Текст книги "Чудеса обычных вещей. Что обыденная жизнь рассказывает нам о большой Вселенной"
Автор книги: Маркус Чоун (Чаун)
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 10 страниц)
Это неожиданное открытие изменит мир до неузнаваемости. Теория Максвелла предсказывала, что если просто «потрясти» электрический ток в проволоке, то это заставит ток излучать электромагнитные волны – не свет, видимый глазом, а другие волны, более длинные, которые впоследствии получат название радиоволн. Максвелл умер в 1879 году, в возрасте 48 лет; его предсказание будет подтверждено немецким физиком Генрихом Герцем (1857–1894) в 1887-м. Еще через 14 лет, в 1901 году, Гульельмо Маркони (1874–1937) сумеет организовать первую радиосвязь через Атлантику, провозвестив эпоху мгновенной коммуникации, что сделает возможным современный мир.
Теория Максвелла гласит: электромагнитные волны порождаются любым электрическим зарядом, который получает «ускорение», – то есть зарядом, меняющим либо свою скорость, либо направление движения, либо и то и другое. «Тряска» электрического тока в проволоке ускоряет носителей тока – электроны, – вот почему такая проволока-антенна излучает радиоволны. Но тут возникает проблема с атомами. А именно: то самое явление, которое обеспечивает возможность дальней связи, полностью отменяет «планетарную» модель атома Резерфорда. Трудность здесь вот какая: электрон, обращающийся вокруг атомного ядра, постоянно изменяет направление и таким образом постоянно ускоряется. А как заряженная частица он обязан излучать электромагнитные волны, подобно маленькому радиопередатчику. Но электромагнитные волны уносят энергию от электрона. Теряя подобным образом энергию, он должен по спирали упасть на ядро менее чем за стомиллионную долю секунды. Короче говоря, атомы не должны существовать.
Но они существуют.
Мало того что атомы не расстаются с жизнью в мгновение ока, и уж тем более за стомиллионную долю секунды, – судя по всему, они стабильны уже миллиарды лет, все то время, пока существует Вселенная. На поверку их срок жизни оказался в неимоверное число раз (это число выражается единицей с 40 нулями) больше, чем тот период, который отводят атомам законы электромагнетизма. До 1998 года, когда ученые открыли непостижимую космическую «темную энергию», это было самым большим расхождением между наблюдением и предсказанием в истории науки [24]24
Темная энергия невидима и заполняет все пространство, а его гравитационная сила отталкивания ускоряет расширение Вселенной. Плотность этой энергии ошеломительна: она выражается числом, где за единицей следуют 120 нулей. И все же это меньше, чем величина, предсказываемая квантовой теорией – лучшим объяснением реальности на сегодняшний день. (Прим. автора).
[Закрыть].
Резерфорд был сбит с толку. Он блестяще преуспел в раскрытии внутреннего строения атома, однако, сделав это, ученый выявил крупнейший конфликт в физической науке. Эксперимент с золотой фольгой продемонстрировал, что атом – это крошечная «планетарная» система. Однако теория электромагнетизма предсказывала, что такая система категорически нестабильна – она не продержится и «мгновения ока». Это была парадоксальная ситуация, и найти из нее выход казалось почти невозможным. Тем не менее одному человеку – молодому датскому физику – это удалось.
Нильс Бор (1885–1962) приехал в Англию в 1911 году, после того как получил докторскую степень в Копенгагене, и с тех пор работал под руководством сначала Дж. Дж. Томсона, а затем Резерфорда. Он понимал, что планетарная модель атома Резерфорда, подкрепленная серьезными экспериментальными данными, вполне убедительна. Но вместе с тем он понимал, что и законы электромагнетизма, подарившие миру электромоторы и динамо-машины, убедительны в неменьшей степени. Боровское революционное разрешение атомного парадокса было одновременно и простым, и дерзким. В 1913 году Бор объявил, что законы электромагнетизма просто-напросто не действуют внутри атомов. Электроны, вращаясь вокруг ядра, не испускают электромагнитные волны и поэтому не падают по спирали на ядро. Короче говоря, известные законы физики не применимы к области сверхмалых объектов.
Свою революционную идею Бор доказывал очень просто: известные законы физики утверждают, что атомы не могут существовать, а они тем не менее существуют. Вот и всё. Однако Бор не знал, чем можно заменить известные физические законы в микроскопическом царстве. Он не понимал, почему электроны все же не падают по спирали на ядра. Объяснением этого феномена физика обязана французскому ученому Луи де Бройлю.
