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
Принцип Паули позволяет объяснить периодичность, связывая ее с орбитами, по которым электроны вращаются вокруг ядра подобно планетам в Солнечной системе. В справочнике «Physics in the Twentieth Century» («Физика в двадцатом столетии») Курт Сапли пишет по этому поводу: «По мере увеличения размеров атомов последовательно заполняются электронные энергетические уровни, или «оболочки». Рано или поздно два электрона должны были бы оказаться в одинаковых квантовых состояниях, так что один из них должен перейти на следующую оболочку. Химические свойства элементов определяются числом электронов, расположенных на внешних оболочках, заполненных лишь частично. Тем самым химия оказывается нераздельно связана с квантовой теорией». В 1931 г. Паули предсказал также существование нейтрино — электрически нейтральной частицы, которая была обнаружена лишь в 1955 г. За открытие принципа запрета В. Паули получил Нобелевскую премию в 1945 г., одним из последних среди физиков первого поколения, разработавших квантовую теорию. Возможно, это объясняется тем, что он был довольно язвительным критиком многих коллег. Например, по поводу идеи, связанной с паранормальными явлениями, Паули сказал, что «ее нельзя считать даже неправильной».
Важным этапом развития квантовой механики стала разработка в 1928 г. английским физиком Полем Дираком теории электронов, включающей важную квантовую характеристику — спин. К этому времени научное сообщество было основательно дезориентировано непрекращающимся потоком открытий и новых идей. Однако 23-летнему Дираку даже в этой ситуации удалось ошеломить научный мир. Дирак обнаружил и поначалу был обескуражен полученным результатом, что каждому электрону соответствует «партнер с отрицательной энергией». Это стало первым свидетельством существования в природе антивещества (его контакт с обычным веществом приводит к их взаимному уничтожению, аннигиляции). Открытие казалось столь странным, что физики стали с подозрением относиться и к другим работам Дирака. Однако через четыре года американский физик Карл Андерсон из Калифорнийского технологического института, изучая следы частиц космического излучения в камере Вильсона, обнаружил античастицы. Привычный электрон имел отрицательный электрический заряд. В отличие от обычного (отрицательно заряженного) электрона «антиэлектрон» обладал положительным зарядом (отметим, что в английском языке слово «антиэлектрон» имеет некий негативный оттенок). Позднее антиэлектроны были названы позитронами. Эксперименты Андерсона, в которых наблюдались позитроны, показали, что Дирак не ошибался в своих предсказаниях и антивещество действительно существует. Дирак получил Нобелевскую премию по физике (вместе с Эрвином Шредингером) в 1933 г., а Карл Андерсон — в 1936 г. совместно с другим исследователем космических лучей австрийцем Виктором Гессом.
Чем больше ученые знакомились с законами квантового мира, тем острее становились споры относительно сути самой квантовой теории. Активное участие в дискуссиях принимал Альберт Эйнштейн. Несмотря на то что в свое время именно его теории значительно преобразовали ньютоновскую картину мира, по крайней мере, в масштабах космоса, Эйнштейн оставался предан классическим взглядам, и его очень беспокоило, что теорию относительности не удавалось объединить с квантовой механикой. Более того, квантовая механика нарушала законы Ньютона не только в масштабах космоса, но и в условиях повседневной жизни. Эйнштейн много лет ожесточенно спорил по этим вопросам с Нильсом Бором, что не мешало им оставаться близкими друзьями и относиться друг к другу с огромным уважением.
Бор постоянно пытался найти связь квантовой механики с остальной физикой. Его подход, известный под названием «копенгагенской интерпретации» (Бор жил и работал в Копенгагене), был основан на предположении, что частицы обладают волновыми свойствами, пока не вступают во взаимодействие с регистрирующим прибором, в результате чего они превращаются в частицы. Иными словами, квантовые частицы сохраняют волновые свойства (в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга), пока не вступают в контакт с прибором. Процесс измерения сопровождается «коллапсом» волновой функции и переводит ее в одно из возможных собственных состояний.
