о
orm ИЗДАТЕЛЬСТВО ACT МОСКВА


УДК 530
ББК 22.31
К48
Brian Clegg CRACKING QUANTUM PHYSICS
First published in Great Britain in 2017 by Cassell, a division of Octopus Publishing Group Ltd
Carmelite House, 50 Victoria Embankment London EC4Y ODZ www.octopusbooks.co.uk Edited and designed by Whitefox All rights reserved.
Brian Clegg asserts the moral right to be identified as the author of this work. Печатается с разрешения издательства Octopus Publishing Group Ltd.
Все права защищены. Нарушение прав автора, правообладателя, лицензиара влечет привлечение виновных к ответственности
В оформлении книги использованы иллюстрации iStock.com, Shutterstock.com, Geoff Borin, Emilio Segre Visual Archives/American Institute of Physics/Science Photo Library и др.
Клегг, Б.
К48 Взламывая квантовую физику / Брайан Клегг; пер. с англ. Н. Д. Уткин. — Москва : Издательство ACT, 2021. — 304 с. — (Взламывая науку).
ISBN 978-5-17-111910-2
Квантовая физика по праву считается сложной наукой: в ее уравнениях и вправду трудно разобраться. Вместе с тем основные квантовомеханические принципы легко понять. А поняв их, можно разгадать устройство и принцип работы смартфонов, лазеров, телевидения и MPT-сканеров, осмыслить молекулярную биологию, современную генетику и многие другие области знания.
Эта книга — проводник в удивительный мир субатомной физики, который познакомит с основами одной из самых таинственных наук современности.
УДК 530 ББК 22.31
ISBN 978-5-17-111910-2 (рус.)
ISBN 978-1-84403-949-4 (англ.)
© Creativity Unleashed Limited 2017 © Оформление.
ООО «Издательство АСТ», 2021


СОДЕРЖАНИЕ
Введение 6
Раздел 1. Неделимый 9
Природа всего 10
О стихиях 12
Атомисты 14
Тайна света 16
Опыт Юнга 20
Волны эфира 22
Электричество 24
Магнетизм 26
Серебряный молот Максвелла 30
Конец эфира 32
Раздел 2. Внутри атома 35
Элементы Дальтона 36
Электрон 38
Атом Броуна 40
Рождественский пудинг 42
Папиросная бумага Резерфорда 44
Миниатюрная Солнечная система 46
Объясненные элементы 48
Тайна изотопов 50
Нейтроны спешат на помощь 52
Расщепляя атом 54
Цепные реакции 56
Молодое Солнце 58
Фантастическое слияние 60
Раздел 3. Предотвращенная катастрофа 63
Небольшая проблема 64
Фотоэлектрический эффект 70
Радикальное предложение Эйнштейна 72
Бор исправляет атом 74
Квантовый скачок 76
Частица и волна 78
Снова о двух щелях 80
Волны материи 82
Атомные волны 84
3


Раздел 4. Квантовая реальность 87
Матричная механика 88
Уравнение Шрёдингера 90
Сапожник Эйнштейн 96
Принцип неопределенности 98
Тот самый кот 100
В двух местах одновременно? 102
Копенгагенская интерпретация 104
Волна-пилот 106
Декогеренция 108
Другие миры 110
Квантовое туннелирование 112
Быстрее света 114
Раздел 5. Квантовая электродинамика 117
Выручающий принцип Паули 118
Дирак и теория относительности 120
Поля повсюду 126
Квантовая электродинамика 128
Поляризация 136
Путешественники во времени 138
Опережающий и запаздывающий свет 140
Амплитуэдр 142
Раздел б. Запутанная сеть 145
Квантовое вращение 146
Тайна окон 148
Светоделители 150
Задачи Эйнштейна 152
ЭПР 154
Мгновенная передача 162
Квантовое шифрование 164
Квантовая телепортация 168
Квантовый эффект Зенона 170
Раздел 7. Золотой стандарт 173
Антивещество повсюду 174
Ускорители и коллайдеры 176
Частицы из космоса 178
«Зоопарк» частиц 180
Принципы симметрии 182
Великие превращения нейтрино 188
Стандартная модель 190
Почему у частиц есть масса? 192
Суперсимметрия 198
Темная материя 200
4


Раздел 8. Квантовые сюрпризы 205
Природа не терпит пустоты 206
Абсолютный нуль 210
Сверхпроводники 212
Сверхтекучие жидкости 216
Конденсаты Бозе — Эйнштейна 218
Макро- и микромиры 224
Квантовые энзимы 226
Туннелирование ДНК 228
Фотосинтез 230
Ведение голубя 232
Раздел 9. Квантовая жизнь 235
Квантовое повсюду 236
Неожиданно квантовое 238
Трубки Крукса 240
Электроника 242
Радиолампа 244
Полупроводники 246
Транзистор 248
Все в одном 250
Изобретение лазера 252
МРТ-сканеры 260
Летающие поезда 262
Флеш-память 264
Квантовая фотография 266
Джозефсоновские соединения и СКВИДы 268
Квантовая оптика 270
Квантовые точки 272
Кубиты 274
Квантовые компьютеры 276
Раздел 10. Квантовая Вселенная 279
Квантовая теория Вселенной 280
Никаких теорий всего 282
Большой взрыв 284
Черные дыры 286
Квантовая гравитация 288
Гравитационные волны 290
Гравитон 294
Теория струн 296
Другие измерения 298
М-теория 300
Петлевая квантовая гравитация 302


ВВЕДЕНИЕ
Квантовая физика интригует, потому что она содержит в своей основе некоторую тайну. Эта фундаментальная область науки описывает поведение атомов и субатомных частиц, которые составляют материю, заодно и объясняя неуловимое, но важное явление света. Она лежит в основе электричества и магнетизма, как и большинства ключевых открытий XX и XXI вв. В то же время квантовая физика описывает мир, в котором происходят совершенно невероятные события.
Очень просто считать частицы вроде электронов маленькими шариками. Мы знаем наверняка, что произойдет с обычным мячом при броске, если учитывать все особенности места, в котором он находится. Таинственность квантового мира связана именно с отсутствием определенности. К ужасу некоторых из первых создателей квантовой теории, в особенности Альберта Эйнштейна, уравнение, описывающее положение частицы через определенный промежуток времени, имеет дело лишь с вероятностью. Мы не можем точно сказать, где она будет через 10 секунд, — возможно лишь найти вероятность обнаружения ее в различных местах. И до того момента, когда мы на самом деле найдем частицу, есть только вероятность. На квантовом уровне подобная неопределенность имеет место для многих других характеристик объектов.
Сравним эти частицы с нормальным объектом, которым, на первый взгляд, тоже управляет вероятность, например с монетой. Если мы подбрасываем монету, существует шанс 50 на 50 получить в результате «орла» или «решку». Однако после того как монета упала, даже если мы на нее не смотрим, она обращена к нам только одной стороной. В квантовом эквиваленте существует только вероятность 50 на 50 до того момента, когда частица вступит во взаимодействие с миром вокруг нее. Когда корифеи квантовой физики встретились на Сольвеев- ском конгрессе в 1927 г., это явление стало предметом жарких споров между участниками. Одни ученые, например Альберт 6


Эйнштейн и Эрвин Шрёдингер, были убеждены в существовании чего-то, лежащего в основе всех явлений, чего-то, что было в большей степени «реальным» и не зависящим от вероятности. Другие, в число которых входили Нильс Бор и Вернер Гейзенберг, не видели никакой необходимости в такой реальности. И оказалось, что именно Бор и Гейзенберг были правы.
Все обсуждаемое здесь может показаться по-философски изощренным. Но все же мир вокруг нас и вещи в нем ведут себя так, как мы ожидаем, несмотря на то, что они состоят из квантовых частиц. Так важно ли на самом деле то, что происходит на квантовом уровне? Однозначно да! Именно это таинственное поведение объектов микромира дает возможность атомам существовать, а Солнцу — светить, оно же лежит в основе большинства технических средств, которые мы используем сегодня, — от смартфонов до лазеров и магнитно-резонансных томографов.
У квантовой физики есть репутация сложной, и математика, лежащая в ее основе, действительно непроста. Но основные концепции легки для понимания и весьма важны, если мы хотим разобраться в мире вокруг нас, основанном на квантовых явлениях. Перед тем как мы пойдем на решительный шаг, стоит, однако, выяснить, откуда эти концепции пришли. Для этого необходимо обратить взгляд назад и посмотреть, как развивались наши представления о веществе и свете.
В 1927 г. Сольвеевский конгресс собрал вместе всех основателей квантовой физики.
7


ПРИРОДА ВСЕГО
Физика — это сердце науки, основа наших знаний о природе. Это наш путь в описании и понимании того, как работает Вселенная. А значит, физика играла существенную роль в течение всего времени, когда человечество размышляло о науке.
Это относится к каждой культуре, оставившей значительный след в истории человечества, несмотря на сильно отличающиеся стартовые позиции разных культур. Поскольку наша современная научная традиция построена на фундаменте греческой мысли, будет наиболее полезно оглянуться на идеи древних греков, которые привели к развитию современной физики и преобразованию, которое включало в себя и квантовую физику.
Хоть наука Древней Греции в основном уже совсем бесполезна, есть более ценная вещь, которую нам дали древние греки, — новый взгляд на мир.
Фалес (около 624 — 547дон.э.)
Пифагор (около 570 — 490дон.э.)
Платом (около 428 — 347дон.э.)
Аристотель (около 384—
322дон.э.)
10


ТЕОЛОГИЯ И ФИЗИКА
В то время как все, что связано с природой, рассматривалось как творение богов, греческий философ Фалес, родившийся под самый конец VII в. до н. э., и его последователи искали материальные, а не духовные причины. Другой греческий философ, Аристотель, творивший более 200 лет спустя, назвал тех, кто следовал за Фалесом, «физиками» (cpuoiKot), чтобы отличить их от теологов (QeoXdyoi).
Для древних греков физика означала науку о вещах на Земле, включая живых существ, тогда как астрономия была частью математики.
Евклид Архимед
(жил в III в. до и. э.) (около 287 —
212 дон.».)
Эратосфен (276-195 до и. э.)
Гиппарх (190-120 до и. э.)
11


о стихиях
Древнегреческие философы предложили идею того, что материя состоит из элементов. Шел V в. до н. э., когда Эмпедокл первым утверждал, что все состоит из земли, воздуха, огня и воды. Такое представление может показаться банальным, но оно было разработано на основе научного принципа, согласно которому теория должна основываться на наблюдениях. Эмпедокл наблюдал, например, как при сгорании деревянный брусок давал дым, похожий на воздух, извергал огонь, как вытекал сок растения, похожий на воду, и как сгорание кончалось образованием пепла, похожего на землю.
Эта теория была объяснена Аристотелем, добавившим пятый элемент — квинтэссенцию, или эфир, — поскольку он считал, что все находящееся выше орбиты Луны было совершенным и должно быть сделано из чего-то менее мирского, менее приземленного. Четыре элемента были также использованы для того, чтобы объяснить, как работает гравитация.
Подход Аристотеля к гравитации был основан на его идее, что стихии имеют естественное место: если что-то состоит в основном из земли и воды, оно стремится быть в центре Вселенной, тогда как огонь и воздух удаляются от центра (строго говоря, тяжесть была
Эмпедокл, изображенный на гравюре XVII в.
12


стремлением к центру, а легкость — движением от него). Это было одно из самых убедительных доказательств обращения Солнца вокруг Земли, а не наоборот.
Рисунок из трактата Сакробоско (1501), изображающий сферы четырех элементов (из земли состоит самая маленькая из них, она смещена от центра для объяснения существования суши).
Кометы были настоящей проблемой. Несмотря на все внешние признаки, из-за того, что они изменяют свою форму при движении в пространстве, считалось, что они находятся под Луной.
13


АТОМИСТЫ
Хоть представление о четырех стихиях и оставалось признанной теорией строения вещества в течение почти двух тысяч лет, оно у древних греков было не единственным.
Два современника Эмпедокла, Левкипп и его ученик Демокрит, разработали на удивление современную теорию атомов. Она была основана на представлении о том, что если вы берете любую вещь, скажем, кусок сыра, и разрезаете его на кусочки все мельче и мельче, в конечном итоге вы получите такой кусочек, который дальше разрезать будет невозможно. Такие неразрезаемые кусочки они называли атомами (что и означает «неделимый»). Так они разделили все вещество на атомы.
Эти атомы были сделаны из одного и того же материала, но могли иметь множество различных форм, определяющих материал, который эти атомы составляли. Так, например, атомы сыра отличались от атомов воздуха.
Аристотель отвергал атомизм, распространяя теорию четырех стихий. Как мы уже знаем, он добавил пятый элемент — эфир, или квинтэссенцию, — который помог опротестовать принципы атомизма. Если бы все было сделано из атомов, утверждал Аристотель, тогда между этими атомами была бы пустота. Это пустое пространство (или вакуум) казалось Аристотелю невозможным, поскольку вещество естественным об-
Во времена Средневековья атомом также называли наименьшую известную на тот момент единицу измерения времени —1/376 минуты. Вот как говорится о нем в «Облаке неведения», написанном неизвестным монахом в XIV в.:
«Атом, по определению истинных философов, которые разбираются в науке астрономии, является наименьшим промежутком времени. Он настолько маленький, что в принципе является неделимым и практически непостижимым».
14


стихии ПОБЕЖДАЮТ АТОМЫ
Хотя атомистический подход выглядит более близким к современному, чем земля, воздух, огонь и вода, четыре стихии были, пожалуй, более научными, поскольку они могли быть использованы для предсказания поведения объектов. Напротив, каждое вещество имело свои собственные атомы, и поэтому атомистическая теория не давала более полного понимания природы.
разом его заполнило бы, и если бы вакуум действительно существовал, то не было бы никакой причины движущемуся объекту когда-либо останавливаться. Итак, в его модели стихий неподходящих пустот не было.
Согласно древнегреческим атомистам, все сделано из атомов, которые нельзя разделить на что-то более мелкое.
15


ТАИНА СВЕТА
Вещество — физический материал, к которому вы можете прикоснуться, — было относительно простым для описания, тогда как древние цивилизации испытывали больше трудностей в понимании природы света.
Изначально свет рассматривался как механизм зрения, приводящий к некоторой странной путанице: свет изображался как луч, который испускался из глаза. Но сейчас мы знаем, что свет — это нечто намного большее: например, способ переноса энергии от Солнца к Земле, делающий жизнь возможной, или что это невидимая сетка из фотонов, которая дает электромагнетизму возможность работать на расстоянии.
В доисторическую эпоху ярчайшие светила на небе заслуживали особого внимания. Многие культуры рассматривали Солнце и Луну как богов.
Путь Солнца по небу.
16


АРХИТЕКТУРА СВЕТА
Хотя мы можем только догадываться, с какой именно целью использовался Стоунхендж, не вызывает сомнений, что он, вместе с другими древними сооружениями, был выстроен в соответствии с направлениями солнечных лучей в определенные дни года. Хоть сейчас на этом месте отмечают в основном летнее солнцестояние, имеется свидетельство того, что основное соответствие происходит в зимнее солнцестояние, когда световой день начинает увеличиваться, и направление света, идущего от Солнца, говорит о приходящей весне и оживлении природы. Свет не только был связан со зрением, но и приносил надежду.
ОГОНЬ ИЗ ГЛАЗА
Уверенность древних греков в том, что все состоит из четырех элементов, была настолько сильной, что они предполагали, что свет является формой огня. Эмпедокл считал, что этот огонь
17


направлялся из глаз к объектам, которые человек мог видеть. Он верил, что огонь бережно хранился в глазе для предотвращения его контакта с водой и изливался всякий раз, когда глаз открывался.
Если добавить немного логики, кажется очевидным, что такая схема не могла работать, иначе мы могли бы видеть в темноте (не говоря уже о том, что в темноте нет видимого людьми огня). Тем не менее, Солнцу была отведена роль «помощника» глазного огня. Солнце не испускало свет, позволяющий нам видеть, но приводило в действие его путь. Эту странную теорию можно было бы усовершенствовать в долгосрочной перспективе, получив в результате закон прямолинейного распростра-
Согласно древнегреческой теории, для зрения было необходимо, чтобы поток огня из глаза достиг объекта, который стал бы виден.
ВОСТОЧНЫЙ СВЕТ
Благодаря влиянию учений арабских философов в начале XI в. н. э. тот самый «огонь» был «освобожден» от глаза. Более точные арабские научные теории, включая лучшее понимание работы линз и зеркал, доводились до Западной Европы в течение столетий...
18


нения света, однако на протяжении столетий все же считалось, что основную роль в зрении играл глазной огонь.
ВОЛНЫ и КОРПУСКУЛЫ
Через некоторое время ученые поняли, что что-то должно давать возможность свету распространяться от Солнца или пламени до глаза наблюдателя. До работ Исаака Ньютона конца XVII в. существовали две противоположные теории. Ньютон считал, что свет, подобно материи атомистов, состоял из маленьких частиц, которые были названы им корпускулами. Другие ученые, например его нидерландский современник Христиан Гюйгенс, предпочитали идею о том, что свет состоял из волн, как рябь, движущаяся по поверхности воды.
Каждая теория имела свои проблемы. Ньютон, используя корпускулы, испытывал трудности в объяснении преломления лучей света при их прохождении из воздуха сквозь стекло: почему-то одна часть света отражается от стекла, тогда как другая проходит сквозь него. Но это не означало, что у сторонников волновой теории было все просто. Они должны были объяснить, как волны могут проходить через пустое пространство, чтобы свет от Солнца и звезд мог достичь нас. Для корпускул это было просто, тогда как волнам нужна была среда, в которой они могли распространяться. В течение сотен лет между сторонниками этих двух теорий сохранялись разногласия.
Как и у многих других первых ученых Нового времени, у Гюйгенса был широкий круг интересов. Он изучал свет, астрономию, теорию вероятностей, механику—и еще смог найти время для изобретения маятниковых часов.
19


ОПЫТ ЮНГА
Спор между сторонниками двух теорий — корпускулярной и волновой — был разрешен Томасом Юнгом. Ученый родился в 1773 г., был состоятельным доктором, думая обо всем — от упругости материалов до помощи страховым компаниям с выбором страхового взноса. Но его величайшей заслугой стало доказательство того, что свет имеет волновую природу, при помощи установки, которая стала известна как «щели Юнга».
Юнг изучал влияние температуры на образование капелек росы, освещая их свечой. Изображения этих капелек на белом экране содержали цветные кольца, окружающие белый центр. Юнг предположил, что кольца были вызваны волнами света, взаимодействующими друг с другом. Эти наблюдения привели его к проведению опыта с щелями.
20


В 1801 г. Юнг описал, как он создал два узких пучка лучей, идущих от одного и того же источника, и, используя пару узких щелей, заставил их охватить весь лист бумаги.
К тому моменту уже было известно, что волны могут интерферировать друг с другом. Если вы бросите два камня в воду, в некоторых точках водной глади волны от этих камней будут одновременно подниматься, усиливая друг друга и создавая более интенсивную волну. В других точках они будут колебаться в противоположных направлениях и гасить друг друга. Юнг увидел светлые и темные полосы на листе бумаги — световые волны подвергались такому же процессу интерференции.
Юнг был одним из первых, кто смог частично перевести египетское иероглифическое письмо.
В опыте Юнга световые волны, идущие из двух щелей, интерферируют друг с другом, приводя к появлению на экране светлых и темных полос.
21


волны ЭФИРА
Хотя Томас Юнг четко показал, что свет ведет себя как волна, его опыт не объяснил, как свет распространяется от Солнца через космический вакуум.
К этому моменту уже было известно, что звуковые волны не могут пересекать пустое пространство. Когда воздух выкачивался из сосуда со звонком, он затихал. Но по-прежнему было видно, что звонок движется. Должно быть, световые волны представляли собой колебания чего-то другого.
Для объяснения того, как свету удавался этот трюк, ученые того времени совершенствовали старую теорию невидимого эфира, который заполнял все пространство и мог колебаться и образовывать волны света. Эфир был странным материалом — невидимый, не оказывающий никакого сопротивления всему, что через него проходит, в то же время способный переносить свет на миллионы миль от Солнца и звезд.
Волны на море
Колебания световых волн являются поперечными по отношению к направлению их распространения.
Когда волна проходит через материал, чем гибче материал, тем больше энергии теряется — волна угасает быстрее. Тогда получается, что эфир должен быть бесконечно жестким... но по-прежнему позволяющим волне распространяться через него.
22


Когда воздух из сосуда выкачан, звонок, находящийся внутри него, больше нельзя услышать.
ТАИНСТВЕННЫЙ ЭФИР
Оказалось, что у эфира имеется одна отличительная особенность. В XIX в. такое свойство света, как поляризация (см. главу «Поляризация» в части 5), показало, что свет является поперечной волной, как рябь на море, в отличие от волны сжатия- разрежения, распространяющейся как звук, посредством периодического возмущения и возврата к первоначальной плотности среды в направлении распространения этой волны. Поперечные волны распространяются лишь по границе материала, но они как-то должны проникнуть через эфир. Несмотря на эту непонятность, если бы свет был волной, для него бы обязательно требовалась среда, в которой он мог бы распространяться, и эфир делал это возможным.
23


ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Тот мир, который окружает нас каждый день, в основном составляют вещество и свет, однако во Вселенной имеется и другой вид материи — электричество. Люди познакомились с ним уже довольно давно на таких примерах, как вспышка молнии, сопровождаемая громом, или неприятный удар током от электрической рыбы.
Раскрытие истинной природы электричества должно было ожидать обнаружения составных частей атома, но уже начиная с 1600-х гг. возрастало понимание электричества как чего-то отличающегося от действия магнита.
Слово «натурфилософ» было распространено для обозначения работников науки до конца XIX в. Термин «ученый» был образован по аналогии с термином «художник» в 1833 г., но потребовались десятилетия, прежде чем он стал общепринятым.
Типичный разряд молнии несет столько же энергии, сколько дает за секунды средняя электростанция.
24


ПРИТЯЖЕНИЯ ЯНТАРЯ
Фалес, один из первых философов Древней Греции, обратил внимание на одно часто наблюдаемое явление: если натереть некоторые материалы, особенно янтарь, они начинали притягивать к себе маленькие предметы. Это был первый пример влияния электрического поля.
Вследствие этого оно нуждалось в отдельном названии, и английский натурфилософ Уильям Гильберт придумал название «электричество» на основе древнегреческого слова, обозначающего янтарь, — «электрон» (^Лектроу) — с использованием позднелатинского слова «электрикус» (electricus), что означает «похожий на янтарь». В отсутствие понимания, что же происходит на самом деле, электричество использовали все больше и больше, сначала в демонстрациях, таких как «электрический мальчик», который был подвешен на шелковых канатах и передавал электрический заряд стоящему рядом, а потом и в исследованиях ученого Майкла Фарадея, чьи опыты привели к разработке электромотора.
Пропускание тока через «электрического мальчика» было популярным экспериментом XVIII в. для развлечения народа.
25


МАГНЕТИЗМ
Как и электричество, магниты были знакомы людям с древних времен. Камешки из магнитного железняка
встречались в природе и позволяли передвигать легкие кусочки некоторых металлов без прикосновения к ним.
Из-за этой странной силы магниты были предметом старейших научных исследований. Самым ранним дошедшим до нас трудом, посвященным им, является работа Пьера де Марикура «Послание о магните», написанная в 1269 г.
Гильберт использовал намагниченные металлические шары как модели земного магнетизма. Он называл их «терреллами» — «маленькими Землями».
Гильберт демонстрирует магнитные явления королеве Елизавете I. Рисунок из «Истории наций» Хатчинсона, написанной в 20-е гг. XX в.
26


ЗЕМЛЯ КАК МАГНИТ
Гильберт был первым, кто изучил практические проявления свойств Земли как гигантского магнита. Не все его идеи оказались верными — так, например, он думал, что гравитация была результатом магнетизма, — тем не менее, его подход был одним из ранних тщательных исследований явления природы. Используя сферические магниты, Гильберт изучал различные странности компасов, начиная с поведения магнитных стрелок и заканчивая изменениями в положении Северного полюса, выведенного из опытов.
Магнитное поле Земли, простирающееся далеко за пределы ее поверхности, заставляет стрелки компасов указывать на полюс.
В 1600 г. тот самый Уильям Гильберт, который дал название электричеству, опубликовал оказавшую весьма большое влияние книгу «О магните» (De magnete). Несмотря на то что примитивные магнитные компасы использовались уже на протяжении многих столетий, причина их работы по-прежнему оставалась загадкой. Самым лучшим объяснением в то время было то, что магниты якобы как-то притягивались Полярной звездой или странным островом на крайнем севере Земли.
Говорят, Гильберт на свои эксперименты потратил огромную сумму — 2,5 тыс. фунтов. В пересчете на современные деньги это составляет около 500 тыс. фунтов (более 40 млн. рублей).
27


МАГИЧЕСКАЯ ЖИДКОСТЬ МЕСМЕРА
К концу XVIII в. ученые были в шаге от понимания истинной природы электричества и магнетизма. Многие из них, однако, по-прежнему ассоциировали эти кажущиеся волшебными явления с некоторым мистицизмом, обеспечивая самые подходящие условия для теорий немецкого врача Франца Месмера.
Работая в 70-е гг. XVIII в., Месмер первым пытался вылечить пациентку, предложив ей принять суспензию железа и пытаясь повлиять на ее течение в теле с помощью магнитов. Но потом первоначальный метод был заменен более захватывающей теорией животного магнетизма.
Месмер утверждал, что в теле имеется природная магнитная жидкость, и что другие люди имеют возможность управлять этой жидкостью (предположительно, это результат их магнетических способностей). Предполагалось, что управление животным магнетизмом, часто называемым месмеризмом, будет лечить от болезней. Пациенты, которых лечили данным способом, рассказывали об ощущении теплоты в их телах, впадали Немецкий доктор
Франц Месмер разработал концепцию
в транс и испытывали приступы.
Кажется, что Месмер и его последователи приводили людей в состояние внушения подобно тому, как это делается при гипнозе — но, к несчастью пациентов, никакой магнетизм не был вовлечен в этот процесс, каки... никакое лечение.
животного магнетизма.
28


Месмерист воздействует на животный магнетизм женщины, вызывая конвульсии.
Идеи Месмера были исследованы французской Королевской комиссией, в которую входил несчастный Жозеф Игнас Гильотен, чьим именем стали называть орудие казни, которое он как раз не изобретал. Комиссия постановила, что месмеризм был лишь плодом воображения, но ее доклад мало поспособствовал прекращению данной практики.


СЕРЕБРЯНЫЙ МОЛОТ
МАКСВЕЛЛА
На период правления королевы Виктории пришлась эпоха чеканки нового термина, которому суждено было заменить прежнее понятие «натуральный философ». В качестве замены рассматривались разные слова, например «ученый муж» или «савант», но в конце концов победу одержал «ученый».
Существует вероятность, что первоначальная причина этого изменения заключалась в неприязни философов к чему-либо, имеющему такой же практический характер, как наука. Данное изменение также отражало развитие профессии ученого, которая застала трансформацию понимания электричества и магнетизма, произведенную Майклом Фарадеем.
Объединение двух явлений в электромагнетизм было торжествующе достигнуто шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом. Фарадей и его партнеры показали, как электричество может породить магнитное поле, а магнитное поле — электричество, а Максвелл, в свою очередь, создал
30


теорию, в которой эти два явления были хорошо связаны воедино.
Он предсказал, что появится возможность создавать само- поддерживающуюся электромагнитную волну, но распространяющуюся только с определенной скоростью — скоростью света. Его математический анализ данного явления показал, что свет может распространяться как электромагнитная волна, и что такие волны могут иметь различные частоты, которые могут находиться и за пределами видимого спектра.
ПРИЕМ РАДИОСИГНАЛОВ
Через 32 года после того, как Максвелл опубликовал свою эпохальную статью (в 1864 г.), немецкий физик Генрих Герц впервые вызвал электромагнитные волны, позже ставшие известными под названием радиоволны. Экспериментальное оборудование Герца было простым — искровой разряд, прыгающий в щели между двумя проводами, вызывал колебания тока в них, но этого было достаточно для того, чтобы получить такую же искру в приемнике, находящемся на другом конце комнаты. Теория и уравнения Максвелла сделали возможным понимание природы света.
Электромагнитный спектр.
31


КОНЕЦ ЭФИРА
Идея Максвелла о свете как электромагнитной волне не избавляла от необходимости в наличии эфира. Его теория была основана на механической модели эфира, и он не мог от нее отказаться. Другие ученые были смелее.
Последней каплей в вопросе о наличии эфира стал опыт, изначально задуманный для доказательства его существования американскими физиками Альбертом Майкельсоном и Дэвидом Морли. В этом опыте использовалось вращение Земли. К 1887 г. они поставили большую каменную плиту в ванну, наполненную ртутью, где она плавала так, чтобы плита плавно вращалась, совершая полный оборот примерно за шесть минут. Над плитой свет разделялся на два луча, образующих прямой угол. Предполагалось, что движение Земли через эфир будет производить «ветер», который будет изменять характер движения света в луче. А сама плита в процессе своего вращения должна была направлять два луча под изменяющимися углами по отношению к направлению ветра, в результате чего свет будет распространяться вдоль лучей с изменяющейся скоростью. Когда лучи в конечном счете встретятся, это, в свою очередь, даст изменение относительного смещения гребней электромагнитных волн. Но ничего подобного на самом деле не случилось.
32


ПОЛЯ ПОБЕЖДАЮТ ЭФИР
Более смелые физики подхватили идею Фарадея об электрических и магнитных полях. Фарадей описал поле как что-то имеющее величины со значениями, меняющимися вдоль некоторых контуров в пространстве (как контуры на карте). Они доказывали, что свет не нуждался в эфире — тем, что свет является волной в самих полях.
Фарадей разработал концепцию электрических и магнитных полей, наглядно демонстрируемую влиянием магнита на железные опилки.
33


РАЗДЕЛ 2


ЭЛЕМЕНТЫ ДАЛЬТОНА
Левкипп и Демокрит предложили идею атома, но эти маленькие неделимые частицы долгое время не были интересны науке. Только в начале XIX в. английский химик Джон Дальтон разработал новую теорию атома, которая хоть и не могла объяснить все наблюдаемые явления, но все же предваряла новые возможности в объяснении объединения атомов и образования химических веществ.
Дальтон обратился к древнегреческой идее атомов, но его вариант этой идеи объединял атомизм с элементами, Гравюра с Джоном Дальто- тРеб*я только небольшое число «кир-
ном, на которой ему за 60. пичиков», а не отдельный тип атомов для каждого вида вещества. Если Эмпедокл использовал четыре элемента, то Дальтон определял более широкий набор веществ, таких как водород, углерод и кислород, в качестве соответствующих «строительных кирпичиков» материи. Эти атомы объединялись в комбинации с простыми соотношениями разных атомов для того, чтобы получились более сложные вещества — например, два атома водорода и один атом кислорода составляли молекулу воды.
Дальтон разработал свою теорию, не имея университетского образования. Будучи квакером (членом протестантского христианского движения, последователи которого считают, что Бог пребывает в сердце каждого человека. — Прим, пер.), он не поступил в университеты Англии, которые в то время принимали лишь последователей англиканской церкви.
36


В «Новой системе химической философии», опубликованной в 1808 г., Дальтон определил некоторые атомы и молекулы.
ВДОХНОВЕНИЕ АТОМАМИ
Не ясно, как именно Дальтон пришел к своей идее. Он мог это сделать вследствие наблюдений за физическим поведением газов при их взаимодействии друг с другом или за тем, как разные простые вещества объединялись в сложные с простыми отношениями атомных масс.
Хоть Дальтон не имел никакого представления о том, чем был атом на самом деле (и многие из его последователей полагали, что атом был не более чем простой моделью, а не реальным объектом), ему удалось определить относительные атомные массы ряда атомов, начиная с самого легкого, водорода, которому была приписана масса, равная 1.
37


ЭЛЕКТРОН
Дж. Дж. Томсон стал профессором Лаборатории Кавендиша Кембриджского университета в 1884 г.
Хоть Дальтон не сомневался, что атомы, как было установлено древними греками, неделимы, наблюдалось нечто, казавшееся даже легче атома. Несколько ученых выдвинули предположение, что электрический заряд состоял из некоторых электрических аналогов атомов, и в 1894 г. ирландский физик Джордж Стони предложил называть «атом электричества» электроном.
Параллельно другие ученые работали над катодными лучами — пучками, испускаемыми заряженными пластинами внутри стеклянных трубок, в которых почти не было воздуха. Британский физик Уильям Крукс обнаружил, что эти пучки состоят из отрицательно заряженного ве¬
щества.
Поистине прорывное научное открытие было сделано в 1897 г., когда другой британский физик Джозеф Джон Томсон (общеизвестный по инициалам Дж. Дж.) установил, что катодные лучи представляли собой поток отдельных частиц с одинаковыми массами и зарядами. Имея массу, составляющую примерно 1/1000 массы атома водорода, они казались крохотными. Не было ясно, что именно эти странные субатомы собой представляли, но термин «электрон», присвоенный частице, которая была быстро опознана как носитель заряда, вошел во всеобщее употребление.
38


В классическом эксперименте с катодными лучами
пучок направлен на иииро
кий конец трубки (слева на рисунке), за исключением
тех участков, для которых лучи блокируются металлическим крестом.
«Труба Крукса» с пучком катодных лучей, управляемых магнитами, была прародителем всех телевизоров и мониторов компьютеров до того, как их сменили жидкокристаллические дисплеи и плазменные плоские экраны.
электронная пушка (катод-)
сетка (анод+)
пластинки/катушки для отклонения пучка в горизонтальном направлении
пучок электроно!
пластинки/катушки для отклонения пучка в вертикальном направлении
флуоресцентный (светящийся) слой, покрывающий экран изнутри
Традиционный кинескоп телевизора, в основе которого лежит действие электронной пушки.
39


АТОМ БРОУНА
Удивительно, что даже в 1905 г. ученые думали, что никаких атомов нет. Атомная теория их удовлетворяла, но они думали, что она всего-навсего отражает характер взаимодействия элементов, для которого не нужны были реальные физические объекты, которые мы называем атомами.
Работа, которая убедила многих в существовании атома, была проведена не уважаемым академиком, а экспертом патентного бюро Швейцарии, которого звали Альберт Эйнштейн. Он написал кандидатскую диссертацию по поведению молекул сахара в растворе, которые, казалось, поддерживали идею, что существуют реальные мельчайшие частицы. Но перед тем, как эта диссертация была принята, он написал статью по броуновскому движению.
Броуновское движение описывает путь таких маленьких частиц, как зерна пыльцы: они будто «танцуют», пребывая во взвешенном состоянии в воде. Эйнштейн показал, что зерна двигаются по такому пути вследствие столкновений с отдельными молекулами воды.
Эйнштейн написал ряд замечательных статей в 1905 г., за одну из которых он получит Нобелевскую премию в 1921 г., но должность академика он не получал вплоть до 1908 г.
Хоть мы часто видим фотографии Эйнштейна с седыми волосами, в знаковый 1905 г. ему было всего 26 лет.
40


ВСЕ ДЕЛО В ЧИСЛАХ
Эйнштейн разработал математическое описание броуновского движения, для того чтобы показать, что, как и следовало ожидать, вода на самом деле состоит из отдельных мельчайших частиц. Хоть он ничего, связанное с атомами, так и четко не установил, его работа была использована в качестве веского доказательства того, что атомная теория — это не только полезная модель.
В результате повторяющихся столкновений с молекулами воды с помощью броуновского движения можно проследить, как видимая частица совершает последовательные, на первый взгляд случайные смещения.
Эйнштейн объяснил движение взвешенной пыльцы, которая видна на этом снимке благодаря сканирующему электронному микроскопу.
41


РОЖДЕСТВЕНСКИМ
ПУДИНГ
Дж. Дж. Томсон, физик Кембриджского университета, который установил существование электрона, предложил такую модель атома, которая сегодня показалась бы очень странной. Он назвал ее «сливовый пудинг», сравнивая ее с популярным десертом.
В этой модели атом был сделан из положительно заряженного «теста», образующего «пудинг» с электронами, которые были разбросаны по нему, как сливы.
Видимо, из-за того, что до этого очень легкий положительно заряженный аналог электрона не наблюдался, Томсон предположил, что положительно заряженная среда — «тесто» — не имела массы и что электроны-«сливы» составляли всю массу атома.
Томсон писал в «Философском журнале» в 1904 г., что «атомы элементов состоят из набора отрицательно заряженных корпускул, заключенных в шаре с равномерно распределенным положительным зарядом». Несмотря на то, что его открытие назвали электроном еще 10 лет назад, Томсон предпочитал использовать термин «корпускула» — обычное название для частиц со времен Ньютона. Не ясно было, как именно вели себя электроны внутри
В рождественском, или сливовом, пудинге изюминки разбросаны по тесту.
42


