И ВСЕ, ЧТО ЗА ИХ ПРЕДЕЛАМИ

Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались уничтожены и к грядущим поколениям перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов…

Ричард Фейнман

У слова «атом» древнегреческий корень, означающий «неделимый». Долгое время ученые думали, что мельчайшие частицы, обмен которыми происходит при химических реакциях, — элементарные и неразделимые. Такие основные строительные блоки стали называть атомами, и это название за ними закрепилось.

Но когда люди начали изучать материю в условиях более разнообразных и не вполне типичных для химии, они обнаружили, что атом можно разделить на более мелкие части. Таким образом, рассматриваемый в химии атом, то есть объект, который так называют в большей части научной литературы, в истинном смысле атомом не является: это не элементарный строительный блок.

Традиционный химический атом состоит из электронов, окружающих ядро. Само ядро можно разделить на протоны и нейтроны. Но и это еще не конец истории. Лучшая современная модель мира строит атомы из электронов, фотонов, кварков и глюонов. И есть веские основания полагать, что это действительно так.

Эти открытия — важная часть основ, о которых я говорю в книге, и по своему духу они продолжают атомную гипотезу. Однако они предлагают изменить ее формулировку, а возможно, и название. Следует говорить не «Все состоит из атомов», а «Вся материя состоит из элементарных частиц». Но как бы ни формулировали эту гипотезу, ее основной вывод ясен: материю следует разобрать на как можно меньшие частицы. Сделав это правильно, вы сможете (мысленно) создать резервную копию и сконструировать физический мир.

Современная научная конструкция физической реальности, состоящая из нескольких простых составляющих, требует переосмысления как того, что мы понимаем под словами «простые составляющие», так и того, что значит «конструкция».

ПРИНЦИПЫ: РЕАЛЬНОСТЬ И ЕЕ КОНКУРЕНТЫ

Основные составляющие физической реальности — несколько принципов и характеристик, проявляющихся в том, что обычно называют элементарными частицами. Однако такие элементарные частицы существенно отличаются от любых объектов, с которыми мы сталкиваемся на опыте. Именно поэтому, чтобы разобраться, начнем с принципов и характеристик — атрибутов — материи.

Четыре (обманчиво) простых принципа

Функционирование мира строится на четырех простых, но неукоснительно соблюдаемых общих принципах. Сначала я перечислю их конспективно, а затем разъясню более обстоятельно.

1. Фундаментальные законы описывают изменения. Полезно разделить описание мира на две части: состояния и законы. Состояния показывают, что есть, а законы — как это меняется.

2. Фундаментальные законы универсальны. Они выполняются везде и всегда.

3. Фундаментальные законы локальны. Это значит, что поведение объекта в ближайшем будущем зависит только от текущих условий в его непосредственном окружении.

4. Фундаментальные законы точны. Они не допускают исключений. Соответственно, их можно сформулировать в форме математических уравнений.

Простота этих принципов обманчива. Они далеко не самоочевидны, а возможно, даже их истинность не абсолютна. Их особое значение — следствие не логической необходимости, а доказанности. Именно они помогли нам поразительно успешно описать функционирование физического мира, что и призвана задокументировать эта книга.

На протяжении всей истории у людей были самые разные точки зрения на то, как устроен мир. В мифах, сказаниях и — до недавнего времени — в трудах образованных ученых, философов и теологов находили отражение идеи, противоречащие одному или нескольким из перечисленных принципов. Например, астрологию, телепатию, ясновидение и черную магию объясняли некими мощными силами, действующими на больших расстояниях и в больших временных интервалах. Другие гипотезы — экстрасенсорика, телекинез, чудодейственность молитв и магическое мышление — родились из веры в нашу способность влиять на реальность усилием мысли. Большинство этих идей — «рациональное» развитие детских моделей мира. В их основе лежит убежденность, что разум отделим от тела, а наша воля может воздействовать на объекты и события. И подобные модели мира люди выстраивали веками.

За всю историю человечества лишь немногие стремились точно прогнозировать будущее. Мало кто вообще мог помыслить, что такое возможно. Однако именно эта возможность — главное в наших общих принципах, впервые четко сформулированных в семнадцатом столетии. И в этом суть научной революции.

Основная идея первого принципа проста: продуктивнее отвечать на вопрос «Что произойдет дальше?», чем на вопрос «Почему это происходит именно так?». Понять, что произойдет дальше, проще, поскольку благодаря второму и третьему принципам ответ может дать нам эксперимент. Иначе говоря, можно создать точную копию интересующей нас ситуации — то же самое состояние — и наблюдать, что с этой копией происходит.

В соответствии со вторым принципом (принципом универсальности) фундаментальные законы, выявленные в ходе таких экспериментов, всегда будут одними и теми же. А значит, ставить эксперименты можно где и когда угодно.

Третий принцип (принцип локальности) дает нам еще одно существенное упрощение: формулируя фундаментальные законы, нет необходимости принимать в расчет всю Вселенную или всю историю. Следовательно, при соблюдении необходимых мер предосторожности здесь и сейчас можно претендовать на соблюдение всех требуемых экспериментом условий.

И наконец, четвертый принцип (точность) затрагивает наше самолюбие. Он утверждает, что если формулировать фундаментальные законы на основе подходящих гипотез, то можно добиться краткого, но полного и точного описания. А еще это вызов: соглашаться на меньшее мы не должны.

