Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе

Семихатов Алексей

Но победа передового атомизма во всемирном масштабе не обошлась, как это случается в подобных ситуациях, без перегибов. Вольно или невольно мысль склонялась к тому, что раз атомы пихаются как маленькие мячики, то, наверное, они и представляют собой что-то похожее на мячики, только очень маленькие. Но «мячики, только очень маленькие» оставляют больше вопросов, чем дают ответов. Например, как представлять себе их поверхность: из чего она сделана? Если снова затянуть ту же песню – сделана, мол, из еще более мелких штучек, – то и правда пора обращаться к Демокриту за моральной поддержкой против дурного деления материи на всё более мелкие части. Однако инерция мышления сильна и в несчетном числе рассказов об устройстве атомного мира продолжали существовать маленькие шарики.

Желание видеть внутреннее устройство вещей как миниатюризацию чего-то привычного было все еще заметно

в модели атома, которая появилась в 1913 г. В ней атом уподоблялся планетной системе с электронами вместо планет и ядром вместо звезды, но на орбиты накладывались жесткие условия, из-за которых оказывались возможными лишь отдельные, «избранные» орбиты. Эта модель была прогрессивной для того момента, она принесла Нобелевскую премию ее автору, Бору, но и пользу в качестве важного шага к разрыву с классической картиной мира, но это неправильная модель. Тем не менее аналогия с «понятным» устройством вещей сделала ее, по существу, мемом, хотя после появления настоящей квантовой механики сам автор модели, Бор, сталкиваясь с апелляциями к ней, вопрошал: «Они что, никогда не слышали про квантовую механику?» При случае стоит спросить себя, каким же образом несколько орбит превращают крохотный объем пространства во что-то, похожее не на диск, а на шар? И как, собственно, организовать атом, одинаковый по всем направлениям, исходящим из его центра, в простейшем случае, когда там имеется всего один электрон? (Солнечную систему с одним только Меркурием сложно назвать шарообразной.)

С электронами мы слегка забежали вперед, и сейчас это исправим. К моменту победы атомизма действительно никто уже не воспринимал атомы как нечто неделимое: стало понятно, что в них содержатся носители отрицательного электрического заряда, которые при определенных условиях могут оттуда уходить. Это электроны, намеки на существование которых появлялись уже с середины XIX в., но которые были «официально» открыты в 1897 г. именно как агенты, проявляющие себя вне атома, но происходящие из атомов. И вот электроны-то, кстати сказать, – неделимые (по самым современным представлениям). В годы, предшествовавшие их открытию, когда о чем-то подобном высказывались еще только догадки и предположения, говорили об «атомах электричества» {3} . Кто знает, если бы последовательность событий в истории науки оказалась несколько иной, электроны тоже сначала могли бы восприниматься не в физическом, а в «бухгалтерском» смысле – как средство учета электрических зарядов. Но, как бы то ни было, вполне физическое существование электрона зафиксировал Дж. Дж. Томсон, подведя итог нескольким десятилетиям исследования явлений, которые исторически были известны как «катодные лучи» и «бета-лучи» (а в действительности являются не чем иным, как потоками электронов, испускаемыми в различных физических ситуациях).

3

Если нам непременно хочется, чтобы за Демокритом осталось сбывшееся предсказание неделимых частиц в основе мира, то вполне можно решить, что он предсказал электрон, а заодно, может быть, и все кварки и лептоны из Стандартной модели элементарных частиц, а мы в XIX в. просто ошиблись, назвав словом «атом» (т. е. «неделимый») неправильную вещь – составной объект.

Электроны, как и атомы, никак не выглядят, а все, что нам удается видеть, – это следы, оставленные ими в нашем макроскопическом мире: таковы и трек в пузырьковой камере, и светящийся пиксель на экране телевизора XX в. Весь свет, который отражается от письменного стола, за которым я сейчас сижу, исходит из атомов, а точнее, испускается электронами в этих атомах – но не может ничего сообщить о том, как атом или электрон выглядят. Когда самая малая порция света попадает в атом, она взаимодействует там с электроном, отдавая ему свою энергию. И наоборот, электрон, получивший лишнюю энергию, может ее отдать, излучив свет. Но этот свет несет информацию не о том, как что-то выглядит, а о правилах жизни электронов внутри атомов. Сейчас эти правила следуют из квантовой теории – предмета всех последующих глав; угаданы же они были во многом благодаря изучению света, происходящего из атомов.

