Жизнь в невозможном мире: Краткий курс физики для лириков
Шрифт:
Слово «эфир» прочно вошло в наш язык («в эфире „Эхо Москвы“», «встретимся в прямом эфире» и т. д.). Но все же читатель, наверное, слышал, что эфир есть устаревшая научная концепция и его бытовое употребление является своеобразным пережитком прошлых времен. На самом деле мне кажется, что «эфир» вернулся-таки в науку, хотя и изменившись, но не до неузнаваемости.
Как следует из приведенных примеров, в повседневном употреблении слово «эфир» связано главным образом с радио. Исторически это вполне оправданно. Радиоволны являются частным проявлением электромагнетизма, теория которого была построена в середине XIX века великим британским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом. Максвеллу удалось обобщить все предыдущие открытия в области электричества и магнетизма и написать систему уравнений, описывающих электрические и магнитные поля как часть более общего явления. Из этих уравнений, в частности, следовало, что меняющееся во времени электрическое поле может порождать переменное магнитное, а то, в свою очередь, порождает электрическое, и т. д. В результате такого «тяни-толкая» получается распространяющаяся волна, которая и описывает все, что мы теперь называем электромагнитным излучением, то есть радиоволны, тепловую радиацию, свет, ультрафиолетовые лучи, рентген и т. д.
Волны разного рода в природе — постоянное явление, но все, с чем люди были знакомы до Максвелла,
Нет нужды рассказывать о том, как идея такого эфира вступила в противоречие с данными наблюдений и была, казалось бы, навеки похоронена теорией относительности. Об этом написано в учебниках. Однако кое-что от этой старой идеи вернулось в физику в виде отрицания существования «пустого» пространства, то есть пространства, лишенного свойств. Правда, вместо слова «эфир» теперь пользуются словом «вакуум» (то есть «пустота»), понимая его совсем не как пустоту, что несколько сбивает с толку.
Поясню терминологию на примере. Возьмем какую-нибудь частицу (ну хоть электрон) и поместим ее в ящик размерами L х L х L. Согласно квантовой механике электрон не может пребывать там в состоянии покоя, он будет метаться из конца в конец ящика, как арестованный, только что брошенный в одиночную камеру. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга типичная скорость этого движения (v) обратно пропорциональна размеру ящика v ~1/L и, следовательно, энергия движения ~1/L2. То же самое произойдет с какими угодно частицами, помещенными в ограниченный объем пространства. А именно: у них будет некая конечная энергия, меньше которой быть уже не может. То есть нельзя их остановить совсем. В физике этот неотъемлемый минимум называется энергией основного состояния. Энергия эта, как следует из вышеприведенного объяснения, зависит от объема (и даже формы) ящика, в котором частицы содержатся. Пока объем ящика не меняется, основное это состояние воспринимается нами как «пустое» пространство. Однако как только мы попробуем изменить объем, то сразу поймем, что в нем что-то есть, так как, меняя объем ящика, мы изменим минимальную энергию находящихся в нем частиц, для чего нам самим нужно будет затратить некое усилие.
А теперь представим, что ящик — это Вселенная. Заполнена она всякого рода частицами и полями (свет, нейтрино, все, что угодно). Раз так, то у «пустого» пространства есть некая энергия, изменение которой будет ощущаться, когда пространство меняет объем, то есть, например, расширяется, как это происходит с нашей Вселенной. Это и есть та самая «темная» энергия, о которой в последнее время заговорили физики. На ее долю, по современным оценкам, приходится довольно значительный процент общей энергии Вселенной. Загадка, однако, состоит в том, что все существующие теории предсказывают, что доля эта должна быть просто неизмеримо, невообразимо больше, чем это наблюдается. В настоящее время противоречие это остается неразрешенным, указывая, быть может, на грядущую революцию в физике.
«Есть только атомы и пустота», — сказал Демокрит. В предыдущей медитации мы размышляли о том, что атомы оказались не тем, что о них когда-то думали. Оказывается, что и пустота тоже не то, что о ней думали, так как она не так уж и пуста.