В целом принципы подтверждают: путем экспериментов можно открыть точные, универсальные законы, управляющие изменениями физических объектов. Наука стремится к этому систематически и неустанно.

Эти фундаментальные принципы определяют стратегию совершения открытий. Мы начинаем изучать происходящее в строго определенных, простых ситуациях, которые можем много раз повторить. Затем можно попытаться исследовать что-то более сложное.

Дети, даже детеныши зверей, тоже используют эксперименты для встраивания в физическую реальность. Мы, люди, учимся бросать мяч, подносить ложку ко рту и тысячам других действий, позволяющих изменять физический мир. Мы делаем это, объединяя опыт, накопленный в разных местах и разных условиях. Ученые и люди, приобщившиеся к науке, в каком-то смысле переживают второе рождение. Но таким «детям» двигаться вперед помогают логическое мышление, приборы, расширяющие границы чувственного восприятия, и работа наших предшественников.

Ньютон и локальность

Ньютону не особенно нравилось одно из его величайших открытий. Согласно закону Ньютона, сила притяжения, с которой одно тело (назовем его телом B) действует на другое тело (назовем его A), действует мгновенно, без какой-либо задержки во времени, как бы далеко эти тела ни находились друг от друга. Это предполагает, что движение тела A нельзя предсказать, исходя только из условий в непосредственной близости от A, — в частности, надо знать, где находится тело B. Ньютон был очень разочарован этим выводом. В письме своему другу Ричарду Бентли он писал:

То, что тяготение должно быть врожденным, внутренне присущим материи и существенным для нее, дабы одно тело могло воздействовать на другое на расстоянии через пустоту, без посредства какого-либо агента, посредством и при участии которого действие и сила могли бы передаваться от одного тела к другому, представляется мне столь вопиющей нелепостью, что, по моему убеждению, ни один человек, способный со знанием дела судить о философских материях, не впадет в нее.

Ньютон понимал, что его закон всемирного тяготения нелокален — иными словами, он не соответствовал нашему третьему принципу, — и ему это очень не нравилось.

Для Ньютона и нескольких следующих поколений ученых этот очевидный недостаток был чисто теоретическим: на практике закон всемирного тяготения выполнялся удивительно точно. Можно сказать, что его недостатки имели эстетический или, для самого Ньютона, теологический характер. Казалось, это упущение Бога, вкус которого обычно безупречен.

Вера Ньютона в третий принцип — принцип локальности — оказалась на удивление провидческой. Начиная с середины XIX века, спустя много десятилетий после его смерти, физики начали заполнять пассивный «вакуум» — Ничто, или Пустоту, на которую жаловался Ньютон, — передающими силу субстанциями, которые мы называем полями. В современной физике фундаментальными кирпичиками, составляющими материю, являются поля, а не частицы.

Пример из практики: атомные часы

Атомные часы — великолепный пример действенности фундаментальных принципов.

Их ход задается колебаниями атомов. Физическое состояние определяет, как атомы меняются, а в данном случае — как быстро они колеблются (соблюдение первого принципа). Частота колебаний измерялась в разное время и в разных местах, и результаты всегда совпадали (соблюдение второго принципа), если в лабораториях предпринимались определенные меры предосторожности (использование третьего принципа). И, как уже говорилось раньше, частоты колебаний атомов измерены с удивительной точностью (соблюдение четвертого принципа).

И в этом случае, и в большинстве других экспериментов самое непростое — принять необходимые меры предосторожности. Чтобы получать надежные результаты, мы должны быть уверены: все сложные, точно настроенные приборы (лазеры, охлаждающая аппаратура, вакуумные камеры и большое количество электроники), предназначенные для захвата атомов и наблюдения за их поведением, работают стабильно. Эти приборы нужно предохранять от колебаний почвы, связанных с проезжающими по улице грузовиками и сейсмическим потряхиванием самой Земли. Нельзя позволить детям-шалунам или неосторожным студентам слоняться по лаборатории, прикасаясь к чему попало. Но суть третьего принципа в том, что все эти предосторожности и рутинные проверки температуры, влажности и так далее относятся только к локальным условиям. Например, грузовик может быть далеко, но существенны только колебания, ощутимые в лаборатории. А значит, не надо принимать во внимание далекие галактики, вспоминать, что происходило в прошлом, или думать о том, что произойдет в будущем.

В нашем случае главное — атомы. Какие непредвиденные изменения важно контролировать, чтобы получить воспроизводимые, высокоточные результаты, которыми славятся атомные часы? Во-первых, интересующие нас атомы необходимо удерживать отдельно от других — для этого предназначены охлаждающие аппараты и вакуумные камеры. А во-вторых, мы должны следить за электрическими, магнитными и гравитационными условиями, в которых находится атом, или, как говорят ученые, за значениями полей. Эти поля можно измерить локально, если следить за движением заряженных частиц и скоростью падения тел. Достаточно учесть значения этих величин и сделать соответствующие поправки. Как видите, список невелик. Теперь результатом измерений с очень высокой точностью будет неизменная частота атомных колебаний, а получив что-то другое, вы сделаете великое открытие, упущенное всеми прочими экспериментаторами!

