Текст книги "Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, ативещество и бозон Хиггса"

Отзывы на книгу

«Вселенная в зеркале заднего вида»

«Вселенная в зеркале заднего вида» – великолепное чтение для каждого, кто стремится понять, почему наша вселенная так сложна и так чудесна… Голдберг – великолепный спутник, который доведет вас к месту назначения – к восхищению красотой мироздания.

Nature Physics

Математические симметрии таят в себе ответы на множество вопросов, однако Голдберг на протяжении всей своей остроумной и легкой книги расставляет для читателя вехи, не перегруженные математическими выкладками. Совет: не пропускайте многочисленные сноски, полные юмора для высоколобых!

Discover

У Голдберга тонкое чувство юмора и абсурда – и он прекрасно умеет объяснять, почему то, что мы воспринимаем как должное, например, равенство гравитационной и инерционной масс, на самом деле очень странно и ни капли не очевидно… Эта книга немного похожа на лихие американские горки, построенные через толкиновскую Морию.

New Scientist

Надо же, какой, оказывается, интересной может быть тема симметрии! Физик Дэйв Голдберг увлекает читателя прямо в водоворот масштабных физических концепций, но при этом правит кораблем так ловко, что читатель не рискует утонуть.

Nature

Содержательная, не перегруженная математикой и необычайно увлекательная книга о концепции симметрии в физике… Книга Голдберга от начала и до конца написана доступно и с юмором… Свои объяснения автор щедро приправляет отсылками к популярной культуре – от «Доктора Кто» и Льюиса Кэрролла до «Angry Birds» – и благодаря прелестной манере изложения делает простыми даже самые сложные темы.

Publishers Weekly

Голдберг рассказывает о десятке самых фундаментальных качеств вселенной с неизменным юмором и при этом тонко, глубоко и понятно.

Kirkus Reviews

Эта книга – веселое и увлекательное исследование основных физических понятий, в которую, помимо всего прочего, входит рассказ об одной из невоспетых героинь физики, об исполине, на чьих плечах стояли многие физики – об Эмми Нётер!

Даника Маккеллар, актриса, автор книги «Math Doesn’t Suck»

Дэйв Голдберг устраивает настоящий луна-парк из увлекательных курьезов, головоломных парадоксов и тонкого юмора… Он великолепно разъясняет читателю, какова роль симметрии в физике, астрономии и математике. Прекрасный рассказ о прекрасной вселенной!

Пол Хэлперн, автор книги «Edge of the Universe»

Не оторваться! Эта книга – настоящий подарок любому читателю, которому любопытно узнать обо всех диковинах нашей чудесной вселенной. Если бы фундаментальные понятия и законы физики преподавались в школах так понятно и весело, как рассказывает о них Дэйв Голдберг в своей книге, нам гораздо лучше удавалось бы привлекать в науку молодежь.

Приямвада Натараян, председатель отделений физики и астрономии Женского преподавательского форума при Йельском университете

Эта книга почти так же масштабна по тематике, как и физическая вселенная, о которой она так замечательно повествует. Но главное, пожалуй, то, что Голдберг подробно пишет о недооцененных заслугах Эмми Нётер. Ее теорема, согласно которой каждой симметрии соответствует сохраняющаяся величина, объединяет самые разные области физики, а Голдберг объясняет, как и почему.

Джон Аллен Паулос, преподаватель математики в Университете Темпл, автор книги «Innumeracy»

Дэйв Голдберг рассказывает о том, как симметрия формирует вселенную, с таким мастерством, что читать его книгу – сплошное удовольствие. От его рассказов – от «коана о каонах» и муравьиного царства до суеты вокруг бозона Хиггса – невозможно оторваться, и при этом они необычайно познавательны.

Дж. Ричард Готт, преподаватель астрофизики в Принстонском университете

Читать эту книгу – все равно что слушать лекцию самого замечательного преподавателя физики на свете! Голдберг рассказывает о физике все, что вы хотели знать, но стеснялись спросить, например, можно ли построить «Тардис», или что будет, если Землю засосет в черную дыру. Обязательное чтение для каждого, кто хочет понять природу вселенной – и при этом посмеяться!

Аннали Ньюиц, редактор и оператор поля искажения времени на сайте http://i09.com

Посвящается Эмили, Уилле и Лили – вы моя жизнь, любовь и вдохновение

Следует помнить, что то, что мы наблюдаем – это не природа как таковая, а природа, подвергнутая нашему методу задавать вопросы.

