Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов
Чад Орцель

Физика – это интересно!
Великолепная книга, погружающая нас в невероятный мир квантовой физики. Автор показывает, что «физика – везде, в каждой вещи, и никто не может объяснить физику лучше, чем Чад Орцель». Обыкновенный мир вокруг нас полон странных и загадочных явлений, и это объясняет физика. Орцель искусно выявляет и делает понятным самые сложные ее законы.

Эта книга обязательна для чтения каждому, кто хочет объяснить себе принципы работы окружающего нас мира.

Чад Орцель

Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Дэвиду, моему любимому Маленькому Чувачку.

Из всех маленьких чувачков, что я знаю, ты самый любимый.

Chad Orzel

Breakfast with Einstein

The Exotic Physics

of Everyday Objects

070

Chad Orzel. Breakfast with Einstein.

The Exotic Physics of Everyday Objects

© 2018 by Chad Orzel

Published by arrangement with BenBella Books, Inc., and Folio Literary Management, LLC.

Серия «Физика – это интересно»

Завтрак с Эйнштейном: Экзотическая физика повседневных предметов. / Орцель, Чад, Пер. с англ. А.С. Дмитриева. – М.: Этерна, 2020

© 2018 by Chad Orzel

© А.С. Дмитриев, перевод, 2020

© ООО «Издательство «Этерна», издание на русском языке, 2020

Введение

Солнце встает незадолго до того, как мой будильник начинает пищать, и я выбираюсь из постели, чтобы начать свой день. В коридоре еще темно, когда я выхожу из спальни, только сигнальный огонек на детекторе дыма отбрасывает слабый свет на стену. Дальше, на кухне я наливаю воду для чая, проверяя, светится ли нагревательный элемент, чтобы убедиться, что я спросонок опять не поставил чайник не на ту конфорку. Я открываю холодильник, чтобы начать завтрак, стараясь при этом быть аккуратным и не сдвинуть множество предметов искусства, прикрепленных к двери холодильника магнитиками. Я засовываю пару кусков хлеба в тостер, встряхиваю его, если хлеб немного прилипает к стенке, и опираюсь на стойку, поджидая.

Мой чай еще слишком горячий, чтобы пить, но я ощущаю его аромат, включаю компьютер, чтобы посмотреть, что происходит в мире. Мои социальные медиа полны обычных мелочей: утренние новости из Европы и Африки, вечерние истории из Азии и Австралии, цифровые фотографии детей и котов от друзей со всего мира. Моя почта, в основном, приходит от студентов, которым нужно помочь с домашними заданиями, плюс пара чеков и уведомлений о покупках через Интернет.

После чая с тостом я хватаю собачий поводок, и мы направляемся на нашу утреннюю прогулку. Когда мы возвращаемся, будет самое время будить детей и готовиться к школе. Когда они сядут в автобус, я сам направлюсь в школу, чтобы учить еще одну группу студентов физике, которая их окружает.

Когда я говорю людям, что я физик, то часто сталкиваюсь с вопросами о разных необычных явлениях, о ярких и блестящих примерах, которые возникли из десятилетних споров о квантовой теории. Люди спрашивают о знаменитом коте Шрёдингера[1 - Ш р ё д и н г е р, Эрвин Рудольф Йозеф Александр (1887–1961) – австрийский физик-теоретик, один из создателей квантовой физики. Лауреат Нобелевской премии (1933). Ученый описал мысленный эксперимент с котом в 1935 г., согласно которому, когда мы не наблюдаем за системой, ядро атома (следовательно, и кот) находится в двух состояниях одновременно. – Прим. ред.], живом и мертвом в одно и то же время, или о квантовой спутанности[2 - Встречаются три термина, примерно в равных количествах: спутанный, запутанный и связный (о взаимодействии этого типа). – Прим. пер.], которую Эйнштейн высмеял как «жуткое действие на расстоянии», или о том, действительно ли Бог играет в кости со Вселенной. Эти темы захватывают воображение как людей, не принадлежащих науке, так и профессиональных физиков, потому что они сбивают нас с толку, как же «работает» мир.

Пока физики и популяризаторы были весьма успешны, продвигая некоторые из этих абстрактных и странных на вид идей в массовую культуру, и в какой-то мере мы все – жертвы этого успеха. Большинство людей слышали об этих странных и захватывающих явлениях и думают о них как о вещах, которые возможны только в дорогих, немало миллионов долларов, экспериментах, как Большой адронный коллайдер, или в экстремальных астрофизических условиях, например, около горизонта черной дыры.

Дело в том, что, с одной стороны, сама природа этих явлений плохо поддается здравому смыслу, с другой – приходится прибегать к метафорическому языку при обсуждении этих тем в нематематической терминологии. Оба этих фактора заставляют людей верить, что квантовая физика не имеет никакого отношения к повседневной жизни.