Принимая разные формы, появляясь, исчезая и меняя лица, И пиля решетку уже лет, наверное, около семиста, Из семнадцатой образцовой психиатрической больницы Убегает сумасшедший по фамилии Пустота.Медитация 3. Есть?
…Так быть или не быть, вот в чем вопрос.
Человек в процессе познания природы может оторваться от своего воображения, он может открыть и осознать даже то, что ему не под силу представить.
Итак, взяв за основу утверждение Демокрита и Левкиппа «есть только атомы и пустота», мы поразмышляли над атомами и пустотой. Остались, однако, еще слово «только» и глагол «есть». Хорошо, скажет читатель, материя есть не то, что мы думали, пустота тоже не пуста, но они же все-таки есть? Ведь скрывается же за изменчивой поверхностью нашего мира какой-то неколебимый субстрат, хотя бы в этом-то правы древние атомисты? Об этом субстрате нам многое ныне известно, присмотримся к нему поближе.
Формальное математическое описание того, о чем я собираюсь здесь говорить, дано (в краткой форме) в Приложении к этой книге, а также может быть найдено в любом учебнике по квантовой механике, которых ныне существует огромное количество.
Удаляясь в погоне за «реальностью» от мира привычных нам «больших» вещей в глубь микромира, мы не находим того, что искали. Реальность микромира оказывается зыбкой: вместо мира определенностей, каким является привычный нам мир «больших» предметов, «данный нам в ощущениях», мы находим мир возможностей и неопределенностей. Приписывая обитателям этого мира тот же статус вещей, что и окружающим нас предметам, нам приходится отказаться оттого, что Аристотель называл законом исключенного третьего. Макроскопический предмет, например, кошелек или автомобиль, не может быть в двух местах одновременно. А квантовая частица, если ее рассматривать как физический объект, может. Электрон, будучи практически точечной частицей, может пройти одновременно в два или несколько удаленных друг от друга отверстий, в молекулах и кристаллах он может одновременно находиться около разных ядер (на этом эффекте и основана химическая ковалентная связь). Для того чтобы получить согласованное описание экспериментов с квантовыми объектами, приходится признать, что быть и не быть они могут до определенной степени вернее, с той или иной амплитудой (см. Приложение). Читатель, наверное, слышал о том, что квантовые частицы являются в то же время и волнами. Так вот, то, что там волнуется и колеблется, есть их бытие, степень их реальности, измеряемая количественно волновой функцией. В упомянутом выше эксперименте, где электрон попадет на фотопластинку через экран с несколькими отверстиями, он делает это, проходя одновременно через каждое из них с определенной амплитудой. Амплитуды от разных отверстий складываются, и происходит интерференция, как у всяких волн. И, как у всяких волн, картинка радикально меняется, когда одно из отверстий закрывают.
Грань между квантовым миром и миром классическим, где гамлетовский вопрос имеет однозначный ответ, пролегает приблизительно там, где отказывают наши органы чувств, даже усиленные приборами, которые, думаю, можно считать их продолжением. Странные состояния, когда электрон в молекуле водорода находится одновременно около обоих ядер, называются в квантовой механике запутанными, а состояния, близкие к классическим (в данном случае такое состояние будет описывать электрон, находящийся у какого-то конкретного ядра) — чистыми. Микроскопические системы, будучи приведены в контакт с «большими» предметами, теряют свои странные свойства. Если бы кто-то взялся измерять положение электрона каким-нибудь прибором (а все наши приборы соразмерны нашим телам, то есть в этом смысле они «большие»), то перевел бы его из запутанного состояния в одно из чистых. Вся фишка квантовой механики состоит в том, что результат этого опыта невозможно предсказать с определенностью. Нельзя заранее сказать, около какого ядра мы обнаружим электрон. Если молекула симметрична, то в половине опытов он окажется у одного ядра, а в половине — у другого. Поэтому квантовая механика, в отличие от классической, не претендует на однозначное предсказание будущего, более того, она даже настаивает, что такое предсказание невозможно. В отношении к биологии этот аспект квантовой механики имеет прямое касательство к важной в философском отношении проблеме свободы воли.
