Текст книги "Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной"
Автор книги: Маркус Чоун (Чаун)
сообщить о нарушении
Текущая страница: 9 (всего у книги 10 страниц)
Вообразите ребенка на качелях. Допустим, качели делают ход взад-вперед каждые пять секунд. Если вы будете подталкивать качели каждые три или каждые семь секунд, то не сможете раскачать их сильнее, и довольно скоро перед вами будет очень недовольный ребенок, интересующийся, зачем это дядя (или тетя) так неловко остановил(а) качели. Однако если вы станете подталкивать качели каждые пять секунд, они будут взлетать все выше. Физики скажут, что качели обладают «собственной частотой», равной одному качанию в пять секунд. Это характерно для всех колебательных систем (качели тоже колебательная система): когда движущая сила – в данном случае ваши толчки – совпадает с ее собственной частотой, энергия передается наиболее эффективно. В таком случае говорят, что колебательная система «вошла в резонанс».
Теперь рассмотрим атомное ядро – а именно ядро углерода-12. Представим его себе как мешок, в который помещены двенадцать ядерных кирпичиков. На самом деле такого мешка не существует, однако сильное взаимодействие, которое связывает кирпичики, с успехом удерживает их в очень малом объеме, как если бы они и впрямь находились в мешке. Внутри «мешка» ядерные кирпичики неустанно толкают друг друга туда-сюда, и надо сказать, что толкание это не совсем уж случайное. Есть свидетельства, что внутри ядра нуклоны движутся по орбитам плотно упакованных «оболочек», напоминающих электронные оболочки атома. А самое главное – то, что у «мешка» есть определенные собственные частоты,с которыми колеблется, или вибрирует, его содержимое.
«Частота» – синоним энергии: ленивые, низкочастотные вибрации несут небольшую энергию, а яростные, высокочастотные вибрации – большую. Таким образом, каждая внутренняя вибрация ядра углерода-12 соответствует определенной колебательной энергии. Так вот, именно энергия была тем способом, с помощью которого Хойл надеялся повысить эффективность тройного альфа-процесса. Если сталкиваются три ядра гелия – или, что то же, ядро гелия и ядро бериллия-8 – и их суммарная энергия в точностисовпадает с одной из собственных частот углерода-12, возникает резонанс. Только в этом случае не качели взлетают выше, а возрастает скорость ядерной реакции, которая склеивает ядерные компоненты, чтобы произвести на свет углерод-12.
Конечно, ядерная реакция войдет в резонанс лишь при том условии, если у углерода-12 найдется «энергетическое состояние», которое будет в точности совпадать с суммарной энергией движения трех ядер гелия при температуре в 100 миллионов градусов, типичной для центральной области красного гиганта [66]66
На самом деле звезда должна иметь массу, по меньшей мере троекратно превышающую массу Солнца, чтобы ее температура достигла 100 миллионов градусов. (Прим. автора).
[Закрыть]. Хойл ввел в уравнения нужные значения и рассчитал энергию. Она составила 7,65 мегаэлектронвольта (МэВ). Что такое этот самый МэВ, в данном случае не важно; достаточно сказать, что это единица энергии, которую физики посчитали удобной для измерения энергии микрочастиц, имеющих электрический заряд. Важно другое: если энергетический уровень углерода-12 окажется в точности равным 7,65 МэВ, то ядерная реакция синтеза углерода-12 из трех атомов гелия войдет в резонанс. Хойл подсчитал, какое количество углерода-12 может быть выпечено в сердцевине красного гиганта при том условии, что энергетический уровень в 7,65 МэВ существует. Количество получилось весьма и весьма ощутимое. Ускоренный тройной альфа-процесс работал. Барьеры «масса-5» и «масса-8» остались позади. Путь к формированию любых тяжелых элементов был открыт. Все зависело от того, обладает ли углерод-12 колебательной энергией, в точности равной 7,65 МэВ. Вот и главный вопрос: обладает он этой энергией или нет?
