Когда фотон встречает электрон. Фейнман. Квантовая электродинамика
Шрифт:
Загадки и революции
Последние годы XIX века были неспокойными для научного мира. Несмотря на мнение британского физика Уильяма Томсона (лорда Кельвина), который поддержал в 1900 году идею о том, что «больше нечего открывать в современной физике, остается лишь совершенствовать уже имеющееся», наука открыла электрон, частицу, происхождение которой никто не знал, и доказала, что некоторые урановые соединения являются источником неизвестных лучей. Новая загадка — радиоактивность — вошла в науку. Наконец, ситуация окончательно запутывалась тем, что две великие физические теории XIX века оказались несовместимыми между собой. С одной стороны находилась механика Ньютона, которая относилась к движению тел, а с другой — электромагнетизм, объясненный шотландцем Джеймсом Максвеллом в 1873 году. Принцип относительности Галилея гласил, что законы механики в инерциальных системах отсчета всегда работают одинаково, независимо от того, находятся ли эти системы в неподвижности или в состоянии равномерного и прямолинейного движения. Этот принцип отлично работал для воздушных
Кроме того, развитие термодинамики возродило гипотезу, немного устаревшую, но всегда являвшуюся источником полемики: материя состоит из крошечных и неделимых атомов. Это предположение позволило применить законы механики и благодаря им просчитать многочисленные физические свойства материи. Однако не все ученые были убеждены в правомерности такого подхода. Среди них был и немецкий ученый Макс Планк, специалист по классической термодинамике. Он считал, что атомы — «враги прогресса», и в конце концов они «должны быть забыты ради предположения о непрерывности материи». Любопытно, что этот же ученый станет протагонистом самых важных концептуальных революций в истории науки. Он сообщит абсурдный для его современников факт 14 декабря 1900 года в Немецком физическом обществе: материя не может поглощать энергию бесконечно маленькими порциями. Существует минимальное количество энергии, квант, ниже которого нельзя опускаться. Его значение можно получить с помощью простого уравнения, соединяющего энергию и частоту света («цвет» света): Е = hv; h — коэффициент пропорциональности, известный впоследствии как постоянная Планка. Через пять лет Альберт Эйнштейн пошел дальше, чтобы объяснить фотоэлектрический эффект (рисунок 1), который благодаря ему прочно вошел в нашу жизнь: он используется, например, при работе автоматических дверей, цифровых фотоаппаратов и турникетов, при включении уличных фонарей при наступлении темноты и так далее. В одной из своих больших статей (опубликованной в легендарном 17-м выпуске журнала Annalen derPhysik) он утверждал, что не только материя поглощает излучения квантами, но и сам свет имеет квантовую природу Идея, о которой не упоминали со времен Ньютона: свет действует как поток частиц, фотонов.
РИС. 1
Фотоэлектрический эффект заключается в испускании электронов с металлической поверхности под действием света определенной частоты. Именно Эйнштейн объяснил это явление.
Понемногу материя начинала приоткрывать свои тайны. В 1904 году Джозеф Томсон предложил модель атома, в которой электроны были распределены внутри сферы, как изюм в пудинге. Но опыты, проведенные в 1911 году новозеландцем Эрнестом Резерфордом, доказали несостоятельность этой модели. Резерфорд, совместно с Хансом Гейгером и Эрнестом Марсденом, бомбардировал альфа-частицами (состоящими из двух протонов и двух нейтронов, что идентично ядру атома гелия-4) очень тонкую золотую пластинку. Вопреки всем ожиданиям, было обнаружено отклонение альфа-частиц на большие углы. На углы более 90° отклонялась одна частица из 8000, иногда наблюдался даже их отскок назад. Резерфорд очень удивился: это было столь же невероятно, как если бы он стрелял снарядом в лист бумаги, а снаряд отбросило бы назад! Согласно модели атома Томсона, такой результат был невозможен. Единственный способ интерпретировать эти результаты — предложить иную атомную модель, аналогичную Солнечной системе в миниатюре. Она будет образована очень маленьким ядром, содержащим почти всю массу атома и положительно заряженным, вокруг которого будут вращаться электроны. Однако, согласно законам классической электродинамики, двигающиеся по круговой орбите электроны должны неизбежно потерять энергию при излучении электромагнитных волн и в конечном итоге упасть на ядро. То есть если модель Резерфорда (рисунок 2) была правильной, то материя не могла существовать. Но она существует!
РИС. 2
A. То, что ожидается, если модель атома Томсона правильная.
B. То, что наблюдаем в действительности.
Модель Томсона предполагает, что электроны распределены внутри положительно заряженного атома как «изюм в пудинге». Эксперимент, проведенный Резерфордом, в котором альфа- частицы отскакивают в момент удара от атомов золотой пластинки, может быть объяснен, только если большая часть массы атома сконцентрирована в очень маленьком объеме, в виде ядра, и имеет положительный заряд.
