Примечания
1
Ш р ё д и н г е р, Эрвин Рудольф Йозеф Александр (1887–1961) – австрийский физик-теоретик, один из создателей квантовой физики. Лауреат Нобелевской премии (1933). Ученый описал мысленный эксперимент с котом в 1935 г., согласно которому, когда мы не наблюдаем за системой, ядро атома (следовательно, и кот) находится в двух состояниях одновременно. – Прим. ред.
2
Встречаются три термина, примерно в равных количествах: спутанный, запутанный и связный (о взаимодействии этого типа). – Прим. пер.
3
П л а н к, Макс Карл Эрнст (1858–1947) – немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики. Лауреат Нобелевской премии (1918). – Прим. пер.
4
Б о р, Нильс Хенрик Дэвид (1885–1962) – датский физик-теоретик, общественный деятель. Лауреат Нобелевской премии (1922). Известен как создатель первой квантовой теории атома. – Прим. пер.
5
Б р о й л ь, Луи де (1892–1987) – французский физик-теоретик, один из основоположников квантовой физики. Лауреат Нобелевской премии (1929). – Прим. пер.
6
П а у л и, Вольфганг Эрнст (1900–1958) – швейцарский физик-теоретик, работал в области физики элементарных частиц и квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии (1945). – Прим. пер.
7
Up – верхний, down – нижний, strange – странный, charm – очарованный, top – истинный, bottom – прелестный (англ.). – Прим. пер.
8
При описаниях стандартных терминов, например, названий частиц или взаимодействий, приводятся устоявшиеся в российской научной литературе термины и определения, если это не искажает смысл, вложенный автором. Так, «электромагнетизм» переводится как электромагнитное взаимодействие, а «слабое ядерное взаимодействие» – просто как «слабое». – Прим. пер.
9
Для более полного и понятного обзора физических процессов в рамках Стандартной модели я рекомендую книгу: Robert Oester. The Theory of Almost Everything, 2006 год; а историческое развитие детально описано в работе: Frank Close. The Infinity Puzzle, 2013. -Прим. авт.
10
С т е в и н, Симон (1548–1620) – фламандский математик, механик, инженер. – Прим. ред.
11
Звезда на завершающей стадии своего формирования, вплоть до момента загорания термоядерных реакций в ядре, после которого она становится звездой главной последовательности. – Прим. ред.
12
Чтобы дать представление о масштабах, атом водорода при комнатной температуре движется примерно со скоростью 600 метров в секунду (около двух скоростей звука), в то время как у поверхности Солнца его скорость составляет 3000 метров в секунду. – Прим. авт.
13
Устройство, изобретенное М. Фарадеем в 1936 г., для экранирования аппаратуры от внешних электромагнитных полей. – Прим. ред.
14
М а к с в е л л, Джеймс Клерк (1831–1879) – шотландский физик, математик и механик. – Прим. ред.
15
Система уравнений, описывавших электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах. – Прим. ред.
16
Ваши волосы остаются, соответственно, с положительным зарядом, поэтому этот трюк заставит тонкие волосы встать дыбом. Теперь уже позитивно заряженные волосы отталкивают друг друга и пытаются отдалиться друг от друга, насколько это возможно. – Прим. авт.
17
Один кельвин равен одному градусу Цельсия, но шкала Кельвина не имеет отрицательных чисел и начинается от абсолютного нуля (температуры, при которой молекулярная активность минимальна). Вода замерзает при 0 градусов по Цельсию, что около 273 градусов Кельвина. – Прим. авт.
18
В российской традиции применяются оба термина, «бесцветная» и «белая» частица – частица с нулевым цветным зарядом. – Прим. пер.
19
Электроны также движутся быстрее, но на таких высоких скоростях, что прирост скорости не дает сильной разницы. Их единственная роль в плазме внутри звезды – обеспечить «размазанный» фон отрицательного заряда, сохраняя всю звезду электрически нейтральной. – Прим. авт.
20
Единицы измерения основаны на энергии, содержащейся согласно уравнению Е= mc2: масса верхнего кварка в 2/3 MeV/C2 показывает, что превращение верхнего кварка в энергию высвободит 2.3 миллиона электронвольт энергии (в обычных условиях это происходит, когда верхний кварк аннигилирует со своей противоположностью из мира антиматерии, высвобождая два фотона, каждый с 2.3 MeV энергией). Если посмотреть с другой стороны, требуется 2.3 MeV энергии соударения для создания верхнего кварка в ускорителе частиц (или, с более практической точки зрения, 4.6 MeV для создания кварка и антикварка как пары). – Прим. авт.
21
Если вы детально рассмотрите процесс слияния атомов водорода, он окажется довольно сложным, с множеством возможных промежуточных путей, включающих взаимодействие с дополнительными частицами и временным формированием нестабильных элементов. Если же рисовать картину крупными мазками, единственное, что имеет значение – это разница в энергиях между начальным состоянием (четыре свободных протона) и конечным состоянием (ядро гелия). – Прим. авт.
22
Наша лучшая теория гравитации – общая теория относительности, она описывает влияние гравитации в терминах искривления пространства и времени, которые гладкие и протяженные. Другие три силы описываются квантовыми теориями, которые включают отдельные частицы и неожиданные случайные отклонения. Математические техники, применяемые к одной теории, не так-то легко применить к другим, и проблема найти способ сочетать их, чтобы создать квантовую теорию гравитации, доводит физиков-теоретиков до исступления в течение десятилетий. К счастью для нас, ситуации, где вам нужна сразу и квантовая физика, и общая теория относительности, очень редки – недалеко от центра черной дыры или во времена начала Вселенной, то есть это не то, что вы видите во время своего утреннего моциона. – Прим. авт.
23
К оу э н, Клайд Лоррейн (1919–1974) – американский физик-теоретик, со-первооткрыватель нейтрино вместе с Фредериком Райнесом. – Прим. ред.
24
Р а й н е с, Фредерик (1918–1998) – американский физик, профессор. Лауреат Нобелевской премии (1995). – Прим. ред
25
Райнес разделил Нобелевскую премию по физике с Коуэном, который умер в 1974 г., а эта премия не присуждается посмертно. Две других Нобелевских премии были даны за работы с детекторами нейтрино Реймонду Дейвису-младшему и Масатоси Косибе в 2002 г., а также Такааки Кадзите и Артуру Б. Макдональду в 2015-м. – Прим. ред.
26
В ходе этого процесса протон также должен либо испустить позитрон (эквивалент электрона в области антиматерии), либо поглотить один из огромного количества электронов, оставшихся от изначального газа, присутствующего в Солнце. Любой из излученных позитронов будет быстро аннигилировать с одним из упомянутых электронов, так что конечный результат для внешнего наблюдателя будет следующим: один протон и один электрон исчезли, оставив один нейтрон и одно нейтрино вместо себя. – Прим. авт.
27
То, что энергии при ядерном слиянии становится все меньше при переходе к более тяжелым элементам, может быть понято в терминах энергии сильного взаимодействия, выступающей в форме массы: энергия требуется для того, чтобы держать двенадцать кварков вместе в ядре гелия, оно существенно меньше чем та, что нужна для четырех отдельных, не связанных между собой протонов. Но по мере увеличения количества частиц прирост энергии уменьшается. Это немного похоже на организационную эффективность группы людей: два человека, которые совместно пользуются помещением, платят за него дешевле, чем один, но добавление соседей по комнате экономит деньги лишь до определенного момента. Расходы на обустройство шестого соседа по комнате могут превысить экономию на квартплате. Таким же образом, энергия, полученная за счет добавления новых частиц к большому ядру, недостаточно велика. – Прим. авт.
28
Эти опыты можно делать, только если оба предмета достаточно плотные, чтобы пренебречь силой сопротивления воздуха. Если вы будете бросать вниз скрепку для бумаги и перо, скрепка будет падать быстро, в то время как перо будет опускаться на землю медленно. Сила гравитации, действующая на них, одинакова, в вакууме они достигли бы земли одновременно, как это было театрально продемонстрировано командиром Дэйвом Скоттом во время миссии «Аполлона-15» на Луну. – Прим. авт.
29
Ю н г, Томас (1773–1829) – английский ученый широкого профиля: физик, механик, врач, астроном, филолог, востоковед. – Прим. ред.
30
Если вы хотите увидеть это сами, то должны сделать две тонкие прорези на кусочке алюминиевой фольги и осветить их с помощью лазерной указки. Другое явление, также очень тесно связанное с этим опытом, еще проще увидеть: если вы поставите прядь волос на пути лазерной указки, световые волны обогнут отдельные волосинки с разных сторон, сложатся и создадут образ (паттерн) из множества пятен. – Прим. авт.
31
Один нанометр равен 10-9 метра, или 0.000000001 м. – Прим. авт.
32
Ф р а у н г о ф е р, Йозеф фон (1787–1826) – немецкий физик-оптик. – Прим. ред.
