Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами-волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения
Шрифт:
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
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
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.
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.