Наука сумела выйти из этого тупика благодаря блестящему датскому физику Нильсу Бору (1885-1962). В 1911 году Бор приехал в Великобританию с переводом своей диссертации на английский язык и стипендией Фонда Карлсберга для работы в Кавендишской лаборатории. Сразу же по приезде он поспешил в офис руководителя лаборатории Джозефа Томсона, захватив с собой одну из книг ученого о структуре атома. Отметив отрывок во вступлении, Нильс Бор прямо ему сказал: «Это неверно!» В следующем году он переехал в Манчестер, чтобы работать с Резерфордом, а в 1913 году Бор опубликовал свои постулаты, снявшие противоречия между планетарной моделью и электродинамикой. Ученый утверждал, что существуют орбиты, на которых электрон не будет терять энергию; при переходе от одной подобной орбиты к другой электрон излучает или поглощает (в зависимости от того, удаляется он или приближается к ядру)
Публикация статьи Бора ознаменовала начало конца классического представления о мире, но худшее было еще впереди. Эйнштейн доказал, что свет имеет двойственную природу: он распространяется как непрерывные волны, но при поглощении и излучении ведет себя подобно частицам. В 1924 году француз Луи де Бройль дополнил это утверждение гипотезой о волновом характере материи: частицы (например, электрон) при соответствующих условиях могут вести себя как волны.
После Первой мировой войны де Бройль начал работать со своим братом Морисом над исследованием рентгеновских лучей. Именно здесь проявились его страсть к физике и интерес к революционным идеям Планка, Эйнштейна и Бора. Для своей докторской диссертации он выбрал исследование двух самых известных уравнений, с которых начинался новый век: Е =mc2 (теория относительности Эйнштейна) и Е = hv (квантовая гипотеза Планка). Эти выводы оставили членов комиссии ошеломленными, но они вряд ли поняли все их значение: де Бройль утверждал, что любой частице, в том числе и электрону, соответствует своя длина волны, которую можно обнаружить и измерить экспериментальным путем.
Согласно основному выводу из его гипотезы, если электроны ведут себя как волны, они должны в каких-то случаях вести себя подобно свету. Самое удивительное, что еще в 1920 году подобное явление наблюдал физик Лаборатории Белла Клинтон Джозеф Дэвиссон. Он пропускал пучок электронов через пластинку из кристалла никеля и заметил некоторое постоянство в их рассеянии. Но только в 1927 году он понял, что речь шла о феномене дифракции электронов.
При помощи своей революционной идеи де Бройль получил и другой важный результат: он смог объяснить существование орбит электронов, о которых говорил Бор в своих постулатах. Результаты, которые легли в основу его диссертации, были опубликованы де Бройлем в нескольких небольших статьях, вышедших между сентябрем и октябрем 1923 года в журнале Compte Rendus Французской академии наук. Его идеи распространились тогда с быстротой молнии. Нидерландский физик Хендрик Лоренц писал в то время Эйнштейну: «Это первый слабый проблеск надежды в худшей из наших головоломок».
Наука нуждается в воображении, но воображение находится в ужасной смирительной рубашке знания.
Ричард Фейнман
Следующий шаг был сделан в 1925 году молодым немецким физиком Вернером Гейзенбергом. Он защитил свою докторскую диссертацию двумя годами ранее в Мюнхене, и его пренебрежение экспериментальной физикой, к слову сказать, принесло ему некоторые проблемы во время устного экзамена. Гейзенберг пришел к мысли, что для настоящего прогресса в физике следует отказаться от любой попытки «понять» внутреннюю работу атома. Он считал, что в теории, согласно которой электроны вращаются вокруг ядра, нет никакого смысла, так как никто их никогда не наблюдал. А вот фотоны, выпущенные электронами во время смены «орбиты», доступны для наблюдения, и только такого рода доказательства следует принимать во внимание для развития теории. В результате Гейзенберг создал матричную механику, с помощью которой он смог подтвердить выводы квантовой теории Бора. Почти в то же время, в 1926 году, австрийский физик Эрвин Шрёдингер осуществил синтез идей де Бройля и Гейзенберга, создав волновую механику, которая стала одним из основных «инструментов» физиков-теоретиков. По сути, волновая механика и матричная механика представляли собой разные формулировки одной и той же квантовой теории. Идеи Шрёдингера не понравились Гейзенбергу: они оставляли место для предположений, что эти «волны» реальны. Баталия между сторонниками двух формулировок достигла своей крайней степени, когда Макс Борн доказал, что эти математические инструменты служат только для расчета вероятности найти электрон в конкретной точке пространства. Все закончилось, когда Поль Дирак окончательно доказал, что Гейзенберг и Шрёдингер оба правы: их видения атомного мира были равноценны и легли в основу того, что мы называем квантовой механикой.
Начиная с этого момента разрыв с классическим миром — миром, который можно было увидеть невооруженным глазом, — стал окончательным. Квантовая механика предлагала иное видение: тело не находится в определенном месте, существует лишь некоторая вероятность, что оно там есть. А значит, тело может находиться в любой части Вселенной. Даже понятие причинности исчезает, и остается только вероятность. Мы можем кидать мячик о стену столько раз, сколько захотим, но нельзя утверждать, что он будет постоянно отскакивать: это утверждение только возможно верное. Всегда существует некоторая вероятность того, что мячик начнет двигаться совсем в другом направлении. На самом деле, как говорит об этом Фейнман в своих знаменитых лекциях по физике, «очень мелкие предметы ведут себя не так, как вы ожидаете на основании своего повседневного опыта». Нужно заплатить очень высокую цену, если желаешь понять секреты материи.
Опыт с двумя щелями
Ричард Фейнман утверждал, что этот опыт скрывает в себе тайну и волшебство квантовой теории:
«[Это] явление, которое невозможно, абсолютно невозможно объяснить с помощью классической теории и которое содержит в себе самую суть квантовой механики. Здесь коренится тайна».
РИС.З
Волна приближается к перегородке, в которой на небольшом расстоянии друг от друга прорезаны две очень узкие щели. При прохождении волны каждая из щелей сама становится источником волн, взаимодействующих между собой, образуя на экране детектора характерное изображение.