В модели Томсона отрицательно заряженные электроны (он их называл корпускулами) были рассеяны по положительно заряженной среде атома.
Сливовый пудинг — это то, что мы сейчас бы назвали рождественским пудингом. «Сливы» — на самом деле никакие не сливы, а изюминки.
«пудинга». Хоть они обычно изображались неподвижными, в большинстве описаний они обращались по окружностям — даже при наличии доказательств того, что этой структуре было бы сложно поддерживать устойчивое состояние.
СЧЕТ СЛИВ
Поскольку Томсон уже показал, что атом водорода, самый легкий из атомов, был как минимум в тысячу раз тяжелее электрона, то ученый предположил, что этот атом имеет по меньшей мере тысячу электронов (согласно современным значениям относительных масс электрона и атома водорода, атом имел бы 1837 электронов). Такое предположение значительно отличается от реальности: на самом деле атом водорода содержит один-единственный электрон.
43


ПАПИРОСНАЯ БУМАГА
РЕЗЕРФОРДА
Пока Томсон разрабатывал свою теорию в Кембриджском университете, работавший в Манчестере новозеландский физик Эрнст Резерфорд и его группа проводили эксперименты по исследованию альфа-частиц. Это были положительно заряженные частицы, испущенные радиоактивными веществами, слишком тяжелые для того, чтобы присутствовать в составе атома водорода.
Резерфорд вместе с Хансом Гейгером и Эрнестом Марсденом запускали пучок альфа-частиц на тонкую золотую фольгу. Траектории частиц были вычислены с помощью установки экранов вокруг фольги, на которых загорались маленькие вспышки, когда частицы врезались в эти экраны. Наблюдатель должен был сидеть в темноте и вглядываться в экраны, чтобы точно определить направление полета частицы.
Резерфорд и Гейгер (слева) в лаборатории в Манчестере.
44


Научная группа ожидала, что некоторые альфа-частицы будут слабо отклоняться, так как они взаимодействовали с рассеянным положительным зарядом «сливового пудинга» — и они действительно так слабо отклонялись. Но, к всеобщему удивлению, другие альфа-частицы отражались от фольги точно назад. Резерфорд понял, что, должно быть, атомы золота тоже имеют маленький сконцентрированный положительный заряд, чтобы заставлять тяжелые положительные альфа-частицы отскакивать.
Лаборатория Резерфорда в Манчестере была оборудована по последнему слову техники. Построенная для особых целей в 1900 г., она имела вентиляционную систему, которая забирала воздух снаружи и пропускала его через емкости с маслом, чтобы очистить его от частиц копоти.
ОТСКАКИВАЮЩИЕ СНАРЯДЫ
Резерфорд отметил, что отражение частиц было подобно стрельбе артиллерийскими снарядами по куску папиросной бумаги, от которого они отталкивались назад.
Если бы модель «сливового пудинга» Томсона была бы верной, альфа- частицы проходили бы сквозь атом прямолинейно, поскольку положительный заряд был бы слишком разреженным, чтобы их отталкивать. Но на самом деле некоторые частицы отражались назад.
45


МИНИАТЮРНАЯ
СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА
Даже Международное агентство по атомной энергии, являющееся структурной единицей ООН, использует на своем флаге неправильную планетарную модель (модель атома как Солнечной системы).
В модели атома, выведенной из открытий Резерфорда, было кое-что очень привлекательное. В самом «сердце» атома было тяжелое, положительно заряженное ядро, вокруг которого и обращались маленькие электроны. Казалось, атом был фактически крошечной Солнечной системой с ядром, выступающим в качестве Солнца, и электронами, играющими роли планет.
Этот образ, с его приятной астрономической аналогией, стал доминирующим визуальным представлением атомной структуры хотя бы потому, что он простой и впечатляющий. Даже официальные научные учреждения, такие как Международное агентство по атомной энергии, используют его. К сожалению, ни один из физиков не может серьезно рассматривать его в качестве модели атома.
Неприятность состоит в том, что все, что движется по орбите, ускоряется (ускорение — это изменение либо скорости, либо направления движения). А электрон, движущийся с ускорением, теряет энергию в форме света. Так, если бы планетарная модель (модель Солнечной системы) была верной, то любой атом сжался бы, поскольку его электроны потеряли бы энергию и упали бы на ядро.
Все виды структур были испробованы для попытки придать атому устойчивость. Какое-то время казалось, что электроны могут стоять на одном месте, поддерживаясь отталкиванием друг от друга, как в кристалле, только атомных размеров. Это
46


Казалось вполне естественным, что атом может иметь структуру, похожую на Солнечную систему.
Резерфорд заимствовал название «ядро» из биологии, где оно уже было использовано для центральной «фабрики» в структуре сложной клетки.
означало бы отсутствие ускорения, но, к сожалению, механический анализ с наблюдаемым числом электронов показал, что они не имеют устойчивой неподвижной конфигурации. Даже без проблемы излучения энергии казалось, что невозможно стабилизировать электроны, движущиеся по орбитам. Для того чтобы решить эту задачу, нужно было вдохновение молодого датского физика Нильса Бора (см. с. 74).
В простой планетарной модели (модели Солнечной системы) электроны обращаются вокруг положительно заряженного ядра.
На самом деле атом, похожий на Солнечную систему, сжался бы из-за того, что ускоряющиеся электроны
излучали бы свет, теряли энергию и приближались по спирали к ядру.
47


ОБЪЯСНЕННЫЕ
ЭЛЕМЕНТЫ
Хоть для исправления в те времена планетарной модели (модели Солнечной системы) понадобится квантовая физика, эти новые представления об атомной структуре окажутся весьма ценными для более широкого понимания природы — и даже для разгадки тайны возраста Солнца.
Если мы думаем об атоме как о своеобразной Солнечной системе с электронами, обращающимися вокруг центра, словно планеты, то тогда у нас будет простое объяснение поведения химических элементов. Русский ученый Дмитрий Менделеев при разработке Периодической системы обнаружил, что элементы образуют группы со сходным химическим поведением. Как только ученые стали лучше разбираться в атомной структуре, они поняли, что сходное поведение имеют те атомы, у которых одинаковое число электронов на их внешних орбиталях.
В Периодической системе элементы, располагающиеся на одном столбце, имеют одинаковые свойства. Также доказано, что они имеют одинаковое число электронов на внешней орбитали.
48


Идея электронов, расположенных на орбиталях (конечно, в ее более сложном виде, где каждая орбиталь имеет предел на число электронов, которые могут на ней находиться; см. с. 52) делает возможным объяснение отличий разных химических элементов друг от друга.
ХИМИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Идея того, что химические характеристики зависят от числа электронов на внешней орбитали, показала, почему элементы с заполненными внешними орбиталями, такие как благородные газы, почти совсем не вступают в реакции. Она также объяснила, что способность угля образовывать сложные структуры, нужные для жизни, связана с его внешней орбитой — полупустой и потому способной к реакциям.
Неон имеет на внешней орбитали восемь электронов — это максимально возможное число электронов на этой орбитали, что усложняет вступление атома в реакцию. Углерод, у которого на внешней орбитали четыре электрона и четыре свободных места, легко вступает в реакции, участвуя в создании сложных структур, требуемых для органических соединений.
Менделеев предсказал существование ряда элементов, которые до сих пор не были открыты — в таблице остались пустые места. Он назвал их подобно элементам, располагающимся над ними, — например экасилиций, который впоследствии был назван германием.
Дмитрий Менделеев, разработавший Периодическую систему элементов.
49


ТАИНА ИЗОТОПОВ
Когда Дальтон впервые вычислил относительные массы атомов, многие из них были связаны простыми соотношениями (т. е. относились друг к другу как небольшие целые числа. — Прим, пер.), что указывало на структуру, состоящую из фундаментальных блоков. Азот, к примеру, имел массу, превышающую массу водорода в пять раз (на самом деле азот тяжелее водорода в 14 раз, все значения масс у Дальтона были неправильными из-за неточности оборудования).
Его первый список от 1803 г. включал только пять химических элементов — водород, кислород, азот, углерод и серу, — однако через пять лет элементов было уже 20. Позже поняли, что ядро атома содержало положительно заряженные частицы — протоны. Поскольку они объясняли большую часть массы атома, стало ясно, почему относительные атомные массы при переходе от одного атома к другому увеличивались как целые числа. Но у некоторых элементов были странные дробные массы — например, масса хлора больше массы водорода в 35,45 раза.
Другая странность дала этому объяснение. Английский химик Фредерик Содди, изучавший радиоактивность вместе с Резерфордом, обнаружил, что в радиоактивные процессы было вовлечено число атомов, слишком большое, чтобы поместиться в таблицу Менделеева. Он предположил, что в природе существуют такие элементы, атомы которых могут иметь различные варианты относительных атомных масс и радиоактивное поведение, но по химическим свойствам они эквивалентны друг другу. Подруга Содди, шотландский доктор и писатель
СРЕДНЯЯ МАССА
Существование изотопов объяснило странное дробное значение относительной атомной массы хлора: элемент имел изотопы с относительными атомными массами от 35 до 37. В среднем они давали 35,45.
50


Резерфорд и Содди использовали знание радиоактивного распада для разработки идеи датировки объектов по состоянию их радиоактивных составляющих, которая чаще всего используется в радиоуглеродном методе.
Примеры относительной встречаемости изотопов в опытных образцах, содержащих химические элементы.
Маргарет Тодд предложила называть эти варианты атомов элементов изотопами — этот греческий термин означает «на одном и том же месте». Но несмотря на то, что существование этих разных вариантов атомов одного и того же элемента было установлено, причина различия относительных атомных масс по-прежнему оставалась загадкой.
Почтовая марка 1981 г., напечатанная в Швеции, с изображением Фредерика Содди, лауреата Нобелевской премии. В 1921 г. Нобелевская премия была присуждена ему, в частности, за «исследование происхождения и природы изотопов».
51


НЕЙТРОНЫ
СПЕШАТ НА ПОМОЩЬ
Существование изотопов помогло объяснить некоторые особенности значений относительных атомных масс, но при этом казалось, что они создавали беспорядок в четкой структуре Периодической системы.
Как расположить различные варианты одного и того же химического элемента, если элементу нужно иметь фиксированное число протонов в ядре, чтобы поддерживать правильный баланс протонов и электронов, вырабатывая ожидаемое химическое поведение?
Ответ заключается в наличии нейтральных частиц в ядре, составляющих дополнительную массу. Хоть существование этих частиц, названных нейтронами, было впервые теоретически предсказано еще Резерфордом в 1920 г., попытки объяснить их как протоны, сцепленные с электронами, потерпели неудачу. Незаряженные частицы с такой же массой, как у протонов, были открыты только в 1932 г. благодаря английскому физику Джеймсу Чедвику. Нейтроны стали пониматься как полноправ-
Открытие нейтронов показало, что ядро представляет собой комбинацию положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов.
52


ПАРЫ РЕЗЕРФОРДА
Резерфорд полагал, что нейтральные частицы были жестко связанными протон-электронными парами, потому что в некоторых радиоактивных процессах ядро испускало электрон, обычно называемый бета-частицей.
ные самостоятельные частицы, встречающиеся в ядре и объясняющие различие относительных атомных масс у изотопов одного и того же химического элемента.
Чедвик был вдохновлен новым типом излучения, которое наблюдалось в экспериментах, проведенных в Германии и Франции. Как и гамма-лучи (которые оказались фотонами высоких энергий), новое излучение не реагировало на электрический заряд. Работая в Лаборатории Кавендиша в Кембридже, Чедвик направил лучи нового типа на парафин — хороший источник протонов. Излучение выбивало протоны из парафина с энергиями, которые указывали на то, что излучение представляло собой поток нейтрально заряженных частиц с такими же массами, как и у протонов.
Джеймс Чедвик был удостоен Нобелевской премии в 1935 г. за открытие нейтрона.
Нейтроны Чедвика получались в результате «бомбардировки» альфа-частицами таких элементов, как литий и бор.
53


РАСЩЕПЛЯЯ ATOM
Лиза Мейтнер была номинирована на Нобелевскую премию вместе с Отто Ганом, но не была ее удостоена. Можно только гадать, почему именно это произошло, поскольку со стороны Нобелевского комитета не последовало никаких объяснений.
Когда древние греки разработали концепцию атома, его расщепление было немыслимым — атомы получались тогда, когда становилось невозможным делить материю дальше. Однако в начале XX в. Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди показали, что радиоактивность, спонтанное испускание энергии из вещества, была процессом, в котором атомы самопроизвольно раскалывались.
То, что сперва описывалось как «альфа-излучение», а потом стало называться «альфа-частицами», оказалось положительно заряженными ядрами атома гелия, испускаемыми распадающимся ядром радиоактивного элемента. Когда, например, ядро радия распадалось с образованием ядра свинца, оно проходило через серию стадий, давая ядра различных химических элементов оттого, что все больше и больше осколков исходного ядра отделялось от него в так называемой цепочке распадов.
Открытие нейтрона привело к кое-чему еще более впечатляю-
Влетающий нейтрон приводит к образованию нестабильного изотопа урана, который расщепляется на два более легких ядра и три свободных нейтрона.
54


Отто Ган стал лауреатом Нобелевской премии по химии в 1944 г. за открытие деления тяжелых ядер.
щему. Немецкий физик Отто Ган, работая вместе с австрийским ученым Лизой Мейтнер, «обстреливал» нейтронами ядро тяжелого элемента урана, надеясь, что нейтроны «застрянут», образовав таким образом еще более тяжелое ядро. Вместо этого к 1938 г., незадолго до того как Мейтнер уехала, чтобы спастись от преследования евреев фашистами, они обнаружили, что им удалось расщепить уран на ядра двух более легких элементов, бария и криптона, в процессе, который позже станет известен как процесс деления ядра. В следующем году Мейтнер объяснила этот процесс теоретически.
Деление было открыто с помощью установки, разработанной Ганом вместе с его ассистентом Фрицем Штрассманом.
55


ЦЕПНЫЕ РЕАКЦИИ
Лео Силард был соавтором письма Альберта Эйнштейна, убеждающего американского президента Франка Делано Рузвельта разработать бомбу, основанную на цепной ядерной реакции, прежде чем это смог бы сделать Гитлер.
Факт возможности деления ядер, конечно, впечатлял, но именно результат этого процесса придал ему новое значение и важность. Несколько лет спустя венгерский физик Лео Силард размышлял о том, что, как ранее заметил Резерфорд, количество энергии, высвобождающейся при расщеплении атома, представляет собой бедный запас, и тот, кто думает, что она принесет какую-то ощутимую пользу, много фантазирует.
Позднее Силард рассказывал: «Внезапно мне представилось, что если бы мы могли найти такой элемент, который способен расщепиться под нейтронной "бомбардировкой" и при поглощении одного нейтрона испустить два других..., это позволило бы поддерживать цепную ядерную реакцию». Хоть никто так и не смог добиться успеха в осуществлении деления ядер, Силард предложил вариант его использования.
Если более чем один нейтрон, испущенный при распаде урана, сталкивается с другими ядрами урана, являясь причиной их распада, тогда «бедный запас» Ре-
ОЖИДАЯ ЗЕЛЕНЫЙ СВЕТ
Силард рассказывал, что идея о цепной реакции посетила его, когда он был в Лондоне и стоял на площади Расселл Скуэйр, ожидая, когда сменится сигнал светофора, чтобы он мог перейти дорогу.
56


В контролируемой цепной реакции количество нейтронов поддерживается на постоянном уровне поглощением избыточных нейтронов с использованием материалов, которые содержат бор, легко поглощающий нейтроны.
Стремясь убедить Резерфорда в своей правоте, Силард описал свою идею, используя альфа-частицы Резерфорда, а не нейтроны. Резерфорд знал, что это бы не сработало (и был раздражен, что Силард запатентовал его идею), и проигнорировал его.
зерфорда вырастет во впечатляющее количество энергии. Ган и Мейтнер вскоре поняли, что контролируемое деление ядер может дать устойчивый и мощный поток энергии от небольшого количества топлива. А если предоставить эту энергию самой себе, то она может превратиться в разрушающую бомбу.
57


МОЛОДОЕ СОЛНЦЕ
Деление атомных ядер, может быть, и дало новый и, вероятно, пугающий источник энергии, но у него уже был конкурент — источник энергии Солнца.
В течение веков люди пытались догадаться, каким образом Солнце может так долго продолжать изливать такое огромное количество энергии. Как эволюционная теория Дарвина требовала больших масштабов времени для эволюции видов, так и геологические свидетельства указывали на то, что Земля существует сотни миллионов лет, а существование Земли без Солнца было немыслимо.
Солнце похоже на огонь в небесах — но что там горит? Выдающийся физик XIX в. Уильям Томсон, лорд Кельвин, высказал предположение, что тепло Солнца было результатом сжатия огромного количества атомов в нем, которые удерживались гравитацией, подобно тому, как велосипедный насос нагревается при сжатии воздуха. Но это дало бы Солнцу только 30 млн лет жизни.
Фамилия Кельвина стала навсегда связана с температурой после того, как ею назвали температурную шкалу, которую используют ученые. Она начинается с абсолютного нуля (-273 °C), а один градус Кельвина равен одному градусу Цельсия.
58


В труде «О происхождении видов» Дарвин наглядно показал, что для эволюции организмов в их современное состояние потребовались миллионы лет. Мы сейчас знаем, что, например, галлюцигении (вид ископаемых беспозвоночных. — Прим, пер.) процветали 500 млн лет назад.
СОЛНЦЕ ИЗ ИСКОПАЕМОГО ТОПЛИВА
Ранее Кельвин вычислил время жизни огненного шара из угля размером с Солнце. В то время уголь был лучшим известным топливом, но полученный Кельвином результат показал, что такое Солнце сгорело бы через 20 тыс. лет — слишком быстро, чтобы быть таким же старым, как Земля.
59


ФАНТАСТИЧЕСКОЕ
СЛИЯНИЕ
Оказалось, что ответом на вопрос о долгой жизни Солнца является синтез ядер. Напомним, что при делении ядра распадаются. Также существует возможность объединять два ядра, чтобы получить третье — более тяжелое, — что Ган и Мейтнер надеялись сделать. Дляэтого требуются экстремально высокие температуры и давление, потому что ядра атомов положительно заряжены и отталкивают друг друга. Однако если появится возможность достаточно сильно сблизить ядра, то они не только объединятся, или сольются, но и произойдет кое-что еще с далеко идущими последствиями.
Из-за сложных взаимодействий внутри ядра, когда два ядра сливаются с образованием третьего, более тяжелого, они могут высвободить энергию. Подобно тому как расщепление большого ядра дает энергию, объединение маленьких ядер — чаще всего, слияние ядер водорода для образования гелия — также дает энергию. Такой источник энергии окончательно объяснил механизм, позволяющий Солнцу работать миллиарды лет.
Слияние ядер в звездах производит элементы вплоть до железа, тогда как более тяжелые элементы являются результатом грандиозных взрывов звезд, называемых сверхновыми.
60


В звездах, похожих на Солнце, ядра водорода (протоны) сливаются друг с другом, изначально давая протон и нейтрон, и в конечном итоге сливаясь для образования ядра гелия.
Синтез, предсказанный в 30-е гг. XX в., зависел от новой физики, которая появилась в начале XX в., чтобы объяснить небольшое несоответствие, но скоро перевернула наше представление о микромире. И имя этой физики — квантовая механика.
Термоядерные реакторы, в которых происходит слияние ядер, такие как Объединенный европейский токамак, расположенный в Калэме, Великобритания, создают на Земле условия, необходимые для синтеза ядер.
61


РАЗДЕЛ 3


НЕБОЛЬШАЯ ПРОБЛЕМА
В предыдущем разделе мы показали, как различные кусочки пазла природы материи были собраны вместе. Еще задолго до открытия слияния ядер было понятно, что что-то было не так с классической физикой, в которой предполагалось, что все на уровне атомов, электронов и света демонстрирует такое же поведение, как и объекты и волны, окружающие нас.
В начале XX в. одна определенная проблема вызывала затруднения. Она затрагивала механизм излучения нагретых тел. Экспериментальные обнаружения шли вразрез с тем, что ожидалось. Впоследствии это было названо (довольно драматично) «ультрафиолетовой катастрофой».
Так, скажем, если кусок железа нагревается, то он начинает светиться: сначала красным, затем желтым и, наконец, белым, поскольку добавляется больше цветов спектра. Физическая теория предсказывала, что с ростом частоты све-
Цвет
Приблизительная температура
т
•с
К
густо-красный
930
500
770
кроваво-красный
1075
580
855
темно-вишневый
1175
635
910
вишневый
1275
690
965
светло-вишневый
1375
745
1020
ярко-вишневый
1450
790
1060
лососевый
1550
845
1115
темно-оранжевый
1630
890
1160
оранжевый
1725
940
1215
лимонный
1830
1000
1270
светло-желтый
1975
1080
1355
белый
2200
1205
1480
При нагревании куска металла в излучаемый им свет постепенно добавляются световые волны бблыиих частот.
64


По цвету нагретого металла можно хорошо измерить его температуру.
Тело, которое полностью поглощает все падающее на него электромагнитное излучение и полностью излучает его, в физике называется «абсолютно черным телом», даже если оно ослепительно сияет.
та излучается больше энергии. Это означает, что при дальнейшем нагревании тела энергия выходит за пределы видимого спектра излучения и растет до бесконечности, достигая невероятных значений, и энергии излучаемого этим телом света должно хватить для освещения (или даже уничтожения) всей планеты.
ФОРТЕПИАНО ИЛИ ФИЗИКА
Макс Планк, который потом бросит вызов «ультрафиолетовой катастрофе», родился в Киле, Германия, в 1858 г. В школе он проявлял хорошие способности как к науке, так и к музыке. Когда
65


Планк пережил смерть всех своих детей. Его старший сын был убит в Первой мировой войне, обе его дочери умерли при рождении, а его младший сын был убит гестапо (тайная государственная полиция Третьего Рейха. — Прим, ред.), когда он участвовал в заговоре против Гитлера.
Планк в 1874 г. предстал перед выбором, что изучать в университете, он обратился за советом к Филиппу Жолли, мюнхенскому профессору физики (семья Планка тогда жила в Мюнхене). Молодой студент не понимал, чему следовать дальше — занятиям музыкой или изучению физики.
Удивительно, но Жолли порекомендовал Планку выбрать музыку. Как считал Жолли, физика, по всей вероятности, оказывалась бесперспективной, тогда как музыканты будут востребованы всегда. Профессор объяснил, что за исключением пары небольших проблем, одной из которых и являлась «ультрафиолетовая катастрофа», физика уже была в большой степени законченной, и осталось очень мало оригинального предмета работы.
К разочарованию Жолли, Планк решил, что он был бы очень счастлив совершенствовать отдельные главы
Хоть Планк и завершил карьеру музыканта, он продолжал оставаться отличным пианистом на протяжении всей своей жизни.
66


Марка, напечатанная в Германии в 1994 г., изображает основание Максом Планком квантовой теории.
в физике и не волновался о встрече с чем-то своеобразным. На самом деле, Планк запустит механизм радикального преобразования физики микромира.
ПОРЦИИ ПЛАНКА
В 1900 г. Планку пришло озарение, благодаря которому он остановил «ультрафиолетовую катастрофу». Существующая теория неправильно предсказывала, что объекты будут испускать огромное количество электромагнитных волн высоких
Несмотря на предупреждения Жолли, Планк продолжил обучение в Мюнхенском университете имени Людвига и Максимилиана.
67


энергий. Но такое предсказание определялось предположением, что свет — это обычная волна, которую можно произвести с любой желаемой энергией. Однако Планк обнаружил следующее: если допустить, что вместо этого свет распространяется порциями — маленькими пакетами, названными квантами, — то «катастрофа» сойдет на нет, а предсказание этой теории будет соответствовать результатами наблюдений.
Чтобы кванты привели к правильному результату, нужно было, чтобы они обладали определенным количеством энергии, зависящим от частоты света. Это означало, что существует новая, ранее неизвестная константа природы, которая сейчас называется постоянной Планка и обозначается буквой Ъ. Энергия в порции света просто равнялась частоте света, умноженной на h.
Постоянная Планка оказалась очень ценной в установлении связи между цветом света (его длиной волны или частотой) и энергией, которую свет с собой несет. Ее числовое значение очень мало — б,626 • 10-34, где 10-34 — это единица, разделенная на 10 млрд трлн трлн. В 1918 г. Планк был удостоен Нобелевской премии «в знак признания заслуг перед физикой за открытие квантов энергии».
Существование квантов означало, что природу следует рассматривать по-другому. Вместо того, чтобы быть абсолютно непрерывными и иметь величины, принимающие всевозможные значения, некоторые объекты изучения, включая свет, появляются порциями определенной фиксированной величины.
Планку было уже 42 года, когда он нашел выход из «ультрафиолетовой катастрофы». А вообще он дожил до 89 лет.
68


Традиционно считалось, что величины в природе непрерывны и способны принимать любые значения. Они рассматривались как эквивалент положения шарика на горке, где он может быть на любой высоте от вершины до основания.
АКТ ОТЧАЯНИЯ
Макс Планк никогда не был удовлетворен своим решением «ультрафиолетовой катастрофы». Он писал: «Вся процедура была актом отчаяния, поскольку теоретическое обоснование нужно было найти любой ценой, какой бы высокой она ни была».
В квантовом мире все в природе выполнено в фиксированной шкале, в которой переход от значения к значению осуществляется последовательностью изменений.
Это похоже на положения шарика на ступеньках лестницы, где он может находиться лишь на определенных высотах, прыгая с одного положения на другое.
Можно сравнить это с тем, как если бы при чеканке производились монеты лишь определенного, фиксированного достоинства — например, только по 1 рублю. В таком случае стало бы невозможным собрать сумму, равную, например, 3,72 рубля.
69


ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЭФФЕКТ
На марке, напечатанной в Швеции в 1965 г., изображены Филипп Ленард (слева) и Адольф фон Байер, оба были удостоены Нобелевской премии в 1905 г.
Примерно в то же время, когда Планк сенсационно разбивал свет на кванты, другой немецкий физик, Филипп Ленард, сделал странное открытие, связанное с фотоэлектрическим эффектом.
Это явление впервые наблюдалось в 80-е гг. XIX в., когда было обнаружено, что свет, падающий на определенные металлы, по всей видимости, выбивал из них электроны. В ранних исследованиях использовался высокочастотный ультрафиолетовый свет, и было установлено, что чем ярче этот свет, тем больше электричества производилось.
Такое соотношение идеально вписывалось в теорию Максвелла, благодаря которой было установлено, что свет является электромагнитной волной (см. с. 31). Теория предсказывала, что чем интенсивней луч света, тем сильнее фотоэлектрический эффект — независимо от цвета луча, что было естественным следствием волновой природы света. Однако позже Ленард обнаружил, что цвет все-таки оказывает влияние на результат, и притом существенное. На самом деле, если частота све-
Фотоэлектрический эффект по сути не отличается от того, что происходит в солнечных батареях. Но их обычно различают по тому, что в фотоэлектрическом эффекте электрон выталкивается из материала, тогда как в солнечной батарее он в материале остается.
70


Когда слабый красный свет падал на металл, никакого электричества не производилось.
Не имеет значения, насколько интенсивным был красный свет, — он по-прежнему не приводил электроны в движение.
Однако низкоинтенсивный луч голубого света давал электричество. Это было абсолютно не похоже на, скажем, волны на пляже, которые чем больше сами по себе, тем больше песка они смещают, независимо от частоты.
та была слишком низкой, ближе к красному концу спектра или даже ниже, то он не давал никакого эффекта вообще. Причем неважно, насколько интенсивным был свет. Опять же, теория шла против реальности.
71


РАДИКАЛЬНОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ ЭЙНШТЕЙНА
Альберт Эйнштейн был удостоен в 1921 г. Нобелевской премии по физике за «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».
Тем, кто объяснил обнаруженные Ленардом странности и произвел квантовую революции в движении, стал Альберт Эйнштейн. В другой своей замечательной работе, написанной в 1905 г., Эйнштейн взял воображаемые порции Планка и сделал их реальными.
Планк считал, что его порции света были лишь приемом, который заставлял вычисления работать. Эйнштейн осмелился подумать, что свет на самом деле состоял не из волн, а из порций — частиц, которые позже были названы фотонами. А если это так, то наблюдения Ленарда сразу становятся понятными. Электроны были порциями электричества фиксированной, а не произвольной величины. Если один фотон света, а не часть непрерывной волны, выбивал бы электрон из его места в металле, то фотоэлектрический эффект работал бы только при до-
УПУЩЕННАЯ ВОЗМОЖНОСТЬ ЭЙНШТЕЙНА
Планк по-прежнему не был готов принять то, что кванты реально существовали. Когда в 1913 г. Планк рекомендовал Эйнштейна Прусской академии наук, он попросил ее членов не обращать внимания на то, что Эйнштейн «упустил возможность» с тем рассуждением о световых квантах.
72


статочной энергии электрона. А работа Планка также показала, что энергия света была связана с его частотой — цветом спектра.
СПЕКТРЫ БАЛЬМЕРА
Идея того, что свет распространяется порциями, а не непрерывной волной, имела дело не только с «ультрафиолетовой катастрофой»: она дала ключ к разгадке тайны темы работы швейцарского математика Иоганна Якоба Бальмера.
С 60-х гг. было известно, что различные химические элементы при нагревании излучали свет в определенных цветах — так называемых линиях спектра. Возможно, наиболее знакомое для всех повседневное явление, в котором такое излучение имеется, — это яркий оранжевый свет натриевых ламп уличных фонарей. В 1885 г., когда Бальмеру было уже 60 лет, он заметил, что длины волн (или частоты) света, излучаемого водородом, подчиняются определенной закономерности.
Хоть Бальмер и не был физиком, ему удалось вывести формулу, которая предсказывала значения различных частот света, которые излучал водород. Однако никто не мог объяснить, почему именно частоты подчинялись этой закономерности. Ответ появится на следующем шаге на пути к квантовой теории, когда молодой датский физик обретет замечательную идею о структуре атома.
Бальмер всю жизнь работал математиком, но запомнился только по небольшому вкладу в развитие физики.
Пары натрия в лампах уличных фонарей дают свечение оранжевого цвета, свойственного данному химическому элементу.
73


БОР ИСПРАВЛЯЕТ
АТОМ
Нильсу Бору было всего 26 лет, когда он уехал из Копенгагена в Англию, но к тому времени он уже завоевал золотую медаль Датской королевской академии наук и опубликовал две статьи в журнале «Философские труды Королевского общества». После того как он провел некоторое время с Кембридже с Дж. Дж. Томсоном, Бор переехал в Манчестер, чтобы работать с Эрнестом Резерфордом. Именно там он начал думать о структуре атома.
Резерфорд показал, что в атоме имеется тяжелое положительно заряженное ядро с электронами, находящимися вне этого ядра, но оставался вопрос: как именно электроны себя вели? В рамках очевидного решения электроны представлялись обращающимися вокруг ядра, как планеты (см. с. 46). Но Бор понял, что движение по орбите с ускорением приведет к падению электронов на ядро по спиральной траектории.
Он предложил идею, согласно которой электроны на самом деле двигались по фиксированным орбиталям вокруг ядра и не
Нильс Бор приехал в Великобританию с копией «Посмертных записок Пиквикского клуба» Чарльза Диккенса и датско-английским словарем, чтобы учить английский язык.


В модели Бора электроны могли двигаться только по фиксированным траекториям, излучая свет при переходах между ними.
могли отклоняться от своих путей в сторону ядра. При нагревании образца электрон мог бы «перепрыгнуть» на следующую доступную орбиталь, а потом вернуться обратно, испуская энергию в форме фотона. И когда эту новую модель применили к атому водорода, ее результаты идеально укладывались в закономерность Бальмера.
Марка, напечатанная в Дании в 1963 г., изображает Нильса Бора.
На ней отмечается 50-я годовщина создания его знаменитой атомной теории.
75


КВАНТОВЫЙ СКАЧОК
Атом Бора был квантовым объектом. Электрон не мог иметь любую энергию, и его положение было ограничено фиксированными орбиталями. Каждый «прыжок» с одной орбитали на другую был назван квантовым скачком.
Оригинальное математическое построение Бора работало только для атома водорода, но оно задало направление научной мысли в сторону понимания работы мельчайших частиц, составляющих реальность. Однако за это пришлось заплатить. Не было никакого аналога квантовому скачку в том мире, который мы видим вокруг нас. Электрон не переходил постепенно с одной орбитали на другую, как это делает космический корабль, когда
движется вокруг Земли. Вместо этого он внезапно «перепрыгивал» с одной орбитали на другую без каких-либо постепенных изменений.
Квантовая физика начала показывать свою темную сторону. Теория работала и объясняла то, что невозможно было объяснить прежде. Но она требовала совершенно другого скачка — скачка воображения.
МАЛЕНЬКИЙ СКАЧОК
Хоть в популярном использовании термин «квантовый скачок» стал означать большое изменение, в физике он представляет собой минимально возможное изменение.
В течение Второй мировой войны ядерные физики были вынуждены по приказу путешествовать под вымышленными именами для уменьшения угрозы их безопасности. Нильсу Бору дали имя Николас Бейкер, а коллеги называли его «дядя Ник». Почерк Бора был настолько неразборчивым, что возникал большой спор, связанный с тем, каким именем он подписывал свои письма — Нильс Бор или «дядя Ник».
76


Когда космический корабль меняет траекторию, он постепенно переходит с одной орбиты на другую.


ЧАСТИЦА И ВОЛНА
Как Эйнштейн, так и Бор совершили огромный прыжок к объяснению физических явлений, предполагая, что свет состоял из частиц-фотонов — подобно тому, как Ньютон это однажды предположил в своей корпускулярной модели (см. с. 19). Но при решении одного набора проблем они дали жизнь другим проблемам. Также не стоит забывать, что имелось множество экспериментальных доказательств того, что свет вел себя так же, как волна. И электромагнитная теория Максвелла требовала, чтобы свет был волной.
Артур Эддингтон был специалистом в общей теории относительности и ведущим популяризатором науки в свое время.
78


Описывая этот дуализм в 1928 г., английский физик Артур Эддингтон писал: «Возможно, в качестве компромисса лучше бы называть фотон "волницей"». К счастью, несмотря на то, что это слово было внесено в Оксфордский словарь английского языка, оно не вошло в общее употребление.
Чем является свет: волной или частицей? Бор уже сделал шаг, состоявший в позволении электронам вести себя так, как не ведет себя ни один объект, с которым мы знакомы, а именно быть способными совершать квантовые скачки с одной орбитали на другую. А теперь он и его коллеги сделали другой шаг от повседневного мира. Свет, как они решили, обладал свойствами как волны, так и частицы, но в то же время не был ни тем, ни другим. В любой момент времени он мог себя вести так, как если бы был либо частицей, либо волной, но он никогда не мог одновременно демонстрировать поведение и частицы, и волны. Если эксперимент требовал от него свойств волны, то свет вел себя как волна — и то же самое для частицы. Позже этот принцип станет известен как корпускулярно-волновой дуализм.
Хоть он может показаться чем-то почти неотличимым от компромисса, основанного на опыте, такой принцип был на самом деле значительным шагом в преобразовании интерпретации в науке.
Исторически науку рассматривали как попытку раскрытия правды — абсолютной реальной сущности, лежащей в основе составляющих природы (она до сих пор так рассматривается обществом). Однако современная наука прежде всего касается разработки моделей — функциональных описаний, часто математических, которые дают результаты, сравниваемые с наблюдаемыми в природе. Изначально предполагалось, что свет был волной, позже — что свет был частицей. И стало ясно, что оба эти описания были моделями.


