Текст книги "Про эту вашу физику (СИ)"

Автор книги: Дмитрий Ганин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 9 страниц)

А тут еще и Эйнштейн со своей формулой, которая обещает, что энергия и масса это одно и то же. То есть, если вкачать в точку пространства побольше энергии, то можно из этой энергии создать вещество с массой и при некоторой сноровке назвать полученное смешным названием. Не вопрос! Только дорого. Поэтому ученые начали обрабатывать власть имущих на предмет «дайте денег». В 50-х годах прошлого века они все объединились в организацию под названием ЦЕРН (Европейский совет по ядерным исследованиям), чтобы было удобнее вымогать деньги на так называемые эксперименты.

Лучший способ создать благоприятные условия для исследования микромира – это разогнать известные и доступные частицы до больших скоростей (то есть придать им побольше энергии), столкнуть с чем-нибудь таким же крепким, а затем внимательно изучить место столкновения – там должны остаться очень интересные следы. Если кто-то из наших читателей застал прошлое столетие, то он может припомнить такую штуковину, как электронно-лучевая трубка: в ней электронная пушка выпускала электроны, а специальные магниты направляли их на экран, где от врезавшегося электрона появлялся след. Миллионы выпущенных электронов складывались в картинку, и люди смотрели любимые сериалы и рекламу через устройство, известное в археологии как кинескоп телевизора.

До перехода к рассказу о коллайдерах стоит упомянуть еще один классный тип устройств – пузырьковые камеры. Если взять ёмкость с жидкостью, которую специальным образом нагрели выше температуры кипения (это чудо называют перегретой жидкостью), то некоторые пролетающие через ёмкость частицы будут оставлять за собой след из пузырьков. Мы как-то видели пузырьковую камеру Вильсона, где вместо жидкости используется, перегретый пар, в одном научном музее и восхищено стояли возле нее, пока не пришел сторож и не прогнал нас. В общем, рекомендуем (камеру Вильсона, а не сторожа, конечно же) – на это стоит посмотреть.

Итак, люди начали стрелять частицами по мишеням или сталкивать их друг с другом. Названия устройств для столкновения были специально страшными, чтобы обыватели держались от всего этого подальше: синхрофазотрон, синхротрон, тэватрон, беватрон, и так далее.

Вообще ускорители частиц бывают двух типов: линейные и кольцевые. На первых частицы разгоняют на прямой траектории, а на циклических, ясное дело, запускают по кругу. И те, и другие имеют свои недостатки и преимущества, поэтому используются для разных нужд.

А в 80-х годах в Европе задумали построить Большой Электронно-Позитронный Коллайдер (сокращенно LEP). В нем энтузиасты сталкивали электроны с позитронами, то есть частицу и античастицу. Столкновение приводило к интереснейшим последствиям. Если вы читали предыдущие лекции, то вам приятно будет узнать, что именно на LEP изучали W и Z – бозоны, а также подтвердили единство электромагнитного и слабого взаимодействия (электрослабое взаимодействие).

Однако работа с антивеществом – довольно энергозатратная штука и по сей день. На одном ускорителе сталкивали протоны с антипротонами, и, поверьте, хранение антипротонов было той еще головной болью для инженеров. Антивещество только и мечтает, чтобы аннигилировать в пучок фотонов и, привет семье, как говорится.

Кроме того, ученые наигрались в имевшихся коллайдерах и сказали, мол, им нужны игрушки побольше. На существующих энергиях столкновения они, видите ли, все уже посмотрели. И теперь желают ловить рыбу покрупнее. Вот, например, бозон Хиггса или гравитон – их можно попытаться получить, если хорошенько разогнать тяжелые частицы, потратив за секунду электроэнергии, которой бы хватило на сезонное освещение небольшого альпийского городка (ЦЕРН не производит электроэнергию!).

Европейские правительства чего-то сомневались в необходимости финансирования строительства нового коллайдера, но тут американцы, в то время доминирующие в ядерной физике, решили тоже строить у себя в Техасе свой супер коллайдер с кольцами и лаборантками. Его назвали SSC – сверхпроводящий суперколлайдер (одобрен в 1987-ом), и на нем собирались наоткрывать всякого на пару столетий вперед. В том числе и темную материю. Поэтому разум европейских властелинов дрогнул, и началась совместная стройка Большого Адронного Коллайдера, который, полагаем, сегодня известен каждому.

