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.

---

Для первого – «пустого» – случая профиль молекулярного пучка будет представлять собой единственный узкий пик в полном соответствии с нашими наивными ожиданиями, которые заключаются в том, что каждую молекулу можно считать обычным мячом в свободном полете.

Однако во втором случае возникает первая странность: если поместить между источником и детектором одну очень узкую – 70 нанометров (70 миллионных миллиметра) шириной – прорезь, мы увидим на экране профиль, отличающийся от пустого случая. Вместо ожидаемого сужения, которое произошло бы, если бы молекулы действительно были просто маленькими футбольными мячами, мы заметим сильное расширение пика. Это расширение является следствием дифракции, свойственной волнам.

Ситуация становится еще более странной, когда мы заменяем узкую прорезь решеткой. Эта структура состоит из нескольких прорезей, каждая из которых чуть уже первой (по 50 нанометров). Эти прорези расположены на равном расстоянии друг от друга (между ними тоже около 50 нанометров). Если бы молекулы были простыми частицами, мы могли бы ожидать повышения интенсивности сигнала на всем экране. Но – вопреки нашему здравому смыслу – мы видим, что на экране появляются области, в которые молекулы не попадают вообще.

Открытие двух или более дополнительных отверстий в стене вместо одного снижает количество зарегистрированных в определенных местах молекул. Это очень нелогично и уже не может быть объяснено на модели мячей, которые летят по определенным путям, но находится в полном согласии с моделью, основанной на волновой природе единичных молекул. Тут мы отбрасываем идею «траектории» и позволяем молекулам одновременно исследовать более широкое пространство, которое на много порядков больше самой молекулы, в результате чего возникает квантовая интерференция.

Важно отметить, что щелчки детектора хорошо локализованы и что каждая молекула, насколько мы можем судить, ударяется в совершенно случайную область экрана. И все же по мере регистрации молекул детектором на экране постепенно вырисовывается странная волнообразная картина.

Глава 2. Истоки

Многие научно-популярные книги и даже учебники физики пропагандируют два мифа, связанных с происхождением квантовой механики. Само собой, часто о развитии науки говорят чересчур упрощенно, и это даже полезно для обучения. Научный прогресс в основном представляет собой запутанный и медленный процесс, и, только оглядываясь назад, когда теория или феномен уже полностью поняты, его историю можно рассказать в педагогическом, а не в хронологическом порядке. Для этого приходится отсеять некоторых личностей и некоторые события из общей массы, закрывая глаза на красивые истории многочисленных Нобелевских премий.

Так в чем заключаются два этих мифа?

Первый представляет собой упрощенное и неточное описание состояния физики в конце XIX века. Утверждается, что ученые того времени полагали, будто большая часть физики уже открыта и объяснена, а все физические явления можно понять, опираясь на представления о мире, покоящиеся на двух столпах – механике и законах Ньютона и недавно завершенной теории электромагнетизма Джеймса Максвелла. Оставалось только расставить точки над «i».

Второй миф гласит, что немецкий физик Макс Планк предложил революционно новую формулу для описания экспериментального результата в области термодинамики[4], который невозможно было воссоздать при помощи господствующей теории, и квантовая революция не заставила себя ждать.

КАК ВСЕ НАЧАЛОСЬ

Хотя эта книга не задумывалась как история квантовой механики или личностей, связанных с ее развитием, в этой главе я все же расскажу, как и почему зародилась эта область науки. В связи с этим, хотя мне и не хочется слишком погружаться в описание физики до квантовой механики, весьма интересно определить, когда именно и как все началось. Что касается первого мифа, правда в том, что к концу XIX века накопилось столько неотвеченных вопросов и столько необъясненных явлений, что прорыв был неизбежен. Физики и химики не могли даже согласиться, состоит ли материя из неделимых атомов или она последовательно и бесконечно делима. Они также не могли решить, применима ли механика Ньютона (уравнения, описывающие взаимодействие и движение макроскопических объектов[5] под влиянием сил) к более фундаментальной теории электромагнетизма Максвелла.

