Про эту вашу физику [Дмитрий Владимирович Ганин] (fb2) читать онлайн

Дмитрий Ганин Про эту вашу физику Просто о науке для гуманитариев и офисных работников

Дисклеймер

— Девушка, я вижу, что вы гуманитарий!

— А как вы догадались?

— У вас лицо глупое!

— Хам! Это у вас лицо глупое!

— Ну, конечно, я тоже гуманитарий!

Леди и джентельмены! Вы открыли сборник статей неадекватных авторов, известных под названием «коллектив Квантуз». После серии успешных постов на развлекательных ресурсах и даже в блогах возникла необходимость сохранить всю нашу графоманию для благодарных потомков. Необходимость же возникла из-за того, что у нас появилось стойкое предчувствие, что именно по этим статьям будущие отечественные гении будут изучать основы современной физики.

Да-да, мы очень опечалены уровнем знаний нынешнего человека-с-гуманитарным-образованием; мы очень расстроены, что сейчас знания об окружающем мире люди получают из оплотов мракобесия, таких как бредовые передачи по телевизору или сайты Всемирной паутины; мы крайне возмущены, что, казалось бы, образованный коллега по офису несет чушь про материальность мыслей и биоэнергию торсионных полей.

Поэтому мы, как и немногие подобные нам, выходим в одиночку на поле боя знания и невежества и надеемся, что еще остались читатели, кому интересен скупой научный прогресс среди унылых будней первой половины XXI века.

Ряд наших статей можно встретить на сторонних ресурсах, не всегда от нашего имени, тем не менее только здесь материал (на данный момент в виде черновиков) получает окончательную правку: устраняются стилистические и грамматические ошибки, исправляются неточности изложения, вносятся изменения для пущего понимания изложенного.

Обращаем ваше пристальное внимание (в том числе в свете принимаемого закона о просветительской деятельности), что книга не является научным пособием, так как содержит ироничные и постмодернистские пересказы разного научпопа с помощью не очень умных аналогий и обязательно в ущерб истине и важным деталям.

Наша цель: объяснить читателю, которому всё это кажется сложным, но очень хочется, суть происходящего, удивить происходящим и может даже мотивировать на дальнейшее изучение происходящего. Мы приветствуем комментарии и замечания от труъ-физиков, потому что, увлекшись собственным остроумием, мы можем что-то упустить.

Книга имеет противопоказания: тонким натурам не рекомендуется читать ее перед сном, предлагается с осторожностью читать ксенофобам, искренне верующим в любых видов богов, а также радетелям духовных скреп.

Наука абсолютно атеистична и интернациональна!

Итак, мы отказались от любой ответственности за вред и подгорание пятых точек, которые вам причинит эта книга. Приятного просмотра! Автор(ы).

Глава 1 Скорость света

— Папа, можно я буду

спать при свете?

— Можно.

— Свет, заходи!

(когда-то казавшийся смешным анекдот)

С этой главы мы решили начать ликбез для тех, кто в детстве мечтал стать ученым, но как-то не сложилось. Назло всем специалистам и кандидатам, нарушая все до единой методологии и правила хорошего научного текста, мы поговорим о скорости света, почему утверждается, что она постоянная, почему все «носятся» с этой скоростью и удивляются оной, и что вообще, черт побери, происходит.

Люди начали подозревать, что свет имеет скорость, довольно давно. Всякие там Кеплеры и прочие считали, что скорость света бесконечна, а не в меру догадливый Галилей, например, полагал, что скорость определить можно, но сложно, так как она очень большая.

В 17 веке некто Рёмер искал способ, как бы вычислить географические координаты корабля для навигации в море. В поисках стабильных ориентиров он обратился к спутникам Юпитера и их затмениям. Вот до чего доводит нужда, когда нет GPS и спутниковых карт, не так ли? И наблюдая за движением спутников, он заметил временные расхождения по затмениям, в периоды, когда Земля оказывалась ближе к Юпитеру и когда дальше — согласитесь, трудно было игнорировать подозрительную двадцатиминутную разницу. Тут-то датский астроном и предположил, что это отличная возможность посчитать световые километры в час, или что у них там в Дании использовалось за меру расстояний. Вооружившись известными числами и доступными формулами, Рёмер неточно рассчитал скорость света. Ошибся он знатно, но вывод сделал: это была очень большая величина, от которой захватывало дух.

В дальнейшем научно-технический прогресс окончательно все расставил по местам, и земляне выяснили, что скорость света равна приблизительно 300 000 километров в секунду.

Но что же такого в этом значении? Почему эта скорость оказалась в итоге так важна? Скорость моего велосипеда тоже можно подсчитать, но никто ж над ней не размышляет с заговорщическим видом о вечности и структуре мироздания.

А подвох в том, что скорость света ВСЕГДА равна 300 000 километров в секунду.

Представим бытовую ситуацию из досуга жизнерадостного гуманитария: вы с другом катаетесь на модных велосипедах, ваш друг едет чуть быстрее, а вы чуть медленнее. Допустим со скоростями 20 и 15 км/час соответственно. И если вы, двигаясь со своей скоростью, решите измерить (как-нибудь) скорость друга, то вы вычислите, что ваш друг двигается относительно вас со скоростью 5 км/час.

Простые правила сложения скоростей, надеемся, они вас не удивят — их вбивали в головы в школах и скорее всего надежно вбили. Если вы увеличите скорость до 20 км/час, то относительно вас ваш друг будет иметь скорость равную нулю.

Это логично и следует из жизненного опыта. Скорость моторной лодки, которая движется по течению также складывается из собственной скорости лодки и скорости течения реки. Старая добрая классическая механика — как же она была прекрасна [смахивают слезу, попивая смузи].

А теперь попробуем проделать тот же фокус со светом. Ваш друг внезапно аннигилировал и превратился в луч света. Вы решили не упускать его и постарались не отставать, яростно накручивая педали. Вы разогнались до скорости довольно близкой к скорости света. И чисто ради прикола, из научного, так сказать, любопытства, решили замерить скорость вашего бывшего друга. Разумеется, вы были уверены, что получите решение равное скорости света за минусом вашей собственной скорости, как в первом случае.

И вот тут вас ждет сюрприз. Фигушки, так сказать. Расчетно-опытным путем вы выяснили, что относительная скорость вашего лучевого приятеля по-прежнему 300 000 км/сек. С какой бы скоростью не двигались лично вы, независимо от направления: параллельно движению света, навстречу свету, перпендикулярно, как-нибудь возвратно-поступательно — скорость света в вакууме всегда будет равна 300 000 км/сек. Странная история!

Эту нестыковочку заметили в начале XX века пара классных ребят с фамилиями Майкельсон и Морли. В те годы все ученые искали эфир — невидимый газ, наполняющий Вселенную, по которому и распространяются электрические, магнитные волны, собственно свет, а также другие еще не открытые флюиды и тонкие астральные сущности. Между прочим, сам Менделеев на всякий случай предположил существование элемента «ньютоний», который находится до водорода и имеет нулевую, или около того, массу. А вы думали идея из Mass Effect свежа и оригинальна?

Столп науки об электромагнетизме по имени Максвелл уверял, что для волн нужна среда, а то что же это за волны такие, без среды. Морские волны распространяются по воде. Звуковые — по воздуху, а световые — по эфиру, ясен пень. Еще был Фарадей, которому идея не очень нравилась, но Фарадей баловался молниями, и его не стали слушать.

У Майкельсона и Морли руки росли откуда надо, они сказали: если эфир есть, то это легко проверить. И собрали штуковину, которую назвали интерферометром (о нем мы еще очень подробно поговорим в будущих лекциях) и стали смотреть, как ведет себя луч света в зависимости от движения планеты Земля. Ведь, двигаясь по окружности, наша планета в разные моменты времени летит то по эфирному ветру, то против эфирного ветра. А значит и пучки света в интерферометре в разное время года должны чувствовать смену сезонов, меняя скорость из-за движения эфира.

Вы, наверное, догадались, что опыт Майкельсона и Морли показал, что свет полностью игнорирует эфир, и скорость света не меняется в зависимости от направления движения планеты. С тех пор человечество разделилось на ученых и фриков. Первые выкинули идеи эфира на помойку и до открытия поля Хиггса вообще слышать ничего не хотели про «подложку Вселенной», а вторые… вторые сказали, что Майкельсон и Морли ошиблись, что ученые скрыли результаты, что опыт был не точный, погода не летная, интерферометр собран из навоза и палок и вообще это заговор Рокфеллеров, Ротшильдов или социалистов.

Общение с «эфирщиками» доставляет много радостей и удивлений. Давеча один «специалист» рассказывал нам про то, что эфир состоит из информационных мыслеобразов, приходящих из тонкой Вселенной, и конденсируется на местной материи, отчего та приобретает массу, а из этого следует…

Увы, множество опытов впоследствии и по сей день, проведенные с невероятно высокой точностью с лазерами и синхрофазотронами, подтверждают: как ни измеряй скорость света, она при любых условиях относительного движения равна своему постоянному значению.

До 1905 года никто не мог объяснить, почему скорость света не хочет быть относительной, пока не пришел Эйнштейн и не догадался, что происходит. Он любил всем говорить на своем немецком, мол, сомневайтесь во всём, и таки досомневался, негодник. Сначала он сказал, что свет — это частица и назвал ее квантом света (а позже ее переименовали в фотон). А гипотеза о происходящем со скоростью света была названа на всякий случай Специальной Теорией Относительности, а не теорией имени Эйнштейна, такой был скромный дядька. В дальнейших лекциях мы, возможно, попробуем объяснить основы теории относительности, если придумаем, как обойтись без математики, а пока достаточно знать, что эта скорость оказалась фундаментальным параметром Вселенной. Она не просто какая-то там максимальная скорость, как на спидометре вашей «ласточки», а обусловлена геометрией нашего пространства. Это вот если вы нарисуете на бумаге четыре линии, пересекающиеся под прямыми углами, вы всегда получите прямоугольник. А если вы будете рисовать четырехмерное пространство с псевдоримановой метрикой и тензорами (сами не понимаем, чего несём), то в нем скорость света будет 300 000 км/сек. Такие дела.

Однако на этом история о скорости света не заканчивается. Она, как оказалось, порадовала нас еще несколькими внезапными чудесами. Эйнштейн, пользуясь случаем, поведал миру о других странностях высокоскоростных режимов.

Дело в том, что чем больше наша скорость, тем медленнее идут наши часы. Время замедляется при увеличении скорости. Причем обоюдно: тот, кто едет на велосипеде, видит, что время замедлено у того, кто стоит и смотрит, а тот, кто стоит и смотрит, наблюдает, что время замедляется у едущего на велосипеде. Если вы думаете, что это теоретические и математические шутки, не имеющие реального подтверждения, то вы застряли в позапрошлом веке и вам пора оттуда срочно выбираться.

Реальные опыты, подтверждающие, что время зависит от того, как на него смотреть, были проведены в XX веке. Брали очень точную пару часов, показывающих одинаковое время, причем не механические часы, сделанные в Китае, а атомные сверхточные. Один экземпляр часов брали на борт реактивного самолета, а вторые часы оставались на земле. Первые часы на огромной скорости пару раз прокатили вокруг планеты. А затем сверили время. Часы из самолета отставали.

Чем ближе кто-то двигается к скорости света, тем медленнее идут его часы (сам-то он этого не замечает и считает, что его часы идут правильно, а у всех вокруг отстают, но это уже парадоксы теории относительности, мы сейчас не о них рассказываем).

Таким образом, если бы кто-нибудь с часами разогнался до скорости света, то время для него остановилось. Как говорят физики: часы на фотоне не идут.

С точки зрения фотона, если бы он мог рассказать, что видит, его история была бы грустная. Вот он родился и тут же умер. А для стороннего наблюдателя этот же самый фотон миллиард лет летел из далекой галактики до нашей планеты, где врезался в наблюдателя. Нервирует, да?

А если все-таки существует возможность превысить скорость света? — спросит читатель свободный от предрассудков. Заумная математика для таких случаев уверяет, что тогда время для гонщика пойдет в обратную сторону. Это одна из причин невозможности сверхсветовых скоростей — нарушается причинно-следственная связь, знаете ли. Вы несетесь по велосипедной дорожке под 400 000 км/с и оказываетесь в прошлом…

Но разогнаться до скорости света нам мешают более серьезные причины, чем замедление времени. Все, что имеет массу, не может лететь со скоростью света, увы. Как только мы начинаем ускоряться, нам требуется прилагать для этого ускорения всё больше и больше сил. При значениях очень близких к скорости света количество необходимого топлива, или что мы там используем для ускорения, приближается к бесконечности, и соответственно для нашего дальнейшего разгона нам требуется бесконечная энергия. В математике это выглядит как деление на ноль.

А почему же частица света летит со скоростью 300 000 км/сек? — спросит любознательный и смекалистый читатель. Потому что у нее нет собственной массы (знатоки, молчите о разницах в массе покоя, инертной массе, импульсе и прочих нюансах — мы упрощаем, а не загружаем). Фотон — это безмассовая частица. И такое бывает в этой вашей физике.

Да-да, когда в коллайдере (машина для создания черных дыр и уничтожения вселенной) разгоняют электрон, то даже его малюсенькую массу нельзя пульнуть со скоростью света.

Не можем не процитировать какой-то учебник:

«Если скорость частицы всего лишь на 90 км/с меньше скорости света, то ее масса увеличивается в 40 раз. Мощные ускорители для электронов способны разгонять эти частицы до скоростей, которые меньше скорости света лишь на 35–50 м/с. При этом масса электрона возрастает примерно в 2000 раз. Чтобы такой электрон удерживался на круговой орбите, на него со стороны магнитного поля должна действовать сила, в 2000 раз большая, чем можно было бы предполагать, не учитывая зависимости массы от скорости».

(источник: www.fizika9kl.pm298.ru).

Поразмыслите об этом, прежде чем строить планы по созданию машины времени.

В описании есть некоторая несущественная для нас неточность. В последнее время ученые говорят, как мы и писали выше, что увеличивается не масса, а затраты энергии на разгон. Но там подмены понятий, неудачные термины, исторические названия, а некий академик по фамилии Окунь (на самом деле хороший академик) плачет горькими слезами, пытаясь воевать с традициями и методологией преподавания в школах.

Интересный факт, что с ограниченностью скорости света не согласились многие ученые тех и последующих лет. Электрик Никола Тесла считал теорию относительности ошибочной, но пояснить свое мнение не мог потому, что, как и все мы, не осилил математику, лежащую в основе. Константин Циолковский говорил, что постоянство скорость света это философщина и религиозные байки наподобие шести дней творения. Циолковского можно было понять: он только что придумал ракету, на которой человечество отправится на край Вселенной, а ему говорят, что ракета не сможет достичь скоростей даже для полета к соседней звезде.

Не любили теорию Эйнштейна и в Третьем Рейхе. Но не потому что не понимали, а потому что дядюшка Альберт был евреем. Издавались интересные книжки с названием «100 авторов против Эйнштейна», где авторитетные специалисты пытались опровергнуть положения теории.

Скорость света — это удивительная физическая величина. Если, например, время умножить на скорость света (получив «метрические» значения), то получится та самая четвертая ось четырехмерного пространства, которым оперирует вся теория относительности: длина, ширина, высота, время. Это крайне зубодробительная теория, но выводы из нее шикарны и до сих пор поражают неокрепшие умы юных физиков.

Каждый второй комментатор лекций про скорость света обязательно блеснет знаниями о том, что скорость света бывает медленной. Да, всё верно, но это происходит, когда свет распространяется в какой-то среде, например, в воде — на 25 % медленнее, чем в вакууме. В этом случае свет по цепочке поглощается атомами вещества, через которое летит, и испускается дальше — на всё это тратится некоторое время, отчего мы и видим, как все замедленно и банально.

Отметим, что современная физика не отрицает возможность превышения скорости света. Но все эти предположения касаются не преодоления скорости «в лоб». Речь идет о перемещении в пространстве за время меньшее, чем его преодолеет свет. А это может быть в результате всякого рода неоткрытых или неразгаданных взаимодействий (типа квантовой телепортации), или за счет искривления пространства (типа гипотетических кротовых нор), или существования частиц, у которых время идет в обратном направлении (типа теоретических тахионов).

Или вот, например, каждый, небось, слышал, что наша Вселенная расширяется со сверхсветовой скоростью. Но тут нет парадокса. Теория ограничивает скорость только материи, а расширяющееся пространство неизвестно чем является, и вообще там свои гипотезы: темные энергии, инфляции какие-то.

Кроме того, есть несколько умозрительных опытов, связанных с иллюзией превышения скорости света, типа световых ножниц и угловых скоростей. Имейте в виду — сенсаций там нет, а те, кто упоминают эти опыты, либо не понимают, в чем дело, либо собираются вас потроллить.

Поэтому, когда вы в очередной раз читаете, что кто-то открыл что-то, превышающее скорость света, и теперь продает на основе этой технологии торсионные препараты от несварения желудка, вспомните нашу статью.

На этом интересном месте глава заканчивается. Мы только приоткрыли дверь в волшебный мир физики, перед чудесами которой меркнут фокусы, навроде хождения по воде, превращения воды в вино и поиска пропавших людей по фотографии. В дальнейших лекциях мы расскажем про гравитацию, квантовую механику, неопределенность Гейзенберга, из чего сделан вакуум и зачем нам тёмная материя.

Глава 2 Одновременность событий

Я опоздал на работу, потому что из-за релятивистских

эффектов на моих часах было еще без одной минуты,

а на часах начальника уже восемь.

(из объяснительной)

Если вы прочитали главу про скорость света, и вам хочется еще поиздеваться над своим мозгом, то эта лекция как раз для вас. Тут будет немного посложнее: нам придется окунуться в мир живительной геометрии, чтобы показать, какие ужасные вещи проистекают от постоянства скорости света. После этого материала ваша жизнь уже не будет прежней, и, может, вы на досуге решите даже заняться интегрированием и дифференцированием, чтобы до конца разобраться в происходящем.

Вообще эту историю про президентов вроде бы рассказывал лично Эйнштейн, а мы пересказывали ее много раз за последние двадцать лет своими словами. Сначала в ней фигурировал Путин и Буш, потом Путин и Обама, потом Путин и Трамп, попадалась истории про Путина и Меркель и даже про Путина и Порошенко. В итоге нам стало как-то неловко, и мы решили оставить попытки шутить в политику и решили вернуться к оригинальной истории.

Ну так вот в чем дело. Представим, что два соперничающих государства решили заключить мирный договор и прекратить постоянные наезды друг на друга. Президенты обеих стран по-прежнему не доверяли противоположной стороне, ожидая провокаций, и поэтому пригласили наблюдателей из ООН, чтобы те не только проверили порядок заключения мира, но и организовали мероприятие так, чтобы ни к чему нельзя было придраться.

Затейники из ООН много думали и предложили классный способ: заключение мирного договора должно происходить в вагоне движущего скорого поезда. Это был очень быстрый поезд, да и маршрут был подобран такой, что на пути не встречалось ни одного поворота, и поезд мог двигаться равномерно без торможений и замедлений.

Так как оба президента оказались слишком гордые, и никто не хотел подписывать договор первым, хитрые юристы придумали план: оба президента садятся за длинный стол в вагоне поезда. Ровно посреди стола стоит сигнальная лампа. Президенты сидят и смотрят на лампу, и как только она загорается, оба президента ставят на экземплярах договора свои подписи. Казалось бы, что может пойти не так?

Но план разработали юристы, которые прогуливали лекции по физике и уж тем более ничего не слышали про релятивистские эффекты.

Президент страны А глядит вперед по ходу движения состава, а президент страны Б сидит спиной к направлению движения поезда. Итак, лампочка загорелась, свет со своей постоянной скоростью 300 000 км/сек полетел в разные стороны (напомню предыдущую лекцию, где мы говорили о том, что в системе отсчета президентов вагон покоится на месте, скорость света не складывается со скоростью поезда), и в итоге свет достиг глаз президентов ОДНОВРЕМЕННО — стороны подписали мирный договор.

Красота. Мир ликует!

Но в это время поступил звонок от наблюдателей ООН стоящих на перроне, мимо которого проезжал поезд. Они заявили, что условия подписания были нарушены, так как Президент страны А подписал договор первым. То есть НЕ ОДНОВРЕМЕННО с президентом страны Б.

С точки зрения наблюдателей ООН, когда лампочка мигнула, свет стал распространяться в обе стороны вагона всё с той же постоянной скоростью 300 000 км/сек, независимо от движения вагона (см. Главу 1). Но в это время сам вагон сместился: его задняя стенка и вместе с ней Президент страны А двигались навстречу свету, который долетел до глаз Президента А быстрее, чем до уходящей от света передней стенки вагона с Президентом Б. То есть с позиции наблюдателей свет долетел до Президента страны А быстрее, чем до Президента страны Б, и договор был подписан не синхронно.

А все потому, что никто не знал, что из-за постоянства скорости света время — штука не абсолютная и релятивистские эффекты никто не учел. Чем быстрее двигался поезд, тем заметнее становилась рассинхронизация.

В итоге наблюдателей ООН прогнали, президенты рассорились, соперничество продолжилось, а кое-кто нагрел руки на повышении оборонного бюджета и продаже оружия.

Таким образом, на довольно простом примере мы видим, насколько все плохо во вселенной — из-за постоянства скорости света время идет по-разному, а события бывают одновременными только если вы находитесь в одной и той же системе отсчета. Если мимо вас проезжает автомобиль и водитель приветственно бибикает оленю впереди, то сигнал для водителя и для вас не будет одновременным — на малых скоростях разница невероятно ничтожна. Ничто не одновременно, все относительно! Мироздание издевается над нами, скрывая истину в тех областях, куда мы не можем так просто заглянуть. Но мы постараемся сорвать простыни и продолжим рассказывать чудовищные вещи о жизни, вселенной и вообще.

Глава 3 Гравитация. Почему падает яблоко

Мы можем преодолеть гравитацию,

но зачастую тонем в бумажной работе.

В. Фон Браун (конструктор ФАУ-2)

Мы продолжаем наше псевдонаучное повествование, которое в равной степени раздражает разного рода недообследованных фриков и занудных тру-физиков. По настойчивым просьбам трудящихся среднего звена и прочих бездельников (коими мы и сами являемся) сегодня нами будет рассказано, что там творится с этой непонятной гравитацией. Впереди, как обычно, минимум текста, бессодержательные картинки, эпичные обобщения и умалчивание математических доказательств.

Добро пожаловать в уголок всезнаек! Что такое гравитация или почему падает яблоко!

Кого ни спроси в наше просвещенное время, почему падает яблоко, практически любой покрутит пальцем у виска и скажет: «Дык, оно ж это… сила! Притяжения!.. Во!..»

И будет неправ. Как показал и доказал один известный дядька по имени Альберт, силы притяжения не существует. То есть притяжение есть, а силы нет. Оно как бы само — мы ничего не трогали. Причем открыл это дядька Альберт еще в 1915 году, и, представьте себе, прошло уже более ста лет, а мужики в курилке до сих пор не в курсе. После такого шокирующего заявления начнем издалека и по порядку.

Все началось опять же давным-давно во времена Галилео Галилея. Это первая половина 17 века, между прочим. В России-матушке как раз смутное время, игры престолов, лжедмитрии шляются по дорогам на Москву. А господин Галилей задается вопросом, с какой скоростью будут падать брошеные с крыши, скажем, булыжник и дробинка. Считается, что он швырял их с Пизанской башни, а потом бегал вверх-вниз, замеряя время и расстояния. На самом деле он пускал предметы по наклонным желобам, а в качестве секундомера использовал в том числе собственный пульс. Современники над Галилеем посмеивались, но он в долгу не оставался и остроумно поливал насмешников в ответ, причем в стихах. В итоге дошутился и загремел в тюрьму, а также имел известные неприятности с церковью.

Но главное он выяснил: булыжник и дробь, оказавшись в свободном падении, падают с одинаковой скоростью, а еще точнее — с одинаковым ускорением.

Кстати, все «опровергатели» общей теории относительности, о которой идет речь в этой лекции, в своих невероятных расчетах застревают именно на этом моменте. Они полагают, что опровергают Эйнштейна, но на самом деле рассуждают о несостоятельности опытов Галилея. В настоящее время попытки проверить разницу в ускорениях все еще проводятся, причем с безумной точностью — пока отклонений не обнаружено. И не должно.

В год, когда умер Галилей, явно по каким-то волшебным законам родился Исаак Ньютон, который принял эстафету и дал такого пинка естествознанию, что вскоре слово «наука» перестало быть смешным и греховным. Ньютона много чего интересовало, и мы не раз вспомним его в последующих главах. Помимо законов имени себя Ньютон решил раз и навсегда разобраться с силой притяжения. Опять же в легендах все было просто: вот Ньютон сидит под яблоней, на него падает яблоко, и Ньютон выдает формулу законов притяжения. Однако даже сейчас трудно представить, сколько бессонных ночей и дней полных размышлений понадобилось Ньютону, чтобы додуматься до закона всемирного тяготения.

Закон гласит, что сила притяжения двух тел прямо пропорциональна их массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния.

Спокойно, не трясемся от этих умных слов! Если перевести это на наш гуманитарный язык, то закон говорит нам о том, что две массы притягиваются друг к другу. Но чем дальше эти массы друг от друга, тем сила притяжения их все меньше и меньше. А в формуле просто записано, насколько все это уменьшается.

Ньютон был гений. Он прекрасно знал про опыты Галилея и не отрицал странный парадокс по поводу единого ускорения для различных тяжестей. Но объяснить причину этого явления на тот момент он не мог. Вместо этого в своих формулах он обнаружил отличный лайфхак — одна из масс в формуле, как правило, масса того, что падает на Землю, замечательно сокращается и не участвует в расчете ускорения свободного падения.

Этот нюанс присутствовал в физике до начала 20 века. После Ньютона новые открытия посыпались как из рога изобилия. Ученые, вооружившись ньютоновскими формулами, назло всяким астрологам и колдунам помчались рассчитывать движения планет, звезд, солнца, луны. По этим формулам они открыли Нептун, а позже Плутон, даже не видя эти планеты на небе. Объяснили, почему происходят приливы и отливы (спорим, вы тоже не знаете, почему?), подобрались к тепловым и электрическим загадкам.

Некий шибко умный мужик с фамилией Лаплас сказал Наполеону, мол, товарищ император, науке больше не требуется бог и чудеса, потому что у нас есть формулы, мы вам что хотите рассчитаем.

В эти благословенные времена недоволен был только один Эйнштейн, которому не нравилось несколько несущественных мелочей в наблюдениях. Во-первых, хоть вся солнечная система и подчинялась формулам Ньютона, но вот в движении Меркурия обнаруживался один косяк, который ну никак не укладывался в расчеты. Во-вторых, изобретенная Эйнштейном специальная теория относительности с постоянной скоростью света, замедлением времени, неодновременностью двух событий и т. п. была очень хороша, но сразу отказывалась работать, когда дело касалось силы тяжести. В-третьих, Эйнштейна бесила вышеупомянутая странность про то, как одинаково падают тела разных весов.

Возникали и другие вопросы, которые подкидывали свежие наблюдения, например, если свет не имеет массы, то почему же луч от далекой звезды, пролетая мимо нашего Солнца, искривляется, и благодаря этому мы видим звезды, которые прячутся за солнечным диском? Это явление, между прочим, называется гравитационным линзированием.

Так что Эйнштейну все эта ситуация очень не нравилась. Проблема была даже в самом понятии массы. Классическая физика, если это было принципиально, рассматривала по отдельности две массы тела: гравитационную (та, что мы называем в быту весом, возникающим от силы тяжести) и инертную (та масса, которую мы пытаемся сдвинуть, когда тело покоится, и прикладываем для этого силу).

Эйнштейн любил всякие необычные идейки и сгоряча ляпнул: а что если масса на самом деле одна? Гравитационная масса и инертная масса это одно и то же (точнее это эквивалентные вещи, но не будем отвлекаться на сложную математику)! И что же из этого следует и как это объясняет гравитацию?

Далее следует знаменитый мысленный эксперимент с лифтом. Противники теории относительности до сих пор злорадствуют, что эксперимент мысленный, не подозревая, что эксперименты давно проведены при других обстоятельствах на лазерах и интерферометрах.

В общем, смысл таков. Вас посадили в коробку и спросили, как вы думаете, что за пределами это коробки? Вы определенно чувствуете, где у коробки пол, а где потолок, потому что к полу вас притягивает сила тяжести.

Вы отвечаете: задача у вас тупая — коробка-то стоит на Земле!

А вот и нет, — говорят вам, — в данный момент вы летите в космическом пространстве с ускорением 9,8 м/сек2 «потолком» коробки вперед.

Вот собственно и весь поучительный эксперимент с лифтом. Оказывается, никакими опытами нельзя определить, движетесь ли вы с ускорением или находитесь под действием силы тяжести. Не, конечно, вы можете проделать в коробке дырку и посмотреть, что происходит, но это не научно. Без подглядывания вы никогда не докажете стопроцентно, летите вы или покоитесь на поверхности какой-нибудь планеты.

И тут Эйнштейн, уже подозревая о том, что массы слишком похожи друг на друга, задумался над гениальной мыслью. А что если никакой силы тяжести нет?

Что если сила тяжести это тоже же самое ускорение. Что если, прыгая со второго этажа общаги, мы не падаем на землю из-за силы тяжести, а летим с ускорением навстречу земле без всяких сил притяжения?

