Глава 1

Слиток золота и магнит

Двоюродная бабушка уехала. Вы действительно просили ее остаться еще на пару дней, главным образом для того, чтобы было с кем обсудить странный релятивистский сон, но довольно неожиданно для вас она отклонила предложение. Взвесив все за и против, она нашла вас в полном порядке и, почувствовав, что сыграла свою роль в возвращении вас домой, улетела на первом же рейсе в Сидней, оставив на ваше попечение всю коллекцию хрустальных ваз, которые привезла, чтобы поднять вам настроение. Теперь она снова в Австралии, а вы вернулись домой. На свой диван. Глядя на ужасные вазы и вертя в руках маленький магнит в виде пальмы, который вы купили в сувенирном магазине на память о тропическом острове.

У вас еще целая неделя до начала работы, семь дней, чтобы найти как можно больше способов избавиться от всех ваз, но вы колеблетесь.

Закончены ли приключения в скрытой природе реальности, или впереди вас ожидает новый уровень понимания?

Не найдя прямого ответа, вы встаете приготовить себе горячий кофе.

Возясь на кухне, вы вдруг замечаете, что один из кирпичей слегка высовывается из стены. Вы озадаченно тянете его на себя и вытаскиваете. К вашему удивлению, в образовавшемся углублении лежит слиток золота, вероятно, спрятанный там кем-то из (точно весьма беспечных) бывших жильцов. Он размером с пол-ладони и, таким образом, стоит кругленькую сумму. Как можно было не заметить кирпич раньше, остается загадкой, но, пожалуй, нет ничего лучше, чем вернуться домой и обнаружить на кухне золото, так что вы не размышляете на эту тему слишком долго. Вы наливаете себе кофе и смотрите на ваше сокровище с хитрой улыбкой.

Вы путешествовали по космосу, царству всего очень большого – мегамиру.

Вы перемещались в мире сверхскоростей так быстро, насколько это было возможно.

Но вы не имеете понятия о микромире: том мире, из которого в действительности состоит материя. Может быть, золото сделано из маленьких кирпичиков?

Почему окружающие нас материалы так не похожи? Почему золото отличается от сыра? Почему при комнатной температуре мы не становимся жидкими, как вода?

С ухмылкой, решив предпочесть науку деньгам, вы разрезаете золото на две равные части, чтобы посмотреть на него изнутри.

В отличие от некоторых сортов сыра (но не всех), внутри слиток имеет тот же цвет, то же отсутствие запаха и все то же самое, что и снаружи. Тем не менее вы разрезаете одну из половинок еще на две части, потом еще на две и еще на две, лихорадочно ища какие-то изменения во все уменьшающихся по размеру кусочках.

Похоже, что золото не меняется.

Можно подумать, что нарезать его можно вечно, но нет, ничего подобного. После двадцати шести или двадцати семи попыток у вас остался тончайший возможный кусок золота. Разрезав его еще раз, все равно вы получите что-то, но оно точно не будет золотом.

Такое неразложимое количество золота, мельчайший кусок которого тем не менее остается золотом, ученые называют атомом золота.

Заметьте, хотя может показаться, что разрезать что-то надвое двадцать шесть раз подряд не так много, это не так. Вам было бы довольно трудно осуществить это в обычных условиях. Чтобы дать вам общее представление о том, как данный опыт выглядит на другом примере, можно, вырвав страницу из этой книги и сложив ее пополам двадцать шесть раз, получить толщину высотой около 14 километров. Аналогичный пример, скажем, взять гору на 50 % выше Эвереста и разделить ее наполовину двадцать шесть раз, тогда в конечном итоге останется что-то такое же тонкое, как страница книги.

Только с помощью лучших современных технологий можно рассмотреть атом золота.

А как насчет свинца, серебра или углерода?

Любой другой чистый элемент вместо золота привел бы к тому же итогу: сократив вдвое легко помещающийся на ладони кусок двадцать шесть раз подряд – плюс-минус один или два раза, – вы в конечном итоге увидите атом, который нельзя больше разложить, не получив что-то, отличающееся от исходного материала. Впрочем, сыр не является чистым материалом. Но он тоже состоит из прилепленных друг к другу атомов. Вся известная материя во Вселенной состоит из атомов.

Так из чего же сделаны сами атомы?

Вы еще не можете сказать, но у вас уже есть догадка, что они заполнены более мелкими компонентами, и эти крошечные кусочки одинаковы для всех атомов во Вселенной. Очень скоро вы отправитесь в их мир, но я уже могу сказать, что, так как количество этих мельчайших компонентов различается от одного атома к другому, то чистые материалы имеют очень разные свойства, а следовательно, как всем известно, стоимость. Любой биржевой брокер, конечно, задастся вопросом вашего психического здоровья, если вы попытаетесь обменять килограмм ртути (стоимостью около 23 фунтов стерлингов) на килограмм золота (около 26 тысяч фунтов) или плутония (около 2,6 миллиона фунтов, в зависимости от рынка) на том основании, что все они сделаны из одинаково структурированных атомов.

ТАК ЧТО ЖЕ ТАКОЕ АТОМЫ? ЧТО ПРИДАЕТ СОЗДАННЫМ ИЗ НИХ МАТЕРИАЛАМ ТАКИЕ РАЗЛИЧНЫЕ СВОЙСТВА И ФОРМЫ? И ПОЧЕМУ, ЕСЛИ ВСЕ СДЕЛАНО ИЗ ОДНОГО И ТОГО ЖЕ, МАСЛО МОЖНО РАЗРЕЗАТЬ НОЖОМ, А АЛМАЗ НЕТ?

Так что же они такое, эти атомы? Что придает созданным из них материалам такие различные свойства и формы? И почему, если все сделано из одного и того же, масло можно разрезать ножом, а алмаз нет?

С такими роящимися в вашей голове вопросами вы идете за молоком к кофе.

По дороге к холодильнику вы автоматически захватываете с собой магнитик в виде пальмы, чтобы прилепить его к остальным, но, когда он выскальзывает из ваших пальцев, прыгнув прямо на металлическую дверцу, вы замираете на месте.

До сих пор такое поведение магнита было вам достаточно хорошо знакомо.

Но не более того.

Как магнитам это удается?

Как холодильник узнал о приближении магнита? Или это магнит знал о холодильнике? Или они оба? Или это просто волшебство?

Насколько вы знаете, вы никогда не видели никаких взаимодействий магнита и холодильника.

Ни одна призрачная рука не высовывалась из одного из них, хватая и притягивая другого к своей поверхности.

Но, может, вы просто были не слишком внимательны.

Вы отлепляете магнит от холодильника и рассматриваете тыльную сторону грубо обработанной пальмы. Насколько можно утверждать, темная поверхность плоская.

Сосредоточившись и крепко зажав магнит между большим и указательным пальцем, вы прижимаетесь щекой к двери холодильника, пристально разглядывая воздух и поднося магнит все ближе к дверце.

Он уже в нескольких сантиметрах от нее.

Вы что-то чувствуете.

Силу.

Сила притяжения тянет магнит к холодильнику. Или холодильник к магниту. Или обоих друг к другу. Трудно сказать.

Но в воздухе нет ничего. Абсолютно точно. Вы не видите ни малейшего намека на что-нибудь такое, что могло бы объяснить, как они узнают о присутствии друг друга.

Теперь магнит уже в полсантиметре от холодильника, и сила притяжения становится намного сильнее.

Вам даже трудно удерживать магнит на месте.

И все еще ничего не видно.

Вы разжимаете руку. Магнит выпрыгивает из пальцев в направлении двери, куда и прилипает, настолько же обрадованный новым соседством, как и вы охвачены любопытством.

Веками множество мужчин и женщин удивляло это странное притяжение. Что-то потустороннее, не так ли? Магнит выпрыгнул из рук. До его прикосновения к холодильнику ничего не происходило, и еще там присутствовала сила. То же думали и наши предки, наблюдая за магнитами, так что, хотя у них и не было холодильников, они стали говорить о пугающем дальнодействии, чтобы описать то невидимое, что заставляет магниты работать.

На самом деле, немного напоминает гравитацию.

Никто не может видеть гравитацию.

Когда Ньютон придумал свою удивительную формулу для описания того, как объекты во Вселенной притягиваются друг к другу, он понятия не имел, что именно отвечает за обнаруженную им гравитационную силу. Зато это открыл Эйнштейн около века тому назад. Гравитация является не силой, а падением, утверждал он. Падением вниз по кривым пространства-времени.

Так с магнитами происходит то же самое? То есть магниты тоже создают крутые кривые в пространстве-времени?

Нет. Так быть не может. Иначе по отношению к ним будет падать все (дерево, мы сами, пиво, любые реальные вещи), а не только гвозди, железные опилки и другие потенциальные магниты. Вы же никогда не чувствовали, как ваши собственные пальцы притягиваются к магниту. Нет, должно быть что-то еще. И это что-то оказалось найдено. Около восьмидесяти лет назад. Это то, что мы называем полем. Квантовым полем, если выражаться точнее. А теперь, когда вы знаете о существовании атомов и магнитов, вы на пороге открытия чудес квантового поля.

 

Глава 2

Как рыба в воде

Представьте себе на мгновение, что вы – рыба и по какой-то причине решили взглянуть, что находится над вашим домом-океаном. Набрав максимально возможную скорость, вы выбираетесь из морских глубин вверх, подобно торпеде. Вы стремитесь к тому, что люди называют поверхностью, но что рыбы, вероятно, назовут потолком.

Вы плывете быстро. Еще быстрее. Вода скользит по вашей чешуе. Окружающий свет становится все ярче по мере приближения к границе вашего жидкого мира. И вот вы вылетаете на поверхность. Вокруг больше нет воды. Вы проноситесь сквозь голубую пустоту (мы, люди, называем ее атмосферой). Вы машете плавниками все быстрее, но не можете подняться выше. В отличие от птиц, но, как и положено рыбе, путешествие вверх внезапно заканчивается. Летя головою вниз и соскальзывая по склону пространства-времени, созданному присутствием Земли, вы плюхаетесь обратно в океан.

Через некоторое время, вернувшись в соленые глубины вашего жидкого дома, вы обсуждаете свой опыт с друзьями-рыбами, разделяющими ваше стремление к неизвестному. Вы сразу же сходитесь во мнении, что там, наверху, над потолком вашего огромного жидкого мира, плавать невозможно. Над океаном, заключаете вы, существует только голубая пустота.

Мы, люди, разбираемся в предмете лучше. Мы знаем, что над океаном есть воздух, а также то, что он далек от пустоты. Лишенные воздуха более чем на пару минут, мы умираем.

Однако большинство из нас не намного мудрее рыб: разве все мы не придерживаемся мнения, что в открытом космосе, над атмосферой, за пределами нашего драгоценного воздуха, нет ничего вообще? Разве мы не уверены, что космос – это черная пустота?

Как вы увидите из оставшейся части книги – это заблуждение.

Космическое пространство далеко от пустоты.

Когда вы в обличье рыбы на мгновение очутились над поверхностью океана, то побывали в другом мире, состоящем в основном из газа и пыли, а не из жидкости.

Мир, в который вы собираетесь войти теперь, гораздо более пространный. Он называется квантовым миром – миром фундаментальной материи и света.

