Со спином мы уже знакомы, однако кое-какие квантовые безумства я старательно замолчал. Еще из первой главы мы узнали, что направление квантового спина, по крайней мере у нейтрино, — один из верных признаков того, что мы все не превратились в антивещество по какому-то капризу природы. Настало время перейти от слов к делу и раз и навсегда показать, что самим своим существованием вы обязаны тому, как вращаются субатомные частицы и вращаются ли они вообще, то есть, какой у них спин [84] .

Казалось бы, спин — это просто вращение, а с вращением мы часто имеем дело в повседневной жизни, поэтому возникает искушение решить, будто нам уже все понятно. Так вот, поверьте мне на слово, если вы представляете себе электрон в виде микроскопического шарика или мячика, вы глубоко заблуждаетесь.

Сейчас я открою свой волшебный сундук с аналогиями и сделаю вид, будто частицы ведут себя как вращающаяся Земля — ну почти совсем, — в основном потому, что вы (скорее всего) родом с Земли и у вас, наверное, когда-то был глобус. А потом я покажу, почему все совсем не так. Заранее предупреждаю.

Начну с дурацкого вопроса. Вверх — это куда? Если не стоишь на поверхности Земли, ответ совсем не очевиден.

Когда в кино в космосе встречаются два звездолета, они почти всегда ориентированы так, чтобы «верх» разнообразных мостиков соответствовал «верху» кадра. Да откуда они знают?! В космосе «верх» — понятие практически бессмысленное. То, что почти все глобусы и карты Земли ориентированы так, что север у них сверху, а юг снизу, — просто историческая случайность. Те, у кого армия была сильнее, в конце концов завоевали остальных и нарисовали свои страны сверху [85] . Но у планет, как и у частиц, «верх» определяется иначе.

Если смотреть на Землю со стороны Северного полюса (на картах и глобусах он сверху), она вращается против часовой стрелки. Это просто условность, правда, очень крепко укоренившаяся (правда, я слышал, что в Австралии делают карты вверх ногами — та же условность, только наоборот).

«Верх» в Солнечной системе

Подобным же образом у всех планет Солнечной системы общая история, а следовательно, когда они превратились в аккуратненькие сфероиды, то в конечном итоге стали вращаться вокруг Солнца в одном направлении. Очень удобное, хотя и произвольное, определение верха в Солнечной системе гласит, что все планеты, если смотреть на них «сверху», вращаются против часовой стрелки. За исключением впавшего в полную немилость Плутона [86] , остальные восемь примерных (то есть настоящих) планет дружно вращаются вокруг Солнца по почти круглым орбитам в плоскости, которую называют плоскостью эклиптики.

Верх планет и верх Солнечной системы не обязательно соответствуют друг другу. Например, полюса Земли наклонены на 23 1/2 градуса относительно полюсов эклиптики. А отклонение Венеры от оси составляет всего три градуса, да и вращается она в противоположную сторону, а значит, верх (если определять его по вращению, то есть спину, планеты) у Венеры более или менее там, где у Солнечной системы низ. Солнце на Венере восходит на западе.

Независимо от первоначальной точки зрения очевидно, что если повернуть Землю на один полный оборот (наверное, вы знаете, что это и есть сутки), она будет выглядеть точно так же, как в момент начала. Давайте выберем на Земле точку не вполне случайным образом — пусть это будет городок Эврика в области Нунавут в Канаде (широта 80° N, долгота 86° W). Жители Эврики всегда знают, где у них север: от них до полюса примерно 1100 км в определенном направлении. А главное, это направление никогда не меняется.

Однако если вы умудритесь уменьшить корабль до субатомных размеров в духе «Фантастического путешествия» и остановите ваше уменьшенное судно над соответствующим местом электрона, результаты у того же эксперимента получатся совсем другие. Сверьтесь с компасом — и вы скорее всего обнаружите, что верх (север) находится от вас в одном направлении, но есть небольшая вероятность, что он лежит в противоположной стороне. Такая вот квантовая механика, что поделаешь. Измерить можно далеко не все величины, и все то, что казалось вам попросту невозможным, станет теперь разве что не очень вероятным. И возможные спины скажут нам гораздо больше о том, как функционирует частица того или иного типа, чем кажется на первый взгляд.

Наверное, вы помните, как съязвил Эрнест Резерфорд — сказал, что вся наука, кроме физики, это «коллекционирование марок». Это было в самом начале двадцатого века, и Резерфорд еще не знал, что и в физике есть очень многое от коллекционирования марок. Просто так вышло, что номиналы марок очень похожи на спины частиц.

Эксперименты показали, что у частиц каждого типа строго определенное количество спина — точно так же как они обладают строго определенной массой и зарядом. Подобно заряду, спины могут принимать лишь строго определенные значения. Более того, все типы частиц делятся ровно на две разновидности — на бозоны и фермионы. Чтобы вы не сошли с ума, я в конце книги поместил небольшую шпаргалку про элементарные частицы. Берите, не стесняйтесь.

У самых простых (по крайней мере, в том, что касается спина) частиц спин равен 1. Все, что касается спина, выражается в приведенных постоянных Планка с каким-то множителем (как мы уже видели, эта постоянная обозначается странненькой буквой ћ). Число это поразительно маленькое. Для сравнения укажу, что момент импульса у секундной стрелки в старинных напольных часах примерно в 1029 раз больше.

Момент импульса у спина очень мал, но он есть. Если бы я запустил лучом поляризованного света (а фотоны — частицы, обладающие спином, равным 1) в Северный полюс, то в конечном итоге мог бы остановить вращение Земли. С другой стороны, для такого луча мне потребовалось бы примерно 1068 фотонов, в несколько сотен тысяч раз больше, чем то количество, которое испустит Солнце за все время своего существования.