Остается вопрос — а почему мы летим пусть и с ускорением, но к Земле? Кто же нас так пнул по направлению к поверхности, по направлению к большой массе?

Дальше будет сложно. Задержите дыхание, как говорил один замечательный писатель, считавший, что всей этой физикой давно владели славяне Аркаима, летавшие к Сириусу на ваймарах.

Даже троечник знает, что если тело движется по кривой траектории, то оно движется не равномерно, а с ускорением. То есть едете вы на велосипеде по прямой дороге равномерно, не меняя скорости, и внезапно перед вами огромная колдобина, характерная для дорог нашей необъятной родины. Как только ваша траектория превращается в дугу, чтобы объехать колдобину, то равномерное движение перестает быть равномерным, и на время движения по дуге вы приобретаете ускорение, которое называют центростремительным.

И вот что у нас получается. Падающее тело не притягивается никакой силой, но летит с ускорением. Да еще навстречу земле. Если закрыть глаза на факт, что никаких колдобин на пути падающего тела нет, то чисто теоретически выходит, что падающее тело на самом деле просто летит по кривой траектории. С ус-ко-ре-ни-ем!

Эйнштейн думал десять лет. А мы в нескольких предложениях расскажем, что к чему. Короче, траектория падающего тела на самом деле кривая. Только кривая она не в трехмерном пространстве. А в четырехмерном пространстве, где четвертая координата — время. Осторожно, не спешим. Выдыхаем, осмысливаем прочитанное, дальше еще безумнее.

Кривым четырехмерное пространство делают объекты, имеющие массу. Чем больше масса объекта и чем ближе расстояние до этой массы, тем сильнее искажается время и пространство вокруг нее. Тут Ньютон нормально угадал про расстояния в своем законе притяжения. Потому что гений!

Как себе представить деформированное четырехмерное пространство? Давайте вспомним, что совсем недавно человечество считало, что земля плоская. И если поехать на велосипеде из Москвы во Владивосток, никуда не сворачивая, то наша траектория будет нам казаться прямой линией. Но мы движемся не по плоскости, а по поверхности земного шара. То, что мы видим как прямую на плоскости, в пространстве (с высоты) будет выглядеть как дуга. К сожалению, мы не можем взять и посмотреть на наш трехмерный мир с «высоты» четвертого измерения, а то увидели бы как Вселенную перекосило от наличия в ней больших и не очень масс.

Старый добрый пример из географии (помните, был такой бесполезный урок в школе). Кратчайшее расстояние на глобусе не прямая линия, а дуга:

Так и в четырехмерном пространстве. Летит себе комета в космосе, никого не трогает. Но, пролетая мимо звезды, она попадает в деформированное пространство и, хотя «по ее мнению» она продолжает лететь прямо, тем не менее, «кривое» пространство уводит ее в сторону звезды. Если скорости кометы (ее энергии) хватит чтобы преодолеть «уклон», то она полетит дальше. А если силенок не хватит, то комета начнет двигаться по «ложбине», которую создала вокруг себя во времени-пространстве массивная звезда. Пролетая совсем близко от звезды, комета и вовсе пересечется с ее траекторией (чем ближе, тем «уклон» круче), и комета грохнется на нее. Не забываем, что все это происходит в четырехмерном пространстве, где объект имеет координаты длины, ширины, высоты и времени. Без времени вся эта конструкция работать не будет.

Теперь давайте вкратце объясним себе с научной точки зрения, почему падает яблоко.

Итак. На яблоне висит яблоко. Веточка пересыхает, и яблоко отрывается от дерева. Что происходит дальше?

Яблоня и планета движутся в пространстве (относительно солнца, вселенной и вообще, что мы не замечаем и считаем, что яблоня покоится на месте) и — самое главное — во времени. Земля и яблоня постоянно двигаются в будущее. Их движение в пространстве и времени, можно сказать, пока происходит по параллельным линиям.

Но вот яблоко стало независимо от яблони. Никакой силы к яблоку не прикладывалось (никто его не бросал), поэтому, по сути, оно и не должно никуда лететь. Если бы Земля не имела бы массы, то яблоко просто бы зависло в воздухе около ветки и по-прежнему двигалось во времени и пространстве параллельно с планетой.

Но законы нашего мира очень странные. Наш мир имеет четыре измерения — три пространственных и одно — временное. Если в пространстве-времени присутствует большая масса, то пространство-время вокруг этой массы деформируется, искажается. Как будто на ровную поверхность водной глади бросили булыжник и появились волны.

Земля же имеет очень большую массу, поэтому искажение пространства и времени существенное. И наше яблоко продолжает свое движение не по прямой линии в 4-хмерном пространстве, а по искривленной линии с ускорением. И вот яблоко летит уже не по параллельной прямой, а по такой линии, которая из-за искривления пространства приводит к столкновению с Землей.

Вот так происходит падение яблока. Нет никакой силы тяжести, а гравитация — это всего лишь движение по кривой траектории в четырехмерном пространстве-времени.

Вот и вся теория.

На сегодняшний день она получила подтверждение во многих экспериментах с высокой точностью, и спорить с ней весьма опрометчиво. Но желающие опровергнуть ОТО лезут как с конвеера: в этих ваших интернетах довольно затруднительно найти нормальное объяснение теории, постоянно — натыкаешься на разного рода фрические интерпретации с мировыми эфирами, галактическими полюсами, ячеистыми структурами и так далее. А теперь еще и мы тут. Ужас!

Гравитационные волны также распространяются не мгновенно, а с конечной скоростью — со скоростью света — так утверждает общая теория относительности (не так давно ученые наконец обнаружили их в эксперименте с черными дырами). Если наше солнце вдруг исчезнет, то Земля будет лететь по искривленному пространству еще 8 минут, пока пропажа Солнца не обнаружится и пространство не выровняется. И тогда наша планета отправится в открытый космос по касательной к своей орбите.

Гравитация влияет на ход времени — это тоже экспериментально доказано — чем ближе к центру масс, тем медленнее идет время. Работающие на сотом этаже стареют медленнее, чем работающие в шахте, правда, на триллионные доли секунды за сто лет.

А падение в черную дыру со стороны будет выглядеть бесконечным, потому что там пространство из-за огромнейшей массы потухшей звезды искажено так, что возникает трудно перевариваемое для физики состояние материи, известное под названием «сингулярность» — притяжение становится бесконечным, скорости превышают световые, меняются местами причина и следствие и так далее — можете сочинить сами, что хотите. В сингулярности возможно все. Ученые пока не очень уверены, существует ли сингулярность, может, там внутри черной дыры все гораздо банальнее, но, чтобы это проверить, надо туда сунуть нос и поглядеть, что как. Сами понимаете, пока мы это можем только в кино.

Общая теория относительности очень не дружит с квантовой физикой, потому что применение обеих теорий сразу приводит к взаимоисключающим результатам. Тот, кто помирит две теории, однозначно станет круче Эйнштейна и всех-всех-всех. Пока только умница Хокинг со своим испарением черных дыр показал, как в принципе можно немножко подружить квантовую физику и теорию относительности.

На этом все. Читайте умные книги, включая учебники. Меньше политики — больше науки, и, глядишь, через пятьдесят лет мы уже будем покорять Альфу Центавра.

Глава 4 Парадокс близнецов

Диалог возле коляски:

— Какие прелестные близнецы! Оба мальчики?

— Нет, только слева, справа дыня.

Спорим, что даже если вы никогда не слышали, что скорость света постоянная, то вот это словосочетание «парадокс близнецов» вам знаком. Может, вы думаете, это что-то из астрологии про людей, родившихся под одноименным созвездием, или из магической психологии, мол, все разлученные близнецы болеют одним и тем же, любят одинаковые игрушки и называют своих собак тузиками, или вы-таки догадываетесь, что это связано с космосом, потому что про парадокс близнецов рассказывают и показывают в фантастических фильмах.

Штош! Попробуем быстренько ввести в курс дела, чтобы вы могли консультировать менее искушенных товарищей о том, что происходит в кино про далекие галактики, и какого лешего это вообще названо парадоксом.

В основе парадокса лежит драматичная история про двух близнецов, которые родились в один день, но судьба раскидала их по разным жизненным путям. Один близнец, к несчастью, стал офисным работником, а второй — космонавтом. И вот пока первый близнец составляет еженедельный отчет о проделанной работе по созданию отчетов в текущем квартале, другой брат выполняет важную научную миссию: сгонять за пределы солнечной системы, чтобы сфотографировать соседнюю звезду. Ракета с тридцатилетним мужиком на борту стартует с Земли и с огромной скоростью летит в глубокий космос. Вслед ему машет платочком тридцатилетний брат. После этого долгое время ничего интересного не происходит: один брат по-прежнему клепает отчеты, а второй — скучает в космическом корабле. Минуют годы, и на Земле проходит шестьдесят лет. Офисного работника поздравляют с девяностолетием, и с почетом отправляют на пенсию (ведь к тому времени пенсионный возраст снова повышают для решения демографических проблем). И вот он сидит у себя в заработанной квартирке-студии на 25 кв. м, пьет чай и смотрит на свои грамоты и подаренные часы. И вдруг новость — из космоса возвращается брат-близнец. Схватив костыли, гуманитарий шкандыбает на космодром, стоит перед дымящейся ракетой и ждет своего постаревшего брата, чудом выжившего в жестоком и беспощадном космосе. Брат-близнец под музыку и вспышки фототехники выходит из межзвездного корабля, но неожиданно это не глубокий старик,а шестидесятилетний дядька в расцвете лет с шикарной бородой и целыми зубами.

То есть одному близнецу — девяносто лет, а второму — шестьдесят. На Земле минуло шестьдесят лет, а в космическом корабле — только тридцать.

Человеки, что-то слышавшие про замедление времени в космосах, пожмут плечами и скажут, ну, это понятно, обычное дело, мы такое в кино видели. А те, кто нахватался по верхам этих ваших теорий относительностей возмутятся. Постойте, скажут они, тут что-то не то. Ведь всё относительно.

Вернемся к специальной теории относительности, край которой мы задели в первой лекции про скорость света. Из нее следует простой и непримечательный факт о том, что если вы стоите и скучаете на остановке, а мимо вас с приличной скоростью несется мажор на «инфинити», достигая две трети скорости света, то вы наблюдаете интересное явление — время у него течет медленно, а размеры его машины сокращаются. То есть вы видите, что он тот еще тормоз: медленно рулит, медленно ковыряет в носу и медленно фоткает себя на айфон для соцсетей. А его «инфинити» выглядит как сплющенная дедова «ока», что гниет у вас на даче.

Но всё относительно. С точки зрения мажора это он покоится на месте, а мимо него проноситесь как раз вы. И именно у вас замедлено время: вы медленно попиваете свой нищебродский эспрессо, медленно сплевываете в урну, да и сами выглядите худым как жердь, потому что плохо кушаете — хотя всё это тоже релятивистские эффекты.

Относительность такова, что не важно кто на самом деле движется — сопутствующие эффекты будут наблюдаться с любой стороны. Вот тут и возникает вопрос про близнецов: какого чёрта один оказался младше другого. Ведь, двигаясь относительно Земли, брат-космонавт должен был «наблюдать», как медленно идет время у брата-гуманитария. А офисный работник должен был «видеть» тоже самое, но в отношении космонавта. Ну а по прилету всё должно было как-то уравняться взаимозачетом, синхронизироваться или еще что-то произойти так, чтобы относительность согласовалась, и никто бы не ушел обиженным.

В этом и есть парадокс. И является таковым для поверхностного понимания специальной теории относительности, так как выглядит как-то подозрительно. Получается, что не все относительно, и кто-то во Вселенной имеет особые права доступа ко времени и пространству.

Вот тут-то мы и возвращаемся к лекции номер два, в которой мы распинались о том, почему падает яблоко.

В истории про двух космонавтов действительно есть относительный полет, в котором системы отсчета равноправны, и время обоюдно замедляется у обоих участников. Но так же есть участки движения, где нельзя сказать, что, мол, все относительно, товарищи. Мы говорим, как минимум, о трех моментах в путешествии космонавта, когда ему приходилось менять скорость: во время разгона в начале путешествия, во время разворота у звезды, во время торможения при подлете к Земле.

В указанные моменты космонавт преставал лететь равномерно, а двигался с ускорением, и в такие моменты вся относительность накрывается медным тазом. «Преимущество» получал тот, кто ускоряется.

Для облегчения понимания не будем заострять внимание на моментах старта и финиша. Вот у нас космический брат летит к дальней звезде и «наблюдает» (например, они шлют друг другу фотки на фоне календаря) за временем своего близнеца — у того оно замедлено и брат-гуманитарий практически не стареет, ему чуть больше тридцати, в то время как на часах космонавта время идет в нормальном темпе и в путешествии к звезде проходит пятнадцать лет. Но вот около звезды совершается крутой и быстрый разворот. Что же «видит» космонавт после разворота? — во время маневра его брат близнец постарел на шестьдесят лет (внимание, числа приведены не расчётные, а для наглядности). Именно в момент нахождения космонавта в режиме торможения-ускорения (а, как мы помним, движение по окружности, создает ускорение) он переходит в неинерциальную систему отсчета, и относительная синхронизация времени исчезает: происходит рассинхронизация часов.

Затем космический путешественник летит назад с постоянной скоростью и «видит» как старение брата снова замедляется, и тому к моменту приземления всего лишь девяносто и полгода. А сам космонавт стареет еще на пятнадцать лет.

Сложно? Да, это она самая — теория относительности.

Почему так происходит, рассказать в нашем постироническом жанре не получится. Надо медленно и вдумчиво курить несколько томов математики, а потом браться за физику. Но причины все те же: скорость света постоянна, инерция и сила тяжести эквивалентны, ну, и геометрию никто не отменял. Во время движения космонавт переходит из инерциальной системы отсчета в неинерциальную или, по-русски говоря, движется то равномерно, то ускоряется. Все эти телодвижения и вызывают сбой часов как у него, так и наблюдателей.

Частенько люди, наглухо отрицающие физику старше 19 века, говорят нам, мол, парадокса близнецов не существует, потому что Эйнштейн все выдумал, скорость света легко превышается (а скорость мыслеформ вообще мгновенна), а часы идут одинаково в любых уголках вселенной. Поэтому для них тяжелым ударом является отсылка к эксперименту, проведенному в семидесятых годах прошлого века, когда брали пару сверхточных атомных часов, сверяли их, а затем одни часы оставляли на земле, а вторые запускали облетать планету на реактивном самолете. И что вы думаете — часы из самолета отставали. И не думайте, что там какие-то проблемы с часами, нарушение техники безопасности или что-то не туда воткнули, что-то не то нажали. Эксперимент повторяли много раз и не только с самолетами, но и с частицами на коллайдерах. Время участников эксперимента текло по-разному и приводило к вышеописанному эффекту.

Таким образом, парадокс близнецов довольно быстро перестал быть парадоксом, но название закрепилось и все еще смущает умы юных опровергателей современной и не очень физики.

Оставайтесь с нами!

Глава 5 Что такое кванты

Если вы квантовый физик

и не можете в двух словах объяснить

пятилетнему ребенку, чем вы

занимаетесь, — вы шарлатан.

(Р. Фейнман — самый крутой!)

В этой примечательной лекции мы попробуем вынести мозг рядовому гуманитарию темой, которая давно его интересует, но любые попытки почитать научно-познавательную литературу о ней оканчивается зависанием над первой же формулой и закрытием книги на первой же странице. Сейчас мы попросим всех физиков закрыть глаза и уши и расскажем остальным, что такое кванты. Наверняка вы все постоянно встречаете это слово в литературе, телевизорах, интернетах, рекламе и проектах от Сколково, и вам кажется, что это необыкновенно крутая штука, недоступная обычному смертному. Да еще и современные колдуны вместо слово «магический» ныне используют слово «квантовый» и обещают буквально завтра вселенский квантовый переход в новую эпоху. Поэтому пора восполнить пробел и немножко врубиться в тему.

Начнем, как обычно, издалека.

Задумайтесь, каково расстояние между вашими глазами и книгой, и что физически означает это расстояние. Исходя из математических соображений его можно разделить на несколько отрезков. Сначала вполовину, потом еще на четыре, затем на восемь частей, шестнадцать, тридцать два… и даже на пару миллиардов маленьких отрезочков. В математике, знаете ли, разрешается делить до бесконечности — это они здорово придумали. Некоторым дотошным занудам при этом покажется, что если захотеть ткнуть пальцем в книгу или монитор, то сделать так не получится, потому что это расстояние делится до бесконечности, и рука будет преодолевать его бесконечное время. Но вы знаете, что в натуре, или, правильнее сказать, физически, никакой проблемы не возникнет, так как, по-видимому, существует какая-то мельчайшая единица расстояния, меньше которой уже ничего нет.

Раньше считали, что мельчайший размер имеет атом, но нынче ученые докопались аж до кварков и подозревают что есть еще суперструны (о них как-нибудь позже). Вопрос определения мельчайшего расстояния оставим физикам — рано или поздно нам предъявят эталон. Факт в том, что наш опыт подтверждает: деление отрезка в реальности не бесконечно.

Эти рассуждения близки старинному парадоксу Ахиллеса и черепахи. Древние греки тоже подозревали, что с пространством не все так гладко, но, чтобы хоть как-то объяснить происходящее, потребовалось две тысячи лет, когда Ньютон и Лейбниц замутили дифференциальное счисление. Так то!

Теперь возьмем другой пример из жизни. Энергию как она есть. Вот вы с корешами поджарили шашлык, и он, стало быть, теперь горячий. Излучает тепло, которое в общем случае является тем, что мы называем энергией, а физики — электромагнитными волнами. Жизненный опыт нам подсказывает, что энергия вроде как существует в виде непрерывных волн (помните непонятные синусоиды на уроках алгебры). То есть, энергия, как мы считаем, излучается непрерывно. До начала XX века все ученые мира тоже так думали. Один физик по имени Максвелл даже сочинил специальные формулы, по которым тепло распространялось приятными волнами, и все были счастливы и собирались ставить точку в термодинамике.

А вот и нет. Как всегда внезапно выяснилось, что существует конечный кусочек энергии. Самая маленькая порция энергии, меньше которой не существует. Как и в случае с расстоянием, передачу энергии можно делить на кусочки (или пакеты, если вы, прости господи, веб-программист, и вам так понятнее). Самый крошечный, а вернее сказать, неделимый, кусочек энергии и называют квантом.

Собственно, на этом можно и закончить. Но ведь вам наверняка интересно, как это было обнаружено, да и почему из такого пустяка родилась целая наука — квантовая физика. Подумаешь, энергия кусками выделяется — вполне ожидаемо, так и что: из-за этого пилятся миллиардные гранты, а на коллайдере делают черную дыру, чтобы уничтожить планету? Рассказываем что и как. Оставайтесь с нами.

О том, что кванты существуют, как вы уже поняли, никто не догадывался. Пока однажды физики чисто из интереса не решили попрактиковаться в расчетах на всяких идеальных ситуациях. Они заморочились на так называемом абсолютно черном теле. Это такая выдуманная фиговина, типа духовки, которую нагревают, а она при этом не отражает ни капельки энергии — все тепло забирает себе без остатка.

После нагревания наша гипотетическая духовка, разумеется, тоже начнет излучать тепло. Физики стали считать, сколько тепла (энергии) будет излучать такая духовка. И неожиданно у них по тогдашним, казалось бы, логичным, формулам умника Максвелла выходила бесконечная энергия (ученые даже название придумали для такого — «ультрафиолетовая катастрофа», чтобы народ пугать). Это была засада — практика показывала, что в реальности подобные бесконечности не наблюдаются вообще нигде и тем более в духовках. И вот на этой ерунде вся классическая физика пошла лесом.

Первым что-то путное высказал Макс Планк — дедушка квантовой физики. Он по-студенчески решил подогнать результат под задачу, придумав формулу, из которой следовало, что энергия излучается порциями. И прокатило! Получилось, что каждая электромагнитная волна несет в себе определенное количество энергии, пропорциональное частоте этой волны. Чем больше частота волны, тем больше энергии несет в себе один квант. Коэффицент пропорциональности назвали постоянной Планка, которая впоследствии оказалась не просто какой-то случайной цифрой, а фундаментальной физической величиной.

Тут можно провести еще одну удачную аналогию: когда кто-то играет на скрипке, и плавно увеличивает громкость, то на самом деле громкость растет не непрерывно, а скачками, но такими маленькими, что мы этого не замечаем.

Планк, к сожалению, сам не понял, что открыл — до конца жизни он был противником квантовой физики. Квантование энергии было вообще очень оскорбительным для классиков. Один известный ученый-шутник (Гамов) объяснял квантование энергии так: это все равно, что природа разрешила либо пить целый литр пива сразу, либо вообще не пить ничего, не допуская промежуточных доз.

Повторим еще раз: представьте, что Роспотребнадзор разрешил покупать пиво только в бутылках определенной емкости и запретил розливное пиво! И вот вы носите от ларька к дому бутылки по ноль-пять, по литру, по полторашке, двушечку, наконец, чтобы два раза не бегать. А со своей тарой в английскую пинту — нельзя.

Так получается и с энергией — возможны только значения кратные постоянной Планка. Приехали!

Формула Планка для излучения абсолютно черного тела выдала адекватный результат без всяких бесконечностей. Потому что кусочки энергии, в отличие от бесконечно малых величин, можно подсчитать. После этого научный мир замер в нехорошем предчувствии.

Окончательно добил классическую физику Эйнштейн. Его первым открытием была совсем не теория относительности. А объяснение фотоэффекта. За что он получил нобелевскую премию (а совсем не за теорию относительности, которую даже светлые умы принимали за научную фантастику).

Фотоэффект — это когда свет падает на пластинку и выбивает из нее электроны. Только вот энергия (скорость вылета) выбитых электронов не зависит от увеличения мощности (яркости) света: зажигай хоть сто ламп, но увеличится только число электронов, а не их скорость. Энергия же выбитых из пластинки электронов растет, если повысить частоту волны света, уменьшая ее длину: то есть посветить не красным, а, например, фиолетовым светом. Свет с малой частотой, типа очень красного, вообще не производит эффекта. Это, кстати, напрямую касается великой тайны, почему фотографии проявляют при красном свете — только этот цвет не засвечивает пленку, улавливаете?

Явление фотоэффекта вообще никто не мог объяснить в рамках классической физики (русский физик Столетов, между прочим, плотно занимался вопросом и сделал большой вклад в описании феномена).

Пролить свет на свет (хе-хе) удалось Эйнштейну. Чтобы объяснить, почему цвет падающего луча света, а не его яркость, определяет скорость выбиваемых электронов, Эйнштейн решил перенести идейки о порциях энергии Планка на световую волну. Ведь озадаченный Планк применял свою теорию только к тепловым излучениям.

Для начала Эйнштейн впервые озвучил идею, что свет можно и нужно рассматривать не как волну, а как частицу (впоследствии ее назовут фотоном, а Эйнштейн называл ее световым квантом). Для любознательных: обычная лампочка в 100 Ватт излучает в секунду примерно сто миллиардов фотонов.

При фотоэффекте в силу размеров участников сражение между электроном и фотоном идет один на один. Чтобы фотон при столкновении с электроном вырвал последний из металлической пластинки, он должен иметь для этого достаточное количество энергии. А если применить формулу Планка именно для света, то выходило, что энергия каждого фотона пропорциональна частоте световой волны, то есть отдельно взятый фотон обладает определенной энергией, зависящей от собственной частоты. Вот и получалось, что частота света (это всего лишь его цвет) определяет скорость вылетающих электронов, а интенсивность (яркость) света влияет только на количество выбитых электронов. Это как сотни детишек будут сбивать снежками сосульки, но никто не сможет докинуть до крыши, а потом придет переросток из старшей группы, одной левой метнет снежок и собьет цель.

Таким образом, Эйнштейн показал, что электромагнитная волна (свет) состоит из маленьких частиц — фотонов, которые в свою очередь представляют собой маленькие порции или кванты света.

И после этого мир уже никогда не был прежним. Физики столкнулись с невероятным для макромира явлением, что материя может быть одновременно и частицей и волной, что энергия не делится бесконечно, а очень даже кратна некоему значению (постоянной Планка), что эти самые кванты обладают такими свойствами, что расскажи кому в приличной компании — не поверят и вызовут санитаров.

Не поверите, но Эйнштейн был злостным противником квантовой физики. Он открыл дверь в этот мир, однако до самой смерти держал оборону, считая, что квантовые явления можно как-то нормально объяснить. Но разные там борны, боры, гейзенберги, лифшицы-ландау и прочие открывали все новые и новые свойства квантов. А в 50-е годы, уже после смерти Эйнштейна, квантовые штучки были подтверждены экспериментально и окончательно.

В дальнейших наших ликбезах мы обязательно заглянем в парадоксы квантовой физики, и, надеемся, нам хватит слов и умений объяснить их человеческим гуманитарным языком.

Глава 6 Материя. Частицы

Дело не в размере.

Атомное ядро еще мельче,

а страсти вокруг него еще больше.

(Академик П. Капица)

Мы продолжаем экстремальный ликбез для любознательных гуманитариев. Если заглянуть на непрофильные форумы в интернете, то очевидно, что российская наука готовится к серьезному прорыву в физике, так как чуть ли не каждый пользователь интернета этой страны способен рассуждать на тему квантовой гравитации и убедительно доказывать свою правоту. Поэтому мы просто обязаны восполнять у населения пробелы в научной картине мира.

Сегодня мы решили напомнить научному сообществу Всемирной Паутины о том, что современная наука знает о материи.

Начнем с того, что все знают или догадываются. Окружающий нас мир состоит из атомов. Это понятные повседневному опыту материальные объекты, иногда видимые даже в микроскоп (правда, электронный). Одно время считалось, что атомы — мельчайшие неделимые частицы. Причем, идею выдвинули аж древние греки, которые слишком много думали о возвышенном, но потом римляне, а следом и христиане, переключились на другие проблемы, и вопрос о составе материи стал не актуален: крестовые походы сами себя не организуют. И только в 1789 году один юрист по имени Антуан Лавуазье вернулся к крамольным мыслишкам об атомах, открыв дверь богомерзкой науке о веществе.

Мы знавали альтернативно образованных людей, которые уверяли, что атомов никто не видел, потому что они из тонких тел. Не верьте таким людям — сейчас все можно увидеть в Инстаграме. В интернетах легко находится, например, фотография атомов кремния, сделанная с помощью сверхвысоковакуумного сканирующего туннельного микроскопа.

В общем, мир был бы прост и замечателен, если бы атом был мельчайшей деталькой всего сущего. Ученые готовились объявить о завершении научных исследований и формулировке окончательной фундаментальной теории. Но всегда находится человек, который все портит: в 1897 году Томсон баловался с током и нечаянно открыл электрон. Стараясь сохранять спокойствие, он решил, что атом — это смесь отрицательно и положительно заряженных частиц (как булка с изюмом — любимый пример из учебников физики). Если подумать, это многое объясняло.

Но предположение Томсона долго не прожило, потому что в 1909 году Эрнесту Резерфорду вздумалось пострелять альфа-частицами по тяжелым атомам (а точнее по кусочку тоненькой золотой фольги) — видите, на что они тратят гранты?

Внезапно некоторые альфа-частицы не проходили сквозь фольгу, а иногда отскакивали от нее. Резерфорд обнаружил, что в центре атома есть что-то такое крупное и прочное, что отбивает альфа-частицы.

Да, для справки: альфа-частицы представляют собой два нейтрона и два протона (они же ядра атома гелия). Альфа-частицы возникают при радиоактивном распаде и являются наиболее безопасным видом радиоактивного излучения. Резерфорд сам их открыл чуть ранее, и игрался с ними, не очень понимая, что это такое.

Итак, научному миру открылась тревожная картина. Атом, по всей видимости, представляет собой ядро, вокруг которого по некоторым орбитам-траекториям летают электроны.

Давайте осознаем масштабы бедствия. Размер ядра атома таков, что если расстояния в атоме перенести на макрообъекты, то площадь атома в разрезе будет равна, скажем, площади стадиона, а ядро атома тоже увеличится — до размеров теннисного шарика в центре этого стадиона. Теперь представьте, сколько пустоты внутри атома и ужаснитесь — мы все состоим из ничего и чуточки материи. Поэтому, когда ваш начальник или ваш бывший партнер говорят, мол, «ты — пустое место» то это не очень-то и оскорбление. Хотя если они это постоянно говорят, то, может, дело не в физике атома… Эх… Так, о чем это мы?

Значит, что получается: масса ядра составляет более 99.9 % массы атома. То есть электроны почти ничего не весят. В человеке весом около 68 кг масса всех его триллионов электронов составит всего 14 граммов.

Как только ученые открыли все эти орбиты и ядра, прогрессивная общественность сразу решила, что атом похож на Вселенную с ее солнечными системами. Мол, ядро — это Солнце, а электроны — это планеты, которые вращаются вокруг «солнца». Один японец даже попытался рассчитать, как это должно было бы выглядеть по аналогии с кольцами Сатурна. Мир был так иллюзорно близок к счастью понимания фундаментальных законов. Всё казалось логичным и таким глубоко философским: малое в большом, большое в малом. Но нет: Природа тот еще толстый тролль и, кажется, неисчерпаемый в своих коварных шутках.

