През 1912 г. във въздушен балон на около 5 км от земята,
австрийският учен Виктор Хес прави едно от най-удивителните открития в науката.
Тук Хес открил, че невероятно тайнствени лъчи енергия
идват от космоса и пронизват Земята.
Те били невероятно по-мощни от всичко видяно досега.
Нарекли ги космически лъчи.
По същото време в лабораториите долу учените изследвали
точно толкова тайнствени и същевременно мощни лъчи енергия,
излъчвани от атомите и познати като радиоактивност.
Мистериозно излъчване от необятните космически простори
и мистериозни лъчи от дълбините на атома,
най-малкия градивен елемент.
Никой нямал представа, какво представляват те
и дали имат връзка помежду си.
И тогава последвала невероятна история.
Космическите лъчи и радиоактивността
се оказали свързани по неописуем начин.
Разкриването на тази връзка ни кара да преосмислим
природата на реалността сама по себе си.
Светът, който си мислим, че познаваме,
материалният, вдъхващ увереност свят на нашите сетива,
е само малко парченце от една безкрайна, чудата вселена,
каквато не сме допускали и в най-развинтените си фантазии.
Нашата действителност е просто една илюзия.
АТОМ Илюзията на реалността
До средата на 20-те години на ХХ-ти век атомът ни разкрил
своите странни тайни в изумителен порядък,
водещ от една научна революция към друга.
През 1897 г. Мария Кюри изследвала странни лъчи,
излъчвани от някои редки метали.
Тя ги нарекла радиоактивност.
После през 1905 г. Алберт Айнщайн по неопровержим начин доказал
съществуването и размера на атома,
изучавайки движението на цветен прашец върху вода.
Няколко години по-късно новозеландецът Ърнест Ръдърфорд
провел експеримент в Манчестър,
който разкрил формата и строежа на атома.
Учените били потресени от откритието,
че атомът е почти изцяло празно пространство.
Възникнал въпросът, как е възможно този празен атом
да създаде твърдия свят около нас?
Отговорът дала работата на група революционни физици в Дания.
Те предположили, че в света на атома действат принципи,
които преди са били абсолютно непознати на човечеството.
Това означавало, че атомът,
основната градивна единица на всичко във вселената, е уникален.
И вероятно се намира извън възможностите на човешкото разбиране.
После учените изследвали ядрото, миниатюрното сърце на атома.
Те открили, че то избухва с мощна енергия.
Това откритие им дало потенциал,
който може да предизвика унищожение на Земята,
но с изненадващ обрат, то им дало и фундаментално разбиране
за това, как е възникнала самата вселена.
И въпреки всичко пътешествието към опознаването
на странния и капризен атом едва било започнало.
През 1927 г. един младеж следвал във факултета по математика
на Кеймбриджкия университет.
Срамежлив, непохватен, грубоват и поразително надарен.
Името му било Пол Адриен Морис Дирак.
Би било честно да кажем, че името Пол Дирак не е известно на всички.
А би трябвало.
Наскоро той бе определен от други физици
като втория най-виден английски физик на всички времена, след Исак Нютон.
И той заслужава почести.
Всички блестящи умове, пионерите на атомната физика,
са далеч зад Дирак,
победени от явната му смелост и нетрадиционно мислене.
Когато Айнщайн прочел труда на тогава 24-годишния Дирак, той казал:
"Имам проблеми с Дирак.
Това главозамайващо балансиране между гениалността и безумието е ужасно."
През 1927 г. по причини, които никой до ден днешен не проумява,
Пол Дирак си поставил монументална по мащаб задача,
да обедини науката.
Да събере всички разхвърляни нейни части в една прелестна цялост.
И преди всичко това означавало да се обединят двете най-сложни
и анти-интуитивни идеи в историята.
Ето какво се опитвал да съгласува Дирак.
От една страна математическите уравнения от квантовата механика,
описващи атома и неговите съставни части,
от друга - Специалната теория на относителността на Айнщайн,
която на пръв поглед изглежда нямаща нищо общо с атома.
Занимава се с величествени неща, като природата на пространството и времето.
Едно от нейните следствия е това, че обектите се държат по различен начин,
когато се движат със скорост, близка до тази на светлината.
Първото, което ви хрумва като въпрос е,
защо някой ще иска да свърже две толкова различни теории?
В края на 20-те уравненията на квантовата механика
постоянно давали грешен отговор
при описанието на електроните, една от частите на атома,
тъй като те се движели с много голяма скорост.
Но Дирак имал и много по-езотеричен мотив.
Бил цитиран веднъж да казва:
"Физичната теория трябва да има математическа красота."
Така за него фактът, че квантовата механика
и теорията на относителността не са съгласувани,
бил не просто неудобен, ами направо отвратителен.
И така около 1925 г. в Кеймбридж
Дирак насочил към проблема своя забележителен ум,
който дори Айнщайн имал проблем да се разбере.
Това е стая А4 в новия съд. Автентичният кабинет на Дирак.
Камината е запечатана.
Точно тук Дирак се опитвал да проумее и обедини
двете нови идеи във физиката на ХХ-ти век.
Дирак седял тук, пред пламтящата камина
и опитвал да разбере и обедини
тези две различни теории в една обща картина, в едно уравнение.
В течение на три обезсърчителни години той работил сам над този проблем.