Частицы ведут себя как волны
Де Бройль знал о предположении Эйнштейна, что световые волны могут вести себя как частицы – фотоны, – и о том, что это предположение подтверждалось как фотоэффектом, так и эффектом Комптона. Но де Бройлю удалось – совершенно невероятным образом! – сделать шаг вперед. В своей докторской диссертации 1923 года он объявил, что не только световые волны могут вести себя подобно локализованным в пространстве частицам, но и частицы, такие, как электроны, могут вести себя как расходящиеся в пространстве волны. Все микроскопические кирпичики материи, по де Бройлю, были двулики. Всем им был свойствен особый корпускулярно-волновой дуализм.
Идея де Бройля о «волнах материи» была настолько фантастична, что большинство физиков совершенно ее проигнорировали. Однако все изменилось, когда Эйнштейн прочитал экземпляр дебройлевской диссертации. Отец фотона поразился идее де Бройля и пришел к убеждению, что в догадке французского ученого что-то есть. Теперь требовалось только продемонстрировать, что частица – например, электрон – может вести себя как волна. На практике это означало: следовало показать, что электроны могут интерферировать друг с другом, ибо как раз интерференция служит характерным признаком волн. Этот подвиг совершат в 1927 году Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер в США и Джордж Томсон в Шотландии. Ирония в том, что Джордж Томсон был сыном Дж. Дж. Томсона. Отец получил Нобелевскую премию, доказав, что электрон – это частица, а сын получит свою Нобелевскую премию за то, что опровергнет мнение отца и докажет: на самом-то деле электрон – это волна.
Как раз по той причине, что всемикроскопические частицы ведут себя подобно волнам, то умозаключение, которое мы сделали, наблюдая за собственным отражением в оконном стекле, может быть распространено именно на всечастицы. Не только фотон – каждый обитатель микроскопического мира танцует под мелодию случайности. Суперпозиции и прочие «потусторонние» квантовые феномены свойственны всем из них до последнего.
Де Бройль в своей диссертации не просто допустил, что частицы материи действуют как волны, – он разобрался в том, насколько велики эти волны материи. Величина волны частицы обратно пропорциональна ее импульсу, который представляет собой произведение массы тела на его скорость. Вообще говоря, большие объекты, которые передвигаются в окружающем нас мире, – например, «Боинг-747» или даже улитка, – обладают куда большим импульсом, чем крошечные штучки, суетящиеся в микроскопическом мире атомов. А поскольку, согласно де Бройлю, величина волны, ассоциированной с неким телом, обратно пропорциональна его импульсу, из этого следует, что волны, ассоциированные с окружающими нас вещами, намного меньше тех, которые ассоциированы с такими частицами, как электроны.
Возьмем бейсбольный мяч. Питчер подает его со скоростью около 150 километров в час. По гипотезе де Бройля, этот мяч ведет себя как волна с длиной всего лишь 10 -34метра. Это в триллион триллионов раз меньше, чем атом. Не удивительно, что до двадцатого столетия никто и не подозревал о волновых свойствах материи. Длины волн больших предметов в окружающем нас мире просто-напросто настолько умопомрачительно малы, что эти волны категорически невозможно обнаружить. Поэтому мы и не видим, как люди растекаются рябью по улице или интерферируют друг с другом усиливающим или ослабляющим образом.
А теперь представьте, что электрон летит со скоростью примерно 6000 километров в секунду. Поскольку он очень легок, его без труда можно разогнать до этой скорости, даже приложив весьма скромное напряжение в 100 вольт. Такой электрон обладает длиной волны 10 -10метров. Важность этой величины в том, что она соизмерима с расстояниями между атомами в некоторых веществах, например в металлах. Посему, если такими электронами выстрелить по металлу, появляется хорошая возможность увидеть волновые эффекты – в частности, интерференцию. Именно эту стратегию избрали Дэвиссон, Джермер и Томсон, чтобы продемонстрировать волновую природу электронов. Они обстреливали пучком быстрых электронов металлическую мишень. Атомы в металлах располагаются в строгом порядке, они равномерно распределены параллельными слоями, поэтому металлическая пластинка похожа на стопку блинов. Когда электронами стреляют по металлу, некоторые из них отскакивают от поверхностного слоя. Иные, прежде чем вылететь из металла, достигают следующего слоя. Еще какие-то проникают до третьего «блина» и отражаются только после этого. И так далее. Но главное здесь то, что все электроны, отражаемые металлом, ведут себя как волны. Следовательно, есть направления, в которых волны-электроны, отраженные от различных слоев, будут идти «в ногу», и там произойдет усиливающая интерференция. А есть направления, где они будут идти совсем уж «не в ногу», и там случится интерференция ослабевающая. Необходимо только замерить количества электронов, отлетающих от металла в разных направлениях.