Что интересно, американцы не сдюжили. В середине 90-х проект закрыли, мол, деньги нужны в другом месте. И американцы в кои-то веки потеряли первенство в передовых фундаментальных исследованиях. О чем до сих пор жалеют.

А к строительству БАКа начали подтягиваться другие страны, в том числе Япония, Канада и Россия. По нашим сведениям многие детали и запчасти ускорителя создавали в Новосибирске – здорово же? В конце концов американцы тоже вложились в проект. И коллайдер, как мы сказали в самом начале, стал одним из самых крутых символов сотрудничества народов во имя науки. А мы вот, например, холодильник в офисе поделить не можем…

Для Большой Адронного Коллайдера решили использовать туннели LEP, они идут под землей на глубине около 100 метров с перепадами.

Старый коллайдер разобрали (около 2000-го года) и стали собирать новый. Впрочем, проблем это не убавило. Если пересказывать все трудности, с которыми столкнулись строители и инженеры, получился бы неплохой фильм-катастрофа для любого прораба, инженера или бухгалтера.

Например, когда копали яму для детектора CMS, обнаружили остатки римского дворца 4 века нашей эры. Пришлось отбиваться и, возможно, откупаться от археологов. Или как-то обнаружилось, что подземные воды поднимают почву – а ведь любые даже незаметные движения и колебания в туннелях в будущем гарантированно испортят тонко настроенную аппаратуру. А еще спонсорами постоянно предпринимались попытки сократить финансирование, по ходу строительства в разы увеличивались расходы, казалось бы проверенные поставщики оборудования всучивали брак. Мы не представляем, как начальник всего этого, некий Линдон Эванс, смог пережить строительство практически здоровым. Вот они – герои нашего времени!

В Большом Адронном Коллайдере на огромных скоростях сталкивают пучки протонов. Сами протоны получают относительно просто: нагревают атомы водорода, они теряют электроны, в результате чего остаются ядра-протоны – это как арахис пожарить на сковородке. Накопив побольше таких жареных ядер, их засылают в коллайдер в количестве около трех тысяч пучков. В одном пучке собрано примерно сто миллиардов протонов. Вы же не думали, что они там реально сталкивают два протона? – такой точности столкновения невозможно добиться совсем не по техническим причинам, а вследствие некоторых неприятных законов природы.

И вот эти стомиллиардные пучки протонов с интервалом в десять метров начинают гонять по кругу, чтобы придать им еще больше скорости, импульса, энергии. Длина окружности равна 27 километров, и пучки делают полный круг 11000 раз в секунду. Ну, круто же?

Пучкам придают скорость специальные акселераторы, расположенные по окружности. А вылететь за пределы круга протонам не позволяют специальные магниты, создающие сильное магнитное поле (в миллион раз больше магнитного поля Земли, между прочим), корректирующее движение пучков.

Чтобы магниты работали как надо и не переохлаждались, температура в коллайдере удерживается на отметке 1.9 К. Заметьте, что это ниже температуры Вселенной, – в коллайдере холоднее, чем в космосе. Холод создается специальной оболочкой из жидкого гелия в состоянии сверхтекучести (сто тонн на один магнит). Стоимость одного такого магнита около 700 000 евро, а всего их 1232 штуки. Попробуйте представить, как эти магниты доставляли к месту эксплуатации, а затем опускали в тоннели – ювелиры нервно курят в сторонке. А кто-то все еще восхищается строительством египетских пирамид, уверяя, что ничего более точного и эпичного на планете не создано.

(На картинке ниже изображен принцип разгона частиц на линейном ускорителе).

Итак, рано или поздно пучки протонов (длиной 10 см и шириной 1 мм) натравливают друг на друга внутри так называемых детекторов, начинка которых предназначена для регистрации разного рода событий. Сами понимаете, что вероятность столкновения двух сотен миллиардов протонов – не нулевая. Встречи происходят на мельчайших расстояниях: порядка одной десятой от одной тысячной от одной триллионной доли миллиметра (10–19 м). И кое-где при встрече случается ДТП, оставляющее после себя важные и интересные следы, моментально улавливаемые этими самыми детекторами. Они тут же анализируются компьютерами, без которых вряд ли можно было бы осилить такую статистику: в среднем за секунду происходит реально около миллиарда событий, и среди них ученым нужно найти своё – заветное.

