Вот что удивительно
Начало
Если я возьму какой-нибудь шарик и кину, или в теннис играю. Вот он отлетел от ракетки, и понятно, где он находится и с какой скоростью он движется. Если сделать так, чтобы он был подсвечен, и снимать в темноте, то видна его траектория. Траектория, конечно, - линия воображаемая до некоторой степени, так она у нас в голове существует. Но в общем понятно, что у него в каждый момент было какое-то положение и какая-то скорость.
Для квантового мира такое невозможно. Его свойства таковы, что невозможно иметь точно определенные положения и скорость. Квантовый мир существует в абсолютно жутких условиях. Абсолютно нечеловеческие, оцените сами. К электрону просто не прикрепляются одновременно свойства, которые мы прикрепляем ко всему, что нас окружает. Мы привыкли, что это основное свойство вещей.
Электрон - это такая штука, у которой части свойств просто нет. Отсюда, собственно, всё и происходит. Из-за этого у них нет траектории, когда в каждый момент времени известно и положение, и скорость. Там нет, неизвестно, и всё. Вы спросите: у него есть какое-то положение? У него же есть какая-то скорость? Вот не надо так думать. Вот нету.
В чем часто люди со стороны упрекают ученых, занимающихся фундаментальной наукой. Они говорят: «Ну, вы ничего не объясняете. Вы не говорите, что такое масса, что такое пространство, что такое время, что такое электрон, что такое элементарная частица. Вы не объясняете». Это упрек столь же справедливый, сколь бессмысленный, потому что фундаментальные вещи - это те, которые нельзя объяснить через более фундаментальные. Если бы мы могли объяснить через более фундаментальные, мы сказали бы, ну, смотрите это вот эти две других фундаментальные, или пять, взаимодействуют или сложены вот таким вот образом, то тогда эта штука перестала бы быть фундаментальной. Это произошло с атомом. Атом казался неделимой штукой, а потом оказалось, что он вовсе не неделимый, и можно говорить, как он устроен, что там внутри, какие законы, по каким законам протоны и электроны, ядра и электроны собираются вместе и существуют тем самым одним единственным навсегда определенным образом. И в этом смысле атом не элементарен.
То, когда мы не можем ничего сказать, просто отодвинулось глубже. То же самое, кстати говоря, не обязательно лезть в квантовую механику, то же самое с пространством и временем. Если бы мы знали, что такое время, на основе чего-то другого, мы бы сказали, что это проявление чего-то такого. Мы не знаем, что это такое. То же самое с пространством. Мы вынуждены оперировать с понятиями, которым мы не даем определение. Удивительно при этом, что наука дает результаты, которые отлично согласуются с экспериментом - вот это удивительно.
Электрон, действительно, самый неделимый. Мы думаем, что он прямо ни из чего не состоит. Это вопрос экспериментальный. Когда вы сильно разгоняете два электрона и их сталкиваете, они демонстрируют какую-то внутреннюю структуру или нет? Все, что мы узнали о микромире, мы узнали из свойств движения.
То, что атом состоит из чего-то, что у него внутри что-то есть, что это не какая-то единая сущность, мы узнали из знаменитого опыта Резерфорда. Обстреливали атом относительно тяжелыми заряженными частицами. Они пролетали через тонкую-тонкую золотую фольгу таким образом, что чаще всего с ними как будто ничего не происходило, как будто там пустота. А иногда находили там что-то, от чего как бы соударялись и улетали почти назад в сторону своего источника. Это значит, что там почти нигде ничего нету, кроме каких-то очень малых областей, где сосредоточен положительный заряд.
Таким образом постепенно стало понятно, что у атома есть ядро, то самое положительное ядро. Вокруг него то, что мы сейчас, мы и мои друзья - химики, называем электронным облаком. Это способ устраиваться электронам и вероятностно себя проявлять. Мы строили ускорители после Второй мировой войны, чтобы разгонять быстрее и тыкать глубже внутрь. И выяснили, что ядро делимо. Оно состоит из протонов и нейтронов. А дальше случилось интересное.
Про протоны и нейтроны некоторое время думалось, что это тоже неделимые частицы, а потом выяснилось, что нет. Когда их разгоняют еще быстрее, они соударяются так, что видно, что там внутри какие-то образования. И вот эти образования, которые сидят внутри протонов и нейтронов, - они наши последние неделимые частицы. Они часть стандартной модели элементарных частиц. Они называются кварки, их там некоторое количество, которое можно отдельно обсуждать. Вы скажете, вот какая матрешка. Сначала атом делим, а в нем ядро, а игла в яйце, яйцо в утке, утка в зайце, как там? И здесь природа оказалась хитрее даже, чем наше сказочное мышление.
