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.

---

Следует подчеркнуть, что, хотя Бор и применил идею квантования Планка к атомной структуре, объяснить, как именно электроны перепрыгивают с орбиты на орбиту, он не смог. Прямо как несчастный Планк, Бор представил свою формулу для решения конкретной задачи. Несмотря на мнение многих физиков-теоретиков, он не вывел ее на основании глубоких фундаментальных принципов. Хотя его атомная модель миниатюрной Солнечной системы работала как будто очень хорошо, в ней все еще учитывались аспекты ньютоновской физики, которые оказались неверными. Хуже всего, его модель фактически работала только для водорода, атом которого содержит лишь один электрон! Более сложные конструкции в модель не вписывались. Более полное понимание структуры атома требовало серьезного развития квантовой механики, которое произошло лишь десять лет спустя.

Сегодня физики не зря возмущаются, что детям в школах до сих пор показывают разработанную Бором модель атома. Атомы выглядят совсем не так[14]. Предложенная Бором модель атома водорода поставила точку в первой фазе квантовой революции, которую сегодня называют квантовой теорией.

В дело вступает французский герцог

Давайте теперь обратимся к началу 1920-х годов и молодому французскому герцогу Луи де Бройлю, который в то время как раз работал над своей докторской. Ладно, на самом деле он не был герцогом (по принципу старшинства), но все же был аристократом из благородной семьи, и его предки служили французским королям еще со времен знаменитого Людовика XIV.

В 1924 году де Бройль представил свою диссертацию, в которой сделал смелое предположение: если свет, который нам проще считать волной, может, согласно Планку и Эйнштейну, иногда вести себя, как поток частиц, то было бы довольно красиво, если бы движущиеся частицы тоже иногда могли вести себя, как волны.

Может, сначала это утверждение и кажется странным, но подумайте о нем следующим образом. К 1920-м физики уже вполне освоились с идеей Эйнштейна о том, что материя и энергия взаимозаменяемы согласно его формуле Е=mc2. Это предполагает, что материю можно считать некой замершей энергией, а материю и энергию можно превращать друг в друга. Следовательно, раз уж свет, а точнее электромагнитное излучение, которое представляет собой одну из форм энергии, может иметь двойственную природу, то почему подобным образом не может вести себя и материя?

Де Бройль предположил, что каждый материальный объект можно ассоциировать с «волной материи», длина которой зависит от массы объекта. Чем более тяжела частица, тем короче длина связанной с ней волны. Обратите внимание, что я использовал здесь слово «связанной», поскольку де Бройль все еще считал материальные объекты твердыми «сгустками», к которым каким-то образом добавляются волны. Однако в случае со светом мы видели, что «материал» всегда одинаков, вот только ведет он себя то как волна, то как частица.

Де Бройля вдохновила работа американского физика Артура Комптона, который привел новое неопровержимое доказательство корпускулярной природы света. В 1923 году, за год до завершения диссертации де Бройля, Комптон провел эксперимент, который подтвердил существование фотонов. Он направил рентгеновские лучи (которые по сути являются высокочастотным светом) на блок графита и обнаружил, что частота отраженных лучей становится немного ниже изначальной. Это шло вразрез с предсказанием старой волновой теории, которая гласила, что частота света должна оставаться неизменной. Но если рентгеновские лучи представляли собой поток высокоэнергетических фотонов, сталкивающихся с отдельными электронами графита, то часть их энергии должна была теряться, а это, согласно формуле Планка, вело к понижению частоты.

Градация волн материи де Бройля, связанных с разными объектами.

Вверху: Длина волны де Бройля для коровы будет в несколько триллионов раз меньше атомных измерений – столь короткую волну невозможно будет даже обнаружить. Ее размеры будут находиться в таком масштабе, где значение теряет сама идея пространства. Так что нам не стоит беспокоиться о волновых коровах.

В середине: Длина волны де Бройля для молекулы С60 (фуллерена), движущейся на скорости несколько метров в секунду, примерно равна размеру самой молекулы (около одного нанометра). Внизу: Длина волны де Бройля для электрона, движущегося на скорости несколько метров в секунду, равна толщине человеческого волоса (доля миллиметра). Это значение достаточно велико, чтобы его квантовая волновая природа с легкостью проявляла себя в экспериментах и даже в повседневной жизни.