Вернер Гейзенберг

Введение

В котором я рассказываю, что да как, поэтому его лучше не пролистывать

Почему на свете есть что-то, а не ничего? Почему будущее не такое, как прошлое? Почему серьезному человеку приходят в голову подобные вопросы?

Когда говоришь о популярной науке, впадаешь в этакий удалой скептицизм посвященного. Почитаешь все эти твиты и блоги – и складывается впечатление, будто теория относительности – не более чем досужая болтовня какого-то пижона на вечеринке, а не одна из самых удачных физических теорий в истории человечества, которая вот уже сто лет выдерживает все экспериментальные и наблюдательные проверки.

С точки зрения непосвященного, физика что-то уж больно перегружена всякими законами и формулами. Неужели нельзя попроще? Да и сами физики зачастую упиваются отстраненной сложностью своих конструкций. Когда сто лет назад сэра Артура Эддингтона спросили, правда ли, что общую теорию относительности Эйнштейна понимают всего три человека в мире, он задумался, а потом небрежно заметил: «Пытаюсь понять, кто же третий». Сегодня теория относительности входит в стандартный арсенал каждого физика, ее изо дня в день преподают вчерашним, а то и сегодняшним школьникам. Так что пора отказаться от высокомерной мысли, что понимание тайн мироздания доступно лишь гениям.

Глубокие озарения, касающиеся устройства нашего мира, почти никогда не были результатом изобретения новой формулы, будь ты Эддингтон или Эйнштейн. Наоборот, прорывы почти всегда происходят тогда, когда мы понимаем, что раньше мы думали, будто это разные вещи, а на самом деле это одно и то же. Чтобы понять, как все устроено, надо разобраться в симметрии.

Великий физик XX века, нобелевский лауреат Ричард Фейнман[1] уподобил мир физики игре в шахматы. Шахматы – игра, полная симметрии. Поверни доску на пол-оборота – она будет выглядеть точно так же, как и в начале. Фигуры на одной стороне, за исключением цвета, – почти что идеальное зеркальное отражение фигур на другой. Даже правила игры обладают симметрией. Вот как говорит об этом Фейнман:

По правилам, слон движется по шахматной доске только по диагонали. Можно сделать вывод, что сколько бы ходов ни миновало, определенный слон всегда останется на белом поле… Так и будет, причем довольно долго – но вдруг мы обнаруживаем, что слон оказался на черном поле (на самом-то деле произошло вот что: за это время слона съели, но одна из пешек дошла до последнего ряда и стала слоном на черном поле). Так и с физикой. У нас 1 Лучше, чем прочитать «Фейнмановские лекции по физике» – только их прослушать. Цитата взята из аудиозаписи лекции, которую Фейнман прочитал в Калифорнийском Технологическом институте. Вообще-то он собирался читать лекции первокурсникам, однако к концу семестра все места, судя по всему, заняли его коллеги.

есть закон, который долго-долго действует универсально, даже когда мы не можем отследить все подробности, а потом наступает момент, когда мы можем открыть новый закон.

Понаблюдайте за игрой еще несколько раз – и вас внезапно осенит, что слон остается на полях одного и того же цвета именно потому, что ходит только по диагонали. Закон сохранения цвета обычно действует, однако более глубокий закон требует более глубокого объяснения.

Симметрия в природе проявляется практически везде – даже если она ничем не примечательна или даже очевидна и банальна. Крылья бабочки – идеальное отражение друг друга. Функции их идентичны, однако я бы очень сильно пожалел бедняжку-бабочку с двумя левыми или двумя правыми крыльями – она бы беспомощно летала по кругу. Симметрия и асимметрия в природе, как правило, вынуждены соревноваться друг с другом. В конечном итоге симметрия – инструмент, при помощи которого мы не просто формулируем законы, но и разбираемся, почему они действуют.

Скажем, пространство и время совсем не так различны, как может показаться. Они словно правое и левое крылья бабочки. Подобие между ними и легло в основу специальной теории относительности – и породило самую знаменитую формулу во всей физике. По всей видимости, законы физики не меняются со временем – эта симметрия позволяет сделать вывод о сохранении энергии. И это тоже хорошо: именно благодаря сохранению энергии наша гигантская батарейка – Солнце – умудряется питать всю жизнь на Земле.

