Джефф Форшоу - Квантовая вселенная. Как устроено то, что мы не можем увидеть
Это очень важный результат, потому что, в отличие от уравнения (5), здесь отсутствует какая-либо зависимость от радиуса звезды. Уравнение гласит, что звезда этого типа, переполненная очень быстрыми электронами, может иметь лишь очень конкретную массу. Введя в уравнение вместо κ' выражение из предыдущего абзаца, получим следующее предсказание:
Об этом-то результате мы и говорили в самом начале эпилога как о максимальной массе, которую может иметь звезда – белый карлик. Мы очень близки к тому, чтобы воспроизвести результат Чандрасекара. Остается лишь понять, почему именно это конкретное значение и есть максимально возможная масса.
Мы знаем, что у не слишком массивных белых карликов радиус будет не слишком мал, а электроны – не слишком уплотнены. Таким образом, они не совершают чрезмерных квантовых колебаний, а их скорость по сравнению со скоростью света невелика. Мы знаем, что эти звезды стабильны с отношением массы и радиуса в форме RM⅓ = константа. Теперь представьте, что звезда обретает большую массу. Отношения между массой и радиусом дают понять, что при этом звезда уменьшается, и электроны в результате еще больше сжимаются, а следовательно, перемещаются быстрее. Добавим массы – и звезда еще немного уменьшится. При увеличении массы увеличивается скорость электронов, пока они со временем не начинают двигаться со скоростями, сравнимыми со скоростью света. В то же время давление постепенно изменяется с P ∝ ρ̅5/3 до P ∝ ρ̅4/3, и в последнем случае звезда будет стабильна только при конкретном значении массы. Если масса выше этого конкретного значения, то правая часть выражения κ'M4/3 ∝ GM² больше, чем левая, то есть уравнение оказывается неверным. Это значит, что давления электронов (которое отражено в левой части уравнения) недостаточно, чтобы уравновесить внутреннюю гравитацию (присутствующую в правой части), и звезду ожидает неизбежный коллапс.
Если бы мы более тщательно вычисляли импульс электрона и выкатили бы на сцену высшую математику для подсчета отсутствующих цифр (опять же легкая задача для персонального компьютера), можно было бы сделать точное предсказание максимальной массы белого карлика. Она равна:
где мы выражаем множество физических констант через массу нашего Солнца (M). Заметьте, кстати, что весь дополнительный тяжкий труд, от которого мы отказались, дает в результате всего лишь константу пропорциональности со значением 0,2. Это уравнение и выражает вожделенный предел Чандрасекара: 1,4 солнечной массы, если Z / A = ½.
Итак, наше путешествие подошло к концу. Расчеты в эпилоге имели более высокий математический уровень, чем во всей остальной книге, но это, на наш взгляд, одно из самых наглядных доказательств всей мощи современной физики. Это не просто какая-то «полезная вещь» – это один из величайших триумфов человеческого разума. Мы использовали теорию относительности, квантовую механику и последовательные математические рассуждения для точного вычисления максимального размера материального шара, который с помощью принципа Паули может противостоять гравитации. Значит, наука права: квантовая механика, какой бы странной она ни казалась, – это теория для описания реального мира. И на этом месте стоит поставить точку.
Для дальнейшего чтения
При подготовке этой книги мы использовали многие другие работы, и некоторые из них заслуживают особого упоминания и рекомендаций.
Два основных источника по истории квантовой механики – это две великолепные книги Абрахама Пайса: Inward Bound («Связанные изнутри») и Subtle Is the Lord… («Господь изощрен»). Обе они носят довольно технический характер, но по историческим подробностям им нет равных.
Книга Ричарда Фейнмана QED: «КЭД – странная теория света и вещества»[62] написана на том же уровне изложения, что и наша, и в наибольшей степени, как можно понять из названия, сосредоточена на теории квантовой электродинамики. Читать ее одно удовольствие, как и большинство работ Фейнмана.
Для тех, кто интересуется более подробным описанием, на наш взгляд, лучшей книгой по основам квантовой механики все еще остается книга Поля Дирака «Принципы квантовой механики»[63]. Для овладения излагаемым в ней материалом потребуется высокий уровень математической подготовки.
Мы хотели бы порекомендовать и два доступных онлайн лекционных курса, которые можно найти в iTunes University: курс Леонарда Сасскинда Modern Physics: The Theoretical Minimum – Quantum Mechanics («Современная физика: Теоретический минимум – квантовая механика») и более продвинутый курс Джеймса Бинни из Оксфордского университета «Квантовая механика». Приличной математической базы требуют оба курса.
Сноски
1
Если, конечно, вы читаете не электронную книгу, иначе придется поднапрячь воображение. Здесь и далее прим. авт., если не указано иное.
2
Урановые лучи (фр.). Прим. перев.
3
Правда, она не покажется такой уж смехотворной, если вспомнить, что до сих пор используется такая единица измерения, как лошадиная сила.
4
Когда-то эта идея использовалась в работе телевизоров. Поток электронов, испускаемых проводом под напряжением, собирался, фокусировался в луч и направлялся магнитным полем на экран, который светился при попадании электронов.
5
Перевод Б. Пастернака. Прим. ред.
6
Тем, кто знаком с математикой, достаточно просто сменить терминологию: «циферблат» заменяется «комплексным числом», «размер циферблата» – модулем комплексного числа, а «направление часовой стрелки» – фазой. Правило сложения циферблатов – это всего лишь правило сложения комплексных чисел.
7
Или эстетической – в зависимости от вашей точки зрения.
8
Если вам непросто понять последнее предложение, попробуйте вместо слова «циферблат» подставить слово «волна».
9
Кинетическая энергия равна mv² / 2, а потенциальная энергия – mgh, когда шар находится на высоте h над землей, g – это ускорение свободного падения для всех предметов в области действия земного притяжения. Действие – это разность энергий, проинтегрированная по времени между моментами, связанными с прохождением двух точек на пути.
10
Издана на русском языке. О наглядном содержании квантово-теоретической кинематики и механики. М.: УФН, 1977. Т. 122. Вып. 4. С. 651–671.
11
Деление всех циферблатов на одно и то же число верно только в том случае, если мы игнорируем эффекты специальной теории относительности Эйнштейна. Иначе некоторые циферблаты будут уменьшаться больше остальных. Но нам нет нужды беспокоиться на этот счет.
12
Для частицы массой m, которая покрывает расстояние x за время t, действие составляет 1 / 2m(x / t)²t, если частица движется по прямой с постоянной скоростью. Но это не значит, что квантовая частица действительно перемещается с места на место по прямым линиям. Правило хода часов выводится из соотнесения циферблатов со всеми возможными маршрутами, которыми частица может следовать между двумя точками, и лишь случайно после суммирования всех остальных траекторий результат оказывается настолько прост. Например, правило хода часов будет не настолько простым, если мы примем поправки для достижения соответствия специальной теории относительности Эйнштейна.
13
Обычная масса песчинки – около 1 мкг, то есть одна миллиардная килограмма.
14
Есть вероятность, что частица продвинется еще дальше, чем в «предельном» случае, ограниченном большой окружностью на рисунке, но, как мы уже показали, сложение циферблатов приводит к отмене таких сценариев.
15
Если хотите, проверьте сами.
16
Дифракция – термин, используемый для характеристики одного из видов интерференции; применяется к волнам.
17
Конечно, если величина d очень велика, то можно задаться вопросом, как вообще измерить импульс. Но эта проблема решается, поскольку, какой бы ни была величина d, L все равно окажется намного больше.