СНОВА О ДВУХ ЩЕЛЯХ
Серьезнейшей проблемой для понимания того, что свет — это частица, были результаты опыта Юнга с щелями (см. с. 20). Согласно результатам исследования, волны интерферируют друг с другом в парах, создавая картину, которая показывала, что некоторые волны усиливают друг друга, давая светлые полосы, тогда как в других местах они гасят друг друга, давая темные полосы.
Трудно понять, как это все могло произойти, если свет ведет себя как частица. Впрочем, что удивительно, впоследствии было экспериментально доказано, что это возможно. С появлением более продвинутого оборудования стало возможным направлять на щели в один момент времени всего один фотон. Когда фотон достигал экрана, он оставлял маленькую яркую точку. Поддерживая свечение точек, возможно было со временем, фотон за фотоном, построить картину распределения
Если свет—это волна, то становится понятным, что светлые и темные полосы образуются в результате интерференции двух волн, проходящих через разные щели, друг с другом.
В современном варианте эксперимента через щели пропускаются отдельные фотоны.
80


интенсивности света. В результате получилась точечная версия той самой интерференционной картины из светлых и темных полос. Каким-то образом квантовые частицы давали такой же интерференционный эффект, как волны, когда проходили через экспериментальное оборудование.
Хоть идея использования детектора с целью выяснения, через какую именно щель прошел фотон, была предложена на заре развития квантовой теории, ее не могли опробовать до 70-х гг. XX в., поскольку для этого требовался детектор, который не поглощал бы фотоны.
ПОСМОТРИ — И ОНА УЙДЕТ
Что еще более загадочно, интерференционная картина не образуется при использовании детектора, который проверяет, через какую именно щель прошел фотон.
В результате прохождения отдельных фотонов через щели точка за точкой строится интерференционная картина.
81


ВОЛНЫ МАТЕРИИ
Де Бройль перевернул идею фотонов, чтобы вообразить частицы с поведением волн. В 1929 г. за свое открытие он был удостоен Нобелевской премии по физике.
Французский физик, величаемый на славу Луи Виктор Пьер Раймон, герцог де Бройль, завершил картину корпускулярно-волнового дуализма, перевернув ее. Если свет, который рассматривался как волна, может вести себя как поток частиц, то, возможно, частицы, например электроны, могут вести себя так, как если бы они были волнами.
Де Бройль предложил это в 1924 г., а продемонстрировано это было всего лишь через три года двумя американскими физиками — Клинтоном Дэвиссоном и Лестером Джер- мером. Они использовали эффект, который появляется всякий раз, когда свет встречает на своем пути препятствие, — волна огибает края препятствия. Вот почему мы можем слышать человека, находящегося за углом здания. Если запустить поток частиц по препятствию, они отразятся от него под разными углами. Но волна будет стремиться обойти препятствие, а потом вернуться назад к первоначальному пути на другой стороне препятствия. Дэвиссон и Джермер обнаружили, что электроны в пото-
Американские физики Дэвиссон и Джермер с оборудованием для их опыта по дифракции электронов.
82


В этом более позднем эксперименте пучок электронов огибает мишень, чтобы дать такие же кольца, как порождаемые волнами.
ке были таким же образом возвращены кристаллом. Проведенные позднее эксперименты воспроизвели опыт Юнга с двумя щелями, но с использованием электронов, а не фотонов — и снова они вели себя как волны.
Концепция де Бройля иллюстрировала, насколько квантовая физика начинала подрывать старые предположения. Электроны были составляющими материи, или вещества, а фотоны образовывали невесомый свет. Тем не менее, при некоторых обстоятельствах они вели себя как волны, а при других — как частицы. Как только появился квантовый мир, прежние различия стали менее определенными.
Луи был седьмым герцогом Брольи (старинной аристократической семьи. — Прим, пер.); сейчас титулом обладает Филипп-Морис, девятый герцог. Семья была изначально итальянской (с фамилией Броглиа) и эмигрировала во Францию в 40-е гг. XVII в.
83


АТОМНЫЕ ВОЛНЫ
Идея, что электроны могут проявлять волновые свойства, хорошо вписывалась в модель атома Бора. Здесь электрон мог занимать только определенные орбитали вокруг ядра, как если бы он двигался по железнодорожному пути, и «прыгать» между этими орбиталями в квантовых скачках при получении или потере энергии в виде фотона. Но что определяло, какие орбитали были допустимыми, а какие — нет?
Если электрон может вести себя как волна, возможно представить волну электрона, распространяющуюся вдоль орбитали. Длина большинства орбиталей не будет равна целому числу длин волны, а это означает, что волна не сможет вернуться в воображаемую стартовую точку. Но если длина орбитали равна целому числу длин волны, тогда волна точно впишется в орбиталь. Казалось, что корпускулярно-волновой дуализм и структура атома были тесно взаимосвязаны.
Структура волны электрона, окружающая ядро, также известна под названием «орбиталь».
Длина волны А—это расстояние от точки на волне до соответствующей точки на следующем пике или впадине. Расстояние а—это размер волны, так называемая амплитуда волны.
84


Бор показал, что электроны могут находиться только на определенных орбиталях, а также могут перепрыгивать между ними. Орбитали существуют, только если они содержат целые числа волн.
Если электрон рассматривать как волну, тогда чтобы находиться в орбитали, за каждый оборот вокруг ядра он должен проходить целое число длин волн, иначе орбиталь не замкнется.
85


МАТРИЧНАЯ МЕХАНИКА
Хоть Нильсу Бору и удалось построить успешную модель атома водорода с использованием квантовых представлений, оказалось сложным распространить ее на более широкую картину всего мира вещества и света.
Молодой немецкий физик Вернер Гейзенберг чувствовал, что картина Бора была слишком привязана к обычному миру вещей, встречающихся нам каждый день: она была основана на том, как двигаются планеты, правда, имела одну фундаментальную поправку в виде квантового скачка.
Гейзенберг считал, что лучше бы полностью отделить учение Бора от параллелей с миром «на виду», и разработал математическую модель квантовых частиц, известную как матричная механика. Эта модель не давала никаких аналогий, помогающих нам понять квантовый мир, — это был не более чем набор чисел. Но в предсказании поведения квантовых частиц эти числа работали очень эффективно.
Вернер Гейзенберг был удостоен Нобелевской премии в / 932 г. «за создание квантовой механики».
88


ВВЕДЕНИЕ В МАТРИЦЫ
Метод Гейзенберга требовал работы с матрицами — таблицами из чисел, которые ведут себя не так, как знакомые нам числа. В случае матриц, например, А х В не равно В х А. Такой раздел математики не был знаком большинству физиков, и они отнеслись к нему с подозрением.
В отличие от большинства квантовых физиков, Гейзенберг остался в Германии работать на нацистов, пытавшихся создать ядерное оружие.
Матрица—это таблица из чисел (и расчеты с использованием матриц могут показаться сбивающими с толку). Число, стоящее, например, в верхнем левом углу результата перемножения двух матриц, равно сумме произведений соответствующих элементов верхней строки первой матрицы и правого столбца второй матрицы — как выделено на примере, (1 х 5) + (0 х (-5)) = 5.
89


УРАВНЕНИЕ
ШРЁДИНГЕРА
Эрвин Шрёдингер поделил с Полем Дираком Нобелевскую премию по физике «за открытие новых плодотворных форм атомной теории», которой они были удостоены в 1933 г.
Гейзенберг был не единственным молодым физиком, очарованным квантовой революцией, которая была развязана Планком, Эйнштейном и Бором. Австрийский физик Эрвин Шрёдингер также воевал за расширение квантовой физики, чтобы она охватила все частицы. Однако, в отличие от Гейзенберга, Шрёдингер чувствовал, что модель необходимо визуализировать, чтобы сделать ее полезной.
Вместо того чтобы начинать с чисто математических представлений, Шрёдингер последовал Бору и де Бройлю в акцентировании важности рассмотрения квантовых частиц как волн и разработал теорию, параллельную матричной механике Гейзенберга, и назвал ее волновой механикой. В рамках этого подхода квантовые частицы понимались как волны, и Шрёдингер построил уравнение, которое, как он надеялся, будет предсказывать их поведение с течением времени.
ih^ T(r, t) = HW(r, t)
В этой форме записи уравнения Шрёдингера как (греческая буква «пси»), так и Н (читается «аш с крышкой») являются компактными представлениями математических структур.
90


РАЗРЕШАЯ КОНФЛИКТ
Английский физик Поль Дирак позже показал, что подходы Шрёдингера и Гейзенберга были разными представлениями одного и того же и абсолютно эквивалентными.
Итак, в то время казалось, что существуют два совершенно разных равноправных подхода, но уравнение Шрёдингера, каким бы впечатляющим оно ни смотрелось в той теории,
Личная жизнь Шрёдингера часто описывается как «вольная». Например, когда он перебрался из нацистской Германии в Ирландию, его сопровождали как жена, так и миссис Хильда Марх, которая родила ему дочь в 1934 г.
имело две большие проблемы. Во-первых, казалось, что согласно этому уравнению частицы будут занимать больше и больше пространства, распространяясь так, как будто бы они сами расширяются. К счастью, такого не наблюдалось, поскольку тогда бы материя стремилась распасться в конечном итоге. Но также казалось, что такое поведение являлось существенной частью
91


характера изменений со временем, описываемых этим уравнением. И во-вторых, уравнение содержало число / — а это, как оказалось, привело к мнимому результату.
МНИМАЯ ФИЗИКА
Уравнение Шрёдингера дало мнимый результат в математическом смысле. За несколько столетий до этого размышляли, какое значение мог иметь квадратный корень из -1. Как отрицательные, так и положительные числа, умноженные сами на себя, дают положительные, например 1 х 1 = 1, (-1) х (-1) = 1. Так какое число, умноженное само на себя, даст отрицательное число? Квадратный корень из -1 условно обозначили как /. Путем основной идеи, по которой / х / = -1, математики расширили горизонты в представлениях о числе.
СДЕЛАЙ его вещественным
Пока конечный результат вычислений был вещественным, работать с мнимыми числами было можно, например, моделируя поведение двумерного объекта, которым, например, обладает волна. Но проблема, связанная с уравнением Шрёдингера, состоит в том, что конечный результат содержит мнимое число — и никто не мог понять, что это значило.
В обычной арифметике -1 может быть получено только умножением двух разных чисел. А что может дать -1 при умножении на само себя?
1 X -1 = -1
-1 X -1 = 1
1X1=1
-1 X 1 = -1
? X ? = -1
Словосочетание «мнимые числа» было впервые использовано Рене Декартом, французским философом XVII в., для выражения насмешки.
= H'Vfr, f)
Выглядящее совершенно невинным в начале уравнение, похоже, приносит мнимое и воображаемое в реальный мир.
4(1' I)
92


ВООБРАЖАЯ МНИМОЕ
Хоть еще древнегреческий математик Герои Александрийский, по-видимому, нечаянно использовал мнимые числа, они впервые были преднамеренно использованы математиками XVI в., когда те исследовали решения уравнений третьей и четвертой степени.
Сначала это было просто математической игрой, но позже было обнаружено, что этот на первый взгляд бесполезный раздел математики имеет практическое применение. Если обычные (в математике их называют вещественными) числа изображать на горизонтальной оси координат на плоскости, а мнимые числа — на вертикальной оси, то положения точек на этой плоскости могут быть помечены цельным комплексным числом, например 3 + 2/. Эти числа оказались крайне полезными в физике и технике.
Если на горизонтальной оси изображать вещественные числа, а на вертикальной— мнимые, то цельное комплексное число, например 3 + 4/, будет описывать положение точки на плоскости. А расстояние от этой точки до начала координат, где пересекаются оси, называется модулем комплексного числа.
93


ВЕРОЯТНОСТНОЕ РЕШЕНИЕ БОРНА
Проблема мнимых чисел была решена относительно быстро, когда поняли, что именно квадрат модуля величины, дающей мнимое число, заставил уравнение исправно работать. Но это исправление по-прежнему не имело дело с тем, каким образом уравнение казалось предсказывающим, что квантовая частица будет распространяться вширь, становясь со временем все больше и больше, — было ясно, что такое не случается.
Эта проблема расширяющейся частицы была решена давним другом Альберта Эйнштейна, которого звали Макс Борн. Исследуя результаты уравнения Шрёдингера, Борн попытался сделать принципиально новое предположение — и оно сработало безотказно. Мы привыкли использовать уравнения движения, такие как закон Ньютона, которые нам сообщают, где будет находиться движущийся объект через определенный промежуток времени. Предполагалось, что и уравнение Шрё- динегера на это будет способно. Но Борн понял, что уравнение на самом деле давало вероятность нахождения частицы в не¬
согласно предположению Борна, квантовая частица больше не занимает определенное положение, но с течением времени становится расплывчатым скоплением вероятностей.
94


котором определенном положении в течение времени. Это не была расширяющаяся частица, это был шанс ее обнаружить в более удаленных положениях.
Этот на первый взгляд маленький шаг преобразовал природу квантовой физики. Квантовые частицы больше не занимали определенные положения, где они просто не наблюдались. Вместо этого все, что можно было о них утверждать, было вероятностью их обнаружения в определенном местоположении.
Вплоть до этого момента физики думали, что частицы подобны тем объектам, которые они видели вокруг себя. Подобно тому, как древнегреческие атомисты рассматривали атомы аналогичными той материи, что и вещи, которые сделаны из атомов, так и о частицах думали, что они ведут себя как маленькие шарики. Однако реальность квантовых частиц была совсем другой. Вместо
Максу Борну была с запозданием присуждена Нобелевская премия в 1954 г.
«за фундаментальные исследования по квантовой механике, в особенности за статистическую интерпретацию волновой функции», которую он разделил с Вальтером Боте.
этого они оказались расплывчаты¬
ми комками вероятности, когда они не наблюдались, как было предсказано уравнением Шрёдингера. Только при взаимодей¬
ствии с чем-то другим они снова занимали определенное по¬
ложение.
95


САПОЖНИК ЭЙНШТЕЙН
Макс Борн и Альберт Эйнштейн долго и часто обменивались письмами, содержащими удивительное смешение мелочей из повседневной жизни и научного обсуждения. В этих письмах мы видим развитие сомнений Эйнштейна по поводу квантовой теории, которую он помог воплотить в жизнь. А вещью, которая стала для него камнем преткновения, было введение в теорию Борном вероятности.
В своих письмах Борну Эйнштейн разными способами выражал свою знаменитую поговорку, что «Бог не играет в кости»: «Эта теория говорит о многом, но все же не приближает нас к разгадке тайны Всевышнего. По крайней мере, я уверен, что Он не бросает кости». Эйнштейн считал, что Вселенная работает на основе четких и конкретных принципов. Если интерпретация Борна уравнения Шрёдингера была бы верна, то частицы до того, как они были наблюдаемы, вместо положений имели бы лишь вероятности. Но, как считал Эйнштейн, реальность была непохожа на это.
Эйнштейн четко и ясно указал, что он думал об этом вероятностном взгляде в квантовой теории, когда он в своем очередном письме Борну описывал квантовый эффект, который оказался контролируемым вероятностью: «Если это так, я предпочел бы быть сапожником или даже крупье в казино, но не физиком».
Эйнштейн был неверующим и, казалось, что он использовал слово «Бог» для обозначения организующего принципа Вселенной.
96


«Все уже продумано до конца, и по этому поводу я должен вежливо дать Вам подзатыльник».
«Несомненно, квантовая механика впечатляюща. Но внутренний голос мне подсказывает, что она все же не является чем-то реальным».
«Эта теория мне немного напоминает набор иллюзий очень умного параноика, составленный из бессвязных фрагментов мыслей».
«Даже большой начальный успех квантовой теории не заставляет меня верить в фундаментальную игру в кости...»
«Моя физическая интуиция протестует против этого. Все-таки если отвергнуть предположение, что существующее в разных частях пространства имеет свое собственное, независимое, реальное существование, тогда я просто не могу понять, что именно должна описывать физика».
«Я не могу претендовать на то, что вы будете считать мой подход в физике разумным... Я не могу серьезно верить в квантовую теорию, потому что ее нельзя примирить с той идеей, что физика должна представлять реальность во времени и пространстве, свободно от жуткого дальнодействия».
97


ПРИНЦИП
НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ
Вероятностный взгляд в квантовой теории привел к одну из самых знаменитых его результатов — принципу неопределенности Гейзенберга. Согласно этому принципу, все является неопределенным, однако использовать его в широком смысле некорректно.
На самом деле принцип неопределенности сообщает нам о точном соотношении между парами свойств квантовых частиц. Он показывает, что если мы возьмем одну из таких пар для какого-то одного квантового объекта, например его по- Гейзенбергв 1924 г. ложение и импульс, то тогда чем точнее
мы знаем про одну из этих величин, тем менее точно мы знаем про другую. Если, к примеру, нам точно известно, где находится квантовая частица, его импульс может принимать любое значение; а если мы точно знаем значение импульса частицы, то находиться она может где угодно.
НЕОПРЕДЕЛЕННЫЙ ФОТОГРАФ
Подходящей аналогией принципа неопределенности является фотографирование быстро движущегося объекта. Сфотографированный с длительной экспозицией объект размазывается. Это позволяет нам почувствовать, как он движется, но дает малое представление о том, где он находится. И наоборот, с короткой экспозицией мы получаем точные данные о местоположении объекта, но чувствуем, как он движется. Однако принцип не ориентируется на наблюдения — он нам говорит о реальной природе самих частиц.
98


Гейзенберг сперва использовал пример с микроскопом, где фотоны, которые использовались для того, чтобы заметить частицу, отклоняли ее от исходной траектории. Бор забраковал такую модель, подчеркивая, что принцип неопределенности не требует вмешательства извне.
Принцип неопределенности похож на фотографию движущегося предмета, которая может изображать либо положение, либо скорость (но не оба эти параметра) в зависимости от времени экспозиции.
Микроскоп Гейзенберга.
99


тот самый кот
Если и существует некий образ, который постоянно используют для представления квантовой таинственности, то это кот Шрёдингера, — однако на самом деле он мало способствует нашему пониманию этой таинственности.
В то время как Гейзенберг был рад согласиться с Борном и поставил вероятность в основу реальности, Шрёдингер больше предпочитал взгляды Эйнштейна. Он придумал мысленный эксперимент, чтобы проиллюстрировать проблему вероятностного подхода.
В этом мысленном эксперименте кот находится в одном ящике с колбой смертельно опасного яда. Колба может быть разбита с помощью механизма, приводимого в действие распадом радиоактивного атома. Подобно многим свойствам квантовых частиц, ядерный распад носит вероятностный характер, и, согласно подходу Борна, если оставить ящик на минуту, атом с равной вероятностью может как уцелеть, так и распасться — существует всего лишь вероятность нахождения атома
Поскольку высвобождение яда зависит от квантового события, кажется, будто перед тем как открыть ящик, кот должен быть одновременно и живым, и мертвым.
100


О системе, у которой есть вероятность находиться более чем в одном квантовом состоянии, говорят, что она находится в суперпозиции состояний.
В зависимости от условий освещения этот кот в саду дома, в котором Шрёдингер жил с 1921 по 1926 г., показывается либо мертвым, либо живым.
в том или ином состоянии. Это означает, что кот одновременно и жив, и мертв.
На практике такой эксперимент не несет особого смысла, поскольку взаимодействия с датчиком излучения достаточно для того, чтобы гарантировать, что атом будет находиться либо только в одном состоянии, либо только в другом, — но кот продолжает жить в некоем половинном мире воображения.
НЕРЕАЛЬНЫЕ КОТЫ
Ученые регулярно переигрывают эксперимент с котом Шрёдингера новыми опытами — например, эксперимент, проведенный в Йельском университете в 201 б г., был описан в прессе как «живой и мертвый кот Шрёдингера даже после того, как вы его видели наполовину». В реальности же все было намного более приземленным: никакие коты в эксперименте не участвовали, только фотоны. Они были помещены в ящики и имели различные значения энергии. Когда ящики соединялись, они переходили в состояние «кота», в котором отдельные «обитатели» ящиков одновременно имели оба значения энергии. И это «совмещенное» состояние сохранялось даже после того, как ящики были разъединены — это и представляло собой все «половинчатое» наблюдение.
101


В ДВУХ МЕСТАХ ОДНОВРЕМЕННО?
Вероятностная интерпретация уравнения Шрёдингера объясняет, почему опыт с двумя щелями работал даже при запуске одного-единственного фотона или электрона за один раз. Частицы не занимают определенного положения, так что у них есть вероятность пройти через любую щель, а волны вероятности интерферируют, давая картину.
Если кратко, частица часто описывается как «находящаяся в двух местах одновременно», так что она «проходит через обе щели и интерферирует сама с собой», — так часто физики объясняют журналистам. Оно и понятно, потому что сложно предложить какую-то другую интерпретацию при попытке объяснить квантовую физику в двух словах для репортажа.
Однако реальность еще удивительнее. Частица не занимает определенного положения, пока она ни с чем не взаимодействует (в случае щелей Юнга — пока она не попадет на экран). Точнее, вероятности, описываемые волновым уравнением
102


Волны вероятности для частиц, проходящих через каждую щель, распространяются со временем и интерферируют друг с другом.
Шрёдингера, — это все, что существует в тот момент. Частица не летит по прямой линии, а существует как эволюционирующий набор вероятностей до того, каким путем она может попасть на экран. Она не находится в двух местах одновременно. Более того, она нигде. Потому что, как мы уже говорили, существуют только вероятности.
Юнг думал, что с помощью его опыта с щелями было проведено наблюдение, определенно выявляющее природу света, однако квантовая теория от определенности избавляется.
103


КОПЕНГАГЕНСКАЯ
ИНТЕРПРЕТАЦИЯ
Как только объяснение уравнения Шрёдингера Борном стало общепринятым, стало ясно, что квантовая механика сильно отличается отточной как часы физики Ньютона.
Наблюдатели были вынуждены либо принять, как в свое время Гейзенберг, тот факт, что числа соответствовали реальности, либо найти способ объяснить, что же на самом деле происходит при наблюдении. В течение многих лет доминирующим объяснением, которое с некоторыми модификациями до сих пор считается общепринятым, была копенгагенская интерпретация.
Появившаяся, как видно из названия, благодаря труду датского физика Нильса Бора при содействии Вернера Гейзенберга интерпретация гласит, что квантовые сущности, предоставленные сами себе, описываются вероятностной волновой функцией, но когда они взаимодействуют со своим окружением, волновая функция схлопывается (коллаписирует) к конкретным наблюдаемым значениям величин.
Эта интерпретация также включает принцип неопределенности Гейзенберга и идею, что о «внутренних механизмах» квантовой системы в принципе невозможно знать ничего, кроме вероятностей.
Согласно копенгагенской интерпретации, не существует реальности, «спрятанной» в квантовом мире, — есть только вероятность.
104


Институт теоретической физики, был основан Бором в 1920 г. как подразделение Университета Копенгагена. Сейчас он называется Институт Нильса Бора.
Во Вселенной Ньютона существует простая, работающая как часы концепция, которая гласит, что если мы знаем все подробности состояния Вселенной в настоящем, то мы можем предсказать, что произойдет в любое время в будущем.
ТАИНСТВЕННО КОЛЛАПСИРУЮЩИЕ ВОЛНЫ
Важной составляющей копенгагенской интерпретации является коллапс волновой функции. Перед тем как наблюдается квантовая система, ее характеристики, к примеру положения и импульсы ее частей, имеют целый диапазон значений, которые они с различной вероятностью могут принимать. Но после того как наблюдение системы было завершено, волновая функция, описываемая уравнением Шрёдингера, уменьшается до одного значения — того, которое было получено при измерениях. Некоторых физиков смущает неспособность объяснить, каким образом это происходит, но многие другие просто приняли, что это и есть эффективное описание наблюдаемого явления.
105


ВОЛНА-ПИЛОТ
Дэвид Бом был арестован в 1950 г. за отказ давать показания Комиссии по расследованию антиамериканской деятельности. В конце концов он покинул Соединенные Штаты и обосновался в Великобритании.
Несмотря на то что копенгагенская интерпретация удовлетворила одних физиков, которым было вполне достаточно продолжать свои вычисления и не волноваться о внутренних механизмах квантового мира, другие же думали, что должно существовать что-то еще помимо вовлеченной вероятности.
Одной из наиболее живучих идей является теория волны-пилота, которая стала результатом работы де Бройля и была усовершенствована во всех деталях американо-английским физиком Дэвидом Бомом. В этой теории каждая квантовая частица имеет волну, связанную с ней, которая направляет эту частицу и эволюционирует со временем согласно уравнению Шрёдингера.
Этот подход дает те же самые результаты, что и копенгагенская интерпретация, но его сторонники довольны тем, что реальность не зависит от расплывчатых вероятностей.
Теория волны-пилота по-прежнему использует уравнение Шрёдингера, но
Согласно теории волны-пилота, у каждой квантовой частицы есть связанная с ней волна.
106


теперь оно описывает волну, которая как-то управляет частицей, позволяя ей подвергаться таким волновым операциям, как интерференция за щелями Юнга (см. с. 20), но по-прежнему оставаться частицей. Теория в ее изначальном варианте, разработанная де Бройлем вместе с Бомом, не могла решать проблемы, связанные с некоторыми особенностями поведения, но позже Бом усовершенствовал ее, чтобы приблизить к реальности.
Типичным возражением со стороны физиков, делавших упор на математику, в адрес тех, кто заботился об интерпретации, было: «Помолчите и считайте!»
ВЫЯВЛЕННЫЕ СКРЫТЫЕ ПАРАМЕТРЫ
В отличие от копенгагенской интерпретации, согласно которой частица не обладает таким свойством, как точное положение, до взаимодействия с чем-то другим, у волны-пилота имеются так называемые «скрытые параметры». Они представляют собой реально существующие значения, описывающие, скажем, положение частицы в определенный момент времени, но они недоступны внешнему миру.
107


ДЕКОГЕРЕНЦИЯ
Хотя многие ученые положительно воспринимают копенгагенскую концепцию, у некоторых вызывает неловкость идея «коллапса волновой функции», где взаимодействие частицы с ее окружением переводит ее из описываемой как набор вероятностей в обладающую конкретными, измеряемыми значениями величин.
Тем, кто сомневается в возможности коллапса, не нравится ни этот внезапный переход, ни явное отличие между вероятностным поведением квантовых частиц и однозначным действием объектов мира вокруг нас, несмотря на то, что эти объекты состоят из тех же квантовых частиц.
Чтобы обойти эти проблемы, сейчас часто используется другая точка зрения, основанная на так называемой декогеренции. Идея декогеренции состоит в том, что волновая функция никогда не коллапсирует: когда вы смотрите на систему как на целое, включающую, например, инструменты, с помощью которых проводятся измерения, по-прежнему имеется волновая функция, описывающая поведение квантовых частиц. Но при их взаимодействии с внешним миром наблюдаемые частицы теряют свою когерентность, то есть способность вести себя как независимые сущности, описываемые отдельными волновыми функциями.
По сути дела, декогеренция означает, что информация утекает из изолированной квантовой системы, например квантовой частицы, в ее окружение. Квантовая частица больше не действует независимо, а связана с другими частицами вокруг нее, в результате чего она представляется занимающей определенное положение.
Идея декогеренции появилась из многомировой интерпретации (см. с. 110), но в то же время она не зависит от того, насколько последняя правдоподобна.
108


ДРУГИЕ МИРЫ
Альтернативное понимание копенгагенской интерпретации поддерживается на удивление большим числом физиков. Возможно, дело в том, что оно является чем-то вроде грандиозной научной фантастики, основанной на мысли, которая была изначально выдвинута в кандидатской диссертации американского физика Хью Эверетта.
В этой «многомировой интерпретации» нет коллапса волновой функции. Вместо этого любой исход случается с соответствующей вероятностью, описываемой уравнением Шрёдингера. Так, к примеру, в опыте с двумя щелями нет необходимости в волнах вероятности, проходящих через две щели. Вместо этого частица проходит через каждую
«СБРИТЬ» ИНТЕРПРЕТАЦИЮ
Хотя нельзя отличить это представление от вариантов копенгагенской интерпретации, трудно упускать из внимания тот факт, что оно не проходит проверку принципом «бритвы Оккама», утверждающим, что правильная теория должна быть наиболее простой из всех доступных.
110


Согласно многомировой интерпретации, существуют две параллельные вселенные, и в одной из них кот Шрёдингера жив, а в другой — мертв.
щель в разных квантовых вселенных — и между этими разными вселенными происходит интерференция. По сути, каждая квантовая вероятность влечет за собой возникновение отдельной вселенной, и в каждой вселенной происходит тот или иной возможный исход.
«Бритва Оккама» — труд английского монаха Уильяма из Оккама, жившего в XIII—XIV вв. Название деревни, в которой, как считается, он родился, сегодня пишется как «Окхем», но в названии принципа обычно используется латинизированный вариант написания.
111


КВАНТОВОЕ
ТУННЕЛИРОВАНИЕ
Если квантовая теория верна, то можно ожидать от таких квантовых частиц, как атомы, очень странного поведения.
Поскольку положение квантовой частицы —лишь набор вероятностей, которые распространяются со временем, она может оказаться по другую сторону барьера без какого бы то ни было прохождения через него — как если бы машина внезапно выпрыгнула за пределы гаража, в котором она стояла. Поскольку возможные положения распространяются, со временем они дойдут до границы, давая частицам небольшой, но реальный шанс находиться по другую сторону барьера. Это «квантовое туннелирование» не только неоднократно наблюдалось в экспериментах, но и использовалось в электронике, а еще само наше существование зависит от него.
Если бы не было солнечной энергии, жизнь на Земле никогда бы не возникла и не развилась. В свою очередь, Солнце, как и все звезды, не работало бы без квантового туннелирования, потому что даже при колоссальных значениях температуры и давления в недрах звезд ядра атома водорода не могут приблизиться друг к другу достаточно близко, чтобы преодолеть
Последовательность кадров, на которых изображена частица, приближающаяся к барьеру с распространяющимся слева направо облаком вероятности, которое в конечном итоге протягивается за барьер.
112


«Квантовое туннелирование» — это не вполне корректный термин. В действительности частица не проходит через барьер, как по туннелю, а просто возникает на другой стороне.
отталкивание, создаваемое их положительными зарядами, и слиться. А слияние происходит только потому, что ядра имеют небольшую вероятность прохождения через барьер отталкивания.
Поскольку вероятность туннелирования мала, только небольшому проценту ядер удается пройти через этот барьер. Однако Солнце содержит настолько огромные запасы водорода, что каждую секунду удается туннелировать миллионам тонн водорода.
Эффекты квантового туннелирования участвуют в таком биологическом процессе, как фотосинтез, и используются в некоторых электронных устройствах.
Солнце не могло бы давать энергию слиянием ядер, если бы не квантовое туннелирование.
113


БЫСТРЕЕ СВЕТА
Одним из наиболее удивительных следствий квантового туннелирования является возможность передачи информации со скоростью, большей, чем скорость света, на очень короткие расстояния — то, что было бы невозможно осуществить другим способом, согласно специальной теории относительности Эйнштейна, которая не допускает коммуникации со сверхсветовыми скоростями.
Это возможно, потому что туннелирование происходит сразу, и становится понятным, когда вы вспоминаете, что именно происходит в течение туннелирования: частица на самом деле не проходит через барьер; существует вероятность, что она уже находится по другую сторону от барьера.
В сверхсветовых экспериментах по барьеру стреляют частицами, например фотонами. Большинство из них отталкиваются назад, но некоторые «перескакивают» через барьер. Поскольку время, которое им требуется, чтобы пройти через барьер, равно нулю, то их средняя скорость движения через всю установку должна превышать скорость света. Представьте, например, установку, где свет проходит
В одном сверхсветовом эксперименте микроволновое излучение перемещается через щель между двумя большими призмами, когда оно по идее должно быть заключено в одной из призм полным внутренним отражением.
114


После того как немецкому профессору Гюнтеру Нимцу сообщили, что никакая информация не может быть передана через сверхсветовой эксперимент, он продемонстрировал эффект с записью 40-й симфонии Моцарта, распространяющейся в четыре раза быстрее скорости света. См.: http:// universeinsideyou.com/experiment7.html. (Однако бытует мнение, что профессор Нимц не учел важные законы волновой оптики, поэтому получил «сверхсветовую скорость». — Прим, пер.)
расстояние 1 мм обычным образом, а потом мгновенно проходит через щель толщиной тоже в 1 мм. В результате эти фотоны проходят 2 мм за то же самое время, за которое свет проходит 1 мм — то есть их скорость в два раза превышает скорость света. Однако этот эффект слишком малозначителен для того, чтобы сделать что-либо с возможностями сверхсветовой передачи сигналов, которая как будто изгибает время.
Квантовые частицы должны отражаться внутри одной из призм, и большинство из них отражаются, но некоторые перемещаются через щель, осуществляя сверхсветовой проход.
115


РАЗДЕЛ 5


ВЫРУЧАЮЩИМ ПРИНЦИП ПАУЛИ
Нильс Бор использовал самые ранние идеи квантовой физики, чтобы построить модель атома водорода, которая, казалось, работала безотказно, но когда он попытался продолжить ее до других химических элементов, возникли проблемы (см. с. 74).
В атоме Бора имелся просто набор орбиталей, между которыми электрон мог «перепрыгивать». Но более тяжелые элементы имели большое количество дополнительных линий всвоих спектрах, которые можно было бы объяснить более сложной структурой. Вместо одного числа (фактически числа разрешенных орбиталей) экспериментальные данные свидетельствовали, что требовалось це-
Волырганг Паули был удостоен Нобелевской премии в 1945 г. «за открытие принципа запрета, который называют также принципом запрета Паули».
лых четыре разных параметра для установления уровня энергии орбитали, которую электрон мог занять. Позднее их назовут квантовыми числами.
Австрийский физик Вольфганг Паули предложил, что в одном и том же атоме любые два электрона не могут иметь один и тот же набор значений квантовых чисел.
Паули известен почти так же хорошо в кругах психоаналитиков, как и среди физиков. После того как у него случился нервный срыв, он стал одним из пациентов Карла Юнга, но вскоре сам стал помогать Юнгу в разработке его теорий.
118


Принцип Паули позволяет на каждой орбитали энергетического уровня находиться только двум электронам: одному со спином, направленным вверх, а другому — со спином, направленным вниз.
ИСКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ АТОМЫ
Принцип запрета Паули объясняет, почему атомы с большим количеством электронов не приходят в состояние со всеми электронами на одной и той же орбитали, даже с более низким энергетическим уровнем. Число электронов, оставленных на внешней орбитали, или «оболочке», устанавливает химические свойства данного элемента.
Спектр излучения железа имеет огромное количество линий, каждая из которых возникает в результате отдельного электронного перехода, указывая на более сложную электронную структуру, чем предсказывала модель Бора.
119


ДИРАК И ТЕОРИЯ
ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
В 1933 г. Поль Дирак разделил с Шрёдингером Нобелевскую премию по физике «за открытие новых плодотворных форм атомной теории».
Последним из когорты первых квантовых революционеров стал английский физик Поль Дирак.
До того как уравнение Шрёдингера стало широко применяться, физики были знакомы и с другим научным вкладом Эйнштейна, сделанным им в 1905 г., — специальной теорией относительности. Она показала, что пространство и время тесно связаны, что повлекло за собой необходимость в пересмотре законов движения Ньютона. Когда объект двигается очень быстро (со скоростью, близкой к скорости света) такие величины, как пройденное расстояние и импульс, должны быть изменены в зависимости от движения объекта относительно наблюдателя.
Дирак вывел знаменитое уравнение в своем кабинете в колледже святого Иоанна, Кембридж.
120


Космические корабли: один движется с обычной скоростью, а другой — со скоростью, близкой к скорости света. На нижнем рисунке часы идут медленнее; он сжат в направлении движения и имеет гораздо ббльшую массу1.
Специальная теория относительности показывает, что на время, импульс и другие величины влияет относительное движение.
Отец Дирака, родившийся в Бристоле, был швейцарцем и разговаривал с ним только на французском, тогда как его мать разговаривала только на английском. Когда Дирак был ребенком, он думал, что мужчины и женщины разговаривают на разных языках.
Хоть уравнение Шрёдингера находилось в центре новой физики XX в., оно было «классическим» в том смысле, что использовало законы Ньютона, а не законы, модифицированные специальной теорией относительности. Проблем с ним не
1 Среди ученых также существует мнение, что масса не зависит от скорости. — Прим. пер.
121


было, когда имели дело с медленно движущимися частицами, но, к примеру, электроны часто двигаются с околосветовыми скоростями. Работая в одиночку в своем кабинете в Кембридже, Дирак вывел новое уравнение для электрона, которое добавило в рассмотрение релятивизм. Однако для этого он должен был сделать странное предположение.
БЕСКОНЕЧНОЕ МОРЕ
Уравнение Дирака проделало большую работу в предсказании поведения электронов, но оно также утверждало, что электроны могут иметь уровни как с положительной, так и с отрицательной энергией. Если бы это было так, то ничто бы не препятствовало тому, чтобы электроны «прыгали» на все и более и более низкие отрицательные уровни, излучая бесконечное количество энергии. Впрочем, это не было подтверждено экспериментально: каждый когда-либо наблюдавшийся электрон имел положительную энергию.
Менее выдающиеся физики могли бы отклонить это уравнение, но Дирак был уверен, что оно было правильным, и искал выход из проблемы. Он высказал предположение, что Вселенная содержит «бесконечно глубокое море» отрицательно заряженных электронов, заполняющее все возможное пространство. В силу принципа Паули это означало, что электрон никогда не сможет упасть на такой же отрицательно заряженный объект.
В Большом адронном коллайдере, который находится в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, от фр. CERN — Conseil Еигорёеп pour la Recherche Nucteaire) в Женеве, Швейцария, многие частицы создаются энергичными столкновениями.
122


