Удивительные числа Вселенной - Антонио Падилья

лучше всего проверенные теории XX века, и все же, когда мы складываем их вместе, мы сталкиваемся с напастью — неприятностью, которую называют проблемой космологической постоянной.

Самые сложные отношения Альберта Эйнштейна

История космологической постоянной начинается с Планка и Nullpunktsenergie. Это название вызывает образ какой-нибудь немецкой рок-группы, игравшей грохочущую музыку в подвале в середине 1980-х. Однако это слово не имеет ничего общего с потом, длинными волосами и электрогитарами. Это энергия нулевой точки, впервые введенная Планком во второй его квантовой теории, которая была создана в годы, предшествовавшие Первой мировой войне. С его первой попыткой мы познакомились в главе «Гуголплекс». Тогда Планк спас нас от ультрафиолетовой катастрофы, разделив энергию на порции. Идея прекрасно сработала (и она была верной), но Планка это не заботило. Ученый никогда не чувствовал себя комфортно с идеей порционности и как-то заметил, что если бы мог отказаться от нее, то сделал бы это. В итоге он сумел отказаться наполовину. При второй попытке создать квантовую теорию Планк заявил, что излучение по-прежнему должно испускаться порциями, но не обязательно таким же образом поглощаться. Предложенное отсутствие симметрии сейчас кажется нам уродливым, но на заре квантовой теории оно казалось несколько менее радикальным, чуть более консервативным. Однако за него пришлось заплатить свою цену. Чтобы заставить работать свою альтернативную квантовую теорию, Планку понадобилась некоторая остаточная энергия даже в нулевой точке, когда вы охладили все до абсолютного нуля. Ему потребовалась Nullpunktsenergie.

Вторая квантовая теория Планка никогда не затмит первую по той причине, что она неверна. Тем не менее идея нулевой энергии привлекла внимание Эйнштейна и его коллеги Отто Штерна. Примерно в то же время немецкий химик Арнольд Эйкен получил определенные данные об удельной теплоемкости молекул водорода. Детали не имеют значения. Главное, Эйнштейн и Штерн показали, что энергия нулевой точки может помочь понять эти данные. Однако симпатии Эйнштейна длились недолго. Через несколько лет он стал яростно противиться самой идее нулевой энергии. «Ни один теоретик, — фыркал он, — не может… произносить слова “энергия нулевой точки”, не расплываясь в полусмущенной, полуиронической улыбке». Отношение Эйнштейна изменил неуравновешенный австрийский физик Пауль Эренфест.

Эренфест смог разобраться с данными Эйкена вообще без нулевой энергии, используя только исходную квантовую теорию Планка — ту, которая, как мы сейчас знаем, верна. Эйнштейн уважал Эренфеста и согласился, что если вам что-то не нужно, то с этим незачем и возиться. Они были также близкими друзьями. Здесь стоит остановиться на минуту и познакомиться с историей Эренфеста, возможно самой трагичной во всей физике. Он был учеником Больцмана в те последние годы, когда великий физик мучился неверием в свои силы. Самоубийство Больцмана произошло всего через два года после того, как Пауль защитил диссертацию. Эренфест начал создавать себе репутацию не только великого физика, но и величайшего преподавателя своего поколения. «Он читает лекции как мастер, — заявлял Арнольд Зоммерфельд, возможно самый влиятельный физик Германии. — Я почти никогда не слышал, чтобы кто-нибудь говорил с таким увлечением и блеском». Но при всем этом блеске Эренфеста терзали более серьезные демоны, чем те, что сломили его наставника. И Эйнштейн это знал. В августе 1932 года он писал в Лейденский университет, где работал Эренфест. Он беспокоился о своем друге. У Эренфеста были проблемы в браке, и он махнул рукой на физику. Эйнштейн видел, что друга одолевает тьма депрессии. Год спустя Эренфест умер.

25 сентября 1933 года он отправился в Институт для больных детей в Амстердаме, чтобы встретиться со своим пятнадцатилетним сыном Василием[142]. Василий страдал синдромом Дауна, и после прихода нацистов к власти его вывезли из Германии. Когда Эренфест встретился с ним в приемной, он достал пистолет и выстрелил ему в голову. Через несколько мгновений он убил и себя.

Именно Эренфест яростно оттолкнул Эйнштейна от идеи нулевой энергии. Вполне возможно, что Эренфест тем самым откинул его назад. Между началом 1920-х и войной что-то произошло, и Эйнштейн снова увлекся этой идеей. Мы не знаем, что случилось. Однако точно понимаем, что они с Эренфестом переписывались, и Эйнштейн предположил, что энергия нулевой точки может объяснить одно весьма любопытное свойство гелия. Если какой-нибудь химический элемент охлаждается, его молекулы теряют свою кинетическую энергию и жидкая фаза постепенно уступает место твердой. Но с гелием этого никогда не происходит — по крайней мере, при атмосферном давлении. Даже если вы охладите его до абсолютного нуля, он не станет твердым. И Эйнштейн был в чем-то прав: причина связана с нулевой энергией. Она наделяет гелий своего рода внутренним давлением, заставляя его расширяться со снижением плотности и предотвращая образование жестких структур.

В начале 1920-х специалисты по молекулярной химии (например, Роберт Малликен из Гарварда[143]) видели все больше доказательств существования нулевой энергии, но после дискредитации второй квантовой теории Планка неясен был ее источник. Ситуация изменилась в 1925 году, когда квантовая механика наконец вступила в эпоху зрелости. Расцвет квантовой механики — это история о двух поездках на природу. Я уже рассказывал, как Шрёдингер ускользнул в Альпы со своей любовницей и придумал уравнение, которое потрясло мир физики. Но шестью месяцами раньше Вернер Гейзенберг также уехал из города на остров Гельголанд в Северном море. В отличие от Шрёдингера, он бежал не от жены, а от цветов и лугов.

В истории Гейзенберга нет бульварной скандальности, но она не менее важна. Поздней весной 1925 года у него случился приступ сенной лихорадки; ученый уехал на остров, чтобы спастись от аллергии, и поселился в пансионе с видом на дюны. Его лицо настолько отекло, что хозяйка пансиона предположила, будто он подрался, и пообещала вылечить его. На острове почти ничто не отвлекало молодого физика от работы, разве что редкие прогулки и купание в море. Он мог спокойно размышлять об атоме водорода, пытаясь понять происхождение его спектральных линий — порций энергии, которые он может поглощать и излучать. Его одержимость этой проблемой вскоре привела к бессоннице, однако в жаркую летнюю ночь наконец произошел прорыв. «Было около трех часов ночи, когда передо мной лежал окончательный результат вычислений, — вспоминал Гейзенберг. — Поначалу я был глубоко потрясен. Я был так взволнован, что не мог думать о сне. Поэтому я вышел из дома и стал ждать восхода солнца на вершине скалы».

Гейзенберг понял, что электроны в атоме не имеют четких орбит, как первоначально предполагал Бор. Когда электроны находились далеко от ядра, это походило на правду. Ближе к ядру все оказывалось более размытым. Вы не могли достоверно сказать, находится ли электрон на той или иной орбите. Шрёдингер уловил эту размытость с помощью интуитивной картины волн, а вот Гейзенберг использовал