33
П у а с с о н, Симеон Дени (1781–1840) – французский математик, механик, физик. – Прим. ред.
34
А р а г о, Доминик Франсуа Жан (1786–1853) – французский физик, астроном и политический деятель. – Прим. ред.
35
В русской традиции называется также «пятно Араго-Пуассона». – Прим. пер.
36
Соотношение длины волны или частоты света по отношению к цвету, который ощущает при этом человек, считается непростой задачей, в частности, поскольку приходится иметь дело со светом множества разных частот. Смешения цветов, которые дети изучают в начальной школе, – пример этого: смесь красного света (с длиной волны около 650 нм) и синего цвета (около 490 нм) будет производить такое же впечатление на глаза и мозг, как фиолетовый цвет (около 405 нм), даже если фиолетового света там нет. – Прим. авт.
37
Автор обрисовывает лишь часть проблемы, поскольку восприятие цвета зависит также от механизмов работы мозга, которые еще более сложные. В частности, свет одной и той же длины волны может восприниматься как разный цвет при различных условиях, поскольку шкала соотношения длины волны и воспринимаемого цвета сознанием может существенно изменяться от настроек мозга, определяемых так называемым «нуль-цветом», который примерно равен средней длине волны по сумме всех световых волн, попадающих на рецепторы сетчатки. – Прим. пер.
38
В русской традиции вещество, передающее тепло, из истории физики называется термином «теплород». –Прим. ред.
39
Т о м n с о н, Бенджамин (1783–1814) – англо-американский ученый, изобретатель, авантюрист, государственный и общественный деятель ряда стран. – Прим. ред.
40
Д ж о у л ь, Джеймс Прескотт (1818–1889) – английский физик, внес значительный вклад в становление термодинамики. – Прим. ред.
41
К л а у з и у с, Рудольф Юлиус Эммануил (1822–1888) – немецкий физик, механик, математик. – Прим. ред.
42
Да, тот самый Максвелл, который работал над электромагнетизмом. Физики в Европе в 1800-х гг. составляли небольшое сообщество, а Максвелл был реально умным ученым. – Прим. авт.
43
При высоких температурах, во всяком случае. При очень низких температурах и для некоторых очень твердых материалов кинетическая теория Максвелла-Больцмана перестает быть верной. Эти аномалии были еще одной подсказкой для физиков и сыграют роль в расцвете квантовой механики в начале 1900-х гг. – Прим. авт.
44
В и н, Вильгельм Карл Вернер (1864–1928) – немецкий физик. Лауреат Нобелевской премии (1911) «за открытие в области законов, управляющих тепловым излучением». – Прим. ред.
45
С т р е т т, Джон Уильям, более известный как Лорд Рэйли (1841–1919) – британский физик и механик, открывший (с У. Рамзаем) газ аргон и получивший за это Нобелевскую премию (1904). – Прим. ред.
46
Б о л ь ц м а н, Людвиг (1844–1906) – австрийский физик-теоретик, основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории. – Прим. ред.
47
Бессмертные слова рок-музыканта Найджела Тафнелл в его шуточном фильме «Это Позвоночник»:
– Ну, разве это может быть еще чернее?
– Нет. Чернее некуда. – Прим. авт.
48
Известные немецкие экспериментаторы Отто Люммер и Фердинанд Курльбаум. – Прим. авт.
49
Может показаться, что это присуще только конкретной «коробке», но если коробка очень велика по сравнению с длиной волн, попадающих внутрь, есть хорошо разработанные математические техники для выравнивания всего этого, чтобы получить ответ, который не зависит от размера конкретной коробки. – Прим. авт.
50
Термин «гармоника» также имеет соответствующий аналог «тон» в русском варианте. – Прим. пер.
51
Г а р с и я, Джерри Джон (1942–1995) – американский музыкант, гитарист, вокалист группы Grateful! Dead, основоположник психоделического рока на западном побережье США. – Прим. ред.
52
Х е н д р и к с, Джими (1942–1970) – американский гитарист-виртуоз, певец и композитор. – Прим. ред.
53
Надо признать, что существует бесконечное количество этих мод, поэтому физики и изобрели исчисление (дифференцирование и интегрирование). – Прим. авт.
54
Эта фраза была придумана австрийским физиком Паулем Эренфестом в 1911-м по отношению к модели Рэйли-Джинса 1905 года и составило бы отличное название для рок-группы. – Прим. авт.
55
Совместно с термином «осциллятор», что означает «колеблющаяся частица», в российской науке может употребляться также термин «резонатор». – Прим. пер.
56
Чаще постоянную Планка записывают в виде: Н=6.626070040 × 10-34 кг-метр2 /секунда. – Прим. авт.
57
Человеческое восприятие делает язык, используемый при описании цветов и температур, несколько запутанным: красный свет традиционно называют «теплым», даже если он относится к низкотемпературному источнику света, в то время как синеватый цвет называется «холодным». – Прим. авт.
58
Г е р ц, Генрих Рудольф (1857–1894) – немецкий физик, экспериментально подтвердил электромагнитную теорию Дж. Максвелла, доказал существование электромагнитных волн. – Прим. ред.
59
После пяти лет своих инновационных экспериментов по электромагнитному излучению Герц умер от заболевания сосудистой системы в возрасте всего тридцати шести лет – трагическая потеря для физики. – Прим. авт.
60
Эвристический алгоритм (эвристика) – алгоритм решения задачи, включающий практический метод, не являющийся гарантированно точным или оптимальным, но достаточный для решения поставленной задачи. Позволяет ускорить решение задачи в тех случаях, когда точное решение не может быть найдено. – Прим. пер.
61
Говоря здесь о параметрах волны, автор употребляет слово «размер», однако речь идет конкретно об амплитуде, иначе смысл становится несколько непонятным. «Интенсивность» волны, о которой он говорит, является количеством переносимой энергии: она тем больше, чем больше амплитуда. – Прим. пер.
62
Минимальная энергия, требуемая для испускания электрона с поверхности, называется работой выхода. Она различна для разных материалов и как раз и является той «характерной для материала» энергией, о которой говорит автор. – Прим. пер.
63
М и л л и к е н, Роберт Эндрюс (1868–1953) – американский физик, лауреат Нобелевской премии (1923) за работы в области фотоэлектрического эффекта. Впоследствии занимался изучением космических лучей. – Прим. ред.
64
Как было принято в ту эпоху, Милликен упоминается как единственный автор этой статьи. Его благодарности, однако, делают ясным, что работала группа ученых. Он благодарит А.Е. Хеннингса и У.Х. Кадиша за помощь в экспериментах и Уолтера Уитни за спектроскопические измерения для определения световых волн. Они внесли свой вклад, который по современным стандартам оценивался бы как авторство. Милликен также довольно щедро благодарит «механика, мистера Юлия Пирсона за помощь в конструировании и создании вакуумной стеклянной трубки, использованной в эксперименте». – Прим. авт.
65
В 1960-е годы Леонард Мандел и его коллеги разработали «полуклассическую» модель фотоэлектрического эффекта, в котором металлическая поверхность рассматривалась с квантово-механической точки зрения, но свет считался классической волной. В 1977-м эксперимент Джеффа Кимбле, Марио Дагенаса и Мандела продемонстрировал отчетливую задержку между испусканием последовательных фотонов отдельными атомами. Этот эффект может быть объяснен только с точки зрения корпускулярной модели. – Прим. авт.
66
Это произошло в результате скучной и мелкой академической политики. – Прим. авт.
67
Поскольку электрон – частица вещества, имеющая массу и заряд, взаимодействуя с поверхностью, он доставляет энергию материалу более эффективно, чем делает не имеющий массы фотон. – Прим. авт.
68
В более старых камерах, типа CCD (прибор с зарядовой связью), электроны собираются в каждом пикселе и после окончания экспозиции сдвигаются вдоль рядов пикселей к сенсору в конце микросхемы. Сенсоры, типа CMOS (комплементарный металло-оксидный проводник), на камерах современного типа включают в себя небольшой усилитель, связанный с каждым пикселем, и напрямую производят сигнал напряжения, который считывается для построения образа. – Прим. авт.
Современные CMOS камеры, по сравнению с CCD-матрицами, не имеют проблем с накоплением шумов, которые увеличиваются при сдвиге зарядов вдоль ряда пикселей. Каждый пиксель передает свой заряд датчику напрямую, поэтому качество изображения существенно выше. – Прим. пер.
69
Один пиксель в смартфоне автора равен 0.56 ангстрема, в камере – 0.6 ангстрема (10 -7 мм), т. е. сравнимые величины. – Прим. пер.
70
Автор несколько упрощает процесс работы клеток мозга и мозга в целом по синтезу изображений, однако это упрощение неизбежно, иначе пришлось бы описывать специализированные клетки, дающие только черно-белый отклик, системы специализации на вертикальных или горизонтальных линиях, контуры движения, системы «закрашивания» фонов, пороговую систему определения цветов и т. д. – Прим. пер.
