Чтение онлайн

Преувеличить его значение невозможно. Непосвященным может показаться, будто это просто пикантная подробность из жизни частиц. Когда вы приступали к этой книге, то, наверное, думали, будто частицы вообще не могут накладываться друг на друга, так что вся эта умственная гимнастика с подменой частиц и минусом, возможно, кажется вам какой-то бессмыслицей. Какое отношение это имеет к обычной жизни?!

Атомы, а значит, и мы с вами, и любые инопланетяне, если они есть, сверху донизу состоят из фермионов. Возьмем не совсем наугад два элемента: главное различие между водородом и гелием состоит в том, что у водорода один электрон, а у гелия два и каждый из этих электронов нейтрализует по протону — один и два соответственно. Казалось бы, разница невелика, но она становится поистине космической, если вспомнить о принципе запрета.

Мы уже довольно много говорили о спине электрона, и все это время я подчеркивал, что варианта у нас только два — вверх или вниз. Согласно принципу запрета атом может иметь только два электрона в состоянии самой низкой энергии — один со спином вверх и другой со спином вниз. Атом водорода — обычный, нейтральный, — не особенно хочет принять еще один электрон, но это и не запрещено. Если хотите, засуньте в него лишний электрон, и тогда ион водорода с радостью свяжется с другими положительно ионизированными атомами. Именно эта способность позволяет водороду создавать связь с кислородом, чтобы создать воду, или с углеродом, чтобы создать метан, и с любым из сотен химических веществ, чтобы создать всевозможные соединения, в состав которых он входит.

Гелий подобной роскошью не располагает, у него свободной жилплощади нет. И в отличие от настоящего жилого дома, где всегда можно устроить кого-нибудь поспать в ванной, если очень нужно, вариантов у гелия действительно нет. Состояний спина всего два, основное состояние заполнено, так что гелий не может принять дополнительные электроны, и все тут.

Бедняжка гелий почти всегда один-одинешенек. Недостаточная способность вступать в химические реакции означает, что гелиевые воздушные шары гораздо безопаснее своих водородных собратьев. То же самое можно сказать и о неоне, аргоне и прочих так называемых благородных газах [89] . Во всех этих случаях в разнообразные оболочки из электронов их входит строго определенное количество, не больше и не меньше. Объяснять, почему так выходит, долго и, наверное, не очень нужно, однако на низший уровень влезает всего два электрона (у гелия), на следующий — еще восемь, всего десять (у неона) и т. д. Благородные газы держат свои электроны при себе и не с кем не делятся.

С другой стороны, элементы, у которых вне заполненных оболочек много лишних электронов, например, золото или медь и т. д., прекрасно проводят электричество, это свободолюбивые хиппи атомного мира, которые только рады делиться своими электронами.

Все частицы, с которыми вы сталкиваетесь в повседневной жизни — нейтроны, протоны и электроны — подчиняются принципу запрета Паули, поскольку они фермионы, и ему мы обязаны всем прекрасным во вселенной: иначе оно не могло бы существовать. Однако, как мы видели, не всякая частица фермион.

В мире бозонов все совсем иначе. Поскольку бозоны обладают знаком плюс, на принцип Паули им наплевать. Если взять определенные материалы, например, ядра гелия или фотоны, и охладить их до невероятно низких температур, произойдет нечто неожиданное — эти материалы сконденсируются в лишенные трения сверхжидкости, то есть такие, которые могут, например, течь без вязкости, образовывать ультратонкие слои и даже на первый взгляд не подчиняться гравитации в своем стремлении достичь минимума энергии.

А еще хорошо, что фотоны — это бозоны, потому что иначе у нас не было бы лазеров. Волшебство лазеров состоит в том, что весь свет идеально синхронизируется в одинаковом состоянии и с одинаковой энергией. С фермионами такое бы не получилось.

Бозоны хороши для лазеров, однако для нас плохи. Без фермионов у нас не было бы никакой химии, никакой структуры, которую мы наблюдаем в окружающем мире. Иначе говоря, если бы не минус единица, вас бы здесь не было, и вселенная была бы предельно неантропной.

Принцип запрета [90] обеспечивает наше существование от и до. Знаменитый афоризм Карла Сагана гласит, что вы состоите из «звездного вещества». Казалось бы, к звездам принцип запрета Паули не должен иметь особого отношения, поскольку он вступает в силу лишь тогда, когда возникает опасность перекрывания двух частиц (физики называют это эмоционально окрашенным словом «вырождение»). А в случае звезд это обычно не играет особой роли, поскольку существование звезд вполне обеспечивают высокие температуры в их ядрах, которые создают давление.

Звезды — это вселенские лаборатории, в которых создаются сложные атомы, из которых состоите вы. Большой взрыв произвел кучу простого вещества — в основном водорода и гелия, — но чтобы получить более тяжелые элементы, необходимы звезды. Наше Солнце создает из водорода гелий. В отдаленном будущем водород у него кончится, и оно будет вынуждено довольствоваться более скромной атомной диетой — создавать из гелия кислород и углерод. Однако в конце концов у него вообще кончится атомное топливо, и оно начнет схлопываться под собственным весом. После этого Солнце более или менее вечно будет тлеть в виде белого карлика. Не волнуйтесь, у нас есть еще примерно пять миллиардов лет.

Став белым карликом, Солнце столкнется с принципом запрета Паули лоб в лоб. Когда у Солнца кончится топливо, оно примется остывать. А когда оно примется остывать, то будет уменьшаться, в точности как воздушный шар, надутый горячим воздухом. Вот тут-то и начнутся странности. Солнце будет схлопываться и съеживаться и в конце концов станет размером примерно с Землю, зато его гравитация будет все сильнее и сильнее.

Но в этот момент на сцену выходит принцип Паули. Не забывайте, что кругом летают электроны, а когда Солнце схлопнется, эти электроны окажутся упакованы плотнее прежнего. Гораздо плотнее. Фундаментальные физические законы вселенной благодаря симметрии замещения тождественных частиц не дают двум электронам перекрываться. Схлопывание забуксует и прекратится, а дальше — буквально — вся конструкция окажется во власти неопределенности.

Единственная причина, по которой электроны не могут упаковываться так тесно, что начнут перекрываться, состоит в том, что это частицы со спином- 1/2 , а мы живем во вселенной, которой свойственна симметрия замещения тождественных частиц.

Вырождение говорит нам не только о том, какая участь нас ждет, но и о нашем происхождении. Я уже упоминал, что наша звезда создает гелий, водород и углерод. Несколько более массивные звезды способны порождать и более тяжелые элементы — неон, магний, кремний и железо. Однако и на Земле, и вообще повсюду полным-полно вещества, которое состоит из других элементов.

Откуда взялось все остальное?

Чтобы получить ответ на этот вопрос, нам придется рассмотреть самые массивные звезды. С какого бы огромного-преогромного ядерного бензобака все ни начиналось, в конце концов у любой звезды кончается топливо. Более того, хотя у самых тяжелых звезд больше водорода для сжигания, чем у Солнца, горят они существенно жарче — и гораздо ярче. В результате жизнь у этих звездных тяжеловесов короткая и бурная, и умирают они молодыми.

Самые массивные звезды сжигают все свои запасы, и в результате у них остается только железо. И точка. Сколько ни сжимай железо, для того, чтобы сделать из него что-то еще более тяжелое, нужно больше энергии, чем получается в процессе. Вот почему для расщепления атома требуется уран, плутоний или что-то в этом роде, то есть элементы много тяжелее железа. Раздираешь их и получаешь энергию. А бедненькое одинокое железо идет на свалку ядерной вселенной.