И в една вечер, в началото на 1928 г., той направил удивително откритие.
Единственият начин да обясня, какво се случило, е да кажа,
че уравненията на квантовата механика
и специалната теория на относителността се обединили в главата на Дирак.
Описанието на пространството и времето на Айнщайн някакси
свило и разтегнало съществуващите уравнения на атома.
Те се напрягали и усуквали в нови странни и забележителни модели.
И ръководейки се от своята непоколебима увереност в това,
че законите на природата трябва да са красиви,
Дирак извел едно ново уравнение, съвършено ново описание на това,
което се случва вътре в атома.
Дирак бил уверен, че е прав, защото то имало математическа красота.
Ето го и него, Уравнението на Дирак.
Не се опитвайте да го разберете. Само го гледайте и му се възхищавайте.
То се нарежда сред достиженията на човечеството, заедно с Крал Лир,
Петата симфония на Бетовен или Произходът на видовете.
Защото скрито в тези символи е съвършеното описание на това,
как функционира реалността на фундаментално ниво.
Това е ключът към тайния шифър на природата.
С перфектна математическа елегантност
Уравнението на Дирак описва атомните частици,
движещи се с произволна скорост до скоростта на светлината.
Това било повече, отколкото Дирак очаквал,
но когато се вгледал в собственото си уравнение по-внимателно,
той забелязал в него нещо революционно потресаващо.
По-късно той казал,
че неговото уравнение знае повече от самия него.
В основата си Уравнението на Дирак съобщавало за съществуването
на друга вселена, която досега не сме забелязали.
Това е така, защото вместо един отговор, неговото уравнение има два.
Първият описва познатата вселена, изградена от атоми.
Вторият описва огледално отражение на нашата вселена,
от атоми, чиито свойства са по някакъв начин противоположни.
Почитателите на научната фантастика знаят, какво ще последва.
Уравнението на Дирак предсказва съществуването както на материя,
така и на антиматерия.
Теорията на Дирак като че ли казвала, че за всичко от познатия ни свят,
за всяка част на атома, за всяка частица
съществува съответна античастица,
със същата маса, но напълно противоположна
във всяко друго отношение.
Точно както в огледалния свят, вселената от атоми антиматерия,
ще изглежда и функционира точно като нашата.
Би било напълно възможно и аз да съм изграден от антиматерия.
Анти-аз би изглеждал и би се държал точно така, както и оригиналния аз.
И е възможно там, в необятното космическо пространство,
да има звезди, планети и даже живи същества, направени от антиматерия.
Такава е крайната прогноза на Уравнението на Дирак.
В него се казва, че материята и антиматерията
никога не трябва да влязат в контакт.
Ако това стане, ще се анихилират във взрив от чиста енергия.
Сумарната маса материя и антиматерия ще се преобразува в чиста енергия.
съгласно известната формула на Айнщайн Е=mC^2.
Тъй че ако някога се срещна с моя антипод, ще се анихилираме
с енергия, еквивалентна на милиони атомни бомби над Хирошима.
Всичко това звучи като научна фантастика
и затова идеята за антиматерията предизвиквала голямо недоверия.
Но истината е, че антиматерията,
в частност античастицата на електрона, наречена позитрон,
днес се получава рутинно в лабораторни условия.
Позитроните се използват в сложни медицински устройства
за създаване на изображения- позитронно-емисионния томограф,
способни да виждат през нашия череп и да дават подробна картина на мозъка.
Но през 20-те първоначалната реакция на Уравнението на Дирак
сред физиците била много скептична.
Дори Дирак не се доверявал на собствените си резултати.
Антиматерията изглеждала толкова нелепо понятие.
Тогава дошло решаващо потвърждение на Уравнението на Дирак
и всички негови парадоксални следствия.
И то дошло от най-малко очакваното място - откритият космос.
През 1932 г. физикът Карл Андерсон работел тук,
в Калифорнийския технически университет в Лос Анжелис,
когато направил удивително откритие.
Той изследвал космическите лъчи.
Това са високоенергийни субатомни частици,
които постоянно бомбардират Земята от космоса.
За целта използвал устройство, наречено камера на Уилсън.
Това е съд, запълнен с фина мъгла от водна пара.
В нея се отбелязва дирята на прелитащите частици.
Ако се постави в магнитно поле,
тези следи се отклоняват в една или друга посока,
в зависимост от електрическия заряд на частиците.
Положителните отиват в една посока, а отрицателните - в друга.
Андерсон открил доказателство за наличие на частици,
които изглеждат точно като електроните,
но се отклоняват в противоположна посока.
Той открил антиелектроните на Дирак, частици антиматерия.
Уравнението на Дирак се явява впечатляващо достижение.
Предсказаното от него съществуване на антиматерия
чрез използването единствено на чиста математика,
е напълно достатъчно да го превърне във важно събитие
в историята на човешката мисъл.
Но само няколко години след публикуването му,
отначало Дирак, а после и останалите доловили,
че новото уравнение говори за нещо много по-дълбоко,
за нещо напълно ново в природата.
И били прави.
Но на откритието, скрито в Уравнението на Дирак, му трябвали усилията
на най-великите умове в продължение на 30 години, за да бъде направено.
Проблемът с Уравнението на Дирак е в това,
че макар и да притежавало изключителна сила
и да довело до откриването на антиматерията,
в крайна сметка то описвало само един електрон.
