Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле - Карло Ровелли

Корректен этот абстрактный аргумент или нет, но, как мы знаем сегодня, он содержит большую долю истины. Материя действительно имеет атомарную структуру. Если я разделю каплю воды пополам, то получу две капли воды. Я могу вновь разделить каждую из этих капель пополам и так далее. Но я не могу продолжать делать это до бесконечности. В некоторый момент у меня останется лишь одна молекула, и я буду вынужден остановиться. Не существует капель воды, которые меньше одной молекулы воды.

Откуда мы знаем об этом сегодня? Подтверждения копились столетиями, большая часть из них пришла из химии. Химические соединения содержат сочетания нескольких элементов, взятых в пропорциях, задаваемых целыми числами. Химики стали думать о веществах как о состоящих из молекул, представляющих собой фиксированные сочетания атомов. Например, вода – H2O – состоит из двух частей водорода и одной части кислорода.

Но эти наблюдения были лишь подсказками. Еще в начале прошлого века многие ученые и философы не считали реалистичной атомную гипотезу. Среди них был знаменитый физик и философ Эрнст Мах, чьи представления о пространстве могли сильно повлиять на Эйнштейна. В конце лекции Людвига Больцмана в Имперской академии наук в Вене Мах громко объявил: «Я не верю в существование атомов!» Это было в 1897 году. Многие, подобно Маху, воспринимали химические обозначения лишь как удобный способ краткого описания законов химических реакций, а не как свидетельство реального существования молекул воды, состоящих из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Вы же не можете увидеть атомы, говорили они, их никогда нельзя будет увидеть. А раз так, спрашивали они, какого размера могут быть атомы? Демокрит так и не смог оценить размеры своих атомов…

Но это смог сделать кое-кто другой. Убедительного доказательства «атомной гипотезы» не было вплоть до 1905 года. Оно было найдено двадцатипятилетним молодым человеком с бунтарскими образом мысли, который изучал физику, но не смог найти работы как ученый и в конце концов нанялся в бернское патентное бюро. Я буду еще много рассказывать об этом молодом человеке и о трех статьях, которые он отправил в самый престижный физический журнал того времени – Annalen der Physik. Первая из этих статей содержала убедительное доказательство существования атомов и расчет их размеров, что решало проблему, поставленную Левкиппом и Демокритом за 23 века до этого.

Звали этого двадцатипятилетнего автора, конечно же, Альберт Эйнштейн.

Рис. 1.3. Альберт Эйнштейн

Как ему это удалось? Идея была на удивление простой. Ее мог бы найти любой, начиная с Демокрита, обладай он эйнштейновской проницательностью и необходимым знанием математики, позволяющим выполнить не самые простые вычисления. Вкратце суть идеи заключалась в следующем: если мы очень внимательно наблюдаем за мелкими объектами вроде пылинок или частиц пыльцы, которые окружены неподвижным воздухом или жидкостью, мы заметим, что они подрагивают, как бы пританцовывая. В результате они движутся случайными зигзагами и медленно перемещаются, постепенно удаляясь от стартовой точки. Такое перемещение частиц в жидкости называется броуновским движением в честь Роберта Брауна, биолога, который подробно описал его в XIX веке. Типичная траектория такой танцующей частицы изображена на рис. 1.4. Она выглядит так, будто крошечная частица получает случайные толчки с разных сторон. На самом деле она не «будто», а в действительности получает толчки. Она дрожит, поскольку сталкивается с отдельными молекулами воздуха, которые налетают на нее то справа, то слева.

Рис. 1.4. Типичное броуновское движение

Ключевая мысль состоит в следующем. Число молекул в воздухе колоссально. В среднем частица получает столько же толчков слева, сколько и справа. Если бы молекулы воздуха были бесконечно малыми и бесконечно многочисленными, воздействия толчков справа и слева уравновешивались бы и в каждый момент взаимно компенсировали друг друга, в результате чего частица не двигалась бы. Но конечность размеров молекул – тот факт, что имеется лишь конечное, а не бесконечное их число – приводит к возникновению флуктуаций (это ключевое слово). Иначе говоря, столкновения никогда не уравновешиваются точно, они сбалансированы лишь в среднем. Представьте на мгновение, что молекул очень немного и они велики по размеру: очевидно, пылинка будет получать толчки лишь изредка, сначала справа, потом слева… Между столкновениями она будет значительно смещаться в ту или другую сторону, подобно мячу, по которому бьют мальчишки, играющие в футбол. С другой стороны, чем меньше молекулы, тем короче становятся интервалы между столкновениями и тем лучше уравновешиваются толчки с разных сторон. А смещения пылинки становятся менее значительными.

Оказывается, проделав кое-какие математические выкладки, можно по величине наблюдаемых движений частицы определить размеры молекул. Как я уже упоминал, Эйнштейн сделал это в возрасте 25 лет. Из наблюдений за движением частиц пыльцы в жидкости и по расстояниям, на которые им удавалось переместиться от своей исходной позиции, он определил размеры демокритовских атомов – элементарных кирпичиков, из которых состоит вещество. Спустя 2300 лет он нашел доказательство гениальной идеи Демокрита: материя зерниста.

Я часто думаю, что утрата работ Демокрита во всей их полноте – это величайшая интеллектуальная трагедия, вызванная гибелью древней классической цивилизации. Взгляните на список его трудов, приводимый в сноске[20]. Трудно не прийти в уныние, осознавая, что нами потеряна огромная часть древних научных представлений.