Во-первых, электроны в отличие от планет вращались вокруг ядра не из-за гравитационных сил (а вследствие другого вида взаимодействия — электромагнитного). Во-вторых, электроны почему-то не теряли энергию и не падали на ядро. В-третьих, как потом оказалось, электроны и не частицы вовсе, а неведомое квантовое не-пойми-что.

В общем, планетарная модель атома провалилась. Но до сих пор, спустя более чем сто лет, находятся отнюдь не домохозяйки, задающие осточертевший всем физикам вопрос, а что если атомы это маленькие вселенные? Если вы видите в статье, которая рассказывает о гармонии мироздания и материальности мысли, фразу, мол, атом — это копия или проекция солнечной системы, бегите оттуда! Ну или нагадьте в комментах, чтобы испортить настроение мракобесам.

Когда художники вот так рисуют атом, то они заблуждаются в размерах более чем полностью. И не только в размерах.

Теперь мы немного расскажем про электрон (о нем мы заделали отдельную крутую лекцию).

На сегодняшний день нам думается, что электрон — неделимая частица. Всё! — разломать его не на что! Поэтому электрон относят к так называемым лептонам. Это такой класс неделимых частиц, в него кроме электрона входят еще нейтрино и мюоны — последние вообще не стабильны, живут миллионные доли секунды и, бес его знает, зачем они вообще нужны этой Вселенной.

Электрон имеет отрицательный заряд, очень маленькую по сравнению с атомом массу, и, самое главное, количество электронов в атоме определяет химические свойства вещества. И да, он ответственен за существование электрического тока.

Как мы уже сказали, поначалу казалось логичным, что электроны в атоме летают по разным орбитам, удаленным от ядра на разные расстояния.

И все было бы прекрасно, если бы в начале XX века некоторые особо упорные физики, которым не нравилась пара несущественных проблем, связанных с классической картиной устройства атома, не решили докопаться до сущности этих проблем. И они дооткрывались до того, что все стало еще хуже. Собственно, так появилась квантовая физика.

Электрон «летает» строго по определенным траекториям (правильно сказать, по орбиталям — особым областям пространства вокруг ядра). И переходит с одной орбитали на другую при помощи телепортации. Электрон, переходя на другой уровень, теряет или поглощает квант энергии, на меньшее расстояние он переместиться не способен, так как квант — неделимый «кусочек» затраченной энергии. То есть, представьте, летает спутник вокруг нашей планеты на высоте 36 тысяч километров. Потом, бах, и он уже на высоте 38 тысяч километров без всякого видимого перемещения. Такого в нашем «большом» мире быть не может, а в мире квантовых явлений — запросто. Мы еще вернемся к этим интригующим явлениям.

Во-вторых, выяснилось, что электрон даже и не частица, а волна. И вообще он не летает вокруг ядра, а находится в каждой точке орбитали одновременно, если его специальным образом не ловить. В теории он скорее похож на облачко вокруг ядра атома с формой этой самой орбитали. И как только начинаешь опытным путем выяснять, где он находится, то он внезапно из волны превращается в частицу, типа, вот он я.

Если опять проводить грубую аналогию, то представьте, что враги запустили спутник-шпион, и вы никакими расчетами не можете обнаружить, над какой точкой планеты он сейчас летает. Вернее, вы считаете по классическим формулам, но они дают ошибочные координаты: в расчетных местах спутника почему-то нет. А какой-то сумасшедший гений показывает вам безумные формулы и говорит, что на самом деле спутник находится в каждой точке на орбите. Однако только по этим специальным формулам можно рассчитать места, где спутник окажется с наибольшей вероятностью (большего не просите), и пальнуть туда из пушки. Глупость какая-то, скажете вы. В нашем мире — да, а в квантовом — обычное дело.

Но мы увлеклись квантовыми парадоксами, речь о которых предстоит в будущих лекциях.

Кстати еще пару слов о лептонах: мюонах и нейтрино. Спорим, вы не слышали о том, до какого кощунства додумались ученые? Они научились создавать мюонные атомы и даже молекулы, благо Природа, кажется, это не запрещает. В мюонных атомах электроны замещены мюонами, которые тяжелее в 200 раз и «летают» ближе к ядру. И хоть такие атомы долго не живут, удается исследовать их химические свойства и на пару шагов приблизиться к апокалипсису.

Что касается нейтрино, то долгое время все думали, что оно не имеет массы и это было немного странно, но затем открыли нейтринные осцилляции — это когда частицы нейтрино во время своих путешествий превращаются из одного вида в другой — такое возможно только при наличии массы. Так что все в итоге встало на свои места. Нейтрино почти не взаимодействует с веществом, поэтому пролетает насквозь не только стены, но и планеты, и звезды — представьте себе, насколько трудно было его вообще обнаружить.

С одной разновидностью нейтрино в 2012 году произошла поучительная история. В известной лаборатории по итогам экспериментов вычислили, что скорость частиц превышает скорость света. Новость преждевременно прокатилась по мировым СМИ. А потом оказалось, что вилка была плохо вставлена в розетку. В общем, если вы обнаружили нарушение законов Ньютона, Эйнштейна или Бора, если вы видите привидение или как что-то мироточит, то не спешите с откровением, а обязательно проверьте розетку и другие объективные причины чуда.

Давайте оставим лептоны на время «в покое» и вернемся к материи. У нас еще ядро атома не разобрано.

Если присмотреться к ядру атома пристальнее, этим занимается у нас ядерная физика, то мы увидим, что ядро состоит из двух типов крошечных деталек. Протонов и нейтронов. Обе частицы довольно тяжелые, но нейтрон чуть-чуть тяжелее.

Протон имеет положительный заряд и вместе с отрицательным зарядом электрона делает атом электрически нейтральным. Если же электронов в атоме меньше, чем положено, или даже больше, то атом приобретает заряд, и его все называют ионом. Мы недавно купили в магазине по акции шампунь с натуральными ионами, которые укрепляют волосы и придают им металлический блеск — видите, как можно бессовестно вставлять в рекламу умные слова. Эх, и ведь за это им деньги платят.

Нейтрон не имеет заряда и вне ядра атома живет очень недолго, примерно, минут десять, а потом ломается: разваливается на протон, электрон и нейтрино. При этом ошибочно считать, что нейтрон состоит из этих частей. Он просто на них разваливается! Но, что важно, не нарушая законы сохранения энергии.

Путаницы добавляет факт, что количество протонов в ядре совсем не обязательно равно количеству нейтронов. Вот, например, из-за этого беспорядка у нас имеется несколько видов водорода. А из них получаются разные виды воды: обычная, тяжелая и сверхтяжелая.

Вообще, если хорошенечко разогнать протон и столкнуть его с другим протоном, то столкнувшиеся частицы разобьются на кучу разных частиц, которые живут, как правило, миллионные доли секунды, а то и меньше. Причем виды частиц, на которые развалится протон, зависят от энергии столкновения. А осколки в свою очередь через некоторое время еще на что-нибудь развалятся. Всяких разных частиц на сегодняшний день открыто более 350 штук. Названия у них одно непонятнее другого, например: мезоны, пионы, каоны, позитроны, мюоны, тау-лептоны, а также античастицы с таким же названием, но приставкой «анти» и т. д.

Античастицы имеют ту же массу, что и обычные частицы (и тот же спин — не спрашивайте пока, что это такое), но другие противоположные характеристики, вроде заряда или квантовых чисел).

Собственно, в этих ваших коллайдерах занимаются краш-тестами частиц. Разгоняют протоны и сталкивают, а потом смотрят следы, которые оставили осколки. По этим следам (длина пути, траектория следа, углы отклонения и т. п.) вычисляют массу частиц, их заряд и прочие данные. Хотим напомнить жуткую правду от конспирологов, что на самом деле в коллайдерах делают черную дыру, которая уничтожит Землю и освободит место для планеты Нибиру — наши остроумные комментарии к этому вы прочитаете в специальной главе про ускорители частиц.

Вот так выглядят следы частиц в специальных устройствах для их наблюдения:

Как мы уже сказали выше, тот факт, что протоны и нейтроны разваливаются на кусочки еще на значит, что они из них состоят.

Долго время считалось, что протоны и нейтроны — это цельные частицы. Но в 70-х годах ученые повторили опыт, чем-то похожий на опыт Резерфорда, но вместо атома были протоны, а вместо альфа-частиц были электроны. То есть стреляли электронами по протонам — чего только не придумают затейники, да?

И выяснилось, что рассеивание электронов на протонах и нейтронах немного не такое, как ожидалось. Это и ряд некоторых других трудно объяснимых явлений дало повод ученым заявить, что ядерные частицы состоят из чего-то еще.

Этому «чему-то еще» дали название «кварки». Поясню еще раз: никто этих кварков пока не видел (они, гады, совсем мелкие, с физически ненаблюдаемыми размерами) и никто этих кварков пока не щупал, но косвенные эксперименты, а самое главное, расчеты, показывают, что протоны и нейтроны состоят из кварков. Причем каждая частица состоит сразу из двух-трех кварков, которые взаимосвязаны между собой и соответственно существуют только группами. Кварк не может свободно гулять вне частицы — во всяком случае одинокий кварк в природе еще не встречался. Из кварков состоят и другие частицы материи (кроме лептонов). Всего ученые открыли или, можно сказать, навычисляли, шесть видов кварков, соотнесенные с тремя поколениями. Хитроумных названий этим кваркам придумать не смогли, поэтому кто-то прикололся и назвал кварки вот так:

Справедливости ради, странному кварку дали такую кличку потому, что частица, в которой его обнаружили, не распадалась «слишком долго». И это, видите ли, было странно.

Обратите внимание, что у кварков дробный заряд. Его также пришлось ввести, чтобы объяснить, как из кварков получается положительно заряженная частица протон или нейтральный нейтрон.

Так что, все составные частицы в нашем мире — это комбинации кварков. Можно спросить, но почему физики-теоретики, не видя этих кварков, считают их реальными фундаментальными частицами?

Во-первых, если предположить, что кварки существуют, то все множество частиц хорошо классифицируется и укладывается в так называемую Стандартную модель. А это научненько!

Во-вторых, на основе кварков можно предсказать, какие частицы еще не открыты. И действительно, ожидаемые частицы рано или поздно находятся, причем с ожидаемыми параметрами.

В-третьих, экспериментально удавалось вырвать кварк из протона, но получился, конечно же, не сам кварк, а некий очень интересный эффект, предсказанный теорией кварков и названный адронной струей: из кварков тут же образуются новые частицы и летят в ту же сторону, что и выбитые кварки.

Между прочим, физики предсказывали существование частиц, сколоченных аж из пяти кварков — так называемых пентакварков. Конец немного предсказуем: их действительно обнаружили в экспериментах на коллайдере. Пентакварк состоит из двух верхних кварков, одного нижнего кварка, и пары из очарованных кварка и антикварка. Что это за зверь такой, еще предстоит выяснить.

Причин считать кварки реальными гораздо больше, но они громоздки для нашего праздного объяснения, поэтому сделаем вид, что все нормально. Самым главным аргументом, которым всегда руководствуется наука, является то, что на сегодняшний день нечем объяснить строение материи как-то иначе. Конечно, есть гипотеза тонкого эфира, однако ее без галоперидола не разобрать — в этом мнении схожи и физики, и психиатры.

На картинке: схемы некоторых частиц, сложенных из кварков. Кварк с черточкой — это антикварк.

Пару слов об антиматерии.

С одной стороны, она менее загадочна, нежели ее представляют в своих нетленках фантасты и графоманы. Это те же самые частицы, но с противоположным зарядом (или противоположными другими характеристиками). Электрон — позитрон. Протон-антипротон. Кварк-антикварк. И так далее. При соединении материи и антиматерии — вещество аннигилирует, превращаясь в чистую энергию, то есть в фотоны, что в общем-то, можно было бы использовать как разрушительное оружие. Но антивещество чертовски трудно добывать, и совершенно точно не в промышленных масштабах.

Довольно забавен факт, что антиэлеткрон открыл Поль Дирак в 1927, когда рисовал формулы для электрона. Самая лучшая формула, описывающая электрон, содержала в себе его злого двойника. Дираку это не понравилось, в итоге он психанул и сказал, что умывает руки — вот расчеты, делайте с ними что хотите. И заметьте, что эти ученые могут открывать новые частицы без коллайдеров, с помощью карандаша и бумаги, без грантов и субсидий, которые, как известно каждому диванному профессионалу, тратятся на распил или несуществующие фонды!

Короче, через пять лет физики обнаружили антиэлектрон в реальном мире и назвали его позитроном.

С другой стороны, у антиматерии есть мерзкий секретик, от которого портится настроение у любого астрофизика или у каждого интересующегося мирозданием естествознателя. Это коварный вопрос: где антиматерия? То есть вот у нас в телескопы и микроскопы видна обычная материя везде и всюду во вселенной, а где же антивещество? Если оно аннигилировало, почему вселенная все еще существует и тогда опять вопрос, почему обычной материи больше? Это проблема, требующая очень серьезных объяснений. Может, кто-нибудь из наших читателей впечатлится прочитанным, подумает над прочитанным и догадается, как это все происходит, после чего пойдет и объяснит всем этим надмозгам из калтехов, стенфордов, МТИ и прочих логовищ бездуховности, в чем секрет асимметрии вещества. Удачи, товарищи!

Ну и наконец, предел физики материи.

Стандартная модель, которая рассказывает нам о мире частиц, все равно имеет множество темных мест, которые не объяснишь тем, что кварки и лептоны это окончательная форма материи, элементарнее и фундаментальнее которой ничего нет.

Поэтому физики с наиболее развитой фантазией пытаются предугадать еще более мелкие частички материи. Именно что предугадать и математически рассчитать их поведение. Микроскопы тут бессильны.

На сегодняшний день есть пара-тройка перспективных теорий, которые делят материю дальше. Самая известная из них — это теория струн (и ее развитие в теории суперструн и М-теории). Некоторые чудеса материи неплохо объясняются, если представить, что все, что нас окружает, на самом микроскопическом уровне представляет собой наборы одномерных струн, которые колеблются в девятимерном пространстве. И частота колебания такой струны (звук, по-нашему) и определяет свойства каждой фундаментальной частицы — кварка или лептона. Звучит, конечно, очень божественно и немного креационистски. Представьте великую вселенскую скрипку — она сыграла ноту «Ля», и в мире появились электроны, дёрнула «До» — сыпятся протоны, или, например, зазвенела «Си-бемоль» — и вселенная обогатилась нейтрино. Профессор Толкин, по-видимому, кое-что знал со своим Илуватаром и музыкой айнур, да-да.

Доказать наличие струн на сегодняшний день невозможно, да и теоретические расчеты настолько сложны (все-таки девятимерные пространства, включая время), что безумное количество математики осилит не каждый мегамозг. В теории суперструн количество измерений доведено до 11, а в М-теории предполагается, что колеблется не струна, а двухмерная пленочка (брана, как ее называют физики-теоретики). Струны изображают вот так:

На этом краткий экскурс в атомную материю у нас заканчивается. Можете бить нас за неточность изложения и обещать открыть глаза на правильную физику. Мы с интересом следим за дискуссией, которая не затихает на просторах сетевых площадок. Пишите в интернетах, и мы вас сами найдем!

Наверное, дотошные читатели заметили, что тема названа «Часть 1». Дело в том, что, разглядывая материю, мы рассмотрели только ту ее часть, которая, скажем так, вещественна. А есть еще одна форма материи, которую пощупать нельзя. Это то, что мы называем полем или энергией (да-да, те самые фотоны, гравитоны и бозоны Хиггса). Об этом мы расскажем во второй части.

Глава 7 Материя. Поля

Весь мир — эфир, а ты в нем Майкельсон

Эту главу мы начинали писать много раз. Потом перечитывали и удаляли все к чертям. Потому что перед нами стояла задача впихнуть невпихуемое. То, что обычно называется кратким изложением в двенадцати томах, нам предстояло рассказать в трех словах с картинками. Полистав любимые мануалы по ядерной физике, всплакнув над недочитанными лекциями Фейнмана, мы взяли себя в руки, плеснули себе для храбрости из бара, и написали финальный вариант.

Рассказывать популярно о таком виде материи как поле — занятие практически бестолковое, потому что визуализировать оное или художественно его описать практически нереально. В нашем повседневном опыте поле нельзя потрогать, да и ощутить можно только косвенно, ничего при этом не понимая. Поэтому физики делают упор на много-много математики.

Тем не менее мы попытаемся немного осветить достижения нынешней науки в этой области ужасными аналогиями и примерами, из-за которых большинство физиков (и химиков!) уйдут в леса и пустыни жить отшельниками. Мы заранее просим у них прощения.

В классической физике полем называли что-то такое воздушное и невидимое, разлитое по пространству, в которое объект попадал и внезапно испытывал влияние «неведомых» сил. Например, если камень начинает падать с ускорением на землю, то он, видите ли, находится в гравитационном поле. А если железный шарик двигается к магниту, то он всего-навсего плавает в магнитном поле. Короче, поле — это что-то волшебное. Недаром в фантастической литературе сплошь и рядом встречаются защитные и магические поля для спасения сюжета.

Но в наши благословенные дни ученые решили от термина «поле» отказаться. Это понятие в свете квантмехов устарело, и нынче им пользуются физики в случаях, когда надо упростить суть явления (ну типа как мы говорим, «дай мне вон ту фигню» вместо «принеси, пожалуйста, степлер»). Еще слово «поле» говорят электрики, чтобы выглядеть солидно, им как-то сразу начинаешь больше доверять.

Вместо всего вот этого теперь используют словечко «взаимодействие». И оно содержит принципиально иной подход: разгадка в том, что вещественная материя может взаимодействовать между собой другой формой материи. И не только может, а постоянно это делает.

Поначалу все думали, что взаимодействие распространяется волнами, по поводу чего поспешили нарисовать всякие формулы волн и полей собранных из них, но потом Планк, как вы уже знаете, рассчитал, что поле можно измерять кусочками-квантами, Эйнштейн подтвердил, и вообще оказалось, что это не волны, а иногда совсем даже частицы. Для удобства ученые решили считать явление одновременно и частицей и волной, а чтобы никто не смеялся, они назвали явление по-умному — корпускулярно-волновым дуализмом.

Позже Фейнман с единомышленниками задвинули собственную версию происходящего, в которой взаимодействие (да и всё вещество микромира) — особая форма материи, которая не частица и не волна, но имеет свойства и того и другого. Собственно, с Фейнмана и началось отношение к полям как к видам взаимодействия.

О бытовых тонкостях дуализма мы расскажем в лекциях по квантовой физике. А сейчас вернемся в наши поля. На сегодняшний день физики обнаружили пять натуральных видов взаимодействий.

И начнем мы с первого вида взаимодействия — электромагнитного.

1

Изначально было две магии — магнитная и электрическая. Затем Максвелл поэкспериментировал с той и другой и объявил, что вообще-то это одно и то же; просто в разных условиях и ситуациях мы наблюдаем, то магнитный, то электрический эффект. Там еще потом и теория относительности затесалась, объясняющая, откуда берется поле у движущихся зарядов. Делов-то было, всего лишь ограничить скорость вещества во Вселенной. Но легче от этого открытия не стало.

Что же такоеэлектромагнетизм? В самом простом случае, который нас собственно и интересует, это такое явление, при котором противоположно заряженные частицы притягиваются, а частицы с одинаковым зарядом отталкиваются. То есть электрон избегает другого электрона, но тянется к протону именно из-за электромагнитного взаимодействия.

Важная ремарка: ни мы и никто другой не знает, что такое заряд на самом деле. Мы наблюдаем заряды в виде взаимодействия заряженных частиц, но природа заряда науке пока не известна. Впрочем, если открыть интернет, то там найдутся те, кому всё понятно, у кого очевидными причинами заряда являются торсионные вихри, тороидальные сущности, эфирные осцилляции по вектору «взад-вперед» и так далее. Надеемся, вы уже понимаете, в какую сторону нужно разворачивать диван, встречая подобные открытия!

Но каким образом заряды притягиваются или отталкиваются? Оказывается, что между двумя частицами, находящимися на определенном расстоянии друг от друга, происходит что-то вроде обмена кое-чем материальным, а не эфирным. И в случае с электромагнитными силами обмен этот производится частицей-переносчиком, которая известна под именем «фотон».

Да-да, квант электромагнитного поля, частица электромагнитного взаимодействия — это старый добрый фотон, который летит с максимально возможной в этой Вселенной скоростью и излучается из каждой лампочки и звезды.

Чтобы представить, как именно происходит электромагнитное взаимодействие, возьмем игроков в бадминтон. Хорошая игра, расслабляет, нервничать не надо, движение какое-никакое. Профилактика геморроя опять же. Представьте, что вы (здоровый мужик) играете в бадминтон с таким же здоровяком. Пол у вас одинаковый (как заряд у двух электронов), и вы друг другу не очень симпатичны. Ваш воланчик — это фотон, который вы отбиваете ракетками. Чем ближе вы подбираетесь друг к другу, тем сильнее вы отбиваете воланчик, желая победить соперника, поэтому вам приходиться отступать, чтобы не проиграть партию. Две частицы с одинаковым зарядом, обмениваясь фотоном, расходятся подальше друг от друга, улавливаете?

А теперь наоборот! Если вы все тот же здоровый мужик, но играете в бадминтон с очаровательной дамой (две частицы с противоположными зарядами — электрон и протон), то, играя в бадминтон, вы слабее бьете по волану и непринужденно приближаетесь друг к другу, мечтая оказаться в интимной, так сказать, обстановке. Но вплотную, тем не менее, не подходите, потому что ракеткой можно получить по зубам — это больно, поверьте.

Фотоны, которые рождаются для взаимодействия между двумя заряженными частицами, называются «виртуальными». Грубо говоря, при обмене квантами поля немного нарушаются законы сохранения энергии, но экспериментально поймать фотон с поличным нельзя. Если мы вздумаем устроить виртуальной частице засаду, то она, взаимодействуя с приборами, превратится в обычную, и ничего противозаконного мы не обнаружим. Всё-таки там, на невероятно малых расстояниях, творится настоящая магия, отблески которой мы наблюдаем и ничего не понимаем.

Электромагнитное излучение существует не только при встрече частиц. Фотоны рождаются при распаде или столкновении массивных частиц (этим занимаются в коллайдерах) или во время ядерных реакций — вот почему опасна радиация: бодрые фотоны при распаде ядра вылетают наружу и разрушают ваши клетки как карточный домик. Когда говорят, что во время ядерной реакции выделилось некоторое количество энергии, вот эта «энергия» и есть фотоны — частицы электромагнитного взаимодействия.

Увы, не все в XXI веке знают, что фотон — это не только видимый свет, но он еще и радиоволны, ультрафиолет, а также — смертельное радиоактивное излучение (гамма-излучение). Клянемся лысиной Планка, что встречали людей, рассказывающих, что радиоволны и солнечный свет — это разные сущности ментальных планов тонких вселенных. Sic!

Однако вся разница в этих, казалось бы, настолько отличающихся физических явлениях лишь в длине волны (частоте) фотона. Если длина волны фотона БОЛЬШАЯ (то есть волна длинная), то у нас — радиоволна, если фотон колеблется чуть энергичнее (и соответственно длина волны меньше), то мы его видим в качестве света и его радужных цветов. Цвета — это всего лишь восприятие нашим глазом разных длин волн фотонов, причем очень ограниченное восприятие.

Если же длина волны фотона очень маленькая, а значит велика его частота и собственно энергия, то такой резвый фотончик запросто просветит вас насквозь (рентгеновские лучи — это тоже фотоны, ага).

Почему, например, светит Солнце? Не вдаваясь в подробности: от огромной температуры на Солнце ядра водорода посредством сложной термоядерной реакции объединяются в ядра гелия. Эта реакция сопровождается потерей энергии, часть которой в виде солнечного света мы и видим каждый день.

Мало кто знает, но сейчас вокруг нас столько устройств, использующих электромагнитное излучение, что возникает проблема электромагнитной совместимости, когда, например, ваш умный холодильник может мешать wi-fi или bluetooth-передаче. Фотоны — вокруг нас, и даже если бы вы сломали всю технику, то они все равно прилетают и будут прилетать к нам из космоса — спасения от электромагнитных волн нет. Впрочем, любителей шапочек из фольги это никогда не останавливало.

Искренне надеемся, что после вышесказанного мир стал чуть более понятен. Но на этом чудеса материи не заканчиваются.

2

Пытливые умы, читающие наши россказни очень внимательно, могут спросить: позвольте, если частицы с одинаковым зарядом отталкиваются, то почему же положительно заряженные протоны в ядре не разлетаются к чертям, и в мире не наступает конец света?

На самом деле это чертовски хороший вопрос, и ученые в прошлом веке им серьезно озадачились. Им нечего не оставалось, как предположить, что в ядрах существуют некие силы, которые удерживают протоны вместе вопреки электромагнитному отталкиванию. Догадка была озвучена еще в 1930-х годах, но только к 1970-м годам гипотеза превратилась в хорошую проверенную теорию.

Ученые оказались правы. Такие частицы как протоны состоят из кварков, и между кварками на очень близком расстоянии возникает второй вид фундаментального взаимодействия, названный сильным.

В ядре атома гелия электрическая сила отталкивания между двумя протонами составляет 22.5 килограмма, но ее запросто «побивает» иной тип взаимодействия. Теперь понятно, почему сильное взаимодействие называется сильным (название, кстати, не слишком удачное, особенно в русском языке, в иноземном языке используют слово strong).

Сильное взаимодействие примерно в тысячу раз сильнее электромагнитного. Так как же протоны преодолевают отталкивание?

Дело в том, что взаимодействие, как уже сказано, происходит не между самими протонами, а между их составляющими — кварками. Это кварки постоянно и очень активно обмениваются частичками-волнами (квантовая физика, увы), называемыми глюонами (от английского слова «клей», между прочим). Обмен глюонами происходит не только между своими кварками в протоне, но и с кварками соседнего протона. Дружба семьями, понимаете ли, не разлей вода! И кстати, чем дальше вы пытаетесь «раздвинуть» кварки, тем сильнее становится взаимодействие (внимание, умное слово — «конфайнмент»). В какой-то момент энергия, которую вы прилагаете для разрыва кварков, станет настолько большой, что природа прекратит издевательство и создаст из накачанных энергией глюонов новую пару «кварк-антикварк», в итоге рождается новая частица, какой-нибудь мезон, а там уже электромагнитные силы перехватывают эстафету. Умно! На сегодняшний день ученые не очень хорошо понимают, как это работает: эксперименты и еще раз эксперименты. Но ничего — то ли еще будет.

Раздел физики с жутким названием «квантовая хромодинамика» насчитывает восемь типов глюонов, в то время как трудяга фотон — один на все случаи жизни. А всё потому, что кварков много, и одного типа глюона на них всех маловато, физики таким образом могут рассуждать о восьми видах глюонных (цветных) полей — как вам такой поворот?

Глюоны как и фотоны не имеют массы, а их существование было впервые подтверждено на коллайдерах в конце 70-х годов прошлого века. Это был успех! А физика микромира становилась все безумнее и безумнее.

3

Что ж, казалось бы, все проблемы физики ядра решены. Ага, щас! Ученые внимательно изучали распад некоторых частиц и заметили, что там в результате не хватает каких-то мельчайших миллиардных долей энергии. Святые угодники, у нашего бухгалтера миллионы в балансе не сходится, и она одной правой выравнивает перекос, рисуя пару нулей. А тут несущественная разница: подумаешь, электрон вылетает не с той скоростью. Но ученые на то и ученые. Видите ли, известный всем нейтрон порой ни с того ни сего разваливается на протон, электрон и нейтрино. Причем, как мы знаем из предыдущей лекции, он не состоит из этих запчастей — упомянутые частицы возникают в процессе распада. Если сильное взаимодействие удерживает кварки внутри частицы так, что глюонное поле не порвать, какого лешего происходит?

Ответственным за причины этой трагедии назначили новый вид взаимодействия, который, конечно же, назвали еще оригинальнее: слабым взаимодействием. Описать его механизм задачка не из легких, поэтому мы, как обычно, пропустим матчасть. Скажем лишь, что там та еще мелодрама с кварками и лептонами, в результате которой частицы превращаются в другие частицы, отчего дружная семейка ссорится и разъезжается подальше друг от друга. Всё это происходит на расстояниях еще более коротких, чем при сильном взаимодействии. А за перенос взаимодействия ответственны три частицы-переносчика, название которым не придумали, и среди ученых они известны как векторные бозоны (с положительным зарядом W+, с отрицательным зарядом W- и без заряда Z0). Вон там наш художник нарисовал картинку для тех, кто любит мыльные оперы.

Снова важное замечание, чтобы вы понимали парадоксальность полей. Масса нейтрона составляет примерно 1 ГэВ (это электрон-вольты, в них измеряют одновременно массу и энергию). А масса векторных бозонов почти в сто раз больше. W-бозон имеет массу около 80 ГэВ, а Z-бозон — 90 ГэВ. Замечаете несоответствие законов сохранения? Опять же по этой причине такие частицы называются виртуальными: они мгновенно рождаются и исчезают незамеченными. И только на коллайдерах или в космических лучах (всякий мусор летящий от звезд) при столкновениях происходит срыв простыней, и массы бозонов возможно зафиксировать и посчитать. Поэтому слабое взаимодействие долго не могли обнаружить экспериментально.