К счастью или к несчастью, но весной 1953 года Хойл получил очередной академический отпуск в своем Кембриджском университете – такие отпуска с определенной регулярностью предоставляются преподавателям для научной работы. А местом назначения отпуска был Калифорнийский технологический институт в Пасадене (Калтех), где работала экспериментальная группа физиков-ядерщиков. Эта группа пробовала свои силы и в «ядерной астрофизике» тоже. Их измерения скорости важнейшей ядерной реакции в CNO-цикле имели критическое значение: все говорило в пользу того, что CNO-цикл может быть источником энергии только для звезд, существенно массивнее Солнца. Прибыв в Калтех, Хойл, не теряя ни минуты, направился в Радиационную лабораторию имени Келлога, чтобы повидаться с руководителем группы Уильямом Фаулером (1911–1995) и задать ему свой главный вопрос. Может ли углерод-12 обладать энергетическим уровнем, равным 7,65 МэВ?
Хойл мог с таким же успехом спросить: правда ли, что ядерными реакциями в сердце Солнца управляют феи? Фаулер подумал, что к нему заявился сумасшедший. Никогда еще ни один теоретик не мог предсказать точную энергию составного ядра. Математика этого дела была чертовски сложной.
Хотя физики редко это признают, но единственная физическая система, поведение которой они могут предсказать с уверенностью, – это система из двух тел: вот Луна движется по орбите под действием притяжения Земли; вот электрон в атоме водорода движется по своей орбите, подчиняясь электромагнитной хватке протона… Однако если речь заходит о системе из трех и более тел, теоретики сбиваются с толку. А углерод-12, с его двенадцатью электронами, жужжащими вокруг ядра, как пчелиный рой, – это уже система из «многих тел». Точно предсказать ее свойства – за пределами возможностей теоретиков. Но Хойл – молодой очкастый астроном из Англии – утверждал, что именно это ему и удалось: он сумел предсказать энергетические свойства углерода-12.
Что делало предсказание Хойла еще более абсурдным, так это сумасшедшая логика, стоящая за ним. «Я существую, я сделан из углерода, следовательно, углерод-12 должен обладать энергетическим уровнем в 7,65 МэВ». Вот такая логика! Никогда ранее за всю свою исследовательскую карьеру Фаулер не слышал ничего более удивительного. Заключение, вытекающее из наблюдательного факта, что в природе существуют люди. «Антропный» аргумент. Физика, определяемая биологией. Научная мысль, перевернутая с ног на голову.
Существовала очень высокая вероятность, что Хойл ошибается. С другой стороны, Фаулер придерживался принципа экспериментатора: никогда не будь глух к неожиданному. Он собрал членов своей небольшой исследовательской группы, и те вежливо выслушали, как Хойл повторил свои необыкновенные доводы в пользу существования у углерода-12 энергетического уровня в 7,65 МэВ. Возможно ли, спросил Хойл, что известные на сегодняшний день эксперименты каким-то образом упустили этот уровень? Последовала техническая дискуссия, большую часть которой Хойл даже не понял. Однако в конце концов коллеги Фаулера пришли к единому мнению. Если уровень углерода-12 с энергией 7,65 МэВ имеет некоторые очень специфические свойства, то да, вполне возможно, что эксперименты его упустили. Команда решила перенастроить свое оборудование и «заглянуть» в углерод-12.