[рте2 + с v(x,t) =
Уравнение Дирака.
Дирак был печально известен своим неумением вести себя в обществе. Однажды, после лекции Дирака во время вопросов со стороны аудитории, кто-то сказал: «Я не понимаю, как Вы получили выражение в правом верхнем углу доски». Дирак ничего не сказал. В конце концов после длинной неприятной паузы Дирак ответил: «Это утверждение, а не вопрос».
ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ «ДЫРКИ»
Для этого «наполненного моря» было одно исключение: время от времени электрон с отрицательной энергией мог быть поднят на положительный уровень падающим светом, оставляя позади себя «дырку», которая могла быть потом занята другим обычным попавшим в нее электроном. Такой процесс представлял собой способ экспериментальной проверки концепции Дирака.
Под сплошной линией находится «бесконечно глубокое море» электронов с отрицательной энергией. Влетающий фотон может выбить один из них, оставив этот выбитый электрон и «дырку».
123


Первый позитрон был обнаружен с использованием туманной камеры, в которой частицы оставляют след из капелек воды. Искривленные линии показывают траектории электрона и позитрона, отклоненных в противоположных направлениях в магнитном поле.
ПРОПУСТИТЬ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО
По иронии судьбы Дирак не заметил первое свидетельство, поддерживающее его теорию. В 1931 г. американский физик Карл Андерсон впервые обнаружил позитрон в космических лучах — высокоэнергичных потоках частиц из космоса, достигающих поверхности Земли. Работа Андерсона была представлена на семинаре в Кембридже, но в то время Дирак проводил отпуск в Америке.
ВВЕДЕНИЕ ПОЗИТРОНА
Хотя поиск одной-единственной «дырки» в «бесконечном море» мог бы показаться сверхсложной задачей, Дирак понял, что отсутствующий электрон может проявлять себя абсолютно так же, как и детектируемая положительно заряженная частица. Он изначально думал, что это протон, но вскоре понял, что частица должна обладать такой же массой, как и электрон. Это было первое предположение о существовании антиматерии, и согласно ему антиэлектрон, или позитрон, может быть обнаружен, поскольку он, опять же, имеет массу, равную массе
124


Энергия фотона преобразуется в массу электрона и позитрона. Для этой реакции требуется находящееся поблизости ядро, чтобы обеспечить сохранение импульса.
Первые частицы антивещества: каждая частица вещества имеет соответствующую частицу антивещества с такой же массой, но отличается одной или большим количеством характеристик.
Карл Андерсон был аспирантом у американского физика Роберта Милликена, который доказал, что Эйнштейн был прав в своей интерпретации фотоэффекта (см. с. 72). Именно Милликен провел семинар, который пропустил Дирак.
электрона, но будет отклоняться электромагнитным полем в противоположном направлении.
Хоть необходимость в «бесконечном море» была позже устранена квантовой теорией поля, уравнение Дирака и антиматерия имели долговечное наследство.
Вещество
Электрон
Протон
Нейтрон
Масса (кг)
9,109-10-”
1,673-1 О*27
1,675-1 О'27
Заряд (в единицах элементарного заряда)
-1
1
0
Магнитный момент (в единицах ядерного магнетона)
-1,001
2,793
-1,913
Антивещество
Позитрон
Антипротон
Антинейтрон
Масса (кг)
9,109-10-”
1,673-1027
1,675-10’27
Заряд (в единицах элементарного заряда)
1
-1
0
Магнитный момент (в единицах ядерного магнетона)
1,001
-2,793
1,913
125


ПОЛЯ ПОВСЮДУ
Некоторые физики считают, что самый лучший способ представления Вселенной — это рассмотрение ее как набор полей, известный как «балк».
До ЗО-х гг. XX в. квантовая физика рассматривала изучаемые объекты как волны или частицы, но теперь был добавлен третий способ их описания, допускающий математический подход, — это поля.
Идея поля была предложена Майклом Фарадеем в XIX в. Оно было похоже на контурную карту, которая показывает уровень для некоторой величины в каждой точке местности, но работает в трех измерениях в пространстве и в одном— во времени.
Поскольку у квантовых частиц есть только вероятность нахождения в определенном месте, квантовое поле для каждого положения имеет набор вероятностей, а не одно значение.
126


ПОЛЯ —ЭТО МОДЕЛИ
Необходимо подчеркнуть, что в действительности свет, как и вещество, не является ни частицей, ни волной, ни возмущением в поле, потому что и частицы, и волны, и поля — это просто модели, помогающие нам понять и предсказать характер квантовых явлений. Но на самом деле свет — это просто свет.
Согласно квантовой теории поля, вся Вселенная пронизана некоторым количеством полей — к ним относится, например, электромагнитное поле. Вместо волн или частиц свет мог рассматриваться как распространяющаяся флуктуация электромагнитного поля. Такое описание оказалось весьма полезным прорывом в способности предсказания поведения квантовых явлений.
Контуры на карте местности соединяют точки с той же самой высотой. Фактически здесь изображено «поле высоты».
127


КВАНТОВАЯ
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
Начатая Полем Дираком работа стала развиваться независимо от него благодаря трудам трех ученых — Ричарда Фейнмана и Джулиана Швингера в США, а также Синъитиро Томонаги в Японии — в работающую теорию взаимодействия света и вещества, известную как квантовая электродинамика, или КЭД.
Хотя, строго говоря, КЭД является теорией поля, ее можно рассматривать (не углубляясь в математику) как теорию, которая объясняет всевозможные взаимодействия между светом и веществом и между веществом и веществом, составляющие большую часть нашего опыта познания мира вокруг нас, с ис-
ЗАМЕЧАТЕЛЬНАЯ ТОЧНОСТЬ
КЭД является невероятно эффективной теорией, задавая значения величин, настолько близкие к результатам экспериментов, что Фейнман уподобил расчетам в этой теории вычисление расстояния от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса с точностью в толщину человеческого волоса.
Фейнман, Швингер и Томонага были удостоены Нобелевской премии по физике в 1965 г. за КЭД.
128


пользованием квантовых
частиц.
На вводной лекции по КЭД Ричард Фейнман сказал: «Хочу отметить, что свет распространяется именно в этой форме — в форме частиц. Важно понимать, что свет ведет себя как частица, особенно тем, кого в школе учили, что свет ведет себя как волна. Я рассказываю о том, как именно он себя ведет, и он себя ведет как частица».
КЭД описывает взаимодействие света и вещества, которое лежит в основе большинства часто встречающихся физических взаимодействий.
Фейнман стал знаменитым также благодаря тому, что выяснил причину крушения космического челнока «Челленджер», бросив во время телетрансляции официальных слушаний набор колец резинового уплотнителя в свой стакан с ледяной водой и показав, как эти кольца потеряли упругость.
ФУРГОН ФЕЙНМАНА
Из трех физиков, которые были удостоены Нобелевской премии за КЭД, Ричард Фейнман был как наиболее харизматичным, так и способным лучше всех преподносить квантовую физику широкой аудитории. Особое внимание, которое он уделял объясне-
129


нию, наиболее наглядно проявляется в разработке диаграммы Фейнмана — способа представления квантовых взаимодействий как серии линий на пространственно-временном графике.
Диаграммы Фейнмана не только оказались полезными как исследования того, что происходит при взаимодействии квантовых частиц, но также сыграли роль в вычислениях, которые обычно сопровождают квантовую физику, поскольку они представляют собой наглядные варианты математических формул. Вероятность определенного исхода может быть рассчитана как сумма вероятностей различных возможных диаграмм Фейнмана (на практике рисуются не все диаграммы; они обычно добавляются до тех пор, пока вклады следующих диаграмм становятся достаточно маленькими, чтобы ими можно было пренебречь).
Похожие на паутину диаграммы стали «визитной карточкой» Фейнмана, поскольку ученый гордо разъезжал по территории Калтеха—Калифорнийского технологического института—на своем фургоне, который был ими разрисован.
ПРОХОДЯ ПО КАЖДОМУ ПУТИ
Столь значимая роль диаграмм Фейнмана в КЭД поражает, однако сам метод довольно прост. Допустим, две частицы сближаются и рассеиваются, отскакивая друг от друга вследствие электромагнитного отталкивания. Классическая физика изображает их как два бильярдных шарика, движущихся прямоли-
Фейнмана не впечатляла «высокая» культура, но он с энтузиазмом играл в барабаны бонго.
Ричард Фейнман был лектором с мировым именем: его лекции по физике были собраны в так называемую «красную книгу» и стали классическими в своей области.
130


На диаграмме Фейнмана частица, такая как электрон, изображается прямой линией, а фотон — волнистой. По условию время течет по странице снизу вверх, а пространственная координата увеличивается слева направо.
нейно и отталкивающихся друг от друга на тот же самый угол рассеяния. Однако квантовый мир гораздо сложнее.
Картина с бильярдными шарами дает одну диаграмму Фейнмана, но есть еще множество других, в которых, к примеру, углы рассеяния не совпадают или одна частица делает крюк вокруг Солнца и потом сталкивается с другой. В принципе любая возможная траектория учтена, однако некоторые из этих траекторий настолько маловероятны, что ими можно пренеб-
131


Бильярдные шары после столкновения двигаются по прямолинейным симметричным траекториям.
речь; другие взаимоисключаемы, — и окончательным результатом становится ожидаемое поведение бильярдных шаров. Разумеется, нарисовать все возможные диаграммы Фейнмана невозможно, но если придерживаться траекторий с высокой вероятностью, то можно вывести результат.
МАГИЧЕСКОЕ ЗЕРКАЛО
Реальность странных траекторий может быть продемонстрирована с помощью зеркала и луча света. В школе нас учили, что свет отражается от зеркала под тем же углом, под каким он падает. Однако в действительности это происходит только потому, что фотоны имеют такое свойство, как фаза, которая немного подобна тому, как если бы каждый фотон носил часы с быстровращающимися стрелками. Если стрелки часов разных
132


НЕОБХОДИМОЕ УСЛОЖНЕНИЕ
Если все, кроме ожидаемого поведения, уже устранено, то зачем вообще вводить дополнительные траектории? Очень скоро становится ясно, что эти «ненужные» пути реально существуют — и именно они объясняют, какими странными способами квантовые частицы себя ведут.
фотонов направлены в одну и ту же сторону в одной и той же точке пространства в одно и то же время, то частицы находятся в фазе и усиливают друг друга. Если они находятся в противофазе, то они гасят друг друга (то есть фаза описывает то, как частицы создают волновые свойства).
Все частицы, отражающиеся под странными углами, имеют фазы, которые гасят эти частицы, поэтому в результате получается ожидаемое классическое отражение. Но если из зеркала вырезать полосы определенной толщины, то фотоны будут отражаться под совершенно неожиданным углом, поскольку фазы при этом новом угле больше не будут друг друга ком-
Диаграммы Фейнмана потребовали полного пересмотра традиционных подходов в оптике.
В классической физике зеркало отражает свет строго под тем же углом, под каким он на него падает.
133


Радуга, которая видна, если смотреть под углом на CD- или DVD-диск, вызвана этим эффектом: маленькие углубления на его поверхности работают как удаленные полосы.
пенсировать. Поскольку скорость изменения фазы зависит от частоты, а следовательно, и от цвета, лучи разных цветов отражаются от такого зеркала под разными углами.
Слово «линза» образовано из латинского слова lentil, что означает «чечевица», потому что форма собирающей линзы напоминает форму известного боба.
КВАНТОВЫЕ ЛИНЗЫ
Работа Фейнмана по КЭД показала, что все свойства света, которые нуждались в волновом описании, могут быть объяснены с использованием модели частиц. Хорошим примером является линза, которая, кажется, ведет себя странно при рассмотрении света как частиц.
Если линзы нет, то фазы на всех странных лучах гасят друг друга, давая луч света, который идет по самому простому пути — по прямой из точки А в точку В (заметим, что пути не обязательно должны быть прямыми линиями, но произвольные волнистые пути стремятся погасить друг друга).
Причиной взаимного уничтожения непрямых путей света друг другом является различие их фаз, потому что эти пути фотоны прошли за разное время. А при наличии линзы на пути разных фотонов помещается стекло разной толщины, и поскольку свет распространяется в линзе медленнее, чем в воздухе, больше стекла означает больше времени его прохождения.
134


В результате свету требуется одинаковое время, чтобы пройти по всем участкам — и все лучи света выходят из линзы в фазе и складываются вместо того, чтобы гасить друг друга.
ПЕРЕНОРМИРОВКА
Хотя КЭД оказалась весьма эффективной, она вызвала затруднения. Когда разные вероятности для некоторых квантовых измерений были сложены вместе, эта сумма ушла в бесконечность. Это может случиться с электрическим полем электрона. Напряженность его поля обратно пропорциональна квадрату расстояния до центра частицы. Поскольку диаметр электрона равен нулю, его электрическое поле, действующее на него же, становится значительно больше при движении к его центру, быстро возрастая до бесконечности.
Встретившись с теорией, которая работала очень хорошо во многих отношениях, но иногда расходилась сама с собой, теоретики, работающие в области КЭД, прибегли к решению, которое стало известным, как перенормировка. Фактически они Принято считать, что когда физики сталкиваются с бесконечностью, она показывает пределы возможности их теорий, — однако мы до сих пор не знаем наверняка, конечна Вселенная или бесконечна.
заменили эти неудержимые значения правильными результатами из наблюдений. Только относительно немного значений пришлось добавить вручную, и после перенормировки у КЭД по-прежнему было много предсказаний, которые соответствовали экспериментам лучше, чем любая другая теория.
ПОХОЖИЕ РЯДЫ
Неожиданные бесконечности немного похожи на то, с чем можно столкнуться при суммировании двух очень похожих рядов чисел. Если вы сложите такой бесконечный ряд дробей:
1 + 1/2+ 1/4+1/8...,
то в сумме будет 2. Если же вы посчитаете сумму этого ряда: 1 +1/2+ 1/3+ 1/4...,
то получите бесконечность.
135


ПОЛЯРИЗАЦИЯ
Важным квантовом свойством фотона является его состояние поляризации. Подобно тому, как фаза проявила себя в поведении как у волны, так и с поляризацией ученые были знакомы задолго до квантовой физики.
Поляризация фотона по сути означает, что с ним связано определенное направление. Квантовые подробности более сложны: они требуют для ее описания целых четыре величины, поскольку поляризация может изменяться со временем, но проще думать о ней как о некотором направлении.
Обычно луч света содержит фотоны со случайными значениями поляризации, но некоторые материалы, которые действуют как оптические щели, через которые могут пройти только фотоны, поляризованы в определенном направлении.
Поляризация — это поистине квантовое свойство. Если мы пропустим фотоны через три поляризационных фильтра,
Исландский шпат, прозрачная форма минерала кальцита, преломляет свет под разными углами в зависимости от состояния поляризации. В результате видно несколько изображений.
136


расположенных таким образом, как показано на схеме внизу, некоторые из них смогут пройти через всю эту систему, и это несмотря на то, что плоскости поляризации фильтров наклонены друг к другу под углом 90°. Это происходит потому, что средний фильтр дает фотоны, которые находятся в суперпозиции состояний с горизонтальной и вертикальной поляризацией.
Инженер Эдвин Лэнд бросил учебу в Гарварде в 18 лет. В то время он уже проявлял интерес к явлению поляризации. В его лаборатории, находящейся в гараже, он создал пластинку из пластика с вставленными в нее маленькими поляризующими кристаллами, позже ставшую известной как поляроид.
Передний фильтр пропускает все фотоны, поляризованные горизонтально. Средний наклоненный фильтр не пропускает фотоны, поляризованные ни горизонтально, ни диагонально, иначе бы за этим фильтром все фотоны были бы поляризованы горизонтально и не смогли бы пройти через вертикальный фильтр. Вместо этого он переводит горизонтально поляризованные фотоны в фотоны, находящиеся в суперпозиции состояний с горизонтальной и вертикальной поляризацией, позволяя некоторым из них проходить через задний фильтр.
137


ПУТЕШЕСТВЕННИКИ
ВО ВРЕМЕНИ
Квантовые частицы, размеченные диаграммами Фейнмана, не только могут двигаться по любому пространственному пути, но также способны пойти по любому маршруту во времени.
Типичным квантовым взаимодействием является поглощение электроном фотона, после которого чуть позже электрон испустит фотон. Этот процесс является ответственным за все—от голубого неба, которое мы видим над собой, до отражения света от предметов. Но в «правилах» не сказано, что электрон не может излучить фотон, пройти немного назад во времени, поглотить фотон и затем продолжить путешествие вперед во времени.
Электрон, идущий назад во времени, оказывается физически идентичным позитрону, идущему вперед во времени, так что такой на первый взгляд невозможный сценарий может рассматриваться как начинающийся с генерации электрон-позитронной пары энергией фотона. Только что образованный позитрон — частица антиматерии, эквивалент электрона, которую предсказал
Когда свет отражается от некоторого предмета, он на самом деле им поглощается, переводя электроны на более высокие орбитали, чтобы затем излучиться снова.
Позитрон можно представить как электрон, путешествующий назад во времени. Он изображен на этой диаграмме Фейнмана прямой линией, находящейся в центре.
138


РЕАЛЬНОСТЬ АНТИЧАСТИЦ
Все античастицы могут быть представлены на диаграмме Фейнмана как «нормальные» частицы, идущие назад во времени. Фейнман высказал предположение, что идущий назад во времени электрон так же реален, как и позитрон, но поскольку по нашему опыту мир движется вперед во времени, мы наблюдаем только позитрон.
Дирак (см. с. 122), — объединяется с электроном, который был с самого начала, чтобы создать новой фотон, тогда как электрон из пары остается. Так что мы и начинаем, и заканчиваем описание с фотоном и электроном.
Большинство физиков, если их спросить, скорее всего, сознаются, что не верят, что на самом деле позитрон — это электрон, путешествующий назад во времени. Однако при работе с вычислениями, лежащими за диаграммами Фейнмана, использование такой картины полезно, подобно тому как мнимые числа используются в уравнении Шрёдингера.
Наверно, путешествие во времени, каким оно описывается в научной фантастике, невозможно, но известные нам законы физики не исключают таких путешествий.
139


ОПЕРЕЖАЮЩИЙ
И ЗАПАЗДЫВАЮЩИЙ
СВЕТ
Фейнман создал также другой способ рассмотрения квантовых событий, искривляющий время. Уравнения Максвелла для электромагнетизма имели два решения, описывающие два разных типа электромагнитных волн: запаздывающие, которые мы знаем из опыта, и опережающие, которые распространяются назад во времени от приемника до источника. Решение в виде опережающих волн просто не принимали во внимание, потому что казалось, что оно никак не связано с реальностью.
Как и его бывший научный руководитель, американский физик Джон Уиллер, Фейнман предположил, что эти опережающие волны существуют на самом деле. Они преодолевают возможную проблему, когда электрон испускает фотон — отдача электрона, возникающая из-за сохранения импульса (подобно
140


Как и Фейнман, Джон Уиллер был выдающейся личностью. Часто говорят, что он ввел термин «черная дыра», но на самом деле он просто сделал его популярным после того, как тот был использован неизвестным докладчиком на конференции.
Два фотона распространяются в противоположных направлениях, а опережающий фотон летит назад во времени.
отдаче ружья, когда оно выстреливает пулю), вроде бы должна производить своего рода эффект обратной связи, в результате которого электрон перейдет на один из уровней с бесконечной энергией, однако на практике это не наблюдается.
Уиллер и Фейнман предположили, что в этом случае испускаются два фотона: опережающий фотон идет назад во времени от конечного пункта запаздывающего фотона, вызвавшего отдачу, к электрону, устраняя обратную связь.
Тогда каждый фотон имеет половину наблюдаемой энергии, а из-за их противоположного движения и во времени, и в пространстве оба фотона будут в одном и том же месте в одно и то же время. Результат нельзя отличить от того, что дает одиночный обычный фотон, — но тогда всем решениям уравнений Максвелла находится объяснение, а неудобное бесконечное значение устраняется.
В принципе, опережающая волна дает хитрый механизм передачи сообщений в прошлое, но чтобы заставить его работать, нужно найти область пространства, свободную от предметов, поглощающих свет, и обладать способностью управлять поглощающими предметами на больших расстояниях — вносить их в пучок света и выносить.
141


АМПЛИТУЭДР
Диаграммы Фейнмана также могут использоваться для описания более сложных взаимодействий между квантовыми частицами, например рассматриваемых в квантовой хромодинамике (КХД), описывающей взаимодействие кварков и глюонов — фундаментальных частиц, которые составляют протоны и нейтроны (см. раздел 7). На деле, однако, взаимодействия настолько сложны, что набор диаграмм, которые надо рассмотреть, становится не поддающимся обработке.
Хотя КХД по-прежнему находится в процессе разработки, существует замена диаграммам Фейнмана для более сложных взаимодействий — и это амплитуэдр. В его основе лежит математическая структура, называемая грассманианом, который описывает пространство внутри треугольника. Когда он был расширен до нескольких измерений, чтобы обхватить пространство, описываемое пересекающимися плоскостями, получилось что-то вроде «гипер-диаграммы» Фейнмана, которая сразу может касаться нескольких свойств взаимодействия частиц.
Грассманиан назван в честь Германа Грассмана, математика и лингвиста XIX в.
Шагом на пути к разработке амплитуэдра было создание сети из взаимодействий частиц в особом типе геометрии пространства-времени, известном как пространство твисторов.
142


Взаимодействие кварков и глюонов в представлении художника.
ЗАСТАВЛЯЯ РАБОТАТЬ
Один амплитуэдр соответствует не одному расчету, как диаграмма Фейнмана, а сотням страниц вычислений одновременно. Известно, что такая структура может работать. Что еще до сих пор не сделано, так это простой механизм конструирования таких амплитуэдров. Также нужно сделать их такими же простыми в использовании, как диаграммы Фейнмана.
143


КВАНТОВОЕ ВРАЩЕНИЕ
КЭД сделала понимание квантового мира более ясным, однако по-прежнему оставались некоторые моменты, которые считались совершенно таинственными. В этой главе основное внимание уделяется квантовой запутанности — особенности квантового мира, которую Эйнштейн назвал «жуткой».
Чтобы понять странности запутанности, нужно прочувствовать одно из свойств квантовых частиц — спин, или вращение. Понятие вращения кажется ясным. Мы привыкли к вещам, вращающимся вокруг своей оси, — будь то вращающаяся Земля или крученый теннисный мяч. Квантовый спин так назвали, потому что считалось, что он аналогичен знакомому явлению. Но, как это часто бывает, в квантовом мире все оказывается иначе.
Если измерить направление спина квантовой частицы, то он окажется направленным либо вверх, либо вниз. До проведения измерений частица находится в суперпозиции этих состояний: вместо определенного значения все, что существует, — это вероятность. Так, для выбранного в измерениях направления спин частицы, например, может быть с вероятностью 40% направлен вверх, а с вероятностью 60% — вниз.
Суперпозиция немного похожа на отсутствие нашего знания о том, какой стороной упадет подброшенная монета, до того, как мы на нее посмотрим. Мы говорим, что шанс выпадения орла или решки составляет 50 на 50, но на самом деле у монеты имеется лишь одно «значение» —
Знакомые объекты могут вращаться вокруг своей оси, направленной в любую сторону.
146


Эйнштейн назвал квантовую запутанность "spukhafte Fern- wirkung", что можно приблизительно перевести как «жуткое действие на расстоянии».
либо орел, либо решка, — просто мы не знаем наверняка, что это за значение, тогда как в суперпозиции квантовых состояний, опять же, существует только вероятность. Частица не находится ни в одном из указанных состояний до тех пор, пока не будет проведено измерение, когда она придет либо в состояние «вверх», либо в состояние «вниз», но мы можем посчитать вероятность каждого возможного исхода.
Квантовый спин часто измеряется с использованием так называемого опыта Штерна — Герлаха, названного в честь двух немецких физиков, Отто Штерна и Вальтера Герлаха, которые поставили этот опыт в 1922 г. В рамках этого опыта частицы проходят между двумя магнитами особой формы, создающими неоднородное магнитное поле, которое расщепляет пучок частиц с противоположными спинами на два пучка, в каждом из которых направления всех спинов одинаковы.
У квантового спина есть некоторые сходства с обычным вращением, но здесь при измерении ось вращения будет всегда направлена либо вверх, либо вниз, а перед тем, как спин частицы будет измерен, она находится в суперпозиции обоих состояний.
147


ТАИНА ОКОН
Другим персонажем рассказа о запутанности ясно демонстрируется следующее. Если ночью посмотреть на окно комнаты, в которой горит свет, то изнутри помещения вы увидите отражение комнаты в стекле. Но если выйти на улицу, можно взглянуть внутрь комнаты. Некоторая часть света из комнаты отражается от стекла обратно, тогда как больше всего света проходит прямо на улицу. Когда фотон подходит к стеклу, как он знает, что ему нужно — отразиться или пройти насквозь? Что еще более странно, толщина стекла влияет на то, с какой вероятностью свет отражается назад от внутренней поверхности, и это несмотря на то, что фотон понятия не имеет, насколько стекло толстое.
Некоторая часть света из комнаты отражается назад, тогда как оставшаяся часть проходит через стекло — все полностью зависит от вероятности.
148


Когда свет, идущий из комнаты, попадает на оконное стекло, обычно 4% от него отражается обратно в комнату.
Днем и ночью от окна обратно в комнату отражается одинаковое количество света, но днем эта доля света незаметна, потому что она незначительна по сравнению с гораздо более ярким светом с улицы.
Ньютон, считавший, что свет — это поток частиц, не смог объяснить избирательное отражение. Сначала он подумал, что оно возникает из-за царапин на стекле, но полирование не ослабляло эффект. Сейчас мы знаем, что это квантовый эффект. «Решение» фотона отразиться или пройти насквозь не имеет никакого отношения к состоянию стекла, а полностью зависит от вероятности.
Но толщина стекла имеет значение, потому что вероятность, связанная с фотоном, простирается до задней поверхности листа из стекла, что означает, что вероятность прохождения фотона зависит от толщины стекла.
149


СВЕТОДЕЛИТЕЛИ
Стекло в типичном окне, которое отражает некоторую часть света и позволяет оставшемуся свету пройти сквозь него, является простым примером прибора, часто используемого в квантовой физике и называемого светоделителем. В экспериментах лист стекла-светоделителя не очень удобен, поскольку почти весь свет пропускается им, тогда как неэффективное в пропускании зеркало является более эффективным светоделителем.
Такие светоделители часто встречаются в полицейских участках в криминальных сериалах, где их, как правило, называют двусторонними зеркалами. Это не очень удачный термин, потому что они работают как зеркала только с одной стороны,
Такое зеркало называют двусторонним, но более точно было бы сказать, что оно полупосеребренное. Отражающее покрытие (обычно из алюминия, а не из серебра) достаточно тонкое, чтобы часть света могла пройти через него.
При попадании на полупосеребренное зеркало примерно половина фотонов отражается, а другая половина проходит сквозь него.
150


Двустороннее (полупосеребренное) зеркало в полицейском участке.
в то время как при наблюдении с другой стороны они просвечивают. Такие двусторонние зеркала в обычных условиях отражают большую часть света, скрывая свои свойства, и поэтому в помещении для наблюдения требуется слабое освещение. Но для научного эксперимента идеальным является зеркало, которое отражает половину падающего света. Более сложные светоделители, часто используемые в квантовых экспериментах сегодня, сделаны из пары призм, склеенных друг с другом, которые дают такой же эффект.
РАСЩЕПЛЕНИЕ ДЛЯ ЗАПУТАННОСТИ
Светоделители (в установке, требующей пару светоделителей) обеспечивают механизм взаимодействия фотонов, при котором они переходят в особое квантовое состояние, называемое запутанным, проявляя такое свойство, как способность мгновенно взаимодействовать на больших расстояниях.
151


ЗАДАЧИ ЭЙНШТЕЙНА
Из-за своей неприязни к вероятностным аспектам квантовой физики Эйнштейн придумал череду проблем, которые, казалось, продемонстрировали ошибочность теории. Он продемонстрировал эти проблемы Нильсу Бору на конференциях, в основном за завтраком. Прежде чем приступить к представлению докладов, Бор предпочел уединиться и поразмыслить о том, что Эйнштейн мог упустить в своих рассуждениях, что означало правильность квантовой теории.
После того как Бор отвергал его предложения на протяжении 20-х гг. XX в., Эйнштейн прекратил свою критику до 1935 г., когда он задумал окончательное нападение, использующее странную природу квантовой запутанности.
Постановка задачи, оказавшейся для Бора самой сложной, включала в себя часы в ящике, которые излучали фотон в определенное время, как будто позволяя одновременно точно измерить как энергию, так и время, что бросало вызов принципу неопределенности. На основании этого примера Эйнштейн полагал, что принцип неопределенности (см. с. 98) здесь не выполнялся, что ставило под угрозу всю основу квантовой теории. Бор весь день пытался справиться с этой проблемой, прежде чем понял, что Эйнштейн, по иронии судьбы, упустил одно следствие своей же общей теории относительности. Принцип действия этого мысленного эксперимента был основан на том, что часы совершали небольшое движение вверх, поскольку излучение фотона уменьшает энергию ящика, а энергия, как и мате-
Эйнштейн и Бор регулярно обсуждали проблемы, связанные с квантовой физикой.
152


ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Общая теория относительности Эйнштейна описывает влияние материи на пространство и время. Она предсказывает, что материя дает деформацию, или искривление, пространства-времени, в результате чего возникают эффекты гравитации. Одним из следствий этой теории является более медленное течение времени в сильных гравитационных полях, поэтому если вы будете удаляться от планеты, часы начнут идти быстрее.
рия, подвергается влиянию гравитации. Согласно общей теории относительности, это означало, что часы испытывали меньшую силу тяжести, и поэтому шли быстрее. Этот эффект давал неточность в измерении времени, что решало проблему.
Бор всегда рассматривал Эйнштейна как занозу в своих теориях. Его коллега Абрахам Пайс рассказывал, что однажды он слышал, как Бор работал над какой-то проблемой в кабинете в Институте перспективных исследований по соседству с Эйнштейном. Бор вновь и вновь бормотал себе под нос «Эйнштейн», когда смотрел в окно.
В это время Эйнштейн незаметно пробрался в комнату. Врач рекомендовал Эйнштейну не покупать табак, поэтому он решил взять немного у Бора. Для этого он подошел на цыпочках, пока Бор продолжал бормотать «Эйнштейн». Когда Эйнштейн дошел до стола, Бор в последний раз сказал: «Эйнштейн!» — и неожиданно резко повернулся, обнаружив, что объект его мыслей стоял прямо перед ним. «И они стояли там, — рассказывал Пайс, — лицом к лицу, как будто бы Бор его вызвал. Сказать, что Бор на минуту потерял дар речи, — это не сказать ничего».
После того как Эйнштейн представил проблемный эксперимент с часами, один из зрителей заметил, как он неспешно уходил с конференции «с некоторой усмешкой», тогда как Бор «с волнением бежал рядом с ним».
153


ЭПР
В 1935 г. Эйнштейн присоединился к двум молодым физикам — американцу русского происхождения Борису Подольскому и американо-израильскому ученому Натану Розену — в написании статьи, показывавшей, что квантовая физика нелепа, поскольку она предсказывала невероятные следствия квантовой запутанности. Статья стала известна по первым буквам фамилий ее авторов — ЭПР.
Как и другие проблемы, поставленные Эйнштейном прежде, она была слишком привязана к мысленному эксперименту. Исходная статья была излишне усложненной в результате использования двух разных квантовых свойств, а в упрощенной форме она включала создание двух квантовых частиц в запутанном состоянии из одной исходной. Эти частицы уходили в противоположных направлениях на большое расстояние друг от друга.
(Воображаемый) экспериментатор после этого измерял спин одной частицы и обнаруживал, что он был направлен вверх. До того как измерение было проведено, каждая частица находилась в суперпозиции состояний с направлениями спина вверх и вниз, с 50%-ной вероятностью каждого состояния. Однако поскольку спин — это физическая величина, которая сохраняется, а спина у исходной частицы не было, тогда спин второй частицы должен был сразу же быть направленным вниз,
В эксперименте из статьи ЭПР, когда две запутанные частицы находятся на расстоянии друг от друга, наблюдение одной частицы оказывает мгновенный эффект на другую.
Спин направлен вверх
✓ х
Спин направлен вниз
154


Эйнштейн, Подольский и Розен.
для того чтобы компенсировать спин первой частицы. Это, как утверждалось в статье ЭПР, было совершенно нелепо, поскольку тогда информация о состояниях частиц передавалась бы между ними мгновенно, насколько бы далеко они друг от друга ни находились — но теория относительности ограничивала скорость передачи информации до скорости света.
Настоящее название статьи ЭПР — «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?» Статья заканчивается словами: «Хотя мы таким образом показали, что волновая функция не дает полного описания физической реальности, мы оставили вопрос о существовании такого описания открытым. Мы считаем, однако, что теория подобного рода возможна». Но под «теорией подобного рода» авторы понимали такую теорию, в которой было бы возможно знать все о квантовых частицах, а не быть все время ограниченным знанием лишь вероятностей перед тем проведением измерения, как требовала квантовая теория.
Эйнштейн думал, что изначальное использование статьей ЭПР двух свойств было излишне запутанным. Позже он сказал об этом усложнении: “ist mir Wurst", что буквально означает «Мне это колбасно», то есть «Мне на это наплевать».
155


ЛОКАЛЬНОСТЬ
Эйнштейн не сделал из ЭПР окончательного удара по квантовой физике, но вместо этого предложил два возможных заключения. Ранее он заявлял, что квантовые частицы, подобные частицам из эксперимента, рассмотренного в ЭПР, не были в состоянии с вероятностью 50 на 50, а с самого начала знали, куда будет направлен их спин — вверх или вниз: эта информация должна была помещена в чем-то недоступном — в так называемых «скрытых параметрах» (см. с. 107).
Позже физики сравнивали это с доктором Бертлманом, всегда носившим носки разного цвета. Если бы вы увидели зеленый носок на одной его ноге, вы бы тотчас же узнали, что носок на другой ноге не был зеленым. Там была информация, но скрытая. В ЭПР заключалось, что либо квантовая физика была неверной и имелись такие скрытые параметры, либо была забыта локальность.
Локальность означает, что один объект не может влиять на другой на расстоянии без сообщения между ними. Локальность была причиной того, что идеи Ньютона о гравитации подвергались сомнению его современниками, высмеивавшими идею того, что Земля мо-
Джон Белл, физик из Северной Ирландии, в 1981 г. опубликовал в журнале Journal de physique статью с заголовком «Носки Бертлмана и природа реальности».
Если мы знаем, что один носок доктора Бертлмана—зеленый, то можем точно сказать, что другой — не зеленый, даже если мы никогда его не видели.
156


В природе что-то движется из пункта А в пункт В, чтобы вызвать действие на расстоянии.
жет быть притягиваема Луной на расстоянии, называя это оккультным эффектом. Физики вздохнули с облегчением, когда общая теория относительности дала объяснение механизма гравитации, который не требовал никакого «действия на расстоянии». В статье ЭПР было обдумано устранение локальности, но также было заключено, что «не может быть ожидаемо никакое разумное определение реальности, чтобы допустить это устранение».
НИКАКОГО ДЕЙСТВИЯ НА РАССТОЯНИИ
Действие на расстоянии, подобное способности двух запутанных частиц мгновенно взаимодействовать друг с другом, никогда не рассматривалось в физике как что-то нормальное. Когда мы, например, слышим кого-то с противоположного конца комнаты, звуковые волны распространяются через воздух, имеющийся там. Когда, на первый взгляд, магнит действует на расстоянии на кусок железа, притягивая его к себе, между ними имеется поток фотонов, дающий электромагнитную силу. Но для запутанности нет такого эквивалента.
157


НЕРАВЕНСТВО БЕЛЛА
Статью ЭПР, как правило, игнорировали или отмахивались от нее. Нильс Бор все время утверждал, что не понял, в чем смысл этой статьи. А поскольку квантовая физика все чаще и чаще демонстрировала представление реальности с удивительной точностью, никто не обращал на нее особого внимания. Но в 60-е гг. XX в. к этой статье обратился физик из Северной Ирландии Джон Белл, работавший в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН).
Именно Белл рассказал историю о носках своего друга доктора Бертлмана, а также был солидарен с Эйнштейном в скептическом отношении к вероятностной природе квантовой физики. Никто прежде не проводил мысленный эксперимент ЭПР, поскольку не было никакого известного способа отличить скрытые параметры от действия на расстоянии. Но в свое свободное время Джон Белл придумал сложную установку, использующую пары по-разному ориентированных детекторов, измеряющих спин, чтобы получить набор значений, кото-
Джон Белл разработал свою проверку на запутанность в ЦЕРНе, где сейчас расположен Большой адронный коллайдер (БАК, англ. Large Hadron Collider, или LHC).
158