Кроме того, слабое взаимодействие нарушает глубинные законы симметрии — это касается того, что с какого-то перепугу электронам важно в какую сторону лететь при распаде нейтронов — отчего у физиков шевелятся волосы на голове, и они реально боятся, что есть небольшой, но серьезный шанс переписать всю физику заново. Хотя с другой стороны косяк в симметриях может объяснить кое-какие непонятки в создании Вселенной (типа вопросов, куда делась антиматерия и так далее) и объясняет, зачем нам нужен бозон Хиггса.

Несмотря на то, что слабое взаимодействие мало известно обывателю, лишь благодаря ему наше Солнышко ласково светит в небе (слабое взаимодействие участвует в той самой хитрой реакции превращения 4-х ядер водорода в ядро гелия).

Когда-то давно ученые объединили магнитное и электрическое взаимодействия в одно — электромагнитное. А к настоящему времени мегамозги предлагают объединить сразу все три вышеописанных взаимодействия в один тип.

Они уже смогли свести электромагнитное и слабое в единое — электрослабое взаимодействие. Экспериментально выяснилось, что на высоких энергиях, когда всё очень горячее и быстрое, слабое и электромагнитное взаимодействие сливаются в единую силу. Грубо говоря, фотон и бозон слабого взаимодействия становятся неотличимы.

Теперь остается втиснуть в эту компанию сильное взаимодействие, но пока получается не очень, уравнения не сходятся, погода не лётная, денег мало и так далее. Для прорыва нужные кое-какие недоказанные явления и допущения. А очень хочется взять и предъявить миру Теорию Великого объединения!

Предполагается, что исторически различия во взаимодействиях стали проявляться по мере развития Вселенной. Когда случился Большой Взрыв — взаимодействие было всего одно, но Вселенная бодренько разлеталась, потихоньку остывала, и взаимодействия начали оформляться в те виды, что мы знаем сейчас. Как три близнеца с возрастом приобретают индивидуальные черты — один остался худым, второй — качок-спортсмен, а третий жрал булки и растолстел.

В общем финальная формула произошедшего ждет своих эйнштейнов и фейнманов — вот уже и коллайдер построили, а гения всё не видно. Читатели наших лекций, мы и вся наука надеемся на вас!

4

Однако Стандартная Модель, разобравшая, что из чего состоит и что откуда берется в физике частиц и взаимодействий, хорошо работала, если бы ее не спрашивали, а что такое масса, которая в Модели принята как сама собой разумеющаяся без всяких объяснений. С энергией, которая эм цэ в квадрате, добавляющей массу объекту, всё понятно, но оставался неучтенный кусочек, который никак не объяснялся, как бы физики не пыжились. Кроме того, эксперименты показали, что в результате распада частиц, скажем, те же электроны предпочитали одно направление полета другому. Это называлось нарушением симметрии и выглядело как большой косяк в мироздании и грозило ядерной физике огромным фейлом, после которого она могла бы и не оправиться.

Для ответа на этот вопрос один особо умный физик по фамилии Хиггс со своими коллегами частично «воскресил» идейки конца XIX века об эфире, который заполняет всё и везде. И он заявил, что на самом деле существует еще одно поле, пронизывающее всю Вселенную вдоль и поперек, имеющее специальный заряд, отличный от нуля (или, как иногда говорят, ненулевой вакуум), от которого всё в мироздании слегка перекашивает.

И вот, значит, откуда берется масса: поле Хиггса мешает кварку или бозону двигаться с ускорением. Степень сопротивления ускорению — и есть масса. Как ложка в жбане с медом. Аналогия весьма некорректная с точки зрения истины, но очень наглядная для обывателя. Некоторые частицы, например, фотоны, не замечают поле Хиггса и преспокойно летят через него без торможения — у них параметры настроены особым образом, и им плевать на «мировой эфир». Поэтому фотоны и некоторые другие частицы — безмассовые. А частицы, которые в силу своего строения взаимодействуют с полем, начинают тупить. И чем сильнее взаимодействуют, тем больше у них масса.

Гипотезу можно объяснить и так, что все элементарные частицы предполагаются безмассовыми, а их энергия покоя это потенциальная энергия в поле Хиггса. Протоны, например, не элементарные частицы, их масса покоя это энергия глюонных полей между кварками. Поэтому помним, что масса массе рознь. Физики словом «масса» называют, если нам не изменяет память, четыре или пять различных явлений природы. И они понимают, когда какое используется, а мы — нет. Будьте бдительны!

Между прочим, один британский министр заявил, что презентует бутылку шампусика тому, кто объяснит механизм Хиггса в двух словах. Некий Д. Миллер с товарищами выиграли приз, предложив объяснение, что если вы, менеджер низшего звена (верхний кварк) пришли на корпоратив и хотите пройти через комнату с людьми (поле Хиггса), то вы без особых затруднений это сделаете — кому вы там нужны, признайтесь. А вот если через комнату с гостями пойдет ваш босс (в оригинале — Маргарет Тэтчер — истинный кварк), то все внимание будет приковано к нему, все будут приставать с вопросами, поздравлениями и формальностями, и босс замедлится, приобретя «массу».

Если вы более-менее поняли, что мы писали выше, то вы уже догадались, что частичка поля Хиггса, его квант, и есть тот самый неуловимый (как обычно, виртуальный) бозон Хиггса, с которым все носятся последние десятки лет. А неуловимый он потому, что для его непосредственного наблюдения в нашем макромире требуется вкачать в вездесущее поле хороший шмат энергии. Для открытия бозона Хиггса на коллайдере надо столкнуть протоны с чудовищной скоростью, тогда есть вероятность, что произойдет кое-что интересное. Самое забавное, что квант поля Хиггса взаимодействует с этим же полем и точно так же приобретает массу — поэтому бозон Хиггса очень тяжелый.

Это я вам только слегка намекнул на происходящее, а по факту там такая заумь творится, что хочется плакать от бессилия понять всё и сразу.

Хиггс предложил гипотезу в 1964 году. Над ним смеялись и крутили пальцем у виска. Стивен Хокинг даже спорил с одним экспериментатором на сто баксов, что бозона Хиггса не существует. И вдруг в 2012 году ученые неожиданно сошлись во мнении, что некоторая подозрительная частица, которую регистрируют на коллайдере с начала года, таки и есть бозон Хиггса, во всяком случае ее масса и происхождение соответствовали ожидаемым. Это была победа!

С 2013-го года бозон Хиггса был признан научным сообществом. В те годы его еще называли «Частицей Бога» (так пошутил один писатель, который вообще-то назвал его «Чёртовой частицей», но редактор не пропустил). Вы не поверите, но существуют альтернативно образованные люди, которые услышав выражение «частица бога», считают, что ученые доказали существование Творца. И это не троллинг, они реально в это верят, и их не переубедишь даже сунутыми под нос распечатками статистики столкновений в коллайдере. Не будьте такими, котаны!

5

Ну, и наконец, пятое взаимодействие, известное в нашей Вселенной, которое не лезет ни в какие ворота — это гравитация.

Ранее в предыдущих темах мы уже объясняли, что гравитация — это не сила, а простая и понятная деформация четырехмерного пространства-времени и, казалось бы, причем здесь квантовое взаимодействие?

Поэтому-то общая теория относительности и квантовая физика не дружат, и каждая считает другую за идиота. Гравитация в квантовой физике вроде как слон в посудной лавке. В общем случае гравитационное взаимодействие — это очень слабое взаимодействие. Любой магнит на соответствующих размерах и расстояниях сильнее силы притяжения Земли. Что уж тогда говорить о силах внутри атомов.

Если начать рассматривать гравитацию как поле, в его квантовом смысле, то физики начинают рвать на себе волосы и рыдать навзрыд. Ничего не сходится. Происходит это отчасти потому, что классические теории гравитации представляют собой манипуляции с геометрией пространства-времени. А квантовые теории кладут бозон на время и пространство, рассматривая его как декорации. Если же начать квантовать время и пространство, то расчеты превращаются в бесконечную ленту умных значков, в которых исследуются многомерные системы, антимасса, время наоборот и другие нехорошие вещи.

На данный момент физики решили считать, что существует частица-переносчик гравитационного поля, в некотором роде «ответственная» за деформацию пространства, она не имеет массы и движется со скоростью света. Частицу назвали гравитон, и с тех пор ее ищут, но она, похоже, еще более неуловима чем бозон Хиггса. Гравитон удачно вписывается в картину мира во всяких мозговыносящих гипотезах типа теории супер-струн или М-теории, но для этого нужно доказать, что струны существуют, а с этим пока совсем грустно.

Хорошим подтверждением гравитона явилось недавнее экспериментальное обнаружение гравитационных волн. Ведь там, где есть волны, там есть и кванты, смекаете?

Между прочим, Хокинг, который проиграл сто баксов в споре о бозоне Хиггса, смог придумать прикольный механизм, когда квантовая механика вместе с гравитацией заставляют черную дыру «испаряться». Причем объяснение Хокинга не лишено здоровой логики — осталось только слетать к черной дыре, поставить там аппаратуру и наблюдать, идет ли «пар» из черной дыры. Как говорится, как только так сразу!

Проблема гравитации и гравитона для ученых — тот еще кошмар, чем больше про это думаешь, тем эпичнее сочиняются гипотезы. Знаете, какая теория славно бы все объяснила? Ряд фантазеров склоняется к тому, что наша вселенная находится на четырехмерной поверхности внутри многомерной вселенной. Представьте, что вы в своем трехмерном мире держите в руках глобус, на котором существует двумерный плоский мир: там живут жуки, ничего, не знающие про верх и низ. Вот и в нашей четырехмерной вселенной (три пространственных измерения и одно временное) действуют все виды взаимодействий, описанные выше.

Кроме гравитации. Она приходит к нам на поверхность из многомерной сверх-вселенной. Гравитация очень мощная сила, мощнее всех наших известных сил. Однако она такая крутая только у себя в сверх-вселенной. А по факту обычная многомерная геометрия распределяет моменты силы так, что нашей поверхности достается лишь слабое эхо чудовищной силы (она как бы «размазана» по всем доступным измерениям), и мы наблюдаем лишь жалкое подобие гравитации, которую на Земле превосходит даже обычный магнит. На данный момент шансов доказать эту гипотезу почти нет, но идейки имеются. Если на коллайдере таки обнаружить гравитон, то с помощью хитрых выводов и следствий, связанных с прогнозируемой внезапной потерей им массой, можно доказать, что полученная частица является проекцией многомерной частицы на нашей трехмерной реальности. Это, конечно, многое объяснит, но и физика уже никогда не будет прежней. К несчастью или к счастью, гравитон по сей день не обнаружен. Может, человечество еще не готово к таким знаниям. За миллиард лет до конца света, если вы понимаете, о чем мы.

На этом мы заканчиваем краткое описание материи нашей Вселенной, в которой еще много тайн (одна темная материя чего стоит или «кипящий» квантовый вакуум). Хотим добавить для любознательных, что частицы вещественной материи называют общим словом — фермион, а частицы взаимодействий — бозонами.

То есть фотоны, глюоны, гравитоны — это все бозоны. А нейтроны, электроны, протоны — фермионы. И у них там свои тёрки между собой (смотрите принцип запрета Паули в качестве домашнего задания).

Короче, господа и дамы, сидим и ждём. Стандартная Модель, в общем и целом, ничего себе теория, но с каждым годом новые открытия на коллайдере подкидывают ей различные нерешаемые гадости. Поэтому рано или поздно родится очередной Эйнштейн и, наконец, расскажет человечеству Теорию Всего (так ее называют оптимистичные физики).

6

Несмотря на то, что к концу лекции у неискушенных читателей слегка прояснилось в одном месте, и в то же время возникло ощущение, что непонятного на самом деле стало больше, хотим заметить и тем самым слегка перечеркнуть все вышесказанное. Мы-таки наврали ради упрощения, что поля устарели. Их по-прежнему воспринимают как поля, и даже выдвигают такие крутые штуки как Единое теория поля и тому подобное. И читатель обязательно раздраженно спросит, так что же такое бозон и что такое поле — это разные вещи или нет? Давайте мы очень аккуратно, пугаясь собственной тени, поясним. Эти вещи все-таки разные. С точки зрения физики поле существует везде (там, где оно может и должно быть), оно даже бывает нулевым и все равно существует — здравствуй, квантмех (за подробностями далее). В этом поле по некоторым причинам возникают возмущения — их называют волнами. Самое слабое из возможных возмущений называют квантом, и воспринимают как частицу или бозон из-за особенных свойств, которыми такая частица отличается от фермионов.

Представьте себе водную гладь — лужицу на вашем столе. Она ровно покрывает поверхность в каждой точке. А теперь подуйте на воду. Возникает возмущение, волна, обладающая энергией. Вы только что создали аналог аналога бозона. Пример не имеющий ничего общего с реальностью микромира, но дающий представление о различии в понятиях. Убедительно просим вас не воспринимать такую волну как морскую или звуковую. Это совершенно другое явление, чем-то напоминающее волну, и мы в следующих главах попробуем все вместе разобраться в этом. Главная ошибка всех современных фриков, лжеученых, квантовых магов и эфирщиков в том, что они понимают слово «волна» буквально. Мол, раз есть волна, значит есть среда для ее распространения. Это не так. Поле, бозоны, кванты существуют сами по себе и, как мы узнали из названия главы, являются особой распространенной формой материи. Живите с этим.

Да, это сложно, но, спешим заверить, ученые сами не могут внятно объяснить происходящее без тонн символов из своей высшей математики. А все потому, что наука в первую очередь описывает явление, которое наблюдает, и уже потом, если получится, раскрывает его суть. В случае с полями мы наблюдаем, регистрируем, измеряем и даже используем в быту. Но четкое окончательное понимание от нас, увы, ускользает, настолько микромир чужд нашим обывательским представлениям. Вы смотрите на формулы и вам кажется, что до вас дошло, наконец, как это все работает и устроено, но стоит отвести взгляд, и вас снова ужасает непознаваемость жизни, вселенной и вообще. Такие дела. Во всяком случае Фейнман честно предупредил, что если вы не понимаете квантовую физику, то это нормально. Никто не понимает.

В следующей лекции мы расскажем еще кое-что о ткани мироздания. О, вы будете удивлены, ведь речь пойдет о вакууме. Трепещите, горе-философы: ничто — тоже вид материи. До встречи на наших безумных уроках!

Глава 8 Материя. Вакуум

Только Бог может заполнить вакуум

в сердце каждого человека.

(Паскаль кое-что подозревал)

Сегодня мы снова спешим нарушить сон среднестатистического гуманитария, который если и задумывается об окружающем мире, то только когда видит звездное небо, выйдя на балкон вечерком покурить. Те, кто следил за нашими темами, наивно полагал, что с ликбезом о материи мы закончили. А вот и нет. Мы еще не рассказали про последний вид материи, который известен науке — о вакууме. Да-да, ничто, вакуум — это материя, которая утрет нос двум другим видам своей загадочностью.

Технически, вакуум — это сильно разреженный газ, в котором вероятность поймать молекулу или атом газа довольно мала. Теоретически же вакуум — это пространство свободное от вещества. То есть свободное не только от вещественной материи, типа звезд, планет, человеков, молекул, атомов, протонов и электронов, а также и от «энергетической» формы материи, вроде электромагнитных и гравитационных полей, без фотонов, глюонов и прочих бозонов. Если подойти к вакууму со стороны теории относительности, то это среда, движение относительно которой невозможно обнаружить.

Великое Ничто — сферический конь философов, космогоническая опора верующих, универсальный аргумент завершения любого спора. Но тут вот какое дело, товарищи: ученые еще рассматривают такое явление как физический вакуум, и с ним рушатся все мечтания и надежды рассуждателей о любых формах Абсолюта.

Так то, полученное нами образование подсказывает, что даже в космосе вакуум почти везде «загрязнен» какой-нибудь материей, будь то реликтовое излучение, или гравитационное поле, или поле Хиггса, или темная материя, будь она не ладна.

Где же искать натуральную пустоту? Но вот, например, в атоме между электроном и ядром много пустого места. Если мы представим, что у ядра атома диаметр вырос до миллиметра, то ближайший к ядру электрон будет плавать в соответствующих пропорциях на расстоянии пары сотен метров. Хотя между протоном в ядре и электроном происходит постоянный обмен электромагнитным полем, а вернее, как мы знаем, виртуальными фотончиками, так что там тоже не совсем пустота.

Или вот взять пустое место между кварками внутри протона. В этом случае разного рода излучениями можно пренебречь, так как длина волны этих излучений больше субатомных расстояний, и мы получим пример чистого натурального физического вакуума. Пустота как она есть.

Беда в другом. Квантовые физики стали задавать такому вакуумы неудобные вопросы. Попробуем эти вопросы изложить популярно.

Представим себе кусочек пространства, в котором наблюдается немножечко электромагнитного поля. Ну, для наглядности, скажем, у нас в этом поле три фотончика. Если мы изымем один фотон, то любой квантовый физик скажет, что мы только что уменьшили энергию поля на один квант, переведя его в более низкое энергетическое состояние. Это обычное дело, например, в атоме, когда электрон теряет фотон и «падает» на уровень ниже.

Потом мы заберем еще один фотон, снова понизив энергетическое состояние поля. А потом отнимем и последний — третий фотон. По законам математики не осталось ничего. Ноль. А вот по законам квантовой физики выходит, что поле никуда не делось, оно осталось полем, но в состоянии с наименьшей возможной энергией.

Физики ответственно заявляют, глядя на вакуум, что это не пустота, а материя с наименьшей энергией. Кажется чушью. Но это пока. Дальше еще хуже. Квантовые законы ставят нам еще одно непреодолимое условие: мы не можем знать точно одновременно два параметра частицы (принцип неопределенности Гейзенберга). Как это — не спрашивайте — в следующих лекциях мы обсудим законы квантового мира поподробнее.

А пока зацените проблему: получается, что при наличии поля с наименьшей напряженностью можно смело заявить, что мы знаем одновременно два параметра с абсолютной точностью. А именно в данном поле нам известно число фотонов в количестве НОЛЬ и значение напряженности поля в размере НОЛЬ. Всё: квантовая физика, похоже, идет лесом — где-то ликуют Планк с Эйнштейном, известные противники квантмеха. Это очень абсурдные для обычного мира рассуждения на самом деле нормальные для мира квантового. Там у них своя атмосфера.

Ученые призадумались. И вбросили такую идею, которая навсегда разделила человечество на тех, кто понимает квантовую физику и на тех, кто в нее не верит (что мы сейчас пытаемся исправить). Они заявили, что принцип неопределенности в вакууме сохраняется, благодаря тому, что на самом микроскопическом уровне за самые минимальные промежутки времени вакуум представляет собой не пустоту, а самое настоящее поле с частицами и энергией.

Эти частицы тоже назвали виртуальными, потому что их не поймать без хитрых приборов, а приборы уничтожают магию, превращая призрачные частицы в обычные и реальные. Получается, что в вакууме постоянно рождается и тут же аннигилирует множество пар частиц и античастиц, например, электроны и позитроны, нейтрино и антинейтрино и т. д. с разными произвольными энергиями. Этот кипяток называют квантовой или пространственно-временной пеной с квантовыми флуктуациями (отклонениями, колебаниями, по-нашему).

Таким образом, каждый миг в вакууме выделяется и поглощается неустановленная, взятая ниоткуда, энергия, но в среднем, по закону сохранения, энергия вакуума равна НУЛЮ. Незыблемые законы сохранения не нарушаются.

Странная идея имела далеко идущие последствия. Например, разумно предположить, что вакуум чисто теоретически содержит в себе такие залежи энергии, которые не снились даже самым массивным объектам во Вселенной. Впрочем, при помощи прямых рук и большого адронного коллайдера мы вполне способны разделить вакуум на материю и антиматерию, но затраты энергии при этом будут несопоставимы с полученным результатом. Халявы не ждите, короче.

Но если вместо вакуума у нас квантовая пена, значит, не существует и пустоты между частицами? Все верно. Хотя считается, что протон состоит из трех стабильных кварков, несущих заряд, на самом деле протон — это вот такое летающее море кварков и глюонов, которые рождаются, аннигилируют, чем-то там занимаются — жизнь кипит, как говорится. И вот что получается: когда мы сталкиваем на коллайдере два протона, так сказать, лоб в лоб, то энергия столкновения «вливается» в виртуальные частицы, она способна материализовать, выдрать из пены новые частицы, траектории которых физики радостно наблюдают на экранах. Вот почему мы говорим, что протоны не состоят из тех частиц, на которые они разваливаются при столкновении — чем больше мы накачиваем энергии в вакуум, тем больше он нам показывает интересного.

Представление о вакууме подхватили астрофизики и прочие, кто занимается проблемами рождения и формирования Вселенной.

Во-первых, получается, что если из «ничто» можно выжать вещество, то тогда не очень-то и нужна начальная материя/энергия для производства Вселенной. Почему бы не предположить, что вселенная родилась в результате маловероятной, но возможной, квантовой осцилляции в пустоте? И что если рождение вселенных из ничто — обычное дело? Продолжаем наблюдать.

Во-вторых, гипотеза успешно объясняет некоторые подозрительные моменты в космологии. Например, теория об энергии вакуума предлагает по-новому взглянуть на космологическую постоянную, которая отвечает за расширение Вселенной.

В-третьих, известный физик Стивен Хокинг умудрился с помощью вакуумных флуктуаций придумать, как могли бы испаряться черные дыры: вакуум в силу ряда причин, связанных с гравитацией и квантовыми осцилляциями, разрывается на частицы и античастицы. Первые улетают в космос, а вторые — падают в черную дыру, уменьшая ее массу. А вы, небось, думали, чего все так восхищаются Хокингом? Как раз за такие интересные догадки.

Хорошо, скажете вы скептически, допустим, шутка удалась. Но это же всё не подтвержденные экспериментами идейки сумасшедших ученых, посмотрим правде в глаза — ничего из этого вы не наблюдали напрямую. Действительно, квантовые флуктуации настолько малы и быстротечны, что мы никогда не сможем их зарегистрировать в силу квантовых запретов и закона сохранения энергии. А до черных дыр мы когда еще долетим живыми и здоровыми.

И все же кое-какие подтверждения есть. Например, эффект Казимира. Невероятно странный эффект в нашем макромире, который ученые предсказали в 1948 году и экспериментально обнаружили некоторое время спустя, оказывается реально существующим, и ноги у него растут из самых глубин материи.

Аналог этого эффекта наблюдали еще моряки в незапамятные времена, когда ставили свои корабли близко друг от друга. Если в это время море было неспокойно, то корабли начинали сближаться, и это создавало реальную проблему столкновения бортами. Такую, что матросам было предписано всей командой расталкивать корабли шестами.

Корабли сближались потому, что давление бушующих морских волн на внешние борты кораблей оказывалось сильнее, чем на внутренние — ведь между кораблями море спокойнее.

Кстати, если уж приводить больше примеров, то мусор в море по этой же причине стягивается в острова.

И то же самое произойдет, если в вакууме мы поставим рядом (на расстоянии, измеряемом в микронах) две поверхности, например, две металлические нанопластинки. И что вы думаете? — пластинки начнут притягиваться.

Притяжение произойдет потому, что давление виртуальных частиц между пластинами (где количество целых волн ограничено в связи с ограниченным расстоянием), меньше чем давление этих частиц снаружи (где волн любых длин и энергий сколько угодно).

Вот это поворот! Так жеж кроме эффекта Казимира есть еще и так называемый лэмбовский сдвиг атомных уровней, который тоже объясняется тем, что на электрон влияют нулевые колебания электромагнитного поля (пропустим объяснение, а то закипят мозги даже у самых стойких). То есть они (виртуальные частицы вакуума) существуют!

Должны заметить, что дела еще хуже, чем мы рассказываем. На планковских расстояниях — тех, которые мы не можем замерить линейкой — перестает работать общая теория относительности: попробуй учти в микромире влияние всего и каждого. На самом глубоком уровне материи, внутри, так сказать, вакуума «кипят» не только виртуальные частицы, но и само пространство начинает рваться на лоскуты, оно имеет искажения и разрывы, а также допускает наличие еще нескольких измерений, окромя наших четырех. А при концентрации масс и энергий на субпланковских расстояниях вообще получается черная минидыра, которой боится любой уважающий себя алармист.

Есть гипотезы, что эти разрывы в вакууме являются окошками в параллельные пространства или просто «кротовые норы» в соседние галактики. Осталось всего-то ничего: запилить устройство для использования этих разрывов в практических целях — как бы обрадовались контрабандисты и загрустили бы таможенники.

В общем вся эта история с вакуумом заставляет физиков медленно сходить с ума и сочинять безумные теории с большим количеством математики (привет от суперструн). Воистину, Природа не терпит пустоты!

Между прочим, если начать ковырять вакуум с помощью математики, то после пары тройки бессонных лет можно прийти к выводам, что кое-какие параметры вакуума вариабельны, а значит сам вакуум может быть принципиально другим. Таким, в котором наше вещество перестало бы быть веществом, и уж тем более никаких звезд, планет и человеков образоваться не смогло. И на сегодняшний день нет никаких причин, которые бы прочно удерживали вакуум в текущих параметрах. Один квантовый скачок, незапланированное колебание — значения вакуума меняются, и вселенная превращается, например, в унылую кучку низкочастотных фотонов, чуть теплее абсолютного нуля. Вот до чего может довести математика. Осторожнее с ней!

Увы, но вакуум своей загадочностью поражает неокрепшие умы, и каждый второй уважающий себя фрик после опровержения теории относительности обязательно создает собственную теорию вакуума. Если вы наберете в поисковике словосочетание «теория вакуума», то адекватной информации о вакууме вы так просто не найдете. Шиповы, Гаряевы (R.I.P.), Чурляевы и прочие кудесники обязательно расскажут вам, что коллайдер — распил бабла, бозон Хиггса — искушение от лукавого, а физический вакуум — это эфир, который вштыривает только избранных! Например, один «гукуум» Чурляева чего стоит — а человек просто не знаком с основами физики и не желает о них слышать. Надеемся, что наши читатели, имевшие в школе по естественным наукам хотя бы троечку, встанут на защиту адекватного поиска истины. Шарлатаны не пройдут, пока есть мы — гуманитарии, которые что-то слышали с той волшебной стороны, где рулят математика и физика, а бытовая логика терпит фиаско.

До новых встреч!

Глава 9 Ускорители и коллайдеры

У физиков есть традиция — раз

в 50 миллиардов лет они собираются

и строят адронный коллайдер…

Мы считаем, что пару слов надо бы уделить ихним коллайдерам. Современный гуманитарий должен знать, что коллайдер (а также ускоритель и детектор) это не машины судного дня, не средства для вызова демонов из преисподней и даже не средство связи с рептилоидами, а всего лишь — дорогущие игрушки, в которых ученые гоняют свои частицы и иногда сталкивают. Как бы ни был далек обыватель от этих игрищ, как бы он не осуждал гранты, выдаваемые на постройку новых ускорителей, вместо финансирования родного сердцу оборонного бюджета, но ему (обывателю) следует запомнить: тот же Большой Адронный Коллайдер — шедевр прямых рук человеков этой планеты. Памятник прогрессу и символ любознательности нашей цивилизации! В общем, немного расскажем про вот это вот всё.

Первые коллайдеры, если на то пошло, использовались еще в 19 веке. Самый известный из них — в опыте Резерфорда, когда тот за каким-то лешим стрелял альфа-частицами по золотой фольге. Додумаются же с безделья. То, что альфа-частицы — это ядра гелия Резерфорд еще не знал — их испускал радиоактивный источник, а студенты, которым был очень нужен зачет, записывали результаты и восхищались, какой, мол, Резерфорд умный и гениальный. В ходе этого эксперимента частицы пролетали сквозь фольгу и врезались в экран покрытый сульфидом цинка, порождая малюсенькую вспышку света. И так бы они и смотрели свое кино, если бы пытливые умы не догадались поставить дополнительный экран вокруг фольги. Тут то они и заметили вспышки, как бы намекающие на то, что альфа частицы не только пролетают через фольгу, но еще и отскакивают. Траектория и статистика отскоков привела ученых к догадке, что внутри атома есть что-то твердое. Так родилось новое научное развлечение в физике — разгадывать происходящее по следам (трекам) частиц.

Впрочем, ничего нового тут не было. Наш глаз улавливает следы столкновения фотонов с окружающими вещами, а мозг делает вывод о форме, размерах, цвете этих самых окружающих вещей. Мы сами себе детектор и коллайдер, если подумать.

Но что делать, если хочется обстрелять что-то поменьше атомного ядра. Что если хочется разглядеть нечто, имеющее размеры меньше длины световой волны, попасть в цель, которую световая волна просто «огибает»? Там на межкварковых расстояниях прячутся такие секреты мироздания, от которых начинает сильнее биться сердце и болеть живот.

А тут еще и Эйнштейн со своей формулой, которая обещает, что энергия и масса это одно и то же. То есть, если вкачать в точку пространства побольше энергии, то можно из этой энергии создать вещество с массой и при некоторой сноровке назвать полученное смешным названием. Не вопрос! Только дорого. Поэтому ученые начали обрабатывать власть имущих на предмет «дайте денег». В 50-х годах прошлого века они все объединились в организацию под названием ЦЕРН (Европейский совет по ядерным исследованиям), чтобы было удобнее вымогать деньги на так называемые эксперименты.

