Таким образом, даже при простых столкновениях частиц интерференция их квантовых волн приводит к весьма своеобразному поведению, которое никогда не наблюдается в нашем крупномасштабном повседневном мире.
Опыт с электронами, отскакивающими от кристалла, может показаться чересчур заумным. Действительно, какое отношение квантовые волны могут иметь к нашему реальному миру? Оказывается, самое непосредственное – они ответственны за само существование атомов, из которых мы все состоим.
Как мы уже говорили в главе 25, в соответствии с законами электромагнетизма – наивысшего достижения физики XIX века – электрон, вращающийся вокруг атома, должен постоянно излучать электромагнитные волны, как крошечный радиопередатчик. В результате энергии у электрона должно становиться все меньше, и он должен, закручиваясь по спирали, все ближе подходить к центральному ядру. По идее, такой электрон должен «вонзиться» в ядро не позднее, чем через стомиллионную долю секунды. Другими словами, атомы просто не могут существовать.
На помощь атомам приходит квантовая теория. В соответствии с ней, электрон является не только частицей, но и волной, и попросту не может быть сжат до размеров атомного ядра. Кроме того, научный подход предполагает, что можно посмотреть на ситуацию и с другой стороны. Электрон в атоме может вращаться по-разному вокруг ядра. Например, по круглой или даже квадратной траектории. Он также может улететь к ближайшей звезде, обогнуть ее и вернуться назад к ядру. Существует бесконечное число разных возможностей, и с каждой из них связана определенная квантовая волна. В некотором смысле можно сказать, что электрон «размазан» в пространстве, путешествуя по всем траекториям одновременно – он может находиться во многих местах в один и тот же момент.
Но здесь возникает удивительный эффект: если сложить вместе всю бесконечную совокупность квантовых волн, они компенсируют друг друга вблизи атомного ядра. Другими словами, нет никакой вероятности того, что электрон приблизится к ядру и разрушит атом до основания.
Тот факт, что атомы продолжают существовать – и мы все тоже – объясняется тем, что электроны могут находиться во многих местах одновременно, участвуя одновременно во многих процессах. Если бы не было квантового мира со всеми его странностями, наш повседневный мир не мог бы существовать в принципе.
30. Коварная жидкостьНикогда не замерзающая, текущая вверх
Возможно, уже первые уроки по химии в средней школе навели вас на мысль о том, что изучение периодической таблицы элементов представляет собой колоссальную потерю времени. В некотором смысле это так и есть. Девять из каждых десяти атомов во Вселенной – это водород, первый элемент в таблице, из которого в основном и состоят все звезды. 10 % всех остальных атомов – это гелий.
Одно из самых необычных веществ, известных человеку – это, несомненно, гелий. В атмосфере с повышенным содержанием гелия человеческий голос становится высоким и превращается в писк. Гелием наполняют детские воздушные шары. Жидкий гелий никогда не замерзает. Это единственная жидкость, которая может течь в гору.
Гелий – второй по распространенности элемент после водорода: на него приходится один из каждых десяти атомов во Вселенной. Тем более удивительно то, что еще полтора века тому назад земляне ничего о нем не знали.
Дело в том, что гелий – химически инертный элемент. Он очень легкий и не вступает в реакции с другими элементами; будучи выпущен в атмосферу, этот газ сразу же рассеивается в пространстве. Именно в космосе он и был вначале обнаружен.
Гелий – единственный элемент, найденный на Солнце до того, как он был открыт на Земле. Ключевую роль в открытии гелия сыграл Норман Локьер. Этот разносторонний человек, среди прочего, написал первую книгу о правилах игры в гольф для Сент-Андруса, основал музей науки в Лондоне, начал выпускать в свет международный научный журнал Nature и был его редактором первые пятьдесят лет существования журнала. 20 октября 1868 года Локьер направил свой 6-дюймовый телескоп на солнце, находясь в своем саду в Уимблдоне, южном пригороде Лондона. Его целью было исследование солнечного света с помощью спектроскопа. В спектре протуберанца – петлеобразном выбросе солнечного вещества с поверхности Солнца – он заметил любопытную желтую линию.
Когда солнечный свет был разделен на составляющие его цвета, или длины волн, была замечена любопытная спектральная линия. Позже выяснилось, что за образование этой линии отвечает элемент гелий.
Позднее в этом же году ту же спектральную линию наблюдал французский астроном Пьер Жюль Сезар Жансен во время полного солнечного затмения в Индии. И Локьер, и Жансен пытались в своих лабораториях определить источник этой линии, нагревая различные вещества, чтобы воспроизвести ее в спектре, но не добились успеха. В 1870 году Локьер сделал смелое предположение, что любопытная линия обязана своим происхождением неизвестному элементу, который он назвал гелием. Ученого долго высмеивали за предположение о существовании гелия, и ему пришлось ждать много лет, прежде чем его критики были посрамлены.