В отличие от моря, состоящего из воды и заканчивающегося там, где начинается воздух, квантовый мир повсюду. В море, на земле, в составляющей нас материи и в космосе. Даже в «пустом» пространстве. Тем не менее поиск входа в это царство занял у человечества тысячелетия. Двери в квантовый мир скрыты глубоко внутри микромира. А так как воздух, гравитация и многие другие вещи могут испортить картину, то забудем о них на минуту.

И лучший способ сделать это – отправить вас обратно в космическое пространство.

Оторвав магнит от двери холодильника, чтобы снова проверить его поверхность, вы не наблюдаете на ней абсолютно никаких видимых изменений. Она такая же черная. И такая же гладкая. И все же вы чувствовали силу. Нет никаких сомнений. Очень странно.

Еще раз прижавшись щекой к холодильнику для повторения эксперимента, вы настолько сосредотачиваетесь, что все вокруг, кроме магнита и холодильника, исчезает. Пол, воздух, кусок золота, стены, кухня и квартира. Родной город. А также Земля, Луна и все остальное.

Вы плаваете в космическом пространстве, в мире мыслей, подчиняющемся известным сегодня законам природы. Здесь нет воздуха. Нет гравитации. Здесь вообще ничего нет, кроме вас, магнита, холодильника и того, что заставляет их взаимодействовать.

В настоящий момент нужно использовать такого рода ситуацию, так что не слишком беспокойтесь и сосредоточьтесь на задаче.

Щека ощущает прохладу двери холодильника. Магнит все еще в вашей руке. И, когда вы отпускаете его, начинается новое приключение: вы начинаете уменьшаться в размерах! На протяжении всего путешествия в пространстве-времени вы рассматривали Вселенную в огромных масштабах, чтобы понять мегамир, а когда понадобилось взглянуть на мир с точки зрения сверхскоростей, вы стремительно перемещались. Теперь вы на пути открытия для себя квантового мира, так что продолжаете сжиматься.

Намного.

Вы становитесь уменьшенной копией самого себя. Мини-копией всего несколько атомов в высоту.

Какова эта величина?

Давайте посмотрим.

Когда вы читаете эти строки, то книга или экран компьютера, вероятно, находятся на расстоянии ширины нескольких ладоней от ваших глаз. Самая мелкая вещь, которую зрение может воспринимать с такого расстояния, – это примерно одна двадцатая часть миллиметра, треть ширины человеческого волоса.

Прямо сейчас ваша мини-копия сократилась в 100 тысяч раз. Как раз до нужного размера, чтобы увидеть, происходит ли что-то в действительности между магнитом и холодильником.

Внимательно, хоть и несколько опешив от такого уменьшения, вы осматриваетесь в поисках призрачных рук, тянущихся навстречу друг другу. Вертите мини-головой влево и вправо, вверх и вниз.

И не видите ничего.

Вы знаете, что магнит находится где-то справа, а холодильник где-то позади левого уха, но они слишком далеко от точки вашего нового местоположения, чтобы их было видно.

Так что вы ждете.

И ничего не происходит.

Ничегошеньки.

После довольно долгого молчаливого наблюдения вы решаете попробовать что-то другое: где бессильно зрение, возможно, могут помочь ощущения. Помнится, в детстве, чтобы занять себя, вы играли в экстрасенса.

Вы несколько раз делаете глубокий вдох и выдох, чтобы сосредоточиться, а затем отключаете зрение. Вы подобны крошечному йогу в космосе. Размером меньше пылинки. С закрытыми глазами вы медленно разводите руки в стороны, как показывают в кино.

Сначала вы ничего не чувствуете. А затем что-то происходит.

Такое впечатление, что вы – рыба и все вокруг вас погружено… во что? Безусловно, не в воду… Вы открываете крохотные глаза, собираясь посмотреть, из чего состоит это «море», но ощущения немедленно выключают зрение, и вокруг снова ничего нет. Действительно очень странное впечатление. Даже немного страшно, но вы не трус и быстро делаете вывод, что, подобно многим другим вещам во Вселенной, то, что вы почувствовали, – реально, но невидимо.

Так что вы снова закрываете глаза, чтобы войти в квантовый мир, подобно йогу.

«Море» здесь, вокруг вас. Тут есть даже… токи? Да. Кажется. Возникшие, предположительно, в магните и заканчивающиеся на холодильнике. Вас окружают силовые петли, проходящие прямо сквозь нас, и вы понимаете, что то, что ощущается вами и заставляет магниты и холодильники взаимодействовать, есть так называемое электромагнитное силовое поле. Сквозь закрытые глаза оно выглядит как сотканный из силы туман, распространяющийся везде и всюду и сгущающийся рядом с магнитом и холодильником. Пульсирующие волны пробегают по нему со скоростью света, сообщая вам о сближении магнита и холодильника, а значит, рано или поздно они прилипнут друг к другу, а значит… Вы открываете глаза и с перекошенным от ужаса ртом смотрите на приближающийся огромный черный магнит, как раз собирающийся раздавить вас.

Вы отступаете назад, дрожа от испуга.

Теперь вы настолько близко к магниту, что почти видно шевелящиеся на его поверхности атомы. И даже текущие по нему микротоки. Какой они природы, электрические? Магнитные? Или и то и другое? Вы понятия не имеете, но точно ясно, что… ПОГОДИТЕ! ЧТО ЭТО БЫЛО?

Что-то случилось.

Вы это видели.

Никаких рук, тянущихся от магнита к холодильнику, не появилось, но зато был свет. Виртуальный или реальный, трудно сказать, но это определенно был свет. Он возник из ниоткуда, прямо перед вашими мини-глазами, с поверхности магнита. Или изнутри него? Вы поворачиваете голову в сторону его появления и видите дверь холодильника, огромную дверь, также движущуюся по направлению к вам…

Вы задерживаете свое мини-дыхание.

Вы в мгновении от неминуемой катастрофы.

Все больше странных жемчужин света появляются из пустоты, казалось бы, разделяющей магнит и холодильник еще мгновение назад; пустоты, определенно не выглядящей больше пустой. Жемчужины света вспыхивают вокруг вас между магнитом и холодильником, как будто множество крошечных ангелов влекут два объекта навстречу друг другу.

Завороженные зрелищем и пребывая в уверенности, что ваше мини-тело доживает последние секунды, вы задумываетесь, являются ли эти частицы света продуктами вашей фантазии или реальностью… Они кажутся виртуальными, так как длятся всего мгновение и появляются из ниоткуда, но имеют весьма конкретное воздействие на магнит… Да, эти яркие маленькие ангелочки переносят силу, влекущую магнит к холодильнику в вашем доме…

Вы закрываете мини-глаза.

И ждете момента, когда вас раздавит.

Бац!

Вы вновь на кухне, в шоке глядя на дверь холодильника, куда приклеился магнит с характерным металлическим звуком.

Вытирая капли струящегося по лбу холодного пота, вы, несмотря на полное одиночество, немного сконфужены, потому что подумали, что все снова было плодом вашей фантазии.

Хотя и ощущалось довольно реальным.

Вы только что стали свидетелем дальнодействия не вследствие волшебства, хотя признаюсь, это довольно жутковато. Вы, вне всякого сомнения, наблюдали таинственную силу, заставляющую притягиваться два магнита, – электромагнитное взаимодействие, переносимое виртуальными частицами света, настолько странными, что они существуют с единственной целью: переносить это электромагнитное взаимодействие. Они возникли между магнитом и холодильником словно из ниоткуда, но это не так. Вы только что обнаружили, что между любыми двумя объектами во всей Вселенной, будь они магнитами или нет, существует нечто, называемое электромагнитным полем. Море силы, из которого в любой момент могут выскочить виртуальные частицы света.

Прямо сейчас, пока вы смотрите на холодильник, бесчисленное количество маленьких виртуальных жемчужин света перемещаются между магнитом и дверью, но вы больше никогда не сможете их увидеть. Именно поэтому их называют виртуальными. Они появляются и исчезают в пустоте, не являющейся таковой, не позволяя никому увидеть их.

Такие виртуальные переносчики взаимодействий существуют повсюду вокруг прямо сейчас, даже внутри вас.

Все они принадлежат электромагнитному полю – невидимому туману, заполняющему не только пространство между холодильниками и магнитами, но и всю Вселенную.

А как насчет магнитов, отталкивающих друг друга? Вы, конечно, видели такие, не так ли?

Как вы скоро испытаете, летя через атом, виртуальные жемчужины света, с которыми вас только что познакомили, могут либо притягивать, либо отталкивать, либо не оказывать никакого влияния на составляющую и окружающую нас материю. Все зависит от того, о какой материи идет речь. На самом же деле все зависит от единственной вещи, которую ученые назвали электромагнитным зарядом. И точно так же, как можно измерить свой вес с помощью весов, с помощью приборов можно измерить и свой заряд. Хотя наш заряд в среднем равен нулю – человеческое тело электрически нейтрально (в противном случае магниты бы к вам прилипали, что было бы весьма раздражающим). Но отдельные частицы, составляющие ваше тело, имеют другой заряд.

В природе можно найти только два типа электромагнитных зарядов. Для удобства их называют положительными и отрицательными, плюсом и минусом.

Существует закон, по которому виртуальные жемчужины света отталкивают себе подобные (то есть одинаково заряженные) и притягивают противоположно заряженные. Плюс и плюс, а также минус и минус отталкиваются друг от друга посредством возникающего между ними виртуального света. Чем они ближе, тем больше виртуальных жемчужин света, тем сильнее отталкивающая сила. С другой стороны, плюс и минус любят сжимать друг дружку в объятиях. Как магнит и холодильник. И чем они ближе, тем сильнее притягиваются. В то же самое время нейтральные объекты эти жемчужины света не волнуют, и они могут быть нейтральными, обладая равным количеством положительных и отрицательных зарядов (подобно вашему телу), либо вообще не иметь никакого электрического заряда (некоторые частицы, с ними вы встретитесь позже, его не имеют). Таковы законы электромагнитного поля.

Теперь вы можете думать, что раз такое объяснение взаимодействия магнитов и холодильников нельзя увидеть своими глазами, все это может быть весьма полезным умозаключением, но не совсем соответствовать тому, как работает природа на самом деле. Тогда, можете возразить вы, электромагнитное поле – это всего лишь изображение, позволяющее ученым описать реакцию заряженных объектов на присутствие магнита. Описание. Конечно, обоснованное и образное. Но ничего больше.

Можно подумать, что все это очевидно, но вы неправы.

Поле, с которым вас только что познакомили, невидимый туман, пронизывающий всю Вселенную и активизирующийся вблизи и между заряженными объектами, гораздо шире этого определения.

Прежде всего, оно весьма реально.

На деле оно не только включает в себя все касающееся электрических или магнитных зарядов, но и является сущностью, дающей начало всем заряженным частицам, а также свету повсюду во Вселенной. Электроны, с которыми вы скоро столкнетесь, являются его выражением. Свет, воспринимаемый нашим глазом, совсем другой природы. И то и другое – не что иное, как пульсация поля.

Многие из самых выдающихся ученых на Земле сегодня считают электромагнитное поле фундаментальнее магнитов. И даже холодильников. Даже важнее света. И фундаментальнее вас. Как бы абсурдно ни звучало последнее заявление.

