Разговоры с таксистами о жизни и устройстве Вселенной - Чарльз Кокелл

Например, что бы вы подумали, если бы я сказал вам, что не только верю в призраков, но и знаю, что они существуют? Не сомневаюсь, вы заинтригованы, а если вы ученый, то, возможно, вы в ужасе от моего легковерия. Однако они существуют. И нет, я не имею в виду жутких призраков давно почивших предков или подобные сверхъестественные явления. Я говорю обо всем, включая вас. Чтобы понять это странное утверждение, нам нужно кое-что знать о том, как мы воспринимаем окружающий мир.

В известном диалоге Платон сравнивает человечество с узниками пещеры. Все, что они знают о внешнем мире, – это тени, падающие на стены пещеры, когда кто-то проходит мимо ее входа, лишь намеки на сложную реальность. Но научный метод освободил нас из пещеры. Получив свободу исследовать, платоновские троглодиты получили некоторое представление о том, как устроена физическая реальность. Конечно, мы все еще ограничены в своих изысканиях, но все же не так скованы невежеством, как подозревал Платон. Но то, что мы обнаружили, куда более странно, чем он мог бы себе представить. Если бы существовала машина времени и можно было бы отправиться в древние Афины, чтобы все ему рассказать, подозреваю, что древний философ был бы в шоке от того, насколько точным оказался его рассказ о нашем восприятии реальности, но я также уверен, что он был бы не меньше поражен тем, насколько фантастической оказалась базовая структура Вселенной.

В древности мир казался обнадеживающе крепким и солидным, как, наверное, и вам. Когда вы взяли эту книгу, ваши пальцы с предсказуемой уверенностью сжали ее. Вы подняли ее с полки или стола, зная, что она последует за движением вашей руки, пока не окажется у вас перед глазами. Вы открыли ее, и вместо того, чтобы пройти насквозь, ваш взгляд наткнулся на черные строчки текста, напечатанные на прочных листах бумаги, скрепленных в прямоугольный блок материи.

Повседневный опыт древних мало отличался от нашего и привел их к важному выводу о мире: все состоит из крошечных сгустков материи. Все, от книг до лошадей и стульев, рассуждали они, было построено из этих кусков, слипшихся вместе. Несомненно, греки, да и все остальные, если уж на то пошло, понимали жизнь как нечто отличное от неодушевленных предметов. Различие, которое помещало людей и остальных живых существ на удобное расстояние от простых стульев и книг. Но каким бы ни было это различие, такие объекты, как вы, я и ваш диван, по-прежнему обладали одинаковой плотностью, потому что все они были созданы из одного и того же физического вещества.

Человеком, который наиболее популярно описал это, был философ Демокрит, утверждавший, что все во Вселенной состоит из неделимых частиц. Идеи Демокрита были настолько притягательны, что господствовали даже тысячелетия спустя. Уже на рубеже XVIII и XIX веков Джон Дальтон, химик, который большей частью работал в английском Манчестере, предложил модель, в которой физическая реальность состояла из крошечных твердых сферических шариков. Дальтон назвал эти шарики атомами, от древнегреческого ἄτοµος – «неделимый». Он утверждал, что каждый элемент состоит из атома своего типа, а соединения, подобные поваренной соли, состоят из различных типов этих миниатюрных твердых объектов, склеенных вместе. Хотя Дальтон привнес в свою теорию более современный, химический подход, он пошел по стопам Демокрита. Оба думали, что обнаружили последние, не поддающиеся дальнейшему делению частицы Вселенной.

Век спустя повседневное «твердое» восприятие реальности осталось даже несмотря на то, что научная модель атома резко изменилась с открытием электронов. В 1897 году Дж. Дж. Томсон, еще один английский ученый, экспериментировал с электронно-лучевыми трубками, изобретением, которое в конечном счете на десятилетия стало основой телевизионных экранов и компьютерных мониторов. Подавая ток на отрицательно заряженный электрод и изучая, как испускаемые частицы изменяются магнитными полями и электрически заряженными пластинами, Томсон смог показать, что образующиеся частицы были намного меньше целого атома и должны быть его фрагментами или частями. Что еще более показательно, изменение материалов электродов, из которых стимулировалась эманация частиц, не повлияло на их поведение, демонстрируя, что они обладают универсальными свойствами. Томсон наткнулся на субатомные частицы, общие для всех элементов, доказав как то, что атомы не являются неделимыми, так и то, что элементы не состоят из уникальных атомов. Не только это, но и летучий характер электронов предполагал, что атомы не являются твердыми, что в их строении есть что-то воздушное и пушистое.

Это интуитивное заключение попало в точку, но не смогло вытеснить знакомое всем нам повседневное ощущение прочности. Поэтому предполагалось, что эти блуждающие маленькие фрагменты – электроны – прочно встроены в облако положительных зарядов, которое держит их под контролем. Атом превратился из простого твердого шара в «сливовый пудинг» – не однородный и неделимый, а эдакий губчатый десерт. Теперь атом стал «булкой» позитивной энергии с отрицательно заряженными «изюминами», спрятанными внутри, так что целиком его суммарный заряд был нейтральным. Но ключевое слово здесь – «целиком». Даже если атом перестал быть неделимым, он все еще был твердым, а все его части были надежно скреплены вместе.

Как могло быть иначе? В конце концов, все объекты вокруг нас твердые, и мы тоже. Поднимите руку перед собой, и вы заметите два очевидных признака. Во-первых, протолкнуть через нее предмет довольно тяжело. Можно, если постараться, но потом вы поедете в больницу. Так что мы, несомненно, являемся полноценной твердой материей. А во-вторых, вы не можете видеть сквозь руку. Если вы поднесете мощный фонарик к другой стороне руки, то сможете увидеть насквозь просвеченную плоть, но этот тусклый, мутный свет только укрепляет нашу уверенность в том, что мы сделаны из твердого материала.

Эта уверенность, сохранявшаяся на протяжении тысячелетий, начала ослабевать благодаря работе Томсона, но потребовалось еще одно поколение, чтобы окончательно ее развеять. Ключевым инициатором перемен стал физик Эрнест Резерфорд, ученик Томсона, который решил поискать секреты атома в куске золота. Резерфорд подвесил в вакууме тонкий лист металла и направил на него пучок альфа-частиц – тип излучения, открытый им ранее. Вместе с ним в эксперименте участвовали Ганс Гейгер, создавший хитроумное устройство для измерения альфа-частиц, и ученик Гейгера – Эрнест Марсден.

Альфа-частицы – а точнее, положительно заряженная форма гелия, содержащая два протона, два нейтрона и ни одного электрона, – устремились в золотой лист. При этом Гейгер и Марсден использовали свою машину для подсчета количества частиц, проникших сквозь лист. И они обнаружили нечто удивительное: большинство частиц прошли прямо через золото, но крошечная часть – нет. Вместо этого они отразились под большими углами или вернулись прямо в сторону излучателя. Единственное возможное объяснение этих наблюдений: что-то оттолкнуло частицы. И это что-то должно