Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

Современная квантовая теория, несмотря на свою большую сложность, дает ошеломляющие преимущества по сравнению с пионерской моделью Бора:

• В современной квантовой теории переходы между стационарными состояниями происходят как логическое следствие из уравнений. Физически они вырастают из взаимодействия между электронами и электромагнитным флюидом. Поскольку это взаимодействие достаточно слабо по сравнению с основными электрическими силами, которые связывают электроны, у нас часто хорошо получается рассматривать его как поправку, отталкиваясь от стационарного состояния как от начальной точки. При таком отношении мы не считаем эти переходы настоящими скачками, хотя они происходят достаточно быстро.

• Правило Бора, определяющее «разрешенные» орбиты, было четко сформулировано только для единичных электронов. За годы «игры в Jeopardy», примерно с 1913 по 1925 г., было много попыток угадать правила для более сложных ситуаций. Но когда Шрёдингер (а ранее – Гейзенберг) придумал свои уравнения, они оказались настолько превосходящими прошлые подходы и даже настолько «очевидно правильными», что более или менее сразу были приняты как консенсус и быстро развились в современную квантовую теорию. И, судя по ее ошеломляющему и все еще продолжающемуся успеху, Природе, кажется, тоже нравится квантовая теория.

• Квантовая теория более музыкальна!

Процесс, который заменяет квантовые скачки, особенно интересен. В нем электрон порождает электромагнитную энергию в форме фотона там, где изначально не было ничего. Это происходит, когда электрон встречает спонтанную активность в электромагнитном флюиде и, передавая часть своей энергии, усиливает эту активность. При этом электрон переходит в состояние с более низкой энергией, виртуальный фотон становится настоящим фотоном и возникает Свет.

Холодная, строгая и блистательная

Прежде чем двигаться дальше, я хотел бы остановиться на секунду для короткого спора с героем моей юности Бертраном Расселом, который писал:

Математика при правильном взгляде на нее владеет не только истиной, но и высшей красотой – красотой холодной и строгой, как красота скульптуры, без всякого обращения к какой-либо части нашей слабой природы, без блистательных нарядов живописи или музыки, но совершенно чистой и способной к неумолимому совершенству, какое может продемонстрировать только величайшее из искусств.

Я не могу полностью согласиться с этим утверждением, но я думаю, что его пуританский тон сбивает с толку (и слышать его от Рассела очень странно). Холодная и строгая красота может быть чудесной, но роскошные наряды тоже могут быть прекрасны. Они дополняют друг друга. Уравнение Шрёдингера холодно и строго. Но в то же время из него получается то, что изображено на вклейке СС!

Атомы ручной работы

В последние годы границы атомной физики раздвинулись от наблюдения к контролю и созиданию. Ученики Мастера закончили обучение и сами стали мастерами.

На одном из рубежей атомные инженеры нашли способы отлавливать и изолировать отдельные атомы. Это позволило ясно взглянуть на основные квантовые процессы. Например, можно наблюдать за неожиданными изменениями состояния, которые происходят, когда отдельный атом излучает или поглощает свет, и видеть «квантовые скачки» Бора в реальном времени. Атомные инженеры также могут манипулировать такими атомами, помещать их в электрические или магнитные поля или облучать светом. Это дает возможности тончайшего контроля. Отдельные атомы – это чудесный материал для инженерного искусства, потому что они фактически свободны от трения и их свойства могут быть настроены (при использовании полей) и с достаточной надежностью предсказуемы (с помощью теории). Например, это лучшие в мире часы. В настоящее время лучшие атомные часы идут с максимальным отставанием примерно в одну секунду за миллиард лет.

Другой передний край – это создание новых видов атомов. Квантовые точки – это искусственные структуры, основанные на тех же принципах, что и естественные атомы, но изготовленные «по техническим условиям», заданным человеком. По существу, это новые виды музыкальных инструментов, разработанные для работы не со звуком, а со светом. В самой своей основе квантовые точки состоят из небольшого количества электронов, изолированных в небольшом пространстве, где они попадают в ловушки искусно созданных электрических полей. Квантовые точки обладают огромными возможностями для создания детекторов и генераторов света. Это может оказаться очень полезным для расширения цветового восприятия, как мы обсуждали ранее, и во множестве других приложений.