До конца этой части вы познакомитесь с существованием двух других квантовых полей, также заполняющих всю Вселенную. И поймете, что, как утверждает современная наука, вы, я, вся известная и видимая нам материя, весь разливающийся повсюду свет – лишь выражение пульсации этих полей. Мы, люди, на самом деле похожи на морских рыб. В море, созданном из полей. Так же, как и все остальное. И хотя наши предки когда-то жили в океане, им потребовались миллиарды лет, чтобы эволюционировать и открыть существование квантовых полей.

 

Глава 3

Вход в атом

Вы безучастно и довольно долго рассматриваете магнит на холодильнике. Затем качаете головой и открываете дверцу, чтобы наконец достать молоко, которого вы так сильно хотели, прежде чем магнит обратил ваше внимание на феномен из мира призраков.

Вернувшись к оставленной на столе кружке, вы уже собираетесь влить туда молоко, как вдруг вид лежащего рядом золота заставляет вас остановиться.

Чем именно являются атомы золота, обнаруженные вами ранее, или атомы, шевелящиеся на поверхности магнита? Может быть, они напоминают маленькие круглые шарики? Или кубики? Как именно заряды предпочитают получать виртуальные жемчужины света из электромагнитного поля? И что, черт возьми, я имею в виду, говоря, что все они – выражения некоторых полей?

Как и следовало ожидать, эти вопросы отсылают вас обратно в мини-состояние, и вы оказываетесь плавающим посередине кухни вдали от всех знакомых предметов, с любопытством ожидая ответа, из чего состоит полученный вами атом золота.

Но это не тот самый атом. Скорее, самый маленький атом. Атом, составляющий 74 % всей известной материи Вселенной: водород. Тот самый водород, ядра атомов которого в подобных Солнцу звездах сливаются, создавая более крупные, и побочным продуктом этого слияния является свет.

Говоря откровенно, видно вам не слишком много.

Перед вами точно находится что-то, но вам очень трудно определить, где оно, не говоря уже о том, что это такое. Пристальное разглядывание его мини-глазами не помогает, так что вы решили снова попробовать ощутить его по методике йогов.

Удивительно, но это работает.

Глаза закрыты, но вы можете представить себе картинку.

Что-то наподобие волны, колеблющей окружающее электромагнитное поле… волны, покачивающейся вокруг сферы… полой сферы или, скорее, полого лепестка… и это не совсем волна… но она сферическая, нет, в форме лепестка, пульсирующая, стремительно движущаяся… со скоростью, очень близкой к скорости света, так что мир, кажется, должен быть сильно искажен, не говоря уже об отсчете его времени в сравнению с вашим, но он не сосредоточен в определенном месте… Хорошо, давайте будем откровенны, вы понятия не имеете о том, что воображаете, но вся эта сферическая, в форме лепестка или любой другой форме, стремительно движущаяся вещь действительно переносит электрический заряд. Можно ощутить ее взаимодействие с электромагнитным полем точно таким же образом, как при приближении магнита.

Значит, это и есть атом? Все еще сосредоточенно думая, вы понимаете, что здесь нечто другое… Похороненное глубоко внутри, микроскопическое по сравнению с объемом движущейся волны, но что-то, должно быть, сильное, даже очень сильное, чтобы удерживать ощущаемый вами движущийся заряд от исчезновения.

Вы понимаете, что атом водорода обладает ядром, окруженным движущимся зарядом. Все атомы Вселенной имеют такую структуру: ядра разного размера, окруженные одной или несколькими электрически заряженными волнами.

Ученые назвали такое ядро атомным ядром, а нечеткую, заряженную, покачивающуюся волну – электроном.

И это – сбивающее с толку открытие.

Электрон не имеет ничего общего с воображенной вами крошечной точкой.

Чтобы убедиться в правильности ваших умозаключений, вы оставляете методику йогов в покое и открываете глаза. Совершенно неожиданно покачивающаяся волна исчезает, становясь чем-то другим, гораздо больше напоминающим частицу.

Хорошо.

Электроны, абсолютно идентичные этому, присутствуют в различных количествах во всех атомах Вселенной. Они являются основой всех наших электрических и магнитных устройств, будь то компьютер, стиральная машина, сотовый телефон, электрическая лампочка… и любой вещи. От них зависят все энергетические и коммуникационные средства.

Поэтому вы медленно, очень медленно протягиваете свою крошечную руку вперед, чтобы схватить его и изучить поближе.

Как ни странно, электрон очень трудно поймать. Каждый раз, когда вам удается обнаружить его краем мини-глаза, он начинает двигаться хаотично, как будто сама попытка обнаружить его заставляет электрон изменять свой курс непредсказуемым образом.

Это не игра вашего воображения.

Это реальный феномен. Одно из многих явлений, происходящих в квантовом мире, но не в нашем повседневном мире хрустальных ваз и чашек кофе.

Это – часть фундаментальной неопределенности природы, рассматриваемой с нашей точки зрения.

Вы подробно познакомитесь с тем, что это значит, в шестой части книги, но уже сейчас чувствуете, что происходит что-то сверхъестественное. Нужно поймать этот электрон и заставить его говорить, думаете вы. Точно. Какого бы вы ни были крошечного размера, но вы – чистый разум и можете делать все что угодно. И будь вы прокляты, если какой-то там малюсенький электрон попытается это опровергнуть… хвать! Как только ваш мини-глаз засекает его присутствие, прямо тут, справа от вас, вы быстрее молнии набрасываетесь на него. И вот он здесь, в вашей плотно сжатой правой руке. Электрон шевелится внутри, будто бабочка, практически со скоростью света хлопающая крыльями по ладони. Вы начинаете сжимать пальцы. Электроны – заряженные частицы; они взаимодействуют с другими имеющимися в руке собратьями с помощью виртуальных жемчужин света, вылетающих из электромагнитного поля.

ЭЛЕКТРОНЫ ПРИСУТСТВУЮТ В РАЗЛИЧНЫХ КОЛИЧЕСТВАХ ВО ВСЕХ АТОМАХ ВСЕЛЕННОЙ. ОНИ ЯВЛЯЮТСЯ ОСНОВОЙ ВСЕХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ УСТРОЙСТВ, БУДЬ ТО КОМПЬЮТЕР, СТИРАЛЬНАЯ МАШИНА, СОТОВЫЙ ТЕЛЕФОН, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЛАМПОЧКА.

Вы продолжаете все сильнее сжимать кулак, желая, чтобы электрон затих в своей крошечной тюрьме, и… внезапно вы его больше не ощущаете. Он исчез.

Вы разжимаете кулак.

Электрона там нет.

Вы абсолютно уверены, что не оставили ни одной крошечной щелки между пальцами, но все же он выскочил. И вы ничего не почувствовали. Он просочился сквозь ладонь, не коснувшись ее.

Он снова вернулся к невидимому ядру атома водорода, откуда вы его забрали.

Возмутительно!

Но как же ему это удалось? Как мог электрон выскользнуть из цепкой хватки, не задев вас? Честно говоря, он прошел сквозь вашу руку. Выпрыгнул. Рекордный прыжок. Квантовый скачок. Нечто ограниченное субатомным миром, не существующее в повседневной жизни на макроуровне кухонь, ваз и самолетов. Или что-то в таком роде.

Вы еще не успели разобраться с электроном, но уже знакомы с одним из его странных свойств: он может прыгать, как никто другой. Феномен, называющийся квантовым скачком или туннельным эффектом, и так сложилось, что не только электроны, но и все частицы, которые вы обнаружите в квантовом мире, способны на такие квантовые скачки или переходы.

Теперь, выяснив этот вопрос, давайте остановимся на секунду, чтобы вместе подумать о терминологии.

Когда ученые открывают что-то новое, необходимо дать ему имя. Для чего-то микроскопического, для квантового мира, они составляют слова-ассоциации, где за прилагательным «квантовый» следует существительное, как правило, взятое из обиходной речи. Так получаются «туннели», «прыжки» или «миры» – легко понятные термины, которые сами по себе означают то же самое, что и в повседневной жизни. Однако наличие слова «квантовый» служит предупреждением. «Квант» автоматически означает наличие чего-то подозрительного. В случае с рукой подозрительность квантового туннелирования заключается в следующем: электроны действительно проделывают туннели сквозь вещи… но никаких туннелей нет.

Квантовые скачки едва ли когда-либо осуществимы для людей, но представьте себе, если бы они были возможны. Вообразите: вы вернулись назад в прошлое, в свое детство, на эту самую кухню. Отец только что попросил вас убрать посуду со стола, но уже поздно, и вы вдруг чувствуете, как все сто километров земной атмосферы упали на ваши хрупкие плечи. Вы чуть слышно бормочете что-то совсем не напоминающее рычание медвежонка. Но ничего не помогает.

Стол с грязной посудой ждет вас.

В отчаянии вы садитесь на пол. И тут начинается. Вы вдруг оказываетесь в столовой, с другой стороны кухонной стены, рядом со столом, и все столовые приборы, тарелки и стаканы начинают проделывать туннели, совершать прыжки и тому подобное сквозь стену прямо на кухню. Это может звучать как сказка или отрывок из книжки про Мэри Поппинс, но, если честно, с этими квантовыми скачками никогда не угадаешь, куда могут запрыгнуть столовые приборы, посуда и стаканы. Так что в конечном итоге они вряд ли окажутся в посудомоечной машине, и отцу придется покупать все заново, потому что вы больше никогда их не найдете.

Звучит странно, не так ли?

Вот что такое квантовое туннелирование. Если перевести квантовые законы в нашу плоскость, то дверей, стен и неприкосновенности частной жизни не существовало бы. К счастью и довольно загадочным образом, они к нам не применимы.

Однако благодаря туннельному эффекту почти все в микромире способно пересечь любой барьер. Каким образом? Принято считать, что частицы могут осуществить это, потому что им позволено черпать энергию из своего квантового поля, моря, в котором они плавают, моря, действительно заполняющего все место в пространстве-времени. Столько энергии, сколько захочется. Мечта всех спортсменов.

Но это не подскажет вам, на что похож электрон, и я предпочел бы быть с вами вполне откровенным: вашей мини-копии, возможно, придется столкнуться здесь с легким разочарованием. Представить себе электрон невозможно из-за того самого квантового поля, которому он принадлежит.

Электромагнитное поле существует повсюду, и каждый отдельный электрон Вселенной не только принадлежит ему, но и абсолютно идентичен любому другому электрону, везде и всегда. Поменять их местами, и Вселенная не заметит. Из-за этого квантового поля, чьим выражением они являются, электроны нельзя описать как макроскопический объект. Они относятся к полю. Они являются его частью, как капля воды принадлежит безбрежному океану или порыв ветра – ночному воздуху, капли или порывы, которые вы не можете выделить в отдельности. До тех пор пока наблюдатель не смотрит, капли и порывы ветра идентичны самому океану или самому ветру. Смешанные с сущностью намного обширнее, чем они сами, они не имеют собственной индивидуальности.

В квантовом мире, когда за ними наблюдают, электроны становятся частицами с заданными свойствами, подобно каплям, взятым из океана, но их свойства не похожи ни на что виденное вами прежде. Они не ведут себя привычным образом или по крайней мере так, как может нами ожидаться, исходя из опыта повседневной жизни.

Даже если знать, где электрон, вам не узнать, как быстро он движется: его скорость становится непредсказуемой. Именно поэтому было так трудно найти электрон внутри атома водорода. Стоило вам его увидеть, как он начинал двигаться хаотично. Вы были не в состоянии следить за ним, и он исчезал из виду.