Ввод коллайдера в эксплуатацию ознаменовался эпичной драмой. Сначала все было хорошо – в сентябре 2008 года пучки протонов покатались по кольцам. Но 19 сентября случилось то, что никогда не было, и вот опять. Халтурная пайка медной оболочки в магните, плохой контакт, искра в контейнере с жидким гелием, мгновенно превратившийся в пар, взрыв, сдвиг оборудования, потеря вакуума, сажа в трубках, повреждение приборов.

Ремонт занял год времени. Ох уж эти ученые – не опустили руки, хотя уверены, что с горя было выпито немало алкоголя.

В ноябре 2009 года протоны снова полетели по кольцам. Теперь успешно. 23 ноября совершилось первое столкновение частиц на Большом Адронном Коллайдере.

А через два с половиной года, в июле 2012 года все страдания и затраты человечества по постройке коллайдера окупились: ученые объявили, что они, кажется, нашли бозон Хиггса. Конечно, человечество, занятое своими дрязгами и взаимными претензиями, почти не заметило событие, и большинство прочитавших новость в очередной раз презрительно высказалось о попиленных грантах и шарлатанах из ЦЕРНа. Но по факту мы шагнули на еще одну ступеньку на пути к пониманию мироздания. Как же здорово это было!

Что ж, в заключении осталось объяснить впечатлительным читателям, почему коллайдер это друг, а не враг. Многие алармисты, включая и наших соотечественников, с момента запуска коллайдера уверены, что на БАКе в результате экспериментов обязательно появится черная дыра и затянет в себя нашу планету, солнечную систему и галактику. Эти интересные люди не только снимали фильмы и публиковали панические статьи, но даже подавали в суд на ЦЕРН.

Что ж, спустя более чем десять лет, мы так и не дождались пожирающей всех черной дыры – это ли не лучший аргумент против паникеров?

Тем не менее, строго говоря, вероятность получения малюсенькой черной дыры в результате столкновения частиц вполне существует. Правда, для этого нужно, чтобы некоторые допущения в физике оказались реальностью, а не гипотезами. К тому же такие дыры если и появятся, то так же быстро исчезнут, испарятся, аннигилируют или как там это у ученых называется. Но самым убедительным доводом против конца света является замечание усталых исследователей о том, что вообще-то то, что мы делаем в коллайдерах, постоянно происходит в верхних слоях атмосферы Земли, где жесткое космическое излучение врезается в вещество. Энергии там сопоставимые с безобразиями на коллайдерах. И – ничего. Никаких дыр, только помехи для связистов и головная боль у метеозависимых. А что говорить о подобных процессах в атмосфере гигантских звезд? И к слову, какие бы аргументы мы не приводили за и против черных дыр, но за все время экспериментов исследователи так и не получили ни одного хоть немного подозрительного свидетельства черной дыры. Фейл, короче.

Так что, спим спокойно. Пока. Ученые тем временем мечтают о еще более крутом ускорителе. Сроки уже озвучены: к 2040-ым годам, и даже имеется рабочее название: Будущий циклический коллайдер (Future Circular Collider). Мы уверены, что они получат свою игрушку. Запасаемся попкорном!

Глава 10

Корпускулярно-волновой дуализм

Один физик по имени Роберт Милликен

так невзлюбил объяснение фотоэффекта

Эйнштейна, что решил экспериментально

его опровергнуть. Десять лет опытов,

и в итоге он доказал, что Эйнштейн был прав.

И – ирония.

Наконец-то настал тот самый момент, когда мы переходим к материалу, от которого станет совсем ничего не понятно. А значит можно втирать читателю всякую дичь. Именно так выглядят все популярные книги по квантовой механике. Даже тот знаменитый мем про то, как нарисовать сову, отдыхает по сравнению с опусами «просто о квантмехе». Как это бывает: сначала авторы обещают, что понятно будет даже пятикласснику, а на следующей странице публикуют уравнение Шредингера без комментариев. Дорогие читатели, обещаем, что мы не нарушим традицию – будет круто и непонятно. Но с шутками, прибаутками и депрессивной гуманитарной иронией.

Начнем мы срыв покрывал издалека. Вернемся, так сказать, к свету. В предыдущих лекциях мы выяснили, что свет – это электромагнитное поле, квант которого называют фотоном. Вспомним, как человечество докатилось до такого заумного понимания этого очевидного явления. Как свет нашего Отца-Солнца («Мать-Род-Макошь») вдруг стал набором интегралов с названиями чужеземных ученых?