Во избежание недопонимания стоит сразу оговориться, что атомы, лишенные чего бы то ни было похожего на «твердую поверхность», имеют тем не менее характерный размер. Как бы ни был атом устроен, влияние всего того, что в нем находится, не простирается бесконечно. Эпитет «характерный» в применении к размеру атома надо понимать как «типичный и приблизительный». Если оценивать этот размер различными (по необходимости непрямыми) способами, то получающиеся значения могут различаться, но не слишком сильно; слово «характерный» не предполагает абсолютно точного совпадения. Характерный размер атома – десятая доля нанометра, или 1 ангстрем, или 10^–8

см (это можно разными способами уточнять для атомов различных видов, но отличия не очень значительны). Это и правда не слишком много: «нано» довольно прочно ассоциируется с малым, а это еще меньше.

То, что происходит внутри атома, и, собственно, само его существование оказалось невозможно описать в рамках законов природы, известных к началу XX в., несмотря на все успехи, достигнутые на их основе. Сформулированные новые законы природы составили квантовую механику – которая уже почти сто лет удивляет своей эффективностью и одновременно заметной необычностью своего устройства.

2

Что такое квант и что квантуется

Устройство квантового мира описывается квантовой теорией, часто называемой также квантовой механикой. Слово «механика» исходно указывало на круг задач по предсказанию движения: скажем, как далеко упадет снаряд, брошенный с заданной скоростью под определенным углом к горизонту (если мне простится школьный пример). «Предсказание» предполагает знание действующих факторов и, как правило, применение уравнений, в которых отражено это знание. Требуются, кроме того, начальные условия, фиксирующие положение дел, с которого события начинают развиваться. В только что приведенном примере действующие факторы – это притяжение Земли, и если предсказание требуется всерьез, а не на школьном уровне, то еще и сопротивление воздуха и даже вращение Земли, а начальные условия – это скорость в момент броска с учетом ее направления и расположение стартовой точки. В словосочетание же «квантовая механика» слово «механика» попало отчасти по инерции и означает примерно «предсказание, насколько это возможно, наблюдаемых результатов, исходя из действующих факторов и начальных данных». Некоторая расплывчатость формулировки, если вы обратили на нее внимание, не случайна и скрывает за собой многое из того, что нам предстоит увидеть.

А слово «квант» взялось из латыни – из вопросительного местоимения quantum, которое употребляется в вопросах типа «насколько много?» и «какое количество?». В нашей истории его стали употреблять в отношении порций. Сначала это были порции энергии. Появление порций – существенная часть квантовых правил.

В мире атомов, электронов и всего такого энергия во многих (причем важных) случаях передается не в любых количествах, а в «расфасованном» виде. Это не означает, что Вселенная наполнена заранее приготовленными порциями энергии. Например, свет несет энергию порциями, величина которых зависит от цвета – т. е. от длины волны. Чем ближе цвет к сине-фиолетовому краю радуги, тем больше энергии в одной порции, и еще больше – за пределами видимого спектра, в области все более коротких длин волн (примерно поэтому ультрафиолет не слишком нам полезен, а у рентгенологов сокращенный рабочий день). Но для света с определенной длиной волны, т. е. определенного цвета, эти порции энергии и правда всегда одинаковые. Все такие порции – и длинноволновые, и коротковолновые – в 1920-х гг. получили название фотонов. (Минимальные порции представляют собой предел того, сколь слабым может быть свет: меньше одного фотона означает ноль фотонов, т. е. отсутствие света. Кстати сказать, человеческий глаз устроен так, что в принципе способен реагировать буквально на несколько фотонов.)

«Порционность» несколько другого рода – называемая в данном случае дискретностью – характерна для составных квантовых объектов, т. е. для таких, которые возникают при объединении нескольких простых, вообще-то способных существовать отдельно друг от друга, но организовавших себе совместное проживание. Такие составные объекты первостепенно важны для нас, потому что мы из них состоим: это атомы и молекулы. Они могут существовать только при определенных дискретных значениях энергии, которую имеют их участники.

Наличие не любых, а только вполне определенных дискретных значений энергии служит обеспечительным механизмом для положения дел, которое мы почему-то часто считаем само собой разумеющимся, но которое без квантовых законов попросту невозможно: все атомы одного вида совершенно одинаковы и полностью взаимозаменяемы. Встроенная и неотменяемая дискретность «контролирует качество сборки», приводя к неразличимым атомам, скажем, кислорода или молекулам, скажем, углекислого газа. Понимание же того, откуда возникает сама дискретность, заняло около полутора десятилетий, и отправной точкой тут послужил ключевой факт, обнаруженный экспериментально, когда XX в. был еще молод (1908–1911). Резерфорд руководил тогда опытами по выяснению структуры материи посредством простреливания через нее электрически заряженными агентами.