Переход запутанного состояния в чистое называется потерей когерентности. Потеря эта происходит не мгновенно, она занимает некоторое время, и, в зависимости от деталей эксперимента, это время может оказаться значительным. Вопрос о потере когерентности долго оставался неясным, но после работ А. Калдейры и А. Легетта в 1980-е годы стало понятно, что никакого внезапного коллапса волновой функции в ходе измерения не происходит.
Предрассудок, распространенный за пределами физики, где многие тоже слышали о «принципе неопределенности», состоит в том, что неопределенности квантовой механики есть недостатки нашего знания. Ну вот, мол, пытаемся измерить скорость и координату электрона, однако самим актом измерения меняем либо то, либо другое. Отсюда и неопределенность. Похоже на то, как предсказания о динамике рынка акций влияют на эту самую динамику. Иначе говоря, есть какое-то «в самом деле», какая-то определенность, которой следуют частицы, если их оставить в покое, и которую мы, будучи такими большими медведями, возмущаем, стараясь ее познать. Иммануил Кант называл эту определенность «вещами в себе». Однако оказывается, что такое понимание неверно. Если бы дела обстояли так, как описано выше, то были бы определенные косвенные последствия, сформулированные так называемой теоремой Белла об отсутствии скрытых параметров. Таких последствий на экспериментах не наблюдается. И вместе с тем, все самые экзотические предсказания квантовой теории получили экспериментальное подтверждение. Поэтому среди ученых считается признанным, что неопределенность есть не недостаток нашего знания, а фундаментальное (онтологическое) свойство микромира.
Одним
из строжайших правил квантовой физики, нарушающие которое производят, по выражению Ландау, «патологические» работы, является то, что она согласна обсуждать только те результаты, которые являются наблюдаемыми. Описание же того, что наблюдать невозможно, оказывается до определенной степени произвольным. Модели, фундаментально отличные друг от друга во всех отношениях, кроме того, что они одинаково описывают одни и те же «наблюдаемые», признаются эквивалентными (кстати, ваш покорный слуга и сделал карьеру в физике, занимаясь поисками таких эквивалентных описаний). На первый взгляд может показаться, что здесь проявляется сугубый материализм науки. На самом же деле, настаивая на наблюдаемости, мы подрываем веру в реальность мира микроскопических частиц как мира вещей, того самого «есть», о котором говорили древние атомисты. За пределами мира материального, поставленными нам нашими органами чувств, начинается мир чисел и математических моделей, о котором речь пойдет ниже в медитации «О числах». Хотя этот мир нельзя ни увидеть, ни ощутить в принципе, и в этом смысле он не материален, он не есть наша выдумка, и, будучи не подвластен нашему произволу, он объективен. Недаром Владимир Ильич всполошился, услыхав о робких еще тогда шагах новой физики: «Материя исчезла, остались одни уравнения!» («Материализм и эмпириокритицизм»).И вот итог: гипотеза Демокрита и Левкиппа оказалась ложной. Нет ни атомов, ни пустоты, и даже глагол «есть» приходится понимать в такой форме, в которой никто ранее не мог себе представить. В современной физике материализм потерпел абсолютный крах — оказалось, что мир невозможно разъять на части. И недаром многие современные наследники «Дидерота-философа», возлагавшего такие надежды на просвещение, являются врагами и науки, и образования.
Физтех подошел к концу. Я закончил его в 1977 году с красным дипломом. Мне повезло, я устроился в «Давильню» стажером и летом того же года переехал из московского общежития Физтеха в подмосковный городок Троицк, на сороковом километре Калужского шоссе, где «Давильня» находится до сих пор. На пятом курсе института мне удалось сменить профиль работы, и теперь я числился теоретиком.
Глава 4
Начало научной карьеры
Не знаю, что стало с ним сейчас, но в конце 1970-х годов Троицк был очень милым городком, протянувшимся вдоль Калужского шоссе. На стороне шоссе, противоположной городку, далеко-далеко простирался лес. Летом в лесу этом было полно грибов, что и составляло основную часть моего рациона. До переезда в Троицк я грибами никогда не увлекался, так как в тех местах, где я жил, их просто не было. А тут на меня нашло вдохновение: я купил маленький справочник по грибам, где, например, было очень толково описано, как отличать ложные (смертельно ядовитые) опята от настоящих, и, вооружившись им, пошел в лес. Первые же грибы, на которые я наткнулся, были именно опята. Ложные росли едва ли не вперемежку со съедобными, но, следуя книге, я выбрал жизнь и с честью выдержал испытание. С тех пор моя страсть к грибам никогда не умирала, хотя до такой утонченности в их употреблении, как Виктор Пелевин, я не доходил и вратами в духовный мир для меня они никогда не служили.