С философской точки зрения важно отметить, что в таком подходе нет места каким-то гипотетическим сверхъестественным сущностям и мистицизму. Наш опыт с тонкими, сверхточными экспериментами создает большие трудности для тех, кто верит в способность разума непосредственно воздействовать на материю. Казалось бы, это прекрасная возможность произнести колдовской заговор, проявить экстрасенсорные способности и заработать вечную славу, продемонстрировав силу молитвы или визуализации желаний: строгий эксперимент помог бы зафиксировать любой малейший эффект. Но никто еще не преуспел на этом пути.

ЧТО МОГЛО ПОЙТИ НЕ ТАК, НО НЕ ПОШЛО

Прежде чем закончить разговор о фундаментальных принципах существования нашего мира, я проведу простой мысленный эксперимент: покажу, что было бы, если бы наши принципы оказались неправильными. Точнее, я опишу вероятные вселенные будущего, где они не соблюдаются.

Один из моих любимых мысленных экспериментов воплотился во многих научно-фантастических рассказах и в фильме «Матрица». Речь идет о неких разумных существах, игнорирующих свою физическую реальность. Для убедительности представим себе, что правы сторонники мощного искусственного интеллекта, допускающие нечто подобное в перспективе. Учитывая успешное развитие виртуальных технологий, звучит не так уж невероятно.

Пусть «органы чувств» таких гипотетических созданий — это не порталы в физический мир, а подаваемые на вход электрические сигналы. Таким образом, «внешний мир» наших существ — информационный поток, который они интерпретируют как ощущения, — на самом деле представляет собой длинные серии сигналов, генерируемых компьютерной программой. Поскольку «внешний мир» следует ее инструкциям, он может подчиняться любым правилам, навязанным программистом. В таком мире все наши принципы можно просто выбросить в корзину.

Мы можем также представить себе разумную, самостоятельно мыслящую версию Super Mario, чья чувственная вселенная сосредоточена внутри мира игры. Наш Super Mario живет во вселенной, управляемой законами, зависящими от того, где он находится, — а именно от уровня, которого он достиг. В более общем случае это вселенная, где законы меняются в соответствии с непредсказуемыми сюрпризами, встроенными в игру программистом. Здесь не только странные правила, но есть еще и так называемые пасхальные яйца, которые намеренно эти правила нарушают.

Мы можем сконструировать мир, где истинна астрология: характер и судьба человека определяются положением звезд и планет в момент его рождения. Мы можем вставить это в программу. Мы можем запрограммировать существование монстров, неожиданно выпрыгивающих во время солнечного или лунного затмения. Мы можем разрешить персонажам произносить заклинания, немедленно поражающие находящихся на расстоянии врагов, — и к черту локальность. Используя случайные числа, мы можем ввести в программу шумы, делающие правила непредсказуемыми и неточными. Создатели компьютерных игр обожают подобные штучки.

Мы можем вообразить миры, где возможны чудеса и где они происходят в самом деле. Или миры, история которых, в соответствии с написанным сценарием, достигает предопределенной кульминационной точки. В основу всех таких миров ляжет теория разумного замысла.

Таким образом, в наших воображаемых мирах первый принцип будет вести к ошибочным умозаключениям, а другие окажутся в корне неверны. Подобные эксперименты напоминают, что сформулированные принципы необязательно справедливы и уж никак не очевидны. Тот факт, что физический мир, в котором мы сейчас живем, им подчиняется — поразительное открытие. Сделать его было нелегко, как нелегко и принять.

Каждый раз, когда я решаю поднять руку, происходит нечто, как будто бы противоречащее этим принципам. Даже грамматика предложения «Я решил поднять руку» говорит сама за себя: есть некое «я» — дух или воля, — которое диктует, как должна себя вести часть физического мира. Это иллюзия или по крайней мере взгляд на вещи, от которого трудно отказаться. Но сформулированные принципы требуют от нас думать иначе.

СВОЙСТВА: ЧТО ТАКОЕ МАТЕРИЯ?

[Лишь] в общем мнении существует цвет, в мнении — сладкое, в мнении — горькое, в действительности же [существуют только] атомы и пустота.

Демокрит, фрагмент (ок. 400 г. до н. э.)

Можно сказать, что этот отрывок закладывает основы атомизма. Его вторая часть — «в действительности же [существуют только] атомы и пустота» — по сути, слова Фейнмана о том, что все состоит из атомов.

Утверждение Демокрита крайне смелое. Он отрицает объективную реальность того, что дано нам в ощущениях, — вкуса, тепла, цвета — всего, что непосредственным образом открывает нам доступ к физическому миру. Несомненно, он имел в виду, что реальность можно объяснить, используя как отправную точку базовые элементы: для него это были атомы, для нас — элементарные частицы, которые сами по себе не сладкие и не горькие, не горячие и не холодные и не цветные. Эти ощущения, полагал он, — тщательно обработанное краткое сообщение от элементарных частиц, занимающихся своими делами за кулисами. Но рассказывая нам, каких свойств у элементарных частиц нет или, по крайней мере, может не быть, Демокрит ставит важный и очень интересный вопрос: какие же свойства у них есть?

Собственный ответ Демокрита примерно таков: элементарным частицам присущи только форма и движение, ничего более. В целом он представлял их твердыми телами с крючочками. Наличие крючочков объясняло, как атомы, цепляясь друг за друга, образуют твердые тела или какие-то другие материалы. Демокрит считал, что элементарные частицы могут как спонтанно двигаться, иначе говоря «отклоняться», так и находиться в определенных предпочтительных положениях, — а жизнь в мире поддерживает результирующее напряжение между неугомонностью атомов и их стремлением к объединению. Поскольку из трудов Демокрита сохранилось только несколько фрагментов, точно установить, как он все это себе представлял, невозможно. Но я думаю, что суть мы уловили.

