Шахматы – это древняя игра. Предполагают, что она пришла к нам из Индии, где в игру, похожую на современные шахматы, играли ещё полторы тысячи лет назад. В Европу шахматы попали через Персию (нынешний Иран), и слово шахматы происходит от персидского слова «король» – шах. Многие считают, что шахматы – величайшая игра всех времён и народов. В шахматы играют люди во всём мире.
Все когда-то видели шахматы: они состоят из доски с 64 клетками – чаще всего чёрно-белыми, а также 16 белых и 16 чёрных фигур. Фигуры бывают шести видов, и они по-разному передвигаются по доске. Научиться основам игры в шахматы не так трудно, но достичь совершенства практически невозможно, поскольку возможных комбинаций ходов существует великое множество. Количество возможных положений в шахматах представляет собой число, состоящее из порядка сорока шести цифр!
Многим нравится не только играть в шахматы. Можно решать шахматные задачки, составленные другими – или изучать положения, возникшие в ходе настоящих шахматных партий. Большая часть шахматных задач заключается в том, чтобы найти ход (или ходы), в результате которого (которых) чёрным ставится шах и мат. Шах и мат означает, что короля невозможно спасти, его неминуемо «съедает» какая-нибудь (в данном случае белая) фигура. Тем самым белые побеждают. Шахматная задача, которую задали Марианне и Маркусу, выглядит так:
Положение фигур в задаче, которую Марианне с Маркусом задала учительница в школе. Слева – в форме диаграммы, так обычно представлены задачи в шахматной литературе. Справа – фотография настоящей шахматной доски с фигурами в том же положении. Белые должны поставить чёрным мат в два хода.
Для того, кто только начинает играть в шахматы, схема слева может показаться сложной, но именно так обозначают различные положения в шахматах в книгах и журналах. На фотографии справа показано то же положение, как оно выглядит на настоящей доске. Чтобы объяснить все правила игры в шахматы, понадобится целая толстенная книга, поэтому тех, кто никогда не играл в шахматы, я попрошу взглянуть на королей, стоящих на клетках d3 и d6. Ладьи легко узнаются, а вот фигуры на клетках g3, g8, d8 и e8 называются слонами. Кони легко узнаются по головам. Марианна говорила о белом коне на клетке f4. Все мелкие фигуры (шесть белых и одна чёрная) называются пешками. Ферзя (то есть королевы) тут нет, но обычно он похож на короля, и начинающие шахматисты их часто путают.
Если ты немного разбираешься в шахматах, тебе будет интересно попробовать решить задачку самостоятельно! Ответ ты найдёшь дальше, в пятом пункте.
Всё вокруг нас состоит из электронов, протонов и нейтронов, составляющих атомы и молекулы. (См. подробнее в пункте 1 книги «Космическое путешествие»). Эти частицы действительно очень малы. Диаметр протонов и нейтронов – не более миллионной миллионной части (0, 000 000 000 001) миллиметра, а чтобы получить всего один грамм, нужно около 600 000 000 000 000 000 000 000 таких частиц. Более простой способ записать такое большое число – это 6 × 10 в 23 степени, тогда у числа будет двадцать три нуля. Электрон ещё меньше. Он весит почти в две тысячи раз меньше протона (в 1 836 раз меньше, если быть точным). Учёные полагают, что у него вообще нет поверхности, он представляет собой точку. Исследователи доказали, что диаметр электрона по меньшей мере в тысячу раз меньше диаметра протона.
Считается, что электрон имеет форму точки, поскольку он – так называемая элементарная частица, то есть не делится на части. А вот протон и нейтрон состоят из более мелких частиц – элементарных частиц под названием кварки. Существует шесть различных видов кварков, но только два из них составляют протоны и нейтроны: верхние кварки и нижние кварки (у остальных четырёх видов кварков тоже смешные названия: очарованные, странные, истинные и красивые). Протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварка, а нейтрон – из одного верхнего и двух нижних. Верхний кварк – самый лёгкий, поэтому протон немного легче нейтрона.
Для каждой элементарной частицы существует так называемая античастица. Есть, например, верхние антикварки и нижние антикварки, которые могут объединяться в антипротоны и антинейтроны. Античастица электрона называется позитрон. Частица и её античастица идентичны практически во всех отношениях, только заряд у них разный. В естественной среде на Земле античастицы практически не встречаются, а вот в космосе их довольно много. Античастицы можно также создать искусственно в лабораториях. Когда частица встречается с одной из своих античастиц, обе уничтожаются, и в результате вырабатывается энергия. Этим свойством и воспользовался дядя Альберт при создании своего двигателя. (Подробнее об античастицах читайте в пункте 2 книги «Космическое путешествие»).
Очень-очень маленькие вещи, такие как электроны, протоны и атомы, ведут себя не так, как привычные нам большие предметы. Их движение часто похоже на движение волн (только не обычных волн, которые мы видим на воде, а особых волн). В зависимости от того, как их изучать и какие эксперименты проводить, они могут вести себя как частицы или как волны. Например, если запустить электрон и попытаться рассчитать, где он окажется, следует исходить из того, что он движется как волна. Но когда электрон уже на месте, он всегда оказывается частицей.
