Суперсила - Пол Девис

Новая физика продолжает обнаруживать неожиданные особенности в поведении природы, и каждое новое поколение студентов-физиков находит эти идеи странными и даже лишенными смысла. В одном известном английском университете у входа в здание физического факультета вывешивали плакат: “Будьте осторожны: физика может свести с ума!”

Взять хотя бы мир субатомных частиц, где интуиция совершенно отказывается служить, и кажется, что природа разыгрывает с нами злые шутки. Один из ее фокусов –“барьерный эффект”. Представьте себе, что вы бросили камешком в окно.. Если камешек брошен слабое то он отскочит от стекла, не повредив его. Но при сильном броске камешек разобьет стекло и влетит в комнату. Нечто подобное можно проделать и в мире атомов; здесь роль камешка играет электрон, а роль оконного стекла – непрочный барьер того типа, что создается цепочкой атомов или электрическим напряжением. Электрон чаще ведет себя, как камешек: отражается от барьера, если приближается к нему медленно, и преодолевает его, если имеет большую энергию. Но иногда это правило коренным образом нарушается: электрон отражается от барьера, хотя имеет энергию, вполне достаточную для его преодоления.

Еще более странно выглядит ситуация, когда электрон, не обладая энергией, достаточной для прохождения через барьер, тем не менее удивительным образом оказывается по другую его сторону. Представьте, что вы, легонько бросив в окно камешек, видите, что он проник сквозь стекло, а само оно осталось целым и невредимым! Между тем именно такой фокус проделывают электроны. Они “туннелируя" сквозь непреодолимый барьер. Еще один фокус наблюдается, когда электрон приближается к “пропасти” и вот-вот должен свалиться в нее. Достигнув края, электрон может резко повернуть назад. Подобное странное поведение электрона совершенно не предсказуемо: он то отражается назад, то проваливается.

Эти удивительные явления создают впечатление, будто электрон ощущает окружающий его мир. Достигнув барьера, он словно “заглядывает” по ту сторону и “рассуждает”: “Барьер очень узкий, так что я исчезну и возникну по другую его сторону”. Хотя представление о том, что электрон может быть “здесь” в один момент и “там” в следующий, кажется нелепым, но именно так и происходит. Электроны каким-то образом ведут себя так, будто они находятся одновременно в нескольких различных местах. Важно сознавать, что все эти “диковинные штучки” не просто домыслы умозрительной науки. Так, “туннельный эффект” используется в некоторых микросхемах, например в туннельном диоде. Более того, туннелирование в какой-то степени проявляется даже при протекании в медной проволоке обычного электрического тока.

Многое странное в поведении электронов связано с тем, что в некоторых отношениях они ведут себя подобно волнам. Волнообразное поведение электронов можно продемонстрировать с помощью ряда четко поставленных экспериментов. Наше воображение бессильно представить нечто такое, что может быть одновременно и волной, и частицей, но само по себе существование дуализма волна-частица (так называемого корпускулярно-волнового дуализма) не вызывает сомнения. Может случиться и так, что объект, который мы обычно считаем волной, обретает в микромире свойство частицы. Например, световые волны ведут себя подобно потоку частиц, выбивая электроны с поверхности металла (фотоэлектрический эффект). Частицы света называются фотонами, и физики относят их наряду с электронами и кварками к фундаментальным частицам. Наглядно представить себе волну-частицу невозможно, не стоит и пытаться. В нашей повседневной жизни нет ничего такого, что хотя бы отдаленно напоминало подобную нелепость. Доведись нам столкнуться с волной-частицей, мы никогда не поняли бы этого.