71
Культовое сооружение, коридорная гробница, входящая в комплекс Бруна-Бойн. – Прим. ред.
72
Автор политкорректно использует относительно новый термин BCE – before common era, или «до нашей эры». Термин пришел на смену принятому ранее исчислению от BC- before Christ – «до Христа», а также AD – anno Domini – «год рождения Бога». Но с точки зрения исчисления времени это один и тот же год. – Прим. пер.
73
Из-за того, что скорость света различна в разных средах, длина волны света будет меняться по мере перехода из одной среды в другую, из воздуха в стекло, например, в то время как частота колебаний остается одной и той же. – Прим. авт.
74
В о л л а с т о н, Уильям Хайд (1766–1828) – английский ученый, который открыл палладий (1803) и родий (1804), впервые получил в чистом виде платину (1803). Открыл независимо от И. Риттера ультрафиолетовое излучение (1802). – Прим. ред.
75
Последовательность для мнемонического запоминания, по звуку Roy G. Biv, которую запоминают англоязычные дети, и обозначающее цвета радуги – red, orange, yellow, green, blue, indigo, violet – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. В русском языке есть ряд аналогов: «Как Однажды Жадный Звонарь Головой Сломал Фонарь» или более известное – «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан». – Прим. пер.
76
Т а л ь б о т, Уильям Генри Фокс (1800–1877) – английский физик и химик, один из изобретателей фотографии. – Прим. ред.
77
Г е р ш е л ь, Джон Фредерик (1792–1871) – английский полимат, математик, астроном, химик, изобретатель и экспериментальный фотограф. – Прим. ред.
78
К и р × г о ф, Густав Роберт (1824–1887) – немецкий ученый, один из самых выдающихся физиков XIX в. – Прим. ред.
79
Б у н з е н, Роберт Вильгельм (1811–1899) – немецкий химик-экспериментатор. – Прим. ред.
80
Л а й м а н, Теодор (1874–1854) – американский физик и спектроскопист, сделал важные исследования на длинных волнах вакуумного ультрафиолета. – Прим. ред.
81
П а ш е н, Луис Карл Генрих (1865–1947) – немецкий физик-экспериментатор, его спектрологические работы сыграли большую роль в развитии квантовой физики. – Прим. ред.
82
Р е з е р ф о р д, Эрнест (1871–1937) – британский физик, известен как «отец» ядерной физики. Лауреат Нобелевской премии (1908). – Прим. ред.
83
Г е й г е р, Ханс Вильгельм (1882–1945) – немецкий физик, первым создал детектор альфа-частиц. – Прим. ред.
84
Существует очень много равнозначных принятых терминов для обозначения этого понятия, например: момент импульса (кинетический момент, угловой момент, орбитальный момент, момент количества движения – но обозначают они одно и то же понятие – векторное произведение радиус-вектора вращающейся точки и ее импульса – Прим. пер.
85
Это количество используется так часто в математике для квантовой физики, что получило собственное обозначение, ℏ = h⁄2 π ≈ 1.055 × 10–34 J-s (джоулей-секунд), которое физики обычно называют уменьшенная (редуцированная) постоянная планка или h-bar. – Прим. авт.
86
Сейчас это известно как «Радиус Бора» в его честь со значением в 0.0000000000529 метра. Атомные физики регулярно спорят о расстояниях, вовлеченных в атомные и молекулярные взаимодействия, в терминах множителей радиуса Бора. – Прим. авт.
87
Разрыв между энергиями соседних орбит уменьшается по мере увеличения энергии, поэтому для очень больших значений n они начинают сливаться, но высокоточная спектроскопия использовалась для изучения свойств «атомов Ридберга» со значениями около сотен. – Прим. авт.
88
З о м м е р ф е л ь д, Арнольд Иоганнес Вильгельм (1868–1951) – немецкий физик-теоретик, математик, обобщил теорию Бора и объяснил тонкую структуру спектров водородного атома. – Прим. ред.
89
Это известно как «старая квантовая теория». Мы больше поговорим об атоме Бора-Зоммерфельда, и как он был заменен современной квантовой теорией в следующих главах. – Прим. авт.
90
Обсуждаемые состояния не считаются различными орбитами в том смысле, как Бор их изначально представлял, но «сверхтонкие» состояния с расщеплением энергии в зависимости от собственного «спина» (направления вращения. – Прим. пер.) электрона, свойства, которое не было открыто до 1922 года. Основная концепция остается той же: частота света зависит от разницы энергий между двумя состояниями точно так же, как это описывал Бор. – Прим. авт.
91
Р а м з е й, Норман Фостер (1915–2001) – американский физик, лауреат Нобелевской премии (1989). – Прим. ред.
92
Это может слегка вводить в заблуждение, поскольку термин «ширина полосы пропускания» также используется в коммуникационных технологиях для описания диапазона частот, которые могут быть успешно пропущены через тот или иной канал. – Прим. авт.
93
Более старые источники часто используют выражение «слов в секунду», но это слегка двусмысленный термин, поскольку слова бывают очень разной длины. Современный метод измерения информации в терминах 0 или 1, как бинарный бит, был разработан американским инженером Клодом Шенноном в 1940-х гг. и гораздо более надежен. – Прим. авт.
94
Слово «повторитель» тоже возможно, поскольку это точная калька слова «ретранслятор», но термин «ретранслятор» наиболее широко принят в инженерной среде относительно любых усилителей сигнала в кабельных сетях различных типов. – Прим. пер.
95
Можно представить сердцевину дерева и кору – разные по плотности и структуре, но из одного материала, так и фибер-оптика: «сердцевина» из одного типа стекла, «кора» – из другого. – Прим. пер.
96
Здесь используется принцип полного внутреннего отражения света от границ разных сред при углах меньше определенных для данных сред. Стекла с разным показателем преломления могут считаться такими разными средами, поэтому свет, «ударяясь» о границу между разными типами стекла, полностью отражается и не выходит наружу, т. е. распространяется без потерь. Для этого свет должен всегда «падать» на границу в пределах так называемого угла полного отражения. Это достигается конструктивно за счет соотношения диаметра «сердцевины» и коры. При этом плотность «сердцевины» всегда должна быть больше плотности «коры» или «обкладки». Закон открыл голландский физик Виллеброрд Снеллиус, но не обнародовал его, затем французский философ и математик Рене Декарт, обнаруживший его записи, опубликовал их в своих «Началах философии». – Прим. пер.
97
В российской терминологии применяются два обозначения: ОТО – общая теория относительности и СТО – специальная теория относительности. – Прим. пер.
98
Г р о с с м а н, Марсель (1878–1936) – швейцарский математик, друг А. Эйнштейна и соавтор его первых работ по общей теории относительности. – Прим. ред.
99
Г и л б е р т, Дэвид (1862–1943) – немецкий математик-универсал, был признанным мировым лидером математики своего времени. – Прим. ред.
100
Автор здесь не употребляет слова «простая» по отношению к модели, но из контекста термин basic имеет двойной смысл: настолько базовая, что простая. – Прим. пер.
101
Четвертая возможная ситуация могла бы рассматривать один низкоэнергетический атом, спонтанно изменяющий состояние в отсутствие света, однако это невозможно, поскольку нарушает закон сохранения энергии. – Прим. авт.
102
Применяются термины «вынужденное» или «индуцированное» излучение для этого процесса в российской терминологии. – Прим. пер.
103
В то время как идея, что атомы должны спонтанно излучать свет и переходить на нижние уровни состояний, уже достаточно хорошо укоренилась, но оказалось, что эти процессы очень трудно и непросто объяснить математически. Полное понимание того, почему происходит спонтанное излучение, требует полной теории квантовой механики. Если говорить упрощенно, излучение запускается энергией, существующей в пустом пространстве. Это не было объяснено еще в течение пары десятков лет. Эйнштейн попросту взял спонтанное излучение света из возбужденных атомов как эмпирический факт. – Прим. авт.
104
Такой метод остановки качелей гораздо менее популярен с настоящими детьми на настоящих качелях, чем как мысленный эксперимент. – Прим. авт.
105
К о м n т о н, Артур Холли (1892–1962) – американский физик, лауреат Нобелевской премии (1927). – Прим. ред.
106
Последующие работы показали, что возможно объяснить эффект Комптона с помощью наполовину классической модели света как волны, но картина фотона при этом будет гораздо проще. Существование фотонов как реальных частиц было неопровержимо показано в эксперименте 1977 года, у которого нет классических аналогов. – Прим. авт.
107
В 1997 году Нобелевскую премию по физике получили Стивен Чу из Стэнфорда (позже он работал секретарем по энергетике в администрации Обамы), Клод Коэн-Таннуджи из Высшей нормальной школы в Париже и Уильям Филипс из Национального института стандартов и технологии в Мэрилэнде, куратор по моей докторской диссертации. – Прим. авт.