Пример того, как свет, с одной стороны, ведёт себя подобно волне, а с другой – подобно частице. В верхней части картинки мы видим, как солнечный луч проникает в узкую щель и потом распространяется. Объясняем мы это тем, что свет ведёт себя как волна. В нижней части рисунка показано, как свет вышибает электрон, вращающийся вокруг атома. Для объяснения этого явления мы должны исходить из того, что свет – это частица (которую мы называем фотон).
Это очень необычно и не похоже на привычное нам «поведение» вещей. Учёным тоже нелегко было осознать, что нечто может быть волной и частицей одновременно, однако все эксперименты доказывают, что это так. То же самое касается света, частицы которого называются фотонами. (См. также пункт 4 в книге «Космическое путешествие»). А ещё опыты показали, что и крупные молекулы, состоящие из нескольких сотен атомов, ведут себя подобным образом. Но чем крупнее предмет, тем меньше он похож на волну. И предметы, которые мы можем увидеть и потрогать, уже не могут выступать в качестве волн.
В начале ХХ века физики попытались выяснить, каким образом материал излучает тепло и как свет может выбивать электроны из металлов. Это очень сложные вопросы. Единственный способ, которым можно было это выяснить, – предположить, что любое излучение (тепло, свет и так далее) существует в виде мелких порций – так называемых квантов. Так в физике началась новая захватывающая эра, объясняющая, как устроены атомы, как атомы принимают и отдают свет, и многое другое. Учёные обнаружили, что квантованным может быть не только свет или излучение. Например, в атомах электроны вращаются по строго заданным орбитам. Многое в нашем мире может принимать любые значения, а если бы эти же предметы были микроскопически малы, возможно, они имели бы лишь строго определённые параметры. Описывающая всё это наука называется квантовой механикой, или квантовой физикой. Многие учёные считают, что это самая удивительная из наук, потому что она приводит нас к самым невероятным выводам (смотри, например, пункты 14, 15 и 20 ниже). Но все проведённые до сих пор эксперименты в точности соответствуют расчётам, основанным на этой теории. Квантовый мир – это всего лишь выражение, придуманное дядей Альбертом для описания микроскопических частиц, действующих по законам квантовой механики.
А вот и решение шахматной задачи, представленной в пункте 1: пешка, стоящая на клетке b7, берёт чёрную ладью на c8 и превращается в коня. (На языке шахмат это записывают так: 1.b7 x c8К+, где x означает, что фигуру выбивают с поля, К – что пешка превращается в коня, а + означает шах). Обычно пешки ходят только прямо, а когда берут фигуру противника – вперёд по диагонали. Пешка на может взять – или, как ещё говорят, съесть – фигуру, стоящую прямо перед ней. Когда пешка достигает последнего ряда (ряд 8 для белых и ряд 1 для чёрных), она может быть превращена в другую фигуру (но только не в короля!). Чаще всего пешку превращают в ферзя, поскольку это самая сильная фигура, но в некоторых ситуациях умнее будет выбрать коня. Ферзь может ходить и как ладья, и как слон, поэтому их выбирать нет смысла, а вот конь ходит особенным образом. За каждый свой ход конь продвигается на две клетки вперёд и на одну клетку в сторону. А ещё конь – единственная фигура, которая может перепрыгивать другие фигуры. Поэтому, если у белых появляется конь на клетке c8, они могут поставить шах чёрному королю на d6.
Поставить шах – это значит создать угрозу королю соперника, то есть занять такое положение, что следующим ходом вы оказываетесь на той клетке, где стоит король соперника. В этом положении у чёрных три варианта. Их король может перейти на c5, d7 или e5. (За один ход король может переместиться только на одну клетку в любую сторону). На всех других клетках он сразу же будет взят. Например, пешка, стоящая на клетке d5, может взять короля, если перейдёт на c6 или e6.
Итак, у чёрных три возможных пути ухода из-под шаха, поставленного конём на c8. Но во всех трёх случаях белые могут поставить чёрным мат.
1. Если чёрные ходят на c5, то белые перемещают коня с f4 на e6. (1 …Крd6-c5 2. Кf4-e6++)
2. Если чёрный король ходит на d7, то белые перемещают слона с g8 на e6. (1 … Крd6-d7 2. Сg8-e6++)
3. Если чёрные идут на e5, то белые своим конём берут чёрного коня на g6. (1 … Крd6-e5 2. Кf4xg6++)
Когда Маркус с Марианной говорили о том, что коню придётся пойти сразу двумя путями, они имели в виду, что конь с f4 должен переместиться одновременно на e6 и g6 (где он берёт коня чёрных). Тогда чёрным ставит шах слон на g3, и единственное, что может сделать король, – переместиться на d7. Затем конь, раздвоившийся на e6 и g6, снова сходится на клетке f8, ставя мат чёрным.