Все началось как всегда с Ньютона. Тот, как известно, не только ловил головой падающие яблоки, но и любил проводить опыты со светом. Солнечным, разумеется, а не электрическим. Он раздобыл кучу всяких призм, линз, стеклышек и пропускал через них лучи, приходя к интересным результатам. Ньютон обнаружил, что белый свет состоит из семи цветов, что разные цвета преломляются по-разному, и даже догадался, что луч сам по себе не окрашен, а это наши глаза воспринимают цвета по каким-то неизвестным причинам. Умный дядька, что тут скажешь, хотя искал в Библии секретный код алхимии.

Но, самое главное для нашего рассказа, дядюшка Исаак, сделал вывод о том, что свет – это летящие через пространство частицы. Сразу стало понятно, почему лучи прямые, почему они отражаются от зеркал, почему появляется тень и так далее.

Тогда же, в середине 17 века жил еще один мечтатель по имени Гюйгенс. Он решил покритиковать идеи Ньютона и заявил, что есть основания полагать, что свет на самом деле волна. Ну как бы, если свет представляет собой поток частиц, то тогда с какого перепугу, лучи разных цветов преломляются в призмах под разными углами? А что если тут торчат уши волновых эффектов? Ну и так далее. Увы, Ньютон был авторитетнее. К тому же Гюйгенс рассказывал всем, что на других планетах может быть жизнь. Над ним посмеивались и крутили пальцем у виска. Вопрос о волновой природе света завис, а свет двести лет считали потоком каких-то неведомых частиц, природу которых однажды надеялись открыть.

В начале 19 века один востоковед (ха-ха! гуманитарий!) по имени Томас Юнг баловался с оптическими приборами – в итоге он взял и провел эксперимент, который сейчас называют опытом Юнга, и каждый физик считает этот опыт священным.

Томас Юнг всего лишь проткнул две дырки в картоне и направил луч света на этот картон, а позади поставил еще одну пластину-экран. Если бы свет был потоком частиц, то мы бы увидели на заднем фоне две светлые полосы.

Но, к несчастью всего научного мира, на экране-пластине появилась череда темных и светлых полос. Это повсеместное явление называется интерференцией – наложение двух (и более волн) друг на друга: там, где гребни волн совпадают, амплитуда, то есть высота гребня волны, увеличивается. Кстати, именно благодаря интерференции мы наблюдаем радужные переливы на пятне масла или на мыльном пузыре.

Иначе говоря, Томас Юнг экспериментально доказал, что свет – это волны. Ученый мир долго не хотел верить Юнгу, и одно время того так закритиковали, что он даже отказался от своих идей волновой теории – да, наука не для слабаков. Но потихоньку научный мир приходил к тем же самым выводам, и в итоге ученые стали считать свет волной. Правда, волной чего именно? – странный вопрос, ответ на который лучше бы никто никогда не узнавал.

Надо сказать, волновая природа света не сильно повлияла на классическую физику. Ученые поохали, поудивлялись, переписали формулы и стали полагать, что скоро весь мир падет к их ногам под единой универсальной формулой всего.

Но вы уже догадались, что, как всегда, всё испортил Эйнштейн.

Беда подкралась с другой стороны – сначала ученые заморочились расчетом энергии тепловых волн и открыли кванты (об этом мы уже рассказывали в лекции «Что такое кванты»). А затем с помощью этих самых квантов Эйнштейн нанес удар по классической физике, объяснив явление фотоэффекта.

Напомним: фотоэффект (одним из следствий которого является получение фотографий на пленке) это выбивание светом электронов с поверхности некоторых материалов. Технически выбивание происходит так, словно свет это частица. Частичку света Эйнштейн назвал квантом света, а позже ей присвоили имя – фотон.

В 1920 году к антиволновой теории света добавился удивительный эффект Комптона: когда электрон зачем-то обстреливают фотонами, то фотон отскакивает от электрона с потерей энергии («стреляем» синим цветом, а отлетает уже красный), как биллиардный шар от другого. Комптон за это отхватил нобелевскую премию.

На этот раз физики поостереглись снова отказываться от волновой природы света – сколько можно менять мнение, а вместо этого крепко задумались. Наука встала перед ужасающей дилеммой: так все-таки свет – это волна или частица?