Много трудностей в понимании современной физики обусловлено тем, что люди тщетно пытаются подогнать используемые там абстрактные понятия под привычную схему представлений, основанных на здравом смысле. У нас существует, видимо, глубокая психологическая потребность сводить все явления окружающего мира к простым, понятным образам. И когда приходится сталкиваться с чем-то, не имеющим аналога в повседневном опыте, например с волной-частицей, рождается недоумение и даже скептицизм. У изучающих физику может возникнуть ощущение, что они не способны правильно понять ее, поскольку не в силах создать простой мысленный образ описываемого. Я часто получаю письма и даже целые рукописи от физиков-дилетантов, где предпринимаются попытки построить, скажем, новую теорию элементарных частиц исключительно на основе здравого смысла. По утверждению авторов этих посланий, заняться таким делом их побудила мысль, что физики-профессионалы, должно быть, заблуждаются, поскольку никак невозможно понять, о чем они толкуют. Ни один глубокий принцип природы, заявляют эти любители, не может быть столь абстрактным и непонятным. Небезынтересно, что, кажется, никто не осуждал абстрактное искусство в столь бранных выражениях.

Не только электроны подчиняются капризам квантовой механики. Подобные свойства присущи всем микрочастицам, включая кварки. Описанные выше эффекты наблюдаются при относительно низких энергиях. Еще более необычны явления, происходящие при высоких энергиях, например внезапное рождение новой частицы или распад нестабильной частицы с превращением ее в ливень других частиц. Среди частиц есть даже соединяющие в себе черты двух совершенно различных частиц – своего рода “сумасшедшее” единство.

К числу самых необычных частиц относятся нейтрино. Это частицы-призраки, по-видимому, не имеющие массы и движущиеся со скоростью света. Они не имеют электрического заряда и почти “не замечают” твердого вещества. Нейтрино столь “бестелесны”, что легко пронизывают толщу Земли и способны пройти слой свинца толщиной в несколько световых лет! Мириады нейтрино пронизывают вас, пока вы читаете эти строки. Нейтрино, как ничто другое, близки к тому, что можно назвать “абсолютно ничем”, за одним исключением: они обладают таким важным свойством, как спин. Иногда для наглядности это свойство нейтрино буквально сопоставляют вращению вокруг собственной оси, уподобляя его суточному вращению Земли, но в действительности эта аналогия неверна. Как мы увидим далее, спин нейтрино отличается явно необычными особенностями.

Астрофизика – еще одна область, где терпят крах земные понятия, столь привычные нашему здравому смыслу. Хороший тому пример – гравитационные волны. Эти неуловимые возмущения представляют собой своего рода “рябь” самого пространства —распространяющееся искривление пространства. Такие -волны генерируются в результате участия материальных тел или анергии в интенсивном движении. Хотя гравитационные волны переносят энергию и импульс, они не связаны с переносом вещества как такового—это просто колебания пустоты. Гравитационные волны обладают чрезвычайно высокой проникающей способностью, превосходя в этом отношении даже эфемерные нейтрино. В сущности не существует материи, способной поглощать гравитационные волны, и поэтому их очень трудно обнаружить: они просто-напросто “игнорируют” детектор.

В схватке с подобными странными понятиями воображение исчерпывает себя до предела. Систематическое продвижение вперед было бы невозможно, если бы не математика. Абстрактные формулы не требуют воображения и позволяют точно описывать самые необычные явления, если используемые уравнения логически непротиворечивы. Проникновение в физику высшей математики означает, что большинство теоретических работ завершается лабиринтом непостижимых символов. Таинства математики и несколько мистический оттенок новой физики создают вокруг нее как бы ореол религиозности, а сами физики воспринимаются как верховные жрецы. Это в значительной степени объясняет популярность новой физики среди людей, склонных к философии и даже мистике. Тем не менее не следует забывать, что физика имеет практическое применение, и хотя некоторые ее понятия вполне созвучны “Алисе в Стране Чудес” Л. Кэрролла, развитие современной технологии во многом зависит от нашего понимания этих абстрактных идей.

Среди вереницы странных образов, рожденных новой физикой, наибольший интерес вызывают те, которые относятся к квантовой теории и теории относительности. В своей наиболее разработанной форме, называемой квантовой механикой, квантовая теория по существу занимается изучением всех процессов, происходящих в микромире. На квантовой механике основано наше понимание всех явлений молекулярной, атомной, ядерной и субъядерной физики. Теория относительности изучает свойства пространства, времени и движения. Ее выводы становятся существенными, когда рассматриваемая система движется со скоростью, близкой к скорости света, или в сильном гравитационном поле.