Антон Первушин. КАК ШУТЯТ УЧЕНЫЕ

Лекция 2. Сферические животные в вакууме

ХХ век - век физиков. За сто с лишним лет они придумали столько сумасшедших концепций и теорий, что им никто не поверил бы, если бы они в подтверждение своих слов не взорвали атомную бомбу, не зажгли лазер и не запустили Интернет. Понятно, что столь креативные люди не смогли удержаться от того, чтобы не обогатить мир массой шуток, анекдотов, хохмочек и забавных парадоксов.

Чтобы вычленить суть физического юмора, нужно вспомнить классический анекдот. Ассоциация букмекеров наняла биолога, математика и физика, чтобы те нашли научный способ прогнозировать результаты скачек, и выдали каждому по миллиону долларов на год исследования. Год прошёл в трудах праведных - приходят отчёты. Биолог сообщает:

Я разработал методику, с помощью которой, зная родословные лошадей и изучив данные их генетического анализа, можно предсказать результат с вероятностью до 90%.

Математик докладывает:

Я разработал методику, с помощью которой, зная статистику скачек за год, число зрителей на трибуне, суммы ставок и цвет глаз конюха, можно предсказать результат с вероятностью 96%.

Физик заявляет:

Мне нужны ещё десять миллионов долларов, лаборатория, штат ассистентов и пять лет времени. А пока я разработал модель сферического коня в вакууме.

Физики живут не в вакууме и прекрасно понимают: суть их современных концепций настолько далека от повседневности, что её трудно осмыслить. Поэтому часто они идут на сознательное упрощение, придумывают красивые метафоры и остроумные иллюстрации. Конь стал своеобразной метафорой упрощения до идеальных условий, которые часто используются в научных теориях, но редко наблюдаются в действительности. На эту тему даже была такая шутка:

Одна лошадиная сила равна силе, изменяющей за одну секунду скорость на один метр в секунду абсолютно чёрного сферического коня в вакууме массой один килограмм и объёмом один литр.

Кстати, в англоязычном варианте анекдота фигурирует не сферический конь, а сферическая корова - при этом обсуждается, разумеется, не победа на скачках, а повышение удойности фермерских коров.

Другим любимым животным физиков стал кот Шрёдингера. Его, точнее, её придумал учёный Эрвин Шрёдингер, чтобы проиллюстрировать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим. Его мысленный эксперимент выглядел так. Некий кот заперт в непроницаемом ящике вместе с адской машинкой, внутри которой находится счётчик Гейгера и крохотное количество радиоактивного вещества, которое может распасться с минуты на минуту. Если это произойдёт, счётчик зарегистрирует распад и выдаст сигнал на молоточек, который разобьёт колбу с синильной кислотой, а синильная кислота в свою очередь мгновенно отравит кота.

Эрвин Шрёдингер вовсе не садист, как можно подумать, ознакомившись с его экспериментом. И настоящую кошку в ящик не сажал. Такой странный образ ему понадобился, чтобы продемонстрировать эффекты, которые распространены в квантовом мире, но не имеют аналогов в привычной нам реальности. Если ящик закрыт, мы не можем сказать, жив кот или мёртв. Если открыт - знаем точно. Вот в таком состоянии неопределённости и пребывает квантовый мир, а вернуть определённость можно только прямым наблюдением.

Несмотря на наглядность, идея Шрёдингера показалась учёным настолько бредовой, что её критикуют до сих пор. Знаменитый физик современности Стивен Хокинг однажды воскликнул:

Когда я слышу про кота Шрёдингера, моя рука тянется за пистолетом!

Дело в том, что на примере кота Шрёдингера показана зависимость объективных процессов от субъективного взгляда на них. Поэтому физики придумали мысленный эксперимент квантовое самоубийство, взглянув на проблему с точки зрения кота. Для внешнего наблюдателя есть два состояния кота - либо жив, либо мёртв. Для самого же бедолаги ситуация иная: если он умрёт, то для него исчезнет возможность интерпретации реальности - либо он понимает, что попал в ту вселенную, где изотоп не распался, либо уже ничего не понимает. Получается, что с точки зрения самого обитателя коробки он бессмертен! Понятно, что в реальности нам трудно такое представить: коты и кошки, увы, умирают, - но квантовый мир устроен несколько по-другому.

Ещё один издевательский эксперимент над бедными животными физики придумали, соединив два известных принципа:

Бутерброд всегда падает маслом вниз;
Кошка всегда приземляется на лапы

Получился парадокс кошки с маслом - если привязать на спину кошки бутерброд с маслом, она не приземлится, продемонстрировав антигравитацию. Падение кошки будет замедляться, она начнёт вращаться, пытаясь приземлиться на лапы, но в то же время и на масло бутерброда; в конце концов она должна достигнуть стабильного состояния, вися недалеко от земли и вращаясь с большой скоростью. Это, однако, возможно только в вакууме, иначе по закону сохранения энергии сопротивление воздуха вращению должно исчерпать гравитационную энергию падения. Есть также идея, как извлекать из этого вращения энергию, - с помощью так называемого котобутербродного генератора.

Другой популярный персонаж для физических шуток - демон Максвелла. Его придумал Джеймс Максвелл, чтобы проиллюстрировать кажущийся парадокс Второго начала термодинамики. Учёный представил себе сосуд, разделённый внутренней непроницаемой стенкой, в которой есть отверстие. В отверстии находится устройство, которое отделяет холодные молекулы от горячих. В итоге одна часть сосуда будет нагреваться, другая охлаждаться без дополнительного подвода энергии, что и приведёт к нарушению Второго начала. Демон стал очень популярен среди фантастов. К примеру, в НИИЧАВО из повести Стругацких Понедельник начинается в субботу демоны Максвелла открывают и закрывают входные двери института. Также демон встречается в произведениях Лема, Снегова и даже автора фэнтези Кристофера Сташефа.

Разумеется, демон Максвелла не может существовать сам по себе - как и сферический конь. Тем не менее некое его подобие на короткое время и без нарушения фундаментальных законов создать можно, если снабдить демона обратной связью. Именно таким путём пошли японские физики, сумевшие в 2010 году сделав гипотетического демона реальным.

Не нужно думать, что интересы учёных сводятся к сферическим коням в вакууме. Время от времени они увлекаются ещё более безумными идеями, которые вроде бы не имеют никакого практического смысла. О них мы поговорим на следующей лекции.