Десять дней, пока продолжался эксперимент, Хойл мучился в неизвестности. Каждый день он спускался в недра Лаборатории имени Келлога – щедрого подарка магната кукурузных хлопьев – и наблюдал, как коллега Фаулера Уорд Уэйлинг и его группа работают не покладая рук в джунглях силовых кабелей, трансформаторов и камер, похожих на водолазные колокола, в которых сталкивались друг с другом атомные ядра. И каждый день, когда Хойл вновь выползал из лаборатории на мучительно яркое калифорнийское солнце, он испытывал облегчение от того, что его идея продержалась еще одни сутки и ее никто пока не растер в порошок, но облегчение тут же сменялось тревогой: а что будет завтра? а послезавтра?.. На десятый день Хойла встретил Уэйлинг. Руководитель группы долго жал руку английского астронома и извергал поздравления. Эксперимент удался. Предсказание Хойла подтвердилось. Невероятно, но углерод-12 обладал энергетическим уровнем со значением, всего лишь на волосок отличающимся от 7,65 МэВ.
Это был самый поразительный результат из всех, которые Фаулер когда-либо наблюдал. Он и впрямь не верил, что вопиющее предсказание Хойла будет подтверждено. Однако же вот – подтвердилось, да еще как эффектно! Подобно некоему всеведущему богу, Хойл вгляделся в сердце природы и высмотрел нечто такое, что простым смертным – или, во всяком случае, простым физикам-ядерщикам – было не дано увидеть. Он провозгласил, что углероду-12 должен быть свойствен уровень с энергией 7,65 МэВ, потому что если бы такого уровня не было, то и людей не было бы на свете. До сегодняшнего дня Хойл остается единственным человеком, который сделал успешное предсказание на основании антропного аргумента, опередив физический эксперимент.
Однако Хойл понимал, что, несмотря на потрясающий триумф, радоваться было рано. Стоит углероду-12 образоваться в недрах красного гиганта, как он сразу становится неподвижной мишенью, ожидающей, что по ней вот-вот ударит очередное ядро гелия. А в результате образуется ядро кислорода-16. Все хорошее, что принес тройной альфа-процесс, будет сведено на нет. Хотя углерод и получается в ходе этого процесса, он немедленно превращается в кислород. И Вселенная остается без углерода.
Для формирования углерода необходимо, чтобы ядро углерода-12 вибрировало с частотой, соответствующей очень конкретной энергии – суммарной энергии трех ядер гелия при температуре, типичной для недр красного гиганта. Это было понятно. Но теперь Хойл понял кое-что еще: углерод сможет выжить и не превратится в кислород только в том случае, если кислород-16 не будет вибрировать с определенной частотой, соответствующей конкретной энергии. А именно: кислород-16 не должен обладать энергией, равной суммарной энергии ядра углерода-12 и ядра гелия при той самой «сердцевинной» температуре красного гиганта. Если же такая энергия ему свойственна, возникнет резонанс, и весь углерод-12 тотчас превратится в кислород-16.
В рамках своей работы по CNO-циклу команда Фаулера уже измерила свойства ядра кислорода-16. Хойл внимательнейшим образом изучил эти данные. У него замерло сердце, когда он увидел, что энергетическое состояние кислорода-16 очень близко к тому уровню энергии, который следовало избегать любой ценой. Но, тщательно изучив проблему, Хойл к своему облегчению обнаружил, что значение этого энергетического состояния лежит за пределами опасного диапазона. Кислород и впрямь может формироваться внутри звезд, но, к счастью для рода человеческого, не за счет углерода.
Когда у Хойла появлялась свободная минутка и он принимался размышлять над тем, что именно он открыл, он все больше и больше изумлялся тем совпадениям в ядерном мире, от которых столь решительно зависит наше существование. Бериллий-8 нестабилен, но не настолько нестабилен, чтобы тройной альфа-процесс был невозможен. Значение энергетического уровня углерода-12 ровно таково, чтобы тройной альфа-процесс входил в резонанс и порождал значительные количества углерода. А у кислорода-16 как раз нет энергетического уровня с «нехорошим» значением, поэтому не весь углерод-12 превращается в кислород-16. Если бы эти три условия не удовлетворялись, Вселенная не содержала бы элементы тяжелее углерода, или, как вариант, в ней были бы тяжелые элементы, но не было бы углерода. Однако ничего подобного не произошло, все было тонко сбалансировано таким образом, чтобы родилась именно наша Вселенная, в которой примерно равные количества углерода и кислорода – элементов, принципиально необходимых для жизни.