Если мы совершаем полёт в космос и возвращаемся обратно на очень-очень большой скорости – примерно со скоростью, с какой в космосе перемещается свет, 300 000 километров в секунду (а быстрее лететь невозможно) – то на Земле пройдёт намного больше времени, нежели на борту космического корабля. Можно сказать, что мы переместились вперёд во времени. И это не выдумки. Но вернуться назад в прошлое невозможно, тут остаётся только фантазировать. На самом деле невозможно пролететь сквозь чёрную дыру и вылететь с другой стороны. Мы просто фантазируем, будто ракета дяди Альберта пролетает через чёрную дыру, да ещё и попадает в прошлое. Подробнее об этом читайте в пункте 23 книги «Подводный мир» и пунктах 3 и 14 книги «Космическое путешествие».
В рассказе о приключениях мы говорим, что Лунник ускорился настолько, что внутри ракеты начала действовать обычная сила тяжести. В этом нет ничего странного. Под обычной силой тяжести подразумевается сила притяжения на Земле, благодаря которой вещи на Земле падаютвсё с большей скоростью (пока сопротивление воздуха не уменьшит ускорение). Увеличение скорости составляет десять метров в секунду (пишется м/с). Это означает, что если выпустить из руки камень, то через секунду он разовьёт скорость 10 метров в секунду (м/с), через две секунды – 20 м/с, через три секунды – 30 м/с и так далее. Ускорение свободного падения часто обозначается как 1 g, а 10 м/с – это то же самое, что 36 километров в час – более привычные нам единицы измерения. Неплохое ускорение, но чтобы быстро достичь скорости, с которой должен лететь Лунник, этого недостаточно. Лунник должен перемещаться со скоростью, очень близкой к скорости света, то есть 300 000 километров в секунду (км/с), чтобы достичь Чёрной дыры в центре Млечного Пути за неделю (время внутри космического корабля). С ускорением в 1 g через неделю Лунник разовьёт скорость 6 000 км/с, а это лишь 2 % от скорости света.
Когда скорость Лунника приближается к скорости света, она увеличивается не так быстро, несмотря на то же ускорение. Это связано с так называемыми релятивистскими эффектами (cм. «Космическое путешествие», пункт 3). С ускорением 1 g Луннику понадобится около двух лет, чтобы долететь до ближайшей к нам звёздной системы под названием Альфа Центавра, расположенной на расстоянии 4,3 световых лет от Земли («Подводный мир», пункт 15), и тогда его скорость будет составлять 295 000 км/с (98 % от скорости света). Для того, чтобы действительно долететь до Чёрной дыры за неделю, ему надо было ускориться в тысячу раз больше, то есть развить ускорение 1 000 g, что в реальности невозможно. Полезный совет: если хочешь поиграть со временем и скоростью космических кораблей, загляни на веб-сайт
www.convertalot.com/relativistic_star_ship_calculator.html
Мирт растёт в естественной среде в Средиземноморье, но невысокие миртовые деревья сажают и в Швеции. Существует два вида мирта. Более редкий из них, сахарский мирт, растёт только в диких условиях в некоторых районах Сахары. Мирт плодоносит ягодами, обычно тёмно-синего цвета. Вот несколько интересных фактов о мирте:
В прежние времена мирт использовали в качестве духов.
А ещё начиная с XI века ягоды мирта добавляли в пиво.
Душистый перец – это на самом деле ягоды мирта (то есть он не имеет отношения к растениям семейства перечных).
Фотография миртового дерева на Сардинии – итальянском острове в Средиземном море – со спелыми синими ягодами. Этот вид – близкий родственник сахарского мирта, растущего в пустыне Сахара.
Wikipedia Commons/Japs 88
В конце семидесятых годов ХХ века все четыре газовые планеты-гиганта, находящиеся во внешней части Солнечной системы (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун), располагались примерно в одном направлении от Земли. Такое бывает лишь раз в 177 лет, и НАСА решило воспользоваться таким случаем. Они построили два космических зонда, «Вояджер-1» и «Вояджер-2», и отправили их в космос 5 сентября и 20 августа 1977 года. На самом деле, «Вояджер-2» стартовал раньше, чем «Вояджер-1», но уже в декабре того же года «Вояджер-1» обогнал своего собрата. Однако только «Вояджеру-2» удалось пролететь мимо всех четырёх крупных планет, в то время как «Вояджеру-1» пришлось довольствоваться Юпитером и Сатурном. Благодаря фотографиям и прочим данным, полученным с помощью одиннадцати измерительных приборов, которые находятся на борту зондов, мы узнали невероятно много о газовых планетах и их многочисленных спутниках.
Фотография «Вояджера-1» с большой белой антенной– «тарелкой» посередине. Слева и справа торчат измерительные приборы. Сбоку на платформе, под антенной, видна граммофонная пластинка с записанным приветствием и другой информацией.