Вот протон. Выяснилось, что он из чего-то состоит, не элементарный. В нем примерно три кварка. Они там как-то внутри живут. А теперь внимание: их нельзя оттуда вынуть. Точка. То есть у вас есть что-то, что из чего-то состоит, но вынуть их оттуда, разделить протон на три кварка нельзя. Узнали, что из них состоит, из-за того, что когда их сталкиваем, то видно, что они сталкиваются так, очень грубо говоря, что удар пришелся вот на эту или эту часть. Для этого строятся большие ускорители и колоссальные детекторы, которые меряют все, что разлетается от этих соударений.
Некоторые вещи нам трудно описывать, но некоторые вещи мы очень классно описываем, исходя из предположения о том, что внутри протона три кварка, и что у них есть некоторые свойства, тоже измеряемые числами, разумеется. Вот такие свойства. И некоторые вещи ложатся на это описание прям супер-пупер. Некоторые не ложатся не потому, что мы ошибаемся, а не знаем, как довести наше представление до чисел. Мы не можем посчитать из-за очень большой сложности.
Здесь матрешка заканчивается тем, что самые элементарные внутри протона не существуют по отдельности, а существуют только внутри протонов, нейтронов или целого ряда других элементарных частиц, но не по отдельности. Это некоторое чудо, то есть такая игла, или три иглы, которые нельзя вынуть. Это изящный конец истории про матрешки.
Там буйство квантовой механики в варианте, который называется квантовая теория поля. Они квантово-механические до мозга костей и никакими другими никогда не были. Они сильно не похожи на электроны, и у них свои квантово-механические дела. Там все серьезно, и это совсем не маленькие шарики, не маленькие точечки, не маленькие иголочки, а какие-то взаимодействующие сущности, которые могут обмениваться энергией с миром и, что удивительно, приводить к наблюдаемым элементарным следствиям. И мы их наблюдаем, проверяем. Да, вот, вот оно работает. Это непостижимая история.
Это немножко контр интуитивно, потому что мы привыкли, что, если ударить очень сильно, то всё разлетится, если что-то очень крепко сделано. Мы привыкли, что всё можно разобрать на атомы, и сами атомы можно разобрать на электроны и ядра. Так вот, мы берем такой лом, такой ускоритель и фигачим по нему с такой силой, что должны бы, вроде, разлететься на составные части. Нет, они не так себя ведут. Не-не-не-не-не. Они вот как себя ведут.
Как только в деле появляется значительная энергия, которая вроде бы должна порвать связь между ними, эта энергия идет на создание новых кварков и анти кварков, на создание новых элементарных частиц. Энергия и материя - это одно и тоже, энергия и вещество. Масса и энергия одно и то же, E = mc2. Мы сразу договорились, что с интуицией здесь не очень, это такой странный формальный мир, в котором приходится примиряться с тем, что он такой формальный, а потом говорить, что, конечно, лучше бы если было какое-то человеческое описание, но его нет. Все, что у нас есть, оно отвечает всем нашим наблюдениям. Ничего лучшего никто не предложил.
Удивительно, что мы можем прям измерить. Чем занимается большой адронный коллайдер? Он кинетическую энергию движения протона по формуле E = mc2 превращает в массы значительного числа возникающих частиц. Они возникают, они не содержались в двух сталкивающихся протонах, они прямо рождаются из этой энергии. Это способ этой энергии дальше существовать. Энергия движения превратилась в массу фактически каких-то элементарных частиц.
Так вот, когда вы очень сильно ударяете протоном по протону, думая, что выскочит кварк, ничего подобного. Если вы ударяете слабо, ничего не происходит, а когда вы ударяете очень сильно, так, что он выскочит, вместо того, чтобы его выкинуть наружу, из этой энергии рождаются новые кварки, новые антикварки, и в результате протон остается на месте, потому что вы из него кого-то вынули, но тот, кто начал улетать, тут же приобрел себе другой антикварк и превратился в к-мезон или пи-мезон, частицу, которая может существовать, которая летает. А в протоне вместо вырванного кварка, грубо говоря, родился еще один из той же энергии. Протон остался протоном, вы не можете разобрать его на части. У вас нет способа развести три кварка.
Иногда об этом так говорят: представьте себе частицу из двух кварков, которые связаны энергетической струной. Когда вы начинаете их растягивать, энергия этой струны растет. Она лопается в какой-то момент, и на ее концах появляется кварк и антикварк. В результате из одной частицы вы получаете две такие же. Вы порвали струну, но на каждом конце возникло по частице. Вы не можете оторвать конец струны. Как только вы начинаете мыслить в терминах струн, вы понимаете, что, даже если вы ее разрежете, у вас все равно получится штука с двумя концами. С протонами чуть сложнее. Там такая эмблема мерседеса. Там струна условно другой конфигурации. Это наш способ об этом думать. Но механизм работает примерно так: когда вы режете что-то протяженное, у вас все равно остается два конца.