Аналогичным образом, если знать, сколько энергии имеет электрон, нельзя рассчитать, как долго он собирается сохранять ее.

Энергия и время, местоположение и скорость являются действительно независимыми друг друга понятиями полей квантового мира. Подробнее вы услышите обо всем этом в шестой части, но на данный момент, пока ваша мини-копия впервые путешествует по квантовому миру, вы можете считать мое замечание предупреждением (а возможно, приманкой для некоторых читателей). Вашей уменьшенной копии придется просто воспринимать все так, как вы делали это раньше, будучи маленьким ребенком, открывающим для себя мир: без предубеждений. Местоположение и скорость не могут быть известны одновременно? Хорошо. Так оно и есть. Квантовые законы допускают сверхъестественные прыжки и туннели? Хорошо, пусть так и будет. Объяснение придет со временем, а может, и нет.

Тем не менее все разговоры о квантовом туннельном эффекте звучат для меня полным бредом. Мне рассказывали, как однажды после прочтенной лекции по квантовой физике Эйнштейн сказал студентам: «Если вы меня поняли, значит, я выражался недостаточно ясно». Так что, если это тоже звучит для вас как нонсенс, то все в порядке. Природа не обижается. Она здесь, чтобы мы ее открыли, вот и все. Но действительно ли это реально?

Что ж, некоторые относились к квантовому туннелированию довольно серьезно и пытались найти ему практическое применение. Удивительно, но им это удалось.

Около тридцати лет назад, работая на компанию IBM в Цюрихе, немецкий физик Герд Бинниг и швейцарский физик Генрих Рорер были убеждены, что смогли бы использовать квантовое туннелирование для визуального осмотра любых поверхностей в феноменально малом масштабе. Ученые полагали, что оно позволит им наконец-то увидеть атомы.

Как правило, электрон не покидает свой атом, если не найдется местечка лучше. И обычно, если альтернатива появляется, она должна располагаться довольно близко, в противном случае электрону туда не попасть. Разве только он не использует свою квантовую силу, создав туннель сквозь пустоты и перепрыгнув через препятствия.

С помощью чрезвычайно тонкой и сверхзаточенной острой иглы, подключенной к регистратору измерения тока, Бинниг и Рорер сканировали поверхность материала, не прикасаясь к нему. Находясь довольно далеко от поверхности, они не должны были обнаружить ничего, так как расстояние между ней и иглой слишком велико для амплитуды движения электрона. Но они засекли электрические токи, соотносящиеся с прыжками электрона. Чем ближе игла была к поверхности материала, тем больше обнаруживалось скачков и тем заметнее вырастал электрический ток. Сопоставив эти токи на графике, они получили 3D-изображение материала на атомном уровне с экстраординарными подробностями. Они построили микроскоп, называемый теперь сканирующим туннельным микроскопом, которые смог увидеть уже сами атомы. Его точность поразительна: от 1 до 10 % диаметра атома водорода. Другими словами, если бы у атома водорода имелись ноги, то сканирующий туннельный микроскоп смог бы сосчитать их, а может быть, даже и количество пальцев.

Атомы золота, подобные тем, что вы обнаружили на своей кухне, были сканированы таким же образом несколько десятилетий назад. Сканирующие туннельные микроскопы сегодня используются для получения представления о том, каким образом различные типы атомов переплетаются в окружающей нас материи, а также в самых современных, искусственно созданных материалах. С помощью такого микроскопа инженеры получили возможность управлять отдельными атомами. Квантовое туннелирование оказалось реальным. И оно имеет практическое применение.

За создание такого инструмента Бинниг и Рорер были удостоены в 1986 году Нобелевской премии по физике.

Электроны, подобные тому, что вы пытались поймать, заселяют внешние границы всех атомов Вселенной. И они неуловимы. Но, несмотря на невозможность описать их внешний вид, используя терминологию повседневной речи, ученые научились принимать их странное поведение.

Насколько известно современной науке, электроны невозможно расчленить на какие-либо более мелкие частицы. В отличие от атома их нельзя расщепить, разделить или даже сломать. Они созданы электромагнитным полем, они – его выражение.

За то, что они не являются ничем, кроме себя самих, за то, что они – одно из самых основных, фундаментальных выражений электромагнитного поля, электроны называют фундаментальными частицами.

Быстро исчезающие жемчужины света, появлявшиеся между магнитом и холодильником, напротив, носят название виртуальных частиц. Они – переносчики взаимодействий, существующие только для передачи электромагнитной силы между электрически или магнитно заряженными частицами.

Атомы, будучи созданы из более мелких компонентов (электронов и того, что составляет их ядро), не являются фундаментальными частицами. Они состоят из их большого количества.

Далее, электроны взаимодействуют с остальным миром не только посредством виртуальных фотонов. Они также могут вступать в контакт с реальными фотонами, с реальным светом, обнаруживаемым человеческим глазом. Эта игра материи и света и заставляет нас видеть мир таким, какой он есть.

В настоящее время реальные фотоны, подобно электронам, также понимаются как созданные из ничего фундаментальные выражения электромагнитного поля: они – настоящая рябь невидимого моря, квантовая пульсация, способная вести себя как волны и как частицы.

Как раз такая волна фотонов теперь омывает атом водорода. Чтобы попасть сюда, им пришлось проделать долгий путь. Около миллиона лет они пытались вырываться из расплавленного ядра Солнца на его поверхность, которой достигли примерно восемь с половиной минут назад. Наконец-то свободные и не обремененные материей, они со скоростью света промчались сквозь космическое пространство все 150 миллионов километров, отделяющие поверхность разъяренной звезды от нашей планеты. Из всех мест, куда они могли направиться, эти фотоны в конечном итоге выбрали Землю, достигнув ее атмосферы лишь долю секунды назад, только чтобы зарядиться в ней и подлететь… к окну вашей кухни. С этого момента у них осталось не так много дел. Они прошли сквозь оконное стекло и подлетели к атому водорода.

Ваша мини-копия наблюдает за их беспорядочным движением по кухне, надеясь увидеть момент их прикосновения к атому. Вместо этого все они пролетают сквозь него и разбиваются о стену кухни.

За исключением одного исчезнувшего.

Пропавшего.

Куда он делся?

Вы в удивлении озираетесь вокруг, пока не замечаете, что неуловимый электрон атома водорода движется теперь иначе. Если рассматривать его как окаймляющую ядро волну, то ее гребни сближаются друг с другом.

Как это возможно?

Электрон возбужден.

Он проглотил фотон.

Помните, как мы впервые встретились с этим странным явлением некоторое время назад во второй части, проверяя первый космологический принцип.

Но сейчас происходит что-то еще более интересное: через некоторое время электрон неожиданно выплевывает точно такой же, как исчезнувший, проглоченный фотон, летящий теперь в случайно выбранном направлении.

Поразмыслив мгновение, вы делаете единственно возможный вывод: наиболее известные фундаментальные частицы электромагнитного поля, а именно электроны и фотоны, могут взаимодействовать и взаимодействуют между собой. И эти электроны и фотоны могут превращаться друг в друга.

Подумав еще немного, вы понимаете, что на самом деле всегда знали это: разве вы не чувствуете тепло, купаясь в солнечном свете? Разве, когда вы сидите зимой перед затопленным камином, кожа не нагревается? Кожа, как и вся материя в нашем мире, состоит из атомов, внешние слои которых заполнены электронами. Когда с ними сталкивается исходящий от Солнца свет, атомы кожи и их электроны «ловят» фотоны, превращаясь в возбужденные электроны, начинающие двигаться несколько быстрее, создавая тепло, нравящееся (или нет) вашему телу.

Это такое невероятное открытие, что я еще раз повторюсь: материя и свет могут превращаться и превращаются друг в друга.

Все в нашем мире есть игра материи и света.

Но не только.

 

Глава 4

Жестокий мир электронов

В двух последних главах, хоть вы всего лишь наблюдали за взаимодействием холодильника и магнита и скользили по поверхности атома, вы успели сделать великие открытия. Вы разгадали тайну «дальнодействия» электромагнетизма и увидели, как материя и свет могут играть друг с другом. Конечно, эта игра – только один из аспектов нашего мира, но действительно феноменально, что скромные человеческие чувства созданы, чтобы ощущать ее. Свет постоянно попадает на наше тело, возбуждая электроны нашей плоти, глаз и их сетчатки, нагревая создающую нас материю и сообщая ей некоторую энергию. Атомы также могут выплевывать обратно свет, проглоченный их электронами, что заставляет нас и окружающие предметы «светиться» одним или несколькими цветами, цветами атома – или множества атомов, – поглотивших фотоны. Это то, что придает цвет нашим глазам, коже, волосам и одежде, всем растениям и камням, а также особый оттенок далеким звездам. Лучи света падают на помидор; весь видимый свет поглощается, нагревая его или сохраняясь внутри, за исключением бесполезных для атомов помидора лучей красной части спектра, которые исторгаются обратно для дальнейшего путешествия, одновременно говоря глазам, что мы смотрим на превосходный красный овощ. Без электронов и фотонов мы не увидели бы ни помидоры, ни друг друга, а также не узнали бы, из чего состоит остальная часть Вселенной и подчиняются ли ее дальние уголки тем же физическим законам, что существуют вокруг нас. Но еще удивительнее то, что благодаря чувствам наши тела преобразуют все эти невероятные взаимодействия в обработанные мозгом ощущения. Человечество вывело из этих взаимодействий науку, а также выяснило наличие заполняющих всю Вселенную полей. И это не просто удивительно, а настоящее чудо.

БЕЗ ЭЛЕКТРОНОВ И ФОТОНОВ МЫ НЕ УВИДЕЛИ БЫ НИ ПОМИДОРЫ, НИ ДРУГ ДРУГА, А ТАКЖЕ НЕ УЗНАЛИ БЫ, ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ ОСТАЛЬНАЯ Часть ВСЕЛЕННОЙ.

Теперь как насчет атомного ядра? Оно тоже состоит из электронов? Оно – еще одно выражение электромагнитного поля? В некотором роде да, до тех пор пока вы можете утверждать, что весь рассматриваемый вами атом водорода электрически нейтрален. Тогда ядро также должно иметь заряд, противоположный окружающим его электронам, таким образом, они взаимно уравновешиваются, если смотреть на расстоянии. Но почему же тогда вы не видите?

Пока ваше крошечное Я пристально всматривается в атом водорода, плавающий посреди кухни, вы вдруг замечаете, что этот водород ужасно похож на кучу пустого места по сравнению с его содержимым, независимо от того, из чего может состоять его ядро. Факт, что между ядром и электронами находится некоторое количество пустоты, на самом деле общий для всех известных атомов Вселенной.

Странно.

Почему же тогда магниту просто не пройти сквозь поверхность холодильника, чтобы обширные пустые пространства атомов магнита проникли в такие же обширные пустые пространства атомов металлической двери? Почему вместо этого магнит прилипает к ней? Разве не следует сталкивающимся атомам просто столкнуться и пройти мимо друг друга, как два облака пара, даже не заметив взаимного присутствия? Ну нет. К счастью. Иначе мир не был бы твердым. И причиной тому являются электроны, а не ядра. Чтобы выяснить почему, пригодится уже приготовленный вами атом золота.

Рассмотренный вами атом водорода является самым маленьким атомом на Земле. Атом золота больше. Вы оказываетесь рядом и разглядываете его.