Современная наука дает свой ответ на этот вопрос. От ответа Демокрита он существенно отличается в деталях, но не менее дерзок, а в своей простоте даже более радикален. А главное, этот ответ зиждется на невероятном количестве экспериментальных свидетельств.

Итак, в соответствии с современными представлениями у материи три основные характеристики:

1) масса,

2) заряд,

3) спин,

которые и определяют все ее остальные свойства. И это все.

С философской точки зрения основной вывод таков: число характеристик очень мало и каждую можно точно измерить. И еще: как и предвидел Демокрит, связь между основополагающими свойствами материи — глубинной структурой реальности — и повседневным обликом вещей достаточно отдаленная. И хотя утверждение, что «[лишь] в общем мнении существует» сладость, горечь, тепло, холод и цвет, кажется мне слишком сильным, проследить непосредственную связь перечисленных свойств с первоисточником — массой, зарядом и спином — сложно.

Подробный рассказ о массе и заряде, как электрическом, так и цветном, я перенес в приложение. Здесь же я расскажу немного о, возможно, наименее привычной характеристике — спине.

Если вы когда-нибудь играли с волчком, вам будет легче понять, что такое спин. Основная идея такова: спин элементарной частицы — идеальный, без трения волчок, который никогда не перестает вращаться.

Движение волчка, или гироскопа, вызывает у нас интерес, поскольку оно необычно для нашего повседневного опыта. Если говорить конкретнее, быстро вращающийся гироскоп противодействует попыткам изменить направление своей оси вращения: чтобы сделать это, нужно приложить большую силу. Мы говорим, что гироскоп обладает моментом инерции относительно оси вращения. Этот эффект используют для навигации самолетов и космических аппаратов, на борту которых есть гироскопы, помогающие им сохранять ориентацию.

Чем быстрее вращается гироскоп, тем эффективнее он сопротивляется попыткам изменить его ориентацию. Сравнивая силу с откликом на ее воздействие, можно определить меру момента инерции относительно оси вращения. Она называется угловой момент. Угловой момент больших, быстро вращающихся гироскопов большой, и они мало реагируют на приложенную силу.

С другой стороны, элементарные частицы — на самом деле крошечные гироскопы. Их угловой момент очень мал. Когда угловой момент становится настолько малым, мы переходим в область квантовой физики. Часто выясняется, что в квантовой механике величины, считавшиеся непрерывными, могут изменяться только небольшими дискретными порциями, или квантами, — отсюда и название квантовой механики. Так обстоит дело и с угловым моментом. Согласно квантовой механике, имеется минимальное теоретическое значение величины углового момента тела. Все возможные угловые моменты равны целым числам, умноженным на это минимальное значение.

Оказывается, электроны, кварки и некоторые другие элементарные частицы обладают угловым моментом, в точности равным его минимальному теоретическому значению. Физики, указывая на это, говорят, что электроны и другие представители этого класса элементарных частиц обладают спином ½. Есть любопытная, связанная с математикой причина, объясняющая, почему физики называют фундаментальную единицу углового момента спином ½, а не спином, равным единице, но этот вопрос выходит за рамки нашей книги.

В завершение темы хочу рассказать свою личную историю. Спин изменил мою жизнь. Мне всегда нравились математика и головоломки, а в детстве я любил играть с юлой. В университете я выбрал математику основной специальностью. Во время последнего семестра привычную жизнь кампуса Чикагского университета нарушили студенческие волнения. Расписание составлялось на скорую руку и посещать занятия стало не столь обязательно. Питер Фройнд, знаменитый профессор физики, предложил прочесть спецкурс о применении математической теории симметрии в физике. Я воспользовался возможностью посещать его лекции, хотя и не был достаточно подготовлен для них.

Когда профессор Фройнд говорил, его сияющие, широко открытые глаза сверкали восторженным энтузиазмом. Он показал нам, как необычно красивые математические рассуждения, основанные на идеях симметрии, связаны с возможностью предсказывать поведение наблюдаемых физических величин. Для меня наиболее впечатляющим примером такой связи стала, и до сих пор остается, квантовая теория углового момента, о которой он нам рассказывал. Когда вращающаяся частица распадается и при этом рождается несколько других (ситуация вполне заурядная в квантовом мире), квантовая теория углового момента предсказывает соотношения между направлениями разлета продуктов распада и направлениями их осей вращения. Такие предсказания требуют довольно сложных расчетов, а их результаты совсем не очевидны. Но они работают!

Ощущение неразрывной гармонии между двумя разными вселенными — вселенной красивых идей и вселенной физических процессов — стало для меня своего рода духовным пробуждением, а потом и легло в основу моей профессии. И я не разочаровался.

ФИЛОСОФИЯ СВОЙСТВ

Еще раз хочу подчеркнуть: в триединстве характеристик материи — массы, заряда и спина — наиболее важно и замечательно именно то, что их так мало. Указав для любой элементарной частицы значения этих трех величин, а еще координаты и скорость, вы опишете ее полностью.