108
Эта зависимость не абсолютна, так как есть и другие эффекты, которые могут привести к очень длительному времени существования даже для состояний, при которых излучается видимый свет. Но, опять-таки, полное объяснение времени жизни состояний частицы стало возможным только после того, как была создана полная квантовая механика. – Прим. авт.
109
Т а у н с, Чарлз Хард (1915–2015) – американский физик, лауреат Нобелевской премии (1964). – Прим. ред.
110
Л э м б, Уильям Юджин (1913–2008) – американский физик, лауреат Нобелевской премии (1955). – Прим. ред.
111
Не путать с Эрнестом Резерфордом – его фамилия была переведена на русский еще в начале века и традиционно так и переводится. Для русской фонетики обе фамилии невозможно правильно произнести. – Прим. пер.
112
QED – Quantum ElectroDynamics – аббревиатура, принятая для этой отрасли квантовой физики. – Прим. пер.
113
QED – слегка экзотична, чтобы сильно влиять на нашу повседневную жизнь, поэтому мы не будем говорить о ней здесь подробно. Вы можете узнать чуть больше в моей книге How to Toach Quantum Phisics in Your Dog, и гораздо больше из книги: QED: The Strange Theory of Light and Matter by Richard Feynman. – Прим. авт.
114
Важно отметить, что это не равновесное состояние. Поддержание инверсии популяционных населенностей требует постоянной подкачки энергии из какого-то другого источника (в первоначальном мазере Таунса на аммиаке это был источник молекулярного потока), без инверсии работа мазера быстро бы прекратилась, и система бы пришла в равновесное распределение с большинством атомов в низкоэнергетическом состоянии с излучением черного тела при умеренной температуре. – Прим. авт.
115
Ш а в л о в, Артур Леонард (1921–1999) – американский физик, лауреат Нобелевской премии (1981). – Прим. ред.
116
Эта страничка из записной книжки Гула сыграла ключевую роль в судебном процессе, который в конце концов закрепил патенты за ним по ряду существенных лазерных технологий. В интересах более полного изложения я должен заметить, что Гулд был учащимся Юнион-колледжа, где я преподаю, и отделение физики и астрономии имеет специальное кресло в его честь. – Прим. авт.
117
Инверсия населенностей (краткий термин) может осуществляться только при температурах выше абсолютного нуля. – Прим. пер.
118
Современные системы используют полупроводниковые диодные лазеры, которые гораздо более компактны, чем гелиево-неоновые, и работают на очень близких длинах волн. – Прим. авт.
119
М а й м а н, Теодор Харальд (1927–2007) – американский физик, создал первый рабочий лазер, создал собственную компанию «Корад корпорейшн», которая стала ведущим разработчиком и изготовителем мощных лазеров. – Прим. ред.
120
Название главы может читаться двояко: web – это сеть, паутина, но это и термин, в науке и повседневной жизни обозначающий «интернет». Автор играет словами, но перевести это не представляется возможным. – Прим. пер.
121
В моей исследовательской лаборатории нам иногда приходится передавать лазерный сигнал через оптическое волокно, чтобы доставить его из одного места в другое, и вполне обычное дело – объединить лазеры так, чтобы через соединение прошла половина света, – это весьма мучительный процесс. В модульных телекоммуникационных системах это делается гораздо проще, конечно, и некоторые телекоммуникационные системы используют лазеры, которые встроены в специальные оптические волокна, но за подобными системами стоят десятилетия инженерных усилий. – Прим. авт.
122
Это достаточно много, но относительно мало по сравнению с нашими братьями млекопитающими. Некоторые виды имеют до 1000 различных типов рецепторов для распознавания запахов. – Прим. авт.
123
Формула C2H5OH – спирт. – Прим. пер.
124
Формула C2H6O – диметиловый эфир, в основном применяется как топливо, скажем, в российских КАМАЗах. – Прим. пер.
125
В американских и англоязычных странах элементы объединены несколько иначе (визуально), чем в российских школах, поэтому возникает визуально картина с «башенками». -Прим. пер.
126
Периодические таблицы видов мяса, пива и некоторых вещей, которые даже и не приходят в голову большинству людей. Самая необычная тема – летом 2017 г. Google выдал «Периодическую таблицу гимнастических упражнений» и «Периодическую таблицу правил и нормативов для банков». – Прим. авт.
127
Французский геолог Александр Эмиль Бегуйе де Шанкуртуа и немецкий химик Юлиус Лотар Мейер также выдвинули свои периодические классификации известных элементов, но Менделеев оказался единственным, кто использовал «пробелы» в своей таблице для предсказания новых элементов, и поэтому именно ему приписывается заслуга изобретения современной Периодической таблицы. – Прим. авт.
128
Д а л ь т о н, Джон (1766–1844) – английский физик и химик, метеоролог, естествоиспытатель, создатель химического атомизма. – Прим. ред.
129
А в о г а д р о, Амедео (1776–1856) – итальянский химик, первооткрыватель физико-химического закона, названного его именем. – Прим. ред.
130
Л ь ю и с, Гилберт Ньютон (1875–1946) – американский физик и химик. Основные научные работы в области химической термодинамики, фотохимии, химии изотопов, ядерной физики. – Прим. ред.
131
М о з л и, Генри Гвин Джефрис (1887–1915) – английский физик, один из основоположников рентгеновской спектроскопии. – Прим. ред.
132
Ч е д в и к, Джеймс сэр (1891–1974) – английский физик, открыл нейтрон и фото-ядер-ную реакцию. Лауреат Нобелевской премии (1935). – Прим. ред.
133
Несмотря на усилия многих друзей и коллег удержать его в лаборатории, Мозли чувствовал, что его долг – идти на войну. Он пошел добровольцем, когда разразилась Первая мировая война в 1914 году. После его смерти Резерфорд и другие физики приводили в пример эту трагедию, когда аргументировали, что подающие надежду ученые не должны находиться на передовых фронтах, а должны служить в технических и исследовательских подразделениях. Это, несомненно, заложило основу для массовых научных усилий во время Второй мировой войны, что привело к созданию радара и атомного оружия. – Прим. авт.
134
Использование l и m для этого, немножко не совпадает с исторической ситуацией, в действительности числа, используемые в теории Бора-Зоммерфельда, имели другие названия и были взаимосвязаны. Аналогичными числами в современной квантовой теории являются l и m, однако для простоты я буду использовать более современные символы и давать правильное объяснение чуть позже. – Прим. авт.
135
В российской научной традиции «аномальный» эффект Зеемана называют «сложным», а «обычный» – «простым» или «нормальным». Иногда, однако, применяется и термин «аномальный». – Прим. пер.
136
Термин «вырожденный» взят из математики и не несет никакой моральной оценки соединяющихся электронов. – Прим. авт.
137
Не путать с Вольфгангом Паулем – очень часто путают и удивляются несовпадениям. Вольфганг Пауль получил Нобелевскую в 1985 году. – Прим. пер.
138
Г е й з е н б е р г, Вернер Карл (1901–1976) – немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии (1932). Он «сотрудничал» с гитлеровской администрацией во время Второй мировой войны, в конце войны был взят в плен американцами, и его сотрудничество имеет неоднозначную оценку: от бойца невидимого фронта, тормозящего создание фашистами атомной бомбы, до злодея от физики и коллаборациониста, который был неспособен выполнить задачу по ее созданию, хотя и старался в угоду фашистской власти. Не случайно в недавнем сериале «Во все тяжкие» (Breaking Bad) главный герой, химик, ставший на путь производства наркотиков, взял себе псевдоним «Гейзенберг». – Прим. пер.
139
В современной физике это также называется «числами заполнения». – Прим. пер.
140
Этот трюк был повторен еще раз, в 1930 г., когда он сделал «ужасную вещь», предположив существование «неуловимой» частицы, нейтрино, как решение проблемы бета-распада ядер, о которой говорилось в главе 1. – Прим. авт.
141
Ш т е р н, Отто (1888–1969) – немецкий и американский физик, лауреат Нобелевской премии (1943). – Прим. ред.
142
Г е р л а х, Вальтер (1889–1979) – немецкий физик. Вместе с О. Штерном подтвердил наличие у атомов спина и факт пространственного квантования направления их магнитных моментов. – Прим. ред.
143
Скорее всего, это легенда, поскольку в поте и дыхании человека всегда присутствует немного серы: от этого темнеют ювелирные серебряные изделия – образуется сульфид серебра. – Прим. пер.
144
У л е н б е к, Джордж Юджин (1900–1983) – американский физик-теоретик голландского происхождения. Научные работы относятся к квантовой механике, атомной и ядерной физике. – Прим. ред.
145
Г а у д с м и т, Сэмюэл Абрахам (1902–1978) – американский физик-теоретик голландского происхождения. Научные работы относятся к квантовой механике, атомной и ядерной физике. – Прим. ред.
146
«Вращаться» по-английски звучит как «спин», соответственно отсюда это название пришло в русский язык как научный термин. – Прим. пер.