Мне дали маленькую комнатку в четырехкомнатной квартире, выполнявшей роль одного из общежитий «Давильни». Каждую комнату квартиры занимали молодые сотрудники института; в проходной комнате, где тоже стояли кровати, в момент моего появления никто еще не жил, хотя в скором времени жилец появился и там. После шести лет в физтеховских общагах иметь отдельную комнату было почти райским блаженством.
Я уже говорил, что проходная комната в нашей квартире некоторое время пустовала. Но однажды дверь в мою комнатку отворилась и на пороге возникла босая фигура в майке на голое тело и в армейских галифе. В одной руке фигура держала портянку. «Вот, сорок лет и — портянка!» — изрекла фигура, считая, по-видимому, формальное представление излишним. Это был наш новый пожарник. К счастью, появлялся он не каждую ночь и, даже когда появлялся, не каждый раз напивался до потери сознания.
Начальником теоротдела «Давильни» был Роберт Архипов, ученик великого Ландау, человек порядочный. Он, в отличие от большинства завлабов, не эксплуатировал своих сотрудников, и мне была предоставлена свобода. За девяносто рублей в месяц я мог заниматься тем, чем хотел, и меня увлек к себе Саша Барабанов. Мое первое вдохновение в большой науке пришло из обзорной статьи американского профессора Чандра Вармы, человека, с которым я через пятнадцать лет встретился в Америке и продолжаю встречаться до сих пор. Скажу сразу: стиль американской физики, как тогда, так и сейчас, отличается от того, к чему я, по своему консерватизму, привержен, чересчур большой свободой. Вот если надо, чтобы дважды два было пять, так оно будет. Конечно, не всякий раз, но иногда… Короче, достать из рукава туза порой дозволяется. «Нормальный человек не может быть не плутом».
Как бы то ни было, из статьи Чандры, хоть он и давал понять, что описанная им проблема решена и делать там больше нечего, было ясно как день, что ничего не ясно и работы в той области, о которой он говорил, хватит еще на десятки лет. Так оно и вышло.
Мы с Барабановым страстно взялись за проблему, которая вот уже добрых тридцать лет называется проблемой тяжелых фермионов и представляет собой одну из нерешенных загадок в той области физики, которой я занимаюсь. Я не буду утомлять читателя подробностями, а лучше расскажу про самого Барабанова.
Отец Александра Федоровича (Саши) Барабанова был при Сталине министром гражданской авиации. От него осталась квартира на Красной Пресне с высоченными потолками, старинной мебелью и постепенно убывавшим количеством хрусталя. Саша был диссидентом, общался с самой что ни на есть неблагонадежной публикой и здорово пил. Одним из его коронных выражений было «я пошел развиваться далее». Это означало, что он уходит в запой. Хуже всего было то, что запои его сопровождались странствиями; он был, так сказать, перипатетик. Не было в природе силы, которая могла бы удержать Сашу в его «развитии». Помню, однажды мы, то есть Саша, я и еще один сотрудник «Давильни» по кличке Богус, справляли в моей комнатке в Троицке мой день рождения, который приходится на 23 марта. На улице была типично мартовская погода, то есть около нуля, талый снег, солнце, слякоть. После того как наш португальский портвейн иссяк, Барабанов объявил о своем намерении развиваться далее, а мы с Богусом, желая этого не допустить, спрятали его куртку и заперли внешнюю дверь на ключ. Тогда, с чрезвычайным достоинством и не выказывая ни малейшего признака спешки, Саша, с недопитой рюмкой в руке, выбрался через окно и, не забывая время от времени отхлебывать живительную влагу, медленно удалился в подмосковные пространства, чтобы исчезнуть там на несколько дней.