Первое, что вы замечаете, это то, что у него не один-единственный волнообразный электрон, носящийся вокруг ядра водорода, а целых семьдесят девять абсолютно идентичных волнообразных электронов, кружащихся вокруг ядра.

Вторая замеченная вами вещь состоит в том, что, какими бы одинаковыми электроны ни казались, эти волнообразные создания не делятся своей территорией. Вообще. Они попросту избегают находиться в одном и том же месте в одно и то же время, природа запрещает им поступать иначе: независимо от атома, которому они принадлежат, их волнообразные сущности нигде не пересекаются, таким образом создавая весьма жесткие условия вероятного совместного проживания в границах любого атома. У них нет иного выбора, кроме как выстраиваться вокруг ядра слоями, как у лука, и именно так они и поступают. Только два электрона могут заполнить первую, внутреннюю оболочку. Только восемь – расположиться во второй, восемнадцать – в третьей, тридцать два – в четвертой и т. д.

Эти цифры известны и одинаковы для всех известных атомов Вселенной. То, что делает один атом отличным от другого, связано с количеством содержащихся в нем электронов, а не с природой этих электронов. Электроны всегда тождественны.

Самый маленький из атомов – водород – имеет один электрон, орбиталь которого находится в пределах первой электронной оболочки. Гелий имеет два электрона. Их орбитали заполняют первую оболочку. Неон, произвольно выбранный мной третий атом, имеет десять электронов. Его первые две электронные оболочки полностью заселены электронами. Химические и механические свойства всех атомов связаны с тем, насколько заполнена их внешняя атомная оболочка.

Если вам нужно добавить к атому дополнительный электрон, не получится просто засунуть его куда заблагорассудится, и, конечно, не в уже заполненный слой. Так что если бы электроны были похожи на точки, их трудно было бы представить. Хотя они действительно могут напоминать маленькие шарики при некоторых особых обстоятельствах (вы подробно познакомитесь с ними в шестой части), но, чтобы иметь свойства волны, они не могут ими являться. А волны способны с легкостью заполнять объем. Вот почему на заполненном электронном слое не осталось совсем никакого пространства для чужаков. Если бы дополнительный электрон (сам по себе либо принадлежащий другому атому) действительно решил стать частью уже созданного атома, ему пришлось бы поселиться в сторонке от коренных жителей, там, где еще есть место, либо занять место кого-то из них, вышвырнув его оттуда. Электроны просто не выносят, когда их волнообразной сущности кто-то касается. Это – не знающий пощады мир.

Такое правило непереносимости имеет имя. Оно называется принципом запрета, или принципом Паули. Он был открыт в 1925 году швейцарским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули, удостоенным за него Нобелевской премии по физике 1945 года.

Принцип запрета является причиной того, почему магниты прилепляются к дверям холодильника, не проникая внутрь, или, что может оказаться более важным, почему вы не можете проходить сквозь стены и почему вы не проваливаетесь сквозь пол. Он же объясняет, почему вы можете держать в руках эту книгу: атомы обложки обладают внешними электронами, категорически отказывающимися уступать свое место электронам кончиков ваших пальцев. И ваши электроны тоже не сдвинуть с места. Так что они сторонятся друг друга. И нет никакого способа, по которому ваша собственная сила может вынудить любой из них поступить иначе. Волны электронов не перекрываются. Никогда. Не пытайтесь проскочить сквозь стену, чтобы доказать, что я (или Паули) неправ. Вы разобьете себе нос, а электроны ничего не заметят.

И все же необходимо заметить, что, хотя электронам и нравится неприкосновенность личного пространства, они не прочь поменяться. И это позволяет им, к нашему большому счастью, создавать составляющую нас материю, что вы сейчас и увидите.

Вы собирались нырнуть в атом золота, но придется подождать, потому как раз в это время мимо пролетает атом кислорода.

Вы смотрите на него.

Меньше золота по размерам, кислород с его восемью электронами все равно гораздо больше водорода.

Его первая атомная оболочка заполнена, но есть место еще для двух электронов в крайней, внешней оболочке – второй по счету, имеющей шесть электронов, но вмещающей восемь.

Одинокие электроны атома водорода не собираются упускать такую возможность.

Поблизости как раз два атома водорода, так что, как только кислород оказывается рядом, хоп! Одиночный электрон первого атома водорода выпрыгивает и оказывается среди семьи кислорода, чтобы больше никогда не пребывать в одиночестве.

Хоп! И в тот же момент другой электрон атома водорода заполняет последнее место.

А так как все электроны Вселенной абсолютно одинаковы, никто точно не может сказать, кто очутился там в первую очередь, а кто переехал позже. Идеальная ассимиляция.

У ядра, связанного со своими электронами виртуальными жемчужинами света, нет иного выбора, кроме как следовать за ними, так что теперь три атома прочно прилипли друг к другу. Два атома водорода и один – кислорода вынуждены сожительствовать.

Места для дополнительного электрона больше нет. Вся конструкция устойчива.

Делясь своими электронами описанным выше способом, атомы становятся частью более крупных структур, называемых молекулами. Только что созданная на ваших глазах молекула состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

Два H и один O.

H2O.

Это вода – самая ценная молекула для жизни, насколько нам известно.

В универсальном масштабе вода обычно не собирается на кухне, скорее, это происходит в космическом пространстве, внутри огромных облаков звездной пыли, разбросанных внутри галактик, называемых астрономами туманностями.

Внутри этих туманностей произведенный взорвавшимися звездами кислород смешивается с водородом, который можно обнаружить повсюду.

Когда звезды умирают, они рассеивают вокруг свои семена, прокладывая путь будущим молекулам воды. А также многим другим молекулам.

Путем обмена одним или несколькими электронами можно связать друг с другом множество атомов самыми разными способами, образовывая цепочки различной степени сложности. Таким образом, природа создала молекулы различных размеров и свойств, от совсем крошечных (молекулы воды состоят только из трех атомов) до чрезвычайно длинных, как ваша собственная ДНК, которая с ее миллиардами присоединенных атомов несет в себе всю информацию, необходимую для создания кого-то вроде вас.

Чтобы пролить свет на генезис этих молекул, с чьей помощью зародилась жизнь на Земле, и разгадать тайну происхождения воды, покрывающей сегодня 70 % поверхности нашей планеты, за последнее десятилетие в космос было отправлено множество спутников. Появилась ли вода из астероидов, столкнувшихся с нашей планетой около 4 миллиардов лет назад? Или из комет, сделавших то же самое? И принесли ли эти космические камни и ледяные глыбы или все вместе с собой молекулярные семена жизни? Мы вскоре узнаем, так как многие из этих спутников в настоящее время уже на месте или на пути туда.

А пока что мы точно знаем одну вещь: только шесть химических элементов были необходимы для создания всех необходимых для жизни и процветания на Земле молекул: углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера. Так называемые CHNOPS.

Между прочим, так как все ваше тело состоит из молекул, образованных из этих атомов, собранных различными способами, то вы – CHNOPS. Без обид.

Теперь, пока вы рассматриваете свое CHNOPS-тело, в вашем сознании всплывает другой вопрос: раз вы и воздух состоите из одних и тех же атомов, обменивающихся своими электронами, то почему тогда вы (к счастью) можете проходить сквозь воздух, но не можете пройти сквозь стену?

На самом деле важный вопрос.

Насколько нам известно, воздух наполнен атомами, которые имеют столько электронов, сколько хотите, поэтому они не должны позволить вам пройти. Никак. По принципу Паули.

Ответ в том, что не все атомы в воздухе делятся своими электронами и, следовательно, не так связаны друг с другом, как атомы, образующие твердое тело, ваше тело в частности. Вместо того чтобы препятствовать любому вашему движению, электроны, окружающие составляющие воздух атомы, раздвигаются, когда вы с силой прокладываете сквозь них свой путь, и попутно натыкаются друг на друга, создавая некий ветер. Это, кстати опять же, разница между газом и твердым телом.

В жидкости находящиеся поблизости атомы несколько теснее связаны друг с другом, но недостаточно, чтобы остановить вас, если только вы не попытаетесь проникнуть в нее слишком быстро, как при прыжке со скалы в отливающее стальным цветом море. В твердых телах атомы вообще не отходят в стороны, если их не заставить сделать это насильно – например, разрезав бумагу острыми ножницами.

И тогда, вместо того чтобы бороться за свое место, электрон будет вынужден уйти, оставив вакантное место для другого электрона. Когда атом теряет электрон (например, после попадания мощного фотона солнечного света), объединенный заряд ядра и электрона (электронов) больше не дотягивает до нуля. Лишенные одного или нескольких электронов атомы становятся тем, что ученые называют ионами. Ион, как правило, ищет к чему приклеиться, чтобы образовать молекулу. На самом деле, они отчаянно пытаются найти электроны. Выражаясь терминологией физики, они бурно реагируют.

И наоборот, создаваемые электронами внутри молекулы связи могут и нарушаться. Во время таких процессов обычно выделяется энергия, а это как раз то, зачем нужна еда. Химические реакции внутри тела расщепляют содержащиеся в пище молекулы, высвобождая энергию, которая затем многофункционально используется организмом для поддержания вашей жизнедеятельности.

Замечательно.

Это завершает наш обзор крошечного мира электронов. Вы прошлись лишь по внешней части трех атомов и все же уже выяснили, насколько глубоко современная наука разбирается в ежедневно происходящих в нашем теле процессах. Так что, прежде чем распрощаться со все еще таинственным атомным ядром, я подведу итог тому, с чем вы познакомились на протяжении последних нескольких глав.

ПРИНЦИП ЗАПРЕТА ПАУЛИ НЕ ПОЗВОЛЯЕТ ЛЮБЫМ ДВУМ

ЭЛЕКТРОНАМ ОКАЗЫВАТЬСЯ В ОДНОМ И ТОМ ЖЕ МЕСТЕ

В ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ.

Наружные части всех атомов Вселенной, размытые, волнообразные, массивные электрические заряды называются электронами. Они являются фундаментальными частицами электромагнитного поля и активно защищают свое личное пространство. Принцип запрета Паули не позволяет любым двум электронам оказываться в одном и том же месте в пространстве и времени. Несмотря на то что во всех атомах Вселенной больше пустоты, чем всего остального, именно это является причиной, почему вам не удастся пройти сквозь стену, провалиться в стул, в кровать или еще во что-нибудь твердое. Иначе существование превратилось бы в искусство выживания.

Таким образом, принцип Паули приводит к структурным и химическим различиям между атомами: поскольку электроны не могут разом оказаться близко к ядру, они располагаются вроде слоев лука вокруг атомного ядра, заполняя только свободные места, что заставляет атомы расти с увеличением количества содержащихся в них электронов.

Необходимо заметить, что электроны не являются единственными частицами, подчиняющимися принципу запрета Паули. Другие частицы тоже – но не все. Свет, например, нет. Вы можете запихнуть столько фотонов, сколько хотите, в любое выбранное вами место. Они не будут возражать. На самом деле им это даже нравится, и чем сильнее похожи два фотона, тем больше они любят обниматься друг с другом, как пингвины на севере. Лазеры являются следствием такого пристрастия: они представляют собой высококонцентрированный, высокоэнергетический пучок идентичных фотонов.