Если я возьму какой-нибудь шарик и кину, или в теннис играю. Вот он отлетел от ракетки, и понятно, где он находится и с какой скоростью он движется. Если сделать так, чтобы он был подсвечен, и снимать в темноте, то видна его траектория. Траектория, конечно, - линия воображаемая до некоторой степени, так она у нас в голове существует. Но в общем понятно, что у него в каждый момент было какое-то положение и какая-то скорость.
Для квантового мира такое невозможно. Его свойства таковы, что невозможно иметь точно определенные положения и скорость. Квантовый мир существует в абсолютно жутких условиях. Абсолютно нечеловеческие, оцените сами. К электрону просто не прикрепляются одновременно свойства, которые мы прикрепляем ко всему, что нас окружает. Мы привыкли, что это основное свойство вещей.
Электрон - это такая штука, у которой части свойств просто нет. Отсюда, собственно, всё и происходит. Из-за этого у них нет траектории, когда в каждый момент времени известно и положение, и скорость. Там нет, неизвестно, и всё. Вы спросите: у него есть какое-то положение? У него же есть какая-то скорость? Вот не надо так думать. Вот нету.
В чем часто люди со стороны упрекают ученых, занимающихся фундаментальной наукой. Они говорят: «Ну, вы ничего не объясняете. Вы не говорите, что такое масса, что такое пространство, что такое время, что такое электрон, что такое элементарная частица. Вы не объясняете». Это упрек столь же справедливый, сколь бессмысленный, потому что фундаментальные вещи - это те, которые нельзя объяснить через более фундаментальные. Если бы мы могли объяснить через более фундаментальные, мы сказали бы, ну, смотрите это вот эти две других фундаментальные, или пять, взаимодействуют или сложены вот таким вот образом, то тогда эта штука перестала бы быть фундаментальной. Это произошло с атомом. Атом казался неделимой штукой, а потом оказалось, что он вовсе не неделимый, и можно говорить, как он устроен, что там внутри, какие законы, по каким законам протоны и электроны, ядра и электроны собираются вместе и существуют тем самым одним единственным навсегда определенным образом. И в этом смысле атом не элементарен.
То, когда мы не можем ничего сказать, просто отодвинулось глубже. То же самое, кстати говоря, не обязательно лезть в квантовую механику, то же самое с пространством и временем. Если бы мы знали, что такое время, на основе чего-то другого, мы бы сказали, что это проявление чего-то такого. Мы не знаем, что это такое. То же самое с пространством. Мы вынуждены оперировать с понятиями, которым мы не даем определение. Удивительно при этом, что наука дает результаты, которые отлично согласуются с экспериментом - вот это удивительно.
Электрон, действительно, самый неделимый. Мы думаем, что он прямо ни из чего не состоит. Это вопрос экспериментальный. Когда вы сильно разгоняете два электрона и их сталкиваете, они демонстрируют какую-то внутреннюю структуру или нет? Все, что мы узнали о микромире, мы узнали из свойств движения.
То, что атом состоит из чего-то, что у него внутри что-то есть, что это не какая-то единая сущность, мы узнали из знаменитого опыта Резерфорда. Обстреливали атом относительно тяжелыми заряженными частицами. Они пролетали через тонкую-тонкую золотую фольгу таким образом, что чаще всего с ними как будто ничего не происходило, как будто там пустота. А иногда находили там что-то, от чего как бы соударялись и улетали почти назад в сторону своего источника. Это значит, что там почти нигде ничего нету, кроме каких-то очень малых областей, где сосредоточен положительный заряд.
Таким образом постепенно стало понятно, что у атома есть ядро, то самое положительное ядро. Вокруг него то, что мы сейчас, мы и мои друзья - химики, называем электронным облаком. Это способ устраиваться электронам и вероятностно себя проявлять. Мы строили ускорители после Второй мировой войны, чтобы разгонять быстрее и тыкать глубже внутрь. И выяснили, что ядро делимо. Оно состоит из протонов и нейтронов. А дальше случилось интересное.
Про протоны и нейтроны некоторое время думалось, что это тоже неделимые частицы, а потом выяснилось, что нет. Когда их разгоняют еще быстрее, они соударяются так, что видно, что там внутри какие-то образования. И вот эти образования, которые сидят внутри протонов и нейтронов, - они наши последние неделимые частицы. Они часть стандартной модели элементарных частиц. Они называются кварки, их там некоторое количество, которое можно отдельно обсуждать. Вы скажете, вот какая матрешка. Сначала атом делим, а в нем ядро, а игла в яйце, яйцо в утке, утка в зайце, как там? И здесь природа оказалась хитрее даже, чем наше сказочное мышление.