Через Сашу я узнал много такого, что советская власть хотела скрыть. Среди его друзей был основатель Московской Хельсинкской группы Юрий Александрович Орлов, которого как раз тогда арестовали и посадили в тюрьму. Орлов живет сейчас в городке Корнелл штата Нью-Йорк и все еще работает (он физик, специалист по ускорителям элементарных частиц). Он иногда приезжает к нам в Брукхэйвенскую национальную лабораторию, я несколько раз с ним разговаривал. Такой вот маленький мир и тоненький слой.
Говорят, что на осине не растут апельсины, но, что касается Саши и его друзей, многие из которых были отпрысками или близкими родственниками людей, занимавших при Сталине крупные посты, эта поговорка на них явно не распространялась. Это были чрезвычайно благородные и интеллигентные люди, и Саша среди них — первый. Отмечу двух: Костю Кикоина, чей дядя Исаак Кикоин возглавлял секцию разделения изотопов в советском атомном проекте (думаю, самую важную в техническом отношении) и Витю Флерова, чей дядя был крупнейшей фигурой в том же проекте. Это он известил Сталина в 1942 году письмом о том, что пора бы и нам начинать работу над бомбой. Витя и Костя сейчас работают в Израиле, и иногда мы встречаемся на конференциях.
Я написал кандидатскую диссертацию довольно быстро, даже и не поступая для этого в аспирантуру, а формально оставаясь на должности стажера. Помню, как директор «Давильни», который вообще считал теоретиков чем-то бесполезным, ворчал по этому поводу вот, мол, еще один становится неуправляемым (у кандидата, работающего в институте Академии наук, появлялась некоторая свобода, так как какая-никакая зарплата была гарантирована, а выгнать человека было трудно).
1979 год, предшествовавший защите моей диссертации, был наполнен множеством ярких событий, отпечатавшихся в памяти. Самым главным было то, что в конце этого года я познакомился со своей будущей женой. Я увлеченно работал, было полно друзей, культурная жизнь в Москве кипела, и нашему академгородку немало от этого перепадало. К нам приезжали интересные люди, та же Галина Андреевна Белая, о которой я писал выше. Приезжал Вячеслав Всеволодович Иванов, известный семиотик, человек, знавший около семидесяти языков, среди них штук десять мертвых, таких, как, например, язык хеттов. Говорили, что он знает даже язык пчел. Приезжал в «Давильню» со своим концертом (одним из последних) Владимир Высоцкий.
Нужно сказать, что отличительной чертой советский научной интеллигенции были ее широкие гуманитарные интересы. Я был совершенно не одинок в своем увлечении живописью, литературой, историей и даже философией. На Западе этого совершенно нет, научный работник здесь — почти исключительно технарь, чей духовный голод по большей части удовлетворяется последним номером «Ньюйоркера».
Защитился я в марте 1980 года. Для того чтобы получить право на защиту диссертации, мало было ее написать, нужно было сдать ряд экзаменов, среди них экзамен по марксистско-ленинской философии. Я думал, что, как это было в Физтехе, можно почитать книжки и пойти сдавать. Не тут-то было. К нам в Троицк прислали марксистского начетчика из Института философии АН СССР, который провел с нами серию семинаров. Это был шок, хотя и очень поучительный. Мы занимались дисциплиной, основные достижения которой, как выяснилось в ходе семинаров, противоречили той философии, которую нам надлежало зубрить и сдавать! Основной книгой, на которую эта «философия» опиралась, была книга Ленина «Материализм и эмпириокритицизм», где он высказывался по поводу современной ему физики (написана в 1910 году). Там были перлы типа «с помощью пятого измерения ребеночка не родишь», но были, надо сказать, и прозрения. Владимир Ильич совершенно недаром всполошился, так как угроза, созданная исповедовавшейся им «научной» философией, была вполне реальной, а он полагал, что мировоззрение жрецов революции должно быть когерентным и не содержать прорех. Опус Ленина нужно было знать практически наизусть. Я быстро понял, что это мне не по силам, так как, несмотря на свою хорошую память, не мог запомнить просто ничего. По какому-то наитию я стал читать эту книгу, запивая ее разведенным наполовину водой сухим грузинским вином «Саперави». Это помогло.