Теперь, когда вы усвоили это, у вас может сложиться впечатление, что электроны и свет являются единственными частицами, с которыми стоит считаться в нашей Вселенной. Но это не так. Вы скоро увидите и другие вещи внутри атомных ядер, я просто хочу подчеркнуть, что вокруг нас существуют даже частицы, которых не заботит ни желание электронов обеспечить неприкосновенность своей личной жизни, ни их существование вообще. Или что-то еще известное нам по этому вопросу. Они представляют собой частицы, не принадлежащие атомам. Фактически некоторые из них настолько надменны, что большую часть времени выстреливают во все и вся, практически не оставляя следов. Для этих крошечных частиц Вселенная должна казаться довольно скучной и пустой. Даже Земля. Даже вы. Вы встретите их достаточно скоро.

Однако на данный момент у вас снова есть повод для праздника! С таким только что приобретенным багажом знаний об электронах и свете вы в курсе того, что было известно лишь ограниченному количеству людей полвека назад, и большинство из них были выдающимися учеными, так как получили за эти открытия Нобелевские премии.

И это еще не все.

Благодаря им теперь вы можете объяснить почти все, что происходит вокруг, от цвета помидора до твердости стены, земли или причины того, почему магниты выпрыгивают из пальцев, чтобы прилепиться к дверям холодильника.

Все, что ежедневно испытываете вы, я и все наши друзья, определяется играющими и превращающимися друг в друга материей и светом, а также электронами, категорически отказывающимися делиться своим небольшим количеством пространства-времени с точной копией самих себя.

В следующий раз, обнимая кого-то, не стесняйтесь представить себе виртуальные жемчужины света, создаваемые и становящиеся безрассудными по мере сближения ваших тел, прежде чем электроны подчинятся принципу Паули и решат, что вы не можете сблизиться еще больше. Я не уверен, что вы станете говорить об этом удивительном факте на первом свидании, но оставляю решение за вами.

Перед тем как продолжить путешествие по известной нам материи, есть еще одна хорошая новость. В 2014 году эксперименты, проведенные во впечатляющих подземных научных лабораториях Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН), расположенного на границе Швейцарии и Франции, подтвердили, что человечество теоретически обнаружило все, что нужно знать о составляющей нас материи.

Все.

Это не означает, что тайн больше не осталось (в шестой части их будет предостаточно). Но это означает, что начиная с 2014 года мы имеем картину известного содержания Вселенной, в значительной степени соответствующую всему, что можно исследовать или обнаружить в пределах действия современных технологий.

Картина, включающая в себя атомные ядра, которые вы сейчас готовы рассмотреть.

И если в вашу душу закралось предчувствие, что там снова обнаружатся странные вещи, вы абсолютно правы.

 

Глава 5

Необычная тюрьма

Ваш кофе становится все холоднее, а рука, держащая молоко, болит. Но вас это не волнует.

Ваша мини-копия только что решила погрузиться в глубины атома водорода, создавшего молекулу воды прямо на ваших глазах, в его ядро. Множество крошечных жемчужин света (виртуальных фотонов, виденных вами между магнитом и холодильником) появляются и исчезают вокруг, подтверждая, что ядро, к которому вы стремитесь, электрически заряжено, разрушая представление о том, что между электронами атома и его ядром ничего не существует.

Тем не менее в сравнении с угаданным вами размером атома вам приходится пересечь огромное расстояние, прежде чем достичь ядра водорода.

Но вы в конечном итоге находите его.

Так же как вращающийся вокруг него электрон, ядро атома водорода, кажется, не имеет определенной формы, но обладает массой. Но оно тяжелее. Намного тяжелее электрона: в 1836 раз. И имеет заряд, полностью противоположный заряду электрона.

Ядро водорода называется протоном.

Он больше электрона, но по сравнению с размерами самого атома (объем вместе с электронами) чрезвычайно мал. Британский физик новозеландского происхождения Эрнест Резерфорд открыл его существование в 1911 году, через три года после присуждения ему Нобелевской премии по химии за работу над совершенно новым явлением, названным радиоактивностью. Однако он не знал того, чего не мог знать, а именно что в отличие от электрона протон не является фундаментальной частицей. Внутри него существует свой мир.

Не тратя время на попытки осознать невозможное, вы закрываете глаза и разводите руки в стороны, чтобы, подобно йогу, ощутить, что представляет собой внутренний мир протона.

Вас сразу же захватывает настолько мощная сила, что все испытанное до сих пор кажется детской игрой, вы снова открываете глаза, смотря прямо перед собой.

Электромагнетизм может легко пересилить вас: некоторые магниты настолько прочно прилипают друг к другу, что вам никогда не удастся разъединить их.

Гравитация также может пересилить вас и на самом деле занимается этим: вы никогда не сможете освободиться от земной гравитации.

Но в целом это другой уровень сил.

Внутри протона, выглядящего чем-то вроде расплывчатой облачной сферы, вы улавливаете мелькание появляющихся и исчезающих бесчисленных виртуальных частиц, а также электромагнитных жемчужин света, виденных вами между магнитом и холодильником или между электроном и протоном. Но они не являются виртуальными фотонами. Они – переносчики нового взаимодействия, и новая сила, вместе с квантовым полем, которому она принадлежит, обеспечивает устойчивость всей вселенской материи.

Без нее все, что мы знаем, исчезнет в мгновение ока. Все. Включая ваше тело.

Виртуальные частицы, переносящие эту удивительную силу, силу, сохраняющую материю в неизменном состоянии, в сотни раз мощнее фотонов, переносчиков электромагнитного взаимодействия. Они являются переносчиками так называемых сильных взаимодействий.

Но если бы они были «просто» переносчиками, то почему не видно фундаментальных частиц нового поля? Виртуальные фотоны заставили заряженные частицы взаимодействовать, и где же это взаимодействие?

Не дожидаясь следующей мысли, вы прыгаете внутрь протона, снова закрываете мини-глаза, поднимаете мини-руки и пытаетесь… почувствовать… найти цель переносчиков мощного взаимодействия… Будучи окруженным таким количеством энергии, необходимо произвести огромное усилие для того, чтобы сосредоточиться, но в конце концов вы справляетесь. Вам удается различить три вещи, три нечеткие, волнообразные, тяжелые маленькие частицы, которые ученые называют кварками. Название может показаться странным, но разве не то же относится ко всем новым именам, прежде чем мы привыкаем к ним?

Никто кроме вас прямо сейчас никогда не видел кварк воочию. Они даже не существуют самостоятельно – их сильные виртуальные маленькие собратья, постоянно появляющиеся и исчезающие вокруг, просто не позволят этому случиться. Чем дальше отходят друг от друга кварки, тем более мощными становятся переносчики сильных взаимодействий, возвращая кварки обратно гораздо эффективнее, чем любая другая известная сила в природе.

Поэтому жизнь для трех заключенных внутри протона кварков довольно ограничена, являясь практически тюрьмой.

А их виртуальные тюремщики, переносчики сильных взаимодействий? Кто они? Какие они? Они не фотоны, это точно. Они не являются частью электромагнитного поля, помните: они – выражение абсолютно другого поля, квантового поля сильного взаимодействия.

И они настолько эффективны в работе по склеиванию кварков вместе, что их прозвали глюонами.

Кварки и глюоны.

Они составляют все протоны нашей Вселенной.

Теперь нечто странное об этой самой крошечной из тюрем, в которую ваша мини-копия нанесла визит: большинство из нас свято верит, что если оказаться за решеткой, будучи человеком, то свобода означает очутиться от камеры и ее стражей так далеко, насколько возможно. А вот для удерживаемых в протонах кварков, преступники они или нет, все наоборот. Для них свобода заключается в близком расстоянии. Чем больше они сближаются, тем свободнее могут делать все, что заблагорассудится. Свобода кварков – действительно очень странное понятие: мир возможностей открывается им, как только они становятся ближе друг к другу.

За открытие этого своеобразного типа свободы трое американских ученых, Дэвид Гросс, Фрэнк Вильчек и Дэвид Полицер, получили в 2004 году Нобелевскую премию по физике. Действительно трудная для понимания концепция. Настолько тяжелая, что когда я встретил Дэвида Гросса и Фрэнка Вильчека в Кембридже за пару лет до получения премии, то, помню, поинтересовался, не должен ли я попросить их вернуть мне деньги, потраченные на таблетки против головной боли, заработанной в попытках понять их работу.

Кварки и глюоны.

Элементарные частицы – кварки, созданные из самих себя.

И глюоны.

Переносчики самой мощной известной нам силы – сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки вместе, позволяя им быть свободными, только когда они близки друг к другу, гарантируя, таким образом, что составляющая нас материя не разорвется на кусочки.

Кварки и глюоны.

Действительно странные имена, используемые для описания сущности реальности, такой далекой от нашей повседневной жизни, что она вполне может показаться весьма незначительной. Однако сильное взаимодействие с его кварками и глюонами вовлекает в себя около 99,97 % составляющей наши тела массы. Если бы человек весом 60 килограммов сию минуту потерял все свои кварки и связывающие их глюоны, то он или она мгновенно похудел бы до веса 18 граммов. И очевидно бы умер.

Чтобы понять, что узнало человечество до сих пор о нашей реальности, или даже выяснить, из чего она состоит, кварки и глюоны весьма необходимы. И это, кажется мне, довольно веская причина их изучать. Несмотря на то что они в скором времени позволят нам вернуться назад в прошлое примерно через секунду после зарождения пространства и времени.

Итак, как мы уже упомянули, поле, к которому относятся эти новые частицы, называется полем сильного взаимодействия или сильным полем. Это, конечно же, квантовое поле, так как большая часть странного квантового поведения обнаруживалась ранее при участии электронов и света – исчезновение и появление где-нибудь в другом месте или, например, туннелирование здесь не применимо. Но, что важно подчеркнуть, хотя поле сильного взаимодействия – не то же самое, что электромагнитное поле, тем не менее оно также заполняет всю Вселенную. Это еще одно море, если хотите, чьи капли – кварки и глюоны, а не электроны и фотоны. И ничто не мешает частицам принадлежать обоим полям: электрически заряженные кварки принадлежат электромагнитному полю так же, как полю сильного взаимодействия. Они могут взаимодействовать с переносчиками взаимодействий каждого из полей: с помощью света и глюонов. Но на коротких расстояниях глюоны гораздо мощнее света.

Итак, а что насчет нового моря? Каковы его фундаментальные частицы?

Поле сильного взаимодействия имеет шесть типов частиц, шесть различных сортов кварков, которые могут выскочить из него в любое время, в любом месте, если имеется достаточное количество энергии. Хотя только два типа из них находятся в ядре атома. Это так называемые верхний и нижний кварки, В каждом протоне Вселенной есть два верхних кварка и один нижний, так что было бы справедливым сказать, что у протонов больше подъемов, чем спусков, что, возможно, объясняет, почему они счастливы в своей субатомной тюрьме.

Но протоны – не единственные существующие кварковые тюрьмы, как вы теперь увидите внутри вашего атома золота.

Уставшая от водорода мини-копия выпрыгивает из него на кухонный стол, где вы разрезали свое сокровище на кусочки.

Атом золота все еще там – вы ныряете в него.

Скрытое глубоко под 79 вертящимися вокруг него электронами ядро гораздо больше атома водорода. Для уравновешивания заряда 79 электронов имеется 79 протонов. Но здесь также есть и другие нечеткие сферы, окружающие – отделяющие? – эти протоны. Незаряженные сферы. Вы можете насчитать 118 из них.