Хойл задумался: как все это понимать? – и пришел к двум вполне логичным возможностям. Первая заключалась в том, что есть Бог, который тонко настроил свойства ядер бериллия-8, углерода-12 и кислорода-16, так чтобы мы могли прийти в этот мир. Проблема с этим вариантом лишь в том, что он ненаучен. Поразительная черта науки: вы получаете больше, чем вкладываете. Научное объяснение – зачастую сведенное к формуле или уравнению – всегда проще и компактнее, чем те наблюдения, которые оно обобщает. Если же Бог тонко настраивает вещи, то объяснение – мол, причиной всему сложное всевышнее существо – оказывается столь же сложным, если не более сложным, как те вещи, для которых оно понадобилось. Вы получаете меньше, чем вкладываете, – это антитеза науки. Есть еще одна проблема с гипотезой Бога: едва ли не самое поразительное заключение, которое можно сделать о Вселенной, – это то, что она, судя по всему, замечательно, просто превосходно функционирует, подчиняясь лишь известным физическим законам, без какого-либо сверхъестественного ввода данных.
Но если Создатель не занимался тонкой настройкой энергетических уровней бериллия-8, углерода-12 и кислорода-16, как тогда объяснить все эти невероятные совпадения? Хойл высказал сногсшибательное предположение. Возможно, наша Вселенная – не единственная. Возможно, есть множество вселенных, каждая со своими физическими законами. В большинстве вселенных физические законы не сговариваются, чтобы сотворить ядерные совпадения для образования углерода, и там нет жизни. Тогда не удивительно, что мы обнаружились во вселенной, где эти ядерные совпадения, необходимые для жизни, существуют.
Как же нам не возникнуть в таком случае?
Это удивительная, перевернутая логика. Но для Хойла только такая логика и имела смысл. Невероятно: сам факт нашего существования как углеродных созданий, возможно, рассказывает нам не просто и не только лишь о том, что глубоко внутри звезд бытуют ядерные совпадения. Возможно, он рассказывает нам о том, что где-то там, в других пространствах или других измерениях, существует огромное – если не бесконечное – количество других вселенных.
Продолжение следует.
Благодарности
Я благодарен следующим людям, которые непосредственно помогали мне, вдохновляли или просто подбадривали, пока писалась эта книга: Карен, Генри Волансу, Фелисити Брайан, Нилу Белтону, Ларри Шульману, Джиму Хартлу, Стивену Шу, Михаэле Массими, Дэвиду Арнетту, Эду Харрисону, Э. К. Грейлингу, Стивену Хокингу, Адриану Митчеллу, Фриману Дайсону, Иэну Бахрами, Саймону Сингху, Брайану Мею, Саре Менгуч, Элу Джонсу, Тане Монтейро, Брайану Клеггу, Клер Дадман, Алексу Холройду, Джону Гриндроду, Саре Сэвитт, Майлзу Пойнтону, Мишель Топам, Шаназу Мирзе, Патрику О’Халлорану, Энди и Кэнди Когланам, Джереми Уэббу, Валери Джеймисон, Роджеру Хайфилду, Бобби Дербиширу, Александру Гордону Смиту, Алому Шаха, Стиву Хеджесу, Сью О’Малли, Дэвиду Хау, Пэм Янг, Хейзел Мьюр, Стюарту и Никки Кларкам, Спенсеру Брайту, Крисси Айли, Карен Гуннелл, Йо Гуннелл, Пэт и Брайну Чилвер, Стелле Барлоу, Барбаре Пелл и Дэвиду Бруину, Джулии и Биллу Бейтсонам, Анни и Мартину Урселл, Барбаре Кайзер, Дайане, Питеру, Кирану и Люси Томлин, Эрику Гурли, Полу Брандфорду, Хелен и Стиву, Люси, Крису, Хелен и Оливии, Нуале, Навину и Ибрагиму, Мэри, Акселю и Симоне, Карло и Биллу.
