В 1912 году на воздушном шаре, зависшим примерно в трех милях над землей,
австрийский учёный по имени Виктор Гесс сделал одно из самых удивительных научных открытий.
Именно здесь наверху Гесс обнаружил, что загадочные лучи энергии изливаются из космоса
и пронизывают Землю.
Они были невероятно мощными, лучей такой мощности никогда не наблюдали прежде. Их назвали космическими лучами.
В то же самое время в лабораториях на Земле
ученые изучали также весьма загадочные и мощные лучи энергии,
излучаемые атомами, и известные как радиоактивность.
Загадочные лучи из бескрайних просторов космоса и загадочные лучи из глубины атома -
крошечного "строительного кирпичика".
В действительности никто не понимал, что они собой представляли, да и связаны ли они между собой вообще.
А далее открылись удивительные подробности.
Космические лучи и радиоактивность оказались связаны таким поразительным образом, что это просто в голове не укладывается!
Открытие этой связи заставит нас переосмыслить природу самой реальности.
Мир, который был таким знакомым, прочным, надежным миром наших ощущений -
это лишь крошечная частичка бесконечной вселенной,намного более странной, чем мы могли бы себе представить.
Наша реальность - лишь иллюзия.
BBC: Atom / Атом e3 The Illusion of Reality / Иллюзия Действительности русские субтитры TrueTransLate.tv
До середины 1920-х годов атом открывал нам свои странные секреты
в поразительном темпе, так что одна научная революция следовала за другой.
В 1897 году Мария Кюри изучала странные лучи, испускаемые некоторыми редкими металлами.
Она назвала их радиоактивностью.
Затем, в 1905 году, Альберт Эйнштейн окончательно доказал существование атома и определил его размер,
изучая хаотичное движение пыльцы в воде.
Несколько лет спустя новозеландец Эрнест Резерфорд провёл эксперимент в Манчестере,
который открыл ему внутреннее строение атома.
Ученый был потрясен, обнаружив, что атом почти полностью состоит из пустого пространства.
Почти сразу возник вопрос: "Как же такое возможно, что пустой внутри атом делает мир вокруг нас таким плотным?"
Ответ на этот вопрос дала группа физиков-революционеров из Дании.
Они предложили теорию, что мир атома основан на принципах,
совершенно отличных от всех тех, что когда-либо прежде были известны человечеству.
Это означает, что атом, основной строительный блок всего во вселенной, был уникален.
И природа его, возможно, находилась за пределами человеческого понимания.
Затем ученые исследовали ядро - крошечное сердце атома.
Они обнаружили, что его распад сопровождается мощным выделением энергии.
Это открытие дало им потенциальную возможность уничтожить Землю,
но при этом поразительном повороте событий оно также привело их к принципиальному пониманию того,
как была создана вселенная.
И тем не менее, путь к пониманию странного и своенравного атома
только-только начинался.
В 1927 году на математическом факультете Кембриджского университета учился молодой человек.
Застенчивый, неловкий, неуклюжий, но с пугающе блистательным умом.
Его звали Поль Адриен Морис Дирак.
Вероятно, справедливо будет сказать, что имя Поля Дирака не было широко известно.
А должно было быть. Недавно за него проголосовали другие учёные-физики,
признав его вторым величайшим английским физиком всех времен после Ньютона.
И он заслуживает таких почестей. Смелость идей и нетрадиционное мышление в его работе
оставило далеко позади все блестящие умы, всех пионеров атомной физики.
Когда Эйнштейн прочитал статью на тот момент 24-летнего Дирака, он сказал:
"Дирак вызывает у меня беспокойство.
Это головокружительное балансирование на грани между гениальностью и безумием - ужасно".
В 1927 году по причинам, которых так никто и никогда по-настоящему не понял,
Поль Дирак поставил перед собой задачу, которая была монументальной по своим масштабам -
объединить науку.
Свести её разрозненные части в единое прекрасное целое.
Что означало прежде всего - объединить две самые сложные
и трудные для понимания идеи в истории.
Вот что Дирак пытался согласовать.
Первая - это квантовая механика, математические уравнения, описывающие атом и его составные части.
Далее, есть Специальная теория относительности Эйнштейна, которая, на первый взгляд, не связана с квантовой механикой,
поскольку она касается таких возвышенных вопросов, как природа пространства и времени.
Одним из её следствий является то, что объекты ведут себя совершенно иначе,
когда движутся со скоростью, близкой к скорости света.
Первое, что вы могли бы спросить - зачем кому-то понадобилось согласовывать две такие разные теории?
Итак, в конце 1920-х годов уравнения квантовой механики
постоянно давали неверные ответы при описании электрона, одного из компонентов атома,
поскольку электроны перемещаются с очень высокой скоростью.
Но у Дирака были и другие подспудные мотивы.
Однажды он сказал: "Физическая теория должна быть математически прекрасна".
Поэтому для него тот факт,что квантовая механика и теория относительности не согласованы, был не просто неудобен -
он был абсолютно неприемлем.
И приблизительно в 1925 году, в Кембридже
Дирак заставил работать над этим свой исключительный ум, с которым было сложно сравниться даже Эйнштейну.
Это комната А4 в Нью-Корте. Вот кабинет, в котором работал Дирак.
Старый камин уже не используется,
но именно здесь Дирак попытался понять и объединить две новые идеи в физике.
Говорят, будто бы Дирак сидел здесь, перед пылающим камином,
и пытался понять и соединить вместе эти две разные теории в одну единую картину,
в одно единое уравнение.
Последовали три года неудач, в течение которых он в одиночку отчаянно бился над этой проблемой.