147
К р о н и г, Ральф (1904–1995) – нидерландский физик-теоретик. Научные работы относятся к спектроскопии, теории молекулярных структур, ядерной физике. – Прим. ред.
148
Д и р а к, Поль Андриен Морис (1902–1984) – английский физик-теоретик, один из создателей квантовой физики. Лауреат Нобелевской премии (1933) совместно с Э. Шрёдингером. – Прим. ред.
149
Теория волн-пилотов (или пилотных волн) также известна под названием «Теория де Бройля-Бома». – Прим. пер.
150
Д э в и с с о н, Клинтон Джозеф (1881–1958) – американский физик, лауреат Нобелевской премии (1937) совместно с Джорджем Томпсоном за «экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах». – Прим. ред.
151
Д ж е р м е р, Лестер Хэлберт (1896–1971) – американский физик. Их совместный эксперимент с К. Дэвиссоном имел важное значение для развития электронного микроскопа. – Прим. ред.
152
Б о р н, Макс (1882–1970) – немецкий и британский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии (1934). – Прим. ред.
153
Б о м, Дэвид (1917–1992) – американский физик, известный своими работами по квантовой физике, философии и нейропсихологии. – Прим. ред.
154
Подход де Бройля-Бома остается до сих пор чем-то вроде нишевой темы, но поскольку за годы забвения темы, что прошли между первоначальной работой де Бройля и обновленным походом Бома, в более ортодоксальном подходе были сделаны огромные успехи, так что фанатам идеи волны-пилота еще очень много надо сделать, чтобы наверстать упущенное. – Прим. авт.
155
Под орбиталью понимается вся область, где есть вероятность нахождения электрона, а не конкретно «орбита», по которой он «вращается». Орбиталь является волновой функцией, определяется всеми тремя квантовыми числами и выводится из уравнения Шрёдингера. – Прим. пер.
156
В российской терминологии это соответствует термину «узловые поверхности». – Прим. пер.
157
Если быть точным, на проекцию конкретной оси. – Прим. пер.
158
Имеется в виду шеврон солдата британской армии, имеющий V-образную форму. В российской армии аналогом являются нарукавные нашивки за выслугу лет. – Прим. пер.
159
Относительно эпизода с апорией о невозможности движения, она привлекла даже Пушкина, и он посвятил этому стихотворение «…Движенья нет, сказал мудрец брадатый. Другой смолчал и стал пред ним ходить.» – Прим. пер.
160
Диоген принадлежал к школе «киников». Это устойчивый термин из философии, от греческого слова «собака», т. к. задачей апологетов этого направления Диоген считал необходимость указывать на недостатки людей, «лая на них, как собака, а иногда и кусая». Русское слово «циник» имеет то же происхождение, но более позднее время возникновения, поэтому «к» перешло в «ц», равно как и в множестве других терминов: Кентавр-Альфа Центавра, гидроцефалия-автокефалия и т. д. Разночтения в произношении греческой буквы связаны со временем заимствования слова из греческого в русский язык. – Прим. пер.
161
Г е й з е н б е р г, Вернер Карл (1901–1970) – немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии (1932). – Прим. ред.
162
П а с к у а л ь, Йордан (1902–1980) – немецкий физик и математик. С его именем связана так называемая йорданова алгебра. Такие алгебры понадобились для аксиоматизации основ квантовой механики. – Прим. ред.
163
Гейзерберг получил Нобелевскую премию в 1932 году за разработку матричной механики, однако позднее он писал Борну, что ощущает в этом свою вину, поскольку работа была сделана совместно всеми тремя. Борн впоследствии получил Нобелевскую премию в 1954 году, и эту задержку часто приписывают политике, поскольку Йордан был молодым и восторженным поклонником нацистов, и надо было найти способ присудить премию Борну и при этом исключить его. – Прим. авт.
164
Как и в случае с Гейзенбергом, открытие Шрёдингера было сделано, когда он уехал из дома, в данном случае кататься на лыжах на каникулы с одной из своих многочисленных любовниц. С тех пор физики приводят в пример эти случаи, если пытаются выбить себе побольше времени для каникул. – Прим. авт.
165
Вы можете подумать, что самая простая из всех возможных систем будет частицей самой по себе в открытом пространстве, но в реальности оказывается, что такой случай будет гораздо более сложным, и это мы вскоре увидим. – Прим. авт.
166
Это справедливо для медленно движущихся частиц, во всяком случае. Однако, когда скорость начинает приближаться к скорости света, релятивизм слегка изменяет определение скорости, но для наших целей формулировка «масса, умноженная на скорость» вполне приемлема. – Прим. авт.
167
Точное значение для одномерной коробки будет немного меньше, потому что вероятность распределения имеет пик в середине, но основная идея правильная. – Прим. авт.
168
Используется термин beating, в музыке это «биение» – сложение двух волн с близкими частотами. На основе биений существует метод точной настройки двух струн (или струны и камертона) в резонансе, при этом исчезновение биений означает, что струны настроены одинаково либо имеют кратные друг другу длины. – Прим. пер.
169
Ж о л и о-К ю р и, Фредерик (1900–1958) – французский физик и общественный деятель. Лауреат Нобелевской премии по химии (1935) совместно со своей супругой Иреной Жолио-Кюри. – Прим. ред.
170
Л е в е р ь е, Урбен Жан Жозеф (1811–1877) – французский математик, астроном, занимавшийся небесной механикой, большую часть своей жизни проработал в Парижской обсерватории. – Прим. ред.
171
Имеется в виду угловая минута, равная одной шестидесятой углового градуса. – Прим. пер.
172
Г а л л е, Иоганн Готтфрид (1812–1910) – немецкий астроном, открыл Нептун, в его честь названы кратеры на Луне, на Марсе, кольцо Нептуна и др. – Прим. ред.
173
Ему помогал Генрих Д’Арре, но его роль по разным причинам обычно сильно преуменьшается. – Прим. пер.
174
П у а н к а р е, Жюль Анри (1854–1912) – французский математик, механик, физик, астроном, философ. Наряду с Гимбертом считается последним математиком-универсалом, способным охватить все математические результаты своего времени. – Прим. ред.
175
Интересно, что первоначальный вывод Пуанкаре был прямо противоположным, он полагал, что показал окончательную стабильность системы со многими телами. Пока его рукопись подготавливалась для публикации, один из редакторов журнала, шведский математик Ларс Эдвард Фрагме, указал на, казалось бы, небольшое несоответствие в доказательстве. При более внимательном рассмотрении это привело к прямо противоположным выводам. Изначальная статья была быстро изъята и переписана, однако Пуанкаре все равно получил премию. – Прим. авт.
176
В мире науке нельзя зарекаться. В XIX веке Огюст Конт заявлял, что мы никогда не узнаем, из чего состоят звезды и Солнце, а вскоре… обнаружили гелий на Солнце. Так что здесь автор слишком пессимистичен. – Прим. пер.
177
Д а й с о н, Фримен Джон (р. 1923) – американский физик-теоретик британского происхождения. Один из создателей квантовой электродинамики. – Прим. ред.
178
Если вспомнить о стоячих волнах на струне, о них говорилось во 2-й главе, действительное значение волновой функции на одном из этих пиков осциллирует между двумя положительным и отрицательным значениями во времени. Что важно, это относительный знак обоих пиков: точно так же в симметричном случае, в противоположность с ассимметричным. – Прим. авт.
179
Существует бурно развивающееся направление в физике, посвященное изучению поведения таких частиц, это очень важно для понимания сверхпроводимости. Однако большинство из интересных явлений в этой области происходят при температурах в пределах нескольких градусов от абсолютного нуля, так что они мало могут повлиять на обычный завтрак. – Прим. авт.
180
Л и б, Элиотт Хершел (р. 1932) – американский математик, физик, специализируется на статической механике, теории конденсированной материи и функционального анализа. – Прим. ред.
181
Т и р р и н г, Вальтер (1927–2014) – австрийский физик-теоретик, автор книги «Предупреждение человечеству». – Прим. ред.
182
Это известно как «предел Чандрасекара» по имени американского физика индийского происхождения Субраманьяна Чандрасекара, который впервые вычислил его во время своей поездки в Англию на пароходе в 1930 году. Первоначальный результат Чандрасекара встретил изрядное сопротивление, но он и другие повторяли и уточняли вычисления, и предел был доказан математически. – Прим. авт.
«Изрядное сопротивление» было весьма серьезной травлей со стороны одного из крупнейших авторитетов в физике Артура Стэнли Эддингтона. Вследствие этого Нобелевскую премию оказавшемуся правым Чандрасекаре дали лишь через 10 (!) лет после его открытия. Эддингтон же сильно растерял свой авторитет и Нобелевскую премию не получил. – Прим. пер.
183
Автор не упоминает, но здесь имеет значение не размер звезды, а именно масса. – Прим. пер.