У света, как и у любой волны, есть частота – и это легко проверить. Мы видим разные цвета, потому что каждый цвет – просто разные частоты электромагнитной (световой) волны: красный – маленькая частота, фиолетовый – большая частота.

Но удивительно: длина волны видимого света в пять тысяч раз больше размера атома – как такая «штука» влезает в атом, когда атом поглощает эту волну? Хотя, если фотон – это частица, сопоставимая по размерам с атомом, то вопросов нет. И что получается: фотон одновременно и большой и маленький?

Фотоэффект и эффект Комптона однозначно доказывают, что свет – все-таки поток частиц: нельзя объяснить каким образом волна передает энергию локализованным в пространстве электронам. Если бы свет был волной, то некоторые электроны были бы выбиты позднее, чем другие, и явление фотоэффекта мы бы не наблюдали. Но в случае потока отдельно взятый фотон сталкивается с отдельно взятым электроном и при некоторых условиях выбивает его из атома.

В итоге было решено: свет – это одновременно и волна, и частица. Вернее, и ни то и ни другое, а новая неизвестная ранее форма существования материи. Все наблюдаемые нами явления это всего лишь проекции или тени от реального положения дел, в зависимости от того как смотреть на происходящее. Когда мы смотрим на тень от цилиндра, освещенного с одной стороны, то видим круг, а при освещении с другой стороны – прямоугольную фигуру. Так и с корпускулярно-волновым представлением света.

Но и тут все непросто. Нельзя говорить, что мы считаем свет либо волной, либо потоком частиц. Посмотрите в окно. Внезапно даже в чисто вымытом стекле мы видим свое, пусть нечеткое, но отражение. В чем подвох? Если свет – это волна, то объяснить отражение в окне просто – подобные эффекты мы видим на воде, когда волна отражается от препятствия. Но если свет – это поток частиц, то объяснить отражение так просто не получится. Все фотоны одинаковы, и поэтому преграда в виде оконного стекла должна одинаково на них воздействовать. Либо все они проходят сквозь стекло, либо все отражаются. В суровой реальности нашего мира часть фотонов пролетает через стекло, и мы видим соседний дом, но тут же наблюдаем свое отражение.

Единственное объяснение, которое приходит в голову: фотоны сами себе на уме. Нельзя со стопроцентной вероятностью предсказать, как поведет себя конкретный фотон – столкнется со стеклом как частица или как волна. Это основа квантовой физики – совершенно, абсолютно случайное поведение материи на микроуровне без какой-либо причины (а в своем мире больших величин мы по опыту знаем, что все имеет причину).

Похоже, что там, на фундаментальных уровнях мироздания, вселенной управляет идеальный генератор случайных чисел в отличие, скажем, от монетки, результат подбрасывания которой теоретически можно предсказать.

Гениальный Эйнштейн, открывший фотон, до конца жизни был уверен, что квантовая физика ошибается, и уверял всех, что «Бог не играет в кости», мол, должны быть причинно-следственные связи для выбора частицей своего состояния. Но современная наука все ответственнее подтверждает: таки играет. Хотя, конечно, можно пофилософствовать и предположить, что некий сверхразум наблюдает за каждым фотоном и решает, как ему сталкиваться со стеклом. Проверить эту гипотезу мы не можем, но есть одно косвенное доказательство, портящее идеалистическую картину. Дело в том, что в квантовых опытах фотон выбирает свою траекторию с вероятностью 50 %. Всегда. А это, как минимум, означает, что сверхразум не заинтересован в предопределенности событий и не склоняется ни в чью пользу. И тогда он опять неотличим от генератора случайных чисел.

Так или иначе, но как-то раз ученые собрались поставить жирную точку в споре «волна или частица» и решили воспроизвести опыт Юнга с учетом технологий XX века. К этому времени они научились пулять фотонами по одному (квантовые генераторы, известные среди населения под именем «лазеры»), и посему было задумано проверить, что будет на экране в случае, если выстрелить по двум щелям одной частицей: вот и станет понятно, наконец, чем же является материя при контролируемых условиях эксперимента.

Об этом эксперименте мы подробно расскажем в следующей главе, обещаем, что вы почти все поймете, а пока лишь скажем, что в результате опыта выяснилась ужасная вещь: одиночный фотон летит сразу через две щели и интерферирует сам с собой.