Затем однажды вечером, в начале 1928г, он совершил удивительное открытие.
Единственный способ объяснить, что же именно произошло - это сказать, что уравнения квантовой механики
и Специальной теории относительности объединились в голове Дирака.
Эйнштейновское описание пространства и времени растягивало и сжимало существующие уравнения атома.
Оно изогнуло и скрутило их в новые причудливые и замечательные формы.
Затем, руководствуясь своей нерушимой уверенностью в том, что законы природы должны быть красивы,
Дирак вывел в одном уравнении совершенно новое описание того, что происходит внутри атома.
Дирак знал, что оно было верным, поскольку оказалось математически красивым.
Вот оно, уравнение Дирака.
Не пытайтесь понять. Просто смотрите на него и восхищайтесь.
Оно в одном ряду с такими человеческими достижениями, как "Король Лир", "Пятая симфония" Бетховена или "Происхождение видов".
В этих символах скрыто идеальное описание того, как реальность работает на фундаментальном уровне.
Это ключ к секретному коду природы.
С безупречной математической элегантностью
уравнения Дирака описывают атомные частицы, движущиеся с любой скоростью,
вплоть до скорости света.
Это превосходило то, чего ожидал достичь Дирак, но когда он посмотрел на своё собственное уравнение более внимательно,
он заметил в нём нечто совсем революционное.
Позднее он сказал, что его уравнение знало больше, чем он сам.
По сути, уравнение Дирака говорило ему, что есть и другая вселенная, которую мы раньше просто не замечали.
А дело было в том, что вместо одного ответа
его уравнение имело два.
Первый описывает вселенную, которую мы знаем, сделанную из привычных нам атомов.
Второй описывает зеркальное отображение нашей вселенной,
состоящее из атомов, свойства которых каким-то образом изменились на прямо противоположные.
Поклонники научной фантастики поймут, о чём идет речь. Уравнение Дирака
не только описывает материю, но и предсказывает существование антиматерии.
Теория Дирака, в сущности, говорит, что для всего в нашем знакомом мире,
для каждой части атома, каждой частицы, может существовать античастица
с такой же массой, но совершенно ей противоположная во всех других отношениях.
И словно мир в зеркале, вселенная, состоящая из атомов антиматерии, выглядела бы и работала бы
так же, как и наша.
Вполне возможно, что я был бы сделан из антиматерии.
Анти-я выглядел и вел себя точно так же, как и настоящий я.
И вполне возможно, что там, в огромных просторах космоса,
есть звезды и планеты и даже живые существа, сделанные из антивещества.
Таков окончательный прогноз уравнения Дирака.
В нем говорится, что вещество и антивещество никогда не должны вступать в контакт. Если это произойдет,
они уничтожат друг друга во взрыве чистой энергии.
Суммарная масса вещества и антивещества будет полностью преобразована в энергию
согласно известному уравнению Эйнштейна E = MC2.
Так что, если я когда-нибудь всё-таки встречу своего антипода, мы аннигилируем
с энергией, эквивалентной миллиону атомных бомб, сброшенных на Хиросиму.
Всё это звучит как научная фантастика, и идея антивещества породила множество кривотолков.
Но на самом деле антиматерия, особенно электроны из антиматерии, называемые позитронами,
в наши дни запросто производятся в лабораториях.
Позитроны используются в сложных медицинских устройствах, называемых ПЭТ-сканерами,
которые позволяют видеть сквозь наш череп и делать точные снимки нашего мозга.
Но в 1920-е годы первая реакция на уравнение Дирака среди физиков была глубоко скептической.
Даже Дирак с трудом верил собственным результатам.
Концепция антиматерии казалась такой нелепой.
Затем пришло громкое подтверждение уравнения Дирака и всех его парадоксальных последствий,
и оно пришло из самого неожиданного места - внешнего космоса.
В 1932 году физик Карл Андерсон из Калифорнийского технологического института в Лос-Анджелесе (КалТеха)
сделал удивительное открытие.
Он изучал космические лучи.
Эти субатомные частицы с высокой энергией, которые непрерывно бомбардируют Землю из космоса.
Для этого он использовал устройство, называемое конденсационной камерой.
В сущности, это сосуд, наполненный густым туманом из водяного пара.
Он показывает следы частиц, как они струятся сквозь пар.
При воздействии магнитного поля эти следы отклоняются в ту или иную сторону
в зависимости от электрического заряда частицы. При положительном заряде следы ведут в одну сторону, при отрицательном - в другую.
Андерсон нашел доказательство существования частиц, выглядящих так же, как электроны,
но отклонявшихся в противоположном направлении.
Он обнаружил анти-электроны Дирака - частицы антиматерии.
Уравнение Дирака - впечатляющее достижение.
То, что предсказание существования антиматерии было сделано при использовании лишь абстрактных математических выкладок,
уже делало это событие важной вехой в истории человеческой мысли.
Но уже через несколько лет после публикации сначала Дирак, а затем и остальные почувствовали,
что его новое уравнение открывает дверь к чему-то более глубокому,
к каким-то совершенно новым знаниям о природе. И они были правы.
Но чтобы понять, что именно скрыто внутри уравнения Дирака,
даже величайшим умам понадобится 30 лет.
Проблема уравнения Дирака в том,
что хотя оно было невероятно мощным и привело к открытию антивещества,
в конечном счете, оно было способно описать только единичный электрон. Оно не полностью объясняет, что происходит
если во взаимодействии участвует более одного электрона. Для объяснения взаимодействия электронов
требовалась новая теория.
И в середине 20-го века этот вопрос оказался наиболее трудным.
