Джим Аль-Халили - Квант

• Название: Квант
• Автор: Джим Аль-Халили
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2019
• ISBN: 978-5-386-12495-3

Квантовая механика – основа современной науки. И еще не было человека, который, познав ее, не испытал шок. Математически красивая, а на деле непредсказуемая теория по-настоящему расширяет сознание, разбивая в пух и прах наши бытовые представления о мире. Книга блестящего популяризатора физики Джима Аль-Халили простым и понятным языком расскажет о прошлом, настоящем и будущем квантовой механики. Читателей ждет увлекательное путешествие от философии, физики субатомных частиц и теорий больших размерностей к сегодняшнему технологичному миру лазеров и микрочипов и завтрашнему удивительному миру квантовой магии.

---

Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что мы не можем одновременно знать и точное положение, и импульс квантовой частицы. Это странное свойство природы, позволяющее нам знать либо один, либо другой аспект, но не оба сразу, привело Нильса Бора к открытию принципа дополнительности, который гласит, что оба как будто бы противоречащих друг другу аспекта необходимы для полного описания квантовой частицы.

Контуры этой вазы можно также счесть силуэтами двух человеческих лиц, смотрящих друг на друга. Однако одновременно видеть оба аспекта изображения проблематично: если мы видим два лица, то нет вазы; если же перед нами ваза, то нет лиц.

Пока что я описывал так называемую «волновую функцию в координатном представлении» (на основании которой можно рассчитать вероятность обнаружения электрона в различных точках координат). Существует и другая величина, называемая волновой функцией в импульсном представлении, которая сообщает нам, с какой вероятностью электрон обладает определенным импульсом, или скоростью, в каждый конкретный момент времени. Если нам известна волновая функция в координатном представлении, мы можем вывести волновую функцию в импульсном представлении (и наоборот), используя математическую процедуру, называемую преобразованием Фурье. Локализованная волновая функция в координатном представлении всегда дает распространенную волновую функцию в импульсном представлении[19], и наоборот. Таким образом, электрон, обладающий локализованной волновой функцией в координатном представлении, а следовательно, низкой неопределенностью своего положения, всегда имеет высокую неопределенность импульса (или скорости). Точно так же электрон, скорость которого достаточно хорошо известна (на основании локализованной волновой функции в импульсном представлении), обязательно будет обладать распространенной волновой функцией в координатном представлении, из-за чего его положение будет в высокой степени неопределенным.

В этом и заключается суть принципа неопределенности Гейзенберга. В своей математической форме он гласит, что никто не может одновременно знать точное положение и скорость электрона (или любой другой квантовой сущности). Однако не верьте книгам, в которых сказано, что это происходит в результате того, что экспериментатор случайным образом подталкивает электрон путем определения его положения, тем самым изменяя его скорость и направление движения. Скорее это является следствием природы волновых функций, которые описывают возможное положение и состояние движения электрона, даже когда мы на него не смотрим.

Физики до сих пор не могут сойтись во мнении, обладает ли электрон определенным положением и скоростью в любой момент времени, пока мы на него не смотрим. Правда заключается в том, что соотношение неопределенности представляет собой следствие взаимодействия двух типов волновых функций, а раз уж волновые функции сообщают нам все, что мы вообще можем узнать об электроне, больше нам сказать здесь нечего. Принцип неопределенности накладывает ограничение на то, что мы можем предсказать о квантовом состоянии, а следовательно, и узнать о нем при непосредственном наблюдении.

Ядерные облака

В физике существует множество явлений, которые просто невозможны согласно классической механике и которые следует объяснять при помощи принципа неопределенности Гейзенберга. Один из примеров представляет собой моя сфера исследований в ядерной физике. В Главе 7 я объясню, что атомное ядро представляет собой одну из самых сложных физических систем. С момента его открытия прошло практически сто лет, а мы до сих пор узнаем все новые и новые его секреты. Именно в нем доминируют законы квантовой механики.

Позже мы внимательнее посмотрим внутрь ядра атома и увидим, что частицы, из которых оно состоит, то есть протоны и нейтроны, удерживаются вместе благодаря сильному ядерному взаимодействию. На очень коротких расстояниях эта сила действует подобно клею, но за поверхностью ядра ее влияние полностью пропадает.

Ядра самых легких элементов, как правило, имеют одинаковое количество положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Ядра, в которых содержится больше среднего для их массы количества либо протонов, либо нейтронов, как правило, нестабильны и быстро трансформируются в более стабильную форму, превращая лишние протоны в нейтроны или наоборот, чтобы изменить баланс.

