Физик не может точно определить протон или нейтрон. Все, что он может сделать это выяснить шансы того, что он в определенный момент присутствует именно в этом месте, а не в том.
10. Атом и областная схема: атом водорода
А теперь давайте я расскажу о том, как эта очень странная история о структуре атома согласуется с не менее странным повествованием об областях из предыдущих глав этой книги. Я предлагаю взять рассказ физика о том, что происходит во мне на атомном и субатомном уровне, и, насколько возможно, перевести его на неспециализированный язык, чтобы его можно было сравнить с тем, что происходит во мне на других уровнях. Иначе получится, что мой приближающийся наблюдатель должен потерять память (а то и разум) при входе в каждую новую область и что его описание своего путешествия в целом будет абсолютно невразумительным.
Кривые распределения электрона для 1) обычного состояния атома водорода и 2) одного из его состояний высокого уровня энергии при разных масштабах. Кривая показывает относительную вероятность обнаружения электрона на разных расстояниях от ядра; таким образом, на схеме (1) электрон больше всего времени проводит на расстоянии 0, 5292 А, чем на любом другом расстоянии. Заметьте, что в состоянии высокого уровня энергии электрон не сходит полностью со своей первоначальной орбиты, однако проводит большую часть времени в стороне.
Предположим, что он подошел ко мне очень близко так близко, что я для него являюсь не более чем единственным протоном, или ядром водорода. Если областная схема здесь актуальна, то чего же здесь можно ждать? На что, в общих чертах, может быть похожа ситуация? 1) Наблюдатель находится в области, в которой я сведен всего лишь к протону: то есть, он находится в месте, которое обычно населено (если вообще населено) электроном. И ничего удивительного, если бы он стал там делать то, что делал в моей человеческой области двигаться вокруг меня, чтобы рассмотреть меня со всех сторон. 2) Если то, чем он меня считает, будет более или менее постоянным, он должен в своих движениях вокруг меня придерживаться более или менее постоянного расстояния; и это вопрос, который меня очень волнует, т. к. постоянство моих характеристик неотделимо от регулярности в привычках моих наблюдателей. 3) Но в определенных рамках мое состояние, конечно, меняется. Если моя важность увеличивается, то подобающе, чтобы мой наблюдатель тут же удалился на более почтительное расстояние; или, если я стану уменьшаться, то он станет со мной более близко знакомым и менее отдаленным. 4) Этим переоценкам меня свойственно состояться с резкой внезапностью: прибыль или убыток происходят неожиданно, путем единовременно выплачиваемой суммы, а не оплаты в рассрочку[43].5) Однако на самом деле бессмысленно говорить о моих изменениях и о том, как их рассматривает мой наблюдатель, как об отдельных вещах: я изменяюсь для него или не изменяюсь вообще. То, чем является каждый из нас, он является в другом. Однако каждый должен проецировать на центр другого содержимое своего собственного, поэтому между нами происходит постоянный круговорот. Мы образуем пару проекции-отражения, или двухполюсную систему; мы дополняем друг друга и вместе с тем являемся противоположностями, как положительный и отрицательный полюса клетки. 6) Хотя у нас равный статус, мы не обязательно равны. Например, нет причины, по которой масса, которую мой наблюдатель приписывает мне, сильно отличалась бы от той, которую я приписываю ему, если они одинакового общего порядка. 7) Хотя мы должны ожидать обнаружить определенные фундаментальные условия на всех уровнях, мы должны быть готовы увидеть и очень большие различия. В частности, было бы странно, если бы мой наблюдатель, став достаточно маленьким и проворным, чтобы войти в мир элементарных частиц, сохранил бы нетронутыми все свои макроскопические способности и если бы ему удалось точно определить, например, мое положение и мою скорость. У него естественным образом появилось бы очень много неведения, в соответствии с его положением. Но парадокс в том, что это неведение, или, скорее, неуверенность это правильный вид знаний, должная степень уверенности для этого низкого уровня: здесь не может быть речи о каком-либо случайном препятствии, который более опытные наблюдатели, будучи в том же месте, могли бы преодолеть. Конечно, возможно избежать любого вида неопределенности, но только удалившись на более высокий уровень, где протонам не место. Короче говоря, неопределенность моего наблюдателя моя; таким я ему кажусь, и таким я и являюсь
Часть картины «Лето» (1563) Джузеппе Арчимбольдо, из Венской картинной галереи. Арчимбольдо специализируется на подобного рода фантазиях.