Но полученный ответ принес с собой неожиданное разоблачение.
Этот кабинет в КалТехе принадлежал великому Ричарду Фейнману.
В нашей истории среди стольких научных гениев,
на мой взгляд, Фейнман занимает второе место, уступая лишь Эйнштейну в списке величайших физиков 20 века.
Фейнман не был обычным, заурядным гением.
Он был настолько умён и так нестандартно мыслил, что многие относились к нему как к волшебнику.
Как и Эйнштейн, он стал настоящей мифической фигурой, его имя было широко известно.
Фейнман был больше, чем просто яркой личностью.
Он любил сочинять и рассказывать анекдоты о самом себе.
Он часто бывал в стриптиз-клубах. У него были интрижки со студентками и, по слухам, он участвовал в оргиях.
Но роль, которую он сыграл в разработке следующего этапа квантовой механики,
была его величайшим вкладом в физику.
Фейнман и его современники пытались поднять атомный факел Поля Дирака
и разработать теорию, которая позволила бы нам буквально совершить "квантовый скачок" в понимании атома.
Как и для предшествующего уравнения антиматерии Дирака, целью новой теории было объединение.
Они хотели понять, как электроны влияют друг на друга.
Иными словами, она стремилась объяснить взаимодействие всего со всем именно с точки зрения электромагнитного поля.
Они назвали свой проект квантовой электродинамикой или КЭД.
Он был чрезвычайно сложен, но конечный результат был великолепен -
одна из самых далеко идущих естественно-научных теорий из когда-либо созданных.
Например, она предсказывает, что определенное свойство электрона,
которое называется его магнитным моментом, должно иметь значение...
Эксперименты дали такой же результат. И соответствие между теорией и экспериментом
составило одну десятимиллиардную. Это беспрецедентный уровень согласованности.
Это как измерить расстояние между Лондоном и Нью-Йорком с точностью до толщины волоса.
Феноменальная точность, которую продемонстрировала квантовая электродинамика,
подкрепляется практически всем, что мы испытываем в физическом мире.
С ней мы ближе, чем когда-либо раньше, подошли к Теории Всего.
Она бросает вызов законам природы в масштабе атома.
Она объясняет форму, цвет, строение, то как они взаимодействуют и как связаны между собой.
Она охватывает все: от биохимии человека до вопроса: Почему мы не проваливаемся сквозь пол?
Итак, что же на самом деле говорит КЭД?
О том, что добраться до сути будет очень сложно.
Это, возможно, прекрасное научное описание природы,
но пытаться понять, что именно Фейнман собирался делать со своей теорией практически невозможно.
Вот что сказал он сам, когда представил свою теорию:
"Моя задача убедить вас не отворачиваться от неё из-за того, что вы не в силах её понять.
Мои студенты-физики не понимают её. Это потому, что я её не понимаю. Никто не понимает".
Если первооткрыватель теории её не понимает, то есть ли надежда для остальных?
Как бы то ни было, с этой оговоркой, я постараюсь объяснить.
Во-первых, вы должны отказаться от ваших наиболее привычных представлений о природе.
Вы должны отказаться от понятия, что пустое пространство является пустым.
Позвольте мне попытаться объяснить.
Если бы мне пришлось выкачать весь воздух из этой банки,
вы бы совершенно точно сказали, что после удаления всех атомов, я останусь с вакуумом,
с объемом безупречной пустоты.
Квантовая электродинамика в противоположность этой идее
говорит, что вакуума не существует, я повторю - не существует такого места, где ничего нет и ничего не происходит.
Напротив, он полон вещества.
И активно двигается.
Как же это может быть на самом деле?
Хорошо, давайте представим одну крошечную точку в пустоте.
Здравый смысл подсказывает нам, что там ничего нет, но квантовая физика говорит нам,
там ничего нет только В СРЕДНЕМ. Это заставляет нас переосмыслить наше понимание реальности.
Подумайте о пустом пространстве, как о банковском счете, на котором в среднем ничего нет.
Это понятие мне знакомо!
В один день там могло быть 100 фунтов в кредите, а в другой - 100 в дебете.
Но в среднем баланс нулевой.
Пустое пространство, оказывается, обладает навыками бухучета,
но оно, скорее, предпочитает занимать энергию, а не деньги,
и этот в буквальном смысле займ из будущего предоставляется на условии очень быстрого возврата.
На практике это означает, что заимствованная энергия может быть использована для создания частицы и античастицы,
которые спонтанно формируются из пустоты при условии, что долей секунды позже
они уничтожат друг друга и исчезнут.
Энергия взялась из ниоткуда.
Превратилась в материю. Материя затем самоуничтожилась обратно в энергию.
И это происходит в пустоте повсюду и одномоментно.
На самом деле теория антивещества Дирака великолепно подтвердила то,
что вакуум бурлит от огромного количества частиц вещества и антивещества,
которые непрерывно создаются и взаимоуничтожаются.
Там, в самых микроскопических масштабах пространства продолжается не затихающий шторм созидания и разрушения.
Физики называют это квантовой пеной.
Частицы в квантовой пене появляются и исчезают так быстро, что мы абсолютно ничего о них ведаем.
Мы называем их виртуальными частицами, но если бы мы могли замедлить время... практически остановить,
мы смогли бы увидеть эту бурлящую деятельность - это постоянное создание и аннигиляцию материи и энергии -
эту фабрику самой реальности.
Отсюда следует самая невероятная идея из всех возможных.
Квантовая электродинамика утверждает, что вещество, которое, как мы думаем, составляет обыденный мир,
мир, который мы видим и ощущаем,
лишь своего рода остаток всей этой лихорадочной активности
виртуальных частиц в вакууме.