Как это отличается от реалий повседневной жизни! Объекты, с которыми мы привыкли иметь дело, очень многогранны: у них есть размер, форма, цвет, запах, вкус и еще большое количество характеристик. А если мы описываем человека, уместно также указать его пол, возраст, особенности характера, состояние ума и многое другое. Все эти свойства дают нам более или менее независимые фрагментарные сведения об объектах и людях. Ни одна составляющая этого набора не определяет остальные. Демокрит был прав: контраст между простотой фундаментальных составляющих мира и сложностью того, что они образуют, поразителен.

Но, вопреки представлениям Демокрита, у наших фундаментальных составляющих нет крючков. Более того, это даже не твердые тела. Хотя их удобно называть элементарными частицами, но на самом деле это не совсем частицы, то есть у них мало общего с тем, что мы вкладываем в понятие «частица». Согласно современным концепциям, фундаментальные составляющие не имеют размера или формы. Если мы непременно хотим их визуализировать, можно представить себе бесструктурные точки c концентрацией массы, заряда и спина. Вместо «атомов и пустоты» мы опираемся на категорию «пространство-время» и свойства.

ПОДРОБНОСТИ

Не все элементарные частицы созданы равными. В нашем представлении о мире они играют разные роли. Некоторые доминируют в повседневной жизни, другие проявили себя в астрономии и астрофизике. А еще есть элементарные частицы, роль которых пока не до конца ясна.

Другими словами, у нас есть частицы построения, частицы изменения и бонусные частицы. Для профессиональных физиков и астрономов все они необычайно интересны, но частицы построения, безусловно, самые важные для мира, с которым мы имеем дело, поэтому здесь я расскажу о них. Некоторые сведения о других частицах вынесены в приложение.

Частицы построения

Грубо говоря, обычная материя — та, с которой мы имеем дело в биологии, химии, геологии и технике. Одно из главных достижений современной науки — возможность определить обычную материю совсем по-другому и более точно: это материя, которую можно построить из электронов, фотонов, двух типов кварков, обычно называемых нижними и верхними, и глюонов.

Итак, материя повседневной жизни, из которой состоят и наши тела, строится из пяти разных кирпичиков — пяти типов элементарных частиц. Каждый определяется несколькими понятными характеристиками.

(Что означают звездочки, я объясню позднее.)

Для начала позвольте вкратце напомнить «классическое» описание атома, составленное в начале ХХ века. Ниже мы его уточним. Согласно ему, атом состоит из маленького ядра в центре, окруженного облаком электронов. Электростатическое притяжение связывает электроны с ядром. В ядрах сосредоточены практически вся масса атома и весь его положительный электрический заряд.

Ядра, в свою очередь, образованы из протонов и нейтронов, чья масса примерно в две тысячи раз больше массы электрона. Протоны несут положительный электрический заряд, причем положительный заряд одного протона уравновешивает отрицательный заряд одного электрона. Нейтроны не обладают электрическим зарядом. Таким образом, когда число электронов, окружающих ядро, равно числу протонов внутри него, заряд атома в целом равен нулю и атом электрически нейтрален.

Электроны — первые открытые элементарные частицы и во многом наиболее важные. Впервые существование электронов однозначно установил Дж. Дж. Томсон в 1897 году. Он изучал электрические разряды — по сути, искусственные молнии — в так называемых вакуумных трубках. Трубки не были абсолютно пустыми (иначе там не оказалось бы электронов), но воздуха в них было так мало, что находившиеся внутри частицы могли двигаться без столкновений. Прилагая электрические и магнитные поля, Томсон наблюдал за отклонением в разных местах лучей разряда, что позволило определить его наиболее существенную компоненту. Эта компонента присутствует во всех разрядах вне зависимости от того, каким газом наполнена трубка, и направление луча особенно легко меняется в магнитном поле. Если точнее, форма «ответной молнии» совпадает с траекторией, которую можно рассчитать в соответствии с законами электричества и магнетизма при движении заряженных, обладающих массой точечных объектов. Томсон предположил, что эти разряды состоят из частиц, имеющих определенную массу и заряд. Так родился электрон. Открытие потоков таких частиц означало, что они относятся к основным, универсальным структурным элементам материи.

Работы Томсона вдохновили многих исследователей. Вскоре углубленный анализ природы материи привел к появлению столь известной и уже привычной всем прикладной науки — электроники. Ее значение трудно переоценить.

Поведение электронов изучено со всевозможных точек зрения, в многочисленных экспериментах. Например, как я упоминал выше, люди научились измерять крошечное магнитное поле, которое генерируют вращающиеся (то есть все) электроны. Это можно сделать, основываясь на предположении, что электрон обладает только массой, электрическим зарядом и спином и никаких других характеристик у него нет. Выполнить расчет и измерить магнитное поле можно с очень большой точностью — в обоих случаях с точностью до нескольких миллиардных. К счастью, все получающиеся результаты совпадают.

Точное совпадение поведения электрона, предсказанного в рамках удивительно простой модели, с результатами экспериментов — это именно то, что мы и подразумевали, объявив его элементарной частицей. Если бы электроны, как атомы, обладали сложной внутренней структурой, их поведение не было бы таким простым. Например, если бы его заряд был однородно распределен внутри маленького шарика, а не сконцентрирован в точке, теоретическое значение магнитного поля электрона не совпадало бы с измеренным экспериментально. Конечно, если шарик будет достаточно маленьким, разницу можно и не заметить. Но пока природа не дает нам оснований вносить такие сложные поправки.