184
Здесь может быть неточность, «Самсунг Хромбук» этого класса, скорее всего, с процессором Интел и, вероятно, имеет тактовые частоты, близкие к сотням гигагерц, что составляет около миллиарда тактов в секунду, однако это не означает миллиард операций, но, в принципе, это неважно. – Прим. пер.
185
В английском языке кот Шрёдингера женского рода – кошка, но в русском – это кот. – Прим. пер.
186
Г и л б е р т, Ньютон Льюис (1875–1946) – американский физик и химик. Основные научные работы в области химической термодинамики, фотохимии, химии изотопов, ядерной физики. – Прим. ред.
187
Т о л м е н, Ричард Чейз (1881–1948) – американский физик-математик, специализировался на статической механике, сделал важный вклад в теоретическую космологию. – Прим. ред.
188
«Тиканье» любых световых часов разумного размера будет слишком быстрым для практического использования, но, в принципе, это были бы великолепные часы, поскольку постоянство скорости света будет создавать весьма равномерные колебания. – Прим. авт.
189
Для более внимательного изучения этого и остальной части наиболее знаменитой теории Эйнштейна читайте мою книгу How to Teach Relativity to Your Dog, 2012. – Прим. авт.
190
П о д о л ь с к и й, Борис Яковлевич (1896–1966) – американский физик-теоретик, соавтор парадокса Эйнштейна – Подольского – Розена. – Прим. ред.
191
Р о з е н, Натан (1909–1995) – американский и израильский физик-теоретик, работал с Эйнштейном по некоторым вопросам общей теории относительности, квантовой механики и космологии. – Прим. ред.
192
Нет окончательной договоренности среди физиков, что считать «состоянием кота». Этот термин часто используется для состояний, когда отдельные квантовые частицы помещены в суперпозицию двух состояний, но ряд физиков говорит, что нужно применять этот термин только для суперпозиций, включающих объект, состоящий из макроскопического количества частиц. Это, скорее всего, подходит к аналогии, включающей котов. – Прим. авт.
193
Волновая функция не абсолютно идентична сумме двух отдельных атомных состояний, но близка к тому. Есть отлично отработанные математические техники для того, чтобы начать от суммы волновых функций двух атомов и затем ее небольшого уточнения, чтобы результат лучше совпал с реальным состоянием молекулы. – Прим. авт.
194
А н д е р с о н, Филип (р. 1923) – американский физик-теоретик, его вклад состоит в теории локализации, теории высокотемпературной сверхпроводимости и др. Лауреат Нобелевской премии (1977). – Прим. ред.
195
Сам Филип Андерсон не употребляет этого термина – emergence – в указанной статье. Термин «состояние возникновения», не устоявшийся в российской науке, обозначает переход от более «низких» уровней в иерархии систем, состоящих из многих идентичных элементов (в которых высоки требования к выполнению симметрии), к более «высоким», где из-за взаимодействия отдельных элементов систем, во-первых, могут «нарушаться» законы симметрии (если быть точным, они не нарушаются, а обходятся за счет разных механизмов), и, во-вторых, возникают новые качества. – Прим. пер.
196
Здесь автор упрощает, поскольку мысль Андерсона в статье несколько сложнее и чуть иная, хотя он и выдвигает идею «линейной» иерархии наук. Скорее, Андерсон говорит о том, что в различных науках в разной степени и несколько по-разному можно применять некоторые законы из других наук или фундаментальные, в зависимости от «уровня» в некоей системе иерархий наук относительно микро- и макромиров и фундаментальных законов. Точная цитата из статьи Андерсона по этому поводу: «…Но эта (линейная) иерархия (наук) не означает, что наука X – это просто применение (законов из науки) Y. На каждой стадии необходимы совершенно новые законы, концепции и обобщения.». – Прим. пер.
197
Электроны могут также двигаться в пределах полос спектра в ответ на воздействие электромагнитного поля, как мы увидим, когда будем говорить о проводниках и изоляторах, но это не включает поглощение или излучение видимого света. – Прим. авт.
198
Также существуют дополнительные процессы, включая взаимодействия с кристаллической решеткой, что ведет ко многим интересным осложнениям задачи и дает физикам, изучающим твердые предметы, удачно этим заниматься. Однако эти процессы не фигурируют ни в одном из явлений, о которых мы ведем разговор. – Прим. авт.
199
Не только попугаев. Ряд птиц, например голубые сойки и кардиналы, также имеют бриллиантовый синий окрас. Более того, поскольку синего пигмента в природе крайне мало, яркие синие цвета некоторых тропических жуков также зависят от чисто оптических явлений, без вовлечения пигмента: интерференции на тонких пленках. По той же причине бензин и масла на воде дают радужные цвета, как и мыльные пузыри. – Прим. пер.
200
Это явление цвета, возникающего за счет структуры, встречается у многих видов птиц, но обычно только для различных тонов синего цвета. Красные перья тропических птиц окрашиваются за счет молекул красного пигмента, так что сам материал перьев окрашен. Волновая природа света также используется птицами и бабочками, чтобы создать радужные цвета, которые кажутся изменяющимися, если вы смотрите с разных углов зрения. Это еще один процесс, включающий интерференцию различных слоев структуры наподобие тонких перекрывающихся чешуек. – Прим. авт.
201
Конечно, мы с легкостью проскочили мимо целого ряда технических деталей – проработка точной структуры полос спектра энергий в трехмерном кристалле требует большой вычислительной работы и отнимает очень много времени у физиков. Измерения структуры этих полос экспериментально для проверки вычислений считаются еще одним важным источником деятельности. То, что мы здесь описывали, – концептуальная основа для большого и активного поля исследований и немного «моделирования сферических коров», поскольку не все материалы имеют четкую и регулярную кристаллическую структуру. Работа с субстанциями, которые не являются регулярными кристаллами, – это тоже еще одна важная область исследований. – Прим. авт.
202
Что описано, как «ток по соглашению», текущий направо, причуда физиков, которая смущает уже много поколений студентов в области электроники. Вы можете обвинять Бена Франклина за это: он был влиятельным сторонником современной модели, где один тип заряда движется, а другой остается на месте. К сожалению, он не угадал, когда приписал положительный заряд движущимся зарядам. – Прим. авт.
По некоторым источникам, это соглашение приписывается Амперу. В любом случае, «…Данное соглашение вступает в некоторое противоречие с наиболее распространенным случаем металлических проводников. В металле носителями заряда являются свободные электроны, и двигаются они от «минуса» к «плюсу». Но в соответствии с соглашением, мы вынуждены считать, что направление тока в металлическом проводнике противоположно движению свободных электронов.» – из книги И.В. Яковлева «Материалы по физике». – Прим. пер.
203
Однако, в отличие от электронов, «дырки» движутся в том же направлении, что и «ток по соглашению» в материалах. – Прим. авт.
204
LED – Light Emitting Diode – «светоизлучающий диод». – Прим. пер.
205
В 2014 г. Нобелевской премией по физике были награждены Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамура за разработку светоизлучающих диодов, которые дают синий свет. – Прим. авт.
206
Физики Джон Бардин, Вальтер Браттейн и Уильям Шокли получили в 1956 г. Нобелевскую премию за их изобретение, одна из двух, полученных Бардиным. Другая была получена им в 1972 г. за теорию сверхпроводимости, разработанную совместно с Леоном Купером и Робертом Шриффером. – Прим. авт.
207
Понятно, что автор несколько упрощает процесс, скажем, в современном производстве для внесения примесей в слои кремния используется облучение потоками ионов, также широко распространена фотолитография и т. д. В основном идет борьба за минимизацию размеров отдельных компонентов, и в настоящее время (2017 год) рекордом считается технология IBM, при которой получены транзисторы габаритами в 5 нанометров. Далее основной проблемой уже стали явления дифракции и интерференции света в процессе производства, а также паразитные токи между элементами процессора. Описанные технологии уже, похоже, вышли на предел возможностей, и в настоящее время лидирующие компании-производители процессоров активно ищут альтернативные технологии. – Прим. пер.
208
Этот компьютер был несколько гибридным, поскольку многие из его инструкций были «зашиты» в «корневую память», состоящую из небольших витков проволоки. – Прим. авт.
209
Это не будет работать с постоянными магнитами, но если вы сделаете магнит частью быстро вращающейся вершины, вы сможете действительно повиснуть в воздухе. Игрушечная версия этого известна под названием «Левитрон» и оказалась полезной физической демонстрацией. – Прим. авт.
В «Левитроне» постоянный круговой магнит лежит в основании, а запускаемый вращающийся магнит, сделанный в виде волчка, направленный отталкивающим полюсом к базовому магниту, при вращении зависает в воздухе. Там работают не только магнитные, но и другие силы (кориолисовы и т. д.). – Прим. пер.
210
Ф е й н м а н, Ричард Филлипс (1918–1988) – американский физик, один из создателей квантовой электродинамики. Лауреат Нобелевской премии (1965). – Прим. ред.