Лучший способ создать благоприятные условия для исследования микромира — это разогнать известные и доступные частицы до больших скоростей (то есть придать им побольше энергии), столкнуть счем-нибудь таким же крепким, а затем внимательно изучить место столкновения — там должны остаться очень интересные следы. Если кто-то из наших читателей застал прошлое столетие, то он может припомнить такую штуковину, как электронно-лучевая трубка: в ней электронная пушка выпускала электроны, а специальные магниты направляли их на экран, где от врезавшегося электрона появлялся след. Миллионы выпущенных электронов складывались в картинку, и люди смотрели любимые сериалы и рекламу через устройство, известное в археологии как кинескоп телевизора.

До перехода к рассказу о коллайдерах стоит упомянуть еще один классный тип устройств — пузырьковые камеры. Если взять ёмкость с жидкостью, которую специальным образом нагрели выше температуры кипения (это чудо называют перегретой жидкостью), то некоторые пролетающие через ёмкость частицы будут оставлять за собой след из пузырьков. Мы как-то видели пузырьковую камеру Вильсона, где вместо жидкости используется, перегретый пар, в одном научном музее и восхищено стояли возле нее, пока не пришел сторож и не прогнал нас. В общем, рекомендуем (камеру Вильсона, а не сторожа, конечно же) — на это стоит посмотреть.

Итак, люди начали стрелять частицами по мишеням или сталкивать их друг с другом. Названия устройств для столкновения были специально страшными, чтобы обыватели держались от всего этого подальше: синхрофазотрон, синхротрон, тэватрон, беватрон, и так далее.

Вообще ускорители частиц бывают двух типов: линейные и кольцевые. На первых частицы разгоняют на прямой траектории, а на циклических, ясное дело, запускают по кругу. И те, и другие имеют свои недостатки и преимущества, поэтому используются для разных нужд.

А в 80-х годах в Европе задумали построить Большой Электронно-Позитронный Коллайдер (сокращенно LEP). В нем энтузиасты сталкивали электроны с позитронами, то есть частицу и античастицу. Столкновение приводило к интереснейшим последствиям. Если вы читали предыдущие лекции, то вам приятно будет узнать, что именно на LEP изучали W и Z — бозоны, а также подтвердили единство электромагнитного и слабого взаимодействия (электрослабое взаимодействие).

Однако работа с антивеществом — довольно энергозатратная штука и по сей день. На одном ускорителе сталкивали протоны с антипротонами, и, поверьте, хранение антипротонов было той еще головной болью для инженеров. Антивещество только и мечтает, чтобы аннигилировать в пучок фотонов и, привет семье, как говорится.

Кроме того, ученые наигрались в имевшихся коллайдерах и сказали, мол, им нужны игрушки побольше. На существующих энергиях столкновения они, видите ли, все уже посмотрели. И теперь желают ловить рыбу покрупнее. Вот, например, бозон Хиггса или гравитон — их можно попытаться получить, если хорошенько разогнать тяжелые частицы, потратив за секунду электроэнергии, которой бы хватило на сезонное освещение небольшого альпийского городка (ЦЕРН не производит электроэнергию!).

Европейские правительства чего-то сомневались в необходимости финансирования строительства нового коллайдера, но тут американцы, в то время доминирующие в ядерной физике, решили тоже строить у себя в Техасе свой супер коллайдер с кольцами и лаборантками. Его назвали SSC — сверхпроводящий суперколлайдер (одобрен в 1987-ом), и на нем собирались наоткрывать всякого на пару столетий вперед. В том числе и темную материю. Поэтому разум европейских властелинов дрогнул, и началась совместная стройка Большого Адронного Коллайдера, который, полагаем, сегодня известен каждому.

Что интересно, американцы не сдюжили. В середине 90-х проект закрыли, мол, деньги нужны в другом месте. И американцы в кои-то веки потеряли первенство в передовых фундаментальных исследованиях. О чем до сих пор жалеют.

А к строительству БАКа начали подтягиваться другие страны, в том числе Япония, Канада и Россия. По нашим сведениям многие детали и запчасти ускорителя создавали в Новосибирске — здорово же? В конце концов американцы тоже вложились в проект. И коллайдер, как мы сказали в самом начале, стал одним из самых крутых символов сотрудничества народов во имя науки. А мы вот, например, холодильник в офисе поделить не можем…

Для Большой Адронного Коллайдера решили использовать туннели LEP, они идут под землей на глубине около 100 метров с перепадами.

Старый коллайдер разобрали (около 2000-го года) и стали собирать новый. Впрочем, проблем это не убавило. Если пересказывать все трудности, с которыми столкнулись строители и инженеры, получился бы неплохой фильм-катастрофа для любого прораба, инженера или бухгалтера.

Например, когда копали яму для детектора CMS, обнаружили остатки римского дворца 4 века нашей эры. Пришлось отбиваться и, возможно, откупаться от археологов. Или как-то обнаружилось, что подземные воды поднимают почву — а ведь любые даже незаметные движения и колебания в туннелях в будущем гарантированно испортят тонко настроенную аппаратуру. А еще спонсорами постоянно предпринимались попытки сократить финансирование, по ходу строительства в разы увеличивались расходы, казалось бы проверенные поставщики оборудования всучивали брак. Мы не представляем, как начальник всего этого, некий Линдон Эванс, смог пережить строительство практически здоровым. Вот они — герои нашего времени!

В Большом Адронном Коллайдере на огромных скоростях сталкивают пучки протонов. Сами протоны получают относительно просто: нагревают атомы водорода, они теряют электроны, в результате чего остаются ядра-протоны — это как арахис пожарить на сковородке. Накопив побольше таких жареных ядер, их засылают в коллайдер в количестве около трех тысяч пучков. В одном пучке собрано примерно сто миллиардов протонов. Вы же не думали, что они там реально сталкивают два протона? — такой точности столкновения невозможно добиться совсем не по техническим причинам, а вследствие некоторых неприятных законов природы.

И вот эти стомиллиардные пучки протонов с интервалом в десять метров начинают гонять по кругу, чтобы придать им еще больше скорости, импульса, энергии. Длина окружности равна 27 километров, и пучки делают полный круг 11000 раз в секунду. Ну, круто же?

Пучкам придают скорость специальные акселераторы, расположенные по окружности. А вылететь за пределы круга протонам не позволяют специальные магниты, создающие сильное магнитное поле (в миллион раз больше магнитного поля Земли, между прочим), корректирующее движение пучков.

Чтобы магниты работали как надо и не переохлаждались, температура в коллайдере удерживается на отметке 1.9 К. Заметьте, что это ниже температуры Вселенной, — в коллайдере холоднее, чем в космосе. Холод создается специальной оболочкой из жидкого гелия в состоянии сверхтекучести (сто тонн на один магнит). Стоимость одного такого магнита около 700 000 евро, а всего их 1232 штуки. Попробуйте представить, как эти магниты доставляли к месту эксплуатации, а затем опускали в тоннели — ювелиры нервно курят в сторонке. А кто-то все еще восхищается строительством египетских пирамид, уверяя, что ничего более точного и эпичного на планете не создано.

(На картинке ниже изображен принцип разгона частиц на линейном ускорителе).

Итак, рано или поздно пучки протонов (длиной 10 см и шириной 1 мм) натравливают друг на друга внутри так называемых детекторов, начинка которых предназначена для регистрации разного рода событий. Сами понимаете, что вероятность столкновения двух сотен миллиардов протонов — не нулевая. Встречи происходят на мельчайших расстояниях: порядка одной десятой от одной тысячной от одной триллионной доли миллиметра (10–19 м). И кое-где при встрече случается ДТП, оставляющее после себя важные и интересные следы, моментально улавливаемые этими самыми детекторами. Они тут же анализируются компьютерами, без которых вряд ли можно было бы осилить такую статистику: в среднем за секунду происходит реально около миллиарда событий, и среди них ученым нужно найти своё — заветное.

Ввод коллайдера в эксплуатацию ознаменовался эпичной драмой. Сначала все было хорошо — в сентябре 2008 года пучки протонов покатались по кольцам. Но 19 сентября случилось то, что никогда не было, и вот опять. Халтурная пайка медной оболочки в магните, плохой контакт, искра в контейнере с жидким гелием, мгновенно превратившийся в пар, взрыв, сдвиг оборудования, потеря вакуума, сажа в трубках, повреждение приборов.

Ремонт занял год времени. Ох уж эти ученые — не опустили руки, хотя уверены, что с горя было выпито немало алкоголя.

В ноябре 2009 года протоны снова полетели по кольцам. Теперь успешно. 23 ноября совершилось первое столкновение частиц на Большом Адронном Коллайдере.

А через два с половиной года, в июле 2012 года все страдания и затраты человечества по постройке коллайдера окупились: ученые объявили, что они, кажется, нашли бозон Хиггса. Конечно, человечество, занятое своими дрязгами и взаимными претензиями, почти не заметило событие, и большинство прочитавших новость в очередной раз презрительно высказалось о попиленных грантах и шарлатанах из ЦЕРНа. Но по факту мы шагнули на еще одну ступеньку на пути к пониманию мироздания. Как же здорово это было!

Что ж, в заключении осталось объяснить впечатлительным читателям, почему коллайдер это друг, а не враг. Многие алармисты, включая и наших соотечественников, с момента запуска коллайдера уверены, что на БАКе в результате экспериментов обязательно появится черная дыра и затянет в себя нашу планету, солнечную систему и галактику. Эти интересные люди не только снимали фильмы и публиковали панические статьи, но даже подавали в суд на ЦЕРН.

Что ж, спустя более чем десять лет, мы так и не дождались пожирающей всех черной дыры — это ли не лучший аргумент против паникеров?

Тем не менее, строго говоря, вероятность получения малюсенькой черной дыры в результате столкновения частиц вполне существует. Правда, для этого нужно, чтобы некоторые допущения в физике оказались реальностью, а не гипотезами. К тому же такие дыры если и появятся, то так же быстро исчезнут, испарятся, аннигилируют или как там это у ученых называется. Но самым убедительным доводом против конца света является замечание усталых исследователей о том, что вообще-то то, что мы делаем в коллайдерах, постоянно происходит в верхних слоях атмосферы Земли, где жесткое космическое излучение врезается в вещество. Энергии там сопоставимые с безобразиями на коллайдерах. И — ничего. Никаких дыр, только помехи для связистов и головная боль у метеозависимых. А что говорить о подобных процессах в атмосфере гигантских звезд? И к слову, какие бы аргументы мы не приводили за и против черных дыр, но за все время экспериментов исследователи так и не получили ни одного хоть немного подозрительного свидетельства черной дыры. Фейл, короче.

Так что, спим спокойно. Пока. Ученые тем временем мечтают о еще более крутом ускорителе. Сроки уже озвучены: к 2040-ым годам, и даже имеется рабочее название: Будущий циклический коллайдер (Future Circular Collider). Мы уверены, что они получат свою игрушку. Запасаемся попкорном!

Глава 10 Корпускулярно-волновой дуализм

Один физик по имени Роберт Милликен

так невзлюбил объяснение фотоэффекта

Эйнштейна, что решил экспериментально

его опровергнуть. Десять лет опытов,

и в итоге он доказал, что Эйнштейн был прав.

И — ирония.

Наконец-то настал тот самый момент, когда мы переходим к материалу, от которого станет совсем ничего не понятно. А значит можно втирать читателю всякую дичь. Именно так выглядят все популярные книги по квантовой механике. Даже тот знаменитый мем про то, как нарисовать сову, отдыхает по сравнению с опусами «просто о квантмехе». Как это бывает: сначала авторы обещают, что понятно будет даже пятикласснику, а на следующей странице публикуют уравнение Шредингера без комментариев. Дорогие читатели, обещаем, что мы не нарушим традицию — будет круто и непонятно. Но с шутками, прибаутками и депрессивной гуманитарной иронией.

Начнем мы срыв покрывал издалека. Вернемся, так сказать, к свету. В предыдущих лекциях мы выяснили, что свет — это электромагнитное поле, квант которого называют фотоном. Вспомним, как человечество докатилось до такого заумного понимания этого очевидного явления. Как свет нашего Отца-Солнца («Мать-Род-Макошь») вдруг стал набором интегралов с названиями чужеземных ученых?

Все началось как всегда с Ньютона. Тот, как известно, не только ловил головой падающие яблоки, но и любил проводить опыты со светом. Солнечным, разумеется, а не электрическим. Он раздобыл кучу всяких призм, линз, стеклышек и пропускал через них лучи, приходя к интересным результатам. Ньютон обнаружил, что белый свет состоит из семи цветов, что разные цвета преломляются по-разному, и даже догадался, что луч сам по себе не окрашен, а это наши глаза воспринимают цвета по каким-то неизвестным причинам. Умный дядька, что тут скажешь, хотя искал в Библии секретный код алхимии.

Но, самое главное для нашего рассказа, дядюшка Исаак, сделал вывод о том, что свет — это летящие через пространство частицы. Сразу стало понятно, почему лучи прямые, почему они отражаются от зеркал, почему появляется тень и так далее.

Тогда же, в середине 17 века жил еще один мечтатель по имени Гюйгенс. Он решил покритиковать идеи Ньютона и заявил, что есть основания полагать, что свет на самом деле волна. Ну как бы, если свет представляет собой поток частиц, то тогда с какого перепугу, лучи разных цветов преломляются в призмах под разными углами? А что если тут торчат уши волновых эффектов? Ну и так далее. Увы, Ньютон был авторитетнее. К тому же Гюйгенс рассказывал всем, что на других планетах может быть жизнь. Над ним посмеивались и крутили пальцем у виска. Вопрос о волновой природе света завис, а свет двести лет считали потоком каких-то неведомых частиц, природу которых однажды надеялись открыть.

В начале 19 века один востоковед (ха-ха! гуманитарий!) по имени Томас Юнг баловался с оптическими приборами — в итоге он взял и провел эксперимент, который сейчас называют опытом Юнга, и каждый физик считает этот опыт священным.

Томас Юнг всего лишь проткнул две дырки в картоне и направил луч света на этот картон, а позади поставил еще одну пластину-экран. Если бы свет был потоком частиц, то мы бы увидели на заднем фоне две светлые полосы.

Но, к несчастью всего научного мира, на экране-пластине появилась череда темных и светлых полос. Это повсеместное явление называется интерференцией — наложение двух (и более волн) друг на друга: там, где гребни волн совпадают, амплитуда, то есть высота гребня волны, увеличивается. Кстати, именно благодаря интерференции мы наблюдаем радужные переливы на пятне масла или на мыльном пузыре.

Иначе говоря, Томас Юнг экспериментально доказал, что свет — это волны. Ученый мир долго не хотел верить Юнгу, и одно время того так закритиковали, что он даже отказался от своих идей волновой теории — да, наука не для слабаков. Но потихоньку научный мир приходил к тем же самым выводам, и в итоге ученые стали считать свет волной. Правда, волной чего именно? — странный вопрос, ответ на который лучше бы никто никогда не узнавал.

Надо сказать, волновая природа света не сильно повлияла на классическую физику. Ученые поохали, поудивлялись, переписали формулы и стали полагать, что скоро весь мир падет к их ногам под единой универсальной формулой всего.

Но вы уже догадались, что, как всегда, всё испортил Эйнштейн.

Беда подкралась с другой стороны — сначала ученые заморочились расчетом энергии тепловых волн и открыли кванты (об этом мы уже рассказывали в лекции «Что такое кванты»). А затем с помощью этих самых квантов Эйнштейн нанес удар по классической физике, объяснив явление фотоэффекта.

Напомним: фотоэффект (одним из следствий которого является получение фотографий на пленке) это выбивание светом электронов с поверхности некоторых материалов. Технически выбивание происходит так, словно свет это частица. Частичку света Эйнштейн назвал квантом света, а позже ей присвоили имя — фотон.

В 1920 году к антиволновой теории света добавился удивительный эффект Комптона: когда электрон зачем-то обстреливают фотонами, то фотон отскакивает от электрона с потерей энергии («стреляем» синим цветом, а отлетает уже красный), как биллиардный шар от другого. Комптон за это отхватил нобелевскую премию.

На этот раз физики поостереглись снова отказываться от волновой природы света — сколько можно менять мнение, а вместо этого крепко задумались. Наука встала перед ужасающей дилеммой: так все-таки свет — это волна или частица?

У света, как и у любой волны, есть частота — и это легко проверить. Мы видим разные цвета, потому что каждый цвет — просто разные частоты электромагнитной (световой) волны: красный — маленькая частота, фиолетовый — большая частота.

Но удивительно: длина волны видимого света в пять тысяч раз больше размера атома — как такая «штука» влезает в атом, когда атом поглощает эту волну? Хотя, если фотон — это частица, сопоставимая по размерам с атомом, то вопросов нет. И что получается: фотон одновременно и большой и маленький?

Фотоэффект и эффект Комптона однозначно доказывают, что свет — все-таки поток частиц: нельзя объяснить каким образом волна передает энергию локализованным в пространстве электронам. Если бы свет был волной, то некоторые электроны были бы выбиты позднее, чем другие, и явление фотоэффекта мы бы не наблюдали. Но в случае потока отдельно взятый фотон сталкивается с отдельно взятым электроном и при некоторых условиях выбивает его из атома.

В итоге было решено: свет — это одновременно и волна, и частица. Вернее, и ни то и ни другое, а новая неизвестная ранее форма существования материи. Все наблюдаемые нами явления это всего лишь проекции или тени от реального положения дел, в зависимости от того как смотреть на происходящее. Когда мы смотрим на тень от цилиндра, освещенного с одной стороны, то видим круг, а при освещении с другой стороны — прямоугольную фигуру. Так и с корпускулярно-волновым представлением света.

Но и тут все непросто. Нельзя говорить, что мы считаем свет либо волной, либо потоком частиц. Посмотрите в окно. Внезапно даже в чисто вымытом стекле мы видим свое, пусть нечеткое, но отражение. В чем подвох? Если свет — это волна, то объяснить отражение в окне просто — подобные эффекты мы видим на воде, когда волна отражается от препятствия. Но если свет — это поток частиц, то объяснить отражение так просто не получится. Все фотоны одинаковы, и поэтому преграда в виде оконного стекла должна одинаково на них воздействовать. Либо все они проходят сквозь стекло, либо все отражаются. В суровой реальности нашего мира часть фотонов пролетает через стекло, и мы видим соседний дом, но тут же наблюдаем свое отражение.

Единственное объяснение, которое приходит в голову: фотоны сами себе на уме. Нельзя со стопроцентной вероятностью предсказать, как поведет себя конкретный фотон — столкнется со стеклом как частица или как волна. Это основа квантовой физики — совершенно, абсолютно случайное поведение материи на микроуровне без какой-либо причины (а в своем мире больших величин мы по опыту знаем, что все имеет причину).

Похоже, что там, на фундаментальных уровнях мироздания, вселенной управляет идеальный генератор случайных чисел в отличие, скажем, от монетки, результат подбрасывания которой теоретически можно предсказать.

Гениальный Эйнштейн, открывший фотон, до конца жизни был уверен, что квантовая физика ошибается, и уверял всех, что «Бог не играет в кости», мол, должны быть причинно-следственные связи для выбора частицей своего состояния. Но современная наука все ответственнее подтверждает: таки играет. Хотя, конечно, можно пофилософствовать и предположить, что некий сверхразум наблюдает за каждым фотоном и решает, как ему сталкиваться со стеклом. Проверить эту гипотезу мы не можем, но есть одно косвенное доказательство, портящее идеалистическую картину. Дело в том, что в квантовых опытах фотон выбирает свою траекторию с вероятностью 50 %. Всегда. А это, как минимум, означает, что сверхразум не заинтересован в предопределенности событий и не склоняется ни в чью пользу. И тогда он опять неотличим от генератора случайных чисел.

Так или иначе, но как-то раз ученые собрались поставить жирную точку в споре «волна или частица» и решили воспроизвести опыт Юнга с учетом технологий XX века. К этому времени они научились пулять фотонами по одному (квантовые генераторы, известные среди населения под именем «лазеры»), и посему было задумано проверить, что будет на экране в случае, если выстрелить по двум щелям одной частицей: вот и станет понятно, наконец, чем же является материя при контролируемых условиях эксперимента.

Об этом эксперименте мы подробно расскажем в следующей главе, обещаем, что вы почти все поймете, а пока лишь скажем, что в результате опыта выяснилась ужасная вещь: одиночный фотон летит сразу через две щели и интерферирует сам с собой.

С точки зрения волны это логично: волна проходит через щели, и теперь две новые волны расходятся концентрическими кругами, накладываясь друг на друга.

Но с корпускулярной точки зрения получается, что фотон находится в двух местах одновременно, когда проходит через щели, а после прохождения смешивается сам с собой. Это вообще нормально, а?

Оказалось, что нормально. И вообще с точки зрения квантовой физики выпущенный фотон между стартом и финишем находится одновременно «везде и сразу». Такое нахождение частицы «сразу везде» физики называют суперпозицией — страшное слово, которое раньше было математическим баловством, а теперь стало физической реальностью.

Некий Э. Шредингер, известный противник квантовой физики, к этому времени нарыл где-то формулу, которая описывала волновые свойства материи. И немного над ней поколдовав, к своему же ужасу вывел так называемую волновую функцию. Эта функция показывала вероятность нахождения фотона в определенном месте. Заметьте, именно вероятность, а не точное местонахождение. И эта вероятность зависела от квадрата высоты гребня квантовой волны в заданном месте (если кому-то интересны детали).

Дела с дуализмом обстояли все интереснее и интереснее.

В 1924 году аристократ Луи де Бройль взял и заявил, что корпускулярно-волновые свойства света — это верхушка айсберга. А таким непонятным свойством обладают все элементарные частицы.

То есть частицей и волной одновременно являются не только кусочки электромагнитного поля (фотоны), но и вещественные частицы типа электронов, протонов и т. п. Вся материя вокруг нас на микроскопическом уровне является волнами (и частицами одновременно).

И спустя пару лет это даже подтвердили экспериментально — американцы гоняли электроны в электронно-лучевых трубках (которые известны нынешним старперам под названием «кинескоп») — так вот наблюдения, связанные с отражением электронов, подтвердили, что электрон — это тоже волна. Для простоты понимания можно сказать, что на пути электрона поставили пластинку с двумя щелями и лицезрели интерференцию электрона как она есть.

К настоящему времени в опытах обнаружено, что и атомы имеют волновые свойства, и даже некоторые специальные виды молекул (так называемые «фуллерены») совершают каминг-аут, проявляя волновые свойства.

Пытливый ум читателя, который еще не ошалел от нашего повествования, спросит: если материя — это волна, то почему, например, летящий мячик не размазан в пространстве в виде волны? Почему реактивный самолет никак не походит на волну, а очень похож на реактивный самолет?

Де Бройль, чертяка, и тут все объяснил: таки-да, летящий мячик или «боинг» это тоже волна, но есть специальная формула, в которой длина волны тела обратно пропорциональна его импульсу.

То чем больше импульс тела, тем меньше его длина волны.

А что такое импульс? Из школьной физики мы смутно припоминаем, что импульс — масса, умноженная на скорость. Тогда длина волны зависит от массы и скорости объекта.

Длина волны мяча, летящего со скоростью 150 км/час, будет приблизительна равна 0,0000000000000000000000000000000001 метра. Все дело в том, что мы не в состоянии заметить, как мячик размазан по пространству в качестве волны. Для нас это твердая материя.

А тот же электрон — весьма легкая частица, и, летящий со скоростью 6000 км/сек, он будет иметь заметную длину волны в 0,0000000001 метра.

Кстати, сразу ответим на вопрос, почему ядро атома не настолько «волновое». Хоть оно и находится в центре атома, вокруг которого, ошалев, летает и в то же время размазывается по орбитали электрон, ядро имеет приличный импульс, связанный с массой протонов и нейтронов, а также высокочастотным колебанием (скорость) из-за происходящего внутри ядра обмена частицами сильного взаимодействия (читайте лекцию про материю) — то есть внутри ядра постоянная движуха и суета. Поэтому ядро больше походит на привычную нам твердую материю. Электрон же, по-видимому, является единственной частицей с подходящей массой, у которой ярко выражены волновые свойства, вот его все с восторгом и изучают. Всё понятно?

Вернемся к нашим частицам. Так что получается: электрон, «вращающийся» вокруг атома — это одновременно и частица и волна. То есть вращается-то частица, и в то же время электрон как волна представляет собой оболочку определенной формы вокруг ядра — как это вообще можно понять человеческим мозгом?

Выше мы уже подсчитали, что летающий электрон имеет довольно огромную (для микромира) длину волны и, чтобы разместиться вокруг ядра атома, такой волне нужно неприлично много места. Вот как раз именно этим и объясняются такие большие размеры атомов по сравнению с ядром. Длины волн электрона определяют размер атома. Пустое место между ядром и поверхностью атома заполнено «размещением» длины волны (и в то же время частицы) электрона. Просим нас простить за грубое и некорректное объяснение, на самом деле все гораздо сложнее, но наша цель — хотя бы позволить отгрызть кусочек гранита науки людям, которым это интересно.

Наконец, давайте еще раз поясним и напомним! Описываемая нами форма материи не является ни волной ни частицей. Она лишь имеет свойства, присущие волнам и частицам. Нельзя говорить, что электромагнитная волна или электронная волна подобны морским или звуковым волнам.

Привычные нам волны представляют собой распространение возмущений в пространстве заполненным каким-либо веществом.

Фотоны, электроны и прочие экземпляры микромира при движении в пространстве можно описать волновыми уравнениями, они по поведению лишь ПОХОЖИ на волну, но ни в коем случае волной не являются. Аналогично и с корпускулярной стороной материи: поведение частицы похоже на полет маленьких точечных шариков, но это ни разу не шарики.

Это нужно понять и принять, иначе все наши размышления будут в конечном счете приводить к поиску аналогов в макромире и тем самым пониманию квантовой физики придет конец, и начнется фричество или шарлатанская философия навроде квантовой магии и материальности мыслей.

Остальные ужасающие выводы и следствия из опыта Юнга мы рассмотрим позже в следующей части: неопределенность Гейзенберга, кошка Шредингера, принцип запрета Паули и квантовая запутанность ждут терпеливого и вдумчивого читателя, который еще не раз перечитает наши статьи и покопается в интернете в поисках дополнительной информации.

Всем спасибо за внимание. Приятной бессонницы или познавательных кошмаров!

Глава 11 Двухщелевой эксперимент

— Знаешь, что такое квантовая суперпозиция?

— Да нет, наверное.

Наконец, мы подошли к моменту истины! К знаменитой теме, которая делит людей на тех, кто искренне верует в квантовую магию и материальность мыслей, и тех, кто окончательно понимает, что с этой вселенной всё очень и очень плохо. В этой главе мы будем рассказывать про истинную сущность материи. И мы гарантируем, что ясности не добавим, но представление о том, как всё эпично и непредсказуемо, вы получите. Будет нелегко, товарищи, мы старались как могли, чтобы донести до простого человека, тяготеющего к гуманитарному мышлению, суть проблемы. Снова и снова предупреждаем о легкомысленности нашего повествования, о неточности и утрировании примеров и выводов. Но, согласитесь, хочется же разобраться? Задача этой главы: объяснить, почему фотон — это не частица и не волна, и мы методологически отбрасываем все ненужное и важное, лишь бы открыть читателям глаза на реальность, не данную нам в ощущениях.

Обращаем ваше внимание, что упоминаемые в главе события, открытия и эксперименты приводятся не в хронологическом порядке, а так, как нам захотелось. В целях усугубления читательского понимания, конечно же!

Итак, давайте проверим наши бытовые знания. Простой оскорбительный вопрос: что такое волна?

Ностальгический пример из детства — волна в луже возле родного подъезда. Мы бросали в воду камешки и зачарованно смотрели на расходящиеся круги. Волны в воде представляют собой колебания молекул этой самой воды. Вверх и вниз — все просто. У таких волн мы подмечаем их форму и поведение, а именно: амплитуду, частоту и длину. Полагаем, что читателям знакомы эти характеристики: амплитуда — это название того, как высоко поднимаются молекулы воды в волне, частота — скорость смены гребней и впадин волны, длина волны — расстояние между гребнями. Средняя морская волна имеет длину 150 метров, время которое пройдет между появлениями гребней — 10 секунд (значит частота: 1/10 или 0.1 Гц). С водой всё понятно. Кто не догнал — спускается во двор и кидает камешки в лужи, рассказывая старушкам на скамеечке о проблемах корпускулярно-волнового дуализма.

Теперь попробуйте ответить на вопрос, что является амплитудой, длиной и частотой для звуковой волны? Тоже пример из бытовой физики, но уже посложнее. Так сказать, слышали звон, но не очень уверены, какие у него характеристики.

Что ж, не будем томить, разгадка такова: в звуковой волне друг за другом «идут» участки уплотнения и разрежения воздуха (или той среды, где звук распространяется). Амплитуда здесь уже не физическая высота гребня, а разница между максимальной и минимальной плотностью. Для наших ушей амплитуда в общем случае означает громкость звука. Частота волны — скорость смены участков плотности. Человеки, как вид, слышат волны с частотой от 15 Гц до 20 000 Гц, и могут различать частоты по тону (высокий или низкий звук), например, нота Ля имеет частоту 440 Гц. Звуковая волна бывает и более низких частот — это инфразвук, и более высоких — ультразвук и гиперзвук. Обратим внимание, что по отношению к звуку волна — уже не натуральные гребни и впадины, а несколько иное физическое явление, описываемое волновыми характеристиками.

На заметку тем, кто читал главу про кванты: звуковая волна таки тоже квантуется, то есть существуют минимальные значения частот, слабее которых уже некуда. Квант звуковой волны называют фононом, и там у них тоже своя физика и жуткие формулы.