Пионеры атомной физики и не мечтали об управлении отдельными атомами, не говоря уж о создании искусственных. В их ранних работах можно даже найти положения, отрицающие возможность квантовой инженерии. Бор, в частности, подчеркивал разницу между полностью доступным «классическим миром» и отличным от него «квантовым миром», который можно наблюдать (немногими способами!), но не перестраивать. Но их исследования, движимые изначально поиском красоты и простым любопытством, породили великолепные и бесконечно многообещающие новые технологии.

Это поучительно.

Многие виды наград вручаются людям за ощутимые, реальные заслуги. Эти награды принимают формы жалованья, прибыли, социального статуса и т. д. Но все накопленное богатство фундаментальной науки и искусства часто проистекает из усилий, чья непосредственная ценность заметна не сразу. Даже в случаях, когда некий прорыв очевидным образом важен, могут потребоваться годы работы, прежде чем он принесет какую-либо экономическую выгоду. Польза от него может полностью лежать в сфере культуры и никогда не стать экономической в обычном смысле этого слова. Люди, которые работают над накоплением этого особого вида богатства, посвящают свой труд долговременному вложению в улучшение жизни человечества в целом. Кто из твердолобых бизнесменов или потребителей готов заплатить за это? И все же история учит нас, что такое вложение в будущее и всеобщее благо приносит свои плоды. Мудрое общество поощряет возможности совершать подобное.

Назад к Платону

Детали атомистической теории Платона, основанной на атомах в форме платоновых тел, совершенно неверны. Несмотря на это, атомы Платона служат подходящей и красивой метафорой для реальности, потому что эта теория верна в принципе.

Вещество действительно состоит из атомов нескольких видов. Атомы действительно существуют в огромных количествах полностью идентичных копий. Свойства вещества действительно определяются свойствами атомов, из которых оно состоит. И, что для Платона было самым важным, атомы воплощают Идеальное.

В оригинальной теории Платона атомы воплощали прекрасную геометрию симметрии. В современной теории атомы – это решения прекрасных уравнений. (Если опуститься на уровень ниже, как вы увидите, мы снова вернемся к симметрии!) Если у вас есть достаточно мощный компьютер и правильные уравнения, этот компьютер сможет предсказать любое свойство атома, которое может быть измерено. Ничего больше не требуется. Именно в этом смысле атомы воплощают уравнения.

Красота ограничения

Фундаментальные законы современной физики – это динамические законы. Другими словами, это законы, которые управляют тем, как вещи меняются во времени. Они переводят входные параметры (условия, которые были в один момент времени) в выходные параметры (условия в другой момент времени). Но они рады работать с любыми входными параметрами и потому не навязывают структуру.

По формальным признакам те атомы, которые мы знаем, вряд ли могут получаться из динамических уравнений. Атомы определенного вида – скажем, атомы водорода – это структуры, которые существуют в огромном количестве идентичных копий. Они не развиваются и не разрушаются и в стабильной среде не демонстрируют никаких свойств, которые изменялись бы в зависимости от времени. Заглядывая в прошлое (благодаря конечности скорости света), мы можем наблюдать спектры древних атомов, которые подтверждают, что атомы далеких-далеких галактик давным-давно вели себя точно так же, как атомы на сегодняшней Земле. Мы можем также с потрясающей точностью сравнить спектры, полученные в соседних лабораториях или в одной и той же лаборатории с разницей в две недели.

В производстве товаров использование взаимозаменяемых частей было революционной инновацией, и потребовалась сложная работа, чтобы к этому прийти. Но как же Природа добилась этого? Как могло единообразие, если оно было достигнуто тщательным подбором, противостоять разрушительному действию времени? И если эти строительные блоки исключительно стабильны и сопротивляются изменениям, то как же они тогда могли возникнуть?