Словарь
Абсолютный нуль.Минимальный предел температуры, который может иметь физическое тело. Когда тело охлаждается, его атомы движутся все более и более медленно. При абсолютном нуле, что соответствует -273,15 С° по шкале Цельсия, их хаотическое движение прекращается. (На самом деле это не совсем так, поскольку принцип неопределенности Гейзенберга «заставляет» атомы дрожать даже при абсолютном нуле – это так называемые нулевые колебания.)
Аккреция(от лат.accrētiō – «приращение, увеличение»). Ключевой процесс в астрофизике, при котором сила тяжести тела притягивает все больше и больше вещества из окружающего пространства. Когда материя вращается, стягиваясь к центру, подобно воде в ванне, устремляющейся к сливному отверстию, она может создать «аккреционный диск». Трение внутри диска разогревает его; считается, что это трение и служит источником чудовищно сильного излучения, испускаемого очень мощными ядрами далеких галактик – «квазарами». Явление аккреции подсказывает, что в мощных ядрах галактик должны находиться сверхмассивные черные дыры – масса такой дыры может в 10 миллиардов раз превышать массу Солнца.
Альфа-распад.Выплевывание высокоскоростной альфа-частицы большим нестабильным ядром, которому хочется стать полегче и постабильнее.
Альфа-частица.Положительно заряженная частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов, – в сущности, ядро атома гелия, – которая вылетает из нестабильного ядра при радиоактивном альфа-распаде.
Альфа-процесс.Процесс формирования тяжелых атомных ядер внутри звезд за счет добавления альфа-частиц к ядрам легких элементов. Требует температуры порядка миллиарда градусов.
Андромеда.Ближайшая к нашему Млечному Пути большая галактика, расположенная примерно в 2,5 миллиона световых лет. Андромеда и Млечный Путь – крупнейшие галактики в кластере из более чем 50 галактик, известном как Местная группа.
Антропный принцип.Представление о том, что Вселенная такова, какова она есть, по той причине что если бы это было не так, то нас здесь не было бы и, следовательно, обратить внимание на Вселенную тоже было бы некому. Другими словами, факт нашего существования – важное научное наблюдение.
Антиматерия.Термин, обозначающий большое скопление античастиц. Антипротоны, антинейтроны и позитроны могут, по идее, собираться вместе и образовывать антиатомы. И ничто, в принципе, не исключает возможности существования антизвезд, антипланет и антижизни. Одна из величайших загадок физики – в том, почему мы живем во Вселенной, состоящей, судя по всему, исключительно из материи, в то время как по существующим физическим законам соотношение материи и антиматерии должно быть – ну хотя бы примерно – пятьдесят на пятьдесят.
Античастица.Каждая субатомная частица имеет своего двойника: античастицу с некоторыми характеристиками взаимодействия – такими, как электрический заряд, – обладающими противоположным знаком. Например, двойник отрицательно заряженного электрона – это античастица с положительным зарядом, именуемая позитроном. Когда частицы и античастицы сталкиваются, они самоуничтожаются, или «аннигилируют», при этом высвобождается огромное количество энергии.
Атом.Кирпичик обыкновенной материи. Атом состоит из ядра, окруженного облаком электронов. Положительный заряд ядра уравновешивается отрицательным зарядом электронов. Кирпичики материи чрезвычайно малы: «диаметр» атома составляет около одной десятимиллионной миллиметра.
Атомная энергия.См.: Ядерная энергия.
Атомное ядро.Плотная кучка протонов и нейтронов (в случае водорода – всего один протон) в центре атома. Масса ядра составляет более 99,9 % массы атома.
