Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

А что электрон вообще «умеет делать»? Находиться внутри атома не единственный способ его существования, есть и другие: в пустом пространстве (т. е. в удалении от всего остального), или во взаимодействии с другим электроном, или в пустом пространстве во взаимодействии со светом, или внутри металла, или… – мир как-никак полон электронов. Узнаём же мы электрон по присущим ему числам,

которые он проявляет во взаимодействии с другими частями Вселенной, в первую очередь по массе и электрическому заряду. Все «умения» электрона сводятся к демонстрации внешнему миру нескольких чисел или к обмену с этим миром какими-то числами; такие обмены требуются для того, чтобы электрон мог участвовать в законах сохранения, ведь они выражаются через баланс чисел (о законах сохранения говорится в приложении А). Набор из нескольких чисел и определяет состояние электрона. Сказать что-то сверх этого едва ли возможно, потому что электрон элементарен

. Мы привыкли, что вещи из чего-то состоят, но элементарный объект не состоит ни из чего, кроме самого себя. Из-за этого его существование носит несколько более абстрактный, математический характер. Свойства «обычных» вещей тоже можно представлять числами: например, форма тела описывается или с помощью формулы, которая эти числа производит, или в виде огромной таблицы, в которой записаны координаты множества точек на границе тела. Для привычных нам вещей таких чисел много, пренебрежение несколькими из них никакого значения не имеет. Письменный стол, за которым я сижу, достался мне от моего деда, он несет на себе следы времени, и математически его форма слегка отличается от той, что была на пороге фабрики; это, однако, не мешает столу оставаться самим собой. Элементарным же объектам, таким как электрон, недоступно разнообразие подробностей; у электрона нет «левого бока», который можно было бы помять или поцарапать, потому что «помять» или «поцарапать» означает воздействовать на составные части, но составные части отсутствуют. Состариться электрон тоже не может, в нем нечему

стариться. Ему решительно некуда поместить и малую долю тех свойств, которыми обладает самая крохотная песчинка, попавшая на мой стол. Песчинку я могу взвесить и таким образом узнать ее массу; могу измерить скорость, с которой она улетит, если я на нее подую (так я узнаю ее количество движения); кроме того, я всегда могу определить точку, в которой она находится. При этом количество движения и местоположение песчинки выглядят как некоторые «внешние» свойства, не определяющие ее как таковую, – песчинка может иметь любые значения этих величин, «никого не спрашивая». Дело обстоит так потому, что песчинка большая и сложная: ее «правый бок» может оказаться более острым, чем левый, одна ее сторона может оказаться более плотной, чем другая, где-то к ней мог прикрепиться вирус, где-то еще на поверхности имеются микроскопические трещины и т. д. Но элементарные объекты существуют без всех этих прекрасных подробностей. Все их свойства сводятся к горстке чисел – частью перманентных, а частью зависящих от состояния, чисел, которые им совершенно необходимы, чтобы поддерживать отношения с миром. Это довольно необычно из-за перенесения внимания с чего-то вроде вещи «самой по себе» на более абстрактные понятия – «величины» и их значения, описывающие эту «вещь». Но еще более необычно, как в этих условиях проявляет себя квантовая природа мира: из-за принципа неопределенности не все свойства прикрепляются к объекту одновременно

. Координата вдоль выбранного направления и количество движения вдоль того же направления не могут описывать состояние электрона одновременно.

Постоянная Планка вызывает вражду

Принцип неопределенности – проявление «вражды» между некоторыми величинами, вызванной тем, что постоянная Планка ħ вторгается в отношения этих величин друг с другом и непоправимо их искажает: изменяет правила, по которым с этими величинами следует обращаться в математических формулах. Из-за этого оказывается невозможным – в строгом математическом смысле невозможным, – чтобы эти величины, относящиеся к одному и тому же объекту, одновременно обладали определенными численными значениями. Они могут принимать определенные значения по очереди, но не вместе.