211
Это несколько несправедливо по отношению к Фейнману, кто в действительности очень многое сделал для решения вопросов «почему» в целом. Однако эта фраза часто используется как дисклеймер перед попытками объяснить физику магнетизма, так что высказывание явно попадает в тему. – Прим. авт.
212
Эта строчка в англоязычном Интернете считается мемом и достаточно известна. – Прим. пер.
213
Китайцы использовали подобие компаса для гадания еще раньше. Они использовали остаточную намагниченность отливок из железа со слабыми магнитными свойствами. Использовать компас для навигации впервые предложил Чжу Юй в книге «Застольные разговоры в Нинчжоу» (1119 г.). – Прим. пер.
214
Это отличный вопрос для викторин в начальных классах по физике. Северный магнитный полюс также слегка не совпадает географически с северным концом оси, вокруг которой вращается Земля, так что, в зависимости от вашего положения, магнитный север слегка отклоняется от севера. Разница между этими двумя полюсами, однако, хорошо известна и отмечена на хороших навигационных картах. – Прим. авт.
215
Реальные атомы позитрония существуют, сам элемент обозначается символом Ps в Периодической таблице. В 2007 году профессор физики Аллен Миллс и его ассистент Дэвид Кэссиди обнаружили молекулы позитрония. – Прим. пер.
216
Сдвиг существенно меньше в водороде, чем в позитрониуме, поскольку магнитное поле, создаваемое протоном, намного меньше, чем у электрона или позитрона. – Прим. авт.
217
Автор при разговоре об «уровнях» рассмотрения использует термин scale – масштаб, но в данном случае точнее его переводить именно термином «уровень», т. к. термин «масштаб» имеет в русском языке второе значение, относящееся к горизонтальному расширению охвата. Здесь же речь идет именно о переходах от «нижних» уровней квантовой физики, имеющих дело с отдельными частицами, к атомам, состоящим из многих частиц, затем к молекулам, затем к макроскопическим предметам. – Прим. пер.
218
Если говорить упрощенно, это происходит потому, что электрон в равной степени может вращаться как по часовой стрелке, так и против нее, и магнитные вклады от этих двух возможных орбит взаимно уничтожаются. – Прим. авт.
219
Орбитальное движение электронов влияет на их взаимодействие с магнитными полями, что ведет к эффекту Зеемана, когда одно энергетическое состояние расщепляется на несколько подуровней, когда атомы помещены в магнитное поле. Однако эти подуровни не создают магнитное поле вне атома, которое можно было бы использовать для энергетической подпитки постоянного магнита. – Прим. авт.
220
Есть два варианта: «субуровни» и «подуровни». Можно применять оба термина, я выбрал подуровни, но и тот и другой плох. – Прим. пер.
221
Также есть симметричная комбинация из одного электрона со спином вверх и одного спином вниз, которые часто группируются вместе с двумя, направленными вверх и двумя, направленными вниз состояниями, и этот набор называют «триплетным» состоянием по контрасту с «синглетным» (одиночным) ассиметричным состоянием. – Прим. авт.
В российской науке существуют термины, являющиеся прямой транслитерацией англоязычных терминов, в частности состояние спинов атома определяется его «мультиплетностью», при этом состояния «триплет», «синглет» рассчитывают по специальной формуле. – Прим. пер.
222
Это может показаться хождением по кругу: состояние электрона определяет расположение атомов, и что затем расположение атомов определяет электронные состояния. Теоретические вычисления подобных вещей обычно включают итеративный процесс: берется правдоподобное расположение атомов, вычисляются электронные состояния, затем заново вычисляются расположения атомов, чтобы понять, будут ли новые электронные состояния склонны сдвигаться. В природе этот процесс просто происходит автоматически; так что быть атомом гораздо легче, чем быть физиком-теоретиком. – Прим. авт.
223
Или даже относительно слабые – остывающие скалы в магнитном поле Земли в результате стали слегка магнитными. Это один из решающих моментов свидетельства дрейфа континентов: на каждом краю среднеатлантической плиты мы наблюдаем «полоски» с магнитными линиями с направлениями вперемешку, поскольку земные магнитные полюса изменяли свое направление множество раз за миллионы лет. Новые скалы формировались по мере продвижения магмы вверх и наружу через разломы, запечатлевая историю сдвигов полюсов и распространение по дну океана. – Прим. авт.
224
Эта температура называется так в честь Пьера Кюри, чье оригинальное исследование было в области магнитных материалов. Однако, когда Мария Кюри начала работы по радиоактивности, Пьер забросил магниты и присоединился к ней в этих экспериментах, и мы обсудим это в следующей главе. – Прим. авт.
225
VHS – Video Home System – система домашнего просмотра видеокассеты на ленточных носителях, в настоящее время почти вышли из употребления в связи с широким распространением носителей информации на флеш-памяти. – Прим. пер.
226
Здесь автор, конечно, сильно упрощает, вернее, дает неточную информацию ради простоты объяснения. Молекулы «воздуха» быть не может в принципе, так как воздух – это смесь различных газов и распыленных частиц различных материалов, но никак не вещества «воздух». – Прим. пер.
227
Р е н т г е н, Вильгельм Конрад (1845–1923) – немецкий физик. Первый в истории физики Нобелевский лауреат (1901). – Прим. ред.
228
Рентгеновские лучи в англоязычных странах часто называют x-rays, «икс-лучами». У нас принят термин «рентгеновские» лучи. Скорее всего, английское название подпитывается комиксами, так как «x-rays» для комиксов гораздо привлекательнее как название. – Прим. пер.
229
Сегодня мы знаем, что рентгеновские лучи возникают, когда электроны, проходящие через вакуумную трубку, ударяются о положительно заряженный электрод на высокой скорости. – Прим. авт.
230
Б е к к е р е л ь, Антуан Анри (1852–1908) – французский физик. Один из первооткрывателей радиоактивности. Лауреат Нобелевской премии (1903) совместно с Пьером и Марией Кюри. – Прим. ред.
231
Это был уранилсульфат калия – K2(UO2)(SO2)2·2H2O, соль урана. – Прим. пер.
232
Склодовская-Кюри, Мария (1867–1934) – польский и французский ученый, физик, химик, педагог, общественный деятель. Первая женщина-преподаватель Сорбонны. Дважды Нобелевский лауреат. – Прим. ред.
233
О с т в а л ь д, Вильгельм Фридрих (1853–1952) – латышский, русский и немецкий физик-химик, философ-идеалист. Лаурет Нобелевской премии по химии (1909). – Прим. ред.
234
Полоний был так назван в честь родной страны Марии – Польши, которая тогда была частью Российской империи. – Прим. авт.
235
Изначально Королевская шведская академия наук планировала дать премию только двум мужчинам, но после того, как Пьер Кюри выразил протест, они также признали и заслуги Марии. – Прим. авт.
236
Скорее всего, она разделила бы ее с Пьером, но он погиб в дорожной аварии в 1906 году, а Нобелевская премия посмертно не присуждается. – Прим. авт.
237
Гамма-излучение было открыто французским физиком Полем Вилларом в 1900 году при исследовании излучения радия. – Прим. пер.
238
Атом гелия, образованный двумя протонами и двумя нейтронами. – Прим. пер.
239
Гейгер был ограничен природными радиоактивными источниками, которые в основном производят низкоэнергетические альфа-частицы, поэтому он не мог измерить точный предел, обстреливая частицы на энергиях слишком больших, чтобы они отклонялись, и его выводы касались лишь минимальных значений от измерений на низких энергиях. – Прим. авт.
240
МэВ – МегаЭлектронВольт – мера измерения энергии квантовых частиц. – Прим. пер.
241
Г а м о в, Георгий Антонович (также известен в научных кругах как Джордж Гамов) (19041968) – советский и американский физик-теоретик, астрофизик и популяризатор науки. В 1933 г. покинул СССР. Член Национальной академии США (1953). – Прим. ред.
242
В одном случае из Крыма в Турцию, в другом – из Мурманска в Норвегию. В обоих случаях им пришлось вернуться из-за плохой погоды. – Прим. авт.
243
Он устроился работать, в конце концов, в Университет Джорджа Вашингтона, Вашингтон, округ Колумбия, недалеко от моего дома с ненавидящим тостеры детектором дыма. – Прим. авт.
244
К тому времени Резерфорд продвигал хорошо проработанную модель, включающую созвездие альфа-частиц, движущихся по орбитам во внешней области ядра, для объяснения того, как низкоэнергетические альфа-частицы могут оторваться от ядра. – Прим. авт.
245
Медленнее – означает, что она проводит больше времени в этой области пространства, что соотвествует более высокой вероятности нахождения ее там. – Прим. авт.
246
Точная форма волновой функции зависит от деталей ее потенциальной энергии, но в основном это экспоненциальное угасание, по мере того как частица движется глубже в запрещенную область. – Прим. авт.