Таким образом, вы, я, Земля, звезды, всё,
лишь часть более глубокой, бесконечно более сложной реальности, чем мы когда-либо себе представляли.
Конечно, когда Фейнман первым начал развивать свои революционные идеи в КалТехе в середине 40-х годов,
его современники пришли в ужас,
потому что в то время считалось, что проект квантовой электродинамики
был абсолютной катастрофой.
Эту теорию было нельзя объяснить.
У уравнений были решения, которые нельзя было понять разумом. Математикой вертели как хотели.
Но Фейнман верил, что смог бы найти способ, обойдя все математические затруднения, достичь новой истины.
Что он и сделал со всем высокомерием и уверенностью, свойственной молодости,
он буквально "продрался" сквозь безумно сложную математику.
Для объяснения своей новой идеи Фейнман разработал новую серию или цикл
диаграмм, чем-то похожих на детские рисунки.
Их изящная простота бросала вызов сложной математике, используемой в традиционной квантовой механике.
Казалось, конфликта не избежать.
Затем, в 1948 году, в возрасте 30 лет Ричард Фейнман решил раскрыть свою спорную версию
квантовой электродинамики с её своеобразными диаграммами перед сливками мировой физики.
И он выбрал наиболее важные научные конференции в американском научном календаре.
Список участников конференции на острове Шелтер рядом с побережьем Пенсильвании ограничивался кругом знаменитых физиков.
Среди присутствующих был Нильс Бор, которого называли отцом атомной физики,
открывший антивещество Поль Дирак и человек, в активе которого была американская атомная бомба -
Роберт Оппенгеймер.
Атмосфера в начале конференции была мрачной.
Уверенности квантовая электродинамика не внушала.
Теория казалась отчаянной неразберихой.
Один за другим физики вставали, безнадежно и занудно твердили о том, что поиск решения обречен на неудачу.
Затем настала очередь Ричарда Фейнмана.
Всего 30-ти лет от роду, он держал речь перед самыми выдающимися учеными,
представив им свои новые диаграммы и уравнения.
То, что случилось потом, было поразительно.
Жаркий спор вспыхнул не из-за странного описания реальности Фейнмана,
физики привыкли к странностям,
но из-за того, что он осмелился визуализировать происходящее.
Вместо использования загадок, сложной математики,
Фейнман описал, на что были способны все его виртуальные частицы, используя свои простые картинки.
Случился скандал. Нильс Бор, отец квантовой механики, вскочил со стула с отвращением.
Он тут же возненавидел диаграммы Фейнмана, потому что они шли в разрез с тем, чему он посвятил всю свою жизнь.
Он считал, что частицы атома не могут быть визуализированы ни при каких обстоятельствах.
Фейнман защищал свою новую теорию,
пытаясь объяснить, что диаграммы были просто инструментом, чтобы помочь визуализировать его новые уравнения.
Но остальная часть ученых, в том числе и Дирак, не хотели его слушать,
и назвали его идиотом, который ничего не понимает в квантовой механике.
Фейнман закончил свою лекцию побитым, но нераскаявшимся.
Он знал, что его диаграммы и уравнения были правильными.
Если бы только он смог убедить других.
В тот вечер Фейнман встретил другого молодого физика по имени Джулиан Швингер.
Он был того же возраста, что и Фейнман, в 12 лет его сочли вундеркиндом.
Хотя он и Фейнман работали независимо и подходили к проблеме совершенно по-разному,
они пришли к одинаковым выводам.
С помощью своих новых уравнений, они смогли решить проблему квантовой электродинамики,
и с диаграммами Фейнмана они создали теорию удивительной силы.
Вместе, уже как союзники, они спланировали настоящее фронтальное наступление на Нильса Бора и консерваторов.
К концу "конференции"
настроение в ресторане Пенсильвания Роудхаус изменилось от полной безнадежности
до воодушевления и неуемного восторга.
В течение следующих нескольких лет их теория была конкретизирована
и быстро стала наиболее точной и мощной теорией человечества среди всех когда-либо существовавших.
Несмотря на то, что наконец была понята суть квантовой электродинамики,
ощутить пустое пространство, кипящее энергией, и увидеть виртуальные частицы мы не можем,
из-за чего у многих людей, включая физиков, остается толика сомнения.
И многие скептики могут сказать, что эти призрачные объекты, которые предположительно заполняют вакуум,
на самом деле не существуют.
Да, сложные математические уравнения, по-видимому, нуждаются в них,
но это само по себе не означает, что они существуют. Они могут быть просто математической фантазией,
не соответствующей действительности.
Но у меня плохая новость для скептиков.
С конца 1950 годов не получено прямого доказательства, что пустое пространство хоть в малейшей степени не пустое,
но бурлящая активность снова и снова регистрировалась в лабораториях.
Самое удивительное, что первое подтверждение доказательства того,
что пустота не пуста, появилось из банки с майонезом.
В 1948 году физик Хендрик Казимир, работал в научно-исследовательских лабораториях Филипс в Голландии
над непонятной, на первый взгляд, проблемой коллоидных растворов.
На самом деле это лишь причудливое название для таких веществ, как краска.
И майонез,
который тоже состоит из крошечных твердых частиц, взвешенных в жидкости.
Видите ли, никто не знал, почему майонез не был жидким. Почему он не вел себя как нормальная жидкость?
Словно какая-то странная сила удерживает молекулы майонеза вместе, делая его вязким.
И это заставило Казимира задуматься.
В момент озарения
Казимир осознал, что таинственная сила, которая притягивает молекулы майонеза друг к другу,
связана с таинственными виртуальными частицами в пустом пространстве.