Больше нет необходимости притворяться. Данное описание гипотетического наблюдателя протона, состоящее из семи пунктов, является не чем иным, как нетрадиционным описанием его орбитального электрона электрона, который 1) вращается вокруг протона, 2) поддерживает более или менее постоянное расстояние, 3) поглотив энергию, удаляется на более широкую орбиту, 4) признает не меньше, чем целый квант энергии[44],5) имеет равный, но противоположный электрический заряд по отношению к протону, 6) имеет лишь долю его массы 7) и так же, как и протон, подвергается принципу неопределенности. На самом деле вряд ли я найду другого наблюдателя, который был бы так хорошо квалифицирован для того, чтобы подмечать, чем я являюсь на очень близком расстоянии. Подобно тому, как есть место где-то на расстоянии ярда отсюда, где меня принимают за человека, так же есть и гораздо более близкое место химическая область или атмосфера[45], где молекулы принимают меня за молекулы, и есть третье место на расстоянии меньше чем сотой миллионной части дюйма, где электроны считают меня не более чем протоном[46].
Мой наблюдатель-электрон является свидетелем этой последней оценки, патрулируя мою область протона так же, как ночной сторож отмечает наличие помещения для хранения ценностей, так какходит вокруг него. Электрон не просто имеет относительно меня теорию он ее энергично практикует. Вся манера его существования замечательная демонстрация моего областного влияния, того, чем я занимаюсь, там, в области отсюда, из центра. Только электрон, или что-то в этом роде, способен обнаружить, что я протон, т. к. более наблюдательный и лучше оснащенный наблюдатель увидел бы во мне нечто большее. Причислить меня к категории бесконечно малых единиц значит видеть меня в очень плохом свете. Важное открытие, которое может сделать только подслеповатый, состоит в следующем: только бесконечно малая частица может достичь надлежащей степени узости взглядов и незаметности.
Что же касается, тогда, самого протона, на еще более близком расстоянии, в самом центре? Чем он является по существу? Для современной физики такой вопрос лишен смысла. Частицу знают по тому, что от нее исходит, по ее областному влиянию[47], а о том, чем она является сама по себе, наука ничего сказать не может. На самом деле в центре ничего нет. Наука по своей сути областное предприятие[48]. И именно здесь, на самых низких физических уровнях, наши здравомыслящие представления о простом месторасположении наконец-то выявлены как несостоятельные, и на их место приходит областная схема, с ее принципом «где-то еще»-ости[49].
Однако у меня есть еще один источник информации внутренняя информация. Если я являюсь этим ядром, этим протоном, который мой наблюдатель так старательно патрулирует, то я в положении сказать, каково это быть элементарной частицей, здесь в центре. И я нахожу, что предположение физика полностью оправдано: здесь вообще ничего нет. То есть, здесь нет ничего полностью врожденного, что находилось бы только здесь. И этот вывод вовсе не является просто результатом тщательного анализа опыта. Его мне насильно навязывают. Каждую ночь мне приходится вновь обнаруживать темноту, пустоту, которая находится в самом моем центре. Я считаю, что человек, который, помолившись, ложится в постель и засыпает сном без сновидений, несколькими шагами перешагивая через несколько ступенек за раз спустился по всей лестнице Иакова. На этом низшем уровне нет вообще никакого мировоззрения, и наши головы абсолютно пустые. Выдающаяся картина сэра Уильяма Брэгга, на которой изображен атом в виде человеческой головы, окутанной роем комаров, гораздо менее фантастическая, чем он думал: эта штука у меня под шляпой так же поистине является протоном, как и клеткой, и так же поистине является клеткой, как и человеческой головой; и во всех этих случаях она и по сути, и по простому местонахождению является вообще ничем.