Кажется, здесь всё понятно. Следующий вопрос вы можете задавать своим знакомым или незнакомым, и это будет началом интересного спора, который иногда (ответственно заявляем) может дойти до рукоприкладства и вызова полиции.

Что является амплитудой, частотой и длиной для световой волны? Ну, или если быть точнее, раз у нас уже была про это глава, что из себя представляют характеристики электромагнитной волны?

Во времена дедушки Максвелла, который много сделал для того, чтобы подружиться с электромагнетизмом, на этот вопрос отвечали так. Существует какая-то неведомая сущность, представляющая собой сразу два совмещенных друг с другом поля: электрическое и магнитное. Поля почему-то испытывают колебания от максимального отрицательного значения до максимального положительного и тем самым создают все эти крутые электрические штуки типа притягивания мелких бумажек к расческе или искры от прикосновения к спящему котику.

Максвелл логично для тех лет предполагал, что, если есть волна, значит она распространяется в какой-то среде — например, мировом эфире. Менделеев предложил для эфира суперлегкий газ — ньютоний. А Фарадей, который был в теме, экспериментируя с электричеством дольше всех, засомневался в идее эфира, но умер, и его сомнения потомки не поддержали.

Так-то всё было почти готово, чтобы торжественно сойтись для понимания фундаментальных тайн мироздания: ученым оставалось описать природу эфира и заткнуть последние дыры в теории электромагнетизма.

Чтобы понять, какой такой волной является свет, ученые решили присмотреться к давешнему опыту Юнга. Помните, в предыдущей главе мы рассказывали про то, как свет проходил через две прорези в дощечке и давал на экране позади интерференционную картинку? Что, собственно, и привело испытателей к мысли о волновой природе света.

Внимание, сейчас будет отвлеченная, но очень важная информация насчет двухщелевого эксперимента. Когда в научпопе или еще где-то вы встречаете его описание в виде стрельбы электронами или фотонами по натуральным щелям, имейте в виду, что на самом деле это описание весьма утрированное и вымышленное. Большая часть «специалистов по квантмеху» в интернете воспринимает аналогию за чистую монету и пытается ее критиковать, выдвигая умопомрачительные гипотезы о том, как на самом деле объясняется двухщелевой эксперимент. Много суеты наводит пресловутый анимационный ролик с убедительным доктором в плаще супергероя, визуализирующий опыт со щелями. Несмотря на кажущуюся научность этого мультфильма, ролик является отрывком из абсолютно лженаучного фильма, втирающего населению про материальность мыслей, высших наблюдателей и прочей ерунде. Так вот, если вы нам доверяете, имейте в виду: настоящий эксперимент с интерференцией квантов производится сложнее и хитроумнее. А выводы из него несколько другие, нежели озвучиваются в большинстве научпоповских поделках. Мы тоже не лучше всего этого, но зато честные и стараемся исправиться.

Давайте посмотрим, как ученые заморочились на интерференции, и что из этого получилось. Во все нижесказанное трудно въехать с первого раза, поэтому помните, что совершенно не стыдно перечитать написанное несколько раз и даже подглядеть в Википедии. Мы и сами написали эту главу с десятой попытки и в процессе не стеснялись в выражениях.

Перед нами картинка, показывающая устройство простейшего интерферометра. Его соорудил тот самый разрушитель легенд Майкельсон для расчета длин волны света и заодно для попыток поиска светоносного эфира.

Итак, у нас имеется источник света (на самом деле светит специально подготовленный светильник, чтобы не смешивались разные длины волн, но свечка на иллюстрации выглядит душевно). Свет направляется на полупрозрачное зеркало посередине. Полупрозрачное зеркало — это такое зеркало, которое хочет — пропускает свет, а хочет — отражает. Короче говоря, в половине случаев свет проходит через зеркало, а в другой половине случаев — отражается. Занятная штука. Тонировка на нашем заниженном автовазике так же работает, если что.

В точке 1 траектория светового потока делится на две новые траектории, по которым свет устремляется к двум нормальным зеркалам, и в точках, отмеченных цифрой 2, отражается.

Не отвлекаемся! Следим за нарисованным. Отраженный от обоих зеркал свет возвращается к полупрозрачному зеркалу и в точках 3 снова делится. Нас интересуют только те траектории, которые отправляют поток света к экрану. Там на экране два луча пересекаются под некоторым углом. Две волны накладываются друг на друга, гребни и впадины суммируются, и на экране появляется обычная и не очень впечатляющая интерференционная картина из светлых и темных полосок.

Ну, все нормально, сказали ученые. Тут как раз все понятно! Свет от источника делится пополам, и затем два луча интерферируют. Свет — это волна, и не о чем больше говорить! В те времена считалось, что амплитуда световой волны, чем бы она ни была, пропорциональна интенсивности света. А если быть точнее, то интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды. То есть увеличиваем интенсивность света, и интерференционные полоски становятся ярче. Если взять за аналогию морскую волну, то высокая мощная волна впечатает вас в прибрежную скалу сильнее, чем низкая. Логичненько?

Но появился Эйнштейн со своим фотоэффектом. Мы уже относительно подробно рассказывали об этом в предыдущих лекциях, но не грех вкратце напомнить. Если направить свет на специальный материал (фотопластинку), то он будет выбивает из нее электроны. Казалось бы, чем ярче будем светить на пластинку, тем быстрее оттуда будут электроны вылетать. Чем ярче свет, чем он интенсивнее, чем больше его амплитуда, тем выше будет скорость выбиваемых электронов — снова вспомним про мощную такую морскую волну.

В реальности все оказалось не так. Чем выше была яркость света, тем больше выбивалось электронов. А скорость их вылета была одинакова. Хоть обставь всю лабораторию прожекторами. Стоило же изменить длину световой волны, то электроны неожиданно меняли скорость. Если взять самую длинную волну видимого света — красный свет — то тогда электроны вообще переставали вылетать. Какого, спрашивалось, лешего? Это была засада. И эту загадку разгадал Эйнштейн. За что ему дали нобелевку, хотя кому-то хотелось дать ему по щщам: все испортил и открыл ящик Пандоры.

В это время, снова напомним, некий Макс Планк показал мужикам смешную шутку. Он на досуге рассчитывал, как излучает тепло «сферический конь в вакууме» — абсолютно черное тело. Если считать по формулам Максвелла, то в итоге насчитывалась бесконечная энергия — у нас, между прочим, местные энергетики и работники тепловых сетей так же, похоже, считают. А Планк взял и придумал удачную формулу, чтобы подогнать расчет под ответ. Никогда такого не было, и вот опять. Ох уж эти ученые: вечно выдумывают, подгоняют результаты, а потом награждают друг друга и выписывают гранты.

В общем, получалось, что тепло идет не бесконечным потоком, а кусками — их назвали квантами тепла. Ну как в интернете — пакеты летят, так и тут, тепло кусками вылезает из сферического коня в вакууме. И Планк попросил Альберта заценить шутку, мол, гляди: кванты какие-то, дискретность, математические абстракции… Эйнштейн же юмора не понял, а взял и применил идейку к волне света. И спросил себя, а потом и остальных, что если световая волна тоже излучается порциями. Эту порцию он назвал квантом света (позже — фотоном). Фотоны в некоторых случаях вели себя как частицы. Кончилась история тем, что Планк обиделся на Эйнштейна и до конца жизни клал на квантовую теорию интерферометр.

А вот дальше началось то, от чего сам Эйнштейн испытал знатное удивление и в итоге тоже на всех обиделся. Как дядюшка Альберт объяснил фотоэффект? Легко и по-пацански! Один квант света выбивает ровно один электрон. Как частица частицу. Поэтому увеличиваем интенсивность света: летит больше фотонов, выбивается больше электронов. Энергия выбивания всё та же. Но если мы меняем фотону цвет, то электроны вылетают с иными скоростями. Беда в том, что цвет фотона описывается волновыми свойствами, а именно: длиной волны и частотой. Получалось, что энергия этого самого фотона зашифрована в цвете фотона, то есть в частоте. Если цвет красный, то фотоны просто не в силах выбить электроны из фотопластинки — вся их энергия уходит на преодоления так называемой «энергии связи» — электроны же не так просто выдернуть из материала, они там как бы закреплены. И нужно потратить какие-то силы, чтобы их выбить. А если свет голубой, то электроны выбиваются и даже летят быстрее всех. Еще раз, чтобы не перечитывать: энергия фотона зависит от его цвета, а не амплитуды, а цвет — это волновая характеристика. Частица имеет свойство волны.

Все это было неприятно. Давайте нарисуем интерферометр глазами Эйнштейна:

Здесь у нас происходит смена концепции. К зеркалам летит уже не волна, а кванты-фотоны-частицы. Пытающийся спасти положение классический доквантовый физик рассуждает так: фотоны летят до зеркала, далее случайным образом расщепляются на два пучка по половине фотонов в каждом, и в итоге после всех приключений эти пучки интерферируют. Странно, конечно, что частицы интерферируют как волны, но вот такая природа света. Давайте назовем это явление корпускулярно-волновым дуализмом и забудем обо всем этом недоразумении.

К несчастью теоретиков в проблему вмешались технологии.

Сначала более точный эксперимент показал, что как не меняй интенсивность света — интерференционная картинка не меняется. А должна бы, если интенсивность — это энергия. Полоски не становились шире или ярче. Интенсивность света влияла только на скорость проявления картинки на экране. Если запускать фотоны малыми порциями всего-то по паре сотен миллиардов за раз, то картинка на экране будет постепенно становиться всё четче и четче. А если выстрелить добрым куском из пары тысяч триллионов фотонов, то сразу получится отличная фоточка.

Как мы сказали выше, физики, включая Эйнштейна, по-прежнему говорили, ну и что, фотоны из первого пучка интерферируют с фотонами из второго пучка. Допустим, только допустим, что энергия не зависит от интенсивности — ну и, ладушки. Мы выдумали термин «корпускулярно волновой дуализм» — пользуйтесь.

Но это было полбеды. Инженеры как раз собрали устройство, которое называется «квантовый генератор» или лазер, по-нашему. Квантовый генератор умел делать одну прикольную вещь: стрелять одиночнымфотоном. Теперь то станет понятно, как получается интерференция, обрадовались ученые и крикнули: к коллайдеру! — то есть к интерферометру!

Некоторые читатели уже сообразили, что запущенный фотон прошел через интерферометр и влетел в экран, оставив точечный след. Ученые запустили следующий фотон. На экране появилась вторая точка. Полет нормальный. Затем точно так же по одному было запущено еще несколько миллионов фотонов. И экспериментаторы схватились за головы: из точек на экране сложилась картина из полосок — старая добрая интерференция, будь она не ладна. Здравый смысл нервно курил в сторонке. Запущенный через щель мяч обязательно прилетает в центр стены напротив! А здесь выходило, что одиночный фотон проходит через адскую машинку и каким-то образом укладывается в строго заданный рисунок так, чтобы получились загадочные интерференционные полоски. А науке известно, что интерференционная картинка получается только в тех случаях, когда встречаются, как минимум, две волны, когда в результате наложения двух максимумов появляется еще более крутая волна. Караул! Приводя в качестве аналогии морскую волну, представим, что мы кидаем в воду булыжник, волны от него расходятся в разные стороны, но по законам магии волна касается берега только в одной точке и нигде больше. Как это можно объяснить?

Эйнштейн сказал, что это, извините, ерунда. Тут же, очевидно, скрытые параметры, коллеги, мы, по-видимому, еще не все знаем о микромире, давайте выпьем и спокойно подумаем. Но неуемные Макс Борн и Нильс Бор (однофамильцы что ли?) начали спорить с гуру физики — вообще этот период истории науки настолько эпичен, что мы рекомендуем вам выделить время и почитать соответствующие книги или статьи — ни один детектив или фантастика не сравнится с накалом страстей тех лет. А давайте предположим, сказали они, что фотон летит одновременно по обеим траекториям? Тогда на экране два фотона снова складываются в один, оставляя след. Может, пора поставить физику с ног на уши?

Классики науки не захотели так просто сдаться и признать, что физику нужно переписывать с самых основ. У них появилась отличная идея: посмотреть, по какому пути на самом деле летит фотон после прохождения полупрозрачного зеркала. Давайте, сказали они, поставим на одной из траекторий детектор, который поймает фотон, и увидим, что по-настоящему происходит в интерферометре. А потом, чего уж там, как-нибудь и интерференцию объясним.

Как только они поставили детектор, поглощающий фотон на одном из путей, произошло два тревожных события.

Во-первых, детектор либо ловил, либо не ловил фотон. Это к радости физиков означало, что в момент пролета полупрозрачного зеркала, квант все-таки не раздваивается, выбирает куда полететь, и либо врезается в детектор, либо улетает к экрану.

А во-вторых… а во-вторых, исчезла интерференционная картинка. Фотон, выбравший путь до экрана, летит к нему и оставляет там след, который при массовом повторении эксперимента вдруг превращается не в полоски, а в круглое пятнышко. Вот как раз то же самое, что стрельба мячом по стене через щель. Иначе говоря, фотон как будто «узнает», что ему поставили препятствие на одной из траекторий, и он сразу теряет интерес быть волнистым. Это как такое вообще может быть?

Поэтому Борн, Гейзенберг, Бор и другие надмозги написали свой вариант происходящего, так сказать с графиками и лаборантками. Давайте нальем себе кофе с чем-нибудь полезным, выгоним всех из помещения, чтобы не мешали, помассируем виски и несколько раз прочитаем нижеследующие абзацы. Потому что сейчас будет срыв покрывал и простыней со всего того, во что вы верили и хотите верить дальше. Борн за это получил Нобелевскую премию, а мы с вами сейчас получим головную боль!

Вот, что происходит в интерферометре по мнению квантовых физиков. Фотон летит к полупрозрачному зеркалу, влетает в него, и в этот момент его состояние меняется. Да, вероятности его движения по траекториям, по-прежнему, делятся пополам. По 50 % на каждый путь. В случае, если мы захотим посмотреть, по какому пути гуляет фотон, то мы найдем его либо тут, либо там. Это логично и понятно, но есть важный нюанс: пока мы не пытаемся определить точное местонахождение частицы, она существует в вероятностном виде на обоих путях одновременно. То есть, если вы классический физик, вы говорите: фотон после разделителя летит с вероятностью 50 % либо по одному пути, либо по другому. А если вы физик квантовый, то вы говорите: фотон после разделителя находится в суперпозиции, он одновременно и там, и там: пока никто не мешает, реализуются оба варианта. Или, как правильнее говорить, фотон существует в виде волн вероятностей.

И если же мы не будем пытаться его поймать, то эти вероятности спокойненько и не торопясь «пролетят» по обоим путям и интерферируют, выдав местонахождение фотона в виде следа на экране. На этой тонкой разнице рухнула вся классическая механика.

Наличие детектора или, как это называют в физике, «наблюдение», убивает суперпозицию фотона. То есть, обнаруживая на путях детектор, суперпозиция самоуничтожается, фотон рэндомно и непредсказуемо переходит в одно из имеющихся определенных состояний, «выбирает», по какому пути ему теперь, горемычному, лететь и, собственно, туда и летит. Если вы уже заражены литературой по квантовой магии, материальности мыслей, то самое время отметить, что «наблюдение» — это не появление высшего разума с ушами возле мирового интерферометра. Наблюдение — обычная ситуация, препятствие, которое ломает фотону всё приключение, заставляя его двигаться только по одному пути вместо одновременного движения по нескольким.

Рассматривая интерференцию света как сложение двух прилетевших вероятностей, наконец, можно дать ответ на вопрос, заданный в начале главы, о том, что такое амплитуда световой волны? Ужаснитесь: амплитуда световой волны — это не высота гребня волны, не ее плотность, и не количество заряда на пике. Амплитуда световой волны, амплитуда фотона — это, после некоторых расчетов, ее/его вероятность обнаружения в некоторой области пространства. Вы только подумайте: то, что мы считали волновой характеристикой неизвестной природы, оказывается практически броском игрового кубика. Мы называем свет волной только потому, что его вероятности обнаружения подчиняются некоторым волноподобным условиям.

Классическая механика с поправками на корпускулярно-волновой дуализм утверждала, что амплитуда (интенсивность) показывает, сколько фотонов находится на каждом пути после разделения. А квантовая физика говорит, что амплитуда фотона — это вероятность его обнаружения в определенный момент времени там, где он пролетает. Вот это поворот! Мы физикой занимаемся или бросанием костей? — так примерно думали Эйнштейн с последователями.

Давайте для закрепления повторим еще раз. Фотон в момент попадания на зеркало-разделитель не бросает монетку, решая по какому пути лететь. Вместо этого он, откладывает монетку до лучших времен и приобретает состояние суперпозиции вероятностей: «вероятность 1 + вероятность 2». Затем, оказываясь в суперпозиции, он, оставаясь по-прежнему целым фотоном, разделяется на волны вероятностей 1 и 2, и с этими значениями пролетает по каждому пути. Если где-то ему попадается препятствие, затыкающее эту траекторию, то случается «коллапс» — фотон достает монетку, бросает, и однозначно «материализуется» из суперпозиции в одном из вариантов траекторий: либо врезается в детектор, либо врезается в экран, как неделимый шарик-частица на единственно выбранном пути.

Но если фотону не мешать в его путешествии по двум веткам интерферометра, то в конце две волны вероятности встретятся. Амплитуды наложатся друг на друга, фотон снова подбросит свой кубик, но в этот раз из-за интерференции амплитуд ему можно будет использовать, скажем, только четные грани кубика, а нечетные — нельзя. И материализовавшийся из-за встречи с экраном фотон оставит свой след в том месте экрана, на которое указал вселенский генератор случайных чисел. Череда полос на экране говорит нам о том, что светлые полоски — это места, где фотон врезается чаще всего, а темные полоски — места, где фотоны практически никогда не обнаруживаются. То, что мы воспринимаем как вроде бы понятную классическую интерференцию, в итоге оказывается графиком распределения пойманных фотонов, вышедших из состояния суперпозиции. Невероятно, согласитесь?

Мы только что узнали голую неприкрытую правду о микромире. Спешим сказать, что и электрон, и протон, и даже некоторые молекулы похожим образом ведут себя на интерферометре. Представьте себе: запущенная в экран молекула интерферирует сама с собой. Правда, это специальная молекула, настроенная особым образом, но сути это не меняет. Технически и мы с вами как набор частиц интерферируем в пространстве, но так как все внутри нас взаимосвязано и переплетено, то суперпозиция наших частиц постоянно схлопывается, создавая иллюзию стабильности и однозначного нахождения в пространстве.

Мы ответили на вопрос, какой физический смысл несет в себе амплитуда электромагнитной волны. Длина же этой волны (и соответственно частота) означает сколько энергии несет в себе такая волна — вспомним про волны Де Бройля, про которые мы говорили в предыдущей главе. Однако кроме этого длина волны указывает нам область пространства, в которой мы в соответствии с амплитудой будем «ловить» частицу, если нам вдруг это понадобится. Но мы слегка забегаем вперед.

Главное, по окончанию главы не делать поспешных выводов и отметить очень важную вещь: электромагнитная волна не является волной, ей не требуется никакая среда для распространения. Она сама по себе реальная форма материи с некоторыми странными свойствами, ну, вы поняли: существование в суперпозиции вероятностей и всё такое. Поэтому любой современный ученый никогда не станет рассматривать всерьез фрические выкладки об эфире и конденсатах ментальной энергии — ничего этого не требуется для понимания и описания явлений микромира. В микромире, вообще всё по-другому устроено, и классический подход там ни к селу, ни к городу. Увы, обыватель, который задвигает про недооцененность эфирных моделей даже близко не представляет суть явления и ориентируется на обрывки критики квантовой механики начала прошлого века. С тех пор прошло более ста лет, и наши знания о квантовом мире сильно продвинулись вперед, при этом не опровергая предположения Борна, а наоборот, подтверждая и дополняя.

Несмотря на очевидное безумие, квантовая интерпретация поведения частицы в интерферометре объяснила множество вещей, которые до тех пор были вообще за гранью понимания. Человечество узнало, как на самом деле устроен атом, как происходят ядерные взаимодействия, почему и как работает химия и т. д. Увы, движок мироздания работает на вероятностях, и это твердый факт!

Давайте просто временно отложим в сторону книгу и погрустим на тему того, как же все сложно, черт побери, в этом мире.

Глава 12 Кот Шрёдингера и параллельные миры

Если подумать, то первым, кто запер

животных в коробке был Ной.

В предыдущей лекции мы узнали, что там, на расстояниях меньше микроскопических, происходит какая-то фигня. Материя перестает быть материей, она размазывается по пространству в суперпозиции своих состояний и летает повсюду в виде вероятностей, параметры которых напоминают волну. И всё это пресекается, когда такая волна сталкивается с препятствием, вносящее возмущение в систему, — это физики не очень умно назвали «наблюдением», дав зеленый свет «специалистам» по магии и высшим разумам, которые, видите ли, наблюдают нас, разрешая нам существовать.

Все это приводило в ужас тогдашних физиков старой школы. Во главе хейтеров квантмеха стоял Эйнштейн, который не только троллил молодых теоретиков, но собирал мемасики и демотиваторы, раздражающие Бора, Гейзенберга и других. Особенно нравилась Эйнштейну шутка своего дружбана Эрвина Шрёдингера. Хотя тот и написал формулу имени себя, показывающую как ведет себя квантовая система во времени и пространстве, но размышления о суперпозиции и ее разрушении через наблюдение ему чего-то не нравились. Не то, чтобы Шредингер был с этим не согласен, однако он призывал подумать, мол, нормальна ли такая ситуация, в которой частица пролетает через обе щели, а потом при «наблюдении» пролетает только через одну? Квантовая система должна быть более наглядной и понятной! — требовал он. Давайте шагнем чуть-чуть повыше уровня элементарных частиц и возьмем, например, радиоактивный распад атома. Это что же получается? Если мы не трогаем атом, так сказать, не наблюдаем, то он тоже находится в суперпозиции состояний? То есть одновременно распадается и не распадается, пока мы не это не проверим?

Но ладно атом, давайте рассуждать дальше, увлёкшись, острил Шрёдингер, а не приводит ли эта ваша суперпозиция к какой-нибудь дичи в макромире? К примеру, тот же радиоактивный атом — его можно использовать для связи с Большим Миром. Берем коробку, засовываем туда, скажем, кота и устройство, в котором используется тот самый радиоактивный атом в суперпозиции. Если атом не распадается, то ничего не происходит — кот сидит в коробке и обдумывает свое странное положение. А если атом распадается, радиоактивное излучение включает счетчик Гейгера, тот запускает механизм, выпускающий смертельное боевое вещество, запрещенное мировым сообществом — кот помирает. Глядя на такую коробку, каждому ежу понятно, что кот либо жив, либо мертв. Но это очевидно лишь в старой доброй классической картине мира. А с точки зрения квантовых законов мы принуждаем вселенную выбрать судьбу кота только посредством наблюдения — вмешательством в суперпозицию атома и кота. То есть кот становится живым или мертвым только тогда, когда мы открываем коробку. До этого же наш кот как будто бы находится в суперпозиции: он одновременно и жив имертв! Три раза ха-ха-ха!

Эйнштейн писал Шрёдингеру, мол, дорогой Эрвин, а ты, чертяка, хорош! — ловко ты проиллюстрировал противоречивость квантовой механики! Что ж это получается, — ухахатывался дедушка Альберт, — когда мы не смотрим на Луну, ее нет? Учитывая то, что в суровой реальности мы не наблюдаем котов, размазанных, в пространстве, то квантовая физика однозначно нуждается в уточнении.

В конечном итоге смешная шутка Шрёдингера привела к Самому Главному Вопросу квантмеха: как и когда происходит коллапс волновой функции? Бог с ней с суперпозицией, допустим, она существует, как минимум, в виде математической абстракции — нам бы для начала понять, как реализован выбор вариантов этой суперпозиции.

Копенгагенская интерпретация

Самое известное объяснение происходящего принадлежало Бору и Гейзенбергу, которые пили пиво в Копенгагене и размышляли о том, как насолить Эйнштейну. Если вы читали предыдущие главы, то суть интерпретации вам будет понятна. Это и есть то, как Макс Борн объяснил двущелевой эксперимент. Сама реальность такова, что результат возникает исключительно из акта наблюдения.

В момент наблюдения, измерения, эксперимента, встречи с другим объектом и так далее частица выбирает себе судьбу из имеющегося набора в соответствии с вероятностями, заданными амплитудой. Казалось бы, что и с котом та же история, и у нас коты в суперпозиции — обыденное явление. Например, наша кошка точно однажды находилась одновременно на кухне и в спальне — мы можем поклясться об этом на пятом томике лекций Фейнмана!

Однако, вы могли заметить, что копенгагенская интерпретация говорит о том, что наблюдение — это не открытие коробки. А вообще-то любое вмешательство в жизнь атома. Коллапс происходит значительно раньше благодаря взаимодействию ядра атома с окружающим миром. Кот же в этом цирке жив, пока атом целехонек, или погибает, когда осколки распада попадают на детектор. Иначе говоря, когда квантовые явления взаимодействуют с макромиром: с детекторами частиц, с котами и так далее — суперпозиция накрывается медным тазом. Тут, правда, возникает вопрос, а где протекает граница между макро- и микромиром? Споры еще ведутся. В конце прошлого века ученые умудрились экспериментально проверить так называемый «квантовый парадокс Зенона», который предсказывает, если часто измерять определенную квантовую систему, то можно «заморозить» ее состояние, не давая ей разрушиться. Во всяком случае наблюдение за распадом атомов рубидия не давало ему распадаться, что теоретически могло продолжаться сколь угодно долго. Так что шутка Шрёдингера еще может выйти нам боком, и вдруг окажется, что при определенных условиях, в определенных обстоятельствах, при контролируемом эксперименте котик действительно окажется в суперпозиции. Страшно?

В СССР, в первой половине советской эпохи, к копенгагенской интерпретации относились прохладно, потому что выглядела она не очень. Ну сами посудите, тут у нас диалектический материализм, а здесь какие-то наблюдения и амплитуды вероятности.

Слава богам, были и другие интерпретации происходящего!

Многомировая интепретация

Другую интересную интерпретацию придумал американский физик Хью Эверетт III. Когда он приехал в Копенгаген показать свои идейки Бору, тот сказал, что идея глупая и отправил Эверетта восвояси. Однако интерпретация оказалась довольно оригинальной, и нынче это вторая версия по популярности среди физиков. Смысл теории Эверетта в том, что, не нужно заморачиваться на парадоксе наблюдения, так как приборы, производящие измерения тоже находятся в суперпозиции. Мы это не замечаем, потому что, как только происходит измерение, вселенная раздваивается («расстраивается», «расчетверяется» и т. д.) на все возможные варианты развития событий. То есть, когда ящик с котом открывается (ну или ядро выходит из суперпозиции), начинаются две новые интересные истории в параллельных вселенных: в одной кот жив, в другой мертв. Представьте, сколько квантовых событий происходит в мире ежесекундно, и сколько при этом рождается параллельных вселенных.

Поэтому теория называется многомировой интерпретацией.

А какие интересные следствия выходят из этих интерпретаций! Например, «квантовое самоубийство». Это мысленный эксперимент, рассматриваемый уже с позиции кота Шрёдингера. Представим, что человек соорудил такое ружье, которое стреляет (или не стреляет) на основе механизма распада ядра атома. С точки зрения копенгагенской интерпретации распад атома таки случится через некоторое время, и человек умрет. А вот в многомировой интерпретации будет немного иная картина. Каждый раз при нажатии курка, вселенная будет раздваиваться, и всегда будет существовать версия человека, у которого ружье никогда не выстрелит, хотя для стороннего наблюдателя такой человек будет мертв с высокой вероятностью.

Таким же образом можно додуматься и до квантового бессмертия. Даже находясь в эпицентре ядерного взрыва существует вариант развития событий, в котором вы выживаете и далее вы путешествуете мирам, удивляясь тому, как нелепое стечение обстоятельств позволяет вам каждый раз избежать смерти (в то время как ваши альтернативные версии дохнут как мухи).

Жирный плюс интерпретации: не нужны никакие коллапсы вероятностей, вселенная не испытывает мук выбора.

Увы, минус этой версии: вот когда покажете параллельный мир, тогда и поговорим.

Гипотеза скрытых параметров

Вот тут всё просто. Ну, относительно просто. Про это говорил Сам Эйнштейн: господа, мы просто о чем-то не знаем, поэтому нам всё вот так кажется. Надо искать новые теории, писать крутые формулы и ставить бомбические эксперименты. К тому же вы видите: квантовая механика никак не дружит с общей теорией относительности. А это, знаете ли, звоночек.

Гипотез, связанных со скрытыми параметрами, на самом деле несколько. Но самая известная это гипотеза Бома. Был такой физик, который опираясь на более ранние идейки Де Бройля, заявил, что перед электроном летит так называемая «пилотная волна», которую мы просто не обнаружили, и которая определяет, через какую щель пролетит электрон. Эйнштейн, между прочим, высказал свое «фи» гипотезе Бома, посчитав ее слишком попсовой.

Гипотеза Бома и в самом деле была сыровата, а впоследствии ее сильно подкосили неравенства Белла, про которые мы поговорим в следующей главе.