Будучи электрически нейтральными, они называются нейтронами. Они тоже являются кварковыми тюрьмами, обнаруженными английским физиком, сэром Джеймсом Чедвиком, оказавшимся помощником выдающегося ученого Резерфорда. В 1935 году Чедвик получил за свое открытие Нобелевскую премию по физике.

Внутри каждого протона глюоны удерживают два верхних кварка и один нижний. Верхних – большинство. В нейтронах наоборот: нижние ведут – два к одному.

Итак, каким образом складываются все эти тюрьмы для образования атомного ядра? Почему они не отодвигаются друг от друга? Или не сталкиваются? В конце концов, все протоны положительно заряжены. Они должны отталкиваться.

Но этого не происходит. Почему? Потому что сильное поле и его переносчики не позволяют им так делать, хоть и очень странным образом. Остаточным путем.

Чтобы выяснить, что это значит, мини-копия принимает смелое решение внимательно следить за неуловимыми глюонами, сторожащими кварки внутри протона. Вот они. Вы не в состоянии их видеть, но можете ощутить по методике йогов. Они появляются и исчезают, чтобы удержать кварки от самостоятельных прогулок.

Но вдруг происходит нечто очень странное.

Что-то вылетело. Выскочило из протона. Но что? Глюон? Почему бы и нет, в конце концов? Они же стражи, а не пленники…

Но нет, это не глюон.

Нечто не похожее на него, в любом случае.

Вы заостряете йоговское восприятие… и вот, пожалуйста.

Получается, что глюоны вообще не ходят поодиночке. Они должны найти другой глюон. Друга. Объединившись с нужным напарником, они превращаются в нечто другое.

Вы осматриваетесь, и прямо там, слева, между двумя кварками снова происходит то же самое.

Глюон вылетает из поля, так же как и его напарник, они прилипают друг к другу и… бац! Подобно тому как свет может трансформироваться в электрон, два глюона превращаются в два кварка! Кварк-дуэт, который больше не связан с другими кварками, охраняемыми глюонами! Они выходят на свободу в качестве нового объекта, чтобы оставить кварковую тюрьму, частью которой являлись!

Вы видите, как новоиспеченные кварки удаляются.

И направляются прямо к ближайшей кварковой тюрьме. По существу, они стали переносчиками еще одной силы; действующей уже не на кварки, а на сами кварковые тюрьмы. Достигнув ее, они снова превращаются в глюоны и начинают охранять кварки уже там…

Именно благодаря таким превращениям нейтроны и протоны сосуществуют внутри атомных ядер. Путешествуя из одной тюрьмы в другую, два оборотня – кварки-глюоны – обеспечивают устойчивость атомных ядер. Эти обменивающиеся частицы, кварк-дуэты, странствующие по тюрьмам, называются мезонами. А сила, которую они переносят, – сильным ядерным взаимодействием. Это – сила притяжения. И весьма мощная.

За гипотезу о существовании мезонов, выдвинутую задолго до их обнаружения экспериментальным путем, японский физик-теоретик Хидэки Юкава был удостоен в 1949 году Нобелевской премии по физике.

Отплясывающий странный твист, кипящий суп из кварков и глюонов, какой можно обнаружить внутри всех протонов и нейтронов, также ответствен за недостающую массу, о которой мы уже упоминали давным-давно, недостающую массу, заставляющую звезды светить.

Внутри звезд, как вы теперь прекрасно знаете, мелкие атомы сливаются вместе для образования новых, более крупных. Это означает, что звезды объединяют вместе протоны и нейтроны, и происходит так, что соединившимся нейтронам и протонам уже не нужно столько виртуальных глюонов для охраны своих кварков (или мезонов для охраны их тюрем), сколько было необходимо, когда они существовали по отдельности. Это немного похоже на слияние двух компаний: некоторые сотрудники становятся лишними, и их увольняют… В ядрах звезд лишние глюоны, кварки и мезоны тоже выбрасываются. Так как они переносят энергию, а энергия есть масса, то выброс снижает массу вновь слитого ядра. Именно поэтому все образованные путем слияния ядра не такие тяжелые, как взятые по отдельности. Однако в отличие от уволенных людей эта недостающая масса превращается в энергию, обменный курс которой равен E = mc2, что заставляет звезды светить.

Таким образом, гравитационная энергия в глубинах звезд используется для формирования атомов, процесса, включающего в себя массу, превращающуюся в тепло, свет и множество иных частиц, присутствующих вокруг, но не уловимых глазом. Хотя большая часть реальности скрыта от наших чувств, во Вселенной все взаимосвязано.

 

Глава 6

Последняя сила

Вы уже узнали о существовании двух квантовых полей, а именно одного, отвечающего за все электромагнитные взаимодействия, и одного, приводящего к возникновению мощнейшей известной человечеству силы, довольно грамотно названной сильным ядерным взаимодействием, включающее в себя остаточное взаимодействие.

Отчасти эти взаимодействия и их поля являются двигателями создания материи. Несмотря на то что магниты могут притягиваться либо отталкиваться, электромагнитное взаимодействие обеспечивает сохранность электронов вокруг атомных ядер. Электроны могли бы отделиться или столкнуться с ядром. Но этого не происходит. Виртуальные жемчужины света мешают им осуществить это. Электромагнитное поле дает атому устойчивость электронных оболочек и способы обмена заряженных электронов для создания молекул и формирования образующей нас материи.

С другой стороны, сильное ядерное взаимодействие состоит в заботе о самих атомных ядрах. Оно удерживает вместе протоны и нейтроны, образуя атомные ядра. Не будь его, все ядра бы распались, и мы мгновенно превратились бы в туман из протонов и нейтронов. То же касается Земли и всего остального.

И, наконец, сильное взаимодействие удерживает заключенные внутри этих протонов и нейтронов кварки, связывая их вылетающими из поля глюонами.

ПУСТОТЫ НЕ БЫВАЕТ, ВСЕ ВЗАИМОДЕЙСТВУЕТ СО ВСЕМ, ВПЛОТЬ ДО САМЫХ ПОТАЕННЫХ ЧАСТЕЙ АТОМОВ, СОЗДАННЫХ И ОСТАЮЩИХСЯ ЦЕЛЫМИ БЛАГОДАРЯ ЧРЕЗВЫЧАЙНО СИЛЬНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯМ.

Таким образом, вы совершили путешествие по двум полям, увидели их взаимодействующие частицы и переносчиков силы, придающих миру жесткую, хотя неуловимую осязаемость. Вы наблюдали фотоны и электроны, играющие и превращающиеся друг в друга. Вы подсматривали за глюонами и кварками, шевелящимися в ядрах атомов драгоценного золота и обычного водорода, самого маленького и самого распространенного кирпичика вселенской материи, того самого водорода, который звезды расплавляют в своих сердцах для создания субстанции, из которой состоим мы с вами.

Водород, недостаток которого рано или поздно вызовет гибель всех звезд во Вселенной…

Осмысливая последнюю фразу, вы вдруг вспоминаете, что произойдет с Солнцем через пять миллиардов лет, и немедленно возвращаетесь в нормальный размер, оставив вашу мини-копию плавать где-то в слишком маленьком для восприятия человеческим глазом мире.

Ваше восприятие Вселенной очень изменилось с тех пор, как вы лениво наблюдали за звездами с пляжа тропического острова. Теперь вы знаете, что пустоты не бывает, что все взаимодействует со всем, вплоть до самых потаенных частей атомов, созданных и остающихся целыми благодаря чрезвычайно сильным взаимодействиям.

* * *

Небо за окном кухни приобретает красный оттенок. Солнце садится где-то на западе, раскрашивая плоские облака в пылающие цвета.

Ваша рука болит из-за того, что слишком долго держала пакет с молоком, но теперь, потягивая из чашки остывший разбавленный кофе, вы с отсутствующим видом подходите к окну, смотрите на небо и вдруг понимаете, что значит быть частью семьи звезды.

Все звезды Вселенной излучают и заливают свои космические окрестности светом и частицами, всеми прямыми или косвенными побочными продуктами термоядерных реакторов своих сердец. И в то время как их гравитация – создаваемая ими в пространстве-времени кривая – заставляет каждый отдельный близлежащий или пролетающий мимо объект падать по отношению к ним, ветра из частиц и света выдуваются наружу, в космос, вдаль, создавая пульсацию невидимых фоновых полей, заполняющих все вокруг.

Вселенная действительно походит на огромный океан, и некоторые (весьма серьезные) космические инженеры даже представляют себе строительство космических кораблей с огромными парусами, чтобы поймать в них эти солнечные ветра и направить свои корабли к краям Вселенной, подобно космическим морякам, плывущим по склонам пространства-времени без всякого топлива…

На землю опустилась ночь, а вы все еще не шелохнулись. Небо прояснилось. Вы смотрите на звезды. Их не так много, хотя, может, дело в слишком интенсивном световом загрязнении. Тем не менее теперь вы знаете, что звезды, что вы можете увидеть здесь, не те же самые, на которые вы любовались на тропическом острове. Теперь вы собираете фотоны, излученные звездами, живущими в другой части Млечного Пути. И они вполне обычные звезды, огромные шары, чья гравитационная энергия строит большие атомы из маленьких, сливая их ядра вместе.

Весьма примечательно и скорее вопреки тому, к чему мы, люди, привыкли, все в космическом пространстве кажется созидающей силой.

Кажется, да, потому что вы еще не видели всего уже известного науке.

Для этого необходимо третье квантовое поле.

Третье море, заполняющее всю Вселенную точно так же, как другие два; море, переносчиками фундаментального взаимодействия которого не являются ни фотоны, ни глюоны, ни мезоны.

И как раз его можно рассматривать как поле разрушающее, уничтожающее то, что сделали другие. Оно является последним из четырех взаимодействий, управляющих Вселенной.

Эта последнее взаимодействие также ядерное: такое же сильное, как вы только что выяснили, оно действует только на составляющие атомных ядер. Но оно гораздо слабее, чем сильное взаимодействие, и поэтому называется слабым ядерным взаимодействием. Вездесущее квантовое поле, у которого есть свои фундаментальные частицы и переносчики взаимодействия, называется квантовым полем слабого ядерного взаимодействия. Спонтанный распад атомных ядер, процесс, известный как радиоактивность, является одной из его характеристик.

Теперь, прежде чем увидеть действие радиоактивности на практике, может оказаться полезным вспомнить, что она унесла жизни многих исследователей. Не сознавая, что смертельный невидимый свет облучает их, медленно разрушая тела, они работали с необработанными, высокорадиоактивными материалами голыми руками… Замечательный французский ученый польского происхождения Мари Кюри – единственный дважды лауреат Нобелевской премии по физике (в 1903 году за совместное исследование радиоактивности) и по химии (в 1911 году за открытие двух новых элементов: радия и полония) – была одной из них. Она могла и не знать, от чего умерла, но то, чему вы сейчас станете свидетелем, будет как раз тем, что увидела бы она, имей сегодняшние знания, вместе с удобной возможностью превратиться в мини-Мари.

Выливая холодный кофе в раковину, вы сжимаетесь обратно в мини-копию, а мини-глаза пользуются моментом, чтобы адаптироваться к темноте.

Вы снова рядом с атомом золота.

Он прямо перед вами, атом настолько сильный и твердый, что для его создания потребуется энергии больше, чем необходимо для притяжения звезд. Золото создается не во время жизни, а во время смерти звезды в результате взрыва. Когда наше Солнце погибнет, оно тоже создаст некоторое количество золота, которое, кто знает, может быть, в один прекрасный день появится в виде кольца на пальце (щупальце?) неизвестных существ будущего.