11. Атом и областная схема: более сложные атомы
Я уже указывал на тот факт, что способ электрона объявить о приросте энергии перейти на более далекую орбиту, где, так сказать, возможна более широкая перспектива. В общем, можно сказать, что по мере того, как мои наблюдатели увеличивают свое расстояние, они, в конечном счете, видят меня в большем объеме.
Солнечная система: размеры планет, но не их относительные расстояния. Изображение приблизительное, в масштабе.
Атом урана: схематическое указание содержимого каждого из его семи оболочек.
Однако в краткосрочном плане они могут также увидеть меня в меньшем объеме. Удаляясь радиально через мои области, наблюдатель отмечает увеличение содержимого (до определенного максимального предела); впоследствии это содержимое уменьшается и, быть может, вновь исчезает, пока он не дойдет до следующей области, где возникнет новое содержимое, которое, в свою очередь, также будет увеличиваться и уменьшаться. Иными словами, между любыми двумя соседними областями существует пограничная зона, где вид становится истощенным и неотчетливым. Однако это случай reculer pour mieux sauter («отступить, чтобы дальше прыгнуть»), небольшой задержки перед большим рывком вперед. Таким образом, мой удаляющийся наблюдатель видит, как у моей головы вырастает туловище, а у туловища конечности; затем все уменьшается до тех пор, пока я не превращусь в карлика, в гомункула, в неразличимую точку; и он, со своей стороны, также проходит через подобные метаморфозы. Таким же образом и планеты, которые являются наблюдателями солнца (каким образом будут показано далее), своей возрастающей массой указывают на их возрастающую оценку Солнца; а затем, уже за Юпитером, своей уменьшенной массой указывают на их уменьшенную оценку.
Эта тенденция я называю ее законом веретена иллюстрируется расположением электронов, принадлежащих моим более сложным атомам. Первая, или внутренняя, оболочка содержит максимум два электрона, вторая максимум восемь, третья 18, четвертая 32, пятая опять 18, шестая 12 и седьмая и последняя только два. И такое расположение электронов, по форме напоминающее веретено, как правило, отражено в отдельном атоме. Например, оболочки атома железа содержат соответственно 2, 8,14 и 2, а оболочки атома ртути 2,8,18,32,18,2. (Тем не менее, в каком-то смысле это убывание не означает, что предыдущий прирост утрачивается. Чтобы найти клетку, идите в человеческую область; чтобы найти атом, идите в молекулярную область; чтобы найти легкий атом, заберитесь в оболочку тяжелого атома. Можно сказать, что человек это клетки, молекулы и атомы; и более высокий или сложный атом также является более низким и менее сложным; например, аргон, с 2,8,8 электронами это неон с 2, 8, и гелий всего с двумя)[50].
Само ядро атома хотя его члены и относительно компактны также не свободно от закона веретена. Его также можно рассматривать как систему оболочек, внутренняя из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов то есть, это ядро гелия. На самом деле это вторая и еще более ограниченная субатомная область, со своими собственными правилами. Силы, которые связывают частицу с частицей, на этом близком расстоянии не повинуются закону инверсии квадратов, который руководит движениями орбитального электрона: будучи силами совсем другого вида, эти «обменные силы» намного превосходят те силы, которые удерживают электрон на его пути. С другой стороны, они быстрее ослабевают. Таким образом, на очень близком расстоянии обменные силы, связывающие ядерные протоны, превосходят силы, которые их разъединяют. Однако по мере того, как увеличивается размер ядра, а с ним и среднее расстояние между его частицами, отталкивающие силы дальнего действия нагоняют притягивающие обменные силы ближнего действия; и ядро в целом становится все менее и менее стабильным. Вновь установлены лимиты для роста определенного вида, на определенном уровне.
Рождение материи из энергии это рождение близнецов противоположного пола: гамма-луч становится положительным и отрицательным электроном. Их смерть это их рождение наоборот.