И более того, он предложил эксперимент, который позволил бы всем обнаружить и увидеть эти частицы.
Для того, чтобы провести эксперимент Казимира, потребовалосьё десять лет подготовительных работ в лабораториях.
Но в сущности это довольно просто.
Вы подвешиваете в вакууме две металлические пластины, очень близко друг к другу.
У этих пластин нет ни магнитных свойств, ни электрического заряда, поэтому предполагается, что они останутся неподвижными,
не будут воздействовать друг на друга.
На самом деле, со временем они начинают двигаться навстречу друг другу
из-за крошечной силы, которая сдвигает их вместе.
И эта толкающая сила, как показал Казимир, была вызвана
виртуальными частицами, которые заполняют вакуум.
Как ветер, который толкает парус лодки на море, материал, из которого состоит пустота толкает пластины друг к другу.
Тот факт, что ничто, полнейшая пустота могла оказать небольшое, но реальное механическое усилие,
безусловно, один из величайших магических трюков природы.
Давая волю своей фантазии, физики прикидывают, как эта так называемая энергия вакуума
может быть однажды использована.
Они представляют её топливом для межгалактических космических кораблей, несущих людей сквозь космос.
Кто знает, осуществится ли это, но этот майонез может когда-нибудь привести к космическому путешествию,
и этой связью Дуглас Адамс мог бы гордиться.
Квантовая электродинамика, по любым меркам,
несомненно великолепное открытие.
Это одно из самых великих достижений нашей истории, прекрасное завершение 50 удивительных лет научных исследований.
В квантовой электродинамике атом дал нам теорию, которая во многом объясняет нашу вселенную
с потрясающей точностью.
Но с триумфальным пришествием квантовой электродинамики в конце 40-х
наша история становится довольно беспорядочной и неудобной.
Опираясь на выводы квантовой электродинамики, ученые были убеждены, что подавляющее большинство
всего во вселенной состоит, по существу, только из двух вещей - атомов и света.
Свет состоит из крошечных частиц, называемых фотонами.
А атомы из трех компонентов - электронов, протонов и нейтронов.
А антивещество, соответственно, из антипротонов, антинейтронов и позитронов -
немного странно, но привлекательно с точки зрения симметрии.
Всё в "физическом саду" было розовым благодаря правилам квантовой электродинамики,
но потом, к чрезвычайному раздражению любого настоящего физика,
внезапно появилось множество новых и причудливых частиц, подобно незваным гостям на вечеринке, чтобы испортить удовольствие.
Экзотические объекты, которые не вписывались в любые известные теории, появлялись в физических лабораториях
с такой частотой, что физики не успевали давать им всем названия.
Нейтрино, положительный пион, отрицательный пион, каон, лямбда, дельта...
И у каждого из них были двойники из антивещества.
Когда была обнаружена одна новая частица, мюон, физики шутили: "Кто это заказывал?"
Всё было в полном беспорядке, и физики в отчаянии называли это зоопарком частиц.
Стало казаться, что каждый раз, как только ученые решали одну из загадок природы,
атом преподносил им нечто ещё более странное.
В течение всего лишь нескольких лет атомная физика ушла с позиции спокойной непоколебимости,
скатившись к полному хаосу.
И, конечно, чтобы придать некий смысл этой новой тайне требовалась - да, вы угадали -
другая научная революция.
Третий гений в нашей истории - Мюррей Гелл-Манн.
Гелл-Манн был вундеркиндом. В свои 15 он уже начал изучать физику в Йельском университете
и в 20 закончил свою диссертацию. Его невероятный ум приводил в ужас тех, кто был рядом с ним.
Он говорил на многих языках и, казалось, имел глубокие познания по любому вопросу, о чём бы его не спросили.
Как и у Ричарда Фейнмана, к которому он присоединился здесь, в КалТехе в начале 60-х,
у него, казалось, была способность видеть основополагающие, скрытые тайны природы,
лежащие за пределами математики.
Гелл-Манн и Фейнман вместе образовали фантастический дуэт.
Этот кабинет, номер 456, ранее принадлежал Фейнману.
Примечательно, что в коридоре, где находился кабинет Мюррея Гелл-Манна, было только две двери.
Там шло интенсивное научное соперничество между двумя этими гигантами,
но именно этим они подпитывали свое творчество. Они были такие разные.
Фейнман строил из себя шута, а Гелл-Манн - культурного человека.
Гелл-Манн имел обыкновение мешать Фейнману своим громким голосом. Фейнман же обожал выводить его из себя.
Но в 60-70-е годы здесь, в КалТехе эти два гения
доминировали в мировой физике элементарных частиц.
Суровое соперничество подтолкнуло обоих к пределу их собственного воображения
в особенности это касалось Гелл-Манна, который отчаянно хотел доказать себе, что он выше Фейнмана,
и навести порядок среди этого зоопарка частиц.
В лихорадочно интеллектуальной атмосфере КалТеха,
Гелл-Манн придумал кое-что очень странное.
Он взялся работать с разными разделами математики
чтобы разобраться с засильем субатомных частиц.
Он использовал раздел абстрактной математики, так называемую теорию групп. Как следует из названия - это теория,
которая анализирует группы цифр и символов и пытается организовать их в простые модели.
Это как работать с оригами абстрактной формы.
Используя эту методику, Гелл-Манн начал приводить все известные частицы к организованной системе,
которую он назвал Восьмеричным путем, по аналогии с буддийской поэмой.
Но затем он совершил самое потрясающее открытие. Гелл-Манн понял, что его теория групп указывает
на более глубокие истины, положенные в основу математики, и они вполне могут переписать законы теории атома.
