Читать книгу Геній. Річард Фейнман: життя та наука - Джеймс Глик - Страница 9

Перша квантова ідея – твердження, що основою і будівельним матеріалом усього сущого є нероздільні структурні частки, – з’явилася щонайменше двадцять п’ять століть тому, і разом із тим почала свій повільний розвиток фізика народження. І не дивно, адже інакше неможливо було хоч щось зрозуміти стосовно землі чи води, вогню чи повітря. Ідея ця спочатку здалася сумнівною. Нічого у вигляді ґрунту, мармуру, листя, води, м’яса чи кісток не свідчило на її користь, але кілька грецьких філософів у V столітті до н. е. буквально скаженіли від бажання знайти підтвердження цьому припущенню. Речі змінюються – руйнуються, згасають, в’януть чи зростають – однак залишаються самими собою. Поняття непорушності, вочевидь, передбачало існування якихось основних незмінних частин. Саме їхній рух та рекомбінація здатні спричиняти зміни. Тобто, якщо замислитися над цим, логічно було би визначити основні складові будь-якої матерії як незмінні та неподільні – «атомос» давньогрецькою. Але питання, чи є атоми однаковими, залишалося відкритим. Платон, наприклад, дотримувався наступного погляду: «Найдрібніші частинки належать не царству матерії, а царству геометрії; вони являють собою різні тілесні геометричні фігури, обмежені плоскими трикутниками». Куби, октаедри, тетраедри та ікосаедри вважалися відповідними чотирьом первовічним стихіям – землі, повітря, вогню та води. Дехто додавав до цього маленькі «гачки», що утримують атоми разом (із чого ж тоді вони мали бути зроблені, ці «гачки»?).

Експерименти не були поширені в Давній Греції, але деякі спостереження свідчили на користь теорії про атомну будову матерії. Вода випаровується, пар конденсується. Тварини здатні відчувати запахи, що їх розносить вітер. У глечик, по вінця наповнений попелом, можна налити досить багато води, при цьому сумарний обсяг речовини не збільшиться, а це означає, в речовині існують порожнечі. Принцип взаємодії первісних частинок довгий час залишався незрозумілим. Яким чином вони рухаються? Як поєднуються поміж собою? «Незрозуміло, незрозуміло, із чого ж зроблений камінь», – писав поет Річард Вілбер (1921–2017), тонкий спостерігач природи. Тобто навіть в атомну еру все ще важко було зрозуміти, як фізичні частинки, що формуються та скупчуються, здатні утворювати об’єкти з чіткими контурами, які ми бачимо та яких торкаємося щодня.

Кожен, хто вірить у наукові описи звичайних речей, має повсякчас звіряти те, що написано в підручниках, із тим, що існує насправді; інакше кажучи – порівнювати отримане знання з тими знаннями, які в нього вже є. Ще в дитинстві нам кажуть, що Земля кулеподібна, що вона обертається навколо Сонця і навколо власної осі. Ми можемо або прийняти це на віру – як один із постулатів якоїсь сучасної релігії, або зібрати зі шматочків загальну картину світу, яку вже не так просто буде спростувати. Ми бачимо, як наближається до горизонту траєкторія руху Сонця з наближенням зими. Ми можемо визначити час за тінню, що відкидає перший-ліпший стовп. Ми катаємося на каруселі й відхиляємося у бік, протилежний напрямку дії коріолісової сили. Ми намагаємося виправдати зміни у власному самопочутті дією циклонів та змін погоди: Північна півкуля, низький тиск, рух проти годинникової стрілки. Ми можемо розрахувати час, коли щогли вітрильника зникнуть за обрієм. Сонце, вітер, хвилі – увесь навколишній світ не дозволяє нам повернутися до уявлення про те, що Земля є пласкою. До яких хитрощів нам тоді довелося би вдатися, щоби пояснити, яким чином Місяць викликає припливи?

Усі речі складаються з атомів – цей факт набагато складніше узгодити зі щоденним досвідом про міцність та вагу столів та стільців. Якщо подивитися на невеличкі западини, що утворюються на кам’яних сходинках старої будівлі, нам доведеться визнати поступову втрату якоїсь кількості невидимих дрібних частинок під дією тисяч і тисяч людських кроків. Однак ми не здатні поєднати в уяві геометричні грані коштовного каміння із ментальною картиною атомів, складених як гарматні ядра, тому віддаємо перевагу тому, що можна побачити неозброєним оком. Навіть якщо ми все ж таки переконали себе, що ми самі й усе довкола нас складається з атомів, існування твердого каменя залишається загадкою. Річард Фейнман якось запитав шкільного вчителя (і, ясна річ, не почув задовільної відповіді): «Як гострі речі залишаються гострими, якщо атоми постійно хаотично рухаються?»

Уже дорослий Фейнман переймався набагато складнішим питанням: якби під час якогось глобального катаклізму були втрачені всі наукові знання, яке одне-єдине твердження могло би зберегти найбільший обсяг інформації для наступних поколінь розумних істот? Яким чином ми змогли би найкраще передати своє розуміння світу? Він запропонував наступне формулювання: «Усе складається з атомів – маленьких частинок, що перебувають у вічному русі й притягуються між собою, коли розташовуються на невеликій відстані, але відштовхуються під час стискання тіла». До цього він додав: «У цьому одному реченні – і ви це побачите – величезна кількість інформації про світ, якщо трохи скористатися уявою та мисленням». Хоча минули цілі тисячоліття з моменту, коли стародавні натурфілософи висловили думку про атомну будову матерії, Річард Фейнман належав до першого покоління вчених, які дійсно глибоко вірили в те, що саме такою і є фізична реальність.