Может показаться удивительным, но описание обычного утра в начале книги было бы невозможным без «экзотической» квантовой физики. Время, которое показывают наши будильники, может быть отслежено вплоть до энергетических состояний атомов, они существуют благодаря волновой природе электронов. Полупроводниковые микросхемы, лежащие в основе компьютеров, которые мы используем, чтобы послать друг другу забавные мемы с котами, не будут понятны без квантовых суперпозиций, подобных несчастному полумертвому коту Шрёдингера. Ни химия ароматов, ни даже стабильность твердой материи, что не дает нашим завтракам падать со стола, не могут быть объяснены без странных статистических свойств квантовых спинов.

При ближайшем рассмотрении оказывается, что весь наш повседневный мир находится под глубоким влиянием «экзотических» и «абстрактных» явлений квантовой физики. Даже самые обыденные действия, из каких состоят наши утренние привычки, в своей основе квантовые, если проанализировать их немного поглубже.

На первый взгляд это может показаться сомнительным, но если подумать, все верно. В конце концов, физики населяют тот же повседневный мир, что и остальные люди. В то время как в изощренных физических экспериментах используются лазеры и ускорители частиц для исследования того уровня мироздания, что находится далеко за пределами нашего повседневного опыта, даже наиболее сложные эксперименты и наблюдения должны начинаться и заканчиваться прямо здесь, в обычной реальности. Мудреные аппараты, применяемые в этих экспериментах, имеют самое прозаическое происхождение: инструменты и технологии, которые используются даже для самых скрытых аспектов физики, были сконструированы специально на протяжении многих лет, по слабым догадкам в погоне за еще более странными явлениями. Эти догадки ведут нас к экзотическому и абстрактному, и начинались они с намеков и загадок в поведении обычных объектов. Если бы квантовая физика не влияла на наш повседневный макроскопический мир, никогда бы не возникла необходимость обнаружить ее.

История этого открытия начинается с наблюдений и технологий, очень знакомых практически каждому, кто когда-либо готовил завтрак. Самая первая квантовая теория, которая ввела слово «квантовый» в физику, была изобретена Максом Планком[3 - П л а н к, Макс Карл Эрнст (1858–1947) – немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики. Лауреат Нобелевской премии (1918). – Прим. пер.], чтобы объяснить красное свечение горячих предметов, таких как нагревательный элемент в электропечи или тостере. Квантовые идеи были впервые применены к материальным объектам в модели атома водорода, разработанной Нильсом Бором[4 - Б о р, Нильс Хенрик Дэвид (1885–1962) – датский физик-теоретик, общественный деятель. Лауреат Нобелевской премии (1922). Известен как создатель первой квантовой теории атома. – Прим. пер.]; и вы можете видеть физику в действии каждый раз, когда используете флуоресцирующий свет.

История квантовой физики считается также и историей ученых, которые делают довольно смелые шаги и удачные догадки. Планк и Бор ввели свои квантовые модели в отчаянной попытке объяснить явления, какие просто не могла объяснить классическая физика.

Луи де Бройль[5 - Б р о й л ь, Луи де (1892–1987) – французский физик-теоретик, один из основоположников квантовой физики. Лауреат Нобелевской премии (1929). – Прим. пер.] предположил, что электроны могут вести себя как волны, потому что математически это выглядело элегантно, и волновая природа материи оказалась существенной для понимания и управления движением электрических потоков, обеспечивая огромный диапазон современных технологий. Вольфганг Паули[6 - П а у л и, Вольфганг Эрнст (1900–1958) – швейцарский физик-теоретик, работал в области физики элементарных частиц и квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии (1945). – Прим. пер.] объяснил концептуальные основы химии одним махом, когда ввел принцип запрета. «Принцип запрета» Паули также оказался решающим для понимания проблем, которые он даже и не рассматривал, таких как физика магнитов для холодильников или почему твердые предметы не обрушиваются внутрь самих себя.

Альберт Эйнштейн был ключевым игроком на всей этой поляне – его имя стоит на обложках книг не только для того, чтобы книги продавались. Мы в основном ассоциируем имя Эйнштейна с его теорией относительности – другую (и не менее восхищающую) ветвь современной физики. Если он и упоминается в связи с квантовой теорией, то обычно лишь для того, чтобы процитировать презрительные по содержанию замечания о теории последних в конце его жизни.

В действительности же Эйнштейн играл ведущую роль в развитии квантовой физики. В 1905 году, в тот же год, когда он «запустил» теорию относительности, ученый также подхватил и расширил квантовую модель Планка для объяснения фотоэлектрического эффекта. Это существенно важно для работы цифровых камер, которые мы так широко используем сейчас для фотографирования. Десятилетием позже он разработал взаимодействие между светом и атомами таким образом, что это заложило основу для изобретения лазеров – основы современных телекоммуникаций. Даже после того, как Эйнштейн отошел от основного направления квантовой физики, он сделал ценный вклад – ввел идею спутанности атомов, именно она лежит в самом сердце множества предложений для следующего поколения квантовых технологий, включая невзламываемые шифры и компьютеры с беспрецедентными вычислительными мощностями.