Изобщо не можело да обясни, какво се случва при наличие
на повече електрони.
Необходима била нова теория, която да обясни,
как електроните си взаимодействат един с друг.
И това се оказал най-трудният въпрос в средата на ХХ-ти век.
А когато отговорът бил намерен, донесъл със себе си неочаквано откритие.
Този офис в Калифорнийския технологичен университет
е принадлежал на великия Ричард Фейнман.
В нашата история, пълна с толкова научни гении,
Фейнман, според мен, отстъпва единствено на Айнщайн
в списъка на най-великите физици на ХХ-ти век.
Фейнман бил не просто общоизвестен гений,
мнозина го наричали магьосник, толкова бил умен и новатор в мисленето.
Както Айнщайн, той станал митична общоизвестна личност.
Фейнман бил широко скроена личност с изявена индивидуалност.
Той обичал да съчинява и разказва анекдоти за себе си.
Посещавал стриптийз барове, имал връзки със студентките си
и се носели слухове, че участвал в оргии.
Но най-големият му принос към физиката е ролята, която изиграл
в разработването на следващия етап на квантовата механика.
Фейнман и съвременниците му се опитвали да поемат атомната факла от Пол Дирак
и да доразвият теория, която буквално да изведе
нашето разбиране за атома с един квантов скок напред.
Както и преди с уравнението за антиматерията на Дирак,
посоката на новата теория била обединението.
Те искали да разберат, как електроните си влияят един на друг.
С други думи, стремежът бил да се обясни,
как всичко работи заедно посредством електромагнитно поле.
Те нарекли своят обединителен проект квантова електродинамика.
Проектът бил голямо предизвикателство, но крайният резултат бил великолепен,
Най-важната и точна научна теория, която е формулирана някога.
Например тя предсказва едно свойство на електрона, наречено магнитен момент,
със стойност 2,002319304
Експерименталните измервания потвърждават точно същата цифра.
Това е съвпадение между теорията и експеримента
до една част на десет милиарда.
Това е безпрецедентна степен на съгласуваност.
Това е като да измериш разстоянието между Лондон и Ню Йорк
с точност до размера на косъм.
Феноменалната прецизност на квантовата електродинамика
стои в основата на всичко, което изпитваме във физическия свят.
Така сме се приближили най-близо
до Теорията за всичко от когато и да било.
Тя определя природните закони в атомен мащаб.
Тя обяснява формата, цвета, текстурата
и начина, по който всичко си взаимодейства.
Обхваща и поддържа всичко, от биохимията на живота
до това, защо не пропадаме през пода.
И така, какво всъщност казва квантовата електродинамика?
Тук нещата стават доста сложни.
Това може да е прекрасно научно обяснение на природата,
но да се опитваме да разберем, каква е теорията на Фейнман
е почти невъзможно.
Ето какво казвал самият той, когато представял теорията си:
"Моята задача е да ви убедя, да не я отхвърляте, ако не я разбирате.
Моите студенти физици не я разбират.
Това е така, защото и аз не я разбирам. Никой не може."
Ако първооткривателите на една теория не я разбират,
има ли надежда за останалите?
С тази уговорка, аз възнамерявам така или иначе да се опитам да я обясня.
Най-напред ще ви се наложи да се откажете от своята
интуитивна представа за природата.
Трябва да се откажете и от представата, че празното пространство е празно.
Нека опитам да поясня.
Ако изкарам всичкия въздух от тази банка,
вие съвсем справедливо ще кажете, че премахвайки
всички атоми въздух съм създал вакуум.
Обем, пълен с истинска празнота.
Квантовата електродинамика оспорва тази идея на здравия разум,
казвайки, че вакуумът не съществува.
Повтарям: няма място, където да не съществува нищо и да не се случва нещо.
Вместо това е пълно с "нещо". И с изобилие от активност.
Но как е възможно това да е истина?
Добре, нека си представим една малка точка от празното пространство.
Здравият разум ни подсказва, че там няма нищо.
Но според квантовата физика, там няма ОСРЕДНЕНО няма нищо.
Това ни принуждава да преосмислим разбирането си за реалността.
Представете си празното пространство като банкова сметка,
която средно аритметично е празна.
Това понятие вече ми е нещо познато!
Няколко дни може да има 100 паунда кредит, а друг път - 100 овърдрафт.
Но средно балансът е нулев.
Оказва се, че празното пространство има аналогични счетоводни умения,
но то борави с енергия, а не с пари.
А тя е буквално взета на заем от бъдещето,
при условие, че ще бъде върната много бързо.
На практика това означава, че заимстваната енергия
може да се използва за създаване на частица и античастица,
които спонтанно се формират от пустотата при условие,
че секунда по-късно те ще се анихилират една друга и ще изчезнат.
Енергията е взаимствана там от нищото.
Тя се преобразува в материя, която се самоунищожава обратно в енергия.
И това се случва за един миг по протежение на цялата пустота.
Фактически, смайващо потвърждавайки теорията на Дирак за антиматерията,
вакуумът гъмжи от огромно количество частици материя и антиматерия,
които непрекъснато се създават и унищожават.
В най-малките мащаби на пространството
бушуват непрекъснато създаване и разрушение.
Физиците наричат това квантова пяна.
Частиците в квантовата пяна се появяват и изчезват
така бързо, че не ги забелязваме.