Однако, дальнейшее развитие идеи показывает, что не все так плохо со скрытыми параметрами. Немногочисленное общество физиков до сих пор пилят эту гипотезу, генерируют идеи и даже получают что-то убедительное. Беда в том, что гипотеза скрытых параметров хоть и возможна, но в ее нынешних версиях абсолютно бесполезна и при малейшем шаге в сторону тут же порождает много неудобных вопросов.

Нелюбовь мейнстрима к гипотезе скрытых параметров сделала свое черное дело, и уже много лет, чуть ли не со времен Бома, она притягивает фриков всех мастей, которые издают тонны трудов по опровержению квантмеха (и заодно классической физики) и объясняют трем с половиной желающих, как на самом деле устроен мир.

Что мы можем сказать по поводу этой интерпретации? Как ни крути, но вероятность того, что мы живем на генераторе случайных чисел очень велика, и гипотеза скрытых параметров — это отчаянная попытка вернуть давно ушедший поезд старой доброй классической механики.

Гипотеза супердетерминизма

Это очень страшная, но в чем-то правдоподобная гипотеза. Рекомендуем не читать про нее на ночь, иначе за вашу бессонницу мы не отвечаем.

Безумие квантовой механики легко и просто объяснить, если заявить, что все выборы частицы: где ей лететь, во что врезаться, с чем интерферировать и т. д — уже где-то записаны. Так сказать, в Великой Книге Судеб. Любое событие в Мироздании — от отражения фотона от стекла до провала вашего экзамена в технический ВУЗ — известно заранее.

Это нам видится какой-то рэндом, какие-то амплитуды и волновые функции. А на самом деле сценарий имеет начало и конец без какой-либо отсебятины.

И тут даже не важно, как возникла программа Вселенной: написал ли ее Господь Бог, порождена ли она случайным образом в эпоху Большого Взрыва (вариант: реализуется математически как клеточный автомат через причину-следствие) или является информационной проекцией объектов из супервселенной / мультиверса. Так или иначе это засада, котаны! Ничего нельзя сделать: если этому фотону суждено влететь в детектор, то он в него влетит.

Можно возразить: мы же получаем вероятности пролета частиц через щели 50 на 50 при большой выборке — это не очень похоже на предопределенность. Сторонники супердетерминизма зловеще улыбаются и спрашивают, а разве получение ученым результатов эксперимента имеет какую-то свободу от фатальности? Если предопределен полет фотона, то предопределен и результат опыта — физик-экспериментатор обязательно получит те результаты, которые заложены в Великий Сценарий.

Жутко. Неопровержимо, но и не доказуемо (хотя иногда в периодике проскакивают статьи об идеях насчет проверки супердетерминизма).

Хорошо, что физики в общем и целом не интересуются этой гипотезой, потому что она совсем не прикольная и не дает никаких знаний об окружающем мире, кроме уныния и депрессии. Но теперь и вы знаете про такое, живите с этим!

Другие интерпретации

На вышеперечисленных версиях светлые головы, конечно же, не остановились. Есть и более сумасшедшие и наукообразные варианты объяснения квантовых чудес, которые иногда выдают в рецензируемых журналах господа и дамы физики. Причем вероятность того, что они это делают ради троллинга, весьма высока. Но почему бы и нет? Голова нам дана не только для того, чтобы думать, но и чтобы философствовать.

Несколько лет назад какие-то австралийские физики предположили, что квантовые явления — результат взаимодействия даже не двух, а четырех десятков (sic!) параллельных Вселенных. Нет, это не многомировая интерпретация Эверетта. В австралийском варианте корпускулярно-волновой дуализм — итог частичного пересечения и наложения миров. Они там еще и высчитывают что-то.

Другой советский, между прочим, профессор утверждал, мол, квантовые штучки не зависят от приборов, они сами по себе, но принадлежат не одной частице, а целой системе частиц, так называемому квантовому ансамблю, который находится в одинаковых макроскопических условиях. Ну типа как один за всех и все за одного — так дружно и коллапсируют.

Или давеча мы видели в журнале чересчур философскую версию копенгагенской интерпретации, в которой решают применить к квантовым вероятностям байесианскую логику. Это такая логика, в которой вероятность события до эксперимента сильно отличается от вероятности после эксперимента. Так сказать, априорная и апостериорная вероятности. Поэтому мы в итоге видим исключительно апостериорную вероятность, полученную конкретным наблюдателем. А ежели случится другой наблюдатель, то в эксперименте будет другой результат. Впрочем, что из этого следует, не очень понятно. Но философия забориста и смахивает на субъективный идеализм: все, что меня окружает, существует лишь потому, что я это в данный момент вижу (измеряю, наблюдаю).

Квантовая декогеренция

В конце концов, наиболее скучные физики устали ломать головы в поисках прикольных интерпретаций и предложили унылый вариант, помиривший кота Шрёдингера с квантовым миром. Говоря вкратце, квантовые явления безусловно существуют, но они все такие загадочные только в изолированных системах. Если квантовый объект хорошенько оградить от внешнего мира, то его можно поддерживать в суперпозиции (в когерентном состоянии) довольно долгое, а может, и бесконечное время. Но мы живем в мире, где все и всё зависят друг от друга. В итоге квантовый объект взаимодействует с миром и теряет свои загадочные свойства. Помните закон термодинамики, когда нагретое тело (без продолжающегося нагревания) рано или поздно остывает до температуры окружающей среды? Так вот и с квантовыми событиями похожее явление. Квантомеханическая система, взаимодействуя с окружающей средой, необратимо проявляет классические черты. Чем больше «участников» в такой системе, чем больше атомов, участвующих в процессе, тем быстрее волновая функция схлопнется в одно конкретное состояние. Стабильность «съедает» неопределенность.

Поэтому в случае с котом Шредингера нельзя говорить, что кот жив и мертв одновременно. Благодаря декогеренции, кот встретился со своей судьбой задолго до открытия коробки и парадокса не существует. А также и не существует загадочного «наблюдателя» — измерением мы только ускоряем декогеренцию, то есть связываем закрытую квантовую систему с окружающим миром.

Что ж, в этой лекции вы много узнали о больном воображении этих ваших ученых. Не зря один американский физик, утомившись от попыток коллег интерпретировать сами знаете что, ясно и коротко высказался: заткнись и считай! Этим предлагалось всем, кто занимается квантовой механикой и подобными вещами, прекратить искать объяснения, а сосредоточиться на сборе новой информации. Авось что-нибудь да проявится.

Поэтому в следующей главе мы поговорим об интересных эффектах и следствиях квантового мира без фантазий на тему «а чаво это они».

Глава 13 Неопределенность Гейзенберга

Уважаемые знатоки!

Против вас играет Эрвин Шрёдингер,

физик-теоретик из Вены…

Внимание, черный ящик!

Штош. В наших предыдущих псевдолекциях мы как могли растолковали простому люду про чёртов корпускулярно-волновой дуализм, о том, что вся материя вокруг нас на самом деле имеет волновые свойства, даже кирпич или бутылка коньяка, и что наблюдение за квантовым объектом лишает его вездесущности.

Мы продолжим издеваться над обывателями и расскажем в предельно доступной форме про неопределенность, правящую миром, вызвав у тех, кто профессионально разбирается в предмете тонны ненависти и раздражения.

К сожалению или к счастью, квантовый мир открыл человечеству еще более удивительные вещи, от которых у многих классических физиков навсегда испортилось настроение, и споры о том, является ли вселенная такой, как нам повествует квантмех, длились еще много лет.

Одним из камней преткновения оказалось вычисление местоположения электрона в атоме и его скорости в определенный момент времени. По странным и непонятным причинам ученые никак не могли вывести формулу для расчета обоих значений одновременно. Как вы уже знаете, Эйнштейн говорил, что все эти теоретики — неучи и двоечники, потому что чего-то упускают, и бог, знаете ли, не играет со Вселенной в азартные игры. Нильс Бор попивал пиво и утверждал, что классическая физика вообще не применяется для таких случаев как движение электронов. И тут вундеркинд Гейзенберг заявил: все нормально, мужики, так и должно быть.

Давайте вместе ужаснемся открытию на примере. Если пнуть ногой мяч с точно рассчитанной силой, то удивительная и не всем доступная наука физика, в частности классическая механика, легко ответит нам на вопрос, где будет находиться мяч через пять секунд после пинка и какова его скорость. Это же элементарно: расстояние равно время умножить на скорость. Садись, Вовочка, пять по физике!

Теперь мы пнём электрон. По специальным (но все же классическим) формулам считаем его скорость и местоположение на пятой секунде полета и проверяем экспериментом. И получается что-то невероятное. Предположим, что мы поймали частицу в двух метрах от начала полета, но полученная по результатам эксперимента скорость вообще не такая, да еще и каждый раз разная. Так и наоборот, чем точнее мы знаем скорость, тем хуже себе представляем, где находится частица.

На самом деле ученые предпочитают говорить не о скорости, а об импульсе. Давайте раз и навсегда разберемся с этим термином, хоть он из школьной физики, но мешает расслабленному чтению после тяжёлого рабочего дня составления справок и отчётов. Импульс — это такая характеристика движущегося тела, равная массе этого тела, умноженной на его скорость. Его еще называют количеством движения и измеряют в килограммах на метр в секунду. Чем больше масса движущегося тела, тем больше его импульс. Импульс намекает, как больно нам прилетит в лоб брошеный булыжник, и качество полученной шишки будет зависеть как от массы булыжника, так и от его скорости к моменту прилета в лоб, а также, что важно, от направления, ведь имеется большая разница, как летит булыжник в нашу сторону: перпендикулярно или по касательной. Импульс имеет важное свойство — они никуда не пропадает при столкновении, а передается другому телу (вашему лбу, хе-хе), тем самым создавая всемирный закон сохранения импульса.

Для частицы, которая, как мы помним, типа волна и всё такое, импульс равен постоянной Планка, разделенной на длину волны. Это, кстати, означает, что чем короче длина волны, тем больше ее импульс. Вот почему длинная радиоволна не чувствуется кожей, а ультрафиолет — вполне ощутим в виде загара.

Впрочем, если вам тяжело осознать импульс, то можете очень осторожно при встрече этого словечка далее в тексте заменять его на «скорость». Только никому не говорите, что мы вам это посоветовали. Продолжим?

Из экспериментов следовало, что если бы мы точно знали импульс частицы, то мы бы вообще ничего не знали о ее местонахождении. Она бы с одинаковой вероятностью находилась в любом месте траектории.

Однако в реальности мы все-таки ожидаем увидеть частицу в определенном месте и времени. Значит, надежда на какую-то стабильность все-такие есть. Дело в том, что любая частица, гоняющая по вселенной, находится в суперпозиции своих состояний. В некотором смысле реальную частицу можно считать эдаким волновым пакетом, в котором напихано огромное, читайте, бесконечное количество вариантов длин волн и амплитуд (которые вероятности). И в этом самом пакете все эти состояния интерферируют: волны накладываются друг на друга, в результате чего частица приобретает более скромные вероятности обнаружения своих параметров. Большинство вариантов из-за так называемой деструктивной интерференции становится нереализуемым. Видите? На рисунке высота волны означает вероятность приобретения ею определенного параметра при измерении (наблюдении).

Понятно, что при таком раскладе частица уже как-то более локализована в пространстве и способна проявлять свойства твердого тела, а не волны: теперь ей можно, например, врезаться в электроны, являя нам чудо фотоэффекта.

Но проблема в том, что, несмотря на хорошие вероятности ожидаемых параметров частицы, мы не можем одновременно знать ее импульс и координаты. Не в меру умный Гейзенберг (кстати, на тот момент ему было 26 лет) объяснил монстрам классической физики, что это совсем не «фигня какая-то», а фундаментальное свойство нашего мира.

И нарисовал поясняющую формулу: Δx * Δp ⩾ h, которая означает, что если мы умножим неопределенность положения частицына неопределенность ее импульса, то всегда получим число большее нуля, которое еще и связано с постоянной Планка. Проверьте сами: если мы точно знаем, где находится частица, то есть Δx=0, то выражение становится бессмысленным.

Чтобы не приводить в пример мудреные графики и формулы, вот вам демонстрация принципа неопределенности на простом опыте. Если стрелять частицами по широкой щели, то на экране позади будут появляться следы частиц примерно в окрестностях проекции щели. Но вот мы начинаем уменьшать щель, то есть загонять частицы в этот самый Δx. И что же мы видим на экране? Импульс (не забываем, что у него есть направление) становится более непредсказуемым.

Можете себе представить, как тряхануло весь ученый мир, зато остальной народ ничего не понял, так как готовился ко Второй мировой, занимался коллективизацией, пытался вылезти из Великой депрессии и т. д. и т. п. Да и сам Гейзенберг не смог отвертеться от участия в немецком ядерном проекте во время Второй мировой (но по легенде, он этот проект как мог саботировал, умничка).

Оказалось, что природа защитила свои секреты вот таким законом, который никому никогда не обойти. Мы можем узнать вероятные значения параметров частицы с заданной точностью, но никогда не предскажем точно оба параметра. Кроме того, принцип Гейзенберга распространяется не только на импульс и местонахождение — он также справедлив для энергии частицы и момента времени, когда частица этой энергией обладает.

Вот формула для самых любознательных читателей: ΔЕ * Δt ⩾ h.

Итак, мир устроен на принципиальном незнании всего одновременно. На практике ученым приходится довольствоваться некоторым компромиссом между знаниями о тех и других параметрах. Например, в кинескопах электроны с высокой точностью направляются на экран для получения изображения. Кажется, что, пуляя электронами по экрану мы попадаем с определенной энергией в определенную точку, и никакого принципа Гейзенберга здесь нет. Но дело в том, что размеры активной точки на экране, которая нам видится малюсенькой, для электрона — огромная площадь, и ему есть где развернуться в демонстрации своей неопределенности. Но если бы мы продолжили увеличивать разрешение экрана, то в какой-то момент перестали бы попадать электронами в цель в силу вышеуказанного принципа. Так что на макроуровне неопределенность Гейзенберга нам особо и не мешает, но когда дело доходит до сверхточных процессов, в коллайдерах или микроэлектронике, то там просто беда-беда.

Небольшое уточнение: кое-какие точные параметры частице все-таки разрешено иметь. Например, масса покоя или заряд. Но это, сами понимаете, такие мелочи.

Еще один пример действия квантовой неопределенности мы уже встречали в нашей статье про вакуум. Теперь стало немного понятнее, почему вакуум не может существовать с точки зрения квантовой физики: вакуум — это поле с нулевой энергией и нулевым количеством частиц. А этого одновременно быть не может, поэтому природе приходится создавать квантовую пену из виртуальных частиц, нарушающих все законы сохранения, лишь бы обойти дурацкий запрет на точное знание всех параметров.

Некоторые люди, включая даже научную братию, искренне считают, что разгадка неопределенности находится в проблеме измерения. Ведь частица это не мячик, и когда мы пытаемся измерить какое-то ее свойство, мы заставляем частицу повзаимодействовать с другой частицей (фотоном, например). Это взаимодействие, собственно говоря, и уничтожает первоначальные параметры частицы, предоставляя нам новые непредсказуемые значения. Это утверждение истинно отчасти. Измерение (наблюдение) действительно дает нам информацию, но, и это важный философский момент, оно не искажает информацию, оно ее создает. До измерения кванты вполне определены — вон летят в своих суперпозициях, во всех возможных и невозможных вариантах, хоть это и трудно представить). Наблюдение же вытаскивает в нашу макроскопическую реальность случайный вариант с каким-то параметром, причем обязательно в ущерб другому. Напоминаем, однако, что это не значит, что где-то там сидит некий Вселенский Измеритель с линейкой, и решает, что измерить в каждый момент времени — координаты или импульс).

Наглядную, но не слишком правильную аналогию, демонстрирующую принцип неопределенности, мы вычитали у какого-то автора, пытающегося делать то же, что и мы. Представьте себе непрозрачную трубку, в которой летает муха. Вот она летает от одного конца трубы до другого. Ее средняя скорость нам вполне известна (справились у Википедии), но местонахождение животинки мы предсказать не беремся: муха может отклониться от траектории, присесть, помыть лапки и так далее на всей длине трубки. Но вот мы начинаем трубку сжимать. Муха видит, как на нее надвигается гигантский пресс. Места для ее полетов все меньше и меньше. Муха паникует и начинает ускоренно летать в сжимающемся пространстве, врезаясь в стенки. Теперь мы знаем ее местонахождение гораздо точнее, но вот ее скорость уже не предсказуема. Паника творит чудеса даже в микромире, не правда ли?

Интереснейшим практическим следствием неопределенности является туннельный эффект.

Если по каким-то причинам местонахождение частицы становится все более и более определенным, то импульс становится, как мы уже поняли, совсем непредсказуемым. Вследствие этого совершенно обычного квантового явления неопределенность импульса может дать частице дополнительную энергию. Такая частица иногда вытворяет очень странную вещь: проходит сквозь непреодолимый барьер. В макромире, где такого, конечно же, не случается, это выглядело бы как прохождение сквозь стену или выпрыгивание из ямы без видимых причин. Муха из примера выше телепортировалась бы за пределы трубки и полетела по своим делам. Но туннелирование-таки существует и проявляется в макромире. Техника дошла до того, что мы используем явление в быту, например, в туннельном диоде или сверхпроводниках. Тот же радиоактивный распад существует благодаря эффекту туннелирования: альфа-частицы отрываются от тяжелого ядра не за счет собственных сил — ядро их на самом деле очень крепко держит (мы как-то уже рассказывали про сильное взаимодействие) — а как раз из-за существования ненулевой вероятности прорваться через энергетический барьер. И существование термоядерного синтеза внутри звезд (из-за которого наше солнце светит) также обусловлено туннелированием.

Не так давно (в 2016) ученые обнаружили, что молекула воды, оказавшись в очень узком канале кристаллической решетки берилла (минерал такой), чувствует себя неуютно, застряв в одном положении, как мы в автобусе, когда едем утром на работу. Из-за этого дискомфорта молекула начинает демонстрировать квантовые эффекты: поворачивается в этом канале, но не как макрообъект плавно и со скрипом, а мгновенно меняет свое положение, как если бы стрелка часов поворачивалась только десятиминутными интервалами — это и есть туннельный эффект. Мда, как бы это было удобно в автобусе…

Кто еще скажет, что наука это скучно?

Но это мы сейчас в 21 веке знаем о квантовых чудесах и даже принимаем их за норму. А в те годы, когда Гейзенберг предложил свой принцип, самые светлые умы человечества сошлись в нешуточной битве. Как мы уже говорили, Эйнштейну очень не нравились всякие неопределенности в физике. И в то время, когда Нильс Бор пытался создать хоть какое-то подобие квантовой теории, Эйнштейн всячески изводил его провокационными вопросами. В 30-е годы Эйнштейн и два его единомышленника — Подольский и Розен — предложили так называемый ЭПР-парадокс (по первым буквам фамилий хитрых физиков), гипотетический эксперимент, который доказывал, что неопределенность Гейзенберга можно обойти. Те, кто немного разбирались в том, что происходит, набрали себе побольше попкорна и издалека, не вмешиваясь, наблюдали как физики троллят друг друга. Заголовки газет тех времен гласили: «Эйнштейн атакует квантовую теорию: Учёный и двое его коллег находят её „неполной“, хотя и „корректной“».

Рискнем упрощенно разобрать суть парадокса — вы же за этим читаете наши лекции? Допустим Гейзенберг немного прав, и мы почему-то не можем измерить импульс и координаты частицы одновременно. Но, кажется, у Эйнштейна есть лайфхак. Давайте возьмем частицу, которая собирается распадаться! После распада образуется две частицы: они разлетятся, получив некоторые общие характеристики. Такие частицы физики называют «запутанными» (запомните этот термин). Отбросив сложную матчасть, вспомним закон сохранения импульса из классической механики — суммарный импульс тел ДО равен суммарному импульсу ПОСЛЕ. Итак, «материнская» частица распадается, аее части разлетаются, поделив импульс между собой, как бильярдные шары.

Дальше все логично и гениально: мы измеряем местоположение первой частицы, а импульс второй частицы. Таким образом, для первой частицы мы получаем и координаты (которые измерили непосредственно) и ее импульс (который просто посчитали на калькуляторе, отняв от первоначального значения импульс второй частицы).

Осознайте, насколько коварен был Эйнштейн! Да и поставить подобный эксперимент в те годы было затруднительно (коллайдеры еще не изобрели).

Озадаченный Нильс Бор практически на одной вере в чудеса заявил, что эксперимент будет некорректен, потому что частица приобретает конкретные значения импульса только после измерения, а не до распада, и не в момент распада. По сути это были все те же рассуждения, что и в предыдущей главе: скрытые параметры против генератора случайных чисел. Но, если прав Бор, то все это означает, что вторая частица «считывает», как первая определилась с импульсом, и тут же, мгновенно, присваивает себе значение, необходимое для закона сохранения. Вы там что, крышей двинулись, раз допускаете штуки, когда что-то взаимодействует быстрее скорости света? К тому же теоретически неважно на каком расстоянии находятся друг от друга запутанные частицы — хоть на противоположных краях галактик. Когда кто-то влияет на кого-то, будучи очень далеко, это называется нарушение принципа локальности. Короче говоря, Эйнштейн покрутил пальцем у виска, а Бор в ответ сделал умное лицо, и вопрос надолго повис в воздухе. Физики делали вид, что явление им неинтересно, а парадокс на то и парадокс, чтобы пугать студентов на экзаменах.

Через 30 лет, когда Бор и Эйнштейн покинули наш грешный мир, так и не договорившись, один физик по имени Белл надумал специальные уравнения, с помощью которых можно было бы проверить, кто был прав в споре. Его уравнения, известные как неравенства Белла, могли прояснить, есть ли скрытые параметры в поведении волновой функции или там воистину рэндомные процессы. А еще чуть более 20 лет спустя (в 1982 году) французские инженеры сумели поставить эксперимент, в котором неравенства Белла проверили на настоящих запутанных частицах.

Опять же в рамках нашего поверхностного повествования мы не в силах рассказать о неравенствах Белла подробно, но гарантируем, что в сети есть несколько отличных попыток их разжевать. Мы же попробуем парой абзацев объяснить суть эксперимента, вызвав у вас легкую бессонницу, а не глубокую экзистенциальную депрессию.

У частиц есть такая характеристика как спин. Вообще этот термин очень любят фрики-лжеученые всех мастей. Трансмодификацией (не знаем, что это) спина объясняется любая ересь и несостыковка в псевдотеориях и гипотезах от лучших, да и худших, умов альтернативной «науки». Поэтому по ходу повествования, а также чтобы оградить читателей от попадания на удочку мошенников, нам придется кое-что прояснить о спине.

Говоря языком физики, спин — это момент импульса, штука, похожая на импульс, но применимая к вращающимся телам. Спин как бы намекает нам, что частица не просто летает туда-сюда, вся такая размазанная по пространству, но еще и вращается. Одному Богу с его суперпространственным зрением понятно, как может вращаться волна вероятности, находящаяся в суперпозиции своих состояний, но отчего-то частицы, не будучи вращающимися предметами, имеют вот этот вот спин. Короче, у спина есть направление, из-за которого частицы ведут себя по-разному в магнитном поле (так собственно спин и обнаружили), а также в связи с тем, что в мире частиц все квантуется, то есть спин имеет не плавные значения, а дискретные, и этих значений не так уж и много. У электрона спин — ½, у фотона — 1, у гипотетического гравитона подозревают спин, равный 2. Есть еще какие-то дикие частицы со спином 5/2, а спин бозона Хиггса равен нулю и так далее. Причем можно же было давать спину числовые значения попроще, а не такие странные дроби. Но ученые не ищут легких обозначений — у них, видите ли, традиция.

Итак, электрон имеет некоторый спин, который куда-то направлен. С помощью хитрого оборудования можно измерять направление спина — при этом он, как и другие параметры, в силу жутких квантовых эффектов, при измерении выныривает к нам из суперпозиции. Эксперимент по разрешению ЭПР-парадокса состоял в том, что у групп запутанных протонов замеряли спины. И результаты статистически анализировали: проще говоря, составляли таблицы вариантов, выпадающих чаще всего. Хитрые выкладки теории вероятности гласили, что если бы были правы Эйнштейн, Подольский и Розен, то вероятность некоторых комбинаций спинов при гипотезе скрытых параметров составляла бы определенное значение, например, 44 %. А если был прав Бор, и квантовый мир это генератор случайных чисел, то вышеуказанная вероятность получилась бы немного другой, скажем, 50 %. Ученые провели множество экспериментов, накопили данные и посмотрели, какие вероятности у них выходят, сравнив с ожиданиями от двух гипотез.

Оказалось, что прав был Нильс Бор: никакой «объективной физической реальности», о которой грезил Эйнштейн, в микромире не существует. До измерения (наблюдения) параметров частиц Вселенная сама не знает, как оно выйдет, а когда что-то станет вполне себе ясно, то обязательно станет не ясно, что-то другое. Логика Винни-Пуха, она ведь очень близка квантмеху, согласитесь?

Но что там с квантовой телепортацией? Там же происходит какая-то нездоровая вещь с передачей сигнала, превышающей скорость света. Отправляем двух экспериментаторов в разные города: в Питер и Новосибирск. Отправляем им запутанные протончики. Одновременно и синхронно измерить спин протонов не выйдет. Все равно кто-то хоть на наносекунду измерит раньше. Или на час раньше, или на день. Так вот как только в Новосибирске замеряют спин полученного протона, и тот СЛУЧАЙНЫМ образом оказывается направлен условно вверх, то тут же спин второго протона выходит из суперпозиции и оказывается направлен условно вниз. Тут второй протон как раз измеряют и убеждаются: да, спин направлен вниз. У нас тут мгновенное взаимодействие или как его еще называют «нелокальное», то есть зависящее от происходящего где-то очень далеко.

А знаете, что еще не нормально с этой нелокальностью, коллеги?

Если вы вспомните вторую главу, там, где мы обсуждали одновременность, то вы можете предположить страшную штуку: а что если выбрать такую систему отсчета, в которой замер протона сначала произойдет в Питере, а затем в Новосибирске? Это что же получается, следствие начинается раньше причины? В теории относительности, как ни пыжься, такого не бывает: сначала причина, потом следствие. Утром стулья, вечером деньги, как подсказывают мудрые классики! А с квантовой телепортацией это прокатывает.

Однако спокойствие, товарищи. Теория относительности и квантовая механика хоть и противоречат друг другу, но на территорию друг друга не заходят. Выяснилось, что вообще-то теория относительности запрещает не столько мгновенное взаимодействие, сколько передачу информации с превышающей свет скоростью. Видите ли, квантовую телепортацию не получится приспособить в качестве передатчика полезного сигнала: ни радио, ни вайфая из нее не слепишь. А все почему? Вы не сможете передать в Новосибирск требуемое значение спина, потому при каждом измерении своего протона в Питере вы будете, как уже и говорилось, получать случайное значение спина. Какая тут осмысленная передача информации? Обычный белый шум, хоть и транслирующийся мгновенно.

Но вот если совместить квантовую телепортацию с классическими средствами передачи сигнала, то можно сочинить кое-какие интересные алгоритмы для издевательств над квантовым состоянием запутанных частиц. Так ученые пришли к идее квантовых компьютеров. Но это уже другая история.

Итак, мы немного втянулись в мир квантовой механики и, надеемся поняли, что ничего не поняли, но осадочек остался. На этом можно бы уже и остановится, потому что дальнейшая квантовая физика полностью уходит в математику и многомерные пространства. Но, возможно, у нас есть еще чем поудивлять оптимистично настроенного читателя. До встречи в следующих главах.

Глава 14 Электрон в атоме

Сегодня, наши дорогие любители странного, мы неожиданно поговорим про эту вашу химию. Но не пугайтесь раньше времени, это будет рассказ о том, как работает химия с точки зрения физики и конкретно квантовой механики. Наверняка вы проходили это в школе, ничего не поняли, кое-как сдали экзамен и благополучно забыли. Теперь настало время это повторить и восхититься (или ужаснуться), мол, вот оно как на самом-то деле. Спешим успокоить запаниковавшего читателя. Никаких химических формул не будет. Причиной всего является поведение электронов в атоме. И об этом речь и пойдет.

Мы не собираемся изобретать новые аналогии и начнем с классического объяснения: мысленного эксперимента про электрон в коробке.

Представим, что у нас электрон заключен в одномерный наноящик — это, значит, такой малюсенький ящичек, в котором электрон может двигаться только влево или вправо. Маленьким он взят для наглядности и сопоставимости размеров с электроном. У стенок волшебного ящика имеется важная особенность, тоже выдуманная: электрон не может вылететь за них, они непроницаемы для электрона. Ему приходится размазываться по имеющемуся в ящике одномерному пространству. Как мы помним, до тех пор, пока мы его не трогаем (то есть не наблюдаем), электрон одновременно находится в каждой точке ящика. При этом энергия электрона не может быть нулевой. Принцип неопределенности Гейзенберга запрещает нулевые энергии, как вы помните. Поэтому электрон в такой коробке постоянно в «движении», что бы это ни значило.

Однако в безумном квантовом мире есть свои законы и порядки: вероятности материализации электрона для выбранных двух соседних точек не могут меняться резко, типа вот тут мы обнаружим электрон с вероятностью 90 %, а рядом (при смещении на очень малую величину) — 2 %. Кванты квантами, а волновая функция не просто так названа — она показывает вероятности положения электрона плавно, без, так сказать, резких движений.