Моя цель – продемонстрировать в этой книге квантовую составляющую повседневной реальности, глубоко проникнув в утреннюю рутину, описанную ранее. В следующих главах я покажу, как обычная каждодневная жизнь зависит от некоторых крайне странных явлений из когда-либо обнаруженных. По мере того как я буду объяснять, как квантовые эффекты связаны с нашей обычной жизнью, я также поделюсь рассказом о некоторых подсказках, которым физики следовали, чтобы открыть эти эффекты.

Мое намерение – не стащить квантовую физику с высот до ничем не выделяющегося обычного ежедневного завтрака. Скорее я надеюсь «приподнять» нашу обычную жизнь, найти удивительное и восхитительное в самых простых, привычных нам действиях. Квантовая физика – один из величайших интеллектуальных триумфов человеческой цивилизации, она расширяет сознание и будоражит воображение новыми идеями. Она вокруг нас каждый день, если мы только будем знать куда смотреть.

Глава 1

Восход: Фундаментальные взаимодействия

Солнце встает незадолго до того, как мой будильник начинает пищать, и я выбираюсь из постели, чтобы начать свой день…

Может показаться странным, что книга по квантовой физике обычных предметов начинается с разговора о солнце. В конце концов, Солнце – это огромная сфера горячей плазмы, чуть больше чем в миллион раз размера Земли, плавающая в космосе в ста пятидесяти миллионах километров отсюда.

Это не совсем обычный предмет в том смысле, как, скажем, будильник, который вы можете взять и швырнуть через всю комнату, когда он будит вас слишком рано.

С другой стороны, в некотором роде Солнце – наиболее важный повседневный предмет, даже если не принимать во внимание наблюдение, что день не может начаться, пока солнце не встанет. Без его света жизнь на Земле была бы абсолютно невозможной: растения, которые служат нам пищей и дают кислород, не будут расти, океаны замерзнут и так далее. Мы зависим от солнечного света и тепла всю жизнь. В этой книге Солнце будет полезным средством, чтобы познакомиться с ключевыми игроками квантовой физики: двенадцатью фундаментальными частицами, что составляют обычную материю, и четырьмя типами фундаментальных взаимодействий между ними.

Двенадцать фундаментальных частиц, которые не могут быть далее разделены на еще более мелкие части, распределяются на два «семейства» – в каждом по шесть частиц. Семья кварков[7 - Up – верхний, down – нижний, strange – странный, charm – очарованный, top – истинный, bottom – прелестный (англ.). – Прим. пер.] состоит из верхнего, нижнего, странного, очарованного, истинного и прелестного кварков, а семья лептонов – из частиц: электрона, мюона и тау-лептона, вместе с электронным нейтрино, мюонным нейтрино и тау-нейтрино. Четыре фундаментальных взаимодействия – это гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия[8 - При описаниях стандартных терминов, например, названий частиц или взаимодействий, приводятся устоявшиеся в российской научной литературе термины и определения, если это не искажает смысл, вложенный автором. Так, «электромагнетизм» переводится как электромагнитное взаимодействие, а «слабое ядерное взаимодействие» – просто как «слабое». – Прим. пер.]. Вы часто можете найти эти частицы и взаимодействия пронумерованными на цветных таблицах, которые висят в физических классах и которые в целом получили, к сожалению, общее название «Стандартной модели физики»[9 - Для более полного и понятного обзора физических процессов в рамках Стандартной модели я рекомендую книгу: Robert Oester. The Theory of Almost Everything, 2006 год; а историческое развитие детально описано в работе: Frank Close. The Infinity Puzzle, 2013. -Прим. авт.]. Стандартная модель охватывает все, что мы знаем о квантовой физике (а также о способности физиков изобретать прилипчивые названия), и считается одним из величайших интеллектуальных достижений человеческой цивилизации. Солнце оказывается прекрасным введением в Стандартную модель, потому что все четыре фундаментальных взаимодействия играют роль в том, чтобы Солнце светилось.

Итак, мы начинаем наш рассказ с Солнца, захватывающее путешествие по его внутренним механизмам, чтобы проиллюстрировать те важные физические процессы, что дают энергию всему. Мы пройдем через все фундаментальные взаимодействия по очереди, начиная с наиболее понятной и очевидной из этих сил – гравитации.

Гравитация

Если бы вам надо было составить «рейтинг силы» фундаментальных взаимодействий Стандартной модели в стиле спортивного радиокомментатора, три из четырех сил претендовали бы на первое место.

Если все-таки надо сделать выбор, я бы, вероятно, отдал это почетное право гравитации, поскольку в конечном счете она ответственна за существование звезд и, таким образом, за большинство атомов, составляющих наши тела и все вокруг нас, давая возможность вести глупые разговоры о «ранжировании» фундаментальных сил.