Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов

Еще в начале XX в. не так мало видных представителей научного и философского сообщества (Мах, Оствальд и, например, Менделеев в редакции своих «Основ химии» 1906 г.) относились к идеям атомизма с осторожностью, если не сказать скепсисом: притом что атомистическая гипотеза позволяла хорошо объяснить многие факты, ненаблюдаемость самих атомов – возможно, как тогда считалось, принципиальная ненаблюдаемость – вносила путаницу в статус этих концептуально удобных логико-математических конструктов. Вот эмоциональное описание происходившего:

Кто бы мог подумать, что не когда-нибудь, а в 1900 г. люди будут сражаться, можно сказать, насмерть из-за вопроса, реальны ли атомы. Великий философ Эрнст Мах в Вене сказал «нет». Великий химик Вильгельм Оствальд сказал «нет». Но один человек на этом судьбоносном изломе столетий отстаивал реальность атомов, опираясь на прочный фундамент теории. Это был Людвиг Больцман… Возвышение человечества зависело в тот момент от зыбкого равновесия воззрений, потому что, если бы идеи антиатомизма в самом деле восторжествовали, наше движение вперед затормозилось бы на десятилетия, а возможно, и на сотню лет[163].

Вообще-то молекулы и атомы – не предел деления материи. Да, когда падающий молот ударяет в сваю, которую требуется забить в почву, вполне адекватный взгляд на «измельчение» движения состоит в том, что его предел – уровень атомов; но по-настоящему мощный удар вызвал бы внутри вещества такое движение, что заметная доля энергии ушла бы прочь в виде излучения – в некотором роде изнутри атомов. Если же в качестве очень продвинутого молота взять внешние оболочки звезды, падающие на ее (звезды) ядро, то энергия движения, которую они приобретают прямо перед ударом, дробится по носителям на масштабах, которые во многие десятки тысяч раз меньше, чем характерные атомы и молекулы, а итогом является уже не забивание сваи или нагрев, а появление сверхновой и производство элементов – создание новых атомных ядер. Тем не менее до поры до времени мы можем ограничиться атомами и молекулами в качестве самых мелких носителей раздробленного движения.

Движение (энергия движения, что я почти всегда буду подразумевать, хотя и не всегда буду говорить), «ушедшее» внутрь вещей, существует там в соответствии с некоторыми законами, сказать про которые, что они влияют на наш мир, было бы преуменьшением: дело не только в том, как много деталей машин нагревается, поглощая движение; среди прочего эти законы, возможно, определяют направление времени.

Рис. 9.1. Один кубический сантиметр воздуха (в масштабе) и Земля (не в масштабе)

Определяющая черта происходящего в том, что, раздробившись, движение принимает формы, не позволяющие за ним следить. Эта проблема информационная, но совершенно непреодолимая. Количество носителей движения в телах/объектах вокруг нас колоссально и характеризуется числом 6,022… × 1023: именно столько молекул имеется в определенном, относительно небольшом объеме (22,4 литра) воздуха при некоторых («нормальных») условиях. Нам сейчас важен только порядок величин, который можно выразить так. Если поверхность Земли расчертить на клетки 1 см × 1 см – т. е. превратить всю Землю, включая океаны, в уже встречавшуюся нам клетчатую тетрадь – и раскладывать молекулы по этим клеткам, то для заполнения всех клеток хватит молекул из одного кубического сантиметра воздуха (рис. 9.1), причем в каждой клетке окажется даже по пять молекул. Можно оценить масштаб информационной катастрофы, неизбежной при попытке просто записать, каковы, скажем, скорости всех молекул из 1 см3 воздуха. Для записи скорости одной молекулы требуются три числа, скажем, десятизначных; чтобы закодировать одно из них, требуется 34 бита, итого три числа потребуют примерно 100 бит. Но в нашем кубическом сантиметре около 2,7 × 1019 молекул. Запись их скоростей потребует примерно 300 000 000 терабайт. И переписывать всю эту информацию надо никак не реже 1010 раз в секунду, потому что примерно с такой частотой каждая молекула сталкивается с другими; но поскольку одни молекулы не ждут других, обновлять картинку лучше 1011 раз в секунду, а это означает, что частота перезаписи – 100 гигагерц. И все это только для записи скоростей; мы даже не обсуждали положение каждой молекулы в пространстве. Про задачу просто записать, что с ними происходит, можно довольно смело утверждать, что она не будет решена никогда. Задача предсказать движение молекул на компьютере, анализируя каждое их столкновение, тем более безнадежна; остается только восхититься тем, что в природе она непрерывно «решается» самими молекулами. Для описания же происходящего в мало-мальски серьезном объеме реального тела приходится придумывать какие-то другие средства, не требующие такого информационного безумия.

Пыльца, Сфинкс и случайные блуждания. Постоянное оживление, в котором находятся не видимые ни глазом, ни под микроскопом молекулы, имеет, однако, видимые проявления. Это движение очень мелких, но все же различимых под микроскопом чужеродных частиц, попавших в жидкость. Его наблюдали многократно, но названо оно по имени ботаника Брауна, который занялся его исследованием в 1827 г., начав с частиц пыльцы в воде; эффект называется броуновским движением[164]. Браун повторял опыты с пыльцой не только от живых, но и от мертвых растений, а также с разнообразными другими агентами, вплоть до «крошечных осколков египетского Сфинкса», очевидно, случившихся под рукой. Мелкие легкие частицы в воде испытывают более сильные толчки со стороны молекул воды то с одной, то с другой стороны и из-за этого «дергаются». Мир глазами броуновской частицы – это случайный выбор нового направления смещения «в каждый следующий момент времени», причем это мир с отсутствием памяти: каждый следующий пинок маленькая частица получает в направлении, никак не зависящем от направления предыдущего. В слегка упрощенном виде, но с сохранением всего главного происходящее неплохо моделируется, когда время и правда считается дискретным, а все пинки, получаемые частицей, – одинаковыми по силе. Из-за них в моменты времени, которые можно условно обозначить числами 0, 1, 2, 3, … (это никакие не секунды, конечно), частица совершает шаг в какую-то сторону. Если для начала представить себе одномерное движение, то возможностей для шагов только две: вправо или влево. На рис. 9.2 это вверх и вниз; там показаны приключения не одного, а трех блуждателей – просто для того, чтобы увидеть сразу несколько. Удаление блуждателей от места старта выражается в том, высоко или низко проходит соответствующая линия на рисунке. Вдоль горизонтальной оси отложено 5000