Ние говорим за тях като за виртуални частици,
но ако можехме да забавим времето и почти да го спрем,
щяхме да можем да видим това кипене,
това постоянно създаване и анихилиране на материя и енергия.
И това е тъканта на самата реалност.
Това ни навежда на най-потресаващата идея.
Според квантовата електродинамика
материята, която изгражда света,
този свят, който виждаме и докосваме,
в основата си е един вид наднормен остатък от трескавата активност
на виртуалните частици във вакуума.
По такъв начин вие, аз, Земята, звездите, всичко
в основната си част е по-дълбока, безкрайно сложна реалност,
каквато не бихме могли да си представим.
Естествено, когато Фейнман пристъпил към разработване
на своите революционни идеи в средата на 40-те в Калифорнийския институт,
неговите съвременници били ужасени,
тъй като към момента общото мнение било,
че проектът е абсолютна катастрофа.
Тази теория нямала решение.
Уравнението нямало смислен отговор. Математиката излязла извън контрол.
Но Фейнман смятал, че може да намери път
през математическата сложност към нова истина.
Това, което направил, с високомерието и дързостта, присъщи на младостта,
било да пресече напряко през безумно сложната математика.
Фейнман разработил поредица
от революционни, но по детски изглеждащи диаграми,
обясняващи новите му идеи.
Тяхната изящна простота била противоположна
на сложната традиционна квантова механика.
Конфликтът изглеждал неизбежен.
През 1948 г., на възраст 30 години,
Ричард Фейнман решил да обнародва своята спорна версия
на квантовата електродинамика и своите странни диаграми пред физичния свят.
Той избрал най-важната конференция от научния календар.
Край Пенсилвания, на конференцията в Шелтър Айлънд
присъствали знаменитости на физиката-
Нилс Бор, бащата на атомната физика,
първооткривателя на антиматерията Пол Дирак
и създателя на американската атомна бомба, Робърт Опенхаймер.
Атмосферата още в самото начало на конференцията била мрачна.
Вярата в квантовата електродинамика била почти изгубена.
Тя изглеждала безнадеждна бъркотия.
Един след друг ставали физици и с отчаяние споделяли
за неуспех в търсенето на решение.
Тогава дошъл ред и на Ричард Фейнман.
Едва 30-годишен, той станал и се изправил пред най-видните учени
и започнал да им представя своите нови диаграми и уравнения.
Това, което се случило, било поразително.
Настанала караница, не заради странното описание на реалността на Фейнман,
физиците са свикнали с фантастиката,
а защото той се осмелявал да визуализира, какво се случва.
Вместо да използва мистериозна, сложна математика,
Фейнман описвал своите виртуални частици, използвайки прости картинки.
Настанал хаос.
Нилс Бор, бащата на квантовата механика, скочил от стола си с отвращение.
Той намразил диаграмите на Фейнман,
защото те влезли в разрез с това, на което посветил живота си.
Той твърдял, че атомните частици
не могат да бъдат визуализирани при никакви обстоятелства.
Фейнман защитавал своята нова теория,
опитвайки се да обясни, че диаграмите са само инструмент,
който да помогне за визуализацията на уравненията.
Но останалите учени, в това число и Дирак, не искали да го слушат,
наричайки го идиот, който нищо не разбира от квантова механика.
Фейнман завършил лекцията си оскърбен, но не и разкаян.
Той бил уверен, че диаграмите и уравненията му са верни.
Само да можел да убеди и останалите.
Същата вечер Фейнман се срещнал с друг млад физик, Юлиус Швингер.
Той бил на възрастта на Фейнман, а още 12-годишен бил определен за дете-чудо.
Макар с Фейнман да работели независимо един от друг
и да намерили решение по различни пътища,
те достигнали до еднакви изводи.
В своите нови уравнения те решили проблема на квантовата електродинамика
и с диаграмите на Фейнман създали теория с изключителна сила.
Заедно като съюзници те планирали атака на Нилс Бор и консерваторите.
В края на конференцията
настроението в пенсилванския крайпътен ресторант се сменило
от пълна безизходица във вълнуващ трепет и надежди.
В течение на няколко години теорията им била конкретизирана
и бързо станала най-точната и мощна теория на човечеството.
Въпреки че накрая квантовата електродинамика била опитомена,
нейните описания за празно пространство,
кипящо от енергия, която не можем да усетим,
и виртуални частици, които не можем да видим,
правят повечето хора, в това число и физици,
доста подозрително настроени.
И мнозина скептици могат да кажат, че тези призрачни обекти,
които предполагаемо изпълват вакуума,
всъщност не са реални.
Да, сложните математически уравнения
изглежда че доказват тяхното съществуване,
но това само по себе си не означава, че те съществуват.
Може и да са просто математически фантазии
без всякакво реално основание.
Е, аз имам лоши новини за скептиците.
От края на 50-те години насам доказателства за това,
че празното пространство ни най-малко не е празно,
а в действителност кипи от активност, се откриват постоянно в лабораториите.
Изненадващо, първата следа за това, че празнотата не е празна,
дошла от един буркан с майонеза.
През 1948 г. физикът Хендрик Казимир
работел в изследователската лаборатория на Филипс в Холандия
върху един на пръв поглед несъществен проблем на колоидалните разтвори.