Математика Гелл-Манна показала ему, что для обеспечения согласованности
модели, включающей все новые частицы его Восьмеричного пути,
он должен признать более глубокую, лежащую в основе всего, фундаментальную реальность.
Вновь выяснилось, что всё было совсем не так, как им казалось.
Физикам было удобно иметь в распоряжении идею о том, что в атоме есть частицы трех разных видов -
электроны, летающие по орбите вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов.
Гелл-Манну хватило смелости предположить, что протоны и нейтроны сами состоят
из ещё более элементарных частиц, которые он назвал.
Мюррей Гелл-Манн был культурным и самонадеянным, но в глубине души ему не хватало уверенности.
Он знал, что для его коллег, даже для тех, которые привыкли к странностям атома,
кварки были чересчур смелым шагом.
И в любом случае, доказательств, что есть хоть что-то, отдаленно напоминающее кварк, не было вовсе.
Он был убежден, что его новую теорию объявят нелепой или просто ошибочной,
поэтому Гелл-Манн никому не сказал о своем открытии,
и одна из величайших идей в науке чуть не была утрачена навсегда.
Но потом появилась необыкновенная вещь, всего в нескольких сотнях миль к северу от его офиса.
Это стэнфордский линейный ускоритель, на юге Сан-Франциско.
То, что вы видите - это, в сущности, один конец гигантской электронной пушки.
Пучком электронов высокой энергии выстреливают в тоннель,
начало которого более чем на 3 км уходит в горы, идет под автострадой и выходит вот здесь,
откуда попадает на испытательную площадку. Серое здание - это Станция А,
где было сделано одно из самых важных открытий в области физики.
Оно было построено в 1960-х годах, в то время оно было (и по сей день остается)
самым длинным зданием на Земле. Хотя ему 40 лет,
строительные работы там продолжаются, и сегодня оно по-прежнему используется для фундаментальных исследований.
Сейчас я внутри здания линейного ускорителя длиной в 3 км.
Красные объекты справа называются клистронами,
и они обеспечивают усиление мощности электронного пучка, находящегося в полуметре под нами.
В пределах первых нескольких метров это ускорение разгонит электроны так, что они достигнут
99% скорости света. Для сравнения.
Если бы эти электроны начали свой путь одновременно с движением пули, выпущенной из пистолета,
они бы покрыли расстояние в полные 3 км прежде, чем пуля покинула бы ствол.
Электронный луч, перемещаясь со скоростью, близкой к скорости света, должен достичь мишени.
Там, где я сейчас стою, в 1968 году был большой резервуар водорода,
в основном состоящий из протонов. Электроны будут сталкиваться с протонами и рассеиваться по трубам,
фиксируясь огромными детекторами, которыми заполнен внешний зал.
И как только они сделали это, физики получили крупнейшее из когда-либо имевшихся подтверждение того,
что возможно, в основе зоопарка частиц лежит более глубокий набор правил.
То, что они были обнаружены в процессе рассеивания электронов чрезвычайно высокой энергии,
убедительное доказательство того, что протоны имели внутреннюю структуру.
Иными словами, протоны были сделаны из более элементарных частиц.
Здесь и были кварки Гелл-Манна.
Это был удивительный момент.
На протяжении десятилетий люди были убеждены, что компоненты атомного ядра - протон и нейтрон
были абсолютно фундаментальны.
И теперь впервые появились свидетельства того, что всё устроено намного глубже.
Кварк – хитрый и неуловимый зверь.
Существуют шесть различных видов или "ароматов" кварка:
верхний, нижний, странный, очарованный, истинный и прелестный.
При этом кварки не существуют в свободном виде, только в связанном - вместе с другими кварками.
Поэтому непосредственно их увидеть нельзя. Можно лишь сделать вывод об их присутствии.
Несмотря на эти оговорки, кварк принес некое подобие порядка в зоопарк частиц.
В последнее время это позволило нам придумать
простое, но убедительное описание того, как создавалась вселенная.
В сущности, всё, что во вселенной состоит из атомов,
создано только из кварков и электронов. Вот и всё.
Это вполне соответствует современным представлениям.
Открытие кварка в 1967 году
было последним значительным экспериментальным открытием фундаментальной частицы нового типа.
Говорят, мы можем ещё обнаружить, что кварк состоит из чего-то ещё более странного. И это возможно.
Но сегодня это пока лишь предположение.
Наш путь от доказательства Эйнштейном существования атомов в 1905 году до настоящего времени
был экстраординарным.
Мы очень многое узнали об атомном мире: от размера и формы атома
до того, что секрет самой вселенной содержался в его центре.
От обнаружения в нем неисследованного мира антиматерии и до того, что пустое пространства далеко не пусто.
От того, что, как мы думали, являлось одним из основных кирпичиков вселенной,
к открытию внутри него чего-то даже более фундаментального.
И всё же, несмотря на всю мощь науки, которая нам открылась,
кое-что не совсем складывается.
Есть две поразительные и тревожные аномалии.
Первая из них сейчас находится на переднем фронте мировой теоретической физики
и касается одного из старейших законов науки.
Гравитации. Она была вполне понятна со времён Эйнштейна,
но до сих пор так никогда по-настоящему не была частью теории атома.
Внезапно идеи, которые скорее казались больше бредовыми, чем вероятными, дали проблеск надежды.
Часть из них называется теорией струн, которая рассматривает все субатомные частицы как крошечные вибрирующие струны,
которые удерживают внутри себя высшие измерения пространства.