Сходным образом можно оправдать присвоение титула «элементарная» (пока не доказано обратное) каждой частице, о которой пойдет речь. Все они прошли строгий отбор и отвечают условию: очень малого числа их характеристик (других нет) достаточно, чтобы получить множество значимых, правильных результатов.

В таблице элементарных частиц и их характеристик я использовал массу электрона, чтобы определить масштаб масс всех элементарных частиц, поэтому масса электрона равна 1 по определению. Кроме того, я, как это обычно принято, использовал электрический заряд электрона как меру электрического заряда. Но тут есть небольшое осложнение, возникшее по милости моего кумира, Бенджамина Франклина.

До того как стать известным государственным деятелем и дипломатом, Франклин внес важный вклад в науку об электричестве: открыл сохранение электрического заряда и доказал, что заряды бывают положительными и отрицательными. Как первооткрывателю, Франклину предстояло выбрать, заряд какого типа назвать положительным, а какого — отрицательным. Он решил, что заряд, накапливающийся на стекле, натертом шелком, будет называться положительным. Это случилось задолго до того, как люди узнали об электронах. Так что в соответствии с выбором Франклина у электрона заряд отрицательный. Уже поздно что-то менять, поскольку такой выбор зафиксирован в миллионах книг, статей и электрических схем. Именно поэтому в нашей таблице электрический заряд электрона равен –1.

Следующими открытыми элементарными частицами были фотоны. О существовании света было известно всем животным и, пожалуй, растениям задолго до начала человеческой истории. С другой стороны, открытие того, что свет распространяется дискретными порциями, началось с предположения. Фотоны — элементарные порции света.

Эйнштейн первым выдвинул такое предположение в 1905 году. Это был «год чудес», куда поместились специальная теория относительности, существование атомов (броуновское движение) и E = mc². Эйнштейн назвал это предположение гипотезой о квантах света. (Слово «фотон» ввел в 1925 году выдающийся химик Гилберт Льюис.) Столь революционную идею встретили в штыки. Через восемь лет, в 1913 году, при избрании Эйнштейна в Прусскую академию наук, Макс Планк в конце своей хвалебной рекомендации извинился за досадную абсурдность некоторых идей Эйнштейна. Планк писал: «То, что иногда, как, например, при выдвижении гипотезы о квантах света, он может зайти слишком далеко в своих предположениях, не должно ставиться ему в вину».

Как ни забавно, предположение Эйнштейна основывалось на работе самого Планка. Опираясь на эксперименты по измерению светимости нагретого тела, Планк пришел к выводу, что свет испускается и поглощается дискретными порциями (речь идет о так называемом излучении абсолютно твердого тела). Эйнштейн интерпретировал это утверждение как то, что свет состоит из дискретных порций, и точка. Это уточненное толкование позволило ему предсказать результаты нескольких других экспериментов, которые, в принципе, можно было бы поставить, но при уровне развития науки в 1905 году они были очень сложны. И только в 1914 году, через год после письма Планка, опыты Роберта Милликена стали решающими для проверки гипотезы Эйнштейна.

Хотя Эйнштейн несомненно заслужил несколько Нобелевских премий, получил он только одну — в 1921 году, за работу о квантах света. Сам Эйнштейн считал ее наиболее революционной.

Изучая поведение материи при энергиях более высоких, чем те, которые были доступны в начале ХХ века, мы обнаруживаем отдельные фотоны, энергия и импульс которых достаточно велики. По этой причине их гораздо проще отождествить с частицами. Фотоны высокой энергии известны как гамма-лучи. С помощью счетчика Гейгера можно услышать, как гамма-лучи — щелчок за щелчком — объявляют о своем прибытии.

Как электроны и ядра, фотоны следует считать составными частями атомов. Действительно, по природе фотоны — это «глюоны». Именно фотоны — электрические поля в их коллективном воплощении — склеивают атомы, связывая электроны и ядра.

А вот протоны и нейтроны не относятся к элементарным частицам: их поведение слишком сложно. Легко описать модель протонов и нейтронов, которую мы используем сегодня, но построить и обосновать ее было нелегко. В целом она походит на модель атомов. Два типа похожих на электроны частиц — их называют u-кварки и d-кварки — связаны вместе глюонами — частицами, напоминающими фотоны.

Хотя в главном эти модели сходны, есть существенные различия в том, как «собраны» атомы (из электронов, фотонов и ядер) и протоны (из кварков и глюонов).

• Электромагнитное взаимодействие, обусловленное электрическим зарядом, гораздо слабее сильного взаимодействия, обусловленного цветным зарядом. Именно поэтому размер ядра атома, в котором протоны и нейтроны прочно связаны сильным взаимодействием, гораздо меньше размера самого атома.

• Электроны всегда отталкиваются друг от друга. Однако поскольку цветов три, то силы, связывающие кварки, сложнее и могут быть силами притяжения. Благодаря такой возможности кваркам, в отличие от электронов, для связи не требуются «ядра», состоящие из чего-то, отличного от них самих.

• В то время как фотоны электрически нейтральны, цветные глюоны — их аналоги, отвечающие за сильное взаимодействие, — сами несут цветной заряд. Глюоны чувствуют сильное взаимодействие так же, как кварки (на самом деле даже сильнее). И это еще одна причина, в силу которой протоны и нейтроны более однородны, чем атомы. Носители взаимодействия сами в нем тоже участвуют.