Некоторое представление о природе этих загадочных обменных сил можно получить, предположив, что протон и связанный с ним нейтрон постоянно меняют свою идентификацию, или что они, как теннисисты, бросают друг другу единицу положительного электричества. И, вновь, кажется, что закон «где-то еще»-ости и процедура проекции-отражения, которые на высоких уровнях действуют незаметно, здесь открыто преобладают[51]. На самом деле можно сказать, что вся структура атома, и мир элементарных частиц в целом, состоит из пар, члены которых в чем-то противоположны, а в чем-то одинаковы. Итак, кроме орбитально-ядерной пары (электрон и протон, с равным, но противоположным зарядом) и ядерно-ядерной пары (протон и нейтрон, которые активно меняются идентификацией), существует и орбитально-орбитальная пара электроны сгруппированы по парам с антипараллельным спином[52]. Но, быть может, самая поразительная из всех этих пар это положительный и отрицательный электрон: эти частицы, близнецы с равной массой, и равным, но противоположным зарядом, одновременно зарождаются, когда гамма-излучение прекращается, и одновременно уничтожаются, когда они сталкиваются, оставляя гамма-излучение в качестве осадка. Согласно знаменитой теории Дирака, эти положительные электроны или позитроны следует считать дырами в пространстве, оставленными определенными обычными или отрицательными электронами, вместо того чтобы считать их чем-то существующими сами по себе. Таким образом, в общем, кажется, будто физика не выносит единичной частицы этого «нечто», что не отбрасывает тени, у которого нет ни противоположного числа, ни партнера по спаррингу, ни областного наблюдателя похожего статуса. И неудивительно, если ненаблюдаемое и ни за кем не наблюдающее физическое тело, необщительное, самодостаточное, находящееся только там, где оно находится в центре и нигде более, является безосновательным мифом и нелепостью[53].
Но следует ли из всего этого (настаивает мой здравый смысл), что, для того чтобы иметь дело с одной частицей (или набором частиц), мой ученый должен уменьшиться до размера другой? И каким образом такое уменьшение возможно? Ответ прост и краток. Во-первых, ученый уже является согласно его собственным данным электронами, протонами и т. д.; во-вторых, электроны, протоны и т. д. являются и это его рабочее предположение областными влияниями, а не центральными субстанциями: нет причин предполагать, что в центре у них что-то есть. Никто так хорошо не подходит для исследования субатомных уровней[54].
На самом деле нам нужно лишь его послушать. Мы можем представить себе, как Резерфорд говорит: «Я собираюсь бомбардировать ядро азота», и вскоре на них бросается поток альфа-частиц ядер гелия. «Давайте бомбардировать уран», говорит Отто Ган, и в атаку бросаются нейтроны. Я считаю, что это не просто болтовня, а, наоборот, еще один пример точности, сокрытой в общей для нас идиоме. Много глубоких открытий ждут того, кто просто слушает то, что он говорит.
Когда у профессора Гамова мистер Томпкинс исследует атом, он сам становится электроном[55], и действительно, как иначе мог бы он внедриться в этот маленький мир? Если ядерный физик (обратите внимание на название) обычно не настолько осознает себя и не настолько откровенен, то это лишь потому, что в атомных кругах он чувствует себя как дома, и научился так бегло говорить на их языке языке математики, и, в частности, квантовой механики, что его состояние и местонахождение проходят почти незамеченными: он так прижился, что не замечает места своего проживания. Но на самом деле его расчеты очень схожие своей точностью относительно поведения толпы и своей неточностью относительно поведения личности излишне загадочные (а то и невероятные и непонятные), когда к ним относятся как к чему-то, созданному руками человека; или как к чему-то инородному по отношению к тем уровням, к которым они относятся; или как к чему-то, навязанному им сверху. Нет, во вселенной, кроме электронов и протонов с определенной массой, зарядом и скоростью, существует также осознание этих электронов и протонов с определенной массой, зарядом и скоростью; и я не вижу никакого оправдания тому, чтобы отделять факты от осознания, низводя их в те области, где электроны и протоны неуместны. Там, где здравый смысл насчитывает два, я насчитываю лишь один; и на здравом смысле лежит ответственность показать необходимость в дупликации.