Този причудлив термин е за назовaване на вещества
като боята и майонезата,
които се състоят от малки твърди частици, разбъркани в течност.
Никой не знаел, защо майонезата не е течна,
защо не се държи като обикновена течност.
Изглеждало сякаш някакви странни сили
удържат молекулите на майонезата заедно, придавайки й този вискозитет.
Tова карало Казимир да се замисли над тях.
В удивителен проблясък на мисълта,
Казимир разбрал, че мистериозните сили, които удържат молекулите заедно,
имат някаква връзка с мистериозните частици в празното пространство.
И даже измислил експеримент, който да визуализира тези частици.
На Казимир му отнело десет години, за да осъществи замисления експеримент.
Но по същество той е много елементарен.
Поставяте във вакуум две метални пластини много близо една до друга.
Тези не са магнити и са електрически неутрални,
т.е. можете да очаквате, че ще стоят неподвижно.
неповлияни една от друга.
На практика с течение на времето те започват да се приближават
заради много слабите сили, които ги тласкат една към друга.
И тази избутваща сила, показана от Казимир, е предизвикана
от действието на виртуалните частици, изпълващи вакуума.
Както вятърът, издуващ платната на лодка в морето, материалът,
от който е изградена празнотата, бута пластините една към друга.
Фактът, че нищото, чистата празнота може да упражни
неголяма, но реална механична сила,
несъмнено е едно от най-големите вълшебства на природата.
В мигове на фантазиране, физиците размишляват над това,
как тази така наречена енергия на вакуума би могла да бъде опитомена.
Те си представят, че тя може да задвижва междугалактически кораби
за придвижване на хората в космоса.
Не се знае, дали това някога ще се случи, но връзката на майонезата
с космическите пътешествия е нещо, с което Дъглас Адамс би се гордял.
Квантовата електродинамика по всички мащаби,
е наистина величествено откритие.
Тя е една от кулминациите в нашия разказ,
славен завършек на пет удивителни научни десетилетия.
С квантовата електродинамика атомът ни даде теория,
обясняваща по-голяма част от нашата вселена с поразяваща точност.
Но с триумфалната поява на квантовата електродинамика в края на 40-те,
нашият разказ започва да става доста объркан и мъчителен.
Основавайки се на квантовата електродинамика, учените били убедени,
че по-голямата част от всичко във вселената
се състои основно от две неща - атоми и светлина.
Светлината - това са миниатюрни частици, наречени фотони.
А атомите са изградени от три компонента,
електрони, протони и неутрони.
А антиматерията - съответно от антипротони,
антинеутрони и позитрони.
Малко необичайно, но привлекателно симетрично.
Всичко в градината на физиката било цветя и рози,
благодарение на законите на квантовата електродинамика.
Но скоро, за ужас на всички практикуващи физици,
внезапно се появили нови екзотични частици,
като неканени натрапници, дошли да развалят партито.
Екзотични обекти, които не се съгласували с никоя позната теория,
започнали да изникват така често в лабораториите,
че учените не смогвали да им дадат имена.
Неутрино, положителен мезон, отрицателен мезон,
каон, ламбда, делта...
И всяка от тях имала двойник от антиматерия.
Когато била открита новата частица мюон, един физик язвително отбелязал:
"Кой го поръча това?!?"
Настанала голяма бъркотия,
а физиците отчаяно гледали на всичко като на зоологическа градина с частици.
Когато на учените има се струвало, че са решили някоя загадка на природата,
атомът им сервирал нещо още по-странно.
За няколко години атомната физика преминала
от състояние на спокойна увереност към всеобщ хаос.
И разбира се, за да се намери някакъв смисъл в тази нова загадка,
трябвала - да, навярно вече се досещате - още една научна революция.
Третият гений в нашия разказ е Мъри Гел-Ман.
Той бил вундеркинд.
На 15 години вече учил физика в университета в Йейл,
а на 20 получил звание доктор по физика.
Неговият невероятен интелект стряскал околните.
Той владеел много езици и имал задълбочени познания по всякакви теми.
Както и Ричард Фейнман, към когото той се присъединил тук,
в Калифорния в началото на 60-те,
той притежавал способност сякаш да вижда отвъд пределите на математиката
основополагащите, скрити тайни на природата.
Гел-Ман и Фейнман заедно създали чудесен тандем.
Този работен кабинет с номер 456 принадлежал на Фейнман.
Интересно е, че само две врати надолу по коридора бил този на Мюри Гел-Ман.
Между тези два интелектуални титана имало научно съперничество,
но те се подхранвали взаимно с творческия потенциал на другия.
Те били много различни.
Фейнман се правел на шут, а Гел-Ман бил възпитан човек, принадлежащ към елита.
Гел-Ман се дразнел от високото говорене на Фейнман.
Фейнман обичал да го дразни.
Но през 60-те и 70-те години тези два гения
били водещи в областта на елементарните частици.
Тяхното ожесточено съперничество ги тласкало на предела на въображението
и по-специално Гел-Ман отчаяно се стремял да се докаже пред Фейнман,
слагайки ред в този зоопарк на частиците.
В трескавата интелектуална атмосфера на Калифорнийския университет
умът на Гел-Ман създал нещо много странно.
Той започнал да работи с различни видове математика,
за да се оправи с преобладаващите субатомни частици.
Той използвал един малко известен вид математика, наречен теория на групите.