В тесте Белла измерения проводятся над запутанными парами под разными углами.
рые показали бы в случае выхода за пределы определенного диапазона, известного как «неравенство Белла», что скрытых параметров нет, а квантовая физика смогла противостоять последнему нападению со стороны Эйнштейна. В то время было практически невозможно провести такой опыт, но почва уже была подготовлена, чтобы привлечь Эйнштейна к суду.
Белл ни в коем случае не ставил своей целью показать, что Эйнштейн был не прав. Он чувствовал инстинктивно, что логика Эйнштейна победит аргументы Бора с менее конкретным содержанием. Если уж на то пошло, он хотел видеть квантовую теорию именно такой, в каком виде ее отвергали. Однако несмотря на превосходную объективность, результаты не были
Джон Белл, физик из Северной Ирландии, в свободное время разработал тест для «жуткого соединения» в запутанности, когда работал в ЦЕРНе.
Однажды Белл сказал о роли вероятности в квантовой физике так: «Я боялся даже подумать, что это может оказаться неверным, но я знал, что это отвратительно».
159


применены в какой-то определенной области. Белл получил как раз ясные альтернативные исходы. Если бы можно было придумать опыт, удовлетворявший его проверке, то он мог бы окончательно доказать, существует «жуткое действие на расстоянии» или нет.
УДИВИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР АСПЕ
Джон Белл был теоретиком, и запутанность не имела никакого отношения к его основной работе в ЦЕРНе. А в начале 70-х гг. XX в. задачу Белла решил взять на себя молодой французский физик по имени Ален Аспе. В свободное время Аспе размышлял над практическими аспектами проверки неравенства Белла.
Позднее Аспе разработал прибор, в котором использовались два детектора, требуемые для опыта Белла. Наиболее сложной проблемой была гарантия того, что эти два детектора не обменивались информацией каким-либо иным образом, делая ненужной возможность мгновенного сообщения в запутанности. Аспе решил, что он смог обеспечить неизменную ориентацию детекторов, пока запутанные фотоны были в пути.
Когда вода не сжата, свет через нее проходит, но когда преобразователи воздействий создают давление на нее давление, то свет отражается назад.
160


Ален Acne.
Это предполагало переворачивание детекторов миллионы раз в секунду. Аспе это сделал с использованием преобразователя воздействий, подобного элементу громкоговорителя, который заставляет рупор колебаться из стороны в сторону, — он периодически сжимается и возвращается в исходное состояние. Это давление изменяло показатель преломления воды, а вследствие этого и направление распространения света через воду. Аспе использовал это для переключения направления света, проходящего между детекторами, с частотой 25 млн раз в секунду, не оставляя времени на распространение информации об их ориентации от одного конца установки до другого со скоростью света. Результаты показали, что скрытых переменных не было. Запутанность была на самом деле. Более сложные эксперименты, проведенные с тех пор, всегда подтверждали результаты Аспе.
Ален Аспе придумал свой эксперимент во время своего трехлетнего нахождения в Камеруне в качестве социального работника после присуждения ему степени доктора физики.
161


МГНОВЕННАЯ ПЕРЕДАЧА
Специальная теория относительности показывает, что ход времени зависит от относительной скорости движения — передача мгновенного сообщения между движущимися объектами может переносить его через время.
Как только люди приходили к пониманию следствий квантовой запутанности, они видели возможное приложение. Так как изменения в одной частице тут же сказываются на состоянии другой, как бы далеко они друг от друга ни находились, то кажется, что следствием этого является возможность мгновенной передачи сообщения на любое расстояние.
На Земле время передачи сообщения редко является проблемой для обычных коммуникаций, но при передаче в условиях космического пространства запутанность чрезвычайно полезна.
К примеру, при марсианских миссиях невозможно удаленно контролировать планетоход, потому что для передачи сообщения от Земли до Марса даже со скоростью света может потребоваться 20 минут. Запутанность также была бы очень ценной и на малых масштабах, в информационных технологиях, где даже ничтожная задержка в передаче информации замедляет вычислительные процессы.
Земля и Марс: станция на Земле отправляет сообщение; через 20 минут сообщение приходит на Марс; через 40 минут сообщение возвращается на Землю.
162


Поскольку время на корабле проходит медленнее, если смотреть с Земли, и наоборот, мгновенное сообщение с корабля идет в прошлое.
Печально, что хотя запутанность предполагает способ мгновенного сообщения, у нас нет возможности управлять посланной информацией, которая полностью случайна. Несмотря на многочисленные попытки найти способ контролировать эффект для этой цели, никто не смог обойти этот недостаток.
СООБЩЕНИЯ БЫСТРЕЕ СВЕТА
Удивительно, но, согласно специальной теории относительности, если бы мгновенные сообщения существовали, то имеется механизм, с помощью которого мы могли бы передавать информацию в прошлое. Специальная теория относительности гласит, что время на движущемся объекте — скажем, на космическом корабле — течет медленнее, чем в том месте, относительно которого объект движется. Так, например, если космический корабль улетает от Земли со скоростью, близкой к световой, то когда на Земле полдень, время на корабле может быть на полчаса раньше. Тогда мгновенное сообщение достигнет корабля на полчаса быстрее, чем его отправили. Эффект симметричен с обеих сторон, так что с точки зрения наблюдателей на корабле часы на Земле идут медленнее. Поэтому сообщение, отправленное с корабля в 11:30 обратно на Землю, придет на Землю еще раньше.
163


КВАНТОВОЕ
ШИФРОВАНИЕ
Запутанность не может сделать мгновенные сообщения реализуемыми, но она по-прежнему имеет возможность для впечатляющих приложений, например таких, как шифрование.
С давних времен было возможно сделать абсолютно не взламываемый шифр добавлением различных случайных элементов к каждому символу сообщения, но такой «одноразовый блокнот» может быть расшифрован только с помощью отправления ключа получателю, и всегда есть опасность перехвата. Благодаря квантовой запутанности появилась возможность создать случайный шифрующий ключ, а также сделать невозможным перехват этого ключа.
Значение величины, передаваемое между запутанными частицами, такое как «спин направлен вверх» или «спин направлен вниз», выбирается случайным образом, и это автоматически генерирует невзламываемый ключ шифрования. Пока им не поделились, значения не существует, так что нет никакого ключа, который можно было бы перехватить. И если шпион перехватит поток запутанных частиц, приводя их в определенное состояние, перед тем как они будут получены, коллапс запутанности можно будет обнаружить, а сообщение — остановить до утечки информации.
Шифрование, подобное используемому в машинах «Энигма» Второй мировой войны и веб-сайтах с защищенным доступом, теоретически может быть взломано, поскольку оно основано на алгоритмах и математических ключах. Шифрование, обеспечиваемое одноразовым ключом, полностью случайно.
164


Шифрование, используемое в Интернете, в высшей степени безопасно, поскольку оно предполагает поиск делителей больших чисел, но оно взламываемо.
Классический невзламываемый одноразовый ключ был разработан американским инженером Гилбертом Бернамом и будущим офицером сигнального корпуса армии США Джозефом Моборном в начале XX в., но без преимущества распределения квантовых ключей.
165


ЗАПУТАННЫЕ СПУТНИКИ
Использование шифрования, основанного на квантовой запутанности, близко к доступности на рынке. Превращение его в реальность оказалось сложной проблемой, потому что поддерживать запутанность частиц нелегко. Если у них имеется шанс взаимодействовать с другими частицами, они чаще всего потеряют запутанность.
В ранних экспериментах запутанные фотоны посылались по городу Вена: в одной демонстрации отправлялось зашифрованное сообщение для перевода денег в банк. Со временем эти опыты расширялись, покрывая ббльшие и ббльшие расстояния. Последнее усовершенствование делает для нас вероятным увидеть широкое применение этой технологии: спутник, дающий запутанные частицы.
Такой спутник эффективно отправляет сырой материал для шифрования, основанного на запутанности. В каждом из двух мест на Земле получают одну из частиц запутанной пары, снова и снова, в потоке. Это обеспечивает защищенную коммуникацию. В августе 2016 г. китайцами был запущен первый спутник
Запутанные пары частиц посылаются спутником в два места на Земле.
166


Запуск спутника «Мо-цзы» (официально называется QUESS — Квантовые эксперименты на космических масштабах).
квантовой связи, названный «Мо-цзы», который был представлен как первый шаг на пути к «квантовому Интернету». Он распределяет запутанные частицы по местам, отстоящим друг от друга на 1,2 тыс. км (746 миль).
Для демонстрации банковского перевода австрийский физик Антон Цайлингер и его группа проложили оптоволоконный кабель через старую канализацию, в которой проводились съемки фильма «Третий человек».
167


КВАНТОВАЯ
ТЕЛЕПОРТАЦИЯ
Одной из наиболее впечатляющих способностей запутанности является то, что она делает возможной телепортацию — миниатюрную версию транспортера из вселенной Startrack.
Обычно невозможно обнаружить точное состояние квантовой частицы, потому что она находится в суперпозиции разных состояний, в которых она может быть, как, например, в состоянии со спином, направленным вверх, и в состоянии со спином, направленным вниз; и наблюдение этой частицы фиксирует ее состояние. Однако посредством использования запутанности для телепортации состояния, даже не зная, что это за состояние, возможно перенесение свойств от одной квантовой частицы к другой. В конце этого процесса удаленная частица становится копией оригинала.
Поскольку запутывание происходит мгновенно, было предположено, что квантовая телепортация аналогична распро-
Разработка и исследование квантового компьютера.
Даже если бы телепортация была возможна для людей, она бы не привлекала. Она бы не переносила вас, а только делала точную копию и разрушала оригинал.
168


Гипотетическая кротовая нора обеспечивает механизм путешествия со сверхсветовой скоростью, но телепортация не решает эту задачу.
ТЕЛЕПОРТИРУЮЩИЕ КОМПЬЮТЕРЫ
Квантовая телепортация вряд ли когда-либо будет способна переносить за один раз больше одной молекулы. Однако этот процесс очень важен для работы квантовых компьютеров (см. с. 276), которые используют телепортацию для переноса информации между частями системы.
странению со сверхсветовой скоростью. Однако этот процесс включает как мгновенное запутывание, так и отправку данных обычными способами, такими как радио или Интернет, так что на практике она не переходит через световой барьер.
169


квантовый эффект
ЗЕНОНА
Как мы узнаем позже, квантовые эффекты были обнаружены в биологических системах. В каком-то смысле вся биология основана на квантовых явлениях, поскольку она зависит от атомов и молекул, при этом новые открытия представляют собой четкие механизмы, использующие квантовые эффекты.
Одним из них является способ, которым птицы ищут дорогу, путешествуя на большие расстояния, следуя по магнитному полю Земли. Считается, что он может определяться запутанностью электронов, находящихся в глазах птиц (см. с. 232), однако для больших промежутков времени кажется крайне маловероятным,
Наиболее знаменитый довод Зенона против движения имел в качестве участников Ахиллеса и черепаху. Они гонятся друг за другом, и Ахиллес дает фору черепахе, которая намного медленнее. Вскоре герой достигает точки, до которой ему нужно было добежать после старта, но черепаха прошла дальше. Ахиллес достигает новой точки, в которой была черепаха, даже быстрее, но черепаха снова прошла дальше. Несмотря на то что он бежал быстрее черепахи, Ахиллес никогда не сможет ее догнать.
В другом парадоксе Зенона рассматривается пара стрел в некоторый момент времени: верхняя покоится, а нижняя находится в полете. Откуда вы знаете, какая из них движется в этот момент?
170


что электроны могут оставаться запутанными достаточно долго, чтобы использоваться в мягкой и сырой биологической среде.
Однако существует странное явление, называемое квантовым эффектом Зенона, названное в честь древнегреческого философа, который пытался доказать, что изменений не существует. Хоть квантовая частица обычно представляет собой набор вероятностей, величины, описывающие ее свойства, принимают определенные значения, когда частица наблюдается. В результате периодическое наблюдение за ней до того, как определенное значение величины может слишком сильно измениться, делает частицу похожей на чайник, за которым следят и который никогда не закипит. Возможно, этот эффект поддерживает запутанное состояние электронов в глазах птиц.
Магнитное поле Земли, проходящее от полюса к полюсу, может взаимодействовать в запутанными электронами в глазах некоторых птиц.
171


РАЗДЕЛ 7


АНТИВЕЩЕСТВО ПОВСЮДУ
Все фундаментальные частицы являются квантовыми объектами, но в физике частиц на первое место не ставится их квантовая природа. Вместо этого в ней основное внимание уделяется всего лишь установлению того, что именно представляют собой фундаментальные частицы и какие у них связи друг с другом — учению, кульминацией которого к настоящему времени стала стандартная модель физики частиц.
Поскольку мы не можем обозревать Вселенную полностью (оставим в стороне вопрос, бесконечна Вселенная или нет), то теоретически в ней может существовать отдельный фрагмент антиматерии, но непонятно, каким образом тогда она могла бы возникнуть.
Здесь крайне необходимо развить идею Дирака о позитроне как античастице электрона и обеспечить каждую «нормальную» частицу своей античастицей. Подобно тому как частицы составляют вещество, античастицы рассматриваются как составные элементы антивещества. Нынешние космологические теории предполагают, что материя была изначально образована из энергии. Чтобы это произошло, нужно, чтобы во Вселенной было столько же антивещества, сколько в ней вещества, поскольку энергия превращается в материю в результате образования частиц в парах «частица—античастица».
Раннее возникновение вещества нашло отражение в появлении космического микроволнового фонового излучения после Большого взрыва — так называемого реликтового излучения.
174


О БОЖЕ, ГДЕ ЖЕ ЭТО АНТИВЕЩЕСТВО МОЖЕТ НАХОДИТЬСЯ?
Проводится множество дискуссий на тему, куда во Вселенной могло исчезнуть все антивещество, потому что в природе мы наблюдаем лишь небольшое его количество. Согласно наиболее распространенному объяснению, в природе существует небольшая асимметрия, в результате которой вещества образовалось больше, чем антивещества. Именно поэтому появилась та материя, которую мы наблюдаем опытным путем.
Каждая из фундаментальных частиц вещества имеет соответствующую античастицу-эквивалент, как и сложные частицы, такие как протоны или нейтроны, состоящие из более маленьких кварков или антикварков. Антипротон, античастица протона, отрицательно заряжена, тогда как антинейтрон электрически нейтрален, но отличается от нейтрона другими квантовыми свойствами.
175


УСКОРИТЕЛИ
И КОЛЛАЙДЕРЫ
Экспериментальная физика частиц в основном привлекает на первый взгляд детский подход к науке. Мы не можем непосредственно наблюдать за тем, что происходит, поэтому приходится прибегать, например, вместо понимания принципа работы часов к их разбиванию кувалдой и замедленной съемке разлета их отдельных деталей.
«Кувалдами» ученых, работаю- Эрнест Лоуренс, 1930-егг. ЩИХ в области Физики часТИЦ' ЯВ’
ляются ускорители и коллайдеры (обычно используемые вместе). Их принципом действия является ускорение частиц до крайне высоких скоростей, а потом целенаправленное столкновение этих частиц с другими движущимися частицами или с неподвижной мишенью, а затем регистрация образовавшихся «брызг» активности после столкновения и их последующий анализ.
Заряженные частицы ускоряются пропусканием их через электрические и магнитные поля. Сначала они двигались по прямой линии (в линейных ускорителях), но вскоре стало понятно, что частицы можно ускорять в области намного меньших размеров, если им периодически давать толчок, поскольку там они двигаются по криволинейному пути. Наиболее известным из всех ускорителей является массивный Большой адронный коллайдер (БАК), построенный
Самым первым циклическим ускорителем был циклотрон, разработанный в Германии в 20-е гг. XX в. и впервые использованный Эрнестом Лоуренсом в США в 1932 г.
176


Большой адронный коллайдер, построенный в ЦЕРНе, в разрезе.
Инжекция — впрыскивание пучка частиц, бустер — небольшой ускоритель, на котором осуществляется первичное ускорение частиц.
в ЦЕРНе. Он представляет собой огромную подземную петлю длиной 27 км (17 миль), в которой частицы ускоряются до скоростей, составляющих заметные доли от скорости света, перед тем как их столкнуть друг с другом в огромных детекторах.
ПРИСУТСТВИЕ АДРОНОВ
Слово «адрон» в полном названии БАК означает частицу, состоящую из одной или более фундаментальных частиц вещества, называемых кварками; в класс таких частиц входят протоны, нейтроны и мезоны. В отличие от них лептоны, например электрон, сами по себе уже являются неделимыми фундаментальными частицами. Вероятно, в названии коллайдера термин «адрон» используется для того, чтобы отличить его от предшественника, который ускорял электроны и позитроны, которые передвигались по тому же тоннелю. В действительности адроны, которые подвергаются ускорению в БАК, — это протоны.
177


ЧАСТИЦЫ ИЗ КОСМОСА
Первые серьезные исследования космических лучей были проделаны в 1909 г. немецким физиком и священником Теодором Вульфом на Эйфелевой башне.
Даже новейшие ускорители не могут воспроизвести тот результат, который наблюдается в природе. Поэтому первые частицы с высокими скоростями, которые были изучены, входят в состав космических лучей — высокоэнергичных потоков частиц, которые приходят на Землю из глубокого космоса и сталкиваются с атомами в атмосфере.
Позитроны и набор других квантовых частиц были впервые обнаружены именно в космических лучах. Эти лучи также использовались для демонстрации эффектов специальной теории относительности, в которых изгибается время. Поскольку время для быстродвижущихся объектов замедляется, частицы в составе космических лучей выживают гораздо дольше, чем должны были бы. Например, когда космические лучи ударяют по верхним слоям атмосферы, они создают частицы, называемые мюонами, — что-то наподобие более тяжелого эквивалента электрона. Согласно теории, они должны распадаться практически сразу, никогда не пролетая дальше, но из-за эффекта «растяжения» времени мюоны могут быть обнаружены на уровне поверхности Земли.
Хоть космические лучи и обладают большей мощностью, чем ускорители, ученые предпочитают работать с последними, потому что частицы, вовлеченные в их работу, и энергии, сообщаемые этим частицам, находятся под контролем.
Изображения первой пузырьковой камеры, 30-е гг. XX в.


ТАИНСТВЕННЫЕ ЛУЧИ
Мы до сих пор не знаем, что является источником всех космических лучей, хотя считается, что по крайней мере некоторые из них возникают при взрывах сверхновых и мчатся через всю Галактику, прежде чем достичь поверхности Земли.
Космические лучи, которые недавно покинули Землю, изучаются с помощью специальных воздушных шаров в верхних слоях атмосферы.
Установка в ЦЕРНе Европейской пузырьковой камеры — типичной большой пузырьковой камеры, использованной в 70-е гг. XX в. для изучения частиц, которые возникали в результате действия ускорителей высоких энергий.
179


«ЗООПАРК» ЧАСТИЦ
Работая с американским физиком Сетом Неддер- мейером в Калифорнийском технологическом институте в 1936 г., Карл Андерсон обнаружил мюоны. Именно он первым обнаружил позитроны (см. с. 124).
Пока изучались частицы, генерируемые потоками космических лучей и при столкновениях в ускорителях, нарастало беспокойство.
Где-то в середине 30-х гг. XX в. существовала ясная и простая картина фундаментальных частиц, составлявших Вселенную: протоны, электроны и нейтроны в веществе, странная маленькая частица, называемая нейтрино, и фотоны света. Между тем потоки частиц, созданных при столкновениях, содержали непочатый край новых частиц, причем их было так много, что ситуация оказалась тем, что называется «зоопарком» частиц.
Первой новой частицей, добавленной в список, был мюон, открытый в космических лучах уже в 1936 г., а начиная с 1940-х гг. к ним
Открытие Дж. Дж. Открытие Э.
Открытие
Открытие
Открытие
Томсоном электрона Резерфордом
Э. Резерфордом
Дж. Чедвиком
К. Д. Андерсоно
альфа-частиц
протона
нейтрона
антиэлектрона (и
в излучении урана
позитрона), перв
античастицы
180


НОВЫЕ ЧАСТИЦЫ
Мюоны, как мы видели, входят в то же семейство, что и электроны, но они намного тяжелее последних. Многие новые отрытые частицы оказались мезонами. Они состоят из пар фундаментальных частиц вещества, называемых кварками: каждый мезон имеет один кварк и один антикварк. Большинство типов мезонов имеют разные «цвета» кварков и антикварков (как мы увидим на с. 186, кварки могут иметь один из шести ароматов), но когда их «цвета» совпадают, у мезонов есть лишь мгновение, прежде чем частица и состоящая с ней в паре античастица соединятся, аннигилируя с выделением чистой энергии.
присоединились пионы и каоны (которые в конце концов были определены как типы мезонов), а также J-мезоны, т-мезоны (тау-), и-мезоны (ипсилон-) и не только.
То, что однажды стало Вселенной, построенной из горсточки типов фундаментальных частиц, тогда казалось чем-то беспорядочно основанным на целой куче частиц без каких-то определенных отношений между ними. Этот «зоопарк» частиц был как захватывающим, так и обескураживающим для всех, кто его наблюдал.
Открытие С. Неддермейром, К. Д. Андерсоном, Дж. К. Стритом и Э. К. Стивенсоном мюона (или мю- лептона)
Партоны (внутренние составляющие адронов) наблюдались в экспериментах по глубоко неупругому рассеянию электронов на протонах на ускорителе SLAC
Открытие К. Руббиа, Открытие t-кварков Открытие исследо-
С. ван дер Меером и коллаборацией проводимого в ЦЕРНе эксперимента UA1 W- и Z-бозонов
в лаборатории Фермилаб
вателями на БАК в ЦЕРНе частицы, показывающей большинство предсказанных характеристик бозона Хиггса
181


ПРИНЦИПЫ СИММЕТРИИ
Намек на то, что происходит в «зоопарке» частиц, пришел из математической концепции симметрии. Казалось, что природа всюду вовлекает симметрию, поэтому существовала надежда, что с помощью применения более сложных концепций симметрии, чем простая зеркальная симметрия вещества и антивещества, будет возможно найти основной принцип, которым можно будет объяснить на первый взгляд беспорядочную смесь разных частиц в этом «зоопарке».
Американский физик Мюррей Гелл-Манн назвал свой подход восьмеричным путем, на что намекал соответствующий термин из буддизма. Он был именно восьмеричным, поскольку казалось возможным распределить частицы по группам с восемью частицами в каждой на основании квантовых свойств (таких как спин), соответствующих разным возможным расположениям элементов в матрицах размера 3x3. Здесь отражалась симметрия математической структуры, которая получила название Sl/(3), или «специальная унитарная группа порядка 3».
Казалось, что лежащая в основе симметрия предполагала наличие объединений из фундаментальных частиц трех различных типов, вероятно, включающих частицы, похожие на электроны, фотоны и что-то находящееся за остальными части-
Восьмеричный путь оказался результатом комбинаций значений величин, описывающих два квантовых свойства: знакомый электрический заряд (q) и новое свойство, введенное для того, чтобы все работало, называемое странностью (s).
182


цами. Этот математический анализ дал первое реальное свидетельство того, что может быть что-то более фундаментальное, чем знакомые протоны и нейтроны, и, возможно, позволил «зоопарку» частиц стать более простым, поскольку многие новые частицы были на самом деле сконструированы из комбинаций более простых частиц.
Симметрия является ключом ко многим аспектам физики. Законы сохранения, например, отражают различные симметрии в пространстве и времени. Законы сохранения гласят, что различные величины, такие как энергия замкнутой системы, не могут изменяться. Немецкий математик Эмми Нётер в начале XX в. показала, что каждый подобный закон является результатом симметрии. Сохранение импульса имеет место потому, что физика симметрична по отношению к параллельным переносам в пространстве: вы можете двигать экспериментальную установку влево и вправо, но она по-прежнему будет работать. Чтобы это доказать, требуется дико сложная математика, но это полностью доказано.
Если бы симметрия была доведена до предела своих возможностей, мы ожидали бы гораздо больше систематичности во Вселенной, чем мы на самом деле обнаруживаем. Сложность того, что наблюдается, от необычных сил природы до детальной структуры галактик, часто объясняется «спонтанным разрушением симметрии», когда симметричное, но нестабильное состояние распадается и переходит в асимметричное, но стабильное. Например, карандаш, поставленный на свое основание, симметричен, если смотреть на него сверху. Но малейшее движение или легкий ветерок приведут к его падению — и все кончится асимметричной формой карандаша, лежащего на боку и указывающего в заранее непредсказуемом направлении.
Мюррей Гелл-Манн был удостоен в 1969 г. Нобелевской премии по физике «за вклады и открытия, связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействий».
183


ТУЗЫ И КВАРКИ
К 1964 г. Гелл-Манн был готов к описанию более низкого уровня фундаментальных частиц, которые он назвал кварками и которые объединились в тройки, чтобы составить нейтроны и протоны, и в пары, чтобы составить мезоны. Часто говорят, что Гелл- Манн взял это слово из романа модерниста Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», в котором есть фраза «Три кварка для
КВАРКОВЫЙ СУП
Считается, что вскоре после Большого взрыва образовался «суп» из свободных кварков. Но как только кварки стали объединяться, они так и остались вместе, поскольку сила, которая удерживает их вместе — сильное ядерное взаимодействие,— имеет странное свойство: она увеличивается, когда кварки удаляются друг от друга. Кварки, как правило, образуют либо пары из кварка и антикварка в мезонах, либо тройки. Два верхних и один нижний кварк образуют протон, тогда как один верхний и два нижних образуют нейтрон.
Иллюстрация «атомной» модели, показывающая структуру протона и нейтрона, состоящих из кварков.
184


Наиболее часто ваг ющиеся кварки, верх и нижний, относите легкие. Эта диаграм показывает относительные мае разных типов кварков с помощью объема шара.
Мюстера Марка!» На самом деле Гелл-Манн уже придумал для частицы слово, которое произносилось как «кворк», перед тем как принять написание Джойса, хотя было ясно, что это написа¬
ние должно произноситься как «кварк».
Как это часто бывает, другой ученый пошел по аналогичному пути. Другой американский физик, Джордж Цвейг, работавший в ЦЕРНе, разработал идею, похожую на соображения Гелл-Манна, и опубликовал свою теорию в том же году. Он описал частицы, названные им Джордж Цвейг.
тузами, дав им это название, поскольку считал, что их в сумме было четыре.
До сих пор нет соглашения по поводу того, следует ли произносить слово «кварк»: так, как оно пишется, или «кворк», как собирался произносить человек, который придумал это название.
185


Через несколько лет теория была экспериментально подтверждена, и в общей сложности шесть кварков — верхний, нижний, странный, очарованный, истинный и прелестный — были опознаны. Последний из найденных — верхний кварк — показался в 1995 г.
КВАНТОВАЯ ХРОМОДИНАМИКА
Гелл-Манн и его коллеги хотели распространить подход КЭД (см. с. 128) на кварки. Но задача оказалась значительно сложнее, чем та, которая была в квантовой электродинамике. Это было связано с тем, что кварки не были одинаковыми, а появлялись с одним из трех разных «цветов» — красным, синим или зеленым (вот почему соответствующая система знаний называется квантовой хромодинамикой). Никто не предполагает, что кварки на самом деле окрашены, — это всего лишь обозначение.
Обозначение, однако, было выбрано весьма удачно: подобно тому, как красный, синий и зеленый в комбинации образуют белый цвет, так и кварки, объединяясь для образования частицы, всегда находятся в той комбинации, которая является белой. Когда, например, три кварка объединяются в образовании протона или нейтрона, всегда один кварк должен быть красным, один — синим, один — зеленым. В случае мезонов антикварк должен иметь антицвет, соответствующий цвету кварка. Антицвета служат напоминанием того, что эти цвета — ненастоящие, это просто обозначения. Антицвет «смывает» исходный цвет, чтобы получился белый: этому нет аналогии в ящике с красками.
«КЛЕЙ» ДЛЯ ЧАСТИЦ
Частицы, называемые глюонами, переносят сильное взаимодействие — одно из четырех фундаментальных взаимодействий в природе (см. с. 190), которое объединяет кварки вместе (похожую роль играют фотоны в КЭД). Имеются восемь различных вариантов глюонов (число, даваемое квантовой суперпозицией пар состояний с цветом и антицветом). Это означает, что семейство глюонов четко объясняет восьмеричный путь Гелл-Манна.
186


Несмотря на то что в школе вас, наверное, учили по-другому, именно красный, синий и зеленый являются основными цветами. В школьном варианте набора основных цветов красный, желтый и синий являются приближениями для вторичных цветов: пурпурного, желтого и голубого соответственно.
Структура восьмеричного пути для кварков и глюонов. Имеются три цвета кварков и три цвета антикварков (антицвет обозначается той же буквой, что и соответствующий цвет, но с чертой наверху). Шесть типов глюонов состоят из смеси цветов, тогда как оставшиеся два являются особыми («незаряженными») глюонами, г—красный цвет, g — зеленый цвет, b — синий цвет; q — кварк, g — глюон. В верхних индексах указаны цвета кварков и глюонов, Зи8 обозначают бесцветные глюоны.
Кварки объединяются для образования частиц, таких как мезоны и протоны, так, чтобы их цветовые комбинации были белыми.
187


ВЕЛИКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ НЕЙТРИНО
Наиболее таинственным из первых открытых фундаментальных частиц было нейтрино. Оно было предсказано в 1930 г., чтобы объяснить способ, благодаря которому, как казалось, бесследно пропадала энергия, когда некоторые атомные ядра распадались. Но нейтрино было настолько сложно обнаружить, что его существование не было подтверждено до 1956 г.
У нейтрино почти нет массы и нет заряда — это означает, что миллиарды тех нейтрино, которые испущены Солнцем и проходят через ваше тело каждую секунду, не оставляют следа.
Не очень удобно было вписывать нейтрино в постепенно развивающуюся картину фундаментальных частиц, пока не были обнаружены другие существующие варианты, соответствующие электрону и его более тяжелым родственникам — мюону и тау-частице — и имеющие те же значения таких квантовых характеристик, как заряд и спин, но с гораздо большей массой.
В нейтринном эксперименте OPERA, проводимом в ЦЕРНе, частицы посылались из ЦЕРНа (Швейцария) на 732 км через Землю в Гран-Сассо, Италия.
188


В нейтринных телескопах задействовано огромное количество детекторов, чтобы зафиксировать маленькие вспышки, когда нейтрино взаимодействует с чаном жидкости, помещенным глубоко под Землей, чтобы предотвратить вмешательство других частиц.
Нейтрино принесли сенсацию в 2011 г., когда вроде бы эксперимент в ЦЕРНе свидетельствовал, что они двигаются быстрее скорости света, но результат оказался побочным эффектом от неправильного соединения элементов оборудования.
ПРЕВРАЩЕНИЯ ОЗНАЧАЮТ МАССУ
До недавнего времени предполагалось, что нейтрино — частицы без- массовые, но появлялось все больше свидетельств в пользу того, что при полете они подвергаются странным преобразованиям, переключаясь между различными возможными типами (это было экспериментально подтверждено в 2013 г.). Физика, находящаяся на этих изменениях, требует наличия массы у нейтрино, хотя она по-прежнему крайне мала.
189


СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ
В результате объединения теории восьмеричного пути Гелл-Манна и открытий, сделанных в экспериментах с частицами, получилась матрица размером 4 х 4 из фундаментальных частиц, которые, по-видимому, не имеют более мелких компонентов. У каждой частицы есть античастица (хотя некоторые, например фотоны, являются античастицами для самих себя).
Шесть кварков вместе с шестью лептонами принимают участие в образовании вещества. Однако из лептонов фактически только электрон играет значительную роль в образовании всего того вещества, которое мы наблюдаем в повседневной жизни. Четыре частицы, известные как калибровочные бозоны, которые взаимодействуют с частицами своего типа намного меньше, чем частицы вещества, переносят различные силы, с которыми эти частицы вещества взаимодействуют.
Есть еще одна частица, которую теперь часто добавляют к модели — это бозон Хиггса (см. с. 194). Пока что стандартная модель является нашей самой лучшей картиной строительных блоков, лежащих в основе природы. Имеется некоторая проблема — она не покрывает темную материю (см. с. 200), или работу с гравитацией, которая требует больше частиц (см. с. 288), — но стандартная модель является одним из великих достижений физиков.
Слово «бозон» часто путают с мореходным термином, который на русский переводится как «боцман» — но тип частиц назван в честь индийского физика Сатьендры Ната Бозе, а не матросов.
Сатьендра Нат Бозе.
190


ЧЕТЫРЕ СИЛЫ
Частицы стандартной модели объединяются друг с другом четырьмя фундаментальными силами, чтобы предоставить основу физики. Три из них доступны квантовой физике. Самым знакомым из них является электромагнитное взаимодействие. Переносимое фотоном, оно обуславливает все знакомые взаимодействия света и вещества, от нашей способности сидеть на стуле до нашей способности видеть. Сильное ядерное взаимодействие, переносимое глюонами, связывает кварки вместе и также дает возможность протонам находиться вместе в ядре. Слабое ядерное взаимодействие, переносимое W- и Z-бозона- ми, принимает участие в ядерных реакциях и реакциях с нейтрино. Четвертое взаимодействие — гравитационное, но оно не согласуется с квантовой теорией, и в настоящее время его вынуждены рассматривать отдельно. Наше лучшее описание гравитации дается общей теорией относительности.
191


ПОЧЕМУ У ЧАСТИЦ ЕСТЬ МАССА?
Первые намеки на существование Z-бозона возникли в пузырьковой камере «Гаргамель» (ЦЕРН), сейчас выставленной на всеобщее обозрение вне лабораторного комплекса.
Слабое ядерное взаимодействие уникально тем, что у него в качестве переносчиков имеются три разных бозона:/, кИ* и W~.
На первый взгляд этот вопрос может показаться глупым. Несомненно, масса является одним из основных свойств частиц — и почему вдруг у них ее не должно быть? Однако математика все больше и больше уводит нас от понимания физики, а если бы у частиц не было массы, она бы работала лучше. Единственным способом соответствовать реальности и в то же время следовать математике было добавление чего-нибудь еще.
В количественном выражении основное «что-нибудь еще» было ясным: это была энергия. Формула Эйнштейна Е = тс2 показала взаимозаменяемость массы и энергии. Даже если бы кварки в протоне или нейтроне были безмассовыми, результирующие частицы по-прежнему имели бы ту же самую массу, которую имеют на самом деле. Это объясня¬
ется тем, что в усилиях глюонов, удерживающих кварки вместе, заключено настолько большое количество энергии, что оно примерно соответствует измеренной массе протонов и нейтронов.
Однако другие частицы, например такие как электрон, Z- и W-бозоны, несущие слабое взаимодействие, не имеют такого оправдания для обладания массой. Чтобы стандартная модель могла работать, в ней должно было быть что-то еще, что давало бы массу частицам.
192


Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего, связанных глюонами. Нейтрон состоит из одного верхнего и двух нижних кварков, также связанных глюонами.
Е = тс2
Вскоре после написания своей статьи по специальной теории относительности в 1905 г. Эйнштейн понял, что следствия из полученных им уравнений показали прямую связь между массой и энергией. В очень короткой дополнительной статье он показал, что масса частицы представляет собой эквивалент количества энергии, выраженный с помощью знаменитого уравнения. Он предположил, что недавно открытая радиоактивность представляла собой энергию, произведенную частицами, имеющими массу, и преобразованную в безмассовые фотоны.
Z- и W-бозоны были опознаны на Протонном суперсинхротроне в ЦЕРНе, который изначально был самостоятельным ускорителем, а теперь является преду- скорителем для частиц, поступающих в БАК.
193


ПОЛЕ ХИГГСА
С учетом того, что большая часть физики сейчас описывается полями, такими как электромагнитное, легкой «заплаткой» для стандартной модели было добавление еще одного поля, которое оказывало бы на частицы что-то вроде трения, давая им массу, в которой они нуждались. Эта концепция была разработана в общей сложности шестью физиками: Робертом Браутом, Франсуа Энглертом, Питером Хиггсом, Джералдом Гуральником, Ричардом Хагеном и Томом Кибблом. Строго говоря, новое поле должно быть полем Браута — Энглерта — Хиггса — Гуральника — Хагена — Киббла, но (к счастью для всех нас, но не для пяти неупомянутых физиков) оно стало известно как «поле Хиггса».
Концепция была разработана в 1964 г. и постепенно приобрела репутацию теории по мере развития стандартной модели, однако она не была экспериментально подтверждена до 2012 г., когда наконец было экспериментально доказано существование бозона Хиггса.
Такие детекторы БАК, как ATLAS и CMS, имели решающее значение в открытии бозона Хиггса.
194


Франсуа Энглерт.
В 2013 г. Хиггсу и Энглерту была вручена Нобелевская премия по физике за эту работу. Остальные их коллеги в различных комбинациях получили множество других больших наград по физике.
Часто говорят, что именно бозон Хиггса обеспечивает частицы массой. На самом деле это не так — это работа поля; сам бозон — это просто рябь в поле Хиггса, не имеющая никаких последствий для оставшейся части стандартной модели, — явление, которое вы бы ожидали, если бы было просто поле, — так что наличие бозона подтверждает существование именно поля.
Поле Хиггса действует аналогично трению, давая частицам массу, которую мы наблюдаем.
195