17 ноября 1998 года «Вояджер-1» стал самым отдалённым от Земли космическим зондом. До этого таковым считался «Пионер-10», у которого тоже есть собрат – «Пионер-11». Они были запущены в марте 1972 года и в апреле 1973 года соответственно. «Пионер-10» был первым космическим зондом, пролетевшим мимо Юпитера, а «Пионер-11» – первым, приблизившимся к Сатурну (сначала он тоже побывал рядом с Юпитером).
«Вояджеры» значительно крупнее «Пионеров»: 722 кг против 260 кг, и срок их жизни гораздо больше. Контакт с «Пионерами» был потерян уже давно (в 1995 и 2003 годах соответственно), а вот пользоваться «Вояджерами» рассчитывают до конца 2020-х годов. Для того, чтобы связываться с зондами на таких огромных расстояниях, нужна большая антенна, поэтому самая заметная часть зонда – это как раз гигантская антенна-«тарелка»; на «Вояджерах» её диаметр составляет 3,7 метра.
На момент написания этой книги, в октябре 2013 года, «Вояджер-1» находится почти в 19 миллиардах километров от Солнца, это в 126 раз дальше, чем Земля. Радиосигнал от «Вояджера-1» до Земли доходит за 17 часов (актуальную информацию всегда можно посмотреть на сайте https://voyager.jpl.nasa.gov/mission/status/). Сейчас для «Вояджера-1» самое интересное время, ведь зонд недавно покинул Солнечную систему, преодолев границу гелиосферы. Под границей Солнечной системы подразумевается та полоса, где поток частиц и магнитное поле Солнца становятся настолько слабыми, что их одолевает поток из другой галактики. То есть из межпланетного пространства мы перемещаемся в межзвёздное пространство. Раньше мы точно не знали, как далеко простирается Солнечная система, а благодаря «Вояджерам» скоро узнаем намного больше.
Помимо многочисленных научных инструментов и приборов на обоих «Вояджерах» имеется позолоченная граммофонная пластинка с музыкой, приветственными словами, звуками и фотографиями с Земли. Приветствие записано на 55 языках, в том числе на шведском, а среди звуков есть голоса зверей, например, слона и лягушки. Возможно, в один прекрасный день «Вояджер» обнаружат представители другой цивилизации и смогут расшифровать записи на пластинке, но шансов ничтожно мало.
Звёзды, как, например, наше Солнце, состоят из огромных газовых облаков, которые сжимаются под собственной силой тяжести, становясь очень-очень горячими. Звезда настолько горячая, что газ может сгорать совершенно особым образом, совсем не так, как вещи обычно горят на Земле. В звёздах сталкиваются ядра атомов, иногда сливаясь и образуя более крупные ядра. При этом выделяется энергия в виде тепла. Это происходит миллионы или даже миллиарды лет, до тех пор, пока при столкновении атомных ядер не перестанет вырабатываться энергия. Крупные звёзды сгорают быстрее всего, а средние, вроде нашего Солнца – медленнее, примерно за десять миллиардов лет. Можно сказать, что сейчас Солнце достигло среднего возраста, оно находится в середине жизненного цикла, ему осталось около пяти миллиардов лет. К концу жизни Солнце увеличится в размерах. Оно станет настолько большим, что поглотит ближайшие планеты, Меркурий и Венеру. Одновременно с этим Солнце станет красным. Обычно говорят, что оно становится красным гигантом. Такое состояние длится около миллиарда лет, потом топливо заканчивается, и звезда сжимается, превращаясь в белого карлика, ненамного больше Земли.
А вот звезду, в два раза превосходящую по размерам Солнце, ждёт совсем другая судьба. Она может сжечь гораздо больше атомных ядер, и закончится это огромным взрывом – сверхновой звездой. Сверхновая звезда светит ярче, чем целая галактика, но лишь пару недель. Большая часть старой звезды выбрасывается в космос, а ядро сжимается в невероятно плотный шар, нейтронную звезду. Её диаметр не больше двадцати километров, зато масса в 1,4–3 раза больше, чем масса нашего Солнца. Название «нейтронная звезда» связано с тем, что в атомных ядрах все электроны оказываются вдавлены в протоны, и все они превращаются в нейтроны. В ядре нейтронной звезды нейтроны настолько плотно сжаты, что они перестают быть обычной материей. Такую материю называют вырожденной. Если то, что осталось после взрыва сверхновой звезды, превосходит массу Солнца более чем в три раза, больше уже ничто не может остановить силу тяжести, и всё втягивается в чёрную дыру. (Подробнее о чёрных дырах читайте в пункте 14 книги «Космическое путешествие»).
Когда я (автор этой книги) совершал свой второй полёт в космос, у меня с собой были шахматы, которые я сделал сам с помощью кусочков ткани на липучках. Вместо обычной чёрно-белой доски я решил оформить клетки в цветах шведского флага – синим с жёлтым. Клетки я приклеил на белый лист картона. Фигуры представляли собой небольшие круглые липучки, на обратной стороне которых я приклеил бумажки с общепринятыми символами шахматных фигур (они есть на картинке слева в пункте 1). А на этой фотографии вы видите меня с моими шахматами у одного из больших иллюминаторов космического корабля. Вы видите, как ручка плавает в невесомости рядом с моей рукой. Чтобы её не потерять, я прикрепил к ней и липучку, и шнурок. На стенах и потолке тоже имеются липучки, чтобы можно было «отложить» ручку и другие предметы. Во время полёта я сыграл партию в шахматы с теми, кто пожелал сделать ответные ходы через Интернет. Мои соперники оказались сильными игроками, и через несколько дней после приземления мне пришлось сдаться.
