Все частицы, которые мы только что описали, имеют целочисленный спин, однако существуют и частицы с полуцелым спином. Что происходит, когда мы поворачиваем частицу с полуцелым спином? Здесь все немного хитрее. Давайте вместо мяча для настольного тенниса рассмотрим уменьшенного до квантовых размеров моллюска, который называется адский кальмар-вампир. Вы, наверное, ожидаете, что после одного полного оборота кальмар будет выглядеть точно так же, как и раньше. А вот и нет. Кальмар вывернулся наизнанку. Инвертировал сам себя. Оказывается, кальмары-вампиры действительно могут это делать[110], но, если перейти на язык квантовой механики, мы на самом деле имеем в виду следующее: волна вероятности перевернулась, гребни стали впадинами и наоборот. Именно это всегда происходит с частицами с полуцелым спином: после одного полного оборота они переходят из одного состояния в противоположное, словно вывернулись наизнанку! Только после второго оборота они оказываются в исходном состоянии.
Спин позволяет нам разделить частицы на два разных лагеря. С одной стороны — частицы с целочисленным спином, которые отвечают за фундаментальные взаимодействия; их называют бозонами. К ним относится переносчик электромагнитного взаимодействия фотон, спин которого равен 1. Существуют также W- и Z-бозоны и глюоны — переносчики слабого и сильного взаимодействий соответственно; их спин тоже равен 1. Есть еще гравитоны — пока не обнаруженные кванты со спином 2, которые, предположительно, несут ответственность за гравитационное взаимодействие. Легкие частицы — например, фотон — действуют на очень больших расстояниях. Но когда переносчиком становится тяжелая частица, она быстрее выдыхается и диапазон ее действия оказывается меньше. Именно это мы видим в случае W- и Z-бозонов, отвечающих за слабое ядерное взаимодействие.
С другой стороны — частицы с полуцелым спином, например электроны и кварки. Это фермионы. Они отвечают за наполнение Вселенной. Именно из них состоит материя. Фермионы составляют все вещества — звезды, планеты, леденцы… Тому есть очень веская причина. Фермионы не любят, когда их сваливают в кучу в одном состоянии. Природа фактически запрещает, чтобы в какой-то квантовой системе два фермиона находились в одном и том же квантовом состоянии. Это принцип исключения Паули, названный в честь блестящего немецкого физика Вольфганга Паули, с которым мы познакомимся получше в следующих двух главах.
Принцип работает так. Представьте, что два фермиона плавают внутри чашки чая. Что произойдет, если вы поменяете их местами? Фермионы — штучки неуклюжие. Если их поменять местами, они перевернут волну вероятности, описывающую чай: положительный гребень станет отрицательной впадиной и наоборот. Это драма кальмара-вампира, который снова и снова выворачивает себя наизнанку. Если два фермиона будут идентичными, то у вашего чая возникнут проблемы. Под идентичными я подразумеваю подлинных двойников вплоть до их квантовой ДНК — тот же спин, та же энергия, то же мнение о Брексите и т. д. Если их поменять местами, то ничего не изменится. Как это? В конце концов, они же двойники. А ведь мы только что сказали, что все переворачивается. Если переворачивание какой-то волны оставляет ее неизменной, это значит, что у нее изначально не было ни пиков, ни впадин! Куда ни глянуть, волна должна быть идеально плоской, скромно стоящей на нуле. Поскольку в действительности это волна вероятности, получается, вероятность нулевая. Иными словами, у чашки чая с одинаковыми фермионами нет шансов на существование. Что касается кальмара-вампира, то он обычно выворачивается, чтобы отогнать хищников. Если бы он выглядел точно так же внутри, как и снаружи, эта стратегия не сработала бы и такое животное не могло бы выжить. Это и есть принцип исключения Паули[111].
Паули был ярким и бескомпромиссным ученым. На протяжении всей карьеры он славился перфекционизмом, цепкостью и упорством; его называли Совестью Физики за пугающую способность безжалостно критиковать ошибки современников. Рудольф Пайерлс, работавший некогда помощником Паули, вспоминает в мемуарах о некоторых таких критических отзывах. Однажды у Паули спросили мнение о работе одного молодого и неопытного физика. Паули был настолько не впечатлен, что ответил: «Это даже не ошибочно». С тех пор эта фраза вошла в лексикон теоретической физики как способ описать плохую науку[112]. Справедливости ради следует сказать, что Паули мог быть столь же жестким и с более известными коллегами. Однажды он провел день в горячих спорах с великим русским физиком Львом Ландау. Ландау спросил, считает ли Паули все сказанное им вздором. «О нет! Вовсе нет, вовсе нет! — заметил немец. — То, что вы рассказывали, настолько запутано, что никто бы не осмелился сказать, вздор это или нет!»