Для многих из нас (ну ладно, для физиков) законы симметрии, обнаруживаемые при изучении физической вселенной, столь же прекрасны, что и симметрия бриллианта, снежинки или идеализированная эстетика совершенно симметричного человеческого лица.

Об этом замечательно пишет математик Маркус дю Сотой:

Лишь самые приспособленные, самые здоровые растения обладают запасом энергии, который позволяет им соблюдать равновесие при создании своей формы. Симметричный цветок превосходит асимметричные, и это отражается в том, что он производит больше нектара и в этом нектаре больше содержание сахара. Симметрия сладка на вкус.

Задачки, которые ставит перед нами симметрия, несказанно радуют наш ум. Американские кроссворды, как правило, представляют собой узор из черных и белых квадратиков, который не меняется, если повернуть всю картинку на пол-оборота или посмотреть на нее в зеркало. На симметрии построены и многие шедевры живописи и архитектуры – пирамиды, Эйфелева башня, Тадж-Махал.

Стоит обыскать задворки сознания – и наверняка вспомнишь пять платоновых тел. Правильных многогранников с одинаковыми гранями всего пять: это тетраэдр (четыре грани), куб (шесть), октаэдр (восемь), додекаэдр (двенадцать) и икосаэдр (двадцать). Какой-нибудь ученый зануда, например, я, с нежностью вспомнит детство и поймет, что именно так выглядели кости в наборе для игры в «Dungeons & Dragons».[2]

2 Обладатели черного пояса по занудству укажут, что я забыл упомянуть

десятигранную кость. Так вот, знайте, что десятигранник – это не платоново тело. Он принадлежит к классу антибипирамид и называется еще пентагональным трапецоэдром.

Иногда, в повседневном общении, слово «симметрия» относится просто к тому, как предметы «соответствуют» друг другу или «отражают» друг друга, но на самом деле у этого понятия, конечно, есть точное определение. Формулировка, на которую мы будем опираться на страницах этой книги, принадлежит математику Герману Вейлю:

Объект называется симметричным, если с ним можно произвести какие-то действия, и после этого он будет выглядеть так же, как раньше.

Рассмотрим равносторонний треугольник. С этим треугольником можно вытворять все что угодно – а он все равно останется совершенно таким же, как раньше. Можно повернуть его на треть оборота – и он будет выглядеть как прежде. А можно посмотреть на него в зеркало – и отражение будет точно таким же, как оригинал.

Равносторонний треугольник

Круг – идеальный симметричный объект. В отличие от треугольников, которые выглядят как прежде, только если повернуть их на определенный угол, круг можно вертеть как хочешь, и он останется прежним. Не хотелось бы втолковывать очевидное, однако именно по этому принципу работает колесо.

Задолго до того, как мы поняли, как движутся планеты, Аристотель предположил, что их орбиты должны быть круглыми – именно из-за «совершенства» круга как симметричной формы. Аристотель заблуждался – и ничего удивительного: он заблуждался почти во всем, что касается физического мира.

Велик соблазн, высмеивая древних, погрязнуть в сладостном самодовольстве, однако Аристотель был прав в одном, но очень важном. Хотя планеты на самом деле вращаются вокруг Солнца по эллипсам, гравитационная сила, влекущая их к Солнцу, одинакова по всем направлениям. Гравитация симметрична. Из этого предположения и остроумной догадки о том, как гравитация ослабляется с расстоянием, сэр Исаак Ньютон сделал верный вывод о движении планет. В частности, поэтому вам так хорошо знакомо это имя, хотя причин тому множество. Фигуры, которые выглядят совсем не так идеально, как круг – эллиптические орбиты планет – это следствие гораздо более глубинной симметрии.

Симметрии указывают нам на подлинные принципы природы. Никто не мог понять, как устроен механизм наследственности, пока Розалинда Франклин не сделала рентгеновский снимок ДНК, который позволил Джеймсу Уотсону и Фрэнсису Крику открыть двойную спиральную структуру. А эта структура, состоящая из двух взаимодополняющих спиральных нитей, позволила нам разобраться в методе копирования и наследования.

Двойная спираль ДНК

Если вы вращаетесь в кругах, совершенно оторванных от жизни ученых чудаков, то, вероятно, слышали, как кто-нибудь из них называет ту или иную теорию «естественной» или «красивой». Обычно это означает, что предположение, на котором основана теория, настолько просто, что просто обязано быть верным. Иными словами, начав с очень простого правила, можно описать всевозможные сложные системы, например, гравитацию вокруг черных дыр или фундаментальные законы природы.