Хотя с копенгагенской интерпретацией квантовой механики согласились многие физики, ряд выдающихся ученых встретил её настороженно. Через год после получения Нобелевской премии Эрвин Шредингер придумал мысленный эксперимент (т. е. интеллектуальное рассуждение, обладающее логикой лабораторного эксперимента), который должен был продемонстрировать абсурдность копенгагенской интерпретации. Этот мысленный эксперимент стал одним из самых известных интеллектуальных построений в истории науки. Представьте себе ящик, в котором находятся живой кот, контейнер с радиоактивным препаратом (например, радием) и ампула с газообразным цианом. Распад атома радия, если он происходит во время пребывания кота в ящике (например, в течение одного часа), приводит в действие механизм, разбивающий ампулу, что сразу убивает кота. Если же распад не происходит, то ампула остается целой, а кот — живым. Согласно копенгагенской концепции, пока ящик закрыт, кот будет либо живым, либо мертвым (поскольку сохраняются обе вероятности). Формально кот будет оставаться в этом двойственном состоянии до момента, пока кто-то не откроет ящик, т. е. произведет наблюдение. При этом неопределенность исчезнет, и кот окажется либо вполне живым, либо мертвым.
Эрвин Шредингер, получивший в 1933 г. вместе с Полем Дираком Нобелевскую премию за развитие квантовой теории. Двумя годами позже, отрицая предложенную Нильсом Бором «копенгагенскую интерпретацию» квантовой механики, он придумал знаменитый мысленный эксперимент, в котором кот одновременно и жив, и мертв. (С любезног® разрешения Института физики. Архив Эмилио Сегре.)
Смысл эксперимента можно разъяснить на примере из обыденной жизни. Представьте себе бизнесмена, имеющего проблемы со здоровьем (например, очень высокое кровяное давление), который, отправляясь в деловую поездку, предварительно заказывает себе в другом городе номер в гостинице и завтрак в 8 часов утра. После того как бизнесмен вечером зайдет в заказанный им номер, строго говоря, уже никто не может с определенностью утверждать, что он всё еще жив. Это можно будет проверить только утром, если он не откроет вовремя дверь номера. В этом случае официант поймёт, что произошло нечто необычное, откроет дверь своим ключом и обнаружит умершего от сердечного приступа бизнесмена и т. д. (чтобы не усложнять проблему, мы даже не рассматриваем сложную ситуацию, когда дверь в номер оказывается закрытой просто потому, что у бизнесмена испортились часы или он перепутал время и задержался в ванной). Очевидно, что подобные рассуждения выглядят довольно нелепо. Именно это и хотел продемонстрировать своим мысленным экспериментом Эрвин Шредингер. Однако обсуждение разных аспектов проблемы «шредингеровского кота» продолжается уже несколько десятилетий и продолжает волновать сторонников копенгагенской школы. Знаменитый Стивен Хокинг однажды раздраженно заявил, что он пристрелил бы этого воображаемого кота, чтобы покончить со спорами. На самом деле мысленный эксперимент Шредингера все еще вызывает интерес по той простой причине, что многие явления квантовой механики очень трудно объяснить и истолковать. Позднее Эйнштейн совместно с двумя другими физиками, Борисом Подольским и Натаном Розеном, придумал другой мысленный эксперимент. Один из парадоксов квантовой механики заключается в том, что два электрона, прошедшие через два разных отверстия, каким-то образом «знают» друг о друге. Эйнштейн с коллегами мысленно увеличили расстояние между отверстиями до гигантских размеров порядка нескольких световых лет (физики часто используют такое «увеличение» для прояснения ситуации) и пришли к логическому выводу, что скорость «обмена информации» между такими электронами должна превосходить скорость света, что невозможно согласно теории относительности. Эйнштейн с явным раздражением называл этот эффект «проделками нечистой силы на расстоянии»[9].
Квантовая механика находит реальное применение в науке и технике (в противном случае не работали бы лазеры). Ученые пытаются создать нечто совсем удивительное, например квантовые компьютеры, в которых электроны общаются друг с другом на расстоянии. Однако при этом механизм квантовых явлений зачастую остается совершенно непонятным. Кроме того, физикам никак не удается объединить квантовую механику с гравитацией, которая тоже реально существует. Многих ученых такая ситуация приводит в отчаяние, и они готовы отказаться от дальнейших попыток понять законы природы. В конце концов, говорят они, можно и не знать, «как устроен» мир, а ограничиться лишь практическим применением известных результатов в рамках существующей квантовой теории.
