Джон Малоун - Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами-волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения
Не менее странным представляется понятие квантовой пены. Предлагаю читателю самому разобраться с определением, использованным Брайаном Грином в книге «The Elegant Universe» («Элегантная вселенная»): «…на ультрамикроскопическом уровне ткань пространства-времени выглядит как бы вспененной, искореженной». Под «тканью» автор подразумевает единое пространство-время в теории относительности Эйнштейна. Описание такой квантовой пены оказалось весьма сложной проблемой для физиков, пытающихся объединить теорию относительности с квантовой механикой.
Квантовое туннелированые означает способность объектов проникать через барьеры, непроницаемые для них в механике Ньютона. Это простое утверждение приводит к совершенно неожиданным последствиям.
Возможно, читатель испытает некоторое облегчение, узнав, что квантовая клаустрофобия — всего лишь другое название квантовых флуктуации, обусловленных принципом неопределенности Гейзенберга (мы вернемся к этой проблеме, поскольку с ней связаны многие задачи квантовой механики).
Неудивительно, что Нильс Бор, знаменитый физик, один из отцов квантовой механики и лауреат Нобелевской премии, как-то публично заявил, что тот, у кого от квантовой теории не начинается головокружение, еще просто ничего в ней не понимает.
Почти каждый автор, пишущий о квантовой физике, характеризует ее как «странную» или «загадочную». Причины этого теперь вполне очевидны. На фоне законов классической физики квантовые законы действительно столь причудливы и странны, что даже Эйнштейн, сам очень много сделавший для развития квантовой теории, позднее предлагал полностью от нее отказаться. Теория тем не менее продолжала развиваться (несмотря на то, что некоторые ученые до сих пор продолжают спорить о ее смысле) и стала одним из самых важных и успешных разделов современной физики.
Интересно проследить, каким образом возникли и развивались парадоксальные физические идеи и представления. В 1900 г. Макс Планк обнаружил, что атомы нагретого тела излучают энергию только совершенно определенными порциями (до этого считалось, что излучение имеет непрерывный характер). Планк ввел понятие кванта энергии, на основе которого возник огромный раздел физики (ему посвящена гл. 15 нашей книги). В 1905 г. Эйнштейн установил, что свет состоит из частиц, или квантов, получивших название фотонов. В 1913 г. 28-летний датский физик Нильс Бор предложил основанную на квантовомеханических представлениях модель строения атома водорода, послужившую ключом к пониманию общих законов атомного мира. С 1916 г. интерес физиков переключился с квантовой механики на общую теорию относительности, предложенную Эйнштейном, однако начиная с 1924 г. вновь возник небывалый поток идей и публикаций по квантовой механике.
Именно в 1924 г. французский физик, герцог Луи де Бройль, возвращаясь к эйнштейновским представлениям 1905 года о фотонах, показал теоретически, что любые частицы могут быть описаны так называемой волновой функцией (т. е. распространяются в виде волн, прежде чем стать частицами). Его идея вызвала дебаты, продолжающиеся до наших дней. Формула де Бройля позволяла вычислить длину волны, соответствующую различным частицам, и справедливость этой формулы была подтверждена экспериментально в 1927 г. Работы де Бройля быстро принесли ему мировое признание, и в 1929 г. он был удостоен Нобелевской премии. Через год 24-летний немецкий физик Вернер Гейзенберг впервые разработал полную квантовомеханическую теорию, а буквально несколько месяцев спустя австриец Эрвин Шредингер предложил еще один подход, в котором использовался более простой математический аппарат. Однако вскоре выяснилось, что эти разные на первый взгляд концепции совершенно эквивалентны. При этом оба подхода не ответили на вопрос: что представляют собой эти волны? В известном фильме «Китайский квартал» есть запоминающийся и яркий эпизод, когда героиня (которую играет Фэй Дануэй) после каждой пощечины допрашивающего ее сыщика (знаменитый артист Джек Николсон) меняет свои показания («я — ее сестра!.. я — ее мать!), играющие важную роль в развитии сюжета. Так ведут себя и фотоны, как бы меняя свой облик при каждом запросе: «я — волна… я — частица… я — волна… я — частица…». В конце фильма выясняется ужасный факт, что героиня, которую играет Дануэй, действительно является одновременно сестрой и матерью (она забеременела от своего отца), и многим физикам поведение фотонов и других субатомных частиц кажется столь же чудовищным.
