Чарльз Флауэрс - 10 ЗАПОВЕДЕЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ. ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫЕ ИДЕИ XX ВЕКА
Как будет показано ниже, в квантовой физике поведение субатомных частиц (даже тех, которые составляют наше собственное тело) совершенно не согласуется с представлениями о «здравом смысле» и может быть описано лишь исключительно сложным математическим аппаратом. Размышляя о законах природы и личной роли ученых в формулировке «правил поведения» вещества, лауреат Нобелевской премии Роберт Лофлин пишет: «Развитие физики доказывает нам, что правила и законы, выводимые без какого-то интуитивного угадывания, почти всегда оказываются ошибочными, из чего можно сделать вывод, что законы природы должны быть скорее угаданы, чем изобретены или придуманы». По-видимому, это справедливо и по отношению к законам квантовой физики, хотя в ней граница между открытием и угадыванием законов до сих пор остается зыбкой и неопределенной.
Глава 3
Нильс Бор и загадочная квантовая механика
Судя по рассказам окружающих и близких, датчанин Нильс Бор с юности сильно отличался от своих соотечественников, известных веселым и даже шутливым нравом. Атлетически сложенный, спокойный, молчаливый и блестяще образованный молодой теоретик (можно только отметить, что его образование было несколько беспорядочным) всегда выделялся уравновешенностью и страстью к порядку, что касалось даже его семейных отношений (после свадьбы молодая супруга стала переписывать статьи мужа, чем ранее занималась его мать). Возможно, характер Бора станет понятнее читателю, когда он узнает, что из всех методов изучения английского языка Нильс выбрал, по-видимому, один из самых сложных – чтение романов Чарльза Диккенса в оригинале.
В зрелом возрасте он стал находить нечто занимательное и даже забавность в своих исследованиях и открытиях, а ему посчастливилось открыть целый мир квантовых, субатомных частиц и связанных с ними виртуальных явлений, управляемых непривычными нам законами. В отличие от знакомых нам материальных точек, подчиняющихся законам Ньютона, объекты квантовой механики напоминают скорее липкие шарики, которые могут раздуваться или сжиматься, они не подчиняются законам тяготения и способны даже одновременно находиться в двух разных точках пространства.
Таинственные и пугающие названия (квантовая физика, субатомные частицы) продолжают использоваться, так как пока никому не удалось создать сколь-нибудь понятную концепцию поведения вещества на этом уровне. Дело обстоит именно так – никто не понимает и даже не претендует на понимание законов квантовой механики. В отличие от теории относительности, которая имеет ясный, но концептуально сложный характер, законы квантовой механики являются очень простыми по форме и способам использования, но описываемый ими мир выглядит забавным и странным, а иногда даже пугающим.
Нильс БОР
Субатомными называют частицы, входящие в состав атома или участвующие в атомных взаимодействиях (электроны, протоны, нейтроны и многочисленные иные частицы), а определение «квантовый» родилось естественным образом, отражая основную особенность поведения таких частиц. Квантовая теория возникла из работ знаменитого Макса Планка, который в 1900 г. обнаружил, что свет и другие формы лучистой энергии представляют собой вовсе не волны, а поток крошечных дискретных порций энергии, называемых квантами. На основе этой гипотезы Планку удалось решить одну из самых сложных и запутанных задач классической физики, а именно спектр излучения так называемого «абсолютно черного тела». Этот придуманный физиками теоретический объект отличается тем, что поглощает полностью все попадающее на него излучение (кстати, не следует думать, что объект действительно является чем-то абстрактным, поскольку обычная сажа, например, поглощает примерно 98% любого излучения). Дело заключалось в том, что весь создаваемый десятилетиями аппарат теоретической физики не мог объяснить и описать спектр излучения «черного тела». Планку неожиданно удалось получить совершенно точное решение задачи благодаря тому, что он просто ввел некоторые дискретные значения частоты и энергии вместо полагающихся непрерывных величин. Позднее Планк сам не мог рационально объяснить ход своих рассуждений, поскольку он просто пытался найти математический прием, позволяющий решить конкретную задачу и получить совершенно точно известную кривую распределения интенсивности, однако найденный им подход обозначил огромный сдвиг в научном и философском познании мира. После этого свет перестал считаться непрерывным излучением и превратился в поток частиц-дробинок (которые позднее Эйнштейн назвал фотонами), а теплота стала ассоциироваться с дискретным излучением атомов при переходе с одного энергетического уровня на другой.
