Удивительные числа Вселенной - Антонио Падилья

более абстрактный математический язык матриц. Но это всего лишь два разных описания одного и того же — волшебного мира квантовой механики, где все оказывается игрой случая.

Работа Гейзенберга оказалась настоящим шедевром. Как Ньютон изобрел математический анализ для описания механики макромира, который мы видим каждый день, так и Гейзенберг изобрел новую математику для описания микромира, который мы не можем видеть. Работать с ней было не так просто, как с теорией Шрёдингера, но она сумела передать абстрактную красоту квантового мира с меньшим количеством компонентов[144].

В том же 1933 году, когда Гейзенбергу вручили Нобелевскую премию, к власти в Германии пришли нацисты. Они нацелились на находившихся на государственной службе людей, которые были неарийцами или политически неблагонадежными. Многие ученые стали жертвами этой кампании или подали в отставку в знак протеста. Но Гейзенберг предпочел промолчать. Он думал, что Гитлер — это ненадолго, поэтому лучше просто не высовываться. Однако скоро мишенью стал и он. Нацисты считали, что в абстрактном математическом подходе к науке, который развивался в начале XX века, еврейское влияние слишком велико. Когда Гейзенберга выдвинули на должность профессора в Мюнхене, он оказался под прицелом Йоханнеса Штарка — лауреата Нобелевской премии по физике и ярого нациста. Старк поставил свою подпись под статьей, в которой Гейзенберг объявлялся «белым евреем» и «Осецким в физике» (Карл Осецкий — немецкий журналист и пацифист, оказавшийся в нацистском концентрационном лагере). Здесь вмешалась мать Гейзенберга, которая была знакома с матерью Генриха Гиммлера. Гиммлер объявил о компромиссе: ученого избавят от дальнейших личных нападок, но работу в Мюнхене отдадут другому кандидату.

Гейзенберг остался в Лейпциге. У него не было недостатка в предложениях поработать в других местах, в частности в США, но он чувствовал, что обязан оставаться в родной стране независимо от ее политики. Во время войны он играл ведущую роль в немецкой программе ядерных исследований. Некоторые считают, что Гейзенберг преднамеренно дискредитировал наиболее зловещие аспекты программы, хотя в этом вопросе полной ясности нет. Во время визита в Данию в 1941 году он огорчил Нильса Бора, затронув тему исследований ядерного оружия. Позже Гейзенберг утверждал, что Бор неправильно его понял[145]. Год спустя Гейзенберг встретился с Альбертом Шпеером, нацистским министром вооружений, и посоветовал больше не проводить никаких исследований в области ядерного оружия[146]. Однако он продолжал экспериментировать с ядерной энергией и, несомненно, стремился повысить научную репутацию Германии.

Когда я писал эту главу, я отдыхал с семьей в Германии, на ферме в Шварцвальде. Из-за изменения планов нам потребовалось переночевать еще один раз, и я забронировал номер в старинном замке на опушке леса с видом на живописный городок Хайгерлох. По совпадению этот отель сыграл определенную роль в истории квантовой физики. В пещерах под замком, вдали от бомб, падавших на Берлин, Гейзенберг и его коллеги построили ядерный реактор. Это была последняя отчаянная попытка выиграть гонку за атомную энергию, когда война уже подходила к концу. Пещера теперь стала музеем, в котором представлена полноразмерная модель реактора: кубы урана, подвешенные на цепях в чане с тяжелой водой (содержащей дейтерий вместо водорода). Нейтроны, замедленные атомами дейтерия, использовались для расщепления ядер урана; при делении ядер появлялись новые нейтроны, расщеплявшие новые ядра. Цель состояла в том, чтобы вызвать самоподдерживающуюся цепную реакцию, которая высвободит огромное количество атомной энергии. Гейзенберг и его группа были близки к успеху: если бы урана в активной зоне было всего на 50 процентов больше, реактор бы заработал. К тому времени, когда войска союзников обнаружили пещеру, Гейзенберг уехал из Хайгерлоха на велосипеде в баварскую деревушку к своей семье. Урановые слитки нашли закопанными в поле рядом с замком.

Вскоре союзники отыскали Гейзенберга в его баварском доме, хотя эта территория все еще находилась под контролем Германии, и вывезли в поместье Фарм-Холл в Англии вместе с другими немецкими учеными. Британская разведка тайно записывала разговоры, которые происходили в Фарм-Холле; эти записи обнародованы в 1992 году. Хотя реактор Гейзенберга был близок к рабочему состоянию, зафиксировано, как он говорил другим ученым, что никогда всерьез не размышлял над бомбой. «Я был абсолютно убежден, что можно создать урановый источник энергии, — сказал он, — но я никогда не думал, что мы сделаем бомбу, и в глубине души я был очень рад, что это не бомба, а источник энергии. Я должен признать это».

Именно Гейзенберг первым понял источник нулевой энергии, который возникает из его блестящей трактовки квантовой механики. Он показал, что квантовый осциллятор — небольшое квантовое колебание — никогда не может быть совсем без энергии. Физика фундаментальных частиц — на самом деле физика этих крошечных колебаний. Всякий раз, когда у вас есть настоящие частицы, эти колебания находятся в возбужденном состоянии. Когда вы в вакууме, колебания ослабевают настолько, насколько позволяет принцип неопределенности, и, как показал Гейзенберг, энергия не исчезает.

Но реальна ли физически эта энергия вакуума?

Геккон, бегающий по потолку, сказал бы «да». Предполагается, что его волшебная способность ходить по стенам зависит от изменений энергии вакуума и силы квантового вакуума. Оказывается, энергия вакуума зависит от формы его окружения. Мы знаем, что энергия нулевой точки исходит от ряби виртуальных частиц, которые то появляются, то исчезают. Однако важно, что эта рябь зависит от размера и формы края вакуума. Аналогичный эффект вы наблюдаете для волн на водоеме: они зависят от формы бассейна, озера или даже океана. Если вы измените край вакуума, вы трансформируете и эту виртуальную рябь, а это может изменить энергию нулевой точки. Это означает, что вакуум будет толкать и тянуть окружающие его стены, пытаясь изменить рябь и понизить уровень энергии. В результате возникает так называемая сила Казимира, названная в честь голландского физика Хендрика Казимира — ученика Эренфеста. Когда стенки вакуума далеко друг от друга, эта сила мала, но если они микроскопически близки, то ее можно измерить. (Именно это в 1997 году сделали Стив Ламоро и его группа в Лос-Аламосской национальной лаборатории.) Аналогичным образом изменения энергии нулевой точки могут привести к возникновению так называемых сил Ван-дер-Ваальса между атомами и молекулами. Это возвращает нас к геккону. Некоторые биологи считают, что гекконы для прилипания к потолку используют вандерваальсовы силы — благодаря нулевой энергии, изменяющейся в вакууме между микроскопическими выступами на подошвах их ног.

Такие поддающиеся измерению эффекты дают нам уверенность в том, что теория нулевых энергий верна, но истина состоит в том, что измеряются только локальные изменения — флуктуации нулевой энергии, которые происходят всякий раз, когда мы окружаем кусочек пустого пространства стенкой из атомов и молекул на ноге геккона. Эксперименты, подобные опытам Ламоро в Лос-Аламосе, очень мало говорят нам