Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева

Цезий оказался очень удобным материалом для «заводной пружины» в атомных часах, поскольку на внешнем уровне атома этого элемента находится всего один электрон, рядом с ним нет других электронов, которые могли бы его прикрывать. Громоздкие и тяжелые атомы цезия – удобные мишени для мазера, который заставляет их вибрировать. Однако даже в крупном цезии внешний электрон отличается прыткостью. Он успевает совершить за секунду не десятки, не тысячи, а 9 192 631 770 колебаний. Ученые остановились на этой неуклюжей величине, а не, скажем, на 9 192 631 769 или 9 192 631 771, так как именно в 9 192 631 770 колебаний была оценена точная длительность секунды еще в 1955 году, когда были сконструированы первые цезиевые атомные часы. Как бы то ни было, в настоящее время величина 9 192 631 770 считается фиксированной. Единица времени стала первым эталоном, точное значение которого стало возможно переслать по электронной почте. Именно после получения такого универсального определения секунды человечество уже в 1960 году отказалось от платинового эталона метра.

В 1960-е годы научное сообщество признало цезиевый стандарт в качестве механизма универсального отсчета времени.

Хотя этот стандарт и оказался полезен для науки, значительно повысив точность измерения времени, человечество тем не менее что-то потеряло, перейдя на него. Ведь со времен цивилизаций Древнего Египта и Вавилона для измерения времени и записи важнейших событий люди ориентировались на движение звезд и смену времен года. Цезий разорвал эту нить, связывавшую нас с небесами, подобно тому как уличные фонари в больших городах затмили созвездия. Цезий – отличный элемент, но он лишен мифического очарования, присущего Луне или Солнцу. Кроме того, даже основной аргумент в пользу перехода на цезий – универсальность, с которой электроны в атоме цезия вибрируют в любом уголке Вселенной, – также может оказаться не столь бесспорным.

* * *

Любовь математика к переменным сравнима только с любовью естествоиспытателя к константам. Заряд электрона, сила гравитации, скорость света – независимо от эксперимента и окружения, в котором он проводится, никогда не изменяются. Если бы они изменялись, ученым пришлось бы забыть о точности, которая отличает естественные науки от гуманитарных, например от экономики, в рамках которых человеческие причуды, а порой откровенный идиотизм не позволяют формулировать универсальные законы.

Еще более привлекают ученых фундаментальные константы – самые абстрактные и универсальные. Разумеется, численное значение размера или скорости частицы изменится, если мы вдруг решим, что метры должны стать длиннее, а килограммы – легче (хм). Но фундаментальные константы не зависят от измерений. Подобно л, они являются чистыми неизменными числами и, опять же, подобно л, фигурируют в самых разных контекстах. Кажется, что у таких феноменов должно быть предельно логичное объяснение, но найти его так и не удается.

Самая известная безразмерная константа – это постоянная тонкой структуры, описывающая тонкое расщепление электронов. Она определяет, как отрицательно заряженные электроны связываются с положительно заряженным ядром. Кроме того, от нее зависят силы некоторых ядерных процессов. На самом деле, если бы постоянная тонкой структуры (далее я буду именовать ее «альфа», так ее предпочитают называть ученые) сразу после Большого взрыва оказалась чуть меньше, то ядерный синтез в недрах звезд никогда не разогрел бы их настолько, чтобы там мог образоваться углерод. Напротив, если бы значение альфа было чуть выше, то все атомы углерода распались бы давным-давно, задолго до того, как оказались бы в наших организмах. Ученые благодарны природе за то, что значение альфа-константы оказалось в крохотном промежутке между этими атомными Сциллой и Харибдой, однако этот факт очень их озадачивает, поскольку никому не удается объяснить столь поразительное совпадение. Даже знаменитый физик Ричард Фейнман, убежденный и неисправимый атеист, однажды выразился о постоянной тонкой структуры так: «Любой хороший физик-теоретик записывает ее на стене и думает над ее значением… одной из величайших проклятых тайн физики: магическое число, которое приходит к нам без объяснения. Можно сказать, что это число писала “рука Бога” и мы не знаем, что двигало его карандашом».