Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

философских наук и экспериментов». С тех самых пор институт организует открытые лекции и мероприятия, в том числе Пятничные вечерние дискуссии в лекционном театре Фарадея, которые являются неотъемлемой частью его программы со времени их учреждения самим Майклом Фарадеем в 1826 году. Я имел честь читать две такие лекции, на последней, в 2013 году, я рассказывал как раз о квантовой механике.

Квантовую механику совершенно справедливо считают самой увлекательной и одновременно самой запутанной и непонятной научной теорией, порожденной человеческим разумом. На лекции в Королевском институте я обсуждал знаменитый «эксперимент с двумя щелями», который американский физик Ричард Фейнман назвал «главной тайной квантовой механики». Я описал, насколько поразительны оказались результаты этого эксперимента: субатомные частицы, которые одна за другой направляли на экран с двумя узкими щелями, вели себя так, как будто каждая проходила сквозь обе щели одновременно, и на втором экране возникала картина интерференции. Затем я бросил публике вызов: если кто-то может предложить логическое объяснение причин этого явления, им следует связаться со мной, ибо они, безусловно, достойны получения Нобелевской премии.

Я высказал это шутливое предложение, поскольку хорошо знал, что пока никто никогда не мог предложить простое объяснение этого классического эксперимента, несмотря на многолетние споры и хитроумные опыты, которые заставили физиков признать, что у этого явления нет простого, логического объяснения. Материя в квантовом мире ведет себя таким образом, и нам остается только это принять. Кроме того, когда я бросил аудитории этот вызов, я считал, что обращаюсь только к той паре сотен человек, которые сидели в зале в тот пятничный вечер. Однако Королевский институт публикует большую часть своих образовательных материалов в интернете, что произошло и с моей лекцией. С тех пор я получил уже сотни писем от ученых-самоучек со всего мира, где они утверждают, что раскрыли эту тайну, а физики до них просто забыли учесть тот или иной аспект или механизм.

Раньше я им отвечал, но, признаюсь, бросил это дело. Так что позвольте мне здесь загладить свою вину перед теми, кто продолжает биться над тайнами квантовой механики, и описать некоторые важнейшие ее особенности, не поддающиеся интуитивному пониманию. В этой главе мы бегло рассмотрим то, что этот второй столп современной физики говорит нам о микрокосме. Поскольку моя научная деятельность, которой пошел уже четвертый десяток лет, связана с изучением квантовой механики и ее применением сначала в ядерной физике, а затем в молекулярной биологии, вас не должно удивить, что я считаю ее самой мощной и важной теорией в науке вообще. В конце концов, именно на ее основе в большой степени строятся современные физика и химия, и она произвела революцию в нашем понимании того, как из мельчайших строительных блоков создается весь наш мир.

Азбука квантовой механики

К концу XIX века статус физики, как тогда казалось, окончательно определился. Уже были открыты механика Ньютона, электромагнетизм и термодинамика (о которой я расскажу в главе 6), и стало ясно, что все эти три области в совокупности прекрасно объясняют движение и поведение предметов обычного размера и практически все явления, которые мы наблюдаем вокруг, от пушечного ядра до часов, от грозы до паровоза, от магнита до мотора, от маятника до планет. Изучением всех этих объектов в совокупности занимается так называемая классическая физика, и это то, что нам в основном до сих пор преподают в школе. Однако классическая физика, как бы она ни была хороша, не дает нам полной картины. Когда ученые обратили внимание на микроскопические составляющие материи, атомы и молекулы, они открыли новые явления, которые не удавалось объяснить с помощью известной им физики. Казалось, что законы и уравнения, которыми они привыкли пользоваться, больше не работают. Физике предстояло испытать тектонический сдвиг.

Первый крупный теоретический прорыв осуществил немецкий физик Макс Планк, предложив концепцию кванта. В своей лекции в декабре 1900 года он выдвинул революционную идею о том, что тепловая энергия, излучаемая нагретым телом, связана с частотой вибрации его атомов и, соответственно, эта энергия носит скорее прерывистый, чем непрерывный характер и испускается в виде дискретных порций, которые получили название квантов. Через несколько лет Эйнштейн предположил, что дискретный характер носит не только излучение Планка; электромагнитное излучение, включая свет, тоже существует в виде квантов. Теперь мы называем единичные кванты света – частицы световой энергии – фотонами.

Предположение Эйнштейна о квантовой природе света было не просто догадкой. Оно позволило объяснить одну из величайших научных тайн того времени под названием «фотоэлектрический эффект» – явление, когда свет при попадании на металлическую поверхность может выбивать электроны из атомов металла. Этот эффект не удалось бы объяснить, если бы свет имел волновую природу; в этом случае увеличение интенсивности света (или его яркости) приводило бы к увеличению его энергии и мы могли бы ожидать, что выбиваемые из металла электроны вылетали бы с большей скоростью. Однако это не так. Их просто вылетает больше. Но если энергия света пропорциональна его интенсивности, как это предполагал Эйнштейн, то увеличение его частоты (например, переход от видимого к невидимому спектру) придает выбиваемым электронам больше энергии. И наоборот, сохраняя частоту (цвет) света и увеличивая его яркость, мы только увеличим число фотонов, а также число выбиваемых электронов. Именно это и наблюдается в экспериментах, и тут идея Эйнштейна пришлась совершенно впору.

И все же и тогда и теперь многие данные говорят о том, что свет скорее представляет собой волны, а не поток частиц. Так где же истина? Свет – это волна и частица? Ответ, который, как это ни удивительно, противоречит всякой интуиции и логическим соображениям, таков: свет может вести себя то так, то этак, в зависимости от того, как мы на него смотрим и какого рода эксперименты ставим.

А ведь такую шизофреническую природу имеет не только свет. Частицы материи, например электроны, тоже могут проявлять волновую природу. Это общее понятие, которое уже более 100 лет подвергается всяческому тестированию и проверке, известно как корпускулярно-волновой дуализм и является одной из центральных идей квантовой механики. Это не означает, что электрон в один и тот же момент времени является частицей и волной. Если мы поставим эксперимент с целью подтверждения корпускулярной природы электронов, то обнаружится, что они себя так и ведут. Но если мы затем