Как будто столь фундаментальных вопросов было недостаточно, ожесточенные споры шли по поводу относительно новых областей физики, таких как термодинамика и статистическая механика[6]. В экспериментальной сфере объяснения ждали фотоэлектрический эффект и излучение черного тела (я скоро опишу оба этих явления); кроме того, никто не понимал, как интерпретировать значение картины «линейчатого спектра» света, характерного для определенных элементов. В дополнение к этому весь мир был взволнован только что открытыми таинственными феноменами рентгеновских лучей (1895 год) и радиоактивности (1896 год), не говоря уже об открытии электрона (1897 год). В общем, физика была в раздрае.

Второй миф заключается в том, что в конце 1900 года Макс Планк совершил революцию в науке, предположив, что энергия распространяется сгустками (под названием «кванты») – ему нужно было ввести это понятие, чтобы понять, как теплые объекты излучают свое тепло, – и тут же возникла квантовая теория. На самом деле все было гораздо сложнее. Некоторые историки науки и вовсе отрицают, что Планк заслуживает хоть какого-то признания за «открытие» квантовой теории[7]. В отличие от многих великих революционных открытий, квантовая механика не обязана своим появлением озарению единственного гения. Ньютон прозрел, когда на ферме его матери ему на голову упало яблоко, которое и подтолкнуло его к открытию знаменитого закона всемирного тяготения (хотя и есть вероятность, что это событие легендарно). Невозможно отрицать, что Дарвину принадлежит заслуга вывода теории эволюции, а Эйнштейн разработал теории относительности. Но открыть квантовую механику в одиночку было невозможно. Ее разработка заняла тридцать лет и потребовала совместных усилий величайших ученых со всего мира.

Прежде чем продолжить, мне следует объяснить, почему я использую то понятие «квантовая теория», то «квантовая механика». Первое обычно применяется для описания положения дел в период с 1900 по 1920 год, когда все находилось на уровне простых постулатов и формул, которые помогали прояснить кое-какие вопросы природы света и структуры атомов. Настоящая революция произошла только в 1920-х годах, когда при описании основополагающей структуры субатомного мира на смену «механике» Ньютона пришла совершенно новая теория – квантовая механика.

Но давайте вернемся к вопросу о том, как все началось, и дадим на него честный ответ. В 1918 году Планк получил Нобелевскую премию по физике с формулировкой: «В знак признания услуг, которые он оказал развитию физики своим открытием квантов энергии». Поэтому, хотя мы и увидим, что другие, включая Эйнштейна и Больцмана, тоже могут претендовать на лидирующую роль в строительстве фундамента оригинальной квантовой теории, ключом к ней все же является концепция «кванта», которая впервые появилась в простой формуле Планка. Так что же именно он сделал?

Планк вырос в Мюнхене, учился в Берлине и получил докторскую степень в возрасте всего лишь 21 года. Через десять лет он стал профессором физики. Но прошло еще целых одиннадцать лет, прежде чем на лекции в Берлинском физическом обществе он предложил свою знаменитую формулу, которую вывел для конкретной цели, заключавшейся в том, чтобы решить давнюю проблему, связанную с тем, как некоторые объекты излучают тепло. Однако он отнесся к своей формуле скорее как к удобному математическому трюку и не сразу заметил, что она содержит в себе глубокую правду об окружающем мире[8].

Постоянная Планка

В соответствии с формулой Планка энергия мельчайшего сгустка света заданной частоты (один квант) равна частоте, умноженной на определенную постоянную. Эта постоянная называется постоянной действия Планка. Она обозначается буквой h и, как и скорость света с, является одной из универсальных постоянных природы.

Отношение энергии и частоты очень просто. Например, частота фиолетового света на одной стороне видимого диапазона вдвое больше частоты красного света на другой его стороне, так что квант фиолетового света обладает вдвое большей энергией, чем квант красного света.

Сегодня постоянная Планка знакома каждому студенту-физику. В единицах килограммов, метров и секунд ее значение чрезвычайно мало и составляет 6,63×10-34, и все же это одно из самых важных чисел в науке. Каким бы ничтожным ни было это число, главное, что оно не равняется нулю, ведь иначе квантового поведения бы просто не существовало.