К началу двадцатого века физики обнаружили целый ряд крайне загадочных явлений – отчасти природного происхождения, а отчасти возникших в результате лабораторных экспериментов – которые невозможно было объяснить в рамках классических законов механики, термодинамики и электромагнетизма. Спектр излучения раскаленного тела выглядел совершенно бессмысленным: на каждую из возможных частот должно было приходиться примерно одно и то же количество энергии, но вместо этого спектр быстро угасал по мере увеличения частоты – это расхождение получило название «ультрафиолетовой катастрофы». И несмотря на то, что атомы, как было доказано, состояли из заряженных частиц – как положительных, так и отрицательных – никто не мог объяснить, почему атомы остаются стабильными, а спектр водорода представляет собой серию строго определенных частот, подчиняющихся простой математической закономерности.
В Ортогональной Вселенной частота света ограничена сверху – из-за этого никакой ультрафиолетовой катастрофы не наблюдается, а спектр, предсказанный классической физикой, лишь немного отличается от своей истинной, квантовомеханической версии. И хотя здесь также имеет место загадка стабильности заряженной материи, не существует прямого аналога водородного атома, который мог бы послужить простейшей испытательной платформой для новой теории. Более того, примитивная электроника, лежащая в основе большинства физических экспериментов в эпоху зарождения квантовой механики в нашем мире, обитателям Ортогональной Вселенной недоступна: сама природа электромагнетизма практически исключает возможность генерации ощутимых и устойчивых электростатических сил на макроскопическом уровне.
У мутнеющих зеркал Карлы, тем не менее, есть параллели и в нашем мире; их ближайшим аналогом является один судьбоносный эксперимент, проведенный на этапе становления квантовой теории – фотоэлектрический эффект. В 1920-х это явление принесло Нобелевскую премию Альберту Эйнштейну за его теоретические изыскания, а также Роберту Милликану – за скрупулезную экспериментальную работу, – несмотря на то, что сам Милликан, по-видимому, пытался эту теорию опровергнуть! Фотоэлектрический эффект заключается в том, что при попадании света той или иной частоты на металлическую поверхность в вакууме из нее вырываются электроны; далее эти электроны можно собрать и измерить количество частиц, испущенных за единицу времени, по величине тока в проводнике. Внезапное прекращение фототока при падении частоты света, попадающего на металлическую поверхность, ниже некоторого критического значения, подтвердило идею о том, что свет может поглощаться и испускаться только дискретными порциями, энергия которых пропорциональна частоте света. Поскольку для извлечения электрона из поверхности металла требовалось определенное количество энергии, образование тока было возможно только в том случае, когда необходимым минимумом энергии обладал каждый отдельный фотон, или квант света.
В Ортогональной версии дело обстоит несколько иначе: поверхность не приобретает энергию за счет поглощения света, а сама испускает свет под действием падающего на нее излучения, что дополнительно сопровождается выработкой обычной энергии. Кроме того, для преодоления разрыва между связанным и свободным светородом, требуется больше одного кванта света, так как при меньшем интервале вещество бы потеряло стабильность.
Не имея в своем распоряжении электроники, Карла может наблюдать только сам процесс помутнения в сочетании с эффектом рассеивания света на светородах, испущенных в вакууме. Неожиданное поведение свободных светородов при взаимодействии со светом перекликается с другим знаменательным экспериментом из нашей Вселенной, в ходе которого Артур Комптон обнаружил, что рентгеновские лучи, рассеиваемые свободными электронами в графите, проявляют характерные свойства частиц.
У ученых Ортогональной Вселенной – несмотря на все трудности, с которыми им приходится иметь дело – все-таки есть одно преимущество: оказывается, математика квантовомеханического спина вписывается в элегантную геометрическую систему, на исследование которой у них были веские основания задолго до открытия самой квантовой механики. В их Вселенной четырехмерные векторы естественным образом отождествляются с числовой системой, которую мы называем кватернионами (за более подробными объяснениями обращайтесь к приложению 3). Примечательно то, что кватернионы можно использовать и для описания объектов, известных нам как спиноры; они соответствуют таким частицам, как электроны – если речь идет о нашем мире, – либо светороды – в случае Ортогональной Вселенной. Наличие готовой математической системы, способной охватить как векторы, так и спиноры, дает возможность существенно сократить путь к тем догадкам, на которые в истории нашей квантовой механики ушли многие годы. Этим озарением я обязан Джону Баэсу, который объяснил мне, как спиноры можно представить в терминах кватернионов.
Хотя в романе и не упоминается слово «магнетизм», в идеях Патриции по поводу выравнивания светородных спинов в твердом теле многие читатели узнают явление, очень похожее на образование постоянного магнита. В Ортогональной Вселенной невозможно добиться единого направления магнитных сил на макроскопических расстояниях (в этом отношении они аналогичны силам электростатического взаимодействия), поэтому магнетизм не входит в число явлений, знакомых жителям этого мира с давних времен. Но, как это ни удивительно, открытые Патрицией квантовые нюансы, контролирующие параллельную ориентацию спинов, в нашей Вселенной играют даже более важную роль в возникновении постоянных магнитов, чем во Вселенной самой Патриции! В соответствии с правилами нашей физики магнитные взаимодействия между вращающимися электронами побуждают их расположить свои спины противоположно друг другу, скомпенсировав тем самым свои магнитные поля, и лишь благодаря квантовому эффекту, известному как “обменное взаимодействие” – в основе которого лежит зависимость среднего расстояния между электронами, а следовательно, и средней силы их электростатического отталкивания от тех или иных комбинаций спина – такие вещества, как железо, способны удерживать внутри себя сильные магнитные поля.
«Оптические тела», упоминаемые в романе, вероятно, напомнят читателю «оптические решетки», которые в реальном мире применяются исследователями для захвата и изучения атомов при сверхнизких температурах – однако в действительности эти системы существенно отличаются друг от друга. В Ортогональной Вселенной ямы и пики светового электрического поля можно заставить двигаться достаточно медленно, чтобы заряженные частицы оказались заперты в его энергетических ямах и стали двигаться вместе со светом. С помощью комбинации трех световых пучков этому «энергетическому ландшафту» можно придать такую форму, чтобы запертые в ямах частицы были ограничены по всем трем измерениям.
В нашей Вселенной это невозможно: заряженные частицы никогда не смогут угнаться за движущейся световой волной; в условиях же стоячей волны – когда интенсивность света образует в пространстве некую устойчивую картину – электрическое поле продолжает осциллировать во времени – при этом каждая яма превращается в пик, и наоборот, сотни триллионов раз в секунду. Тем не менее, хотя оптическая решетка неспособна поймать запереть заряженные частицы в своем электрическом поле, она может оказывать более тонкие воздействия. Эти воздействия связаны не с направлением электрического поля, а с интенсивностью света, благодаря чему они сохраняют постоянное направление с течением времени и могут использоваться для захвата электрически нейтральных атомов.
Дополнительные материалы к роману можно найти на сайте www.gregegan.net.