С точки зрения волны это логично: волна проходит через щели, и теперь две новые волны расходятся концентрическими кругами, накладываясь друг на друга.

Но с корпускулярной точки зрения получается, что фотон находится в двух местах одновременно, когда проходит через щели, а после прохождения смешивается сам с собой. Это вообще нормально, а?

Оказалось, что нормально. И вообще с точки зрения квантовой физики выпущенный фотон между стартом и финишем находится одновременно «везде и сразу». Такое нахождение частицы «сразу везде» физики называют суперпозицией – страшное слово, которое раньше было математическим баловством, а теперь стало физической реальностью.

Некий Э. Шредингер, известный противник квантовой физики, к этому времени нарыл где-то формулу, которая описывала волновые свойства материи. И немного над ней поколдовав, к своему же ужасу вывел так называемую волновую функцию. Эта функция показывала вероятность нахождения фотона в определенном месте. Заметьте, именно вероятность, а не точное местонахождение. И эта вероятность зависела от квадрата высоты гребня квантовой волны в заданном месте (если кому-то интересны детали).

Дела с дуализмом обстояли все интереснее и интереснее.

В 1924 году аристократ Луи де Бройль взял и заявил, что корпускулярно-волновые свойства света – это верхушка айсберга. А таким непонятным свойством обладают все элементарные частицы.

То есть частицей и волной одновременно являются не только кусочки электромагнитного поля (фотоны), но и вещественные частицы типа электронов, протонов и т. п. Вся материя вокруг нас на микроскопическом уровне является волнами (и частицами одновременно).

И спустя пару лет это даже подтвердили экспериментально – американцы гоняли электроны в электронно-лучевых трубках (которые известны нынешним старперам под названием «кинескоп») – так вот наблюдения, связанные с отражением электронов, подтвердили, что электрон – это тоже волна. Для простоты понимания можно сказать, что на пути электрона поставили пластинку с двумя щелями и лицезрели интерференцию электрона как она есть.

К настоящему времени в опытах обнаружено, что и атомы имеют волновые свойства, и даже некоторые специальные виды молекул (так называемые «фуллерены») совершают каминг-аут, проявляя волновые свойства.

Пытливый ум читателя, который еще не ошалел от нашего повествования, спросит: если материя – это волна, то почему, например, летящий мячик не размазан в пространстве в виде волны? Почему реактивный самолет никак не походит на волну, а очень похож на реактивный самолет?

Де Бройль, чертяка, и тут все объяснил: таки-да, летящий мячик или «боинг» это тоже волна, но есть специальная формула, в которой длина волны тела обратно пропорциональна его импульсу.

То чем больше импульс тела, тем меньше его длина волны.

А что такое импульс? Из школьной физики мы смутно припоминаем, что импульс – масса, умноженная на скорость. Тогда длина волны зависит от массы и скорости объекта.

Длина волны мяча, летящего со скоростью 150 км/час, будет приблизительна равна 0,0000000000000000000000000000000001 метра. Все дело в том, что мы не в состоянии заметить, как мячик размазан по пространству в качестве волны. Для нас это твердая материя.

А тот же электрон – весьма легкая частица, и, летящий со скоростью 6000 км/сек, он будет иметь заметную длину волны в 0,0000000001 метра.

Кстати, сразу ответим на вопрос, почему ядро атома не настолько «волновое». Хоть оно и находится в центре атома, вокруг которого, ошалев, летает и в то же время размазывается по орбитали электрон, ядро имеет приличный импульс, связанный с массой протонов и нейтронов, а также высокочастотным колебанием (скорость) из-за происходящего внутри ядра обмена частицами сильного взаимодействия (читайте лекцию про материю) – то есть внутри ядра постоянная движуха и суета. Поэтому ядро больше походит на привычную нам твердую материю. Электрон же, по-видимому, является единственной частицей с подходящей массой, у которой ярко выражены волновые свойства, вот его все с восторгом и изучают. Всё понятно?

Вернемся к нашим частицам. Так что получается: электрон, «вращающийся» вокруг атома – это одновременно и частица и волна. То есть вращается-то частица, и в то же время электрон как волна представляет собой оболочку определенной формы вокруг ядра – как это вообще можно понять человеческим мозгом?