Другая теория, называемая гипотезой мультивселенной, предполагает, что всё наше пространство и время -
это лишь мембрана, плывущая сквозь мультивселенную.
Еще одна теория, называемая петлевой квантовой гравитацией, предполагает, что на самом деле ничто не существует само по себе,
и в конечном итоге состоит из мельчайших петель собственно пространства и времени.
Но, вопреки нежеланию гравитации приспосабливаться к квантовой теории,
я верю, что есть кое-что и похуже, чем прятки в квантовых тенях, что-то действительно кошмарное.
На всемирных конференциях физиков,
когда мы собираемся вместе за стаканчиком в баре и до поздней ночи обсуждаем наши наиболее странные идеи,
по-прежнему остаются вещи, которые нас весьма и весьма беспокоят.
В основном, это законы квантовой механики, которым подчиняются атомы.
В особенности, один их аспект. Нечто, называемое "проблемой измерения".
Если вы хотите увидеть страх в глазах квантового физика, то просто скажите: "проблема измерения".
Проблема измерения состоит в следующем: атом появляется в каком-то конкретном месте, только если вы его измерите.
Другими словами, атом "размазан" по всему занятому им пространству
до тех пор, пока сознательный наблюдатель не решит взглянуть на него.
Так что акт измерения, или наблюдения, создаёт целую вселенную.
Только, чтобы показать, насколько безумна эта идея,
я попытаюсь объяснить один из наиболее известных гипотетических экспериментов во всей науке.
Он называется "Кот Шрёдингера".
Эрвин Шрёдингер был отцом-основателем атомной теории.
В середине 1930-х он придумал гипотетический эксперимент, чтобы подчеркнуть абсурдность квантовой механики.
Он предложил взять ящик и поместить в него запертый контейнер с цианидом,
соединённый с детектором радиации и некоторым количеством радиоактивного вещества.
Если атом в этом веществе испустит частицу,
она будет замечена детектором, который откроет контейнер с цианидом.
Далее следует взять кота Шрёдингера, в данном случае симпатичного норвежского лесного кота по имени Доукинс.
Должен отметить, что это не настоящий цианид.
Вы помещаете кота в ящик, закрываете крышкой... и ждёте.
Вот здесь-то и появляется проблема -
согласно традиционной квантовой механике, известной как копенгагенская интерпретация,
всё то время, пока ящик остаётся закрытым, радиоактивный атом внутри него
ещё не определился, распался ли он и испустил ли частицу.
Так что, в одно и тоже время нам придётся охарактеризовать его, как распавшийся и как не распавшийся.
Подумайте о том, что это значит. Поскольку радиоактивная частица управляет освобождением яда,
кот одновременно и отравлен, и не отравлен.
Таким образом, пока мы не откроем крышку, чтобы выяснить судьбу кота (а это и называется "сделать измерение"),
мы не только ничего о ней знаем, более того, кот в этот момент буквально ни жив, ни мёртв.
Очевидно, что это парадокс.
Или нет?
Парадокс кота Шрёдингера и противоречивая природа проблемы измерения на самом деле
заставляет нас принять то, что крошечные объекты в атомарном масштабе подчиняются своему собственному набору
очень странных правил.
Но в больших масштабах, таких, как повседневный опыт, эти правила исчезают
и совершенно новый набор старых добрых, интуитивных правил берёт верх.
Как же это может быть?
Некоторые доказывают, что квантовую странность атома
в действительности можно было бы описать с помощью явлений космического порядка,
поэтому нам, возможно, придётся пересмотреть всё известное о вселенной.
Представляем вам многомировую интерпретацию квантовой механики
и её ярого приверженца, Дэвида Дойча, работающего в Оксфордском университете.
Согласно предположению Дойча, мы неправильно понимаем саму реальность.
По его словам, то, что описывает квантовая механика, на самом деле представляет собой не одну вселенную,
а бесконечное количество параллельных вселенных.
Он называет это мультивселенной,
где каждый возможный квантово-механический исход для каждого атома во вселенной
где-то существует.
Тогда и атом, и его электрон - это объекты мультивселенной.
И этот объект мультивселенной и есть то,
что описывает квантовая механика.
И это означает, что понятие параллельности вселенных, как одного из аспектов реальности, описываемого квантовой теорией,
должно быть применимо к объектам любых размеров: к людям, звёздам, галактикам - ко всему.
Именно поэтому мы называем её теорией параллельных вселенных,
а не просто теорией параллельных электронов.
Потому что мы состоим из атомов. И это правда.
Одна и та же теория говорит о том, что атомы существуют более чем в одном месте,
и о том, что люди также существуют более чем в одном месте - в разных вселенных.
Существуют также некоторые вселенные, где нас с вами нет вообще.
Весьма уважаемый автор и физик Пол Дэвис выдвинул ещё более странную идею.
Он предполагает, что странности проблемы измерения объясняют происхождение вселенной.
Сегодняшний экспериментатор может делать в лаборатории измерения,
которые влияют на природу реальности, существовавшей пять миллиардов лет тому назад.
Есть некая обратная связь между существованием живых организмов и наблюдателями
а также между законами и обстоятельствами, которые к ним привели.
Иначе говоря, это лишь только кажется удивительным, что так случилось, и вселенная началась
с надлежащих законов и условий, которые непосредственно приводят к таким наблюдателям, как мы сами,
которые и делают измерения и придают смысл всему этому.
Но квантовая механика предусматривает именно такую обратную связь во времени.
Она допускает возвращение в момент возникновения эффекта. Без причинно-следственной связи.
Это не означает, что мы здесь и сейчас можем изменить прошлое и исправить его таким образом, чтобы мы появились,
но мы влияем на прошлое посредством квантовых измерений, которые мы делаем.