Както подсказва името й, това е теория,
която анализира групи числа и символи
и се опитва да ги организира в прости модели.
Това прилича на работа с абстрактна форма на оригами.
Използвайки този метод, Гел-Ман започнал да събира
всички известни частици в организирана система,
която нарекъл Осемстепенния път, на името на будистка поема.
И тогава той направил своето най-удивително откритие.
Гел-Ман разбрал, че неговата теория на групите сочи
към по-дълбока основна математическа истина,
притежаваща потенциала да пренапише атомната библия.
Математиката на Гел-Ман му показала, че с цел да направи съгласувани модели
на всички нови частици от Осемстепенния път,
трябва да признае една по-дълбока, скрита, фундаментална реалност.
Още веднъж било потвърдено, че нещата не са такива, каквито изглеждат.
Физиците се чувствали комфортно със схващането,
че атомите се състоят от три вида частици.
Електрони, обикалящи в орбита около ядро от протони и неутрони.
Гел-Ман имал смелостта да предположи, че протоните и неутроните на свой ред
се състоят от по-прости частици, които той нарекъл кварки.
Мъри Гел-Ман бил образован и дързък,
но дълбоко вътрешно не му достигала увереност.
Той знаел, че за колегите му,
дори за онези, свикнали със странностите на атома,
появата на кварка ще бъде прекалена.
И в никакъв случай нямало доказателство за съществуването
на нещо толкова смътно като кварка.
Бил убеден, че новата му теория ще бъде обявена за смахната или погрешна,
затова Гел-Ман премълчал своето откритие
и една от най-ярките научни идеи за малко да бъде изгубена завинаги.
Тогава се случило нещо необичайно само на няколко стотин километра на север.
Това е Станфордският линеен ускорител, на юг от Сан Франсиско.
Това, което виждате е само единият край на гигантско електронно оръдие.
Лъч от високоенергийни електрони се пуска в тунел,
който започва на повече от три километра под хълмовете,
минава под магистралата и влиза тук, в експерименталния обсег.
Сивата сграда е крайна станция А,
в която е направено едно от най-важните открития в областта на физиката.
Построена е през 60-те и все още действа,
най-дългото и единствено по рода си съоръжение на Земята.
Вече 40 години продължават строителните дейности
и все още се използва за фундаментални изследвания.
Намирам се вътре в сградата на трикилометровия линеен ускорител.
Червените обекти отдясно се наричат клистрони
и с мощността си усилват електронния лъч, намиращ се на шест метра под нас.
През първите няколко метра електроните ще се ускорят
до 99% от скоростта на светлината.
Нека го кажа по друг начин.
Ако тези електрони започнат своето пътуване
по същото време, когато изстреляте куршум,
те ще изминат цялото разстояние от 3 км,
преди куршумът да е напуснал цевта.
Електронният лъч, движещ се с почти светлинна скорост,
трябва да попадне в целта.
През 1968 г. тук, където се намирам, е имало голям резервоар с водород,
състоящ се предимно от протони.
Електроните се удрят в протоните и се разсейват през тръбата,
за да бъдат уловени от огромни детектори, намиращи се в залата.
И така физиците получили най-голямото потвърждение за това,
че съществува набор от правила, поддържащ зоопарка от частици.
Фактът, че били открити разсеяни електрони с необичайно висока енергия,
бил убедително доказателство за това, че протоните имат вътрешна структура.
Иначе казано, протоните били изградени от още по-елементарни частици.
Това били кварките на Гел-Ман.
Това бил велик момент.
В продължение на десетилетия хората били убедени,
че компонентите на атомното ядро - протона и неутрона
са абсолютно фундаментални.
А сега за първи път се появило свидетелство за нещо още по-навътре.
Кваркът е хитро и неуловимо зверче.
Има шест различни кварка по вид или характер.
Горен, долен, странен, чаровен, дънен, върховен.
Освен това, кварките никога не съществуват самостоятелно,
само в комбинация с други кварки.
Затова е невъзможно да се видят, може само да прави извод за тяхното наличие.
Въпреки тези неудобства, кваркът доведе до някакво подобие на порядък.
През последните години това ни позволи да създадем простичко,
но работещо описание на това, как е възникнала вселената.
По принцип всичко във вселената, което е изградено от атоми,
всъщност се състои от кварки и електрони. Това е всичко.
Това ни води до съвремието.
Откриването на кварка през 1967 г.
е последното значимо експериментално откритие
на нов вид елементарна частица.
Според някои може да открием, че и кваркът на свой ред
е изграден от нещо още по-странно. И това е възможно.
Но и докъдето сме достигнали засега е добре.
Нашето пътуване от доказателството на Айнщайн
за съществуването на атома през 1905 г.
до наши дни беше изключително.
Научихме толкова много за света на атома,
от размера и формата до това,
как в неговия център се намира тайната на самата вселена.
За това, как той свидетелства за неизвестния свят на антиматерията
и за това, че празното пространство съвсем не е празно.
От това, че го смятахме за един от основните градивни блокове на вселената
до откритието, че има дори нещо по-фундаментално от него.
И сега, въпреки цялата мощ на науката,
нещо не е съвсем както трябва.
Има две поразителни и обезпокоителни аномалии.
Първата от тях днес се намира на преден план пред теоретичната физика по света
и касае един от най-старите съществуващи принципи.
Гравитацията.