Бета-распад.Выброс высокоскоростного электрона нестабильным атомным ядром. То, что остается после бета-распада, – это ядро элемента, в котором на один протон больше.
Бета-лучи.Поток частиц, испускаемых в результате бета-распада. На самом деле бета-частицы – то есть электрона, испускаемого при бета-распаде, – в ядре изначально нет, она «рождается» при превращении нейтрона в протон.
Бозон.Микроскопическая частица с целым значением спина – 0, 1, 2 и так далее. Из-за этой «целостности» своего спина такие частицы очень «общительны», им свойственно стадное поведение, в результате чего мы имеем лазеры, сверхтекучие жидкости и сверхпроводники.
Большой взрыв.Титанический взрыв, произошедший 13,7 миллиарда лет назад, в результате чего, как считается, появилась наша Вселенная. В сущности, «взрыв» – неправильное название, поскольку этот самый Большой взрыв произошел везде одновременно и до него не существовало никакой пустоты, в которую могла бы извергнуться Вселенная. Пространство, время и энергия – все появилось в результате Большого взрыва.
Броуновское движение. Беспорядочное движение достаточно больших тел, находящихся под пулеметным обстрелом маленьких тел. Самый известный пример – это зигзагообразное движение зернышек пыльцы на поверхности воды: зернышки дергаются, потому что по ним постоянно ударяют молекулы воды. Феномен броуновского движения, открытый британским ботаником Робертом Броуном (1773–1858) в 1827 году и триумфально объясненный Альбертом Эйнштейном в 1905-м, стал мощным доказательством существования атомов.
Водород.Самый легкий элемент в природе. Атом водорода состоит из одного протона, вокруг которого обращается один электрон. Примерно 90 % всех атомов во Вселенной – атомы водорода.
Волновая функция.Математическая данность, описывающая состояние квантовой системы, например атома. Волновая функция изменяется во времени в соответствии с уравнением Шрёдингера.
Вселенная.Все, что есть на свете. Весьма растяжимый термин: когда-то им обозначали то, что мы теперь называем Солнечной системой; затем «Вселенной» стали именовать то, что мы называем Млечным Путем; сейчас этот термин используют для обозначения совокупности всех галактик в мире: судя по всему, в «наблюдаемой Вселенной» содержится более 100 миллиардов галактик.
Газ.Скопление атомов, которое летит сквозь пространство, подобно рою крошечных пчел.
Галактика.Один из кирпичиков строения Вселенной. Галактики – огромные звездные острова. Наш собственный остров, Млечный Путь, обладает спиральной формой и содержит не менее 200 миллиардов звезд.
Гамма-лучи(гамма-излучение). Электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны. Испускается главным образом при переходах между возбужденными состояниями атомного ядра, то есть когда атомное ядро «перегруппировывается».
Гелий.Второй самый легкий элемент в природе. Единственный элемент, который был обнаружен на Солнце, прежде чем его открыли на Земле. Гелий – второй по распространенности элемент во Вселенной после водорода, на его долю приходится примерно 10 % всех атомов Вселенной.
Гипотеза сжатия.Представление о том, что Солнце остается горячим потому, что по мере его сжатия гравитационная энергия постоянно превращается в тепловую. Гипотеза неверна.
Горение водорода.Реакция синтеза гелия из водорода, сопровождаемая высвобождением большого количества ядерной энергии. Мощный источник энергии Солнца и большинства звезд.
Горение кремния.Цепочка быстрых, бурных ядерных реакций, берущих старт после того, как массивная звезда начинает производить кремний. Всего лишь за день эти реакции превращают кремний в железо и никель – конечные пункты обычных звездных ядерных реакций. После этого звезда находится уже на грани катастрофы и готова взорваться, став сверхновой.
Гравитация.См.: Гравитационное взаимодействие.
