Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной - Страница 3
Собственно говоря, сам факт того, что в определенных обстоятельствах свет ведет себя, как крошечные локализованные частицы, мы должны признать, взяв для примера самый обыденный из всех окружающих нас предметов: электрическую лампочку. Ее нить испускает свет, а наш глаз этот свет поглощает. Причина того и другого должна обнаружиться в том, из чего состоят нить накаливания и наша сетчатка. А они, как и все вещество во Вселенной, состоят из атомов.
Эта идея принадлежит греческому философу Демокриту. Примерно в 440 году до нашей эры он подобрал камень или ветку, а может, это был глиняный сосуд и спросил себя: «Если я разрежу эту штуку пополам, а затем каждую половинку разрежу тоже пополам, смогу ли я заниматься этим разрезанием до бесконечности?» И сам же себе ответил: нет, не смогу. Непостижимо, чтобы вещество можно было резать и резать без конца. Демокрит понял: рано или поздно дело должно дойти до такого зернышка вещества, которое уже невозможно разрезать пополам. По-гречески «неразрезаемый» — «а-томос», поэтому Демокритовы предельные зернышки вещества стали называть «атомами».
На самом деле Демокрит пошел дальше и объявил, что атомы бывают разных типов — сейчас сказали бы, что они вроде микроскопических кирпичиков «Лего», — и, составляя их по-всякому, можно получить, например, розу, или облако, или сверкающую в небе звезду. Главная мысль заключалась в том, что реальный мир в конечном счете зернист и состоит из крошечных твердых ядрышек вещества. Что уж говорить, эта идея, несомненно, выдержала проверку временем [7].
Атомы чрезвычайно малы. Внутри булавочной головки — «по линеечке» — их уместилось бы больше миллиона. Поэтому подтвердить существование атомов оказалось нелегко. В научную эпоху было собрано множество косвенных доказательств. Тем не менее удивительно, что до 1980 года никто так и не умудрился «увидеть» атомы — для этого понадобилось устройство, названное сканирующим туннельным микроскопом (СТМ), которое изобрели два физика из лаборатории «Ай-Би-Эм» в Цюрихе.
СТМ принес Герду Биннигу и Генриху Рореру Нобелевскую премию по физике за 1986 год. По существу, принцип действия устройства таков: микроскоп ведет микроскопическим «пальцем» по поверхности материала, ощущая крохотные подвижки этого «пальца», когда он проходит над атомами, так же, как слепой чувствует неровности чужого лица, когда касается его пальцами. И так же, как слепой рисует в воображении ощупываемое им лицо, СТМ рисует на дисплее компьютера атомный пейзаж, по которому он путешествует.
С помощью СТМ Бинниг и Рорер стали первыми людьми в истории, которые, подобно богам, взглянули сверху вниз на микроскопический мир атомов. И то изображение, что проплывало перед их глазами на экране, было именно тем, что представлялось в воображении Демокриту 2500 лет назад. Атомы походили на крохотные теннисные мячи. Они были точь-в-точь как яблоки, сложенные в коробке. В истории науки нет иного примера, чтобы кто-то сделал предсказание столь задолго до экспериментального подтверждения. Если бы только у Биннига и Рорера была машина времени… Они переместили бы Демокрита в свою лабораторию в Цюрихе, поставили бы его перед этим поразительным изображением и сказали: «Смотри, ты был прав». Как художники, умершие в безвестности, никогда не узнают, что их слава достигла заоблачных высот, а полотна продаются за десятки миллионов фунтов стерлингов, так и ученые могут не дожить до той поры, когда их идеи встретят ошеломляющий успех.
Однако атомы, как стало ясно уже довольно давно, — вовсе не предельные зернышки вещества. Их составляют более мелкие частицы. Тем не менее идея Демокрита о том, что материя не бесконечна в своей делимости и в пределе состоит из зернышек, по сей день жива и здравствует, только ныне в мантию неделимых зерен природы облачились «кварки» и «лептоны». И все же, как выясняется, кварки не столь уж важны, когда дело доходит до встречи света с материей в нашему глазу или в лампе накаливания. Когда свет испускается или поглощается, то испускают или поглощают его именно атомы. И здесь скрывается большая проблема.