Объяснение этого дуализма было предложено немецким физиком Максом Борном и заключается в том, что связанная с частицей волна характеризует лишь вероятность появления частицы в данный момент времени в данной точке пространства. При этом волны можно разделить на части и накладывать друг на друга, в то время как никогда не наблюдается, например, «полэлектрона». Волны позволяют электрону иметь определенную вероятность появиться в виде частицы. Эта ситуация казалась Эйнштейну совершенно абсурдной, и он писал Борну в 1926 г.: «Я не могу поверить, что Бог играет миром в кости». Забавно, что внучка М. Борна, знаменитая австралийская поп-звезда Оливия Ньютон-Джон недавно предложила какой-то необычный и странный вариант игры в кости (я подразумеваю обычную, а не кварковую «странность»!).
Возможно, именно из-за серьезных возражений Эйнштейна по поводу вероятностной трактовки волновой функции М. Борн получил Нобелевскую премию лишь в 1954 г., в то время как Вернер Гейзенберг удостоился ее уже в 1932 г. за разработанный в 1927 г. принцип неопределенности, остающийся до настоящего времени одним из ключевых моментов квантовой физики. С пугающей прямолинейностью этот принцип утверждает, что положение и скорость субатомной частицы нельзя измерить одновременно, поскольку сам процесс измерения приводит к изменению либо скорости, либо координаты. Собственно говоря, и в обыденной жизни мы на каждом шагу сталкиваемся с принципом неопределенности, так как абсолютная точность измерений в макромире тоже невозможна (например, измеряя рулеткой картину, мы получаем примерные размеры, из-за чего приготовленная рамка оказывается меньше требуемой, и мы вставляем картину, применив некоторое усилие). Для крупномасштабных объектов эти обстоятельства обычно роли не играют, но на субатомном уровне даже слабый толчок может заставить электрон «выпрыгнуть» из атома с огромной скоростью. Атомные структуры настолько хрупки, что их может разрушить попадание единственного фотона. Кроме того, увеличение точности измерения положения увеличивает погрешность в определении скорости, и наоборот. Субатомные частицы, образно говоря, плохо поддаются ловле. Иногда, впрочем, эта неопределенность может играть и положительную роль. Например, происходит туннелирование сквозь барьер, которое объясняется тем, что на очень короткое время (предположим, на одну миллиардную долю секунды, которую физики называют наносекундой) субатомная частица может изменить свою природу и проникнуть сквозь непреодолимый энергетический барьер. Такие события можно использовать в практических целях, например, для создания «сканирующих туннельных микроскопов» (СТМ). Первый микроскоп этого типа был сконструирован Гердом Биннингом и Генрихом Рорером в одном из исследовательских центров фирмы IBM (Цюрих, Швейцария) в 1981 г., а сейчас они получили широкое распространение. СТМ позволяют изучать поверхность объектов деталей размером до миллиардной доли метра, что дает возможность рассмотреть и сфотографировать цепочки атомов.
Вернер Гейзенберг в молодости, когда он сформулировал знаменитый «принцип неопределенности», который внес в квантовую физику дух таинственности. (С любезного разрешения Американского института физики. Архив Эмилио Сегре.)
1920-е годы были временем бурного развития квантовой теории, когда серьезные публикации появлялись чуть ли не каждую неделю. В 1927 г. швейцарский физик Вольфганг Паули сформулировал принцип, согласно которому две частицы в атоме не могут одновременно иметь одинаковые наборы квантовых чисел, т. е. находиться в одинаковых квантовых состояниях (этим впоследствии объяснили различные типы кварков и наличие у них «цвета»). Принцип запрета Паули кажется проще других положений квантовой теории, но он имеет огромное практическое значение, поскольку позволяет связать теорию с другими научными дисциплинами. Периодическая система элементов, построенная русским химиком Дмитрием Менделеевым и дополненная впоследствии рядом других ученых, позволила систематизировать химические элементы в соответствии с их атомными весами. Элементы со сходными свойствами (например, натрий и калий) располагаются в таблице с определенной периодичностью, причина которой оставалась непонятной до тех пор, пока не появился принцип запрета Паули.