Это и сделали Дэвиссон с Джермером в США, а Томсон – в Шотландии. И обнаружили они именно то, что в некоторых направлениях от металла отлетало множество электронов, а в других – просто-таки ни одного. Причем направления, в которых отскакивало много электронов, чередовались с теми, где было совсем пусто. Иначе говоря, возник рисунок интерференции – или, строго говоря, рисунок дифракции, явления, тесно связанного с интерференцией, – и это неопровержимо доказывало, что электроны действительно ведут себя как волны. Ах, какое же это было, надо полагать, удивительное зрелище! Ведь в конце-то концов, одно дело – сидеть в башне из слоновой кости и теоретизировать о существовании чего-то смехотворно абсурдного, о каких-то там волнах материи, как это делал де Бройль, и совсем другое дело – «увидеть», что происходит с электронами: все полагают их крошечными бильярдными шарами, а тут они ведут себя как рябь на поверхности пруда.
Волнам нужен простор
Волны материи, предложенные де Бройлем, должны по идее служить объяснением того, почему электрон не стремится к смерти, уносясь по крутой спирали в атомное ядро. Однако объяснение это вовсе не очевидно. Для того чтобы понять, в чем тут дело, нужно иметь в виду следующее: волне, вся суть которой в том, что она распространяется,требуется простор [25]25
Де Бройль думал, что волны материи – и впрямь волны материи. Но вспомним, что волна, ассоциированная с частицей подобной электрону, гораздо более абстрактна. Это вероятностная волна, которая распространяется в соответствии с уравнением Шрёдингера, и высота этой волны в любом месте – строго говоря, квадрат высоты – определяется шансом,или вероятностью нахождения здесь частицы. (Прим. автора).
[Закрыть]. Электрон – самая легкая из всех известных субатомных частиц – обладает, по всей вероятности, и самой большой ассоциированной с ним волной. Это означает, что именно электрон более всего подвержен влиянию «потусторонних» квантово-волновых эффектов. А также это означает, что ему требуется больше простора, чем любой другой частице. При той скорости, с которой электрон обычно носится внутри атома, ассоциированная с ним волна, по сути, столь же велика, как сам атом. Она, вообще говоря, и определяет размер атома.
Один маленький нюанс. Можно предположить, что раз ядро атома водорода в две тысячи раз больше электрона, то волна атомного ядра по идее должна составлять одну двухтысячную волны электрона. На самом же деле волна, ассоциируемая с ядром атома, меньше волны электрона не в две тысячи, а скорее в сто тысяч раз. Такое расхождение возникает по той причине, что электрон подчиняется электромагнитному взаимодействию, тогда как частицами атомного ядра управляет куда более мощное взаимодействие – оно так и называется: сильное. Чем сильнее взаимодействие, тем быстрее движется частица, а это означает, что импульс ядра больше, чем следовало ожидать, и длина его волны куда меньше, чем одна двухтысячная длины волны электрона, вокруг ядра обращающегося.
Вот почему электроны не уносятся по спирали к ядру: они обладают сравнительно большими ассоциируемыми с ними волнами, а таким волнам нужен простор. Именно по этой причине атомы и существуют на белом свете. Но что же мешает волне электрона ужаться и занять поменьше места? Иными словами, что отталкивает электроны, если они прижимаются слишком близко к своим ядрам? Что отвечает за жесткость и упругость материи? Для того чтобы ответить на эти вопросы, надо снова вообразить электроны частицами и по-другому посмотреть на эксперимент с параллельными прорезями.
Принцип неопределенности Гейзенберга
Вспомним, что, когда фотонами обстреливают непрозрачный экран с двумя узкими параллельными прорезями, на втором экране, расположенном с некоторым интервалом позади первого, появляется рисунок из вертикальных полос. В этом частоколе линии, куда попадает большинство фотонов, перемежаются с участками, которых фотоны старательно избегают. Такой «интерференционный» рисунок обретает смысл только в том случае, если мы допустим: действительно существуют квантовые волны, ассоциированные с фотонами, и эти волны указывают фотонам, куда они должны попасть. Волны, выходящие из одной прорези, накладываются на волны, выходящие из второй прорези; они периодически усиливают или ослабляют друг друга, – вот на втором экране и возникает отчетливый рисунок из фотонов, похожий на зебровую шкуру.