Это книга о симметрии, о том, как она проявляется в природе, как направляет нашу интуицию и как вылезает там, где ее не ждешь. Наиболее сжато это выразил нобелевский лауреат Фил Андерсон:

Будет лишь небольшим преувеличением сказать, что физика – это изучение симметрии.

Иногда симметрия так очевидна, что кажется совершенно банальной – однако приводит к невероятно контринтуитивным результатам. Когда катаешься на американских горках, организм не в состоянии различить, что вжимает его в сиденье – гравитация или ускорение вагонетки: ощущается это одинаково. Когда Эйнштейн предположил, что «ощущается одинаково» означает «и есть одно и то же», то вывел законы, по которым действует гравитация, а впоследствии это привело к гипотезе о существовании черных дыр.

Или, скажем, то обстоятельство, что можно поменять местами две частицы одинакового типа, неизбежно приводит к пониманию того, какая участь ожидает наше Солнце, и к загадочному принципу запрета Паули, а в конечном итоге – к функционированию нейтронных звезд и всей химии на свете.

А вот течение времени, с другой стороны, кажется столь же очевидно асимметричным. Прошлое отличается от будущего, это уж точно. Однако, как ни странно, законы физики ничего не знают об оси времени – им забыли о ней сказать. На микроскопическом уровне практически любой мыслимый эксперимент замечательно идет и туда, и обратно.

Тут легко поддаться стремлению обобщать и предположить, будто все на свете симметрично. Я с вами, читатель, незнаком и поэтому готов делать самые оскорбительные предположения. В старших классах или в институте вы хотя бы раз участвовали в мозголомной беседе на тему «А вдруг, ребята, наша вселенная – всего лишь атом в какой-то огромной-преогромной вселенной?»

Успели ли вы повзрослеть с тех пор? Признайтесь, вы прекрасно знаете, про что фильм «Люди в черном», и с нежностью вспоминаете, как в детстве читали «Слон Хортон слышит кого-то» – однако даже сейчас невольно задумываетесь, не существует ли где-нибудь миниатюрная вселенная, выходящая далеко за рамки нашего восприятия.

Нет, дружище, ответ отрицательный – но тут следует задаться несколько более глубоким вопросом: а почему?

Если можно что-то увеличить или уменьшить, не меняя его, значит, перед нами определенного рода симметрия. Те из вас, кто читал «Гулливера», вспомнят, наверное, что стоило нам повстречаться с лилипутами[3], ка3 Лилипуты по всем измерениям меньше Гулливера в двенадцать раз. Умножать и делить на десять гораздо проще, поэтому я для простоты картины решил все округлять и упрощать. Можете не благодарить.

к Джонатан Свифт пускается в длиннейшие подробнейшие рассуждения обо всем, что следует из разницы в росте между Гулливером и лилипутами, а затем и между Гулливером и великанами-бробдингнегами. Тут Свифт явно перестарался – он пишет соотношении размеров всего на свете, от длины шага до количества местных животных, которое требовалось Гулливеру, чтобы насытиться.

Однако уже во времена Свифта никто не сомневался, что существование таких стран и народов (про говорящих лошадей вообще молчу) противоречит законам физики. Веком раньше Галилео Галилей написал «Две новые науки», где исследовал возможность существования великанов с научной точки зрения[4]. Всласть порассуждав, он сделал вывод, что предположение ложно – лишив таким образом грядущие поколения возможности повеселиться. Беда в том, что кость, увеличиваясь в длину в два раза, становится тяжелее в восемь раз, а ее поверхность увеличивается всего в четыре раза. Так что она сломается, не выдержав собственного веса. Вот как пишет об этом сам Галилей:

Дуб высотой двести локтей не смог бы удержать собственные ветви, будь они распределены так же, как и на дереве обычной высоты; и природа не может породить лошадь в двадцать раз больше обычной лошади или великана в десять раз выше обычного человека, разве что чудом или сильно изменив пропорции его тела, в особенности костей, которые должны быть значительно увеличены по сравнению с обычными.

4 Достойное применение его времени и талантов, нечего сказать.

Далее Галилей любезно приводит наброски великанских частей на радость читателю и завершает повествование прелестным страшноватым рисунком.

Потому-то маленькая собачка может иногда нести на спине двух-трех собачек своего размера, однако, полагаю, конь не сможет нести даже одного такого же коня.

