Абитуриентам Оксфорда и Кембриджа на вступительных испытаниях иногда достаются необычные вопросы, к примеру: «Правда ли, что Луна сделана из сыра?», «Почему Шарлотта Бронте ненавидела Джейн Остин?» или «В какую сторону вращается Земля?» Некоторые считают, что это просто ловушки. Но по мнению писателя Джона Фарндона, такие вопросы прекрасны, так как побуждают думать.
В своей книге «Вопрос на засыпку» он собрал самые интересные из них и попытался дать оригинальные, познавательные, а иногда и шутливые ответы. Вот как он размышляет над вопросом, который может достаться будущему студенту факультета естественных наук в Кембридже.
Эта сумка когда-нибудь опустеет?
Эта сумка будет пуста, когда я выну из нее все видимые предметы. Таково общеупотребительное определение слова «пустой». Все, что мне нужно сделать, — перевернуть сумку и вытряхнуть из нее мобильный телефон, ланчбокс, блокнот и ручку, футболку с надписью «Я люблю Джастина Бибера», книгу «50 лучших способов стать гением» и конверт с пятифунтовыми банкнотами — на случай, если интервью пойдет не слишком гладко…
Но на самом деле эта пустая сумка вовсе не пуста. Помимо пыли, крошек, клочков бумаги и миллионов микроорганизмов, она полна воздухом, который занимает все свободное место. Как только я вытаскиваю что-то твердое, в пустоту устремляется поток воздуха. Движение молекул настолько стремительное, что заполнение происходит мгновенно. А что если бы мне удалось выкачать воздух? Будет ли сумка пустой в таком случае?
Возможно, у меня бы получилось извлечь воздух при помощи пылесоса — как из вакуумных пакетов, которые используются для хранения объемной одежды и пуховых одеял. Это сделает сумку более пустой. Конечно, она должна быть достаточно прочной, чтобы не разрушиться под давлением воздуха снаружи, и герметичной — что крайне маловероятно. В любом случае самый мощный пылесос в мире способен обеспечить лишь частичный вакуум.
Физики обычно оценивают уровень приближенности к «идеальному» вакууму при помощи давления воздуха. Чем ниже давление, тем совершеннее вакуум. Пылесосы способны снизить давление не больше, чем на одну пятую. В научных лабораториях и исследовательских институтах есть вакуумные камеры, которые работают намного лучше пылесосов. Может, положить сумку в одну из них? Безусловно, она бы опустела еще больше. Но даже такие научные вакуумные камеры несовершенны. Они могут обеспечить давление в одну триллионную атмосферного, но этого по-прежнему недостаточно для создания идеального вакуума.
Ладно, я почти впал в отчаяние. Что если отправить сумку в ближайший полет на Марс и выбросить в открытый космос на достаточно долгое время, чтобы весь содержавшийся в ней газ вылетел в пустоту межзвездного пространства? Похоже, это то, что нужно. Но даже безвоздушное пространство на самом деле не является таковым, несмотря на название. В самом пустом из пустых мест космоса находятся несколько атомов водорода в каждом кубическом метре. Поэтому, скорее всего, в сумке все же обнаружится пара атомов.
Кажется, теперь не осталось способов сделать ее физически более пустой. Я повержен. На самом деле, даже если бы я вдруг придумал, как поймать и извлечь эти атомы, я бы неожиданно обнаружил тщетность своих усилий.
Концепция пустоты занимала умы мыслителей с древнейших времен. Даже на самом простом уровне существует проблема с определением пустоты. Если между нами ничего нет, это значит, что между нами совсем ничего нет, и мы должны соединиться друг с другом. Семантически невозможно, чтобы пустота занимала хоть какое-то место.
Античные философы, например Аристотель, полагали, что в природе не встречается вакуум, потому что плотные материи всегда будут стремиться заполнить любые пустоты. Аристотелю приписывают фразу: «Природа не терпит пустоты». Он пошел еще дальше и сказал, что пустота невозможна в принципе, потому что не существует такого предмета, как «ничто». Однако он верил, что пустое пространство между материей заполнено невидимым посредником.
С другой стороны, Демокрит настаивал на том, что мир — это всего лишь атомы в пустом пространстве, и писал в своей привычной саркастичной манере: «Нет ничего, кроме атомов и пустоты. Все остальное — лишь точка зрения».
Спор о том, что занимает пространство между материей, продолжался и 2000 лет спустя, когда Ньютон считал, что пространство между мирами заполнено невидимым промежуточным материалом, необходимым для нормального функционирования законов механики, а Лейбниц настаивал на том, что плотные тела во Вселенной сами по себе способны создать среду для работы законов, а все остальное — пустое пространство.
Кстати, Галилей и Торричелли экспериментально доказывали, что вакуум действительно существует. Они наполняли водой (позднее ртутью) запаянную с одного конца стеклянную трубку, переворачивали ее и наблюдали за тем, как при снижении уровня жидкости в верхней части трубки образовывалась пустота. Поскольку воздух не мог проникнуть внутрь трубки, эта пустота, вероятно, была вакуумом.
Дальнейшие эксперименты показали, что объем пустоты увеличивался, если трубку поднимали на вершину горы, где атмосферное давление было ниже, чем на равнине. Если на вакуум можно повлиять физически, он существует в физической реальности.
В течение нескольких следующих веков исследователи провели множество экспериментов, добиваясь все лучших и лучших физических показателей вакуума — однако ни один из ученых все еще понятия не имел, чем же вакуум является на самом деле. Идея невидимого посредника между атомами трансформировалась в концепцию «эфира» — таинственного материала, который, как полагали многие мыслители, требовался для передачи световых волн и электромагнитных полей.
В 1887 году был проведен изменивший все ранее существовавшие представления эксперимент Майкельсона и Морли, который наглядно доказал, что никакого эфира не существует. В те годы можно было бы подумать, что моя сумка способна стать по-настоящему пустой.
И тогда настало время квантовой науки. Квантовая механика перевернула понятие пустоты с ног на голову. Она показала, что все частицы и поля являются просто колеблющимися вероятностями. Если бы моя сумка оказалась надежно закрыта от остальной Вселенной и не содержала бы ничего, кроме полного вакуума, в ней все равно было бы электрическое поле и снующие повсюду кварки. Общую электрическую энергию можно свести к нулю, но энергия вакуума по-прежнему измерима.
Так что моя идеально пустая сумка в действительности переполнена бурлящей квантовой энергией, которую производят появляющиеся и исчезающие частицы и волны. Энергия постоянно колеблется, и, когда она находится на минимальном уровне, это называют состоянием вакуума, но даже в нем есть немного энергии. Более того, некоторые исследователи полагают, что наша Вселенная — всего лишь одна из флуктуаций вакуумной энергии.
Как частицы в квантовом вакууме, наша Вселенная возникла из ниоткуда. Шекспировский король Лир осознал, что был неправ, сказав своей дочери Корделии: «Из ничего не выйдет ничего». То же и со Вселенной. Что-то все же произошло из ничего. Проблема в том, что эта случайная флуктуация может снова исчезнуть в никуда, как лопнувший мыльный пузырь. Иногда моя сумка пуста, так же как и Вселенная — пока на свет не появится другая.
Кто знает, может, сумки пустели, а вселенные исчезали уже миллионы — или миллиарды — раз до нас.
Больше интересных вопросов и ответов в этой книге.
P.S. Понравилось? Подписывайтесь на нашу новую рассылку. Раз в две недели мы будем присылать вам 10 лучших материалов из блога.
