Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

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], живом и мертвом в одно и то же время, или о квантовой спутанности[2], 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], 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]; 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] 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] 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] 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]. 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]. 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.

В нашей повседневной жизни гравитация наиболее знакома и неизбежна из всех фундаментальных взаимодействий. Именно с гравитацией вы боретесь, когда выбираетесь из кровати утром, и это она не дает мне возможность играть в баскетбол (ну, ладно, и еще то, что я не совсем в форме…). Мы проводим большую часть жизни, чувствуя притяжение гравитации, и как восхищает и леденит душу, когда в парке развлечений мы падаем, ее временное отсутствие.

Это близкое знакомство также делает гравитацию одной из наиболее изученных сил в истории науки. Люди думали, как и почему предметы падают на землю, по меньшей мере, с тех пор, как начали вестись записи людей, изучающих устройство мира вообще. Популярная легенда прослеживает происхождение физики от момента, когда упало яблоко на молодого Исаака Ньютона (в некоторых версиях, буквально), что дало толчок созданию теории гравитации. Однако, в противовес этой апокрифической истории, ученые и философы были уже достаточно хорошо знакомы с гравитацией и посвятили значительную часть своих размышлений принципам ее работы. Ко времени, когда жил Ньютон, эксперименты Галилео Галилея, Симона Стевина[10] и других уже подошли к некоторым количественным оценкам по исследуемой теме, было установлено что все предметы, независимо от их веса, падают на землю с одинаковым ускорением.

Будучи уже пожилым человеком, Ньютон сам пересказывал версию о своем «яблочном» открытии молодым коллегам, но никакого упоминания об этом событии нет в материалах более раннего времени, когда это якобы произошло (в то время, когда он работал над теорией гравитации). В тот период он провел длительное время на своей семейной ферме в Линкольншире, поскольку университеты были закрыты из-за вспышки чумы. Хотя в этой истории есть зерно истины, но она уводит в сторону от сути ньютоновского прозрения. Озарение Ньютона касалось не самого существования гравитации, а широты охвата этой силы. Он понял, что сила, которая притягивает яблоко к земле, та же самая, что держит Луну на орбите вращения вокруг Земли и Землю на орбите вокруг Солнца. В «Математических началах натуральной философии» Ньютон предложил универсальный закон для гравитации, дав математическую форму силам притяжения между двумя объектами во Вселенной, обладающими массами. Эта форма, в сочетании с законами движения, позволила физикам объяснить эллиптическую форму планетных орбит в Солнечной системе, постоянное ускорение предметов, падающих на землю и ряд других явлений. Это дало основу для физики как математической науки, основу, которая развивалась вплоть до сегодняшнего дня.

Важнейшей характеристикой Ньютоновского закона тяготения считается то, что сила между массами зависит в обратной степени от расстояния между ними, возведенного в квадрат, то есть, если вдвое уменьшить расстояние между двумя предметами, вы получите силу в четыре раза больше. Предметы, которые находятся ближе друг к другу, испытывают более сильную тягу, что объясняет, почему более близкие к Солнцу планеты вращаются по орбитам быстрее. Это также означает, что предметы беспорядочной кучи будут приближаться друг к другу и по мере сближения спрессовываться все более плотно за счет усиливающейся силы тяготения.

Эта возрастающая сила очень важна для существования Солнца и является конечным источником солнечного света. Солнце – не твердый объект, а скорее обширное скопление горячего газа, которое сохраняется лишь за счет взаимного гравитационного притяжения всех его отдельных атомов. В то время как гравитация возглавляет наш список в терминах повседневного воздействия, ее можно назвать самым слабым фундаментальным взаимодействием по сравнению с остальными, причем уму непостижимо, во сколько раз: гравитационная сила между протоном и электроном составляет всего лишь 0.000000000000000000000000000000000000001 часть электромагнитной силы, которая держит их вместе в пределах атома. Невероятное количество материи находится в солнце, порядка 2,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 килограммов. Она создает гигантскую совместную гравитационную силу, притягивая все, что находится поблизости.

Звезда, подобная Солнцу, начинает жизнь как небольшое облако с чуть более высокой плотностью межзвездного газа (по большей части водорода) и пыли. Лишняя масса в этой области притягивает к себе больше газа, увеличивая тем самым ее размер, и это создает большое гравитационное притяжение, чтобы, в свою очередь, притянуть еще больше газа. И по мере того как новый газ попадает в область растущей звезды, он начинает разогреваться.

На микроскопическом уровне один атом, притягивающийся к протозвезде[11], разгоняется во время падения внутрь нее точно так же, как кусок скалы, падающий на землю. Вы можете теоретически описать поведение газа в терминах скорости и направления каждого индивидуального атома, но это до смешного непрактично даже для предметов гораздо более мелких, чем шар газа размером с Солнце, не только из-за количества атомов, но и потому что все атомы взаимодействуют друг с другом. Невзаимодействующий атом будет притянут к центру газового облака, разгоняясь по мере прохождения своего пути, затем он проскочит насквозь и выйдет с другой стороны, замедлится, остановится и повернет обратно, чтобы повторить этот процесс. Реальные атомы, однако, не следуют таким гладким путем: в дороге они ударяются о другие атомы. После столкновения атомы перенаправляются по другим маршрутам, и некоторая часть энергии, набранная падающим атомом в ходе его ускорения за счет гравитации, передается тому атому, с которым он столкнулся. Для большого скопления взаимодействующих атомов в этом случае будет гораздо разумнее описать это облако в терминах коллективного свойства атомов, известного как температура.