ПРОРЫВНОЕ ОТКРЫТИЕ БАК
Открытие бозона Хиггса на БАК в ЦЕРНе, для которого и был построен этот ускоритель, стало всемирным событием и широко освещалось в СМИ, хоть репортеры с трудом могли понять и объяснить, что именно было открыто.
Эксперименты проводились в июле 2012 г., но объем используемой информации был настолько велик, что результаты не могли быть объявлены до марта 2013 г. Результатом была частица с массой, подходящей под бозон Хиггса (точную ожидаемую массу вычислить нельзя, можно получить информацию лишь об интервале значений, в который она может попадать). Почти не вызывало сомнений, что результат не был случайной помехой, однако доказать, что это на самом деле был именно бозон Хиггса, невозможно.
Бозон Хиггса ожидали потому, что другие квантовые поля имеют распространяющиеся пики энергии, известные как возбуждения, которые мы описываем как частицы: так, напри-
Наблюдение бозона Хиггса на детекторе ATLAS.
196


мер, фотон является возбуждением в электромагнитном поле. Хотя нет способа наблюдения поля Хиггса, присутствие кажущегося бозона Хиггса увеличивает шансы того, что поле реально существует.
Благодаря этому открытию ЦЕРН был включен в «Книгу рекордов Гиннесса» за «первое доказательство существования бозона Хиггса».
ЦЕРН принадлежат и другие рекорды: самый большой прибор для исследований (БАК, периметр 27 км), самый мощный ускоритель частиц в мире и самая высокая искусственная температура (5 триллионов К).
Модельный эксперимент по столкновению протонов в ЦЕРНе.
Открытие Хиггса было описано как «с уровнем значимости в пять среднеквадратичных отклонений». Это понятие из статистики многие объясняли шансом три на миллион, что это был не бозон Хиггса. На самом деле оно означало шанс три на миллион того, что результат возник случайно, — а это уже другое утверждение.
197


СУПЕРСИММЕТРИЯ
Хоть стандартная модель оказалась весьма успешной, она все же «хромает», поскольку не предполагает наличия никакой связи между веществом и частицами — переносчиками взаимодействий и сильно зависит от включения разных значений, а не от теории, лежащей в основе. Вполне возможно, что это все отражает принципиальные недостатки, но в то же время не исключено, что модель не завершена.
Наиболее известная попытка подправить стандартную модель называется суперсимметрией. Как следует из названия, она опирается даже скорее на математику симметрии (см. с. 182) и вроде бы создаст мост между разными семействами частиц. Однако платой за это кажущееся упрощение будет значительное усложнение, поскольку у каждой частицы будет суперсимметричный партнер из другого семейства. Частицы вещества будут иметь партнеров, переносящих силы, а у переносчиков сил будут эквиваленты, из которых состоит вещество.
Суперсимметрия, также широко известная как SUSY, предсказывает, что частицы-партнеры должны обладать как большей массой, чем у существующих частиц, так и отличающимся спином. Фермионы, например кварки и электроны, имеют по-
Суперсимметричные партнеры должны иметь массу, большую, чем у их обычных эквивалентов.
198


ЗНАКОМЬТЕСЬ: СКВАРКИ
Суперсимметрия увеличивает число частиц вдвое. Так, например, такие частицы, как кварк и электрон, в этой модели будут иметь эквиваленты, переносящие взаимодействия, которые называются скварк и сэлектрон, а фотоны и глюоны будут иметь подобные частицам вещества эквиваленты, называемые фотино и глюино.
луцелый спин, тогда как у бозонов, например фотонов, он целый (по непонятной причине спин, равный 1/2, означает, что частица должна совершить два «поворота», чтобы вернуться в прежнее состояние, тогда как при спине, равном 1, для этого нужен один «поворот»). Спин суперсимметричных частиц на 1/2 меньше спина их обычных эквивалентов — так, например, у сэлектронов спин равен нулю.
Несмотря на то, что эта теория математически аккуратна и поддерживаема теми физиками, которые в своих исследованиях руководствуются только числами, до сих не было обнаружено никаких свидетельств, что эти частицы существуют.
Суперсимметрия имеет сильные связи с теорией струн (см. с. 296).
199


ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ
Другая частица, отсутствующая в стандартной модели, скрывается за темной материей. Существование темной материи было предложено в 30-е гг. XX в. швейцарским астрономом Фрицем Цвикки для объяснения поведения некоторых галактик.
Все галактики вращаются, и, как в случае глины на гончарном круге, можно было бы ожидать, что они разлетелись бы, если бы они вращались слишком быстро. В самом деле, кажется, что галактики вращаются слишком быстро для того, чтобы гравитационное притяжение вещества, обнаруженного в них, могло его удержать. Идея Цвикки заключалась в наличии темной материи — еще одного типа материи, которая является невидимой, но обладает массой и поэтому вносит свой вклад в массы галактик, делая их разлет менее вероятным. В то время на исследование Цвикки почти никто не обратил внимания, но в 70-е гг. XX в. работа американского астронома Веры Рубин показала, что такая проблема действительно существует: она представила большой набор данных, свидетельство-
Теория предсказывала, что скорость вращения вещества в галактике должна падать с удалением от центра, но этого не случилось, что указало на внешнее вещество, распределенное в окружающем пространстве.
200


вавших о том, что галактики вращаются быстрее, чем это было бы возможно, если учитывать ту массу материи, которая в них наблюдается.
С тех пор и другие наблюдательные данные, например то, как галактики изгибают свет под гравитационным действием содержащейся в них массы, также указали на то, что материи там больше, чем кажется на первый взгляд (в прямом смысле этого слова). Этот эффект настолько велик, что, по-видимому, во Вселенной этой не обнаруживаемой темной материи содержится в пять раз больше, чем обычной. Если это действительно так, то становится ясно, почему мы не достигли эффективной модели, покрывающей всю физику частиц.
ПОЧЕМУ ОДНА ЧАСТИЦА?
Был предложен ряд кандидатов на роль частиц, составляющих темную материю, однако частицы с трудом поддавались определению, поскольку считалось, что темная материя взаимодействует с обычным веществом только посредством гравитации. Хоть мы думаем о гравитации как о чем-то сильнодействующем, она на самом деле намного слабее, чем другие фундаментальные силы. (Представьте себе кусок металла и магнит. Притяжение магнита, имеющее электромагнитную природу, побеждает гравитационное притяжение со стороны всей Земли.) По этой причине обнаружение частиц, которые взаимодействуют только посредством гравитации, становится более затруднительным, чем обнаружение знакомых частиц, взаимодействующих посредством электромагнитных сил.
Наиболее известным предположением о природе темной материи является то, что она состоит из частиц, известных как WIMP (то есть слабо взаимодействующие массивные частицы). В принципе ими могли бы оказаться уже известные нам частицы, на-
На языке оригинала термин Цвик- ки назывался «dunkle Materie».
При вращении галактики центробежная сила выталкивает наружу объекты, составляющие эту галактику, как сидения на карусели. В галактике роль цепей выполняет гравитация, удерживающая звезды на месте.
201


Планеты из темной материи могут быть прекрасными объектами научной фантастики, но наблюдаемое распределение темной материи делает такие мелкомасштабные (по отношению к галактикам) структуры маловероятными.
пример нейтрино (которые обнаружить почти невозможно) или частицы, называемые аксионами, которые все еще существуют лишь в теории. Но сейчас кажется маловероятным, что любая из этих частиц вела бы себя точно так же, как темная материя.
До недавнего времени нейтрино не рассматривалось в качестве кандидата на роль частицы темной материи, потому что считалось, что у него нет массы. Однако впоследствии у нейтрино все же обнаружили массу, хоть и очень незначительную. Каждый из трех типов нейтрино обладает массой, свойственной только ему, но все они вместе взятые составляют всего лишь около 0,000001 массы электрона. В то же время нейтрино очень много: каждая звезда выбрасывает триллионы нейтрино за секунду.
По этой причине может показаться, что нейтрино являются вероятными кандидатами, однако некоторые проблемы по-прежнему сохраняются. Одна из них заключается в том, что даже при огромных количествах нейтрино вокруг нас их суммарная масса не кажется близкой к той, которая может объяснить проявления темной материи. Другая проблема — нейтрино просто слишком быстрые: они двигаются со скоростями, близкими к световой. Но чтобы темная материя сделала свое дело — собирала вместе все обычное вещество для образования галактик, — она должна быть крайне медлительной в своем движении. Астрономы часто говорят о холодной темной материи — под этим названием они подразумевают очень медленное движение. Оно отражает то, как температура является мерой энергии движения частиц и их возбуждения, так что низкая температура действительно является эквивалентом медленного движения. Наконец, хотя нейтрино обнаружить сложно, сейчас мы это можем сделать. Темная материя, однако, так упорно и остается необнаруженной.
Единственный возможный способ обойти эту проблему — это обратиться к суперсимметрии. По идее, партнер нейтрино — ней- тралино — более приемлем в качестве частицы темной
202


материи, поскольку он тяжелее, но у нас нет никаких свидетельств его существования.
Если придерживаться того, что во Вселенной, судя по всему, темной материи в пять раз больше, чем обычной, то кажется разумным, что темная материя может быть такой же составной, как и обычная. Если вспомнить о нашей таблице частиц стандартной модели (см. с. 190), почему бы не быть целому набору частиц темной материи? Было даже предложено существование целых планет из темной материи, освещаемых темным светом от темных солнц — по сути дела, целой параллельной Вселенной из темной материи, — однако все еще нет свидетельств в пользу ее существования.
ПУТЬ В НИКУДА?
То, что темная материя будет обнаружена, считали само собой разумеющимся, но на момент написания этой книги ни один эксперимент не показал никаких намеков на нее. Более того, физическое сообщество начинает задаваться вопросом, а существует ли темная материя вообще.
Несомненно, имеется нечто, что служит причиной непонятного поведения таких космологических структур, как галактики, но другой тип материи не является единственным решением проблемы. Первым конкурентом была теория модифицированной ньютоновской динамики (MOND). Она основана на идее, что мы не можем при необходимости применять законы Ньютона для предсказания поведения объектов размером с галактику. До этого мы просто были склонны полагать, что те же самые закономерности применимы к совершенно разным масштабам, и потребуется всего лишь маленькое изменение, чтобы дать эффекты, отнесенные к темной материи.
Недавно предположили, что даже это не нужно. Чтобы предсказать, как будет вести себя тело в галактике, нужно использовать математические приближения, поскольку гравитационное взаимодействие большого числа тел настолько сложно, что мы не можем точно Предсказать результат. И поэтому была предложена идея, что эффект, который, как предположили, вызван темной материей, может объясняться неточностью расчетов взаимодействия объектов, населяющих галактики.
203


ПРИРОДА НЕ ТЕРПИТ
ПУСТОТЫ
Согласно основному положению ранней физики, считалось, что «природа не терпит вакуума». Этот вакуум, или пустота, если точнее перевести с греческого языка, представляет собой отсутствие чего бы то ни было. Это утверждение еще стало догматом веры, и отчасти потому, что было высказано мнение, что любое реальное пустое место будет заполнено окружающей материей, и потому (для некоторых), что оно могло быть использовано для того, чтобы подвергать сомнению атомизм, поскольку атомная теория требовала пустоты между атомами.
В некотором смысле квантовая теория является возвращением к этой давно отвергнутой идее благодаря принципу неопределенности (см. с. 98). Энергия и время составляют одну из пар свойств, связанных этим принципом. Это означает, что на очень маленьких масштабах времени уровни энергии могут случайно изменяться на огромные значения, достаточные для того, чтобы
Эффект Казимира назван в честь датского физика Хендрика Казимира, предсказавшего его в 1948 г.
Эффект Казимира создает крайне слабые силы, действующие на две близкие пластинки в результате квантовых флуктуаций.
206


Согласно квантовой теории, на первый взгляд пустое пространство содержит хаотический набор виртуальных частиц, которые внезапно появляются и затем аннигилируют.
доступная энергия давала электрон-позитронную пару, в которой частицы тут же аннигилируют.
Если пустое пространство кишит такими частицами, каждая из которых существует в течение очень короткого промежутка времени, невозможно наблюдать их непосредственно, однако мы можем наблюдать воздействие с их стороны. Явление, называемое эффектом Казимира, состоит в том, что две плоские пластинки, расположенные очень близко — всего лишь на нескольких нанометрах друг от друга (один нанометр равен 0,000000001 метра), — притягиваются друг к другу. Это происходит потому, что они получают большее воздействие со стороны огромного числа виртуальных частиц, находящихся снаружи, чем от небольшого числа таких частиц, находящихся в тонкой щели. Это постоянное, кратковременное образование
АРИСТОТЕЛЬ ОПЕРЕЖАЕТ НЬЮТОНА Аристотель утверждал, что не может быть такой вещи, как пустота, поскольку, если бы она была, что-то могло двигаться вечно, пока его не остановят. Он использовал пустоту в качестве примера того, что, по его мнению, было невозможным, но на самом деле его рассуждения были довольно близки к первому закону движения Ньютона, включающему утверждение, что движущийся объект будет продолжать двигаться, пока на него не подействует сила.
207


виртуальных частиц означает, что существование полностью пустого пространства в течение любого измеримого промежутка времени маловероятно.
Обычно виртуальные частицы недоступны, поскольку они аннигилируют до того, как их можно будет наблюдать. Однако, как предположил Стивен Хокинг, вблизи черной дыры одна частица из пары может быть поглощена черной дырой, тогда как другая частица успеет вырваться наружу, создавая так называемое излучение Хокинга.
ЭНЕРГИЯ НУЛЕВЫХ КОЛЕБАНИИ
Мы бы ожидали, что пустота не содержит никакой энергии — она, как-никак, пустая. Однако наличие кратковременных флуктуаций, предсказанных принципом неопределенности и наблюдаемых в эффекте Казимира, означает, что «пустое» пространство не может быть полностью лишено энергии.
Средний уровень энергии в пустоте называется энергией нулевых колебаний. Но предсказание значения этой энергии чревато бесконечностью, и здесь нет возможности совершить
Когда квантовый объект находится на его нижнем уровне энергии, она остается ненулевой, но использование этой энергии все равно потребует опуститься ниже.
безопасную перенормировку, как это было сделано в КЭД (см. с. 135), поэтому оценки энергии нулевых колебаний сильно различаются.
Мы регулярно видим сообщения, что кто-то разработал способ использования энергии нулевых колебаний в качестве неисчерпаемого источника. Но практическое применение такого кажется довольно смелым. Чтобы использовать энергию, нужно что-то, имеющее меньшую энергию. Например, для использования потенциальной гравитационной энергии нужно что-то, располагающееся ниже точки начала движения.
208


Если есть место, расположенное ниже, куда можно вылить воду, то ее течением можно привести в движение водяное колесо или турбину, но на абсолютно плоской поверхности использование энергии движения воды невозможно; в остальных же случаях энергия недоступна. Однако, по определению, нет ничего ниже, чем энергия нулевых колебаний. Единственная возможность — это использовать флуктуации, но во всех попытках сделать это было использовано больше энергии, чем может быть произведено.
Невозможность прямого доступа к энергии нулевых колебаний (иногда ее также называют вакуумной энергией или энергией основного состояния) не прекратила рассуждения об альтернативных способах использования ее существования. Одна из концепций, которую больше поддерживают, основана на так называемом квантовом вакуумном двигателе. В обычном ионном двигателе нужно нести с собой реактивы, чтобы он работал, в то время как квантовый вакуумный двигатель будет использовать виртуальные частицы в качестве реактива, так что он не будет нагружен дополнительной массой. Многие теоретики сомневаются в его практической реализуемости, но было предложено несколько пробных устройств. Энергия нулевых колебаний
представляет собой подходящий источник для научно-фантастических рассказов.
209


абсолютный нуль
Температура — это мера энергии атомов в веществе. Эта энергия является суммой кинетической энергии атомов (энергии их движения) и одного из энергетических уровней в каждом атоме (энергетического состояния, в котором находится электрон, определяющего, имеет ли он возможность совершить квантовый скачок на другую орбиталь).
Можете представить состояние, в котором каждый атом стационарен, а все электроны находятся на нижнем энергетическом уровне? Как только оно будет достигнуто, идти дальше будет некуда. Тело в таком состоянии будет на абсолютном пределе холода — в абсолютном нуле температур. Те-
КВАНТОВЫЙ ПРЕДЕЛ
До разработки квантовой теории казалось, что нет особых причин недостижимости этой температуры. Однако если бы все атомы находились на самом низком уровне энергии и не двигались, принцип неопределенности был бы нарушен, и тогда вы бы могли знать одновременно как положение атома (фиксированное), так и его импульс (равный нулю). В результате абсолютный нуль никогда не может быть достигнут.
Реперные точки трех наиболее часто используемых температурных шкал.
Шкала
Абсолютный нуль
Кристаллизация воды
Кипение воды
Кельвин (К)
0
273,15
373,15
Цельсий (°C)
-273,15
0
100
Фаренгейт (°F)
-459,67
32
212
210


НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ
О Две системы, между которыми возможен теплообмен, находятся в тепловом равновесии, если между ними теплообмена нет.
1 Энергия в системе меняется за счет совершения ею работы (или совершения работы над ней) и за счет поглощения ею тепла или передачи его окружающим телам.
2 В замкнутой системе тепло переходит от более горячей части системы к более холодной — энтропия (мера неупорядоченности системы) либо остается неизменной, либо увеличивается.
3 Энтропия системы при абсолютном нуле температур равна нулю. Невозможно достичь абсолютного нуля конечным набором процессов.
оретически это произойдет при -273,15 градусах по Цельсию, что было переопределено как 0 градусов по шкале Кельвина (в которой используется такая же единица измерения, как и в шкале Цельсия).
Концепция абсолютного нуля была изначально основана на наблюдении, как величина деления в термометре становится меньше при измерении более низких температур — значит, при некоторой температуре она не могла уменьшаться дальше.
211


СВЕРХПРОВОДНИКИ
Хейке Камерлинг-Оннес был удостоен Нобелевской премии в 1913 г. «за исследования свойств вещества при низких температурах, которые, среди прочего, привели к производству жидкого гелия».
В 1911 г. датский физик Хейке Камер- линг-Оннес экспериментировал с экстремально низкими температурами. Он был ведущим мировым специалистом в области физики низких температур, и ему было любопытно узнать, как переход на более низкие энергетические уровни в атоме будет влиять на электрическую проводимость материалов.
Некоторые ученые думали, что поскольку «газ» из электронов, несущих электричество, теряет энергию, то сопротивление материалов будет уходить в бесконечность. Другие, включая Ка- мерлинг-Оннеса, считали, что будет постепенное уменьшение сопротивления.
В эксперименте 1911г. Камерлинг-Оннес понизил температуру ртути до 1,5 К — чуть выше абсолютного нуля, — и то, что он наблюдал, потрясло физический мир: ни одно из предсказаний не
Сверхпроводники обладают набором необычных способностей, одно из которых— вытеснение магнитного поля — заставляет магнит парить над ними. Это называется эффектом Мейсснера.
212


Работа огромных магнитов в Большом адронном коллайдере основана на протекании больших токов в сверхпроводниках.
Даже при стандартах начала XX в. о Камерлинг-Онне- се говорили как об отце науки и о том, что он превосходил всех своих коллег.
оказалось правильным. При температуре 4,2 К сопротивление ртути внезапно и полностью исчезло. Камерлинг-Оннес обнаружил первый в мире сверхпроводник. Полное отсутствие сопротивления было сложно подтвердить, но в последующих экспериментах поток электричества, запущенный в витке провода из сверхпроводника, тек 18 месяцев без ослабления силы тока.
Хотя у сверхпроводников есть свои пределы из-за того, что они нагреваются и теряют сверхпроводимость при протекании тока через них, они облегчают производство электромагнитов, намного более сильных, чем все остальные.
Сверхпроводящие температуры для набора материалов.
Сверхпроводник
к
°C
Алюминий
1,2
-271,95
Алмаз
11,4
-261,75
Свинец
7,19
-265,96
Ртуть
4,15
-269
Диборид магния (МдВ2)
39
-234,15
Нитрид ниобия (NbN)
16
-257,15
Олово
3,72
-269,43
Титан
0,39
-272,76
213


МЕЧТА ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Сверхпроводящая ртуть впечатляет, но все-таки заветная мечта — это сверхпроводники, работающие при комнатной температуре. Наличие таких проводников будет означать, что у нас появятся, например, силовые кабели, переносящие электричество без потерь или способные проводить на большие расстояния токи, более сильные, чем сейчас.
Сверхпроводники при комнатной температуре так до сих пор и не были получены, но максимальная температура, на которой сверхпроводимость возможна, была поднята в несколько раз. Начальный набор высоты был постепенным, до метки около 30 К (-243°С), но в середине 80-х гг. XX в. были обнаружены новые керамические материалы, включающие барий, медь, иттрий и кислород, допускающие гигантский скачок до 90 К (-183°С). С тех пор другие разные сочетания дали сверхпроводники, работающие при температурах вплоть до 125 К — у отметки в -150°С. Огромное преимущество таких материалов состоит в том, что сверхпроводимость может быть достигнута с использованием распространенного жидкого азота, а не дорогого жидкого гелия, который требуется при очень низких температурах.
Целью является найти сверхпроводники, которым будет не нужно постоянное охлаждение свежими порциями жидкого гелия или азота.
214


МЕТАМАГИЯ
Поиск и разработка сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, продолжаются. Некоторые физики рассматривают метаматериалы — особые искусственные вещества с такими странными свойствами, как отрицательный показатель преломления, — в то время как другие думают, что ответом может быть особая разновидность графита, взаимодействующая с органическими жидкостями.
Новые керамические материалы дают сверхпроводимость на температурах, более высоких, чем когда-либо прежде.
Компонент
к
’С
МдВ2
39
-234,15
Т1,Ва,СиО.
80
-193,15
таар/чо,,
122
-151,15
НдВа2Са2Си3Ов
128
-145,15
H2S под высоким давлением
203
-70,15
До сих пор нет хорошей теории, объясняющей существование современных высокотемпературных сверхпроводников.
На момент написания этой книги сверхпроводящие кабели очень сложны и требуют постоянного охлаждения.
215


СВЕРХТЕКУЧИЕ
ЖИДКОСТИ
Когда Хейке Камерлинг-Оннес в своем эксперименте по проводимости охладил жидкий гелий до 1,5 К, он заметил нечто странное. В процессе охлаждения было видно, как жидкий гелий сначала бурлил при прохождении точки кипения при температуре в 4,2 К, а затем снова конденсировался. Но при 2,17 К его бурление внезапно прекратилось.
Камерлинг-Оннес не понял, как произошло, что поверхность гелия стала сверхтекучей. Подобно тому как экстремальный холод изменяет характер прохождения электронов по проводнику, он оказывает квантовое воздействие на атомы жидкости, в результате чего получается вещество без вязкости — нет никакого сопротивления движению. Поскольку атомы в веществе могут перемещаться абсолютно свободно, они не теряют никакой тепловой энергии при движении, поэтому они превосходно переносят тепловую энергию: они становятся идеальными переносчиками тепла.
Это означает, что сверхтекучие жидкости обладают на первый взгляд магическими свойствами. Приведите коль-
Одна из первых зафиксированных утечек сверхтекучей жидкости из сосуда.
216


Согласно современным стандартам, лаборатория Камерлинг-Он- неса имела примитивное оборудование, но это ему не помешало достичь замечательных результатов.
Сверхтекучие жидкости имеют несколько возможных очевидных применений, но также недавно появилась идея использовать их в специализированных охлаждающих устройствах и в качестве «квантовых растворителей», которые заставляют другое состоящее из маленьких частиц вещество собираться вместе и становиться видимым.
цо из сверхтекучей жидкости во вращение — и оно будет вращаться до тех пор, пока будет оставаться в сверхтекучем состоянии. Что еще более странно, если удерживать сверхтекучую жидкость в открытом сосуде, она будет пытаться выбраться наружу. Комбинация естественного движения атомов, отсутствие вязкости и квантового эффекта, принимающего атомы за нечто, связанное воедино, делает такое движение возможным. При правильной форме сосуда и внезапном сообщении тепла эффект настолько сильный, что сверхтекучая жидкость будет выстреливать из верхней части сосуда, создавая самоподдер- живающийся фонтан.
217


КОНДЕНСАТЫ
БОЗЕ - ЭЙНШТЕЙНА
И сверхпроводимость, и сверхтекучесть являются результатами изменений в поведении скоплений квантовых частиц при низких температурах. Связанное с этим явление включает в себя создание совершенно нового состояния вещества.
Мы знакомы с твердыми телами, жидкостями и газами, и многие из нас слышали о четвертом состоянии вещества — плазме, — которое возникает при нагревании газа до таких температур, при которых атомы теряют электроны и становятся заряженными ионами. Поскольку звезды состоят в основном из плазмы и составляют основную массу галактик (не считая темной материи), плазма является наиболее часто встречающейся формой обычной материи во Вселенной. Мы также сталкиваемся с плазмой, когда смотрим на пламя и на некоторые типы телевизоров с плоским экраном. Но на холодном конце шкалы температур имеется также пятое состояние вещества, известное как бозе-эйнштейновский конденсат, или конденсат Бозе — Эйнштейна.
Стандартная модель (см. с. 190) разделяет частицы на две группы: фермионы, которые подчиняются принципу запрета например такие как электроны и кварки (см. с. 118), и бозоны
ИОНЫ
Атомы обычно электрически нейтральны: число электронов в них равно числу протонов. Однако многие из них способны либо присоединять дополнительные электроны, либо терять один электрон или больше. Когда это происходит, образуется заряженная версия атома, называемая ионом. Ионы часто образуются в химических реакциях, например в той, где хлорид натрия (соль) растворяется в воде, давая ионы натрия и хлора, или в тех, при которых нагревается газ.
218


Название связано со статистикой Бозе — Эйнштейна, одним из двух вариантов того, как могут вести себя квантовые частицы. Другой вариант — это статистика Ферми — Дирака.
которыми являются, например, фотоны, этому принципу не подчиняющиеся. Бозоны обычно не взаимодействуют друг с другом, и многие из них могут сосуществовать в одном и том же квантовом состоянии. В конденсате Бозе — Эйнштейна огромное число частиц свя¬
заны друг с другом так, что эта связь позволяет им вести себя подобно одному большому бозону, наделяя вещество такими необычными свойствами, как способность захватывать свет.
Название «бозе-эйнштейновский» отсылает к модели, используемой для описания коллективного поведения этих частиц, — бозе-эйнштейновской статистике, названной так потому, что она была разработана Сатиендра Бозе и распространена Альбертом Эйнштейном. Это поведение применимо только к частицам, которые не подчиняются принципу запрета Паули. Другая возможная статистика Ферми — Дирака (полученная независимо двумя физиками) применима к скоплениям частиц, следующим принципу запрета.
Фермионы подчиняются статистике Ферми —Дирака, тогда как бозоны — статистике Бозе — Эйнштейна.
219


медленный свет
Фундаментальной особенностью специальной теории относительности является равенство скорости света одному и тому же значению внутри любого материала (крайний предел составляет 299 792 458 км/с — это скорость света в вакууме). Но бозе-эйнштейновские конденсаты обладают необычным воздействием на эту скорость. Хотя практического применения им до сих лор не нашлось, они способны на замечательное чудо: замедление света до скорости пешехода.
Датский физик Лене Вестергаард Хау, работавшая в Гарвардском университете, сделала конденсат из ионов натрия охлаждением их почти до абсолютного нуля. Путь для света через конденсат, который обычно непрозрачен, был открыт с исполь-
Эксперименты по замедлению света требуют использования точно отъюстированных экспериментальных установок с лазерами.
220


Схема установки эксперимента Хау: буквой L обозначен участок, на котором свет распространялся медленно.
зованием лазера, называемого «управляющим», который действует в качестве оптической лестницы для второго лазера, чтобы протащить волну света последнего. И тот второй пучок света, пропущенный таким образом через материал, был значительно замедлен — сначала до скорости в 17 м/с, а потом и до 1 м/с.
Альтернативным подходом к остановке света может быть генерация вращающегося вихря в бозе-эйнштей- новском конденсате. Если бы можно было заставить этот небольшой водоворот вращаться достаточно быстро, могло бы возникнуть что-то наподобие оптической черной дыры, в которую свет затягивался бы и не мог бы выбраться оттуда, поскольку жидкость двигалась бы быстрее скорости света внутри нее.
Результаты экспериментов Хау не принимались в течение нескольких дней, пока съемочная группа не стала использовать дым, для того чтобы лазеры в ее лаборатории стали видимыми в камеру.
ОСТАНОВЛЕННЫЙ СВЕТ
В более поздней версии эксперимента Хау действие управляющего лазера постепенно уменьшали, оставляя основной пучок запертым внутри конденсата. Включение управляющего лазера давало возможность фотонам выйти наружу. Фактически в конденсате создается запутанная смесь света и вещества, известная как темное состояние.
221


Световые мечи являются прекрасным материалом для научной фантастики, но их нельзя создать с помощью бозе-эйнштейновских конденсатов.
222


БЕЗ СВЕТОВОГО МЕЧА
Другой пример использования низких температур для создания необычных квантовых эффектов был реализован в 2013 г., и это привело к тому, что в газетном заголовке было объявлено: «Ученые из Массачусетского технологического института и Гарварда случайно создали настоящий световой меч». Звучит впечатляюще, но заголовок, основанный на пресс-релизе университета, был не просто небольшим заблуждением. Будущие джедаи были разочарованы.
Опять же, бозе-эйнштейновский конденсат был использован для того, чтобы заставить свет вести себя необычно. Фотоны, как правило, полностью игнорируют друг друга, что как раз хорошо. Если бы разные потоки фотонов, проходящие через комнату, сталкивались друг с другом, в результате был бы оптический беспорядок. Существует не только тот свет, который мы видим глазами, но и излучение в других диапазонах электромагнитного спектра, так что различные радио-, телевизионные, телефонные и М-Я-сигналы, каждый со своим потоком, вносили бы свой вклад в хаос. А в эксперименте со «световым мечом» два фотона по сути дела должны были сцепиться, чтобы создать что-то наподобие легкой молекулы.
При прохождении двух фотонов через конденсат один работал в качестве управляющего лазера, что заставляло другой фотон сильно взаимодействовать со своим окружением и связывало эти два фотона вместе. Такая пара фотонов ведет себя так, как если бы они имели массу и притягивались друг другу, если только они остаются внутри конденсата. Как только они уходят из него, фотоны возвращаются к своему нормальному поведению, однако они часто спутаны. Есть надежда, что эффект такого рода будет полезным в фотонике, которая перенимает возможности электроники, но использует фотоны, а не электроны, и, возможно, приведет к созданию более компактных и быстродействующих устройств. Все это — интересная физика, но вряд ли она сможет увлечь Люка Скайуокера.
Прочитаем другой заголовок: «Ученые наконец изобрели световые мечи, которые работают на самом деле», — будто физики долгое время пытались воплотить это в жизнь.
223


МАКРО- И МИКРОМИРЫ
Деление мира на макро- и микро- — вот почему такие странности, как сверхпроводимость, так интересны. Они представляют собой проявления квантового поведения, наблюдаемого в макрообъектах — например, в проволоке из ртути или жидком гелии, — которые мы можем непосредственно наблюдать.
Пожалуй, наиболее замечательным квантовым экспериментом является наше существование каждый день во Вселенной — макромире. Мы окружены микромиром — объектами, построенными из квантовых частиц, демонстрирующих таинственное поведение, исследованное нами.
В то же время квантовые частицы составляют абсолютную основу реальности. Однако макромир, в котором мы живем, наполнен обычными объектами, которые, как кажется, обладают непоколебимой реальностью. Единственной неопределенностью, связанной, скажем, с куском сыра в холодильнике, является то, был ли он съеден кем-то или нет. Сыр не будет сам по себе оказываться в каком-либо другом месте, даже если отдельные частицы, составляющие его, способны на квантовое туннелирование.
В частности, по причине отличия между макро- и микромиром так много людей, включая Эйнштейна, сталкивались со сложностями квантовой физики. Несомненно, квантовая таинственность случается, но есть ощущение, что так быть не должно. Можно сказать, что в больших масштабах взаимодействие квантовых частиц с другими окружающими их частицами «смягчает» квантовую странность, но по-прежнему кажется, что это не совсем правильно.
Несмотря на видимый конфликт, практически все, что мы наблюдаем опытным путем, не работало бы без квантовых эффектов так, как мы это видим. Без квантового туннельного эффекта не было бы Солнца и звезд; без квантовых взаимодействий то вещество, которое мы знаем, не было бы ни различимым, ни способным создавать твердые тела.
224


Макромир, который мы наблюдаем, ведет себя так, как мы ожидаем, несмотря на то, что он полностью состоит из квантовых частиц.
Микромир квантовых частиц управляется вероятностью и, кажется, что идет вразрез с опытом.
225


КВАНТОВЫЕ ЭНЗИМЫ
Одной из областей знаний, в которой мы все больше и больше понимаем важность квантовых эффектов, является биология. Удивительное число биологических процессов зависят от квантовой физики — не просто в том смысле, что они затрагивают квантовые частицы, составляющие вещество, а еще потому, что квантовые эффекты непосредственно влияют на биологические исходы.
Первое открытие такого влияния, сделанное в 70-е гг. XX в., коснулось энзимов, которые являются неотъемлемой частью, например, пищеварительного процесса. Для некоторых случаев хорошо установлено, что роль энзимов в качестве катализаторов включает в себя обеспечение протонов или электронов способностью туннелировать через барьер, запуская реакцию. Это нужно, например, когда стенки кишечника поглощают энергию из пищи. Процесс все же может проходить и без помощи квантового эффекта, поскольку некоторые частицы имеют достаточную для преодоления барьера энергию, но квантовое вмешательство ускоряет реакцию, во многих случаях делая ее в тысячи раз быстрее.
Биологические чистящие средства используют квантовые процессы, происходящие в энзимах, чтобы разрушить большие молекулы, например жиров и углеводов, облегчая удаление пятен с поверхности материалов.
226


Энзимы представляют собой сложные биологические молекулы, образующие замысловатые запутанные цепочки.
Помимо живых организмов энзимы используются повсюду — от биологических стиральных порошков до приготовления сыра.
Как и в кишечнике, энзимы активны во многих реакциях, происходящих во всех живых организмах, таких как передача химических сигналов по организму или регуляция потоков веществ, переносящих энергию.
КВАНТОВОЕ ВЫЖИВАНИЕ
Без этих ускоряющих эффектов многие организмы, включая людей, не могли бы выжить. Так вот, подобно тому, как квантовые эффекты дают нам возможность жить, обеспечивая работу Солнца, они также управляют нашим биологическим существованием.
227


ТУННЕЛИРОВАНИЕ ДНК
Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) лежит в основе жизни, храня огромное количество информации, дающей генетические инструкции росту и воспроизводству живых существ.
Эти данные могут быть легко продублированы, когда структура молекулы, напоминающая винтовую лестницу, «расстегивается» на среднем «звене», и каждая образовавшаяся половинка реконструируется до полной версии. Этот механизм удваивания является одной из точек, в которых могут быть введены разные варианты генетического кода, запускающие эволюцию, — и, судя по всему, возможным механизмом осуществления такого процесса мутации является квантовое туннелирование.
Часть звена, называемая парой оснований, сцеплена воедино электромагнитным притяжением водородной связи. Каждая половина звена оканчивается атомом водорода, который притягивается, например, к атому азота или кислорода, расположенному в другой половине пары. Но расстояние между этими атомами мало, и протон как квантовая частица может туннелировать из одной половины в другую, изменяя химическую структуру молекулы ДНК и вызывая мутацию.
Хромосома — это одиночная молекула ДНК. Человеческая хромосома (далеко не самая большая молекула, встречающаяся в природе) содержит около 10 миллионов атомов.
Человеческая хромосома, представляющая собой молекулу ДНК, намотана на «веретено» и похожа на сверток, если смотреть в электронный микроскоп.
228


Известная спиралевидная структура молекулы ДНК содержит данные в парах оснований, соединяющих спирали.
ПРЯМОЕ ДЕЙСТВИЕ
Долгое время считалось, что влажное и теплое окружение живой клетки предотвращает любое квантовое действие со стороны постоянно налагаемой декогеренции (см. с. 108). Если этот механизм будет экспериментально подтвержден, он окажется убедительным примером прямого воздействия квантового явления на макрообъект.
Протон может туннелировать по водородной связи, как показано на примере двух типов пар оснований пунктирными линиями на рисунке.
229


ФОТОСИНТЕЗ
Наверное, из всех биологических процессов, напрямую зависящих от квантовых эффектов, самыми заметными являются те, которые включают излучение или поглощение света.
Наиболее знакомым и важным из них является фотосинтез — используемый растениями механизм превращения энергии света в химическую энергию для поддержания жизни и роста. Когда фотон передает энергию электрону, находящемуся в молекуле хлорофилла, мы встречаемся с квантовым эффектом, самым первым в сложной цепочке процессов.
Чтобы энергию можно было использовать, она должна быть доставлена до части растительной клетки, называемой реакционным центром фотосинтеза. Это возможно посредством запуска передачи энергии электрона от молекулы к молекуле, как в волне. Эти волны распространяются синхронно, превращая данный процесс в биологический эквивалент работы лазера, который производит свет, когда волны (или фазы, если рас-
Зеленый покров лесного массива представляет собой природную энергетическую станцию благодаря квантовым эффектам, вовлеченным в фотосинтез.
230