Тя била напълно изучена от Айнщайн до днес,
но никога досега не е била част от атомната физика.
Внезапно се появи проблясък на надежда,
идващ от идеи, твърде откачени, за да са верни.
Едни от тях са теориите на струните,
които разглеждат субатомните частици като малки трептящи струни,
имащи многоизмерно пространство вътре в себе си.
Други, наречени мембранни теории, предполагат, че пространството и времето
са само мембрана, плуваща в мултивселената.
Има и "примкова квантова гравитация", според която не същества изобщо нищо,
а всичко постоянно се създава от малки скокове на самите време и пространство.
Но въпреки нежеланието на гравитацията да се впише в квантовата теория,
мисля, че има нещо още по-лошо, спотаено в квантовите сенки,
нещо наистина кошмарно.
Във вечерите след физичните конференции по целия свят,
когато се събираме в някой бар и на питие обсъждаме нашите странни идеи,
има неща които сериозно ни обезпокояват.
Водещи сред тях са законите на квантовата механика, на които се подчиняват атомите.
И в частност, един техен аспект, наречен "проблем на измерването".
Ако искате да съзрете ужас в очите на квантов физик,
просто изречете думите "проблем на измерването".
Той е следният.
Един атом се появява на определено място само когато го измервате.
С други думи, един атом се разпростира в цялото пространство,
до тогава, докато някой съзнателен наблюдател не реши да го погледне.
Така че, актът на измерването или наблюдението, създава цялата вселена.
Само за да покажа, колко е безумна тази идея,
ще се опитам да обясня един от най-известните
хипотетични експерименти в цялата наука.
Нарича се Котката на Шрьодингер.
Ервин Шрьодингер е баща на атомната физика.
В средата на 30-те разработил експеримент за демонстрация
на абсурдността на квантовата механика.
Вземете сандъче и поставете в него затворен контейнер с цианид,
свързан с детектор за радиация, и радиоактивен материал.
Ако атом от радиоактивния материал излъчи частица,
тя ще бъде уловена от детектора и той ще освободи цианида.
После взимате Котката на Шрьодингер, която в случая е прекрасната
норвежка котка на име Докинс.
Трябва да отбележа, че това не е истински цианид.
Пъхвате котката в сандъка, затваряте капака... и чакате.
Ето каква е главоблъсканицата:
съгласно традиционната квантова механика,
известна като Копенхагенска интерпретация,
през цялото време докато кутията е затворена,
за радиоактивния атом вътре не се знае,
дали се е разпаднал и е излъчил частица.
Така че ние можем да опишем това като наличие на две състояния,
разпаднал се и неразпаднал се, едновременно.
Помислете, какво означава това.
Тъй като радиоактивната частица освобождава отровата,
котката е едновременно отровена и неотровена.
Докато не отворим капака, за да проверим съдбата на котката,
което се нарича да проведем измерване,
дотогава ние не просто не знаем, а котката е едновременно жива и мъртва.
Това определено е парадокс.
Или какво?
Парадоксът с котката на Шрьодингер
и противоречивият характер на проблема на измерването
ни карат да се съгласим, че малките обекти в субатомния свят
се подчиняват на много странни правила.
Но в по-голям мащаб, този на ежедневния ни опит,
тези правила изчезват и един съвършено нов набор от хубави,
интуитивни правила взима превес.
Но как е възможно това?
Някои твърдят, че всъщност квантовата странност на атома
може би вече е написана из целия космос
и вероятно ще трябва да премислим отново всичко, което знаем за космоса.
Добре дошли при многото световни интерпретации на квантовата механика
и техния основен поддръжник, Дейвид Дойч от Оксфордския университет.
Дойч предполага, че реалността сама по себе си е разбрана неправилно.
Той смята, че квантовата механика всъщност описва не една вселена,
а безкрайни на брой паралелни вселени.
Той я нарича мултивселена,
в която всеки възможен квантово-механичен резултат
за всеки един атом във вселената съществува някъде.
Така че атомът и неговите електрони са мултиверсални обекти.
И този мултиверсален обект е това, което описва квантовата механика.
Това означава, че паралелната вселена като аспект от реалността,
както е описван в квантовата механика, трябва да се прилага
за обекти от всякакъв мащаб - хората, звездите, галактиките... всичко.
И точно затова я наричаме теория на паралелните вселени,
а не просто теория на паралелните електрони.
Защото сме направени от атоми.
Това е вярно.
Същата тория, която казва, че атомите съществуват на повече от едно място,
казва и това, че хората също съществуват
на повече от едно място в различни вселени.
Има и вселени, в които аз и вие изобщо не съществуваме.
Многоуважаваният автор и физик Пол Дейвис има още по-странна идея.
Той предполага, че чудатостта на проблема на измерването
обяснява всъщност как е възникнала вселената.
Днешният изследовател може да прави лабораторни изследвания,
които влияят на характера на реалността,
както и преди 5 милиарда години.
Съществува един вид обратна връзка
между съществуващите живи организми и наблюдатели
и законите и обстоятелствата, които се явяват първопричина за появяването им.
Иначе казано, изглежда удивително, че вселената е възникнала
с точните закони и условия, довели до наблюдатели като нас,
които да проведат измерване и да придадат смисъл на всичко това.
Но квантовата механика описва точно такава обратна връзка през времето.
Тя допуска ефекта за връщане назад във времето.