И возле стенок ящика получается некоторое несоответствие. Если стенки непроницаемы, то за ними совершенно логично мы наблюдаем нулевую вероятность обнаружения электрона. И, значит, распределение вероятностей электрона в ящике должно выглядеть так, чтобы при приближении к стенкам вероятность убывала до нуля.

Вот на картинке показано, как оно может быть, а как не может быть. Не забываем, что вероятность обнаружения электрона равна квадрату высоты (или глубины) гребня в данной точке. А уж вниз направлен гребень волны или вверх, это не важно: возводим амплитуду в квадрат, и все странности заметаются под ковёр!

Вообще, если подумать, то ничто не запрещает нам, то есть не нам, конечно, а электрону разделить свои вероятности на два максимума (гребня). Или на три. И даже на четыре. Лишь бы выполнялось условие плавного изменения вероятностей, и на границах ящичка эти вероятности равнялись бы нулю.

Взгляните, какие варианты имеются у электрона для красивой упаковки в наноящике:

Как всегда пытливый читатель может спросить, это что же получается, если электрон летит справа налево или наоборот, то в тех местах, где амплитуда вероятности равна нулю, его физически не будет? Он как бы проигнорирует эти точки в нанокоробке и в процессе движения телепортируется через проблемные места? Ответ квантовой механики, как всегда, однозначен: и да, и нет. Движение квантового объекта — не то же самое, что полет пули или брошеного камня. Электрон, напомним еще раз, находится во всех точках коробки, в том числе и там, где мы его никогда не найдем. Мы говорим лишь о вероятностях обнаружения частицы в определенных местах в определенное время, а не о ее фактическом местонахождении. И в случае движения электрона в подобной коробке классическое понятие траектории не имеет смысла, хотя электрон обладает импульсом, который в свою очередь является следствием движения частицы. В общем, электрон двигается, однако выглядит это немного странно и не по-человечески.

Но вернемся к гребням волн. Нарисовывается хороший вопрос: а когда у электрона возникает необходимость разделить свои максимумы волны вероятности на два и более? Отвечаем: это происходит в случае, если электрон где-то отхватывает энергии — мы же, кажется, знаем, что частота волны частицы прямо пропорциональна энергии. Добавляя на ограниченном участке волне еще один гребень, мы увеличиваем частоту волны.  На этом примере просто замечательно демонстрируется сама суть квантования. Энергия электрона набирается не плавно, как скорость на акселераторе автомобиля, а скачками, прыжками, порциями, квантами! На примере наноящика при росте энергии электрона его волновая функция меняет свою форму. Электрон не сможет взять себе какую угодно энергию, а примет только такую, которая позволит ему приобрести еще один гребень в наноящике. В противном случае он сделает вид, что ничего не происходит.

Давайте сделаем умное лицо и назовем число гребней волновой функции в наноящике главным квантовым числом. На самом деле это очень важное число, и понимание его сути — отличный повод для гордости.  Когда меняется квантовое число, это значит, что электрон приобрел новое значение энергии. Как говорят физики: перешел на новый энергетический уровень.

Нарисуем классическое изображение энергетических уровней электрона из учебников, которое теперь стал чуть-чуть понятнее и больше не будет сниться в кошмарах спустя годы.  Забавный факт: у электрона не может быть нулевого квантового числа, а значит и нулевой энергии. Это серьезнейшее отличие частицы от объекта из макромира.

Замечательно! Но мы опять проводим мысленные эксперименты. Где фантазии, а где реальность? Причем тут химия, и когда мы выведем формулу спирта, чтобы стало интересно?

Хе-хе, приготовьтесь к неожиданному и наглому заявлению. Примерно вот так в свое время Нильс Бор ошарашил честной народ, предложив новое видение проблемы микромира.

В некотором смысле электрон в атоме ведет себя точно так же, как в наноящике. Точно так же он может разместиться вокруг ядра только с целым количеством своих «гребней» вероятности, а значит, мы можем применять к электронам в атоме вышеупомянутое квантовое число. Точно так же электрон может переходить с одного энергетического уровня на другой. Если в атом влетает фотон, то электрон может его поглотить только в том случае, если энергия фотона поможет электрону перейти на следующий уровень. Иначе фотон будет проигнорирован (помните наглядный пример у Гамова из главы про кванты: пиво можно пить только из определенных емкостей, никакого розлива). И наоборот, электрон может испустить фотон строго определенной энергии, чтобы спуститься на уровень ниже, где ему как-то надежнее и спокойнее.

Да, именно поэтому мы видим цвета. Атомы и молекулы имеют разные размеры (представьте их как наноящики различной длины), поэтому если направить на них свет, то электроны в атомах будут поглощать только те длины волн, которые помогут им красиво разместиться в своих «наноящиках». Остальные волны (фотоны) хитрым образом отразятся и, о чудо, мы видим цвет предмета: длины волн, которые не стали поглощать электроны освещенного предмета. Не забудем про фотоэффект, когда электрон вбирает в себя столько энергии, что покидает атом и отправляется гулять в одиночку на радость Эйнштейну.

Объяснение с наноящиками, которое мы переносим на атом, надо признаться, довольно удачное. Тем не менее Мироздание делает всё, чтобы испортить хорошие и простые модели. Ящичек в нашем мысленном эксперименте был одномерным, где у электрона для материализации было всего два направления: налево и направо от произвольно выбранной точки. В атоме на орбите ядра электрон чувствует себя несколько свободнее: теперь он в трехмерном наноящике, и тут начинается дичь, одновременно расстраивающая и восхищающая физиков.

Распределение вероятностей обнаружения электрона (волновая функция) уже не простенькая синусоида на рисуночке, а сложная пространственная фигура, которую называют орбиталью.

Теперь-то читатели, осилившие все предыдущие главы, ответственно понимают, что электроны не кружатся вокруг атома, как планеты вокруг солнца, а находятся в суперпозиции всех своих состояний, вероятности обнаружения которых складываются в странные и загадочные объекты — электронные оболочки атома.

Чтобы оценить эпичность проблемы, для начала возьмем атом водорода, самый простой атом из всех известных. Вот у нас ядро, а вот один электрон копошится вокруг. Давайте посмотрим, что он тут выписывает.

Если квантовое число электрона равно единице, то есть это один условный гребень волны в наноящике, то электрон находится на самом низком энергетическом уровне. В трехмерном пространстве его вероятности размазываются вокруг ядра в виде сферы, отстоящей от ядра на некотором расстоянии. Вздумай мы ловить электрон в таком атоме, то наибольшая вероятность его обнаружения придётся как раз на окрестности данной сферы.

Но вот электрон съел подходящий по энергии фотон, и его волновая функция изменила форму. Соответственно изменился и вид орбитали: электрон может выбрать одну из двух форм атомной оболочки.

Первый вид это вся та же сфера, называемая 2s-орбиталью, у которой теперь две поверхности для нашей электронной рыбалки.

А второй вид называют гантелеобразной или 2p-орбиталью. Она получается, когда атом попадает в определённые условия, и имеет целых три варианта размещения в пространстве, которые связаны с тем, что движущийся электрон создает магнитное поле, и от этого его гантелеобразная орбиталь во внешнем магнитном поле принимает одну из трех возможных пространственных ориентаций (для таких случаев придумано квантовое магнитное число). При этом энергия 2p-орбитали больше чем у 2s-орбитали.

Давайте посмотрим рисунок для атома водорода, в котором электрон демонстрирует орбитали. Буква n — это главное квантовое число. Точечками мы пытаемся изобразить пространство наиболее вероятного обнаружения электрона. Плюсы и минусы — это знаки волновой функции (для сведения).

Когда электрон переходит к квантовому числу n=3, его расположение в наноящике атома становится еще интереснее. Теперь у него в коллекции новый набор форм, названных d-орбиталью. Рисуем, как умеем — не смеяться!

С увеличением энергии электрона формы атомных оболочек усложняются. Мы не будем рисовать орбитали для дальнейших квантовых чисел, потому что, признаемся честно, f-орбитали и g-орбитали нам не изобразить, но читателям с интернетом или с бережно сохраненным учебником по химии не составит труда посмотреть их схематические формы.

Главное, что мы уяснили, электрон, скучающий возле ядра атома, не так прост, и даже в единичном экземпляре выписывает своими вероятностями удивительные фигуры, подчиняющиеся самым изощренным математическим описаниям.

А теперь представьте, какой сумасшедший дом начинается, если вокруг атома живёт два и более электронов!

К великому счастью Природа ограничила свои творения и создала для электронов ряд нерушимых законов, наведя относительный порядок внутри атома и позволив ученым разобраться, что к чему и кто кого.

Электроны в атоме скачут по своим энергетическим уровням, переходя с орбитали на орбиталь. Но тот факт, что теперь у них есть соседи по атому, а в молекулах — еще и соседи по молекуле, заставляет электроны организовываться и вести себя прилично.

Один из таких законов для соседства электронов называется принципом запрета Паули. Запретил, конечно, не ученый с фамилией Паули. Вольфганг Паули вывел этот закон, и все облегченно вздохнули.

Электроны в атоме имеют четыре квантовых числа. Главное квантовое число мы уже знаем. Орбитальное число L нам тоже известно — оно отвечает за форму орбитали. Про магнитное квантовое число m мы тоже рассказывали. Есть еще спиновое квантовое число s — оно для электрона принимает всего два значения: +1/2 и -1/2. Если помните, то в предыдущей главе мы кое-что рассказывали про спин электрона.

Принцип запрета Паули гласит, что в атоме (и молекуле) не должно быть двух электронов с одинаковыми квантовыми числами.

У атома гелия спины двух его электронов на s-орбиталях не могут быть одновременно направлены «вверх» или «вниз». Только в противоположные стороны. Не забываем, что до измерения спины электронов находятся в суперпозиции, но никогда не получится поймать два электрона на орбитали с одинаковым спиновым числом.

Второе важное правило соседствующих электронов состоит в том, что когда электроны поселяются в атоме, то они сначала занимают нижние энергетические уровни, но так чтобы не нарушать принцип запрета Паули. Так сказать, садятся в автобусе поближе к водителю.

Снова посмотрим на гелий: электроны спокойно усаживаются на s-орбиталь, так как имеют разные спины.

А вот в атоме лития три электрона на s-орбитали не уживутся. Кому-то придется жить на кухне. Гантелеобразная 2p-орбиталь является более высоким энергетическим уровнем, чем 2s, это связано с взаимным отталкиванием электронов из-за одинакового заряда. Поэтому третий электрон сначала поселится на 2s-орбитали.

И, наконец, третье правило касается расположения электронов на орбиталях с одинаковой энергией. Выше мы упомянули, что, например, 2p-орбитали из-за разного магнитного квантового числа реализуются в трех пространственных вариантах. Для краткости их записывают как 2px, 2py и 2pz — орбитали. Их энергия абсолютно одинакова, различается только ориентация лепестков «гантели» в пространстве. Так вот если два электрона въезжают на этот уровень, то они стараются сесть не на одну орбиталь, а на разные. Чтобы не сидеть на одной орбитали, хоть и с разными спинами. Наверное, не только мы заметили, что электроны весьма капризные существа: они предпочитают одиночество и минимум расходов на проживание.

Это правило называют правило Хунда и запоминают его в виде мудрого наставления: не подсаживайся в трамвае к людям, если еще есть пустые места.

Итак, благодаря этим правилам становится ясно, как электроны приходят и уходят из атома, а самое главное, как формируются и как устроены химические элементы. Благодаря пониманию законов мы можем предсказать устройство любого элемента, включая редкие или еще не открытые.

Удивительно, но один мужик, живший в 19 веке, его звали Дмитрием Менделеевым, каким-то внутренним чувством сумел расположить химические элементы по возрастанию, совершенно ничего не зная про квантовую физику и строение атомов. Полагаясь на еле уловимую логику, он создал периодическую таблицу элементов имени себя, и только спустя сто лет человечество смогло объяснить, почему элементы расположены именно так, а не иначе. А всё потому, что Менделеев доверял экспериментальным данным и полагался на них, а не на байки из интернета про материальность мыслей, ну или где там их рассказывали в благословенные времена.

К сожалению, наш труд не предполагает дальнейшее углубление в химию, где самое интересное только начинается. Атомы в молекуле делят между собой общие электроны, которые переходят на молекулярные орбитали, возникают химические связи, перекрытия электронных облаков, валентности и ковалентности, атомы ионизируются, теряя или приобретая лишние электроны. Всё это обеспечивает химические свойства веществ: соль солёная, а кислота — разъедающая. Мыло намыливает, а спирт, например, тоже интересная штука. У инертных газов, типа неона или аргона, атомные оболочки заполнены электронами до отказа, и пролетающему мимо электрону некуда приткнуться, поэтому инертные газы почти не вступают ни с чем в реакции. Металлы, наоборот, имеют одинокие скучающие электроны на дальних уровнях и могут легко расставаться с ними, поэтому металлы являются отличными проводниками тока.

У элемента углерода имеется четыре вакансии на его доступных орбиталях, и тот стремится всеми силами их заполнить — основа основ всех органических соединений.

И так вот далее по списку. А самое крутое в том, что мы, то есть человеки 21-го века, понимаем, почему так происходит и извлекаем пользу от полученных знаний.

Надеемся, прочитанное вдохновит вас снова взять в руки учебник химии и погрузиться в волшебный мир веществ со всей ответственностью и пониманием.

Глава 15 Квантовые компьютеры

Программист:

«Какое сейчас значение переменной?»

Квантовый компьютер:

«А фиг знает»

Все танцуют.

Раз уже мы нынче превосходные спецы в квантовой физике, способные своим знанием матчасти заткнуть любого шарлатана, рассуждающего о божественной воле в двухщелевом эксперименте, то уж разобраться с наскоку в том, как работают квантовые компьютеры, нам вообще не проблема. Наверное. Но как бы то ни было, квантовые компьютеры — тема животрепещущая, вызывающая разные слухи, мифы и необоснованные инвестиции. Так что давайте пробежимся по предмету, чтобы представлять, где истинная правда, а где враньё, особенно в поделках недобросовестных СМИ или блогеров.

Умным людям давно не давали покоя квантовые эффекты, но не только потому, что их философская интерпретация не подчиняется здравому смыслу, но и в сугубо практическом смысле. Вот бы как-то взять эти эффекты и применить для нужд народного хозяйства, думали они. Считается, что первым это громко спросил Ричард Фейнман, который действительно разбирался в предмете. Квантовые расчеты требуют квантовых решений — вот его совсем недословная цитата. И пока технологии медленно развивались, некоторые физики, умеющие в математику, предложили кое-какие алгоритмы, с которыми было бы забавно поиграться на квантовых штуковинах.

В основе обычного компьютера у нас лежит понятие бита. Битом может быть любой объект, который является нам в двух однозначных состояниях: черный-белый, теплый-холодный, север-юг, плюс-минус. Если не забивать голову реализацией устройства бита, то мы для упрощения пользуемся понятием 0 или 1. Полагаем, что читатель имеет представление об основах информатики, так как в наше просвещенное время без компьютеров как без рук. Важное в этих ваших битах то, что мы всегда, в любой момент знаем или можем узнать их значение. Бит либо включен, либо выключен. Либо ноль, либо один. Когда мы считываем его значение, то это значение не пропадает, не меняется, не превращается в черную дыру, оно гарантированно сохраняется для потомков. Когда мы проводим операции над битами, результаты тоже подчиняются строгой бинарной логике и не выдают неожиданных значений. Два плюс два равно четыре.

А вот если мы возьмем что-нибудь с квантовыми эффектами, то тут с определенностью, сами знаете, как-то уже не очень. Квантовые объекты в этой главе мы будем называть кубитами (кстати, кубики тут не причем, Q-бит, квантовый бит — и всего-то). Кубитом может быть вещь, состояние которой находится в суперпозиции: электрон, у которого спин одновременно и вверх и вниз, или пространственная ориентация фотона, когда электромагнитное поле как бы вдоль и поперек (поляризация), или даже кот Шрёдингера, живой и мертвый одновременно.

Для квантовых вычислений интерес представляет совсем не итоговое значение кубита, измерение состояния кубита означает конец игры и ничего феноменального в себе не несет. В квантовых вычислениях всё веселье состоит в манипуляции вероятностями состояний кубита. Вы можете и не поверить, но технически мы способны менять вероятности обнаружения кота живым. К примеру, вот у нас коробка с котиком, мы знаем, что вероятность потискать его живого — 50 %. А вот нажимаем волшебную кнопку, и вероятность спасения кота уже 80 %. Или даже 100 %. Или ноль. При этом мы не знаем, что там с котом, не знаем, каким мы его обнаружим, когда откроем коробку. Ведь даже при вероятности 99 %, что он жив, Вселенная может выкинуть нам однопроцентный трагический исход. Но, мы знаем вероятности и умеем с ними обращаться.

Читатели конечно же понимают, что кубиты из котиков это плохая идея, поэтому квантовые алгоритмы ваяют на фотонах и электронах. Электрон пропускают через магниты и добиваются поворота его спина таким образом, что при измерении вероятность спина, скажем, вверх, будет 100 % или 60 %, 50 %, 10 % и так далее. Главное, что состояние электрона не измеряется, а через воздействие, меняются вероятности, не разрушая суперпозиции. Да, технически это сложно, частицы пытаются свалить в закат, сколлапсировать по любому поводу, провзаимодействовать с космическими лучами, сбиться с курса от кашля в соседнем подземелье и так далее. Поэтому головная боль инженеров совсем не в алгоритмах, а в том, как держать кубиты в изоляции от внешнего мира — только тогда они будут работать как требуется.

Итак, не углубляясь в технические детали, мы уразумели, что в квантовых вычислениях, мы творим с вероятностями странные вещи. И тут хитрые математики предложили несколько логических операторов для манипуляций с состояниями кубитов. В обычном доисторическом компьютере логические операторы опять же известны любому, кто хоть раз пытался в Экселе упростить себе сбор отчета с помощью формул. Помните, все эти логические И, ИЛИ, НЕ? Это операторы над битами, которые принимают одни значение битов и выдают другие. С кубитами такие операции не прокатят, потому что применение такого оператора на обычном компьютере означает считывание значения бита, его измерение и дальнейшая обработка результата. В квантовом компьютере мы должны как можно дольше издеваться над кубитом, не выясняя его значение.

Вот почему в квантовой логике используются другие операторы. Чаще всего их называют логическими вентилями или гейтами. Так типа круче, сразу видно, что не олдскул какой-то, а квантовый программист. Будем тоже использовать эти словечки, что мы хуже что ли?

Все гейты мы описывать не будем. Расскажем про самые известные.

Например, гейт «квантовый NOT». По смыслу он похож на обычный оператор «НЕ». Этот гейт меняет местами вероятности в кубите. Вот, например, был у нас кубит, у которого вероятность сколлапсировать в ноль составляет 20 %, а в единицу — 80 %. Применяем гейт NOT и теперь у нас получается, что вероятность нуля — 80 %, а единицы — 20 %. Инвертировали кубит, так сказать. Занятно, как минимум!

Другой гейт назван в честь одного математика с фамилией Адамар. В общем и целом, гейт Адамара переводит вероятности кубита в равные значения. Помните полупрозрачное зеркало в главе про двущелевой эксперимент, который делил суперпозицию падающего на него фотона на две траектории с одинаковой вероятностью. Вот это, в принципе, и есть гейт Адамар. Но в математике он записывается сложно и непонятно. Поэтому запомним его таким.

Далее, конечно, все сложнее и сложнее. Квантовые вычисления были бы скучными, если бы выполнялись на одном кубите. Но если взять пару кубитов (или даже побольше), вот тут-то и начнется жара! При выполнении логических операций над несколькими кубитами происходит не просто какое-то там перемешивание вероятностей, а кубиты еще и запутываются (см. предыдущие главы).

Вот, к примеру, квантовый гейт, который называют «контролируемое отрицание» или CNOT. Для его работы нужно уже как минимум два кубита. Гейт инвертирует второй кубит, если первый кубит равен единице. При этом мы уже получаем не изолированные кубиты, а систему запутанных кубитов, когда изменение в одном влияет на другие.

Контролируемое отрицание может быть представлено в еще более сложных версиях (CCNOT, CSWAP) когда в операции участвует больше кубитов, как обычных, так и контролирующих. На таких гейтах можно создавать серьезные вычислительные устройства, а не только баловаться!

Так как же всё это использовать на благо человечества?

Из кубитов и операций над ними собираются вычислительные алгоритмы, которые должны иметь преимущество перед обычными компьютерами. Обращаем внимание, что не все вычисления будут работать быстрее, а лишь некоторые, вроде поиска делителя числа, когда требуется выяснить простое у нас число или составное. Квантовый компьютер найдет решение значительно быстрее, чем классический компьютер. В системе запутанных кубитов вычисление происходит не по одному числу, а сразу по всем (суперпозиция же: представьте себе три бита, в которых одновременно закодированы все числа от нуля до восьми). И с помощью вышеупомянутых гейтов квантовый программист может выделить правильный ответ. Так сказать, пометить. Поставить знак минус в наборе амплитуд вероятности, который никак не влияет на вероятность (она же, помните, квадрат амплитуды). Физически этот минус ничего не значит, а вот для алгоритма это важно. Опять же через все эти логические вентили мы вытаскиваем нужное помеченное значение и остается его только прочитать.

Наш любимый пытливый читатель спросит, но ведь у нас там одни вероятности, даже если мы получаем правильный ответ, то ведь нет никакой гарантии, что при считывании результата мы получим нужное значение? Программисты оригинально решают проблему с помощью усилителя вероятностей. Это еще один заумный блок операторов квантового алгоритма, который занимается тем, что повышает вероятности нужного нам значения. Поэтому квантовый компьютер считает не один раз, а несколько, с каждым разом увеличивая вероятность правильного считывания результата. Так как существует хоть и небольшая, но ненулевая вероятность неправильного ответа, то результат дополнительно проверяется обычным компьютером.

В итоге даже при условии, что квантовый компьютер решает задачу несколько раз ради высоковероятной точности ответа, всё равно результат мы получаем намного быстрее, чем при использовании классического компьютера.

Отметим, что квантовый алгоритм не один, их существует несколько для разных задач. Самые известные это алгоритм Гровера (для задач перебора), алгоритм Шора (для разложения числа на множители), алгоритм Дойча (определение типа функции) и так далее. Да, они сложные, трудно описываемые человеческим языком, с непривычной логикой и непонятными символами. И все-таки вы можете найти в интернете сервисы, позволяющие почувствовать себя квантовыми программистами. На сайте того же IBM есть возможность поиграться с квантовыми гейтами на пяти кубитах. Конечно, квантовые крестики нолики вы не создадите, но въехавшему в тему сложить два числа будет вполне под силу.

Остался вопрос, и где эти компьютеры? Ответ зависит от того, что на сегодняшний день считать квантовыми компьютерами. В лабораториях ученых и в мрачных подземельях IT-гигантов что-то получается, они запускают систему кубитов, проводят над ними операции и получают правильные результаты. Но на эти исследования тотчас же обрушивается тонна критики и скептицизма, мол, вы вот тут запутали десяток кубитов в условиях близких к сферическому коню в вакууме. Но повторить это в домашних условиях нет никакой возможности и скорее всего такой возможности не представится. Ну, разве что кто-нибудь додумается до революционной технологии изоляции кубита или, что еще вероятнее, прилетят инопланетяне и поделятся идейками. Так что, несмотря на громкие заявления в СМИ бытовых квантовых компьютеров у нас до сих пор нет. В лабораториях же проводятся сверхдорогие эксперименты, в которых на квантах решают задачи, которые можно быстрее посчитать даже не на калькуляторе, а на бухгалтерских счетах. Есть еще пресловутые компьютеры от D-Wave, про которые вы даже могли слышать, но спешим вас разочаровать: это не совсем квантовые компьютеры, в них применяется квантовый отжиг — веселенькое такое понятие, означающее поиск оптимальных значений функции с помощью квантовых эффектов. То есть компьютеры D-Wave созданы только для одной задачи и работают по отличному от описанного выше принципу. Однако те же спецы из Google подтверждают, что алгоритмы D-wave превосходят классические алгоритмы задачи оптимизации, а значит оно работает и это прекрасно.

Ждать ли нам квантовые компьютеры в ближайшем будущем? Будет ли у нас с помощью кубитов собираться за наносекунду отчет и пасьянс? Правда ли что искусственному интеллекту нужны квантовые алгоритмы? Лично наше мнение: вряд ли. И препятствует этому не только технологический затык, но и скромная область применения алгоритмов — разработчикам открыто непаханое поле заумной математики, где рулят комплексные числа и многомерные пространства. Программист будущего вряд ли отделается знанием бинарной математики, а значит, нам, гуманитариям, придется подтягивать матчасть и таки браться за учебник элементарной высшей математики, чтобы хоть немного понимать, что у них там происходит.

Список рекомендуемой литературы (и других источников)

Здесь наш коллектив собирается сделать как бы каминг-аут, раскрыть свои козыри, признаться в сокровенном. А именно рассказать, куда подсматривали авторы, делая такой (разумеется) шикарный пересказ банальных физических явлений. Перед вами список источников с авторскими комментариями. Мы рекомендуем их для дальнейшего изучения и постижения загадок физики тем, кому понравилась наша книга, но требуется еще чуть более забористо, и чтобы было все понятно, или почти понятно. Возможно, мы будем сюда что-нибудь добавлять, а то ведь источников много, а мы одни!

Литература

Г. Анфилов. Бегство от удивлений (М., Детская литература, 1974).

Советский научпоп был невероятно качественным. И несмотря на то, что многие книги тех времен устарели, немалое количество книг остается вполне себе актуальными. Эта книга написана для старшеклассников, иначе говоря, ничего сложнее школьной математики в ней не будет, а автор очень хорошо разложил по полочкам общую теорию относительности. Однозначно читать для хорошего понимания гравитации. А потом уже можно и Эйнштейна в оригинале.

Педро Ферейра. Идеальная теория. Битва за общую теорию относительности (СПб.: Питер, 2015).

В этой книге вообще не будет формул. Здесь рассказывают об истории изучения гравитации. От Эйнштейна до черных дыр, от Большого Взрыва до гравитационных волн. История физики. В том числе с нелицеприятными подробностями. Они там тоже люди, и, так же, как и все мы, делают друг другу гадости. Очень интересно. И это еще даже не про квантмех…

Рендалл Л. Достучаться до небес (М.: Альпина нон-фикшн, 2016).

Неплохой обзор физики частиц от гарвардской профессорши. Научный взгляд на устройство Вселенной. Тоже все прекрасно, без формул, с отсылками к литературе и попытками не утомлять читателя. В этой книге мы обнаружили много информации про строительство и наладку Большого Адронного Коллайдера.

Маркус Чоун. Чудеса обычных вещей (М.: Ломоносовъ, 2012).

Небольшая книга, где автор, радиоастроном из КалТеха, пытается быстренько рассказать, как обыденные явления объясняются квантовыми явлениями. Местами у него написано даже проще, чем у нас. Приятное образовательное чтиво.

Файер М. Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир (СПб.: Питер, 2016).

Книжечка посерьезнее предыдущих, тут будут попадаться формулы и жуткие формулировки квантмеха. Основной упор повествования сделан на химию: почему она работает, или, скажем, почему мыло мылится. Некоторые места придется перечитывать несколько раз. Но книга стоящая, как минимум, первая треть, где автор разжевывает основы квантовой физики.

Стивен Хокинг. Краткая история времени.

Автора знают все. Чего тут дополнительно рассказывать. После изучения наших лекций кое-что у Хокинга будет даже понятно. А он там, ух, заворачивает, особенно его вот эта вот идея о мнимом времени, чтобы избежать парадокса Большого взрыва.

Интернет-ресурсы:

www.eslitak.com — авторский сайт некоего Михаила (фамилию узнаем — напишем). Там у него есть две незамеченные широкой гуманитарной общественностью книги. Одна — «Квантовый ликбез» — в виде постов ЖЖ и еще одна «Квантовый мост» — оформлена в виде книги. В них он предлагает весьма приятную интерпретацию беспредела в квантовой механике (взятую, конечно, не с потолка) и, что самое интересное, объясняет ее простым философским языком без высшей математики. Минимум расчетов из теории вероятностей — не более, их можно даже пропускать. Там же он подробно рассказывает, как устроены алгоритмы квантовых компьютеров — да, наша глава про них — его заслуга. Если вам хочется глубже втянуться в квантмех и «кое-что понять» спешите срочно читать «Квантовый ликбез». Крайне рекомендуем.

YouTube-канал Veritasium Дерека Мюллера. Наверное, многие знают этого дядьку, среди прочего у него встречаются классные ролики по квантовой физике и теории относительности, а иногда про них одновременно. Его часто переводят на русский язык, например, студия Vert Dider, в общем найдете.

(Список пополняется).

Оглавление

Дисклеймер

Глава 1 Скорость света

Глава 2 Одновременность событий

Глава 3 Гравитация. Почему падает яблоко

Глава 4 Парадокс близнецов

Глава 5 Что такое кванты

Глава 6 Материя. Частицы

Глава 7 Материя. Поля

Глава 8 Материя. Вакуум

Глава 9 Ускорители и коллайдеры

Глава 10 Корпускулярно-волновой дуализм

Глава 11 Двухщелевой эксперимент

Глава 12 Кот Шрёдингера и параллельные миры

Глава 13 Неопределенность Гейзенберга

Глава 14 Электрон в атоме

Глава 15 Квантовые компьютеры

Список рекомендуемой литературы (и других источников)