Гравитационная волна. Рябь, распространяющаяся по пространству-времени. Гравитационные волны порождаются бешеным движением масс материи, что происходит, например, при слиянии черных дыр. Поскольку гравитационные волны очень слабые, они до сих пор не обнаружены напрямую.
Гравитационная потенциальная энергия.Энергия, которой обладает масса благодаря своему положению в гравитационном поле. Например, незакрепленная на крыше черепица обладает большей потенциальной энергией, чем та, что лежит на земле. Если она упадет на землю, ее потенциальная энергия преобразуется в другие формы – первым делом в энергию движения.
Гравитационное взаимодействие (притяжение, тяготение).Самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий, существующих в природе. Гравитационное взаимодействие в приближенном виде описывается теорией тяготения Ньютона; более точно его описывает теория гравитации Эйнштейна – общая теория относительности. Общая теория относительности «не работает» в случае сингулярности в сердце черной дыры и в случае сингулярности при рождении Вселенной. В наше время физики ищут более точное описание гравитации. Теория, уже получившая название «квантовой гравитации», пытается объяснить гравитацию через обмен частиц, именуемых «гравитонами».
Дейтерий.Редкий изотоп водорода. В ядре дейтерия кроме одного протона содержится еще один нейтрон.
Декогерентность.Механизм, который разрушает странную, «потустороннюю» квантовую природу объекта, и, таким образом, этот объект начинает казаться локализованным, а не находящимся во многих местах одновременно. Декогеренция происходит, если внешний мир получает «знание» об объекте. Это знание может быть принесено отдельным фотоном видимого света или молекулой воздуха, отскочившей от объекта. Поскольку большие объекты, например обеденный стол, постоянно подвергаются бомбардировке фотонами или молекулами воздуха и не могут оставаться полностью изолированными от окружающей среды хоть сколько-нибудь долго, они теряют свою способность быть во многих местах одновременно за фантастически короткий период времени – слишком короткий, чтобы мы это каким-либо образом заметили.
Длина волны.Расстояние, которое проходит волна за полный период колебания (то есть расстояние между двумя соседними гребнями волны).
Закон Бойля-Мариотта. Формулируется он так: «При постоянной температуре и массе идеального газа произведение его давления и объема постоянно». На практике все несколько проще: если уполовинить объем газа, его давление удвоится.
Закон всеобщего тяготения Ньютона. Представление о том, что все тела действуют друг на друга с силой, которая зависит от произведения их индивидуальных масс и обратного квадрата расстояний между ними. Другими словами, если расстояние между телами увеличивается вдвое, сила становится в четыре раза слабее; если расстояние утраивается, сила ослабевает в девять раз; и так далее. Закон всеобщего тяготения Ньютона прекрасно подходит для повседневной жизни, но все же он приблизителен. Эйнштейн «улучшил» этот закон, предложив общую теорию относительности.
Законы сохранения. Фундаментальные физические законы, согласно которым при определенных условиях некоторые измеримые физические величины не изменяются с течением времени. Например, закон сохранения энергии указывает на то, что энергия не может быть создана или уничтожена, а может только преобразовываться из одной формы в другую. Так, химическая энергия бензина может преобразоваться в энергию движения автомобиля.
Закон сохранения импульса. Принцип, согласно которому импульс замкнутой системы не может быть создан или уничтожен.
Запутанность.Квантовая взаимозависимость двух или более микроскопических частиц, отчего они теряют свою индивидуальность и во многих отношениях ведут себя как единая сущность.
Звезда.Гигантский газовый шар, который пополняет свою тепловую энергию, отдаваемую окружающему пространству, за счет ядерной энергии, вырабатываемой в его сердцевине.
Изотоп.Разновидность атома химического элемента. Изотопы одного элемента отличаются друг от друга только массами, а именно количеством нейтронов в ядре. Например, хлор имеет два стабильных изотопа с массами 35 и 37. Различие в массах отражает разные числа нейтронов в ядрах: хлор-35 содержит 18 нейтронов, а хлор-37–20. (Однако оба изотопа содержат одно и то же количество протонов – 17, поскольку именно количество протонов определяет «индивидуальность» элемента.)