Конечно, в свете догадки де Бройля ясно, что не только частицы света будут интерферировать друг с другом, если палить ими по прорезям в непрозрачном экране. Эксперимент с двумя прорезями даст тот же результат, если вместо фотонов использовать электроны, или сами атомы, или любые другие частицы. Хотя на деле чем массивнее частицы, тем меньше у них длина волны и тем труднее заставить их интерферировать. А если вы сумеете «уговорить» тяжелые частицы, чтобы они это сделали, увидеть зебровый рисунок будет не так-то просто.
Впрочем, какими бы ни были частицы, вспомним: интерференция происходит, если смешиваются две вещи (две волны накладываются друг на друга). Когда по прорезям стреляют одиночными частицами, да еще с большими интервалами, медленное выстраивание интерференционной картины на втором экране говорит о том, что каждая частица проходит сквозь обе прорези одновременно – иначе говоря, что она в один и тот же момент пребывает в двух разных местах [26]26
Другое популярное объяснение заключается в том, что существует бесконечное количество параллельных реальностей, «сброшюрованных» как страницы бесконечной книги. Эта «многомировая интерпретация» предполагает следующее: когда частица находится в суперпозиции, соответствующей пребыванию в двух местах одновременно, на самом деле она пребывает в двух местах не одной и той же реальности; то есть одно «место» – в одной реальности, а второе – в «соседней». С этой точки зрения частица проходит только через одну прорезь в светонепроницаемом экране, но интерферирует она с частицей, которая прошла сквозь другую прорезь в соседней реальности.(Прим. автора).
[Закрыть]. Но что, если мы будем знать точно, через какую из прорезей проходит частица? Ясное дело: если нам это удастся, то интерференционная картина исчезнет, поскольку мы исключим возможность одновременного прохождения частицы через две прорези и смешивания ее с самой собой.
Скажу сразу: если бы интерференционная картина вдруг исчезла, это означало бы, что с частицами материи произошло что-то очень серьезное и тревожное, не говоря уже о том, что сама природа окружающей нас реальности изменилась бы коренным образом. Почему это так, можно понять, если мы вообразим, что именно нужно сделать, дабы определить, через какую прорезь проходит частица. Представим, что мы изменили масштаб эксперимента и теперь вместо фотонов, электронов или других субатомных частиц мы имеет дело с пулеметными пулями, экраном служит толстый стальной лист – допустим, толщиной в два-три сантиметра, – а две вертикальные прорези превратились в две узкие щели, пробитые в этом стальном листе. Сосредоточимся на пулях. Проходя сквозь щели, они рикошетят от стенок, и каждый раз, когда это происходит, стенки щели – а вместе с ними весь стальной лист – испытывают отдачу. Это дает нам возможность определить, через какую щель проходит пуля.
Для простоты картины вообразим, что пули, проходя сквозь щели, отскакивают от стенок и заканчивают свой путь, впиваясь в самый центр интерференционного рисунка. В этом случае мы можем сказать, что если стальной лист испытал отдачу влево, то пуля, должно быть, прошла сквозь левую щель. А если лист испытал отдачу вправо, то пуля, надо полагать, прошла через правую щель. Таким образом, теперь мы знаем, что, если нам не удается определить, сквозь какую щель проходит каждая пуля, на втором экране мы видим зебровый рисунок: полосы, усеянные пулями, перемежаются полосами, куда ни одна пуля так и не попала. А если мы обнаруживаем, сквозь какую щель пролетает каждая пуля – отмечая отдачи стального листа, – зебровый рисунок должен исчезнуть.
Теперь сосредоточимся на полосах. Что с ними должно произойти, чтобы они размылись? Ну как же! Всего-то и необходимо, чтобы пуля, которой суждено угодить именно в «пулевую» полосу, впилась либо в «пулевую» полосу, либо в «не пулевую». Этого достаточно, чтобы пули равномерно усеяли второй экран и зебровый рисунок, размывшись, превратившись в однородную серую поверхность. Вот что здесь имеется в виду: каждая пуля, несясь в воздухе, должна случайным образом хоть немного рыскать из стороны в сторону (ну хорошо, если слово «рыскать» не очень понятно, тогда «подрагивать»), – этого хватит, чтобы ее траектория стала в достаточной степени неопределенной, пуля угодит куда попало,и интерференционный рисунок перестанет существовать. А свое рыскание, или дрожание, пуля может обрести только в том случае, если она будет рикошетить от стенок щели, пробитой в стальном листе.