Согласно нашей теории материи, атомы — это мельчайшие, локализованные в пространстве штучки, похожие на крошечные бильярдные шары. Свет же — это совсем другая штука: он размыт, распределен в пространстве, как рябь на поверхности пруда. Возьмем видимый свет. Удобная мера для определения его «величины» — это длина волны: расстояние между двумя ближайшими точками волны, находящимися в одинаковой фазе колебания — это если говорить строго, — или по-простому — расстояние между двумя соседними гребнями. Длина волны видимого света примерно в пять тысяч раз больше атома. Представьте, что у вас есть коробок спичек. Вы открываете его, и из него на вас выезжает сорокатонный грузовик. Или же сорокатонный грузовик проезжает мимо, вы открываете коробок, и грузовик исчезает внутри. Смешно? Но это в точности тот самый парадокс, который происходит на границе, где свет встречается с материей.
Как атом в нашем глазу может поглотить нечто, в пять тысяч раз большее, чем он сам? Как атом в нити накаливания электрической лампочки может выдавить из себя нечто, в пять тысяч раз превышающее его размеры? В одной из своих телепрограмм Рэй Мирс, британский путешественник, писатель и эксперт по выживанию в условиях дикой природы, сказал: «Ничто не входит в змею так хорошо, как другая змея». Применим эту логику к границе между светом и материей. Если свету суждено «войти» в маленький, конкретно расположенный атом, то он сам должен быть маленьким и конкретным. Проблема в том, что существуют тысячи примеров (самый известный — это эксперимент Томаса Юнга[8] с двумя прорезями), когда свет проявляет себя как распространяющаяся волна.
Вот в первые десятилетия двадцатого века физики и нарезали круги вокруг этой проблемы, отчаянно пытаясь разрешить парадоксы подобного рода. Как писал немецкий ученый Вернер Гейзенберг: «Я вспоминаю многие дискуссии с Бором, длившиеся до ночи и приводившие нас почти в отчаяние. И когда я после таких обсуждений предпринимал прогулку в соседний парк, передо мною снова и снова возникал вопрос, действительно ли природа может быть такой абсурдной, какой она предстает перед нами в этих атомных экспериментах»[9].
Парадокс, возникающий, когда некая теория предсказывает при определенных обстоятельствах один результат, а другая теория при тех же условиях диктует нечто совершенно иное, зачастую бывает весьма и весьма плодотворен. Он показывает, что по крайней мере одна теория ошибочна. И чем крупнее, чем обоснованнее теории, которые вступают в драку, тем революционнее последствия такой схватки. Вот случай, когда свет испускается лампочкой или поглощается вашим глазом: на этот счет есть две теории, которые предсказывают прямо противоположные вещи, — волновая теория света и атомная теория строения вещества. И это две крупнейшие и наиболее обоснованные теории из всех известных.
Какая же из них ошибочна? Физики пришли к совершенно невероятному заключению: ошибочны — обе. А можно сказать и так: не ошибается ни та, ни другая. Свет — это одновременно и волна, и частица. Или, скорее, это некая сущность, для описания которой у нас просто нет слов, и в окружающем нас мире нет ничего, с чем его можно было бы сравнить. Свет принципиально непостижим — как для существ, скованных двухмерным миром листа бумаги, непостижим трехмерный объект: у этих существ нет понятий «вверх»/«над» или «вниз»/ «под». Все, что они могут познать, — это «тень» объекта, однако «двухмерники» никогда не постигнут трехмерный предмет во всей его полноте. Таким же образом и свет — не волна и не частица, а «нечто иное», чего нам никогда не постичь полностью. Все, что мы видим, — не более чем «тени» света; в одних обстоятельствах этот «объект» поворачивается к нам волновой гранью, в других — корпускулярной.