Игра в шахматы в невесомости. Автор с гордостью демонстрирует собственноручно изготовленные шахматы для игры в состоянии невесомости на борту космического корабля «Discovery» в сентябре 2009 года.
Галактика Треугольника – это галактика, расположенная на расстоянии 2,9 миллиона световых лет от нас. Для сравнения, диаметр всей нашей галактики Млечный Путь составляет сто тысяч световых лет. Галактика Треугольника – третья по величине галактика в Местной группе галактик, охватывающей около тридцати галактик друг рядом с другом. Самая большая из них – Андромеда, вторая по величине – Млечный Путь. Галактика Треугольника – самый дальний объект в космосе, который можно увидеть (хоть и с трудом) невооружённым глазом.
Фотография галактики Треугольника в ультрафиолетовом свете, сделанная космическим телескопом GALEX в октябре 2005 года. Ультрафиолетовый свет богаче энергией (меньше длина световых волн), нежели свет, видимый человеческим глазом, но все световые области дополняют друг друга, когда мы изучаем звёзды, галактики и космос.
© NASA
Вы только представьте себе – свет, который мы видим, покинул галактику 2,9 миллиона лет назад! На самом деле галактика Треугольника расположена не совсем по направлению от центра Млечного Пути и Чёрной дыры, мимо Солнца и дальше, но приблизительно так, что позволило дяде Альберту так сказать. Галактика Треугольника входит в созвездие Треугольника, где три яркие звезды образуют вытянутый остроугольный треугольник. Из Швеции хорошо видно это созвездие.
Выброс баутомом вертящегося шарика очень напоминает бета-распад некоторых атомов. Долгое время считалось, что атомы вечны и неделимы, как и следует из их названия (по-гречески atomos значит «неделимый»). Но в начале ХХ века учёные выяснили, что у атомов есть ядро из нейтронов и протонов, а также внешняя часть из электронов, движущихся вокруг ядра. Эти электроны довольно легко «перепрыгивают» с атома на атом, а вот ядро гораздо более стабильно. Однако некоторые атомные ядра менее стабильны, они могут спонтанно переходить на атомы других типов. Такое явление называется атомным распадом. Говорят, что материал, состоящий из атомов такого типа, радиоактивен. Самый обычный вид радиоактивности представляет собой бета-распад. Нейтрон из атомного ядра превращается в протон и электрон (или протон в нейтрон плюс позитрон), при этом электрон (или позитрон) выбрасывается из атомного ядра и отлетает от атома. Иначе общий электрический заряд был бы неизменным, каким он и должен всегда быть. Электроны и позитроны, полученные в результате атомного распада, называются бета-излучением. Существуют ещё альфа-лучи, представляющие собой непосредственно небольшое атомное ядро – ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов – выброшенное из более крупного ядра. Интересным свойством радиоактивности является то, что невозможно предсказать, когда отдельный атом будет распадаться. Можно лишь рассчитать, какова вероятность его распада в определённый промежуток времени. Часто говорят о периоде полураспада радиоактивных материалов. Это время, за которое распадается половина атомных ядер материала.
Самые известные радиоактивные материалы – это уран (период полураспада 4,5 миллиарда лет) и радон (период полураспада 3,8 суток), а также радиоуглерод. Атомное ядро углерода состоит из шести протонов и, как правило, шести нейтронов, но этот вариант (на научном языке – изотоп) углерода имеет восемь нейтронов. Радиоактивный углерод распадается с бета-излучением в азот, когда один из дополнительных нейтронов превращается в протон и происходит выброс электрона. Период полураспада этого материала – 5 730 лет. Радиоуглерод используют для так называемого радиоуглеродного метода датирования – определения возраста некогда живого материала.
Бык Парадокс назван в честь парадокса Эйнштейна – Подольского – Розена. Этот парадокс был представлен в очень известной научной статье, которую Эйнштейн опубликовал вместе с коллегами Подольским и Розеном в 1935 году. Сокращённо – ЭПР-парадокс. Эйнштейн был недоволен тем, как описывает действительность квантовая механика. Он считал, что в этих теориях чего-то не хватает. Причиной такого недовольства послужило то, что если делать выводы из основных предположений этих теорий, то в некоторых особых ситуациях они противоречат законам обычной физики. В статье учёные показали, как можно повлиять непосредственно на частицу – как бы далеко она ни находилась – измеряя параметры другой частицы, при условии, что обе частицы имеют общее происхождение. Это противоречит основам физики, прежде всего, тому факту, что ничто не может перемещаться со скоростью больше, чем скорость света в вакууме, что Эйнштейн первым и доказал. Здесь мы видим парадокс. Много лет спустя (когда Эйнштейна уже давно не было в живых), учёным удалось поставить эксперимент, доказавший, что квантовая механика права и непосредственное влияние на большом расстоянии возможно. В мире науки говорят, что квантовая механика не соответствует принципу локальности. Сейчас с этим, наверное, согласился бы даже Эйнштейн, потому что доказано: с помощью такого влияния невозможно передать сигнал. Нельзя, например, передавать сообщения быстрее, чем со скоростью света.