Чтобы завершить описание кварков и глюонов, нужно рассказать об их массах. С глюонами все просто: масса глюонов, как и фотонов, равна нулю. Главное, что надо знать о кварках, — то, что их массы велики по сравнению с массой электрона, но очень малы в сравнении с массами протонов и нейтронов.

Может показаться парадоксальным, что масса протона гораздо больше масс того, из чего он состоит. На самом деле этот парадокс разрешим — благодаря выводу, что источником всей нашей массы (массы составляющих нас протонов и нейтронов) является энергия. И это высочайшее достижение человека в понимании природы.

Точно измерить массы u-кварков и d-кварков трудно. Дело в том, что выделить влияние их масс на фоне других, более значительных эффектов проблематично. Так что в таблице я указал наилучшие оценки их значений, отметив это звездочкой.

В наш список частиц построения следует добавить гравитоны — именно из них состоят гравитационные поля. Фотоны связывают атомы и молекулы; глюоны — кварки, протоны и атомные ядра; а гравитоны — планеты, звезды, галактики и вообще большие объекты.

Гравитоны никогда не регистрировались как отдельные частицы: поскольку электрический заряд у них нулевой, а цветной отсутствует, по отдельности они очень слабо взаимодействуют с обычной материей. Но каждая из перечисленных выше характеристик гравитонов непосредственно связана с наблюдаемыми свойствами сил, ими порождаемых. Мы наблюдаем действие гравитационных сил, а в последнее время и гравитационные волны. Все это результат кумулятивного действия множества отдельных гравитонов. Их масса равна нулю, поэтому они очень легко образуются в больших количествах.

Из-за относительно большого спина взаимодействия гравитонов сложнее, чем у других элементарных частиц. Ключевые черты теории гравитации Эйнштейна — общей теории относительности — следуют непосредственно из свойств гравитона, связанных со спином. И этот факт — впечатляющая демонстрация значимости наших трех основных атрибутов материи — массы, заряда и спина — для всеобъемлющего описания ее поведения. Путь, которым сам Эйнштейн пришел к созданию общей теории, был невероятно талантливым, но гораздо менее прямым.

На этом завершается наш обзор частиц — кирпичиков, из которых построена материя. Если вы впервые столкнулись с этими идеями, непривычные концепции и их конкретное воплощение могут с трудом укладываться в голове. Тем не менее главная мысль ясна: физический мир выстроен из очень небольшого числа разных составляющих. Более того, эти составляющие предельно просты в том смысле, что определяются всего несколькими характеристиками.

БУДУЩЕЕ СОСТАВЛЯЮЩИХ

Список элементарных частиц существенно короче английского алфавита и гораздо короче периодической системы Менделеева. Вместе с законами, описывающими силы — их всего четыре, — составляющих из этого списка достаточно, чтобы эффективно и успешно описать материю. Об этом я расскажу в . Здесь же мы остановимся на заманчивых гипотезах о том, как можно сделать описание материи еще компактнее.

Но сначала я хотел бы рассмотреть будущее элементов построения мира под другим углом зрения. Я опишу две стратегии «изготовления» новых полезных «элементарных частиц». Обе они вдохновлены самой природой. Одна — появившаяся под влиянием физики — основана на движении снаружи внутрь. Другая, фундаментом которой стала биология, предлагает двигаться изнутри наружу.

Творение частиц, версия первая: о дивный новый мир

Те же представления, на которые мы опирались, анализируя мир в целом, можно отнести и к веществам. Если в материю добавить немного энергии, заряда или спина, в большинстве случаев обусловленное этим возмущение соответствует некоторому количеству дискретных «порций», или, иначе, квантов. Эти «потусторонние» возмущения называют квазичастицами. Свойства квазичастиц могут быть совсем не такими, как у элементарных частиц в пустом пространстве.

Дырки — простой, но чрезвычайно важный класс квазичастиц. Внутри типичного твердого тела много электронов. Когда твердое тело находится в равновесии, они расположены согласно определенной схеме. Теперь представьте себе, что один электрон вынули — и там, где он должен был быть, образовалась пустота. После того как все успокоится, что может произойти довольно быстро, обычно остается квазичастица. В связи с тем, что появилась она как результат отсутствия одного электрона, ее электрический заряд равен +1 (напомним, заряд электрона равен –1). Мы называем такую квазичастицу дыркой.

Дырки дают нам положительно заряженные (квази)частицы, работать с которыми гораздо легче, чем с их ближайшим аналогом в пустом пространстве — протонами. Дырки играют важнейшую роль в транзисторах и вообще во всей современной электронике. Когда стало понятно, как создавать и использовать дырки, мир изменился.

В других случаях квазичастицы — «кровные родственники» элементарных частиц пустого пространства. Их свойства существенно меняются, когда они оказываются внутри материала. Прекрасный пример связан со сверхпроводимостью. Когда фотоны попадают в сверхпроводник, их масса меняется: теперь она чрезвычайно мала, но не равна нулю. Она зависит от сверхпроводника; ее характерное значение — порядка одной миллионной массы электрона. Для опытного физика появление массы у фотона и есть суть сверхпроводимости.

Мои первые работы по физике касались традиционных элементарных частиц. Но еще намного раньше, во время школьной экскурсии в Bell Labs, произошел случай, врезавшийся мне в память и в конечном счете изменивший мою жизнь. Один из ученых, пытаясь объяснить, чем он занимается, упомянул, что фононы — это кванты колебаний. Я не понял, о чем он говорит, но подумал: это самая классная штука, о которой я когда-либо слышал, — три таинственных понятия, у каждого свое звучное название, и все каким-то образом связаны. По пути домой я пытался разгадать эту загадку и нашел такой ответ: материя сама по себе — целый мир, отличный от нашего, и обитают там свои частицы, отличные от наших. Мне эта идея понравилась.

