Удивительные числа Вселенной полностью

Эта история началась с Поля Дирака, моего «научного предка», связанного со мной прямой линией научных руководителей[165]. Дирак — сын швейцарского иммигранта, который переехал в Бристоль на западе Англии, чтобы преподавать французский язык. Он был молчаливым мальчиком и еще более молчаливым взрослым. Коллеги из Кембриджа ввели единицу речи «дирак» — одно слово в час. Сам Дирак не видел особой нужды в словах. Он насмехался над интересом Роберта Оппенгеймера к поэзии и утверждал, что в школе его научили не начинать предложение, если не знаешь, как оно закончится. Кстати, в той же бристольской школе учился другой мальчик, гораздо более словоохотливый: голливудский актер Кэри Грант.

В 1927 году Дирак предложил теорию, которая соединила старые идеи Бора о квантованных орбитах электронов в атоме с эйнштейновскими идеями об относительности. Это была первая квантовая теория поля и крупный прорыв в понимании толкотни и суматохи микроскопического мира. Он показал, как электроны в атоме могут взаимодействовать с фотонами, испускаемыми им в виде излучения. И электрон, и фотон можно понимать как квантовые колебания полей: электрон — колебания в электронном поле, а фотон — в электромагнитном. Каждое колебание инициирует другие колебания, которые инициируют еще какие-то колебания, и т. д. Это была настолько красивая работа, что Дирак боялся изучать ее следствия, опасаясь, что природа могла оказаться достаточно глупа и выбрала что-то гораздо менее элегантное.

Поначалу их ждал большой успех. Мощные умы приступили к преобразованию этой идеи в новую область физики, названную квантовой электродинамикой, или КЭД. Среди них был квартет будущих нобелевских лауреатов: Паули, Гейзенберг, Ферми и венгр Юджин Вигнер, сестра которого Манси впоследствии вышла замуж за Дирака. Вместе с Дираком они начали открывать новые и интересные явления — от рождения и исчезновения частиц в магнитном поле до существования античастиц.

Первоначальный успех КЭД натолкнул на мысль, что вскоре ученые смогут делать прогнозы для всех физических явлений, связанных с электромагнитным излучением и заряженными частицами. Однако первые успехи были достигнуты благодаря методу, названному теорией возмущений. Это один из самых важных инструментов в кладовке физика. Чтобы понять, как он работает, ненадолго отложим в сторону КЭД и рассмотрим более знакомый сценарий — гравитационное поле Земли. Чтобы облегчить решение уравнений, мы обычно считаем Землю идеальной сферой. Но это не так. Из-за вращения она сплюснута, и это приводит к тому, что форма планеты меняется на 1 процент. Влияние этого изменения на гравитационное притяжение трудно вычислить точно, поэтому мы пользуемся приближениями. Мы вычисляем изменение гравитации с той же точностью в 1 процент (0,01), используя некоторые вычурные математические теоремы. Если мы хотим улучшить результат, то работаем немного усерднее и вычисляем следующий порядок влияния на гравитационное поле: берем точность в 1 процент в квадрате, или, иными словами, 0,0001. Мы могли бы перейти к точности в 1 процент в кубе или даже к более высоким степеням. Именно так работает теория возмущений: вы выявляете какое-то маленькое возмущение (в данном случае однопроцентное отклонение формы Земли) и постепенно улучшаете свои результаты, двигаясь по степеням этого малого параметра[166].

В КЭД тоже есть нечто маленькое. Это так называемая постоянная тонкой структуры, хотя большинство из нас называет ее просто альфа (α). Она не имеет ничего общего с алефами и омегами из предыдущего раздела. Это просто некое число, которое измеряет силу взаимодействия между фотонами и электронами: оно говорит нам, насколько сильно они хотят танцевать. Значение альфы контролирует все, что мы видим, и многое из того, что мы не видим. Оно устанавливает размер атомов, силу магнитов, цвета природы. Согласно измерениям, α ≈ ¹/₁₃₇, и этот факт пытались понять многие физики прошлого и настоящего. Возможно, самым одержимым был Паули. «Когда я умру, — шутил он, — я прежде всего спрошу дьявола: каково значение постоянной тонкой структуры?» Паули часто снились числовые соотношения, связывающие α с числом π или другими важными числами. Он даже разыскал психоаналитика Карла Юнга, который проанализировал его сны и пришел к выводу, что Паули постигает «какой-то великий космический порядок». По странному совпадению, Паули умер от рака поджелудочной железы в палате 137 больницы Красного Креста в Цюрихе.