«Законы» квантовой механики – её основные предположения и уравнения – прекрасно описывают микрокосмос. По крайней мере, те эксперименты, которые проводились до сих пор, это подтверждают. Но законы квантовой механики сильно отличаются от законов, которыми мы пользуемся для описания более крупных предметов, от песчинки до космических ракет. А если мы начнём применять законы квантового мира к большим предметам, получится нечто весьма странное. Шрёдингер (о котором мы расскажем подробнее в следующем пункте) показал это в 1935 году с помощью кота Шрёдингера – ещё одного известного мыслительного эксперимента. Суть этого эксперимента заключается в том, что кот, если приложить к нему законы квантовой механики, может быть и мёртв, и жив одновременно. И по сей день физики и философы обсуждают, как понимать и трактовать кота Шрёдингера. Мало кто действительно готов поверить в то, что кот может быть сразу и жив, и мёртв.
Шрёдингер представил себе кота, запертого в коробке, и приспособление, способное убить кота. Это приспособление управляется радиоактивным распадом. Однако точный момент распада предсказать невозможно (см. пункт 13), его приходится описывать с помощью законов квантовой механики. А законы эти гласят: до тех пор, пока ты не измерил какие-либо параметры (то есть пока ты не посмотрел, что происходит), у предметов есть все возможности одновременно. То есть атом, способный к распаду, уже распался и ещё нет в одно и то же время, а значит, устройство уже сработало и вместе с тем ещё не сработало, следовательно кот уже мёртв и ещё нет – тоже одновременно. Лишь когда кто-нибудь откроет крышку и заглянет внутрь, можно будет сказать, жив кот или мёртв.
Эрвин Шрёдингер (1887–1961), Вернер Гейзенберг (1901–1976) и Нильс Бор (1885–1962) – трое выдающихся физиков, заложивших в начале ХХ века основы квантовой механики. Все трое в разные годы становились нобелевскими лауреатами в области физики. Бор наиболее известен своей моделью атома – новым описанием устройства атома, которое он опубликовал в 1913 году. Он также был в своё время одним из лидеров в толковании нового раздела науки – квантовой механики. Он всегда подчёркивал важность практических замеров и измерений, считая наблюдения первичными в науке. Гейзенберг знаменит своей теорией неопределённости, выдвинутой в 1927 году. Он доказал, что невозможно с точностью измерить и положение, и скорость частицы. Чем точнее мы измеряем одно, тем менее точным будет второе измерение. Это явление называют принципом неопределённости Гейзенберга. В 1925 году Шрёдингер сформулировал уравнение, описывающее развитие всей системы квантовой механики во времени: уравнение Шрёдингера. Но, как и Эйнштейн, Шрёдингер скептически относился к некоторым выводам, следующим из новых теорий. Свои сомнения он описал, в частности, с помощью знаменитого мысленного эксперимента с котом (см. пункт 15 выше).
В 1927 году ведущие физики мира собрались на конференцию в Брюсселе, столице Бельгии, чтобы обсудить новую науку – квантовую механику. Конференция носит название «Пятый Сольвеевский конгресс», и она запомнилась как одна из важнейших в истории развития физики. Вы только посмотрите, кто на ней присутствовал! В заднем ряду, ровно посередине, в сером пиджаке стоит Шрёдингер. Тремя участниками правее стоит Гейзенберг. Крайний правый в среднем ряду – Бор. Эйнштейн сидит в первом ряду посередине, а через два места слева от него сидит Мари Кюри (см. пункт 21). Из двадцати девяти участников семнадцать – нобелевские лауреаты! Среди прочих известных физиков стоит отметить Дирака (слева за Эйнштейном), Планка (слева от Кюри) и Паули (слева от Гейзенберга).
Wikipedia Commons
Шрёдингер был родом из Австрии, Гейзенберг – из Германии, а Бор – из Дании. В 20-е годы ХХ века немецкий язык был, наряду с английским, международным языком науки, и многие основополагающие статьи о квантовой механике написаны именно по-немецки. Auf Wieder-sehen по-немецки значит «До свидания», это обычная фраза при прощании (сравните с французским Au revoir).
Феномен, заключающийся в том, что частицы в квантовом мире проходят сквозь барьеры, на преодоление которых у них на самом деле недостаточно энергии (обычно в виде скорости), называется туннельным эффектом. Он используется во многих современных аппаратах, в частности, в некоторых электронных компонентах и ряде мощнейших микроскопов, так называемых сканирующих туннельных микроскопах. Распад атомов с альфа-излучением, упомянутый в пункте 13, можно рассмотреть таким образом: альфа-частица заперта в атомном ядре, где она вращается с определённой скоростью. Альфа-частица снова и снова наталкивается на барьер, удерживающий её внутри, но вдруг – в какой-то случайный момент времени – она проходит сквозь барьер и вылетает из атома.