Вот почему Человек-паук так скверно придуман[5]. Он не мог бы обладать пропорционально увеличенной силой паука. Иначе он был бы такого массивного сложения, что его не пришлось бы даже давить. Гравитация все сделала бы сама. Как пишет биолог Дж. Б. С. Холдейн в своем эссе «О том, как важно быть нужного размера» (J. B. S. Haldane, «On Being the Right Size»):

5 Давно доказано, что если говорить с ученым достаточно долго, он испортит все что угодно, докопавшись до сути. Вот почему нам так часто уготованы одинокие вечера.

Вот почему насекомое не боится гравитации – оно может упасть и остаться целым и невредимым, оно может прицепиться к потолку, затратив на удивление мало усилий… Однако есть на свете сила, которой насекомое страшится так же, как млекопитающее – гравитации. Это поверхностное натяжение… Насекомое, которое решило попить, находится в такой же опасности, как и человек, свесившийся с края бездонной пропасти в поисках пропитания. Стоит насекомому попасться в сети поверхностного натяжения воды – то есть попросту намокнуть – и оно, скорее всего, не сможет выбраться и утонет.

На самом деле проблема куда глубже, чем прочность великаньих костей на разрыв и пропорциональная сила насекомых. Все предметы, сопоставимые с размерами человека, вроде бы можно пропорционально уменьшать и увеличивать без особого ущерба – шестиметровый робот-убийца, судя по всему, при совершенно том же устройстве, что и его трехметровая модель, будет работать вдвое лучше, – но если перейти на масштабы атомов и молекул, все прогнозы перестают оправдываться. Мир атомов – это еще и мир квантовой механики, а это означает, что конкретность нашего макроскопического существования внезапно сменяется неопределенностью.

Иначе говоря, сам акт масштабирования не имеет отношения к симметрии природы. Карта космической сети галактик и правда слегка смахивает на изображение нейронов, но это не какая-то великая вселенская симметрия. Это совпадение. Я мог бы и дальше описывать разные случаи симметрии один за другим, но, надеюсь, в общем и целом объяснил, что к чему. Одни изменения имеют значение, другие нет. В этой книге я решил применить вот какой подход: каждую главу посвятить отдельному вопросу, на который, как потом выяснится, есть ответ, пусть и косвенный, и дают его фундаментальные симметрии вселенной.

А с другой стороны – даже правая рука у человека отличается от левой. Одна из главных загадок, над которыми размышляют люди, состоит в том, что в каком-то смысле вселенная не симметрична. Сердце у вас в левой стороне груди, будущее не такое же, как прошлое, вы состоите из вещества, а не из антивещества. Так что эта книга – это книга еще и о нарушенной и несовершенной симметрии, возможно, даже в большей степени, чем о симметрии идеальной. Народная мудрость гласит, что персидский ковер совершенен в своем несовершенстве и идеален в своей неидеальности. Узор на настоящих, традиционных коврах чуть-чуть неточен, и нарушение симметрии придает всему изделию больше индивидуальности. Точно так же происходит и с законами природы – и это прекрасно: идеально симметричная вселенная была бы чудовищно скучной. А нашу вселенную скучной не назовешь.

Вселенная, которую мы видим в зеркале заднего вида, ближе, чем кажется, и это все меняет. Но давайте не будем смотреть назад – мы ведь отправляемся в долгую экскурсию по вселенной. А нашим экскурсоводом будет симметрия, зато когда она нарушится, нам будет о чем написать домой.

Глава первая. Антивещество

Из которой мы узнаем, почему на свете есть что-то, а не ничего

Смотреть научно-фантастические фильмы в надежде узнать что-то новое о науке – затея в целом бессмысленная. В числе прочего вы получите очень искаженное представление, например, о том, как грохочут в космосе взрывы (они бесшумные), как просто развить сверхсветовую скорость (а никак), как много в космосе англоговорящих и не вполне гуманоидных, но все равно дьявольски привлекательных инопланетянок (они все замужем). Однако всяческие «Звездные войны» и «Звездные пути» внушили нам одну очень правильную идею: с антивеществом шутки плохи.