Правоту Локьера доказал шотландский химик Уильям Рамзи, который занимался исследованием благородных, или инертных, газов. Он впервые выделил гелий на Земле. В марте 1895 года, исследуя спектр газов, выделяемых урановым минералом клевеитом, Рамзи заметил загадочную желтую линию. У Рамзи не было хорошего спектроскопа, и поэтому он отправил образцы полученного газа Локьеру и Уильяму Круксу. Последний был известен тем, что экспериментировал с электронно-лучевыми трубками, а также пытался описать механизм действия телепатии с помощью еще не открытых электрических лучей. Круксу не понадобилось и недели, чтобы определить тождественность газа, выделенного Рамзи, с тем газом, который наблюдал Локьер в спектре Солнца. Локьер был вне себя от радости, увидев через спектроскоп «восхитительное желтое сияние», которое впервые предстало перед его глазами при наблюдении Солнца четверть века назад.
Сегодня гелий используется в сварочном оборудовании, газоохлаждаемых ядерных реакторах и лазерах. Аквалангисты при глубоководных водолазных работах вдыхают смесь гелия с кислородом, чтобы избежать глубинного опьянения. Но наибольшее применение гелий получил в качестве превосходного хладагента. Гелий кипит при температуре –268,9 °C, что всего лишь на 4,2 градуса выше абсолютного нуля. Это абсолютный рекорд среди других химических элементов, и поэтому жидкий гелий используется везде, где требуется глубокое охлаждение – от детекторов излучения, используемых в астрономии, до сверхпроводящих магнитов[96].
Фактически, гелий в жидком состоянии может претендовать на звание одного из самых странных веществ, известных науке. Если его охладить до температуры ниже 2,18 К, он становится сверхтекучим и обретает способность течь без трения – даже взбираться вверх по стенкам.
Ключом к пониманию такой сверхтекучей, или квантовой жидкости, является то, что все атомы действуют в корреляции друг с другом. В каком-то смысле они сливаются в единый суператом. Когда нормальная жидкость течет по некоторой поверхности, отдельные атомы жидкости сталкиваются с атомами этой поверхности и теряют энергию. В результате такого трения, или вязкости, течение жидкости замедляется. Однако отдельные атомы сверхтекучей жидкости не отвлекаются на поверхностные атомы и не теряют энергию, так как они в определенном смысле связаны со всеми остальными атомами сверхтекучей жидкости. Таким образом, сверхтекучая жидкость течет без трения и имеет нулевую вязкость.
Трение о поверхность в этом случае настолько мало, что малейшего возмущения – изменения температуры или давления – достаточно для того, чтобы привести сверхтекучую жидкость в движение. Это означает, что даже из-за крохотного воздействия легкая жидкость может преодолеть силу тяжести и начать течь по стенке вверх.
Гелий – это единственное вещество, которое никогда не затвердевает. Обычно жидкость замерзает, когда ее атомы двигаются так медлительно, что образуют жесткую решетку. Благодаря квантовой неопределенности атомы гелия – даже при абсолютном нуле – слишком беспокойны и не могут оставаться в твердой решетке, по крайней мере при нормальном атмосферном давлении. Физики шутят, что сначала замерзнет ад, а потом жидкий гелий[97].
31. Не разбивай мое сердцеВремя потечет вспять?
Вспять время потечет, и век златой вернется.
Может ли время бежать в обратном направлении? Чтобы ответить на этот вопрос, надо сначала понять, почему время течет в привычном для нас направлении – вперед. И здесь ответ не вполне очевиден. Дело в том, что фундаментальные физические законы, управляющие нашей Вселенной, не имеют предпочтительного направления во времени. Взять, к примеру, процессы излучения или поглощения фотона атомом. Если снять фильм про излучающий или поглощающий атом и воспроизвести его в обратном направлении, то зритель не сможет сказать наверняка, видит ли он сам фильм или его обратное воспроизведение: и в том, и в другом случае события будут казаться одинаково осмысленными.
Сравните это с нашим повседневным опытом. Допустим, вы видите фотографию неповрежденного замка и фотографию того же замка в руинах. Или целого яйца и разбитого яйца. Или две фотографии одного и того же человека: в детском возрасте и во взрослом состоянии. В любом из этих случаев можно безошибочно определить, какое фото сделано раньше, а какое позже – время не проведешь. Все замки в конце концов разрушаются, яйца разбиваются, а люди стареют.
Так почему же поведение отдельного атома обратимо во времени, а поведение набора атомов – составляющих замок, яйцо или человека – не обратимо во времени? Чтобы ответить на этот вопрос, надо обратиться к понятиям порядка и беспорядка. Все описанные сценарии имеют одно общее: они описывают переход от порядка к беспорядку. В разрушенном замке беспорядка гораздо больше, чем в неповрежденном замке. По сути, направление –