Для того, чтобы объяснить, как двигаются мельчайшие частицы, мы должны предположить, что они перемещаются как волны, самыми разными путями одновременно. Совсем не так, как движутся привычные нам предметы.
Если мы, например, кинем мяч в забор с редкими досками, мы увидим, что мяч пролетит в одно из отверстий – и только в одно (если он, конечно, не отскочит от доски) – и приземлится на некотором расстоянии по ту сторону забора. Даже если мы не смотрим на мяч, мы знаем, что он пролетает только в одну щель. Но если запустить электрон в соответствующий микроскопический заборчик и не пытаться смотреть (то есть каким-либо образом замерять), через какую щель пройдёт электрон, то он залетит сразу во все отверстия! Если электрон ведёт себя как волна, он вполне может это сделать. А если за мини-заборчиком у вас расположена стена, не позволяющая электрону улететь дальше, то электрон ударится о стену только в одном месте, как будто он – микроскопический мячик. Можно сказать, что электрон движется как волна, но как только его что-то останавливает, он становится частицей, находящейся в определённом месте.
Откуда мы всё это знаем? Дело в том, что, если запустить в мини-заборчик множество электронов и посмотреть, где они ударятся о стену, то мы увидим, что они образуют характерный волнообразный рисунок. Мы никогда не можем с точностью знать, в каком именно месте электрон стукнется о стену – мы можем лишь рассчитать вероятность того, что он натолкнётся на стену в том или ином месте.
А если мы всё-таки попытаемся каким-то образом заметить, в какое отверстие в заборчике залетит электрон? Что произойдёт тогда? Тогда получится, что мы на мгновение превращаем электрон в частицу, когда он пролетает сквозь щель в заборе, замечаем его в конкретном месте, а затем он снова становится волной до тех пор, пока не ударится о стену. Тогда электрон пролетает только через одно отверстие. И если мы проделаем то же самое с множеством электронов, то получим совсем другую картину, нежели раньше.
Причина, по которой игра «Смотри и бери» не работает в нашем обычном мире, заключается в следующем: вести себя и как частицы, и как волны могут лишь предметы намного меньше тех, что мы видим. Дядя Альберт прав – мы не можем знать точно, из какой дыры выпрыгнет предмет, относящийся к квантовому миру, но всегда можно рассчитать шансы для каждого отдельного отверстия. Можно сформулировать так: когда электроны и другие квантовые предметы передвигаются как волны, размер волны в определённом месте соответствует вероятности, что именно там появится электрон, если начать за ним наблюдать. Основополагающее понятие в квантовой механике, включающее в себя аспект и частиц, и волн, исходя из которого мы рассчитываем шансы (или, иными словами, вероятность), называется волновой функцией.
Одно из самых интересных и поразительных явлений в квантовой механике заключается в том, что квантовые предметы действительно могут иметь много разных значений одновременно. Когда специалисты по квантовой механике ставят эксперименты, они часто измеряют спин частиц – другими словами, то, как частица вращается вокруг своей оси. Частицы вращаются либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Учёные называют это «спин вверх» и «спин вниз». Но прежде чем мы проведём наблюдение, частица осуществляет и спин вверх, и спин вниз одновременно. Иногда бывает так, что две частицы общего происхождения имеют связь. Говорят, что эти частицы переплетены. При этом частицы могут находиться сколь угодно далеко друг от друга – переплетение будет сохраняться, если его не нарушить. А нарушить переплетение можно, если начать измерять одну из частиц. Если частицы сталкиваются с чем-либо, переплетение тоже разрушается.
Приведём пример переплетения: частица без спина распадается, от неё отлетают две частицы со спином вверх и спином вниз. Когда мы наблюдаем за этими частицами, у одной из них должен быть спин вверх, а у другой спин вниз, поскольку спины должны уравновешивать друг друга. А до того, как мы начнём за ними наблюдать, у обеих частиц есть и спин вверх, и спин вниз. Но если же мы определили, что у одной из частиц спин вверх, то мы можем быть абсолютно уверены, что у второй частицы будет спин вниз. В нашем рассказе встречается ещё один пример: у Баутома, в котором застрял Лунник, и у выброшенного Баутомом вертящегося шарика спины переплетены.
Игра Короля Бора построена на том же принципе. Одновременно появляются карты, у них общее происхождение и нам изначально известна общая сумма. Суммы разные, зависят от цвета карт. В настоящем эксперименте, описанном выше, изначальная общая сумма равна нулю, спин вверх приобретает значение +1, а спин вниз –1. Если сложить их вместе, получится нуль. В карточной игре Короля, стуча по карточке, мы измеряем количество точек. До этого карта обладает всеми значениями сразу. Если постучать (измерить) по одной карте, сразу же узнаешь, сколько точек на второй карте. Но по второй карте не определить, что кто-то измерил первую, поэтому человек, который видит только вторую карту, знает не больше, чем раньше. Например, измеряя переплетённые частицы, невозможно пересылать сообщения (сравни с пунктом 14 об ЭПР-парадоксе). На Земле такую карточную игру было бы не сделать, поскольку переплетённые системы легко разрушаются. Переплетённым частицам будет достаточно столкнуться с молекулами воздуха.