Квантовая физика стала настолько невероятным вызовом здравому смыслу, что сам Планк начал относиться к ней несколько настороженно и недоверчиво. В этой науке факты и постулаты упрямо отказываются отвечать на главные и излюбленные вопросы естествоиспытателей и философов: «Почему? Зачем? Как?». Ее законы позволяют не объяснить, а, скорее, достаточно точно описать ход событий в микромире, которые, однако, вообще не укладываются в сколь-нибудь понятную нам схему или в другую, более понятнутную комбинацию законов.
***
Одним из самых распространенных терминов новой науки стал «квантовый скачок», вызывающий у обычного человека некую ассоциацию с «Большим Скачком» в лозунгах председателя Мао. Понятие возникло в результате важнейшего открытия Нильса Бора, и на его примере можно наглядно продемонстрировать отличие квантово-механических представлений от привычных нам ньютоновских. Для лучшего понимания следует вспомнить историю ядерной физики. Примерно сто лет назад, в 1911 году Эрнест Резерфорд сделал сенсационное открытие и показал, что все кажущиеся нам твердыми объекты фактически состоят из… пустого пространства (это относится и лично к вам, читатель!). Человеческое тело содержит около 30 триллионов клеток, в состав каждой из которых, в свою очередь, входят примерно 90 триллионов атомов. Так вот, результаты опытов Резерфорда убедительно и однозначно продемонстрировали, что каждый атом состоит из очень маленького ядра или центра, в котором, однако, сосредоточена практически вся его масса, и совершенно крошечных электронов (с массой лишь около 0,002 от массы протонов и нейтронов, составляющих ядро), причем эти электроны вращаются на огромных расстояниях (естественно, в ядерных масштабах). Если бы ядро было достаточно большим (например, имело вид шарика с диаметром 0,5 см), то электроны вращались бы вокруг этого шарика на расстоянии в 700 метров, что соответствует примерно горошине в центре гигантского круга, площадью в несколько футбольных полей. Ядро, в котором заключена практически вся масса атома, занимает лишь одну миллионную долю его объема (поэтому, собственно говоря, любые описания атомов остаются приближенными или условными), но несет положительный электрический заряд, равный отрицательному заряду всех электронов вместе, в результате чего атом в целом остается электрически нейтральным.
На блестящих экспериментах и гипотезах Резерфорда основана вся современная атомная физика, но вначале отношение к ним оставалось довольно скептическим, прежде всего потому, что Резерфорд был скромным молодым практикантом, приехавшим в знаменитый Кембриджский университет из Новой Зеландии. Неудивительно, что именитые английские физики, полагавшие себя единственными и прямыми наследниками или хранителями великого теоретического наследия Исаака Ньютона (в Кембридже этих профессоров называли Старыми Быками, Old Bulls), отвергали идеи Резерфорда почти без обсуждения, поскольку эти идеи явно противоречили всем законам классической ньютоновской физики. Атом с предлагаемой Резерфордом структурой действительно не имел никакого права на существование в рамках старых представлений и должен был неизбежно распадаться или «сплющиваться», в то время как входящие в его состав вращающиеся электроны были обязаны непрерывно излучать энергию и «падать» на положительно заряженное, устойчивое и массивное ядро. В классической теории ни один электрон не мог удерживаться на орбите долго, и все атомы (а за ними и вся Вселенная) должны были очень быстро схлопнуться в крошечную по объему горстку ядер.
***
Однако через два года Нильс Бор пробил еще одну брешь в «крепостной стене» классической теоретической физики, применив к теории атома принципы эйнштейновской теории относительности, причем применив их самым решительным образом. В своих первых работах Эйнштейн рассматривал свет в качестве волн, но уже в 1905 году (следуя Планку) стал описывать видимый свет и любое другое электромагнитное излучение как поток дискретных частиц (кстати, работы Эйнштейна по теории относительности и квантовой механике были опубликованы почти одновременно). Слово «квант» по-латыни означает порцию, небольшую часть чего-то, а Эйнштейн удачно предложил для крошечных порций светового потока термин «фотон», который быстро стал общеупотребительным.