Импульс.Импульс тела – это показатель того, какое усилие надо приложить к движущемуся телу, чтобы остановить его. Например, нефтяной танкер, даже если он движется со скоростью всего несколько узлов, гораздо труднее остановить, чем гоночную машину на чемпионате «Формула-1», несущуюся со скоростью 200 километров в час. А все из-за того, что у нефтяного танкера импульс больше.
Интерференция.Способность двух волн, проходящих друг через друга, усиливаться там, где совпадают их максимумы, и сходить на нет там, где максимум одной волны совпадает с минимумом другой.
Интерференционный рисунок. Рисунок из светлых и темных полос, который появляется на экране, освещенном светом из двух источников. Этот рисунок возникает по той причине, что световые волны из двух источников в одних местах экрана усиливают друг друга, а в других – сходят на нет.
Ион.Атом или молекула, которая лишилась одного или более из своих электронов и таким образом обрела положительный результирующий электрический заряд.
Квант.Мельчайшая порция, до которой что-либо можно разделить. К примеру, фотоны – это кванты электромагнитного поля.
Квантовая вероятность. Вероятность события в микромире. Хотя природа препятствует тому, чтобы мы с большой точностью знали какие-то вещи, она тем не менее позволяет нам с большой точностью знать вероятность этих вещей.
Квантовая непредсказуемость. Непредсказуемость микроскопических частиц. Их поведение непредсказуемо даже в принципе. Сравним это с непредсказуемостью при подбрасывании монеты. Результат непредсказуем только на практике. Но теоретически, если нам известны форма монеты, силы, на нее действующие, окружающие воздушные потоки и прочее, мы вполне можем предсказать результат.
Квантовая неразличимость. Невозможность различить два квантовых события. Они могут быть неразличимы, например, потому, что в них участвуют две одинаковые частицы, или потому, что события не поддаются наблюдению. Однако важно то, что вероятностные волны, ассоциированные с неразличимыми событиями, интерферируют. Это влечет за собой всякого рода квантовые феномены.
Квантовое число.Число, характеризующее те свойства микроскопического объекта, которые «делятся на порции» (или квантуются), – к ним относятся, например, спин и орбитальная энергия электрона.
Квантовая суперпозиция. Ситуация, при которой квантовый объект, такой, как атом, в конкретный момент пребывает более чем в одном состоянии. Он может быть, к примеру, в нескольких местах одновременно. Между отдельными состояниями в суперпозиции существует взаимодействие, или «интерференция», – в сущности, на ней и строится вся диковинность, «потусторонность» квантового мира. Декогерентность препятствует этому взаимодействию и, таким образом, мешает проявлению квантового поведения частиц.
Квантовая теория.В сущности, это теория о микроскопическом мире атомов и их составляющих. Те, кому нравится «многомировая интерпретация», верят, что квантовая теория также описывает и большой мир.
Квантовая электродинамика. Теория о взаимодействии света с материей. Она объясняет практически все в окружающем мире: почему земля под нашими ногами твердая, принцип работы лазера, химия обмена веществ, работа компьютеров – все это квантовая электродинамика.
Квантовое туннелирование. Явно волшебная способность микроскопических частиц выбираться из своего заключения. Например, альфа-частица может туннелировать сквозь барьер, удерживающий ее в атомном ядре, – это все равно, как если бы прыгун в высоту перемахнул через четырехметровую стену. Туннелирование – это еще одно следствие волнового характера микроскопических частиц.
Классическая физика. Неквантовая физика. В сущности, вся физика до 1900 года, когда немецкий физик Макс Планк первым предположил, что энергия может передаваться отдельными порциями – «квантами». А Эйнштейн первым понял, что эта идея абсолютно не совместима со всей той физикой, что была раньше.