Вот протон. Выяснилось, что он из чего-то состоит, не элементарный. В нем примерно три кварка. Они там как-то внутри живут. А теперь внимание: их нельзя оттуда вынуть. Точка. То есть у вас есть что-то, что из чего-то состоит, но вынуть их оттуда, разделить протон на три кварка нельзя. Узнали, что из них состоит, из-за того, что когда их сталкиваем, то видно, что они сталкиваются так, очень грубо говоря, что удар пришелся вот на эту или эту часть. Для этого строятся большие ускорители и колоссальные детекторы, которые меряют все, что разлетается от этих соударений.
Некоторые вещи нам трудно описывать, но некоторые вещи мы очень классно описываем, исходя из предположения о том, что внутри протона три кварка, и что у них есть некоторые свойства, тоже измеряемые числами, разумеется. Вот такие свойства. И некоторые вещи ложатся на это описание прям супер-пупер. Некоторые не ложатся не потому, что мы ошибаемся, а не знаем, как довести наше представление до чисел. Мы не можем посчитать из-за очень большой сложности.
Здесь матрешка заканчивается тем, что самые элементарные внутри протона не существуют по отдельности, а существуют только внутри протонов, нейтронов или целого ряда других элементарных частиц, но не по отдельности. Это некоторое чудо, то есть такая игла, или три иглы, которые нельзя вынуть. Это изящный конец истории про матрешки.
Там буйство квантовой механики в варианте, который называется квантовая теория поля. Они квантово-механические до мозга костей и никакими другими никогда не были. Они сильно не похожи на электроны, и у них свои квантово-механические дела. Там все серьезно, и это совсем не маленькие шарики, не маленькие точечки, не маленькие иголочки, а какие-то взаимодействующие сущности, которые могут обмениваться энергией с миром и, что удивительно, приводить к наблюдаемым элементарным следствиям. И мы их наблюдаем, проверяем. Да, вот, вот оно работает. Это непостижимая история.
Это немножко контр интуитивно, потому что мы привыкли, что, если ударить очень сильно, то всё разлетится, если что-то очень крепко сделано. Мы привыкли, что всё можно разобрать на атомы, и сами атомы можно разобрать на электроны и ядра. Так вот, мы берем такой лом, такой ускоритель и фигачим по нему с такой силой, что должны бы, вроде, разлететься на составные части. Нет, они не так себя ведут. Не-не-не-не-не. Они вот как себя ведут.
Как только в деле появляется значительная энергия, которая вроде бы должна порвать связь между ними, эта энергия идет на создание новых кварков и анти кварков, на создание новых элементарных частиц. Энергия и материя - это одно и тоже, энергия и вещество. Масса и энергия одно и то же, E = mc2. Мы сразу договорились, что с интуицией здесь не очень, это такой странный формальный мир, в котором приходится примиряться с тем, что он такой формальный, а потом говорить, что, конечно, лучше бы если было какое-то человеческое описание, но его нет. Все, что у нас есть, оно отвечает всем нашим наблюдениям. Ничего лучшего никто не предложил.
Удивительно, что мы можем прям измерить. Чем занимается большой адронный коллайдер? Он кинетическую энергию движения протона по формуле E = mc2 превращает в массы значительного числа возникающих частиц. Они возникают, они не содержались в двух сталкивающихся протонах, они прямо рождаются из этой энергии. Это способ этой энергии дальше существовать. Энергия движения превратилась в массу фактически каких-то элементарных частиц.
Так вот, когда вы очень сильно ударяете протоном по протону, думая, что выскочит кварк, ничего подобного. Если вы ударяете слабо, ничего не происходит, а когда вы ударяете очень сильно, так, что он выскочит, вместо того, чтобы его выкинуть наружу, из этой энергии рождаются новые кварки, новые антикварки, и в результате протон остается на месте, потому что вы из него кого-то вынули, но тот, кто начал улетать, тут же приобрел себе другой антикварк и превратился в к-мезон или пи-мезон, частицу, которая может существовать, которая летает. А в протоне вместо вырванного кварка, грубо говоря, родился еще один из той же энергии. Протон остался протоном, вы не можете разобрать его на части. У вас нет способа развести три кварка.
Иногда об этом так говорят: представьте себе частицу из двух кварков, которые связаны энергетической струной. Когда вы начинаете их растягивать, энергия этой струны растет. Она лопается в какой-то момент, и на ее концах появляется кварк и антикварк. В результате из одной частицы вы получаете две такие же. Вы порвали струну, но на каждом конце возникло по частице. Вы не можете оторвать конец струны. Как только вы начинаете мыслить в терминах струн, вы понимаете, что, даже если вы ее разрежете, у вас все равно получится штука с двумя концами. С протонами чуть сложнее. Там такая эмблема мерседеса. Там струна условно другой конфигурации. Это наш способ об этом думать. Но механизм работает примерно так: когда вы режете что-то протяженное, у вас все равно остается два конца.