Температура – это мера средней кинетической энергии материала как результата случайного движения его составных частей. Для газа это обычно функция скорости атомов, движущихся беспорядочно по зигзагообразным отрезкам[12]. Отдельный атом притягивается внутрь и ускоряется, набирая энергию от гравитационной силы и увеличивая общую энергию газа. Когда он сталкивается с другими атомами, эта энергия перераспределяется, повышая температуру. Общая энергия не увеличивается, но после множества столкновений мы имеем уже не единичный быстро движущийся атом, проходящий сквозь более медленные, а увеличение на небольшую величину средней скорости каждого атома из этого скопления.

Увеличивающаяся скорость атомов в облаке газа стремится вытолкнуть их наружу, поскольку более быстро движущийся атом может пройти большее расстояние от центра, прежде чем гравитация развернет его и втянет назад. Перераспределение энергии от новых атомов, однако, означает, что это увеличение недостаточно для того, чтобы остановить общий коллапс, и по мере того как новые атомы втягиваются внутрь, масса протозвезды увеличивается, увеличивая гравитационную силу. Это, в свою очередь, притягивает все больше газа, принося еще больше энергии и большую массу и так далее. Облако продолжает наращивать как температуру, так и массу, становясь все плотнее и плотнее и все жарче и жарче. Если не вмешиваться в ее работу, сила гравитации сожмет все до бесконечно малой точки, формируя не звезду, а черную дыру. Хотя они и потрясающие объекты, сворачивающие пространство и время и бросающие, наверное, самый дерзкий вызов большинству наших фундаментальных теорий физики, окружение около черной дыры – не очень гостеприимное место, чтобы проводить там ежедневный утренний завтрак. К счастью, другие фундаментальные взаимодействия тоже играют свои роли, останавливая коллапс звезды и формируя то солнце, которое мы знаем и любим. И тут появляется следующая сила, вторая из наиболее нам знакомых – электромагнитное взаимодействие.

Электромагнитная сила

Мы постоянно встречаем электромагнитные взаимодействия в повседневной жизни, как в форме статического электричества, потрескивающего в стопке носков, что недавно из сушилки, или в виде магнитиков, которые держат школьные рисунки на холодильнике. В отличие от гравитации, которая всегда притягивает, электромагнитная сила может быть как притягивающей, так и отталкивающей: электрические заряды бывают положительной и отрицательной разновидности, и у магнитов есть как южный, так и северный полюса. Электромагнитное взаимодействие еще более всепроникающе, чем статические заряды и магниты, но в реальности оно ответственно за нашу способность видеть, можно сказать, вообще всё.

В ранние 1800-е годы электромагнетизм был горячо обсуждаемой темой в физике вместе со многими явлениями, включая электрические токи и магниты, которые изучались тогда впервые. Среди тех, кто изучал электромагнетизм, был британский физик Майкл Фарадей. Он открыл множество технических новшеств, какие играют ключевые роли в наших утренних действиях, включая его работу по сжиженным газам, их применяют в охлаждающих приборах. Также он разработал «клетку Фарадея»[13] (среди многих других приборов), она помогает не выпускать наружу электромагнитные поля внутри микроволновой печи. Несомненно, наиболее важное его открытие заключалось в том, что не только электрические токи могут воздействовать на расположенные неподалеку магниты, но и движущиеся магниты и изменяющиеся магнитные поля могут создавать ток. Это положило основу огромному спектру систем коммерческого производства в современной жизни. Он был одним из первых, кто понял поведение зарядов и магнитов с точки зрения электрических и магнитных полей, заполняющих пустое пространство и определяющих движение удаленных частиц.

Фарадей – знаковая фигура в физике, один из троих, на кого был похож Эйнштейн в своих работах (двое других – это Ньютон и Джеймс Клерк Максвелл[14]). Увы, Эйнштейн был выходцем из «низов» и, хотя был великим экспериментатором с глубокой проницательностью в области физики, ему не хватало математической подготовки, необходимой для перевода его догадок в такие формы, какие убедили бы физиков его времени всерьез принять концепцию электромагнитного «поля». Джеймсу Клерку Максвеллу, происходившему из зажиточного шотландского семейства, выпало создать твердую базу для электрических и магнитных полей. В 1860-егоды Максвелл показал, что все известные электрические и магнитные явления могут быть объяснены простым набором математических отношений, говоря современным языком, четырьмя «уравнениями Максвелла»[15], достаточно компактных, чтобы уместиться на футболке или кофейной чашке. Электрические и магнитные поля Фарадея – это реальные вещи, связанные между собой. Изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, и наоборот. Уравнения Максвелла охватывают все известные электрические и магнитные явления, а также предсказали новое, объединенное, электромагнитное поле. Если колеблющееся электрическое поле правильным образом скомбинировать с колеблющимся магнитным полем, они будут поддерживать друг друга, проходя через пространство. Изменяющееся электрическое поле будет вызывать изменения в магнитном, и наоборот. Эти электромагнитные волны путешествуют со скоростью света, и уже было известно, что свет ведет себя как волна.

Уравнения Максвелла были быстро восприняты как объяснение природы света, а именно, что это в основе своей электромагнитное явление. Электромагнетизм объясняет взаимодействие света, материи и, как мы увидим в следующих главах, природу взаимодействия между материальными объектами и электромагнитными полями. Это подготовило почву для множества открытий, которые и основали квантовую механику.

Электромагнитные силы также во многом ответственны за работу тех объектов, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Обычная материя сделана из атомов, они, в свою очередь, состоят из более мелких частиц, отличающихся своим электрическим зарядом: положительно заряженных протонов, отрицательно заряженных электронов и имеющих нейтральный электрический заряд нейтронов. Атом состоит из положительно заряженного ядра, содержащего протоны и нейтроны, и окружено облаком электронов, притянутых электромагнитным влиянием ядра.