Проблему следует обсудить и с чисто практической стороны.
Некоторые ученые опасаются, что эти причудливые и метафизические спекуляции
оставили мир измерений и лабораторных экспериментов далеко в прошлом.
Профессор Эндрю Джексон из института Нильса Бора в Копенгагене
говорит о том, что в конечном счете не стоит беспокоиться об интерпретации или о проблеме измерения, или о коте.
Он говорит, что мы не должны волноваться о так называемой истинной природе реальности.
Достаточно того, что теория работает.
Всё то, что мы можем измерить, приводит нас к вопросам, на которые мы можем ответить с помощью квантовой механики.
Таким образом, сама квантовая механика,
не требуя объяснения, дает нам ответы или прогнозы в отношении результата
любого эксперимента, который мы можем проделать.
Хотя, я не знаю... Но этого для меня достаточно. Да.
Так вы не думаете, что квантовая механика нуждается в особом толковании, ведь она ничего не добавляет?
Ничего не добавляет, и я не думаю, что она позволит нам сделать следующий шаг.
Интерпретация не меняет ни следствий, ни правил, вот почему она не подлежит проверке.
Весь смысл последних 200 лет в физике, этот невероятный скачок вперед, который мы сделали,
произошел потому, что эксперимент сопоставлялся с теорией и приводил к новой теории, когда старая переставала работать,
От теории к практике и наоборот. Интерпретации не делают этого.
Интерпретации дают нам некоторые основания полагать,
что мы якобы понимаем, о чём говорит квантовая механика, но это тупик. В этом нет нового содержания.
Квантовая механика парадоксальна и противоречит здравому смыслу.
Что вы ответите тем людям, которые настойчиво желают знать, как ведёт себя атом,
когда вы за ним не наблюдаете? Я не уверен, кого именно цитирую, Фейнмана или Дирака,
но ответ прост: "Заткнись и считай". И это верно - заткнись и воспользуйся математикой.
"Заткнись и считай"? Является ли это научным прагматизмом
или просто догматическим фундаментализмом?
Причину, по которой это неприемлемо с философской точки зрения,
можно, думаю, лучше всего понять путем сравнения с предыдущим эпизодом из истории физики,
а именно с отношением инквизиции несколько сотен лет назад
к идее о том, что Земля вращается вокруг Солнца, а не Солнце вокруг Земли.
Им нужно было достичь компромисса с Галилеем, признать,
что положение звезд, планет и Солнца на небе
точно предсказаны этой теорией,
которая, однако, была для людей слишком дерзкой,
чтобы претендовать на возможность описать основу реальности -
ответить на вопрос: почему звезды там оказались?
То же самое случилось и с квантовой механикой.
Группа людей, которой не нравились выводы этой теории о реальности,
поняла, что можно использовать её на практике, обходясь только прогнозами. Тоже самое вы всегда можете сделать
с любой научной теорией. Вы всегда можете отказаться признать, что она описывает действительность.
Вы не можете доказать её неверность с помощью эксперимента, но и как философская позиция это - тупик.
Думаю, будет справедливо сказать, что большинство физиков используют квантовую механику
для описания субатомного мира, не особо заботясь о толковании.
Лично я не склоняюсь в пользу этой точки зрения.
У меня нет предпочтительной трактовки, но я считаю, что природа должна вести себя определенным образом.
Так что только одна из интерпретаций может быть правильной,
и, откровенно говоря, мы, вероятно, ещё не нашли окончательного ответа,
но думаю, это лишь вопрос времени.
Я, конечно, не подписывался под выражением "Заткнись и считай".
Мне больше нравится: "Заткнись, ПОКА ты считаешь".
Я с удовольствием вычисляю, изучая атомы,
но когда я вдали от своей работы, меня по-прежнему беспокоит: "А что же всё это значит"?
За последние 100 лет мы заглянули глубоко внутрь атома,
основного строительного блока вселенной, и внутри этого крохотного объекта мы нашли странный новый мир,
управляемый причудливыми законами, которые порой, казалось, лишены смысла.
Атомы преподносят нам головокружительные противоречия.
Они могут вести себя или как частицы, или как волны, они могут находиться более чем в одном месте,
они заставляют нас переосмыслить то, что мы подразумеваем под прошлым и будущим, причиной и следствием,
и они рассказывают нам странные вещи о том, откуда появилась вселенная и куда она направляется.
Совершенно удивительный объект, диаметр которого лишь миллионная доля миллиметра.
Вот почему Нильс Бор, отец атомной физики, как-то сказал,
что когда дело доходит до атомов, единственный язык, которым можно пользоваться - это язык поэзии.
Меня восхищает то, что хотя мы и узнали об атомах невероятно много,
наше научное путешествие только началось.
И если даже мы знаем, как ведет себя отдельный атом или несколько атомов,
путь триллионов из них, собравшихся вместе, чтобы создать мир вокруг нас,
всё ещё в значительной степени загадка. Вот вам один яркий пример -
атомы, составляющие мое тело, идентичны атомам в скалах, в деревьях, в воздухе
и даже в звездах. И все-таки они собрались вместе, чтобы создать сознательное существо,
которое может задаться вопросом: "Что такое атом?"
Объяснение всего этого, несомненно, следующая серьезная задача для науки.
Тайминг MVGroup.org Перевод Truetranslate.tv Редакторы Irina73, IamCrazy, Betelgeuse_990, cepylka, Torry, Lisok
Переведено на сайте www.notabenoid.com Переводчики: vitema, Betelgeuse_990, IamCrazy, Irina73, kodev, Adelaida, Lisok