В одном из этапов процесса фотосинтеза используется самая быстрая химическая реакция из всех известных, занимающая всего лишь 0,000000000001 секунды.
сматривать свет как поток фотонов) так же синхронны. По всей видимости, в процессе передачи энергии также используется вероятностная природа квантовых явлений, проверяющая возможность найти самый лучший путь к реакционному центру, как в квантовом компьютере (см. с. 276).
Поток электронов запускает движение протонов через мембрану, управляя производством молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) — природного хранилища энергии. Когда электрон наконец возвращается к молекуле хлорофилла, возникает побочный эффект: производится молекула кислорода в качестве отхода, — ив результате мы имеем атмосферу Земли, богатую кислородом, нужным нам для дыхания.
Реакции фотосинтеза протекают в объектах внутри растительных клеток, называемых хлоропластами.
231


ВЕДЕНИЕ ГОЛУБЯ
Многие птицы, например почтовый голубь и зарянка, обладают таинственной способностью ориентироваться в полете, даже когда они не видят никаких заметных объектов на местности. С некоторых пор стало известно, что такое возможно в результате их способности «подцеплять» магнитное поле Земли: птицы имеют «встроенный» компас, — но точный механизм, который может объяснить, как это работает, оказался трудным для понимания.
Каким бы образом этот процесс ни протекал, он носит квантовый характер. Согласно одному из наиболее поддерживаемых предположений, энергия падающего света используется для разбиения молекулы на два заряженных «осколка», называемых свободными радикалами. Эти реакционноспособные компоненты способны вызвать рак разрушением молекулы ДНК, но здесь свободные электроны с каждым из пары свободных радикалов действуют как маленький компас, поскольку одним из квантовых свойств электрона является спин, а направление спина меняется при наличии магнитного поля (см. с. 146).
В результате влияния на взаимодействие между спинами электрона и одного из атомных ядер, находящихся в молекулах
СВОБОДНЫЕ РАДИКАЛЫ
Вероятно, это звучит как название политической фракции, но на самом деле свободные радикалы представляют собой химические компоненты, составляющие атом, например кислород, и имеющие неспаренные электроны, что делает их очень хорошо реагирующими с другими молекулами. Когда свободные радикалы появляются в биологических системах, в которых их быть не должно, они могут разрушить другие молекулы посредством взаимодействия с ними. Так, например, нежелательные свободные радикалы могут разрушить структуру ДНК. Однако они безопасно используются во многих других биологических процессах.
232


32 почтовых голубя получили медаль Дикин за отвагу, проявленную во время Второй мировой войны.
Изменения спинов в молекуле
вещества, называемого криптохроном, в глазу птицы взаимодействуют друг с другом, давая возможность обнаруживать изменения в магнитном поле.
химических соединений глаза, называемых криптохромами, расположение птицы по отношению к магнитному полю Земли может изменить характер взаимодействия этих соединений с другими, давая указатель, который, в свою очередь, дает обратную связь, умноженную огромным количеством молекул, с мозгом птицы.
Земное магнитное поле окружает нашу планету и может играть роль навигационной сетки для птиц.
233


КВАНТОВОЕ ПОВСЮДУ
Помимо того что квантовая физика сама по себе захватывающая, так еще и вкупе с науками о материалах (которые сами все больше и больше функционируют за счет квантовых открытий) она является одним из наиболее применяемых разделов физики, ответственных, по некоторым оценкам, за 35% валового внутреннего продукта (ВВП) в технологически развитых странах.
Как всегда, квантовая физика лежит в основе природы всего вещества и света, но именно здесь наблюдается выгода активного использования квантовых эффектов.
Развитие обращения ученых-практиков и инженеров к квантовой физике проходило в три этапа. Сначала квантовые эффекты использовались просто потому, что они являются частью природы. Всякое обращение с материалами включало управление атомами. К концу XIX в. квантовые эффекты стали все больше непосредственно использовать, например, управляя электронами с помощью магнитных и электрических полей. А с 50-х гг. XX в. уже сознательно пытаются создавать материалы и продукты, ставя на службу квантовые свойства для производства совершенно новых устройств — от электроники до материалов, которые специально производятся обладающими необычными квантовыми эффектами.
Квантовые устройства дома.
236


ОБНАРУЖЕНИЕ КВАНТОВОГО
Посмотрите вокруг себя. Если вы используете устройство для чтения электронных книг, если у вас есть мобильный телефон, портативный компьютер, телевизор — любые электронные устройства, — значит вы используете технологию, имеющую квантовую физику в своей основе.
Современный смартфон содержит множество квантовых технологий от экрана и флэш-памяти до навигационных GPS-технологий и процессора.
Каждый отдельный функциональный элемент смартфона использует одну или более квантовых технологий.
237


НЕОЖИДАННО КВАНТОВОЕ
Хоть мы этого и не осознаем, мы извлекаем пользу от квантовых эффектов в течение всего времени нашего существования. Нашим основным источником энергии, поставляющим ее напрямую в виде тепла и света и косвенно через наши продукты питания и погоду, всегда было Солнце — самый большой объект в пределах четырех световых лет от Земли, приводимый в действие квантовыми явлениями.
Если говорить проще, каждая химическая реакция, которую мы используем, биологическая ли или не относящаяся к нам, например получение огня для приготовления пищи или обогрева, включает квантовые процессы.
ОТСУТСТВИЕ КВАНТОВОГО
Пожалуй, легче сказать, где не используется прямо или косвенно квантовая физика, чем где используется. В отличие от чего-то нематериального, например любви или нашего художественного вкуса (и даже там вовлечены квантовые процессы, протекающие в мозге), единственным значительным исключением является гравитация. Как мы узнаем (см. с. 288), даже ее можно сделать членом квантовой семьи, но пока что она уклонялась от всех попыток сделать это.
Без квантового туннельного эффекта положительно заряженные ядра атомов солнечного вещества не смогли бы подойти друг к другу на расстояние, достаточно близкое для слияния
238


Многие ученые думают, что биологические процессы, обуславливающие сознание, включают в себя такие квантовые эффекты, как туннелирование.
Как мы видели, химические реакции запускаются атомными структурами, являющимися квантовыми сами по себе. В течение веков мы стали все больше и больше использовать магнетизм и электричество, до недавних пор не зная квантовую природу этих явлений.
Будь то химические реакции, магнетизм или плазма пламени — везде наличествуют квантовые процессы, лежащие в основе реальности.
239


ТРУБКИ КРУКСА
Второй этап нашего использования квантовых явлений, связанных с электронами, можно отчетливо увидеть в разработке исторически важной трубки Крукса, названной в честь ее выдающегося изобретателя, британского химика и физика Уильяма Крукса.
Для этого были взяты стеклянные трубки, которые были герметизированы после того, как почти весь воздух из них был выкачан. На одном конце такой трубки был расположен источник электронов, которые испускались в сторону другого конца благодаря расположенному в середине трубки положительно заряженному электроду, притягивающему электроны с отрицательным зарядом.
Потоки электронов назывались катодными лучами, поскольку они испускались из отрицательно заряженного электрода, называемого катодом. Многие электроны поглощались положительным электродом, тогда как остальные пролетали мимо него, после чего ударялись в стекло. Такие удары давали свечение, поскольку прилетающие электроны переводили электроны
РИСОВАНИЕ ЭЛЕКТРОНАМИ Вскоре экспериментаторы использовали электрические и магнитные поля для смещения пути катодных лучей. Это был механизм, лежащий в основе работы электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), широко используемой в телевизорах до 90-х гг. XX в.
Положительно заряженный анод по традиции имел форму мальтийского креста.
240


Первые рентгеновские устройства были трубками Крукса высоких энергий.
в атомах стекла на более высокие энергетические уровни, с которых они переходили назад, излучая свет. Позже флуоресцентное вещество было нанесено на конец трубки для увеличения этого эффекта.
Сначала было непонятно, что лежало за эффектами трубки Крукса, но с открытием электрона (см. с. 38) стало ясно, что в процесс входило управление электронами, или электроника. В трубке присутствуют как электромагнитные эффекты, заключающиеся в ускорении электронов, так и квантовая электродинамика в создании света при взаимодействии электронов с атомами стекла.
До того как жидкокристаллические дисплеи стали стандартом, телевизоры и мониторы компьютеров были основаны на усложненном варианте трубки Крукса.
Если приложить высокое напряжение на положительный электрод, электроны могут быть ускорены до таких скоростей, что даваемое свечение будет не видимым светом, а рентгеновскими лучами. Первые рентгеновские устройства были всего-навсего модификациями трубки Крукса.
241


ЭЛЕКТРОНИКА
Мы склонны считать, что электроника относится к знакомым полупроводниковым устройствам, но она начиналась именно с трубок Крукса. В том, о чем сначала думали, как о луче, подобном лучу света, опознали поток электронов, которым можно было управлять с использованием магнитных и электрических полей. Электроника заключается всего лишь в управлении электронами: когда вы включаете телевизор, компьютер или телефон, то все, что происходит внутри этих устройств, является следствием этого управления.
В первых трубках Крукса электроны поставлялись электрическим разрядом в тонком слое воздуха в трубке, где ионизованные молекулы воздуха и выбитые электроны были потом притянуты к положительному электроду. Однако внутри более поздних трубок состояние было ближе к вакууму — там было меньше воздуха, отклонявшего проходящие электроны, и поэтому их большее число могло достичь другого конца. Был использован более контролируемый метод создания электронов с применением нити, похожей на ту, которая имеется в традиционной электрической лампочке, нагреваемой до тех пор, пока она не выпустит электроны в вакуум.
Ключом к превращению трубки во что-то большее, чем просто демонстрация интересного эффекта, было управление электромагнитными полями, главным образом с использованием заряженных пластин, которые могли быть легко включены и выключены. Отрицательно заряженный поток электронов, ускоренный в направлении к положительно заряженному аноду, мог тогда быть включен, направлен и контролируем.
В электрических лампочках нужно нагревать нить, пока она не раскалится добела.
242


Первые нити электрических лампочек были сделаны из угля, поскольку металлические нити очень быстро сгорали. Но нити в трубке Крукса не нужно было нагревать до такой степени, поэтому их делали из металла.
Традиционный магнит может быть использован для сообщения фиксированного изменения направления пучка электронов, а при использовании переменных электрических зарядов или электромагнитов поток электронов можно направлять на разные места. Благодаря этому стало возможно «писать» электронами на экране, создавая на флуоресцентном материале изображение, которое будет светиться достаточно долго для его поддержания, пока электроны не будут принесены назад, чтобы включить его снова.
Как электрические, так и магнитные поля могут быть использованы для изменения пути заряженных частиц, таких как электроны.
243


РАДИОЛАМПА
Ключами к использованию электроники являются обеспечение выключателем и усиление сигнала — два наиболее часто встречающихся элемента электрической цепи.
Нужно сделать только одно усовершенствование трубки Крукса, чтобы сделать радиолампу (в США ее называют вакуумной трубкой). Фактически первые трубки Крукса были простым вариантом типа радиоламп, называемых диодами, через которые электричество может протекать только в одном направлении. В отличие от участка провода, благодаря наличию заряженных электродов электроны могут течь только от катода к аноду.
Однако устройством, сделавшим настоящий прорыв, был именно триод. Туда добавили третий электрод, который располагался между отрицательно заряженным катодом, нагревателем, дававшим электроны, и положительно заряженным
Триодная лампа представляла собой компактную трубку с сеткой — третьим электродом, контролировавшим поток электронов.
Чтобы сделать их более компактными, большинство радиоламп были изготовлены в виде маленьких стеклянных цилиндров с нагревателем/ катодом, накалявшимся в середине. Сетка (если имелась) была исполнена в виде трубки, окружавшей его, и положительный анод тоже был трубкой, окружавшей все упомянутые выше элементы.
244


Ряды триодов в компьютере ЭНИАК, работавшем в 40-е гг. XX в.
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ ТРИОДЫ Триод мог работать как выключатель, пропуская или останавливая поток электронов через него, или как усилитель — слабый сигнал, менявший напряженность электрического поля на сетке, удваивался, давая более сильный сигнал в потоке электронов.
анодом. Этот новый имеющий отверстия электрод был назван сеткой. Когда сетка не была заряжена, через трубку протекал сильный ток. Но с ростом отрицательного заряда на сетке протекало меньше электронов.
245


ПОЛУПРОВОДНИКИ
Радиолампы работали хорошо, но у них имелся ряд проблем. Устройства с большим количеством электронных ламп, например первые компьютеры, выделяли огромное количество теплоты, которое приводило к остановке работы системы. Более того, начиная с определенных размеров лампы было невозможно уменьшить, они были хрупкими, а еще их нельзя было включить сразу, поскольку нагревателю требовалось время для накала.
Поэтому к началу 50-х гг. XX в. проводились эксперименты по поиску материалов, которые могли бы играть те же самые роли выключателей и усилителей, но были бы не такими хрупкими, крупными и энергозатратными, как лампы. Явными претендентами были полупроводники. Эти материалы, занимающие промежуточное положение между проводниками, например металлами, и изоляторами, например стеклом, позволяли контролировать потоки электронов — необходимое требование для осуществления функции радиоламп.
В отличие от примитивных ламп, разработка полупроводниковых компонентов требовала явного знания квантовой физи-
Изоляторы, например, сделанные из керамики и используемые на линиях электропередач, предотвращают поток электронов.
246


Проводники, как, например, медь, позволяют электронам свободно протекать по ним.
Несмотря на название, первые радио «с кошачьим усом» не имели никакого отношения к кошкам: «усом» был тонкий металлический провод, контактирующий с полупроводником.
А полупроводники, в частности кремний, пропускают ток в некоторой степени, которая может быть изменена. Именно кремний является наиболее часто используемым полупроводником в электронных устройствах, в которых размещаются тонкие пластины из полупроводникового кристалла.
ВВОДЯ ПРИМЕСЬ
Легирование, или допирование, в электронике является необходимым для работы таких полупроводников, как кремний и германий. Оно представляет собой введение небольшого количества другого химического элемента, который эффективно преодолевает запрещенную зону, делая работу электроники более эффективной.
ки, чтобы использовать работу так называемой запрещенной энергетической зоны, через которую перепрыгивает электрон из состояния, в котором он движется по орбитали вокруг атома, в свободное состояние, находясь в котором он вносит вклад в проводимость материала.
247


ТРАНЗИСТОР
Первый транзистор, который принес его создателям Джону Бардину, Уильяму Шокли и Уолтеру Браттейну Нобелевскую премию по физике в 1956 г.
Твердотельный вариант триода был назван транзистором. Он был разработан в лабораториях Белла (тогда в исследовательском центре Американской телефонной и телеграфной компании) в конце 40-х гг. XX в. и вошел в практическое использование в начале 50-х гг.
Первые транзисторы были сделаны в виде трехслойных «бутербродов» из полупроводников. Каждый слой в таком «бутерброде» работал аналогично одному из элементов радиолампы. Эти слои чередовались разными типами примесей.
В примесях может использоваться химический элемент, либо
добавляющий дополнительные электроны (тогда примесь называется примесью n-типа, поскольку она увеличивает отрицательный заряд — negative), либо имеющий число элек-
Самые примитивные транзисторы состоят из простых сочетаний материалов с примесями п- и р-типа.
248


ВАЖНОСТЬ «ДЫРОК»
Может показаться, что примеси p-типа не представляют большой ценности, но отсутствующие электроны облегчают поток других электронов, откуда бы они ни шли. Отсутствующие электроны называются «дырками» и часто рассматриваются как реальные объекты, поскольку работа с относительно небольшим числом «дырок», а не с электронами, которых гораздо больше, может облегчить вычисления.
тронов, меньшее, чем у исходного полупроводника (примесь p-типа; positive означает «положительный»). К примеру, для кремния примесью л-типа может быть фосфор, а бор — примесью р-типа.
Почти так же, как и сетка в триодной лампе, центральный слой полупроводникового транзистора (n-типа в рлр-варианте и p-типа в лрл-варианте) контролирует поток электронов между двумя другими слоями, обеспечивая возможность включе- ния/выключения или усиления.
Первым промышленным домашним применением было транзисторное радио, которое сделало радиоприемники портативными. Они стали настолько знакомыми всем, что их просто называли «транзисторами».
Хотя современные транзисторы чаще всего можно найти в интегральных схемах, они по-прежнему применяются в отдельных устройствах, где их немного.
249


ВСЕ В ОДНОМ
Самые первые транзисторы были намного меньше, чем радиолампы: их типичные высоты составляли от
2 до 10 см, а в ширину они занимали 1 см. Конструирование процессора современного персонального компьютера с его 1,4 млрд транзисторов занимало бы невообразимо много времени и пространства.
К концу 50-х гг. XX в., когда тран-
Большие вафли из силикона выращиваются для того, чтобы работать в качестве основы нескольких интегральных схем.
зисторы стали широко использоваться, монолитные интегральные схемы, включающие множество компонентов, в том числе транзисторы, начали применяться на
практике. Вместо того чтобы строиться из отдельных компонентов, интегральная схема начинается с вафли из кремния, на которой наращивается слой диоксида кремния. Посредством напыления в тот момент крайне тонкого слоя металла или по- ликристаллического кремния возможно создать тот же эффект, что и при работе транзистора, но в намного более компактной форме.
Не ясно, кто именно изобрел интегральную схему, но честь обычно разделяется между Джеком Килби из компании Texas instruments и Робертом Нойсом из Fairchild Semiconductor.
Современный чип процессора может иметь более миллиона транзисторов.
250


Существуют две положительные черты этого подхода, основанного на таком чипе. Во-первых, после изначальной разработки схему можно сконструировать намного быстрее, что означает возможность выноса электроники на массовый потребительский рынок. И во-вторых, намного больше компонентов может быть введено при минимальных дополнительных расходах. В современной интегральной схеме квантовые технологии используются несколькими способами, чтобы исполнить большие отдельные компоненты в виде мельчайших элементов.
ЗАКОН МУРА
Эффективность этого подхода демонстрируется законом Мура, полученным в результате наблюдений Гордона Мура, основателя компании Intel, согласно которому число транзисторов на чипе удваивается приблизительно каждые два года. Это остается справедливым в течение более чем четырех десятилетий.
251


ИЗОБРЕТЕНИЕ ЛАЗЕРА
Лазер является образцовым квантовым устройством. Внутри него имеется генерирующее вещество, в котором фотон переводит электрон на более высокий энергетический уровень в атоме. Второй фотон тогда толкает другой электрон и, вместо того чтобы поглотиться, приводит к испусканию фотона первым атомом.
Генерирующий материал работает как усилитель, получающий на входе один фотон и выпускающий два. И созданные фотоны находятся в фазе, означая, что свет испускается в узком пучке.
В исходном варианте лазерных устройств в качестве генерирующего материала используется, например, рубин, расположенный в отсеке между парой зеркал. Свет проникает внутрь отсека и бежит вперед и назад, создавая фотоны, находящиеся в фазе. Однако второе зеркало лишь частично посеребрено, что позволяет некоторым фотонам выйти наружу и создать лазерный пучок.
Трое американских ученых возглавили гонку в конструировании лазера. Чарльз Таунс лидировал в теоретических построениях, но сошел с дистанции из-за крайне сложного механизма, поскольку он неверно посчитал, что рубиновые лазеры были непрактичны, и разработал устройство, использующее в качестве генерирующего материала газ. Гордон Гулд первым предложил осуществимую конструкцию, но его прогресс был приостановлен проблемами безопасности, поскольку его проект спонсировался Управлением перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США. Так что именно Теодор Меймен сумел создать первый работающий лазер в мае 1960 г.
Теодор Мейман изобрел лазер в мае 1960 г.
252


ДРУГОЕ ВДОХНОВЕНИЕ ЭЙНШТЕЙНА
В 1916 г. Альберт Эйнштейн разработал теорию, лежащую в основе работы лазера, известную как теория вынужденного излучения. Отсюда и полное название лазера, которое можно перевести как «усиление света посредством вынужденного излучения».
Лазер Меймана позаимствовал многое из развития фотографии. Один из его сотрудников незадолго до того участвовал в разработке новых электронных световых приборов, которые начали заменять лампы-вспышки, и они оказались идеальными источниками для накачки света в рубиновый генерирующий материал.
Когда Гордон Гулд работал над своим лазером, компания, в которой он числился, получила финансирование от Министерства обороны США. Это означало, что Гулд должен был пройти строгую проверку. Он не прошел, в частности, из-за того, что два его рецензента носили бороды, и поэтому их приняли за диверсантов. В результате ему запретили даже читать свои записи.
Оригинальная конструкция лазера Меймана имела в своей основе рубин в качестве генерирующего материала.
253


ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛАЗЕРОВ
Из трех главных действующих лиц в разработке лазеров Таунс и Мэймен ставили в центр внимания коммуникационные технологии, где устройства оказались важны в области развития высокоскоростного интернета и сообщений на длинные расстояния, где используется свет лазера, проходящий по оптическому волокну.
Гулд пытался продвинуть товар, имеющий более драматические последствия, предсказывая военные применения, включая оружие, управляемое лазером, и использование самих лазеров в качестве оружия — того, что сейчас находится еще только на стадии разработки. Особенно интенсивно разрабатывается такое оружие на кораблях, где отсутствие ответного удара лазером идеально.
Никто, однако, не предвидел весь широкий спектр применений лазеров. Будь то медицинские приложения, например
С помощью волоконной оптики делаются красивые светлые дисплеи, но более важной является ее основная роль в наших современных коммуникационных системах.
254


Гулд первым стал использовать термин «лазер». Таунс, первым из трех начавший работать над этим прибором, всегда его называл «оптическим мазером», поскольку он достиг успеха в конструировании микроволнового аналога.
Свет отражается от волокна, так что он продолжает распространяться вдоль него на всем его протяжении.
СКАЧУЩИЙ ИНТЕРНЕТ
В 1870 г. английский физик Джон Тиндаль показал «фонтан света», в котором поток воды направлял в определенную сторону лучи света, выливавшиеся на емкость, собирающую воду. В волоконной оптике лазерный свет в стеклянном волокне похожим образом падает на боковую поверхность и отражается от него, скача вдоль кривых волокон.
лазерная хирургия, чтение оптических дисков, включая CD, DVD и диски стандарта Blu-ray, или принтеры и сканеры штрих-кодов — лазеры стали частью повседневной жизни, и притом таким образом, как этого никогда не ожидали.
В отличие от CD-дисков или лазерных принтеров, лазерный луч в сканере супермаркета виден пользователю.
255


ГОЛОГРАММЫ
Голография стала одним из первых применений лазера. Ее полный потенциал еще по-прежнему не достигнут. Разглядывание фотографии пейзажа сильно отличается от рассматривания реального вида за стеклом таких же размеров. Хотя идея любования деревенскими пейзажами через маленькое стеклянное окошко может показаться странной, участвующий в этом процесс важен: фотоны от объекта, который мы наблюдаем, приходят из разных направлений с разными фазами. Как только мы меняем точку наблюдения — свое положение, — мы получаем другое изображение. Голограмма фиксирует эту информацию о фотонах, приходящих на поверхность, например на лист стекла, и воспроизводит ее, переводя ее с поверхности на получающееся трехмерное изображение.
Влияние объекта записывается с помощью двух лазеров (или одного источника, свет от которого разделяется на два луча), один из которых освеща-
Венгерско-британский физик Деннис Габор запатентовал голограмму в 1947 г. Но работающая модель не могла быть создана до 1964 г., когда она последовала за изобретением первого лазера...
При получении голограммы используются два лазера для создания интерференционной картины.
256


Чтобы увидеть голограмму, нужно посветить на нее лазером, который создает трехмерное изображение, если смотреть через стекло.
НАПЕЧАТАННЫЕ ГОЛОГРАММЫ Голограммы на кредитных картах и банкнотах работают посредством отражения света от фольги и формирования интерференционной картины между двумя или более прозрачными слоями над фольгой. Результат является менее полноценным, чем в традиционных просвечивающих голограммах.
ет объект, а другой сразу освещает записывающую поверхность. Голографический процесс фиксирует картину, возникающую в результате интерференции лазерных лучей, а при освещении третьим лазером этой картины объект воссоздается.
Хотя голографические технологии были значительно усовершенствованы, процесс запечатления остается надоедливым, поскольку требует сканирования лазером, а не обычным светом, а оно медленное, так что голограммы продолжают использоваться только для специальных целей.
Наиболее знакомые голограммы используются в знаках защиты от подделок.
257


электронный микроскоп
Когда Габор предложил идею голографии, он думал с позиций другого прорывного квантового устройства — электронного микроскопа, — поскольку надеялся, что с его помощью можно получить большой набор изображений с разными характеристи-
ВАРИАНТЫ ЭЛЕКТРОННЫХ МИКРОСКОПОВ Устройство первого электронного микроскопа было основано на принципе действия обычного светового микроскопа, в котором свет пропускается через полупрозрачный объект. Однако с течением времени модификаций электронных микроскопов становилось все больше, они давали больше способов получения изображения. Следующий тип квантового микроскопа, сканирующий туннельный микроскоп, использующий квантовое взаимодействие между зондом и поверхностью рассматриваемого объекта, может давать изображение с разрешением вплоть до отдельных атомов. Другой впечатляющей возможностью сканирующего туннельного микроскопа является вышеупомянутое взаимодействие между зондом и поверхностью предмета, позволяющее передвигать отдельные атомы по образцу. Это было ярко продемонстрировано в 1989 г., когда исследователи написали аббревиатуру компании IBM 35 атомами ксенона на поверхности кристалла никеля.
Если в просвечивающем электронном микроскопе пучок электронов проходит через предмет, то в сканирующем электронном варианте, когда пучок ударяет по поверхности, образуются вторичные электроны (или фотоны) и собираются окружающими детекторами.
258


Электронный микроскоп сканирует образец с помощью пучка электронов.
ками. И в самом деле электронный микроскоп начиная с ЗО-х гг. XX в. оказался ценным применением квантовой физики.
С представлением о том, что электрон может действовать как волна, пришла идея заменить фотоны в микроскопе электронами. Такой новый микроскоп имел большое преимущество, поскольку возможности традиционного светового микроскопа, а именно насколько маленький предмет можно в него разглядеть, ограничены длиной волны света. Невозможно разглядеть изображению шириной меньше длины волны. А поскольку длины волн электронов могут быть по крайней мере в тысячу раз меньше, чем у видимого света, возможно значительное улучшение техники получения изображения.
Если увеличение микроскопа ограничено примерно 2 000-кратным пределом, то в принципе электронный микроскоп может достичь увеличения в 10 млн раз.
Объекты, наблюдаемые через электронный микроскоп, показывают совершенно другой пейзаж из структур, не видимых в световой.
259


MPT-СКАНЕРЫ
Одним из наиболее снаряженных квантовой физикой оборудований, которое сейчас каждый день используется в больницах, является магнитно-резонансный томограф (МРТ), разработанный в 70-е гг. XX в. Изначально его название включало словосочетание «ядерный магнитный резонанс» (ЯМР), но оно было изменено из-за вводящей в заблуждение негативной ассоциации с чем-то «ядерным».
Механизмом работы этих сканеров является квантовый эффект. Тело человека содержит много воды, каждая молекула которой имеет пару отдельных протонов. Когда пациент оказывается внутри сканера, крайне мощный магнит меняет квантовые спины этих протонов. Когда магнитное поле выключается, протоны возвращаются к своим исходным спиновым состояниям, излучая фотоны на радиочастотах. Потревоженные молекулы воды становятся миниатюрными радиопередатчиками, и сигнал от них перехватывается приемниками, расположенными вокруг пациента.
Создание этого эффекта требует очень сильных магнитов, которые, в свою очередь, требуют охлаждения до крайне низких температур, обычно жидким гелием, чтобы сделать
Внутри MPT-сканера пациент окружен магнитами и радиоприемниками.
260


MPT-сканеры стали обычным оборудованием в больницах. Эти устройства могут давать подробные изображения внутренних органов, и хотя они работают медленнее и по стоимости дороже трехмерных компьютерных томографов, использующих рентгеновское излучение, они не создают вредное ионизирующее излучение.
Вторичные электромагниты, называемые градиентными катушками, используются для изменения конфигурации магнитного поля в разных частях тела пациента, чтобы построить единую картину. Катушки этих магнитов резко расширяются и сжимаются, вызывая громкий стук, напоминающий взлетающий реактивный самолет.
их сверхпроводниками (см. с. 212). Все это означает, что как использующий спин механизм работы томографа, так и привлекающая сверхпроводники технология переворота спина являются прямым применением квантовых эффектов.
261


ЛЕТАЮЩИЕ ПОЕЗДА
Хотя сверхпроводникам еще не найдено широкое промышленное применение, одной из впечатляющих возможностей является использование сверхпроводящих магнитов для поддержания движения высокоскоростных поездов.
Скорости обычных поездов ограничены трением и механическим напряжением между колесами поезда и рельсами. Од-
ДЕЛАЯ МАГЛЕВЫ РЕАЛЬНЫМИ
Хотя ученые уже на протяжении десятилетий экспериментируют с маглевами, удачных примеров их промышленного использования пока еще немного. Соображения безопасности и стоимость современного производства сверхпроводящих магнитов задерживают начало широкого использования этих технологий, которые сегодня представлены лишь моделями-прототипами небольших размеров. Тем не менее уже сейчас в Японии строится первая настоящая линия поездов на магнитной подушке — Чуо Синкансэн, завершение которой запланировано на 2030-е гг.
В японском варианте системы сверхпроводящие магниты поезда создают магнитное поле в его окружении, вызывая левитацию.
262


Первый маглев общего пользования курсировал между аэропортом Бирмингема и международной железнодорожной станцией с 1984 по 1995 г.
Обычная высокоскоростная железная дорога работает на скоростях около 250 км/ч, тогда как первые прототипы японских маглевов достигают скоростей, превышающих 600 км/ч.
нако поезда на магнитной подушке (или маглевы, от словосочетания «магнитная левитация») используют силу отталкивания между магнитами, для того чтобы парить над путями, при этом сопротивление движению сильно уменьшается.
С учетом того, что парить будут поезда, весящие сотни тонн, нужно учесть множество факторов — и только сверхпроводящие магниты могут обеспечить достаточный подъем над путем. При последовательных изменениях магнитного поля те же магниты могут использоваться для проталкивания поезда вдоль пути, как частицы, проходящей через ускоритель.
Линия с поездами на магнитной подушке Чуо Синкансэн изначально будет соединять Токио и Нагойю, а впоследствии дойдет до Осаки. I
263


ФЛЕШ-ПАМЯТЬ
Странное явление квантового туннелирования (см. с. 112) не просто ответственно за работу Солнца. Оно лежит в основе технологического продукта, который большинство из нас имеют у себя дома, — флеш-памяти.
Компьютерная память основывается на величине электрического заряда, которая учитывается либо нулем, либо единицей, что обычно требует постоянного источника энергии для поддержания устойчивости этой памяти. Однако флеш-память, которую можно найти в мобильных телефонах, дисках для компьютеров на твердотельных элементах и картах памяти, сохраняет записанную на ней информацию, даже когда источник энергии отключен.
Единицей измерения компьютерной памяти является бит, представляющий собой ячейку, которая может хранить либо ноль, либо единицу. Каждый из этих битов представляется состоянием транзистора, работающего как выключатель: он имеет одно значение, если через него протекает ток, и другое, если он протекать не может. Флеш-память использует особый тип таких выключателей, называемый транзистором с плавающим затвором. Здесь затвор, который действует как выключатель, расположен посередине транзистора и изолирован от остальных его элементов. Функцию выключателя выполняет наличие
Каждый бит флеш-памяти реализуется транзистором с плавающим затвором, в котором плавающий затвор электрически изолирован и может быть доступен только квантовым туннелированием.
264


Флеш-память была изобретена в начале 80-х гг. XX в. инженеВсе извлекаемые карты памяти содержат именно флеш-память.
ром-электронщиком Фудзио Ма- суокой, когда он работал в компании Toshiba.
или отсутствие заряда на затворе, но непосредственно его зарядить или разрядить невозможно. Вместо этого для переключения его состояний используется квантовое туннелирование, преодолевающее барьер изоляции.
Сначала флеш-память была относительно медленной и дорогой, что делало ее ограниченной специализированными приложениями. Однако к настоящему моменту она стала несравненно лучшим заменителем накопителя на жестких магнитных дисках, поскольку доступ к ней более быстрый, к тому же она намного более живучая, поэтому лучше подходит для портативного оборудования.
В твердотельном накопителе
(SSD) хрупкий вращающийся магнитный диск
заменен
чипами с флеш- памятью.
265


КВАНТОВАЯ ФОТОГРАФИЯ
В наше время немногие отрасли преобразованы квантовой физикой настолько же, как фотография. Чтобы понять, как расцвет цифроЧем больше приемнику ПЗС-каме- ры, тем больше информации он может запечатлеть.
вых камер изменил нашу жизнь, достаточно просто проследить эволюционный путь компании Kodak от глобального предприятия до просьб предоставления защиты от банкротства.
В основе компании Kodak лежат квантовые технологии. Существуют два подхода к цифровой фотографии: использование КМОП-структуры (комплементарной структуры «металл-окисел-проводник») и использование ПЗС (прибора с зарядовой связью). Более дешевая и чаще встречающаяся КМОП-структура содержит набор светочувствительных схем, способных регистрировать уровень освещенности (свет проходит через маленькие красные, зеленые и синие фильтры для отделения разных цветов друг от друга
ВЫБЕРИТЕ ВАШ СЕНСОР
ПЗС был более ранней технологией, но более дешевые КМОП-структуры заменили его в большинстве камер. Однако ПЗС имеет некоторые технические преимущества — например, зачастую устройства с КМОП-структурами за один раз могут собрать информацию только с одного ряда сенсоров, поэтому они плохо справляются с фотографированием быстро двигающихся изображений. Поэтому ПЗС остается технологией, предпочитаемой профессионалами.
266


Если ПЗС традиционно использовались в цифровыходнообъективных зеркальных камерах из-за лучшего качества изображения, КМОП-структуры стали более распространенными, поскольку КМОП-технологии были улучшены.
В 1975 г. компания Kodak первой разработала цифровую камеру, но засекретила ее, поскольку было ясно, что появление этой камеры может негативно отразиться на продажах компании.
для каждого пикселя). В отличие от нее, ПЗС, в которой также используются цветные фильтры, имеет набор маленьких накопителей электронов, каждый из которых отмечает число электронов, выбитых фотонами из атомов. Фактически в ПЗС каждый пиксель имеет «ведерко», в котором подсчитываются попадающие туда электроны для получения окончательного изображения.
Сравнение характеристик КМОП-структур и ПЗС
Описание
ПЗС
КМОП
Составляющие камеры
Приемник + микросхема обслуживания оптики + оптическая схема
Приемник + иногда микросхема обслуживания оптики
Скорость
От средней до быстрой
Быстрая
Чувствительность
Высокая
Низкая
Шум в изображении
Низкий
Средний
Сложность системы
Высокая
Низкая
Сложность приемника
Низкая
Высокая
Коэффициент заполнения пикселей
Большой
Небольшой
Выходной сигнал микросхемы
Аналоговый (напряжение)
Цифровой (биты)
Сигнал от пикселя
Электроны
Напряжение
Степень равномерности затвора
От среднего до высокого
Низкое
267


ДЖ03ЕФС0Н0ВСКИЕ
СОЕДИНЕНИЯ И СКВИДЫ
Другой широко распространенной, хоть и менее знакомой квантовой технологией является джозефсоновское соединение, названное в честь физика Кембриджского университета Брайна Джозефсона. Микроскопическое по размерам соединение состоит из пары полупроводников с барьером между ними. Когда происходит квантовое туннелирование через барьер, соединение приобретает уникальные свойства — в частности, соединение работает как крайне чувствительный детектор напряжения при подключенном источнике питания переменного тока.
Джозефсоновские соединения имеют ряд применений в дистанционном зондировании, однако они наиболее часто встречаются в форме СКВИДов (SQUID) — сверхпроводящих квантовых интерферометров, использующих джозефсоновские переходы для обнаружения мельчайших изменений в магнитных полях.
Как и лазерам, СКВИДам находятся все новые и новые применения. Например, они работают как отличные детекторы в MPT-сканерах и микроскопах на магнитном поле, а также сейчас используются в детекторах, которые могут зафиксировать
Брайан Джозефсон часто конфликтует с научным сообществом, поскольку поддерживает такие альтернативные современной науке идеи, как телепатия и память воды.
Брайан Джозефсон получил половину Нобелевской премии «за теоретическое предсказание свойств тока, проходящего через туннельный барьер, в частности явлений, общеизвестных ныне под названием эффектов Джозефсона».
268