Но, когда вы рассматриваете его, этот атом совсем не выглядит таким ценным, как, кажется, полагает значительная часть человечества.

Чем тогда золото так желанно?

Изменяется ли оно с течением времени? Ловит ли пролетающие мимо атомы для создания необыкновенных молекул?

Вы ждете некоторое время, наблюдая, так ли это. Но нет.

Ничего не происходит.

Ну разумеется.

Тот факт, что с золотом никогда ничего не происходит, – одна из причин его ценности. Золото не ржавеет. Оно не окисляется (что происходит, когда электроны атома кислорода связываются с атомами металла). Оно не подвержено действию коррозии.

Золото является самым пластичным из всех металлов, и, если у вас есть достаточный кусок, из него можно вытянуть длиннющую тончайшую проволоку (платина и серебро порвутся задолго до того момента). Из множества атомов золота можно легко создать вещь практически любой формы. И чем бы она ни была, она все равно будет проводить электричество, то есть электрон, введенный на одном конце длинной цепи из атомов золота, проделает по ней свой путь и выйдет с другой стороны.

ЗОЛОТО НЕ РЖАВЕЕТ, НЕ ОКИСЛЯЕТСЯ, НЕ ПОДВЕРЖЕНО ДЕЙСТВИЮ КОРРОЗИИ. ЗОЛОТО ЯВЛЯЕТСЯ САМЫМ ПЛАСТИЧНЫМ ИЗ ВСЕХ МЕТАЛЛОВ, ИЗ АТОМОВ ЗОЛОТА МОЖНО ЛЕГКО СОЗДАТЬ ВЕЩЬ ПРАКТИЧЕСКИ ЛЮБОЙ ФОРМЫ.

Все эти исключительные свойства могут приводить к практическим использованиям, не всегда заканчивающимся обручальным кольцом, но бесценным.

Добавьте факт, что золото – редкий, трудно добываемый металл, полученный в результате смерти звезды, и сразу становится понятно, почему он так дорогостоящ. Так что оставим его в покое, потому что с ним действительно ничего не происходит.

Чтобы увидеть нечто иное, понадобится другой атом, который, как ни странно, пролетает мимо.

И он гораздо больше.

Насколько можно сказать, у него 94 электрона, вращающихся вокруг ядра, состоящего из 94 протонов и 145 нейтронов. 239 кварковых тюрем. На 42 больше, чем у золота.

Этот атом – одна из форм скандально известного элемента под названием плутоний. А так как в нем 239 кварковых тюрем, он называется плутонием-239. Существуют и другие виды плутония, так же как есть и другие виды золота, кроме того, что обнаружилось на вашей кухне. Они могут иметь в ядрах больше или меньше нейтронов, но всегда одинаковое число протонов, иначе они перестали бы быть плутонием или золотом.

И раз уж изучать золото не так интересно, то что-то подсказывает вам, что внутри ядра плутония-239 вскоре внезапно произойдет странное явление.

Без колебаний вы проходите его электронные оболочки слой за слоем. Пересекаете огромные пустоты, заполненные виртуальными фотонами. Вот и ядро. 239 кварковых тюрем оказываются прямо перед вами. Сильное ядерное воздействие сложило их в аккуратную стопку, но интуиция подсказывает, что целью должен стать один из нейтронов.

Вы ныряете внутрь.

Там два нижних и один верхний кварк, прочно удерживаемые вместе сильными глюонами.

Однако как раз в момент вашего появления в один из нижних кварков ударяется внезапно появившаяся виртуальная частица, которой вы раньше не видели, только для того, чтобы превратить нижний кварк в верхний. Принадлежащий ему нейтрон, таким образом, сразу становится протоном, создавая хаос. Теперь все атомное ядро выходит из равновесия. Эффект мгновенный и драматичный.

Шестое чувство велит вам спасаться, мини-копия вылетает из ядра и электронных оболочек, успев увидеть многократный распад ядра плутония на все более мелкие части, которые пытаются – иногда терпя неудачу – забрать с собой несколько электронов. Сверхэнергетические частицы вылетают на каждом этапе процесса, в том числе еще одна, не виденная вами раньше. Плутоний распался. Прямо на ваших глазах. И все продукты этого распада в настоящее время разлетаются в стороны. Фейерверк, в конечном счете, уничтоживший сам себя. Не считая других атомов плутония-239 вокруг. Но на вашей кухне их больше нет. Так что все быстро стихает.

Вы только что стали свидетелем одного из аспектов четвертой известной силы природы: слабого ядерного взаимодействия с его виртуальными частицами – переносчиками взаимодействий, способными превращать кварки друг в друга. Эти переносчики взаимодействия называют W– и Z-бозоны.

То, что вы только что видели, является распадом атома на более мелкие и более стабильные атомы. Это было спонтанное деление атомного ядра, прямая противоположность его слиянию. Процесс радиоактивного распада. То, что и является радиоактивностью, слабое ядерное взаимодействие отвечает за нее с помощью переносчиков, W– и Z-бозонов.

Вольфганг Паули, все тот же Паули, который придумал принцип запрета, изучал такой атомный распад около ста лет назад. В отличие от вас он не знал о существовании полей, но, сравнивая то, что он наблюдал до и после радиоактивного распада, понял, что часть энергии исчезает. Таким образом, он предположил существование до сих пор неизвестной частицы, виновной в захвате энергии, частицы с крайне малой массой, не имеющей никакого электрического заряда, частицы настолько неуловимой, что после своего выброса она проходит через всю известную нам материю практически беспрепятственно.

В настоящее время известно, что эта новая частица существует. Вы только что видели ее. Из всех выбрасываемых частиц радиоактивного распада это единственная, которую вы не видели раньше. Она называется нейтрино.

Американский физик Фредерик Райнес и его коллеги экспериментально доказали его существование в 1956 году; почти сорок лет спустя, в 1995 году, Райнес получил за него Нобелевскую премию по химии. Однажды он выразился, что нейтрино – это мельчайшая частица реальности из когда-либо представленных себе человеческим существом. Сегодня мы знаем, что эти нейтрино (а их много) подчиняются только полю слабого ядерного взаимодействия и гравитации. Они полностью нечувствительны к электромагнитным полям и полям сильного взаимодействия.

С их точки зрения, атомы являются такими же, какими они показались вам на первый взгляд, – пустыми.

И это хорошо.

Почему?

Потому что если бы нейтрино взаимодействовали с атомами, то у нас были бы большие проблемы, так как они в большом количестве производятся внутри Солнца.

Точнее, в очень большом.

Около 60 миллиардов нейтрино врезаются в каждый квадратный сантиметр вашей кожи.

Каждую секунду.

И они даже не замечают вас. Никто.

Однако, как ни досадно это может прозвучать, для них не существует разницы между вами и, скажем, ничем. Они пролетают сквозь вас. А потом сквозь Землю. И продолжают свое путешествие по космосу, как будто ни вас, ни нашей планеты никогда не было и в помине.

Далее, всех нас учили, что радиоактивность опасна и что нужно по возможности избегать радиоактивных материалов, таких как плутоний, уран, радий или полоний, – и совершенно справедливо. Но так как для нейтрино нет разницы между вами и ничем, то бояться их не стоит.

Причина связана с другими частицами, выделяющимися в процессе радиоактивного распада, и, к счастью, вы уже знакомы с ними.

При распаде ядра атома оно расщепляется и может испускать нейтрино, кварковые тюрьмы, электроны и свет. Последняя троица опасна.

Самая крупная часть из трех, в свою очередь, состоит из связки четырех кварковых тюрем: двух нейтронов и двух протонов. Она называется альфа-частицей и соответствует лишенному электронов атому гелия. Поэтому, чтобы стать атомом, ядру необходимо «украсть» откуда-то два электрона, трюк, осуществить который он может несколькими способами. Он может нагло стащить парочку у соседнего атома, альтруистично поделиться с соседним атомом или добросердечно «усыновить» беспризорные электроны.

В первом случае лишенный электронов атом начинает искать себе другие электроны… Если поблизости оказались живые существа (вроде нас с вами на кухне), то с электронами, украденными из атомов кожи, может произойти странная химическая реакция, приводящая к так называемым радиоактивным ожогам. Вот почему альфа-частицы опасны.

Второй тип частиц, выделяющихся в процессе радиоактивного распада, – бета-частицы, испускаемые, к примеру, в процессе радиоактивного распада – сильно заряженные электроны, которые могут вытолкать другие электроны (что приведет к той же опасности). Последними в троице окажутся высокоэнергетические фотоны, гамма-лучи – мы встретили их в предыдущем космическом путешествии, отметив тогда их невероятно высокую энергетическую частоту.

Попадая на атом, гамма-луч может лишить его одного из электронов, превратив атом в ион, стремящийся найти другой электрон, снова создавая ожоги на нашей коже.

Но гамма-лучи также могут иметь и гораздо худшие последствия.

Ничто не обязывает их остановиться на поверхности нашего тела. Они могут проникать в него и вызывать локальный хаос глубоко внутри, не только выбрасывая электроны из атомных домов, но и разбивая молекулы вроде молекул ДНК, в самом сердце клеток, тем самым изменяя команды, используемые организмом для обеспечения жизнедеятельности наших тел. Обычным результатом становится рак и (или) генетические мутации.

Все эти потенциальные последствия страшны. Трудно было бы утверждать обратное. Но есть и светлая сторона: подобно гравитации, электромагнетизму и сильному взаимодействию, радиоактивность, даже будучи разрушительной силой, является естественным процессом, происходящим всегда и везде, даже в вашем теле, с очень медленной скоростью. Беспокоиться стоит, только если кто-то подвергается воздействию высокого уровня радиации.

На самом деле, мы должны быть благодарны, что радиоактивность вообще существует. Она может убить, да, но в первую очередь, без нее вы бы не появились на свет. На Земле, глубоко под вашими ногами, наша планета содержит множество непрестанно распадающихся атомов. Теперь там меньшее их количество, чем в прошлом, но все же мантия Земли радиоактивна. При распаде атомов испускаемые ими частицы врезаются в своих соседей, вырабатывая тепло, весьма способствующее обогреву планеты. Без радиоактивности не было бы сейсмической или вулканической активности. Поверхность Земли стала бы мертвой ледяной миллиарды лет назад. Жизнь в известной нам форме не существовала бы вообще.

Радиоактивность разрушает атомы. Радиоактивность убивает. Но она необходима, чтобы согреть наш мир, возвращая часть накопленной звездами энергии внутри атомов, создавших нашу родную планету.

И напоследок короткий комментарий, прежде чем позволить вам отправиться в путешествие к истокам происхождения пространства и времени: атомная энергия в целом, путем деления или слияния атомных ядер, вовлекает в процесс мощные энергии, и человечество пытается собрать их с большей или меньшей эффективностью с помощью ядерных установок. Мы можем только надеяться, что такие технологии в один прекрасный день станут экологически чистыми и безопасными, так как их потенциал поразителен.

Несмотря на довольно негативные отзывы прессы и не имеющее оправдания использование ядерной энергии в прошлом, мы никогда не должны забывать, что без нее наше существование было бы невозможным. Без радиоактивности жизнь на Земле прекратилась бы.

Такова жизнь, как мы, конечно же, знаем.