Выше мы уже подсчитали, что летающий электрон имеет довольно огромную (для микромира) длину волны и, чтобы разместиться вокруг ядра атома, такой волне нужно неприлично много места. Вот как раз именно этим и объясняются такие большие размеры атомов по сравнению с ядром. Длины волн электрона определяют размер атома. Пустое место между ядром и поверхностью атома заполнено «размещением» длины волны (и в то же время частицы) электрона. Просим нас простить за грубое и некорректное объяснение, на самом деле все гораздо сложнее, но наша цель – хотя бы позволить отгрызть кусочек гранита науки людям, которым это интересно.

Наконец, давайте еще раз поясним и напомним! Описываемая нами форма материи не является ни волной ни частицей. Она лишь имеет свойства, присущие волнам и частицам. Нельзя говорить, что электромагнитная волна или электронная волна подобны морским или звуковым волнам.

Привычные нам волны представляют собой распространение возмущений в пространстве заполненным каким-либо веществом.

Фотоны, электроны и прочие экземпляры микромира при движении в пространстве можно описать волновыми уравнениями, они по поведению лишь ПОХОЖИ на волну, но ни в коем случае волной не являются. Аналогично и с корпускулярной стороной материи: поведение частицы похоже на полет маленьких точечных шариков, но это ни разу не шарики.

Это нужно понять и принять, иначе все наши размышления будут в конечном счете приводить к поиску аналогов в макромире и тем самым пониманию квантовой физики придет конец, и начнется фричество или шарлатанская философия навроде квантовой магии и материальности мыслей.

Остальные ужасающие выводы и следствия из опыта Юнга мы рассмотрим позже в следующей части: неопределенность Гейзенберга, кошка Шредингера, принцип запрета Паули и квантовая запутанность ждут терпеливого и вдумчивого читателя, который еще не раз перечитает наши статьи и покопается в интернете в поисках дополнительной информации.

Всем спасибо за внимание. Приятной бессонницы или познавательных кошмаров!

Глава 11

Двухщелевой эксперимент

– Знаешь, что такое квантовая суперпозиция?

– Да нет, наверное.

Наконец, мы подошли к моменту истины! К знаменитой теме, которая делит людей на тех, кто искренне верует в квантовую магию и материальность мыслей, и тех, кто окончательно понимает, что с этой вселенной всё очень и очень плохо. В этой главе мы будем рассказывать про истинную сущность материи. И мы гарантируем, что ясности не добавим, но представление о том, как всё эпично и непредсказуемо, вы получите. Будет нелегко, товарищи, мы старались как могли, чтобы донести до простого человека, тяготеющего к гуманитарному мышлению, суть проблемы. Снова и снова предупреждаем о легкомысленности нашего повествования, о неточности и утрировании примеров и выводов. Но, согласитесь, хочется же разобраться? Задача этой главы: объяснить, почему фотон – это не частица и не волна, и мы методологически отбрасываем все ненужное и важное, лишь бы открыть читателям глаза на реальность, не данную нам в ощущениях.

Обращаем ваше внимание, что упоминаемые в главе события, открытия и эксперименты приводятся не в хронологическом порядке, а так, как нам захотелось. В целях усугубления читательского понимания, конечно же!

Итак, давайте проверим наши бытовые знания. Простой оскорбительный вопрос: что такое волна?

Ностальгический пример из детства – волна в луже возле родного подъезда. Мы бросали в воду камешки и зачарованно смотрели на расходящиеся круги. Волны в воде представляют собой колебания молекул этой самой воды. Вверх и вниз – все просто. У таких волн мы подмечаем их форму и поведение, а именно: амплитуду, частоту и длину. Полагаем, что читателям знакомы эти характеристики: амплитуда – это название того, как высоко поднимаются молекулы воды в волне, частота – скорость смены гребней и впадин волны, длина волны – расстояние между гребнями. Средняя морская волна имеет длину 150 метров, время которое пройдет между появлениями гребней – 10 секунд (значит частота: 1/10 или 0.1 Гц). С водой всё понятно. Кто не догнал – спускается во двор и кидает камешки в лужи, рассказывая старушкам на скамеечке о проблемах корпускулярно-волнового дуализма.

Теперь попробуйте ответить на вопрос, что является амплитудой, длиной и частотой для звуковой волны? Тоже пример из бытовой физики, но уже посложнее. Так сказать, слышали звон, но не очень уверены, какие у него характеристики.