247
К о н д о н, Эдвард Упер (1902–1974) – американский физик-ядерщик, основоположник квантовой механики. – Прим. ред.
248
Г ё р н и, Рональд Уинфри (1899–1953) – английский физик-теоретик. Работы в области квантовой механики, физики твердого тела, ядерной физики и т. п. – Прим. ред.
249
М а н д е л ь ш т а м, Леонид Исаакович (1879–1944) – русский и советский физик, один из основателей отечественной научной школы радиофизики. – Прим. ред.
250
Л е о н т о в и ч, Михаил Александрович (1903–1981) – русский и советский физик, академик, автор работ по физике плазмы, радиофизике. – Прим. ред.
251
Н а т э л л, Джон Митчелл (1890–1958) – британский физик, работал с Гейгером. Закон Гейгера-Натэлла. – Прим. ред.
252
К о к к р о ф т, Джон Дуглас, сэр (1897–1966) – английский физик, работы по превращению атомных ядер. Лауреат Нобелевской премии (1951). – Прим. ред.
253
У о л т о н, Эрнест Томас Синтон (1903–1995) – ирландский физик, работы по расщеплению атомных ядер. Лауреат Нобелевской премии (1951). – Прим. ред.
254
Это, конечно, длительный и сложный процесс, интересно описанный в книге Брайана Кэткарта «Муха в соборе», которая дает великолепную картину жизни в Кавендише во времена славы Резерфорда. – Прим. авт.
255
В а н д е Г р а а ф, Роберт (1901–1967) – американский физик, изобретатель высоковольтного генератора. – Прим. ред.
Ускоритель Ван де Граафа больше известен в российской (и в мировой) терминологии как «генератор» Ван де Граафа. Дело в том, что сам ускоритель построен на основе главного изобретения Ван де Граафа – генератора высоких напряжений. Даже одна из популярных рок-групп взяла название «Ван де Грааф Генератор». – Прим. пер.
256
Л о у р е н с, Эрнест Орландо (1901–1958) – американский физик, создатель первого циклотрона (1930), за что был удостоен Нобелевской премии (1939). – Прим. ред.
257
Б и н н и н г, Герд Карл (р. 1947) – немецкий физик, один из изобретателей сканирующего туннельного микроскопа, за что получил Нобелевскую премию (1986) вместе с Генрихом Рорером. – Прим. ред.
258
Они были в то время сотрудниками исследовательского центра IBM в Цюрихе. Я, как архитектор московского Клиентского центра IBM, проходил там обучение в 2017 году и работал на квантовом компьютере, видел те стены и общался с ныне работающими там звездами. – Прим. пер.
259
Первой «интересной картинкой» в атомном масштабе был логотип IBM, сложенный из отдельных атомов. В 2013 г. на усовершенствованном микроскопе, работавшем на тех же принципах, IBM создало первый мультфильм, в котором изображения были построены из отдельных атомов. – Прим. пер.
260
Также применяются термины «сцепленность», «спутанность». – Прим. пер.
261
Подобный пример, как правильно заметил автор, весьма прост: шифры такого типа были распространены довольно давно, в настоящее время они взламываются за доли секунды компьютерами методами статистического подбора. Основная масса современных шифров основана на эллиптических преобразованиях, а также шифрование с открытым кодом, основанное на методах разложения на простые множители. – Прим. пер.
262
В российской терминологии это шифр Вернама или OTP (латинские буквы от one-time pad, не переводится). Придуман в 1917 году телеграфистом Вернамом, за что и получил его имя. В 1945 г. Клод Шеннон написал работу, в которой доказал абсолютную стойкость данного метода, то есть его в принципе невозможно расшифровать. Однако сложности организации ключей ограничили его применение. – Прим. пер.
263
Легко запомнить или спрятать короткий список чисел, но чем он длиннее, тем сложнее охранять его. Проблема здесь, скорее, похожа на то, как большинство людей легко запоминают короткие, но не очень надежные пароли, а для более длинных и более надежных строчек с числами и буквами все заканчивается тем, что их пишут на стикерах и прилепляют к монитору, что полностью разрушает всю идею шифровального ключа. – Прим. авт.
264
В древнееврейской мифологии и современной религии имя Бога нельзя было произносить, возможно поэтому Эйнштейн употребляет в обоих случаях оригинального текста вместо слова «Бог» – «Иаков» и «Старик». Оригинальный текст был написан по-немецки. «Die Quantenmechanik ist sehr achtung-gebietend. Aber eine innere Stimme sagt mir, dap das doch nicht der wahre Jakob ist. Die Theorie liefert viel, aber dem Geheimnis des Altenbringt sie uns kaum naher. Jedenfalls bin ich uberzeugt, dap der nicht wurfelt». – Прим. пер.
265
Подход Бройля-Бома с теорией волн-пилотов считается альтернативным подходом к квантовой теории, где отдельные частицы все же имеют определенные свойства, но направляются дополнительным полем, которое берет на себя наиболее странные свойства, связанные с квантовыми частицами. Однако конкретные начальные свойства любой индивидуальной частицы все еще определяются случайным образом и недоступны для измерений, так что результат отдельного квантового эксперимента остается непредсказуемым. – Прим. авт.
266
Детерминистская альтернатива квантовой физике остается темой интереса горстки исследователей, из которых наиболее известен Герард'т Хоофт, который в 1999 году разделил Нобелевскую премию по физике за работу по Стандартной модели, но следующие поколения по большей части следовали по пути Паули и Гейзенберга и предпочитали, согласно насмешливой фразе Дэвида Мермина, «заткнуться и вычислять». – Прим. авт.
267
Ян Беттеридж – британский журналист, в 2009 г. сформулировал закон, согласно которому «…На любой заголовок, заканчивающийся вопросительным знаком, можно ответить "нет"…». Несмотря на юмористический характер утверждения, с его смыслом, возможно, согласятся многие: Ян полагает, что, когда у журналистов нет ни фактов, ни надежных источников, ни понимания темы, а статью написать хочется, они пользуются этим типом заголовка. – Прим. пер.
268
«ЭПР» – по инициалам «Эйнштейн, Подольский, Розен». Этот термин «EPR» принят и понимаем в англоязычной научной среде. – Прим. пер.
269
В более поздние годы Эйнштейн часто говорил, что был не удовлетворен окончательными формулировками статьи ЭПР, которая в основном была написана (на английском языке) Розеном. – Прим. авт.
270
Термин «запутанность» был создан Шрёдингером, он тоже разделял предчувствия Эйнштейна. – Прим. авт.
271
Информация о первоначальном состоянии полностью теряется только для случая поворота магнитов на 90 градусов. Если вы выберете промежуточный угол, то получите две группы с разными вероятностями – повернув второй магнит на 60 градусов от спинов вверх, это даст соотношение 75 × 25 между группами с правыми и левыми спинами. Это станет важным позднее. – Прим. авт.
272
Б е л л, Джон Стюарт (1928–1990) – физик-теоретик ирландского происхождения, заложил теоретическую основу для экспериментальных исследований ЭПР-парадокса. – Прим. ред.
273
А с п е, Ален (р. 1947) – французский физик, специалист по квантовой оптике, теории скрытых параметров и квантовой запутанности. – Прим. ред.
274
Эйнштейн посвятил последние десятилетия свой жизни бесплодным поискам теории, которая объединит гравитацию и электромагнетизм в единое поле. Шрёдингер также работал над теорией поля, кроме того, еще написал влиятельную книгу по физике живых систем. – Прим. авт.
275
Этот подход к теории Белла, в конечном счете, восходит к Дэвиду Мермину. – Прим. авт.
276
К л а у з е р, Джон (р. 1942) – американский физик, специалист по квантовой механике. – Прим. ред.
277
Детали эксперимента Аспе потрясающи, но слишком длинны, чтобы их здесь приводить. Для более детального описания экспериментов можно прочитать мою книгу How to Teach Quantum Physics to Your Dog. История, что стоит за экспериментами Клаузера и Аспе, также удивительна и хорошо изложена в книге Дэвида Кайзера How the Hippies Saved Physics. – Прим. авт.
278
Книга Джорджа Массера Spooky Action at a Distance – хороший обзор истории нелокальных взаимодействий в физике и впечатляющих исследований в этой области. – Прим. авт.
279
«Сырые данные» – вполне официальный термин при работе с данными. Другой равнозначный вариант – «необработанные данные». – Прим. пер.
280
Несмотря на то, что по правилам латинского языка надо читать «Микиус», в российской прессе чаще встречается под названием «Микус», однако, наиболее часто как спутник «Мо-цзы», т. к. это устоявшееся в русской китаеведческой истории имя этого философа. – Прим. пер.
281
П а й с, Абрахам (1918–2000) – американский физик-теоретик и историк науки голландского происхождения. Научные работы по квантовой физике, физике элементарных частиц, квантовой теории поля и т. п. Автор биографий Эйнштейна, Бора и Оппенгеймера. – Прим. ред.