В простом СКВИДе пара джо- зефсоновских соединений (J), расположенных между двумя сверхпроводящими брусками, изменяет силу тока (I), проходящего через них, в ответ на обнаруженные малые изменения магнитного потока (Ф).
маленькие изменения магнитного поля Земли. Эти изменения указывают на наличие металлических объектов, например не- разорвавшихся бомб, и, в отличие от их обычных эквивалентов, СКВИДы способны обнаружить объекты, находящиеся под водой или под землей.
Демонстрация одного из первых СКВИД-магнитометров
269


КВАНТОВАЯ ОПТИКА
Мы привыкли использовать оптику, управляющую лучами света с помощью зеркал и линз, будь то очки, телескопы или микроскопы. Как мы уже видели, это все квантовые устройства. Однако можно контролировать поток света с использованием оборудования, использующего и другие квантовые эффекты. Некоторая часть квантовой оптики может воспроизводить эффекты электроники, используя фотоны, поэтому она называется фотоникой.
Эта широкая область включает в себя устройства, которые дают свет явно квантовыми способами (конечно, традиционная лампа накаливания тоже использует квантовый эффект, но для ее создания не требовалось знание квантовой физики). Одним из таких приборов является лазер, другой же, светоизлучающий диод (светодиод, LED), сейчас используется в большинстве экранов и как энергосберегающая замена обычных лампочек. В светодиоде, когда электроны из одной части диода
Светодиодная лампочка преобразовала технологию освещения, тратя намного меньше энергии (в форме выделяющегося тепла), чем обычные лампочки накаливания.
270


Светодиодные
лампочки стремительно заменяют компактные люминесцентные, поскольку они используют меньше электричества, мгновенно включаются на полную мощность и гораздо менее хрупкие.
перескакивают в отверстия в другой, они высвобождают энергию в форме фотонов (света).
Другая, специализированная квантовая оптика использует совершенно новые материалы, например метаматериалы — вещества, имеющие свойства, которых нет в природе. Например, прозрачные материалы обычно имеют положительный показатель преломления, изгибая свет внутрь, когда он входит в такой материал. Но у некоторых метаматериалов показатель преломления отрицателен, поэтому свет отклоняется в противоположную сторону. Это дает возможность создания суперлинз с невероятно большим увеличением и маскирующих устройств, заставляющих свет огибать объект.
Гарри Поттеру можно не волноваться. Хотя метаматериалы могут маскировать объект, они пока не работают с видимым светом, а объект должен быть таким же маленьким, как длина волны света. Первая эффективная маскировка работала только с микроволновым излучением, от которого укрывались объекты размером не более чем несколько сантиметров. Даже так принцип допускает настоящую невидимость.
271


КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ
Некоторые квантовые технологии застенчиво прячутся за такими просто звучащими терминами, как электроника, но другие формы этих технологий гордо заявляют о своем квантовом происхож¬
дении.
Одной из проблем работы с квантовой частицей является всего-навсего ее удержание. Оно особенно важно,
Некоторые квантовые точки представляют собой выращенные мельчайшие кристаллы. Эта сделана из сульфида кадмия.
если отдельные квантовые частицы используются в устройствах больших масштабов. Квантовая точка (КТ) представляет собой маленький твердотельный полупроводник, который может использоваться либо как одноэлектронный транзистор, либо как генератор очень маленьких источников света, фактически работающих так, как если бы КТ были искусственными атомами, испускающими фотоны в ответ на возбуждение.
Одноэлектронные транзисторы — это миниатюрная версия флеш-памяти (см. с. 264), где электрический заряд удерживается в изолированной ячейке, доступ к которой обеспечивается квантовым туннелированием. Здесь же ячейкой (еще называемой островом) является КТ, удерживающая единственный электрон. КТ представляет собой финальную
Когда кристаллы с квантовыми точками, подвергаются действию электрического тока, они излучают свет, цвет которого зависит от их размера.
272


В одноэлектронном транзисторе квантовая точка соединяет затвор с основными электродами.
Не будучи квантовой точкой в строгом смысле, одна из первых ловушек для квантовой частицы была использована для подвешивания одного иона бария в области, где он, освещенный лазером, был виден невооруженным глазом как светящаяся точка.
стадию миниатюризации электроники, поскольку как только система работает за раз с отдельными электронами, уменьшать уже некуда. Если приборы сделать еще меньше, им нужно переключиться на альтернативу, например фотонику, где фотоны заменяют электроны.
Квантовая точка — не единственная достижимая электронная компонента устройств, но ее способность удерживать один электрон означает, что ее можно использовать для конструирования особого вида квантового устройства, известного, как кубит.
273


КУБИТЫ
Кубит—это гибрид слов «квантовый» и «бит». В наших компьютерах и телефонах биты составляют наименьшую единицу хранения информации, каждый из них содержит либо значение О, либо значение 1, но в кубите битом является квантовая частица — и это меняет все.
Причиной является суперпозиция состояний (см. с. 146). Такое квантовое свойство, как спин, существует в комбинации вероятностей — например, с вероятностью в 60% спин направлен вверх, а с вероятностью в 40% — вниз. Эта суперпозиция означает, что кубит имеет гибкий набор значений — может представлять значение с любым числом знаков после запятой. А при объединении кубитов число значений, с которыми можно иметь дело, растет экспоненциально. Всего из нескольких сотен кубитов возможно построить квантовый компьютер, способный производить вычисления, находящиеся за пределами возможностей любого имеющегося компьютера.
Это хорошая новость. А плохая — это то, что кубиты хитрые. Если, к примеру, мы выбрали значение кубита, находящегося в суперпозиции состояний, упомянутой выше, в течение 60% времени мы будем получать значение «вверх», а в течение 40% — значение «вниз», так что в каждый момент времени мы будем получать только одно значение.
ХРАНЕНИЕ ВЕЩЕСТВЕННЫХ ЧИСЕЛ
Представим два процентных значения вероятностей в суперпозиции состояний со спином, направленным вверх, и спином, направленным вниз, принимающих значения от 100% для спина вверх до 100% для спина вниз (соответствует 0% для спина вверх). Каждому направлению можно присвоить значение от 0 (спин направлен точно вверх) до 1 (спин направлен точно вниз). Суперпозиция представляет вещественное десятичное число.
274


Хотя сами кубиты являются квантовыми частицами, настолько маленькими, что они невидимы, окружение, которое поддерживает их состояние, в настоящее время имеет грандиозные размеры: эта установка вмещает лишь пять кубитов.
Для кубитов рассмотрено большое разнообразие вариантов их исполнения. Вероятно, наиболее популярными являются фотоны, электроны и квантовые точки, но среди других прецедентов имеется спин атомного ядра, используемый в МРТ-скане- рах и особых вариантах джозефсоновских соединений.
Поскольку кубит хранит суперпозицию двух значений, он может иметь любое направление между «вверх» и «вниз», представляя лю¬
бое десятичное число от 0 до 1.
По мнению американского физика Бенджамина Шумахера, который ввел термин «кубит», это результат языковой игры над словом, обозначающим старинную меру длины, которая у нас называется локоть.
275


КВАНТОВЫЕ
КОМПЬЮТЕРЫ
По крайней мере две программы, написанные для квантового компьютера, датированы 90-ми гг. XX в. Одна может разложить большие числа на простые множители, означая способность взломать нынешнее компьютерное шифрование, тогда как другая может осуществлять поиски, требующие квадратный корень от времени, которое затрачивается на них обычным компьютером.
Управление набором битов делает возможным создание обычных компьютеров. Неудивительно, что кубиты являются рабочими компонентами квантовых компьютеров.
Эта технология разрабатывается уже в течение десятилетий, и хотя разработка промышленно приемлемого квантового компьютера представляется слишком сложной, тем не менее сотни научных групп работают над ней.
Сложности в запуске работы квантового компьютера включают в себя как декогеренцию (см. с. 108), поскольку сложно препятствовать взаимодействию кубитов с их окружением, так и простое обеспечение передачи информации по ним, для которой необходима квантовая телепортация (см. с. 168). Однако работающий квантовый компьютер требует гораздо меньше кубитов, чем обычному компьютеру требуется битов, а также
Увеличенное изображение схемы для сверхпроводникового квантового компьютерного устройства на пяти кубитах компании IBM.
276


Процессор D-волны похож на обычную интегральную схему, но содержит около 512 альтернативных для нее кубитов.
сделан значительный прогресс. Кажется возможным, что в течение следующих нескольких лет квантовые компьютеры окажут значительное влияние на информационные технологии.
ОСЕДЛАТЬ D-ВОЛНУ
Хотя настоящие квантовые компьютеры до сих пор недоступны на рынке, один прибор, называемый D-волной, рассматривается как работающий квантовый компьютер. Несомненно, там используются квантовые эффекты, с которыми можно проводить некоторые вычисления намного быстрее, чем на обычном компьютере, но он использует узкоспециализированный процесс, называемый квантовым отжигом, означающий, что его применения всегда будут ограничены.
Кристаллическое ядро квантового компьютера при большом увеличении.
277


РАЗДЕЛ io


КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ
ВСЕЛЕННОЙ
Квантовая физика обычно описывается как физика очень малого: электронов, атомов, фотонов, — все они намного меньше объектов, встречающихся нам в повседневной жизни. Однако это не означает, что мы можем забыть о квантовом влиянии, когда смотрим на Вселенную и постигаем следствия космологических явлений.
Кажется странным, что поведение квантовых частиц так сильно отличается от знакомых объектов, хоть эти объекты и состоят полностью из квантовых частиц. И все же, как мы видели, мы не можем освободиться от квантовых эффектов даже на макроскопической шкале.
Когда мы смотрим за пределы Земли, на Вселенную, которая намного шире, и начинаем рассматривать очень большие явления, мы не можем отложить квантовую физику в сторону. Хотя сила гравитации является наиболее значительной в астрономических масштабах, другие три фундаментальные силы тоже играют важную роль, будь то ядерные реакции в недрах звезд или электромагнитные выбросы, разрывающиеся в солнечных вспышках. Квантовые эффекты также возникают в ряде гипотетических концепций, таких как черная дыра или Большой взрыв. В самом деле, трудно найти что-то, в чем квантовая теория не принимает участие.
ПРОПУЩЕННАЯ СИЛА
Гравитация не вписывается в квантовый мир — но это пока. В шедевральной работе Эйнштейна уравнения поля для гравитации, лежащей в основе его общей теории относительности, не проквантованы. Хотя большинство физиков искренне убеждены, что должен быть какой-то способ объединения гравитации с другими силами природы, квантовыми по своей сущности, он все еще представляется трудным для понимания.
280


Эйнштейн потратил большую часть последних 30 лет своей жизни на поиск способа сближения гравитации с другими силами, но у него это не получилось.
Четыре силы (взаимодействия):
1. Электромагнитное (проквантовано)
3. Слабое ядерное (проквантовано)
2. Сильное ядерное (проквантовано)
4. Гравитационное
281


НИКАКИХ ТЕОРИИ
ВСЕГО
Физики любят указывать на то, что у нас есть теория Великого объединения, а не теория всего. Именно теория Великого объединения сближает три проквантованных взаимодействия — электромагнитное, сильное и слабое ядерные, а не теория всего, которая внесла бы гравитацию в эту смесь сил.
Электромагнетизм и слабое взаимодействие были впервые объединены в электрослабой модели, перед тем как было добавлено сильное взаимодействие. Нынешняя теория предполагает, что в ранней Вселенной эти силы были объединены в одну, но по мере охлаждения Вселенной разные силы отделились в процессе, известном как нарушение симметрии.
Общая теория относительности Эйнштейна работает очень эффективно при описании больших тел, тогда как квантовая теория доминирует в области очень малого. Хотя нет причин, по которым гравитация должна вписаться в такую единую теорию, физики любят простоту (концепции, если не математики), которая имеет следствием такую адаптацию.
Разрушение симметрии происходит, когда очень маленькое изменение приводит к случайному изменению состояния. Например, карандаш, поставленный на острие, может упасть в любом направлении с одинаковой вероятностью—здесь присутствует симметрия. Но как только он чуть-чуть повернется, симметрия разрушается и переходит в новое состояние —упавшего карандаша.
282


ЧТО-ТО НОВОЕ
На данный момент квантовая теория и общая теория относительности несовместимы. Для достижения объединенной теории потребуется модификация одной из них или обеих — несмотря на то, что по отдельности они работают поразительно хорошо. Вполне возможно, что объединенная теория должна прийти из абсолютно новой области, заменив обе эти существующие теории.
Глэшоу, Вайнберг и Салам.
Три физика — американцы Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг, а также пакистанец Абдус Салам — в 1979 г. поделили между собой Нобелевскую премию по физике за электрослабую теорию.
283


большой взрыв
С начала ЗО-х гг. XX в., когда стало ясно, что Вселенная расширяется, кажется разумным считать, что следуя назад во времени, мы можем достичь точки, откуда все началось.
Термин «Большой взрыв» используется для неточного описания этой модели, однако, строго говоря, он описывает не начало Вселенной, а скорее ее внезапное расширение.
В наиболее экстремальном варианте теории Большого взрыва Вселенная начинается с сингулярности — точки с бесконечной плотностью, из которой все появилось. На деле многие соглашаются с тем, что появление бесконечности указывает на то, что данная теория неприменима, но даже очень малень-
В большей части ранней жизни Вселенной, показанной здесь эволюционирующей от Большого взрыва слева направо, доминировали квантовые эффекты.
284


Представим себе, что пятна, нарисованные на воздушном шаре,—это галактики во Вселенной. По мере расширения Вселенной все галактики разбегаются друг от друга. Пойдите достаточно далеко назад во времени — и все будет в одной и той же точке.
кое начало с конечной плотностью означает, что начальные условия во Вселенной попадали под действие квантовой физики. Теория Большого взрыва следует назад во времени из нынешней расширяющейся Вселенной, чтобы достичь начальной точки, меньше чем в которой Вселенная быть не могла. Последние оценки ставят эту точку в прошлое на 13,8 млрд лет от нас. Но с исходной теорией Большого взрыва есть проблемы, поскольку Вселенная оказывается слишком однородной. Чтобы заставить предположения космологов работать, предложили, что произошло внезапное и резкое расширение Вселенной, когда ее возраст составлял всего лишь малую долю секунды, в течение которой она увеличилась в объеме в 1 000 000 000 ООО 000 000 000 000 раз. Такой процесс, известный как инфляция Вселенной, также может объяснить, как маленькие квантовые флуктуации в ранней Вселенной стали зародышами крупномасштабных структур, которые мы наблюдаем сегодня.
Английский физик Фред Хойл ввел термин «Большой взрыв» для теории, которую он не поддерживал, в 1948 г., во время радиопрограммы.
285


ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ
Ясно, что звезды под действием гравитационного притяжения стремятся сжаться — именно так они сперва образовались из облаков газа. Но как только происходит сжатие, они нагреваются, и тепловая энергия, заставляющая атомы толкаться друг рядом с другом, в конце концов уравновешивает гравитационное сжатие. Один из первых выводов общей теории относительности заключался в том, что как только звезды израсходуют свою энергию, некоторые из них начнут снова сжиматься, становясь все меньше и меньше, пока они не исчезнут в точку.
Английский астроном Джон Мичелл, родившийся в 1724 г., разработал концепцию, сходную с черной дырой. Он работал над скоростью убегания — скоростью, с которой должен стартовать какой-то объект, запущенный с поверхности другого тела, чтобы преодолеть гравитационное притяжение. Эта скорость увеличивается с ростом массы тела. Мичелл пришел к выводу, что крайне массивная звезда может иметь скорость убегания, превышающую скорость света.
Радиус Шварцшильда, названный в честь Карла Шварцшильда, немецкого физика, который нашел решение уравнений Эйнштейна, определяет размер горизонта событий для определенной массы вещества.
286


Оказывается, что в центре нашей Галактики, Млечного Пути, имеется очень массивный объект, отождествленный с черной дырой.
В результате такого «исчезновения в точку» получится сингулярность. Подобно теории Большого взрыва, здесь предлагается ситуация, которую нынешняя теория объяснить не может, так что должно быть применено что-то еще. Однако имеются хорошие астрономические свидетельства того, что тела, ведущие себя подобно черным дырам, реально существуют.
Поскольку общая теория относительности показывает, что вещество создает искривление в пространстве-времени, дающее эффекты гравитации, то тогда получается, что если достаточно близко подойти к черной дыре, то искривление будет настолько сильным, что ничто, даже свет, не сможет выйти. Сфера, внутри которой это происходит, называется горизонтом событий.
ВИДИМАЯ ЧЕРНОТА
Хотя ничто не покидает черную дыру, эти объекты все же излучают свет. Любое находящееся рядом вещество, падающее на черную дыру, будет ускоряться, при этом давая свет. А еще будет свечение от процесса, известного как излучение Хокинга, в котором пары квантовых частиц, которые внезапно появляются за счет принципа неопределенности (см. с. 98), отделяются друг от друга горизонтом событий.
287


КВАНТОВАЯ
ГРАВИТАЦИЯ
Если гравитацию когда-либо введут в теорию всего, скорее всего, она будет проквантована — и будет появляться отдельными кусками, а не как непрерывная величина, подобно тому как, например, электромагнетизм был проквантован на фотоны.
Уравнения поля в общей теории относительности в настоящее время не имеют никакой степени неопределенности, никакого вероятностного элемента, привычного в квантовой теории. Но дело обстояло бы иначе, если бы мы создали квантовую теорию гравитации. Квантование гравитации означало бы, что ожидалось бы наличие частицы или частиц — переносчиков силы, как и для других фундаментальных сил, и что пространство и время, вероятно, были бы проквантованы — в свою очередь означая, что они не непрерывные, а «зернистые» с минимальным размером, мельче которого ничего не может быть определено.
Если бы пространство-время было проквантовано, квант (минимальный размер) пространства имел бы длину, равную планковской (названной в честь Макса Планка, см. с. 66), которая равна примерно 1,6 • 10'35 м (6 • 10’34 дюймов). Это нечто в 1025 раз меньше атома водорода, наименьшего из атомов. А соответствующий промежуток времени составляет 5,4 • 10"14 с. Эти планковские величины изначально понимались как единицы, полученные комбинациями фундаментальных констант природы. Например, планковская длина равна квадратному корню из постоянной Планка (см. с. 68), умноженной
Если планковская длина — приемлемый ориентир в измерении квантов пространства, то наконец находит свое использование число гугол (10’00), потому что тогда в кубическом метре окажется гугол квантов пространства.
288


на гравитационную постоянную Ньютона и разделенной на куб скорости света.
Как только общая теория относительности Эйнштейна и квантовая электродинамика стали хорошо обоснованными, показалось очевидным, что следующим шагом станет их объединение и последующее вовлечение в это объединение квантовой теории. Эйнштейн, как и многие его коллеги, потратил на это десятилетия. Ясной отправной точкой было рассмотрение гравитации с использованием квантовой теории поля, похожей на ту, которая была довольно эффективной для электромагнетизма. Но оказалось, что в этом подходе есть намного более серьезные проблемы перенормировки, чем имевшиеся в КЭД, — это появление нежелательных бесконечностей. Казалось, что если бы существовала своего рода частица квантовой гравитации, никак невозможно было бы предотвратить взаимодействие таких частиц друг с другом и возникающий безудержный гравитационный коллапс.
Если пространство-время проквантовано, пространство больше не непрерывно, а состоит из мельчайших крупинок.
289


ГРАВИТАЦИОННЫЕ
ВОЛНЫ
Черные дыры были не единственным предсказанием общей теории относительности, которое может быть проверено. Эйнштейн также показал, что внезапные движения массивных объектов создают волну в пространстве-времени, как создает обычные волны колеблющийся объект в водоеме. Это особенно интересное явление для квантовой гравитации, когда вы рассматриваете соотношение между частицами и волнами в квантовой физике.
В течение длительного времени предпринималось множество попыток обнаружить гравитационные волны, но это нелегко по ряду причин. Если свет имеет в основном высокие
Когда взаимодействуют объекты, обладающие очень большой массой, например черные дыры, то ожидается, что будут образованы гравитационные волны.


Детектор UGO в Ливингстоне. Показаны плечи интерферометра длиной в 4 км.
частоты (у видимого света они лежат в пределах от 4 • 1014 до 8 • 1014 Гц), ожидается, что гравитационные волны имеют частоты между 0,001 и 10 тыс. Гц, делая их обнаружение затруднительным, поскольку их можно легко спутать с вибрациями, связанными с Землей. В гравитационно-волновых детекторах чаще всего ищутся изменения в длине измерительного прибора — изначально металлических пластинок, а потом лучей света. Существование гравитационных волн было неуловимо десятилетиями, но в 2015 г. детектор Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) поймал сигнал, вызванный первыми прямо зарегистрированными гравитационными волнами, что и было подтверждено в 2016 г.
В LIGO используется пара устройств, находящихся на расстоянии 3 тыс. км (1864 мили) друг от друга: одно — в Хэнфорде (штат Вашингтон), а другое — в Ливингстоне (штат Луизиана), — и сравнивающих выходные сигналы, чтобы получить общий результат.
291


НОВАЯ АСТРОНОМИЯ
Когда сообщили об открытии LIGO, пресса придала этому факту большое значение как «подтверждению общей теории относительности Эйнштейна». В действительности хоть об¬
щая теория относительности Первое поколение астрономических телескопов улучшило возможности невооруженного глаза оптическими наблюдениями с увеличением.
и предсказала существование гравитационных волн, сама эта теория была уже неоднократно проверена, и никакого дальнейшего подтверждения не потребовалось. Открытие гравитационных волн оказалось значительным, потому что это может создать новую основу
для изучения астрономии.
В течение длительного времени астрономия использовала видимый свет. Мы смотрели на небо сначала невооруженным глазом, а потом используя линзы и зеркала. Начиная с XX в. и позже были задействованы другие части электромагнитного спектра с использованием набора инструментов, от радиотелескопов до рентгеновских и гамма-обсерваторий. Однако все
эти телескопы имеют свои недостатки.
Чем глубже мы смотрим в космос, тем дальше мы глядим в прошлое, потому что свету требуется время, чтобы достичь нас (это также верно для гравитационных волн, которые распространяются со скоростью света). И если мы посмотрим достаточно далеко, мы столкнемся с барьером. До того как возраст Вселенной составил 370 тыс. лет, она была непрозрачной:
Машина, проезжающая мимо гравитационно-волновой обсерватории, вызовет более ощутимые флуктуации, чем типичная гравитационная волна.
292


Телескопы второго поколения добавили в наши наблюдения другие части электромагнитного спектра, например радиодиапазон.
свет не мог проходить через нее, но гравитационные волны могли — вот почему они могут составить основу для совершенно нового типа астрономии. Наблюдения 2015 г., проведенные на LIGO, дали нам первое в истории прямое свидетельство существования черных дыр.
Телескопы третьего поколения полетели в космос, чтобы избежать искажений, вносимых атмосферой Земли. Сейчас гравитационные волны дают нам абсолютно новый способ наблюдать Вселенную.
293


ГРАВИТОН
Хотя полная теория гравитации оказалась трудноуловимой, можно рассматривать гравитационные волны как поток частиц. Этот подход имеет дело только с гравитационными волнами в той мере, как было возможно рассматривать световые волны как частицы перед тем, как появилась завершенная квантовая электродинамика.
В1934 г. советские физики Дмитрий Иванович Блохинцев и Фёдор Матвеевич Гальперин назвали гипотетическую гравитационную частицу гравитоном. Но лишь только в конце 50-х гг. XX в. Питер Бергман в США и Поль Дирак в Великобритании разработали математическое описание, лежащее в основе этой частицы.
Гравитация распространяется со скоростью света, так что если бы Солнце внезапно исчезло, мы по-прежнему чувствовали бы воздействие со стороны него в течение примерно восьми минут, поскольку гравитация продолжала бы доходить до нас.
294


Поскольку гравитация распространяется со скоростью света, если бы Солнце исчезло, потребовались бы следующие промежутки времени, прежде чем планеты перестали бы ощущать притяжение Солнца. Числа в средней колонке таблицы, представленной ниже, — это расстояния до Солнца в астрономических единицах (а. е.).
Планета
Расстояние до Солнца, а. е.
Время
Меркурий
0,387
193,0 секунды или 3,2 минуты
Венера
0,723
360,0 секунды или 6,0 минуты
Земля
1,000
499,0 секунды или 8,3 минуты
Марс
1,523
759,9 секунды или 12,7 минуты
Юпитер
5,203
2595,0 секунды или 43,3 минуты
Сатурн
9,538
4759,0 секунды или 79,3 минуты
Уран
19,819
9575,0 секунды или 159,6 минуты
Нептун
30,058
14998,0 секунды или 4,2 часа
РЕАЛЬНЫЕ ИЛИ НЕТ?
Гравитоны остаются гипотетическими. Хотя ученые, работающие над квантовой гравитацией, предположили, что в квантовой теории поля проблемы нежелательных бесконечностей в вычислениях могут быть разрешены, на практике это оказалось невозможным. Как следствие, требуется новая теория.
Подобно тому как фотон является и проквантованной версией световой волны, и переносчиком электромагнитных сил, гравитон должен быть проквантованной версией гравитационной волны и переносчиком гравитационных сил — в случае, если когда-то окажется возможным эти силы проквантовать. Так же, как и фотон, гравитон должен быть безмассовым (иначе гравитационная сила была бы ограничена некоторым радиусом взаимодействия, и были бы интересные особенности самодействия, поскольку гравитон как-то должен был бы иметь свои собственные мини-гравитоны для обеспечения его гравитации, которые, в свою очередь, нуждались бы в своих собственных, и так далее...).
295


ТЕОРИЯ СТРУН
Впервые теория струн была разработана при попытке объяснить стандартную модель физики частиц. Расширенная до включения гравитационных эффектов, она стала наиболее широко исследованной попыткой связать квантовую физику и гравитацию.
Когда ее описывают простыми словами, теория струн кажется интересной и соблазнительной. Больше нет «зоопарка» разных квантовых частиц (см. с. 190). Вместо этого каждая частица — это просто отдельная мода колебаний одной настоящей фундаментальной частицы — струны. Это одномерная конструкция, которая может быть либо незамкнутой, либо свернутой в петлю, и колеблется разными способами.
К сожалению, хоть основная концепция и легка для понимания, математика отнюдь не легкодоступна, и теория струн работает, только если измерений девять. И это еще не все: есть вопрос относительно извлечения хоть чего-то полезного из этой теории. Уравнения теории струн имеют не единственное решение — этих решений около 10500. Это настолько серьезная проблема, что некоторые ведущие физики утверждают, что теория струн вовсе не является настоящей наукой.
В теории струн появляется дополнительный уровень в иерархии вещества, располагающийся ниже кварков и электронов.
296


В теории струн решений намного больше, чем звезд в наблюдаемой Вселенной.
По мнению немецкого физика Мартина Бойовальда, теория струн, несомненно, является теорией всего, и в ней может произойти все, что угодно.
Струны могут быть замкнутыми (без концов) или открытыми (с двумя концами). Каждая струна может колебаться разными способами.
В верхнем ряду показаны некоторые колебания открытых струн, а в нижних — некоторые моды колебаний замкнутых струн, каждая из которых соответствует определенной частице.
КРИТЕРИЙ ПРОВЕРЯЕМОСТИ
Научная теория не представляет никакой ценности, если она не делает предсказаний, которые можно проверить. Теория струн имеет такое великое множество возможных решений, что ее проверка невероятно сложна.
297


ДРУГИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Подобно тому, каку нас есть двумерная проекция куба, тессеракт является трехмерной проекцией четырехмерного гиперкуба. Он имеет восемь «граней», которые являются кубами одинаковых размеров, но изображение в перспективе искажает их.
Математики и физики привыкли работать в пространствах с несколькими измерениями.
В математике вы можете иметь столько измерений, сколько захотите, и в квантовой физике не является чем-то необычным рассмотрение искусственного многомерного пространства, в котором каждое измерение соответствует одному возможному исходу или некоторой переменной в уравнении. Но это всего лишь математические инструменты. В теории струн все по-другому — она требует шесть дополнительных реальных измерений.
Появляется резонный вопрос: где эти измерения? Даже если мы пытаемся представить себе, каким будет девятимерный мир, мы ожидаем увидеть некоторое влияние со стороны дополнительных размерностей на нашу повседневную жизнь — но мы его не видим.
ВООБРАЖАЯ ИЗМЕРЕНИЯ
Представьте себе измерения (смежные стороны) для квадрата, нарисованного на бумаге. Теперь добавьте третье измерение у прямых углов к первым двум. Получится трехмерный объект. Чтобы осмыслить теорию струн, вам нужно продолжать добавлять дополнительные измерения у прямых углов, пока всего их не получится девять.
298


Представить себе четвертое измерение пространства не так-то и сложно. Фактически оно сделает возможной конечную Вселенную без границ. Представим поверхность Земли — это двумерная поверхность. Если ее повернуть в пространстве с третьим измерением, то будет видно, что она не имеет границ. Аналогично, если бы Вселенная была завернута в четырехмерном пространстве, нам не нужны были бы сложности, связанные с краем.
Однако для получения полной шкалы измерений в теории струн нужно еще больше измерений, которые спрятаны. Чтобы обойти эту проблему, предполагается, что невидимые измерения завязаны в настолько тугие узлы, что мы их не можем обнаружить.
Мы привыкли к трем измерениям в пространстве и одному во времени. Теории струн нужно более сложное полотно.
Британский физик Пол Дэвис сказал: «Может быть, ученые, работающие над теорией струн... однажды будут способны рассказать нам, как она работает. Или же они обитают в далекой сказочной стране».
299


М-ТЕОРИЯ
Теория струн имеет пять основных вариантов, объединенных в один подход, известный как М-теория. Эта супертеория была введена американским физиком Эдвардом Виттеном в 1995 г. Однако за это объединение придется платить — снова требуется еще одно измерение пространства. Так что в итоге М-теории нужно десять пространственных измерений плюс одно измерение для времени.
В М-теории основной единицей вместо струны является так называемая брана, которая может иметь любое число измерений вплоть до десяти. Одномерная форма этой браны, повернутая через другие измерения, упрощается до струны.
Дополнительные измерения в М-теории (или теории струн для того случая) довольно сильно отличаются от концепции «параллельных измерений» из научной фантастики, которая, скорее всего, похожа на альтернативную Вселенную, существу-
ЖИЗНЬ НА БРАНЕ
В М-теории наша Вселенная может быть представлена как мембрана, или брана, парящая в десятимерном пространстве. Альтернатива теории Большого взрыва, называемая экпиротической теорией, предполагает, что Вселенная начала расширяться, когда две такие браны столкнулись.
Доведенный до крайнего состояния свернутый двумерный лист оказывается одномерным.
300


«Экпиротический» означает «находящийся вне огня». В экпи- ротической Вселенной, основанной на М-теории, могут произойти несколько Больших взрывов, когда врана, в которой мы находимся, сталкивается с другими в десятимерном пространстве.
ющую рядом с нашей. Но в М-теории дополнительные измерения те же самые, что и испытываемые нами на опыте в данный момент, что означает, что они должны быть изменены некоторым способом, чтобы объяснить их кажущееся отсутствие.
Подобно ее составляющим из теории струн, М-теория требует, чтобы дополнительные измерения пространства были свернуты. Представьте, к примеру, двумерный лист бумаги. Сверните его очень туго, пока он не образует длинную тонкую трубку. Если на него смотреть с некоторого расстояния, он будет казаться одномерным. А теперь представьте десятимерный лист бумаги, семь измерений которого завернуты — и вы увидите знакомую нам трехмерную Вселенную.
Никто полностью не уверен, что именно означает буква «М» в названии М-теории. Виттен предложил один из следующих вариантов: «магическая», «мембранная», «мистическая».
301


ПЕТЛЕВАЯ КВАНТОВАЯ ГРАВИТАЦИЯ
Самым серьезным конкурентом для теории струн является петлевая квантовая гравитация. Она не требует дополнительных измерений и не рассматривает струну как суперчастицу. Вместо этого петлевая квантовая гравитация разбивает на части само пространство-время на что-то наподобие атома — петлю, которая появляется в названии этой теории.
Как только квантовая теория
Петлевая квантовая гравитация предлагает возможное решение проблем энтропии на горизонте событий черной дыры, представленном здесь в воображении художника пронизывающимся квантовыми петлями.
Петли, как и квантовые частицы, не являются четкими. Вместо этого они представляют собой «пушистые облака» вероятности.
применяется к пространству-времени, начинает действовать принцип неопределенности (см. с. 98). Вместо импульса и положения, связанных в этом принципе, эквивалентной парой является объем области пространства и его кривизна. В качестве аналогии для пространства-времени в общей теории относительности обычно
используется лист резины, поскольку там требуется, чтобы пространство-время было искривлено, подобно тому как деформируется лист резины, если положить на него что-то тяжелое. Эквивалентной аналогией для петлевой квантовой грави-  • тации является узор из петель.
Когда мы представляем себе петли в этой теории, трудно избежать мыслей о структурах в пространстве и времени. Но узор петель есть само пространство-время (или, точнее, пространство, поскольку время до-
302


: ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ
• Самая первая попытка Эйнштейна постичь относительность,
• специальная теория относительности, ввела концепцию про-
• странства-времени. Эта теория показывает, что движение в про-
• странстве неизбежно влияет на время, делая невозможным
• представление об отделенных друг от друга пространстве и вре-
• мени. Вместо этого время добавляется как что-то наподобие чет-
• вертого измерения, чтобы сделать единое пространство-время.
бавляется в этой теории как дополнительное). Пустое пространство по-прежнему будет иметь петли, в то время как в области без петель пространства не будет.
Вполне возможно, что ни этот подход, ни теория струн не выживут — но физики продолжат приводить гравитацию в квантовую «семью», которая лежит в основе всего, что есть во Вселенной.
Кажется, что есть три возможных исхода: 1) теория, такая как М-теория или петлевая квантовая гравитация, сможет принести общую теорию относительности на квантовую арену; 2) либо общая теория относительности, либо квантовая гравитация будет заменена чем-то новым; 3) или, наконец, может оказаться невозможным в принципе провести такое объединение. Нет причин, по которым должен быть один подход, охватывающий абсолютно все, но весь наш накопленный опыт предполагает, что мы достигнем более универсального взгляда.
Каким бы ни был финальный результат, квантовая теория оказалась исключительно точной в описании поведения вещества и света, и она продолжит побуждать нас создавать замечательные новые технологии на протяжении веков.
В одном варианте петлевой квантовой гравитации частицы представляются как кручения в петлях пространства, где разные «косички» оказываются знакомыми частицами.


Научно-популярное издание
Серия «Взламывая науку»
ВЗЛАМЫВАЯ КВАНТОВУЮ ФИЗИКУ
Заведующая редакцией Ю. Данник Ответственный редактор В. Суркова Художественное оформление О. Жукова Компьютерная вёрстка Л. Быковой Перевод Н. Уткин Редактор Т. Киндеева Корректор О. Пышьева Технический редактор Т. Тимошина
Подписано в печать 08.12.2020. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Гарнитура Myriad Pro. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 17,67. Тираж 1500 экз. Заказ № 7228.
Общероссийский классификатор продукции ОК-034-2014 (КПЕС 2008);
58.11.1 — книги, брошюры печатные
Изготовитель: ООО «Издательство АСТ»
129085, РФ, г. Москва, Звёздный бульвар, дом 21, строение 1, комната 705, пом. 1,7 этаж. Электронный адрес: www.ast.ru E-mail: ogiz@ast.ru
Изготовлено в 2021 г. Произведено в Российской Федерации
«Баспа Аста» деген ООО 129085, Мэскеу к., Звездный бульвары, 21-уй, 1-хурылыс, 705-белме, I жай, 7-хабат. Б1здщ электрондых мекенжайымыз: www.ast.ru Интернет-магазин: www.book24.kz Интернет-дукен: www.book24.kz Импортер в Республику Казахстан ТОО «РДЦ-Алматы». Казахстан Республикасындагы импорттаушы «РДЦ-Алматы» ЖШС. Дистрибьютор и представитель по приему претензий на продукцию в республике Казахстан: ТОО «РДЦ-Алматы» Казахстан Республикасында дистрибьютор жене eHiM бойынша арыз-талаптарды хабылдаушынын, eKini
«РДЦ-Алматы» ЖШС, Алматы х*. Домбровский кеш., 3«а», литер Б, офис 1. Тел.: 8 (727) 2 51 59 89,90,91,92; Факс: 8 (727) 251 58 12, вн. 107; E-mail: RDC-Almaty@eksmo.kz бнмнщжарамдылых Mep3iMi шектелмеген. 6нд1рген мемлекет: Ресей
Отпечатано в ПАО «Можайский полиграфический комбинат». 143200, Россия, г Можайск, ул Мира, 93.
www oaompk.ru, тел . (495) 745-84-28, (49638) 20-685