Не заметить здесь очевидную симметрию де Бройль не смог. Почему фотоны могут обладать одновременно волновыми и корпускулярными свойствами, а электроны не могут? В конце концов, комптоновское рассеяние, как этот процесс называют сегодня, предлагало картину сталкивающихся твердых частиц. Так если фотон можно поставить на одну доску с электроном, может быть, верно и обратное? Экспериментальное подтверждение волновой природы электронов появилось лишь в 1927 году, когда было впервые продемонстрировано, что пучки электронов также дают картину интерференции, – и это стало первым успешным подтверждением фокуса с двумя прорезями в отношении частиц материи.

Но как именно рассуждал де Бройль? Волновая природа материи всегда несколько сбивает с толку. Сам де Бройль не выдвинул предположения, что электрон представляет собой распространенную волну (хотя это предположение вскоре было выдвинуто другими учеными), а сказал, что он является твердой локализованной частицей, переносимой так называемым волновым пакетом. Это изолированный участок волны, подобный пульсу, который можно создать путем наложения многих волн с разной амплитудой и длиной волны таким образом, чтобы они интерферировали и нейтрализовали друг друга везде, кроме крошечной локализованной области, где находится частица.

Де Бройль вывел формулу, которая связала импульс частицы, будь это фотон или электрон, с длиной связанной с ней волны: чем больше импульс, тем короче длина волны. Потому мы и не можем засечь волновое поведение окружающих нас объектов – людей, футбольных мячей, песчинок. Эти объекты на много порядков тяжелее электронов, а длина их волн на много порядков короче, чем длины на субатомном уровне, поэтому ее невозможно обнаружить. Но можно ли измерить волны материи, связанные с электронами и даже целыми атомами? Более того, если они действительно существуют, может, это и объясняет фокус с двумя прорезями? Может, именно связанная с атомом волна проходит сквозь обе прорези одновременно, в то время как сам атом проходит лишь через одну из них?

В то время революционное предложение Луи де Бройля показалось его коллегам-физикам слишком радикальным. Возникли даже сомнения, присуждать ли ему докторскую степень, но в последний момент в научный спор вмешался сам Эйнштейн, который ознакомился с работой де Бройля и убедил экзаменаторов в справедливости его выводов.

Вскоре после того как изыскания де Бройля получили известность, все начало происходить очень быстро. Физики по всей Европе принялись сводить воедино фрагменты нового математического аппарата и спорить о получаемых результатах. На место становились не только кусочки математической мозаики – ученые одновременно и независимо друг от друга совершали открытия, связь между которыми удалось установить лишь значительно позже.

В связи с этим я закончу эту историческую главу и перейду к описанию того, что квантовая механика сообщает нам о поведении природы, вместо того чтобы рассказывать, как физики пришли к тому или иному выводу. Квантовую механику можно объяснить несколькими способами, и следовать тому, как отцы-основатели этой области развивали свои идеи, вряд ли удобнее всего. Например, многие научно-популярные книги о квантовой механике построены на объяснении феноменов вроде «корпускулярно-волнового дуализма», которые называются фундаментальными идеями, лежащими в основе всей теории. Это часто путает читателей и сбивает их с толку. Избежать этого нелегко, но я все же попытаюсь.

Глава 3. Вероятность и случай

Вы верите в судьбу?

Для большинства из нас смысл этого вопроса вполне очевиден: подразумевается, что некоторым событиям суждено произойти, а двум людям предначертано встретиться. Но есть ли в этой идее хоть толика правды?

Может, вам по душе читать гороскопы – довольно неправдоподобная идея, что положение планет может влиять на то, как сложится для вас грядущая неделя, кажется вполне безобидной. Само собой, большинство из нас не воспринимает гороскопы всерьез, однако мысль, что будущее можно предсказать, весьма интересна. На самом деле до квантовой революции ученые почти не сомневались, что в принципе это возможно, предполагая, что, пусть мы и не можем их предсказать, все события будущего тем не менее предопределены и предначертаны.