Без причинно-следствена връзка.
Това не значи, че ние тук и сега изменяме миналото
и го правим такова, че да съществуваме,
а че влияем на миналото чрез квантовите измервания, които правим днес.
Но има прагматична страна за дискутиране.
Други учени се опасяват, че тези причудливи и метафизични спекулации
оставят на заден план света на измерванията
и лабораторните експерименти.
Професор Андрю Джексън от института Нилс Бор в Копенхаген казва,
че в крайна сметка не би трябвало да се тревожим за интерпретацията
или "проблема на измерването" или пък за котката.
Според него трябва да се безпокоим за т.нар. истинска природа на реалността.
Достатъчно е, че теорията е работеща.
Всичко, което можем да измерим, ни поражда въпроси,
на които можем да отговорим с помощта на квантовата механика.
Така че квантовата механика сама по себе си
без необходимостта от интерпретации,
ни дава отговори и прогнози по отношение на резултатите
на всеки експеримент, който можем да проведем.
Тъй че... не знам... Това за мен е достатъчно.
Т.е. квантовата механика не се нуждае от специална интерпретация,
тъй като такава не добавя нищо ново?
Тя не добавя нищо и аз не мисля, че това ще ни отведе до следващия ход.
Интерпретацията не променя резултатите или правилата
и точно затова не може да бъде тествана.
Последните 200 години в областта на физиката,
този невероятен скок напред, който направихме,
беше защото експериментът оборваше старата теория
и ни водеше до нова теория.
И така постоянно напред и назад, напред и назад.
Нещо, което интерпретацията не прави.
Интерпретацията само ни кара да вярваме,
че разбираме това, което ни казва квантовата механика,
но това е фиксирана точка без ново съдържание.
Квантовата механика е неинтуитивна и е срещу обичайния разум.
Какво бихте казали на хората, които настояват да узнаят,
какво прави атомът, когато не го гледаме?
Не съм сигурен дали ще цитирам Фейнман или Дирак,
но отговорът е: "Млъкни и пресметни". Така че, млъкни и използвай математика.
"Млъкни и пресметни". Дали това е действително научен прагматизъм,
или е просто догматичен фундаментализъм?
Причината това да е неприемливо от гледна точка на философията
може да бъде най-добре обяснена с един предишен епизод от физиката.
и по-точно с отношението на инквизицията преди няколко стотин години
към идеята, че Земята се върти около Слънцето, а не обратното.
Тя искала да постигне компромис с Галилей допускайки,
че положението на звездите, планетните и Слънцето в небето
е точно предсказано от тази теория,
но е самонадеяно от страна на хората
да претендират да опишат съществуващата реалност,
защо една звезда се появява тук, а друга там.
Същото се случило и с квантовата механика в ХХ-ти век.
Група хора, на които не се нрави значението
на теорията за действителността решава,
че може да я използва само с помощта на своите прогнози.
Това може да бъде направено с всяка една научна теория,
винаги може да отречем, че тя описва реалността.
Не можем да докажем, че не е правилна, по пътя на експеримента,
но от философска гледна точка е път без изход. Безплодна.
Ще бъде справедливо да отбележа, че повечето физици
използват квантовата механика за описание на субатомния свят,
без да се вълнуват много от нейната интерпретация.
Лично аз не си падам по тази гледна точка.
Аз нямам предпочитана интерпретация, но считам,
че природата трябва да се държи по определен начин.
Тъй че само една интерпретация може да е правилна.
И за да съм напълно откровен - ние вероятно все още не сме я намерили.
Но според мен е просто въпрос на време.
Аз определено не стоя зад "Мълчи и изчисли".
Предпочитам гледната точка "Мълчи, ДОКАТО изчислиш".
Щастлив съм да провеждам своите изчисления за изучаване на атома,
но и когато не съм при работата си
все още се безпокоя, какво означава всичко това.
За последните 100 години ние се взряхме дълбоко в атома,
основната градивна единица на вселената.
И вътре в този миниатюрен обект открихме чудат нов свят,
управляван от екзотични закони, които сякаш отричат всякакъв смисъл.
Атомите ни срещат с главозамайващи противоречия.
Те се държат и като частица, и като вълна,
появяват се на повече от едно място по едно и също време,
карат ни да се замислим над това, какво са минало и бъдеще, причина и следствие
и ни разказват странни неща за това, от къде е дошла вселената и накъде отива.
Доста удивителни неща за нещо,
голямо една десетмилионна част от милиметъра.
Ето защо бащата на атомната физика Нилс Бор веднъж казал,
че когато нещата опрат до атома,
езикът може да бъде използван само като поезия.
Това, което ме очарова е, че макар и да сме придобили
невероятни познания за атомите и тяхното поведение,
нашето научно пътешествие едва е започнало.
Макар да знаем, как се държи един атом или няколко атома,
начинът по който трилиони от тях се обединяват,
за да създадат света около нас, все още е мистерия.
Ще ви дам един драматичен пример.
Атомите, които съставляват моето тяло,
са същите като тези в скалите, дърветата, въздуха, дори в звездите.
A ето че те се обединяват в съзнателно същество,
което може да зададе въпроса "Какво е атомът?"
Обяснението на всичко това със сигурност
е следващото голямо предизвикателство пред науката.
Превод и субтитри: Eternities www.kolibka.com