Открытие новых элементарных частиц происходит медленно. Еще в 1970-х годах все частицы, упомянутые выше, а также те, о которых можно прочесть в приложении к книге, были уже известны, или их существование уверенно предсказывалось. С другой стороны, мир квазичастиц открывает огромный простор для воображения и творчества. Та школьная экскурсия приоткрыла мне новые горизонты.

Через пятнадцать лет я наконец добрался до этих горизонтов. Здесь я упомяну только об одном важном событии. Энионы — квазичастицы с простой памятью. Я ввел такие квазичастицы и дал им название в 1982 году. Сначала это было чисто умозрительным упражнением. Я хотел продемонстрировать, что квазичастицы могут иметь дополнительное свойство — крохотную память о взаимодействиях с другими квазичастицами. (Позднее я узнал, что два норвежских физика Йон Магне Лейнаас и Ян Мирхейм пришли к схожим выводам раньше.) В то время я не думал ни о каком конкретном веществе.

Однако через несколько месяцев я узнал об открытии, получившем название дробный квантовый эффект Холла (ДКЭХ). В веществах, где наблюдается ДКЭХ, инжектированный электрон делится на несколько квазичастиц. Каждая из них несет электрический заряд, составляющий долю заряда электрона. Я понял, что такие квазичастицы должны очень своеобразно взаимодействовать друг с другом. Это и заставило меня заподозрить, что они могут быть энионами. В 1984 году нам с Дэном Аровасом и Робертом Шиффером удалось доказать, что это действительно так.

С тех пор я с радостью занимался энионами и сотни других физиков примкнули к нашей «партии». Если память энионов удастся использовать для хранения и обработки информации, есть надежда, что они станут строительными блоками квантовых компьютеров. Для достижения этой цели «Майкрософт» тратит на исследования большие деньги.

Физики и инженеры-изобретатели предложили много других интересных и потенциально полезных квазичастиц. И называются они очень симпатично: спинон, плазмон, поляритон, флюксон и мой любимец — экситон. Одни из них хорошо поглощают энергию излучения, другие — переносят ее с одного места на другое. Если объединить эти два качества, можно использовать их для создания высокоэффективных солнечных энергетических систем.

Дивные новые материи с удивительными квазичастицами станут важной частью будущего. Метаматериаловедение — активно развивающаяся область, целенаправленно занимающаяся их созданием.

Если свыкнуться с мыслью о том, что вещества — пристанище для квазичастиц, неизбежно встает принципиальный вопрос: можно ли и «пустое пространство» считать веществом, квазичастицы которого представляют собой наши элементарные частицы? Можно и должно. Как вы увидите в следующих главах, это очень плодотворное направление рассуждений.

Творение частиц, версия вторая: умные материалы

Биологи предлагают другой сценарий будущего материи. Клетки — «элементарные частицы» самой жизни. Они различаются по форме и размерам, но у всех у них много общих механизмов, позволяющих им функционировать и как вместилища информации, и как химические фабрики. А еще у них свои способы взаимодействия с внешним миром, помогающие накапливать ресурсы и обмениваться информацией.

Клетки — высокоорганизованные физические объекты. Создание с нуля их искусственных аналогов с теми же основными функциональными возможностями — задача исключительной сложности. Если ее удастся решить, станет возможно заменять больные или состарившиеся клетки организма или наделять их новыми способностями, такими как биологическая переработка токсичных отходов в безвредные или полезные материалы. Более практичная краткосрочная стратегия, все успешнее реализуемая многими молекулярными биологами, состоит в небольших модификациях уже существующих типов клеток.

С другой стороны, можно брать пример с биологии, не копируя ее буквально. Машины — это не лошади на колесах, аэропланы — не металлические птицы, а роботы-помощники не обязаны напоминать людей.

Уникальная способность биологических клеток, для которой современные инженеры не могут подобрать даже близкого аналога, — регулируемое воспроизводство. В достаточно благоприятных условиях клетки накапливают необходимые ресурсы для создания новых своих копий — близких, но необязательно точных. Такие различия клеток не случайны, а определяются содержащимися в них программами.

Самовоспроизведение благоприятствует экспоненциальному росту. Если начать с одной клетки, через десять поколений деления появится более тысячи, а через примерно сорок поколений — триллионы, которых хватит для создания тела человека. Различие программ, то есть регулируемость, позволяет генерировать специальные клетки, ответственные за различные функции, — клетки мышц, клетки крови и нейроны.

Возможно, удастся выработать подобные механизмы самовоспроизводства для искусственных элементов, существенно менее сложных в сравнении с биологическими клетками. Успех вероятнее, если поставить более простую цель, чем создание жизнеспособных биологических организмов. Но подобный проект по грандиозности не уступает терраформированию планеты и созданию огромных, величиной с гору, компьютеров. Все подобные проекты очень схожи по структуре и одинаково снисходительно относятся к деталям. Но регулируемое самовоспроизводство — идея столь перспективная, что, я уверен, в инженерии будущего она займет подобающее место.

Назад: Глава 2. Здесь много времени

Дальше: Глава 4. Здесь очень мало законов