Научный термин, описывающий процесс разрушения переплетения, – декогеренция. Иногда говорят о квантовых компьютерах, которые в принципе могли бы решать определённые задачи намного быстрее, чем обычные компьютеры, поскольку в них используется квантовое переплетение. Однако возникает большая техническая сложность – как построить квантовый компьютер, если переплетение так легко нарушается.
Мари Кюри – одна из самых выдающихся женщин-учёных начала ХХ века. Она была первой женщиной в мире, награждённой Нобелевской премией. На самом деле, она получила две Нобелевские премии! Одну по физике в 1903 году за исследования в области радиоактивности, а вторую по химии – за то, что открыла два новых химических элемента: радий и полоний, названный в честь её родной страны Польши. Когда Мари Кюри родилась в 1867 году в Варшаве, где её звали Мария Склодовская, Польша принадлежала России, но Мари Кюри всё равно называют француженкой польского происхождения. В 1895 году она вышла замуж за другого талантливого учёного, француза Пьера Кюри, и Нобелевскую премию 1903 года она разделила с супругом, а также с физиком Анри Беккерелем. У Мари и Пьера Кюри было две дочери, Ирен и Ева. Ирен тоже удостоилась Нобелевской премии по химии, в 1935 году. А Ева дожила аж до 103 лет. Мадам Кюри, как часто называли Мари, много работала с радиоактивными материалами. В то время люди ещё не понимали, насколько опасным может быть радиоактивное излучение. Мари Кюри умерла в 1934 году от редкой, но серьёзной болезни крови, причиной которой, вероятнее всего, стала радиация.
Дважды лауреат Нобелевской премии Мари Кюри в своей лаборатории во Франции
Nationaal Archief, Nederländerna
Вильгельм Рентген – немецкий физик, открывший в 1895 году новый тип излучения. За это открытие он был награждён самой первой Нобелевской премией по физике (в 1901 году). Новое излучение назвали в его честь – рентгеновским излучением. На самом деле, это форма света, чрезвычайно насыщенного энергией, где частицы света – фотоны – настолько наполнены энергией, что могут проникать сквозь многие материалы. Например, сквозь мягкие части человеческого тела. А вот через скелет они проходят хуже. Благодаря тому, что рентгеновские лучи в разной степени проникают сквозь разные ткани, они являются важным диагностическим инструментом в медицине.
Один из первых рентгеновских снимков, сделанных самим Вильгельмом Рентгеном в январе 1896 года. На снимке мы видим левую руку швейцарского врача и учёного Альберта фон Кёлликера. Обратите внимание на кольцо на безымянном пальце.
Wikipedia Commons
Частицы в квантовом мире обладают свойством, называемым спин. Как и многое другое в квантовом мире, спин – квантованная величина, то есть частицы не могут иметь какое угодно значение спина. Это значение может быть целым числом (0, 1, 2 и так далее, в единицах измерения спинов), или половиной от целого (1/2, 3/2, 5/2…). Но у частиц определённых видов всегда одно значение. У электронов и протонов спин всегда равен 1/2, а у частицы света – фотона – 1. (Возможно, вы слышали о частице, которую открыли совсем недавно – бозоне Хиггса. Это единственная известная нам частица, не состоящая из других частиц, её спин равен 0).
Частицы с половинным спином называются фермионами, а частицы с целым спином – бозонами. Можно подумать – неужели так важно, имеет ли частица спин 1 или 1/2, однако эта разница ведёт к огромным различиям в их поведении. Два одинаковых фермиона не могут находиться в одном месте одновременно, а вот у бозонов таких ограничений нет. Поэтому атомы становятся всё больше и больше по мере присоединения к ним новых электронов. Новые электроны не могут двигаться по тем же орбитам, что уже существующие. То, что бозоны могут находиться в одном месте, или, более научными словами, в одном и том же состоянии, используется в лазерах. В лазерах в одном месте собрано множество фотонов с одинаковой энергией, которые выделяются синхронно (см. пункт 2 книги «Планета цифр»).
У НАСА были проблемы с дятлами, которым, похоже, пришёлся по нраву огромный топливный бак космического корабля. При одном осмотре в мае 1995 года в изоляционном материале бака было обнаружено около семидесяти дыр, и запуск пришлось отложить на несколько недель. Чтобы отпугнуть птиц, было, в частности, сооружено огромное пугало в виде шара.
Фотография дятла, долбящего огромный бак космического корабля.
Гигантское пугало в виде оранжевого шара, изображающего сову.
Hackspett/Fеgelskrämma: © NASA