Ще 1922 року, виголошуючи промову під час отримання Нобелівської премії, Нільс Бор відчув необхідність нагадати слухачам, що науковці «вважають існування атомів безперечним та таким, що не підлягає сумніву». Однак юний Річард, звертаючись до «Британської енциклопедії», бачив таке: «Навіть сьогодні теоретична хімія не має достатніх доказів, що підтверджують цю теорію». Більш переконливі докази надавала нова наука – фізика. Явище, що отримало назву «радіоактивність», здавалося безпосередньо пов’язаним із реальним розпадом речовини, оскільки його можна було реєструвати кількома способами. Однак аж до вісімдесятих років ХХ століття ніхто не міг би сказати, що бачив атоми. Навіть тоді це були всього-на-всього непрямі зображення, що дозволяли побачити тьмяні плями на фотографіях, отриманих за допомогою електронного мікроскопа, чи мерехтливі точки помаранчевого світла на перетині лазерних променів «атомних пасток».

Але не тверді речовини, а гази почали переконувати науковців XVII та XVIII століть у «зернистості» структури речовини. Під час ньютонівської наукової революції вчені почали робити вимірювання, виявляти постійні величини та визначати математичні зв’язки між ними, які інакше залишилися би прихованими і не пояснюваними. Дослідники розкладали воду, аміак, вуглекислий газ, карбонат калію і десятки інших речовин. Коли вони навчилися точно визначати вагу вихідних складових і кінцевого результату, виявилися певні закономірності. Наприклад, співвідношення водню та кисню, що було необхідним для отримання води, завжди дорівнювало двум до одного. Англієць Роберт Бойль виявив, що разом зі змінами температури в замкненій посудині тиск і об’єм повітря в ньому змінюється, але маса його залишається незмінною. А за постійної температури та маси газу добуток тиску газу та його об’єму залишається постійною величиною. Результати цих експериментів викликали безліч «чому».

Тепло, як тоді здавалося, має здатність перетікати, наче рідина – її назвали «флогістоном», або «теплородом». Але послідовникам грецьких натурфілософів спала на думку набагато менш зрозуміла ідея: тепло – то є рух частинок речовини. Це була відчайдушно смілива заява, оскільки жодна людина не бачила, щоби нагріті предмети рухалися. Утім, розрахунки підтвердили цю здогадку. Швейцарець Даниїл Бернуллі розвинув закон Бойля, припустивши, що тиск газів виникає внаслідок зіткнення кулеподібних корпускул з поверхнею твердих тіл. А його висновок стосовно того, що під час нагрівання відбувається збільшення швидкості частинок, що рухаються хаотично, зв’язав воєдино поняття температури і щільності. Корпускулярна теорія вийшла на новий виток розвитку, коли Антуан-Лоран Лавуазьє, провівши дуже ретельні та коректні досліди, довів, що молекули можуть вступати в реакції між собою та утворюватися в результаті хімічних реакцій навіть у тих випадках, коли гази взаємодіють із твердими тілами. Що й відбувається, коли на поверхні залізних предметів утворюється іржа.

«Матерія є незмінною та складається з найпростіших частинок, що є абсолютно неподільними та відокремленими». Висловившись так, Фейнман майже буквально відтворив слова видатного математика XVIII століття, керівника департамента оптики військово-морського флоту Франції Руджера Бошковича, хорвата за походженням. Тобто атом може містити в собі складний і вимірюваний всесвіт. Бошкович розробив уявлення про атоми із вражаючою прозорливістю, залишивши нащадкам багатющу поживу для роздумів. Його уявлення про атом будувалося не лише на тому, із чого складається речовина, а переважно на тому, що відбувається з речовиною під час впливу на неї, і це знову-таки породжувало безліч запитань. Чому одні речовини мають здатність пружно стискатися – наприклад, гума, а інші, на кшталт воску, – ні. Чому тверді тіла в різних умовах залишаються твердими, тоді як рідини здатні замерзати або випаровуватися? За рахунок чого відбуваються процеси кипіння, коли частинки хаотично рухаються з різними швидкістями, зближуючись, відштовхуючись та стикаючись?

Прагнення зрозуміти сутність частинок викликало необхідність з’ясувати, які саме незримі енергії притягують їх, відштовхують і взагалі надають матерії її головні якості. «Притягуються одна до одної, коли перебувають на невеликій відстані, і відштовхуються одна від одної при стисненні», – як висловився Фейнман. Ця емоційна картина була доступна небайдужому школяреві навіть у 1933 році. За два минулих століття уявлення про хімічні властивості речовин значно розширилися. Кількість відомих науковцям елементів помітно збільшилася. Навіть у шкільній лабораторії можна було пропустити струм крізь воду в колбі й виділити легкозаймистий водень і кисень. Але базові питання й досі хвилювали допитливих. Чому ціле залишається цілим, якщо атоми постійно рухаються? Які сили керують рухами повітря й води, і яке саме збудження атомів породжує реакцію горіння?