Иными словами, происходит следующее: уже одна только попытка определить, в какую щель пролетит пуля, наделяет ее тем самым рысканием, которое необходимо, чтобы разрушить интерференционную картину. Это рыскание – не что иное, как мера предосторожности: таким способом природа защищает квантовую теорию. Для того чтобы вести себя как волна, частица должна иметь возможность делать две вещи одновременно – или, сказать по-другому, иметь две возможности делать разные вещи, – так чтобы волны, ассоциируемые с этими неразличимыми, по сути, возможностями, могли накладываться друг на друга, или интерферировать. Если же эти возможности удается различить – путем измерения или наблюдения, что реализовалась скорее одна возможность, а не другая, – тогда уже больше нет неразличимых возможностей, а значит, нет и интерференции. Наше измерение-наблюдение делает нечто такое, что уничтожает возможность интерференции между частицами, а именно: оно наделяет частицы случайным рысканием [27]27
Здесь мы по-прежнему говорим об «акте наблюдения», или взаимодействии пули со стенкой, отчего пуля начинает некоторым образом рыскать из стороны в сторону. Другими словами, мы говорим, что неопределенность не свойственна частице «от рождения», она порождается актом наблюдения. На самом же деле неопределенность именно свойственна частице. Лучшая иллюстрация этого – декогерентность, распад суперпозиционных состояний. (Прим. автора).
[Закрыть].
Уточню – на примере с нашим пулеметом. Уже само обнаружение щели, сквозь которую проходит пуля, – иными словами, точное определение места, где эта пуля находится (вспомним про отдачу стенок щели), – наделяет пулю случайным рысканием и, таким образом, добавляет неопределенности ее скорости (или импульсу, что в данном случае одно и то же). В этом – вся суть! Как установил в 1927 году молодой немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901–1976), существует компромисс: чем больше мы уверены в том, где находится частица, тем меньше мы уверены в величине ее импульса. Обратное тоже справедливо: чем больше мы уверены в том, что знаем импульс частицы, тем меньше уверены в ее местонахождении.
И это фундаментальный принцип. Речь идет в равной степени как о неодолимой неопределенности наших представлений о субатомных частицах, так и о неодолимой непредсказуемости их поведения. В повседневном мире мы точно знаем: вот человек переходит улицу на городском перекрестке и движется он со скоростью три километра в час. В микроскопическом мире мы лишены возможности с уверенностью знать обе эти вещи. Если мы знаем точно одно, это неизбежно означает, что мы остаемся в полном неведении относительно другого. Есть предельный предел – да простят мне эту тавтологию – наших знаний об окружающем мире. Вглядитесь как следует в реальность, и вы не увидите там ничего четко обрисованного. Эта реальность расплывается бессмысленным пятном с неясными очертаниями, подобно фотографии в газете, если рассматривать ее слишком близко.
Вот он – «принцип неопределенности Гейзенберга». Именно этот принцип в конечном итоге объясняет, почему атомы не съеживаются, превращаясь в ничто, и почему земля под нашими ногами твердая. Согласен: тот факт, что электроны представляют собой волны, а волнам необходим простор, – это лишь половина объяснения. Вторая половина обнаружится, стоит лишь поразмышлять, что случится с электроном, если его начнут слишком сильно прижимать к ядру. Это будет означать, что его местоположение станет известным с большой степенью точности. Но, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, чем больше мы уверены в местоположении частицы, тем меньше мы уверены в ее импульсе. Это очень похоже на то, как если бы мы засунули пчелу в спичечный коробок. Встряхните коробок – пчела разозлится и будет с остервенением колотиться о стены своей тюрьмы. Вот электроны в атомах и есть те самые пчелы в коробках. Атомам, по словам поэта Адриана Митчелла, «на месте не сидится, им хочется повсюду пускаться в рок-н-ролл…». Когда мы ступаем по земле, наш вес сжимает атомы, из которых она состоит. Это сжатие заставляет электроны хоть чуть-чуть, но приблизиться к ядрам. А принцип неопределенности Гейзенберга понуждает их воспротивиться и оттолкнуться от ядер.
Вот почему земля твердая, а материя – плотная. Да, в частности, по причине волновой природы электронов. Но также по причине неодолимой неопределенности микроскопического мира и еще потому, что наши знания о фундаментальной реальности имеют «предельный предел». Именно об этом в конечном итоге и говорит нам тот факт, что земля под нашими ногами – твердая.