В середине 1980-х годов в ходе экспериментов японской исследовательской группы, проводившихся в Лаборатории Лоуренса в Беркли (Калифорния), было открыто новое свойство очень богатых нейтронами ядер элемента лития. Ядра атомов стабильных форм лития содержат три или четыре нейтрона, связанных с тремя протонами. Проведенный в Беркли эксперимент показал, что размер ядра лития-11 (три протона плюс восемь нейтронов) гораздо больше, чем ожидалось и чем можно было списать на появление дополнительных нейтронов. Направив в ускорителе пучок таких ядер на тонкую углеродную пластинку, ученые смогли измерить, сколько ядер выдержало взаимодействие с углеродом и оказалось по другую сторону пластинки. Чем больше были ядра лития-11, тем больше была вероятность, что они столкнутся с ядрами углерода и расколются на части. Ожидалось, что многие ядра сумеют без проблем пройти сквозь пластинку, однако на другой ее стороне детекторы засекли гораздо меньше ядер, чем предсказывалось. Здесь можно провести грубую аналогию с просеиванием песка сквозь сито. Чем больше песчинки, тем меньше их проходит насквозь.

Теоретики вскоре поняли, что они имеют дело с ядрами, которые не похожи на другие ядра, существующие в природе. Два внешних нейтрона лития-11 очень слабо связаны с остальной частью ядра (его «сердцевиной») и большую часть времени находятся относительно далеко от этой сердцевины. На самом деле они парят за пределами радиуса действия ядерной силы, которая удерживает их на месте, и образуют так называемое «нейтронное облако». Само собой, объем этого облака все равно гораздо меньше того объема, который занимают электроны атома лития.

Нейтронное облако представляет собой исключительно квантовый феномен и не должно существовать согласно классической механике[20]. Однако я использовал для описания этих облачных нейтронов тот же язык, которым Бор излагал свою старую квантовую теорию об электронах на орбите. Теперь мы знаем, что это не совсем правильно. Так что позвольте мне описать все точнее.

Чтобы объяснить большой размер ядерных облаков менее прямолинейно, можно прибегнуть к принципу неопределенности. Для их изучения был проведен другой эксперимент, в котором их намеренно раскалывали в ходе ядерной реакции и следили, как разлетаются фрагменты. Было замечено, что, разлетаясь, осколки оставались довольно близко друг к другу и очень медленно расходились в разные стороны.

С квантовомеханической точки зрения, можно сказать, что изначальный импульс фрагментов имеет очень узкий диапазон в районе нуля, или в высокой степени локализованную волновую функцию в импульсном представлении. Так как фрагменты (два нейтрона и сердцевина) связаны очень слабо, расколоть такое ядро несложно. Таким образом волновая функция в импульсном представлении, которая описывает их относительное движение после раскола ядра, не слишком отличается по форме от той волновой функции, которая описывает целое ядро.

Принцип неопределенности сообщает нам, что эта волновая функция в импульсном представлении соответствует очень распространенной волновой функции в координатном представлении, а следовательно, и широкому диапазону распределения вероятностей. Таким образом, нейтронное облако представляет собой не два «размазанных» нейтрона, а большой объем пространства вокруг ядра, в котором эти нейтроны могут быть найдены с высокой вероятностью. Это вероятностное облако нейтронов.

Квантовое описание атома сводится к вероятностному облаку электронов, окружающему крошечное ядро (вверху слева). Однако так мы можем сказать только до того, как посмотрим на атом. Если бы мы могли сделать снимок атома (вверху справа), то мы бы увидели отдельные электроны в конкретных местах. Нейтронное облако точно такое же. Это не более чем вероятностное облако нейтронов (внизу слева). Тот факт, что оно сильно выходит за границы сердцевины ядра, означает, что, сумей мы сделать фотографию ядра (внизу справа), мы бы, скорее всего, обнаружили «облако» нейтронов на некотором расстоянии от всех остальных, более тесно связанных друг с другом нейтронов и протонов ядра.

Золотые годы квантовой механики

В период с 1925 по 1927 год в квантовой физике произошла гораздо более значительная революция, чем та, которую на заре нового века начал Планк. В 1922 году Нильс Бор получил Нобелевскую премию за «заслуги в исследовании строения атомов и испускаемого ими излучения». Но к этому моменту сразу несколько молодых европейских физиков, работая над своими докторскими диссертациями, стали задаваться вопросом, можно ли считать теорию Бора о проквантованных электронных орбитах окончательной. В то время тремя великими магистрами атомной теории считались работавший в Копенгагене Бор, Арнольд Зоммерфельд из Мюнхена и Макс Борн из Геттингена. Но серьезный вклад в науку было суждено сделать их студентам.