В антивеществе скрыта такая потрясающая мощь, что устоять перед соблазном просто невозможно, и если писатель-фантаст хочет добавить в свое варево «настоящей физики», он почти всегда тянется за щепоткой антивещества: оно придаст весу в глазах читателей. Двигатель космического корабля «Энтерпрайз» работал на взаимодействии вещества и антивещества. Айзек Азимов снабдил своих роботов позитронным мозгом – и превратил позитрон, частицу антивещества, в научно-фантастический макгаффин[6].

Даже в «Ангелах и демонах» Дэна Брауна – книге, которую едва ли можно причислить к настоящей научной фантастике, – антивещество служит своего рода адской машиной. Злодеи крадут полграмма антивещества – и этого количества хватит, чтобы устроить взрыв, по мощности сопоставимый с первыми ядерными бомбами. Не считая того, что Дэн Браун ошибся в арифметических расчетах в два раза[7], совершенно не разобрался, что на самом деле происходит в ускорителе частиц, и промахнулся примерно в триллион раз, когда прикидывал, сколько антивещества можно хранить и перевозить, с научной частью у него все в порядке.

Выходит, мы постоянно сталкиваемся с антивеществом – однако совершенно неправильно понимаем, что это такое. Эта субстанция – отнюдь не неостановимый убийца, к которому вы за столько лет привыкли относиться с недоверием. Если антивещество не трогать, оно ведет себя довольно мирно. Антивещество – совсем как обычное вещество, которое вы знаете и любите – например, оно обладает той же массой, – просто наоборот: противоположный заряд и противоположное название. Жареным запахнет, только если смешать антивещество с обычным веществом.

6 В сценарном деле макгаффином называют некий предмет, вокруг которого строится фабула – например, Грааль в Артуровском цикле или двенадцать стульев в «Двенадцати стульях» Ильфа и Петрова. – Прим. перев.

7 Когда антивещество делает «Трах-бах», исчезает такое же количество вещества. Об этом Браун, очевидно, позабыл.

Мало того что антивещество ничем не экзотичнее обычного вещества, оно еще и выглядит и ведет себя совершенно так же практически во всех важных ситуациях. Если бы все частицы во вселенной вдруг оказались заменены своей антиверсией, вы бы ничего не заметили. Проще говоря, в том, как законы физики обращаются с веществом и антивеществом, тоже есть симметрия, и все же они должны быть чуточку разными: ведь и вы, и все ваши знакомые сделаны не из антивещества, а из обычного вещества.

Нам нравится думать, что случайностей не бывает, что есть какая-то глобальная причина, по которой вы не сидите в данный момент в комнате, битком набитой антилюдьми. Чтобы разобраться, в чем тут дело, мы углубимся в прошлое.

Да ну их, антилюдей, сам-то я откуда взялся?

Объяснить, откуда что-то взялось, бывает непросто. Не всегда удается аккуратненько списать все на укус радиоактивного паука, взрыв родной планеты или даже оживление трупа (науки ради, сами понимаете). История нашего собственного происхождения весьма заковыриста, однако вам будет приятно узнать, что мы (совсем как Халк) в конечном итоге – результат воздействия гамма-излучения. Это долгая история.

Физика пока не может ответить даже на вопрос, откуда взялась сама вселенная, зато мы можем многое сказать о том, что было после этого. Рискуя вызвать экзистенциальный кризис, мы можем по крайней мере попытаться ответить на один из величайших вопросов философии, прямо-таки большую шишку из ее пантеона: «Почему на свете есть что-то, а не ничего?»

Вопрос не такой тупой, как может показаться. На основании всего того, что мы наблюдаем в лаборатории, вы существовать не должны. Ничего личного. Я тоже не должен существовать, а также Солнце, галактика Млечный Путь и кино «Сумерки» (по великому множеству причин).

Чтобы понять, почему вы не должны существовать, нам нужно заглянуть в зеркальные вселенные, вселенные из антивещества и нашу собственную вселенную на мельчайшем масштабе. Только на мельчайшем масштабе проявляется разница между веществом и антивеществом, и даже тогда она далеко не очевидна.

Вселенная на мельчайшем масштабе совсем другая[8]. Все, что мы видим, состоит из молекул, самые маленькие из которых размером около миллионной доли миллиметра. Если сравнить это с величинами человеческого масштаба, то человеческий волос имеет толщину примерно в сто тысяч молекул. Да, молекулы очень маленькие, но какими бы они ни были маленькими, они состоят из частиц еще меньших. И это тоже хорошо – если мы заинтересованы в том, чтобы найти в мире хоть какой-то порядок. По данным Королевского химического общества, мы знаем около 20 миллионов разных видов молекул, а новые соединения открывают так часто, что нечего даже и пытаться назвать точное число. Если бы мы не понимали, что молекулы состоят из чего-то еще меньшего, мы бы погрязли в их перечислении[9].

8 Надеюсь, вы не пропустили введение. Там много дельного.

9 Эрнест Резерфорд, который сделал, прямо скажем, больше других для объяснения структуры вещества, без обиняков заявил: «Все науки делятся на К счастью для вселенского порядка, если брать все меньший и меньший масштаб, появляются новые структуры. На масштабе меньше десяти миллиардных метра мы начинаем различать отдельные атомы. Химических элементов нам известно лишь 118, и большинство из них в природе не встречается вообще или встречается лишь в ничтожных количествах.

То, что мы видим на макроскопическом масштабе, ничуть не помогает подготовиться к тому, с чем мы сталкиваемся, когда доходим до размера отдельных атомов, потому что именно тогда на сцену выходит квантовая механика. Говорить о квантовой природе реальности я пока не стану, скажу лишь одно: там царит малоприятная неопределенность. Пока что можно не обращать на нее внимания, однако чуть позже придется залезть в это болото по уши.

Даже если не знать в точности, что представляют собой атомы, вполне можно добиться от них толку. Именно это открыл русский химик Дмитрий Менделеев в XIX веке[10]. С его главным достижением вы, скорее всего, знакомы, если хоть раз в жизни забредали в школьный кабинет химии или физики. Менделеев изобрел периодическую таблицу.

Это не просто длинный список. Менделеев доказал, что элементы в каждом столбце таблицы обладают очень похожими химическими свойствами. Например, медь, зофизику и коллекционирование марок». Как ему, наверное, было обидно получить в 1908 году Нобелевскую премию по химии!

10 Менделеев – первый из многих героев этой книги, у кого практически отняли Нобелевскую премию. В его случае премию по химии в 1907 году он не получил из-за политических интриг – несмотря на то, что периодическая таблица лежит в основе всей современной химии и физики атомов.

лото и серебро находятся в одном столбце, и все они металлы с очень большой проводимостью. Заполнив свободные места, Менделеев сумел предсказать свойства элементов до того, как их удалось открыть в лаборатории!

Сама идея о том, что атомы составляют невидимую основу вещества, уже была сформулирована две с половиной тысячи лет назад, хотя и в довольно примитивном виде. Левкипп, Демокрит и древнегреческие атомисты высказали эту идею в V веке до н. э., и можно с легкостью предположить, что мы последние две тысячи лет потратили на то, чтобы она до нас наконец дошла. Лично я считаю, что древним многовато чести.

В целом первые атомисты говорили лишь о том, что бесконечно делить вещество нельзя. Они не представляли себе, как малы атомы, какая у них структура и что их можно делить дальше (несмотря на то, что само слово «атом» буквально означает «неделимый»).

Мы начали хоть сколько-нибудь понимать, что представляют собой атомы, лишь в последние двести лет, и кульминацией этого стал блистательный анализ броуновского движения, который сделал Эйнштейн в 1905 году. За 80 лет до этого ботаник Роберт Броун изучил под микроскопом пыльцу, взболтанную в жидкости. Броун отметил, что сколько он ни дожидался, когда картина успокоится, частички пыльцы продолжали беспорядочно суетиться.

Эйнштейн абсолютно правильно предположил, что отдельные молекулы постоянно толкали частички пыльцы в разные стороны случайным образом – а из этого он сумел сделать вывод, что атомы существуют в реальности, и даже оценить их размер.

Уже одного убедительного доказательства, что атомы должны существовать, было бы более чем достаточно, чтобы сделать Эйнштейна одним из величайших ученых XX века, однако считается, что это всего лишь третье по важности из открытий, которые он сделал на протяжении одного года. Произошло настоящее чудо, пожалуй, еще не было в истории, чтобы гениальные открытия следовали одно за другим с такой частотой, и недаром 1905 год называют «Чудесным годом» в биографии Эйнштейна – именно тогда была опубликована череда статей, в которых ученый не только доказал, что атомы существуют, но и продемонстрировал, что свет состоит из частиц (за что и получил Нобелевскую премию в 1921 году), а также предложил на суд научной общественности пустячок под названием «теория относительности», благодаря которому вы, скорее всего, и знаете его имя.