Наша математическая вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности - Макс Тегмарк

Рис. 7.4. Эрвин Шредингер умер, но его уравнение живет. С 1996 г., когда я сделал этот снимок, шрифт надписи загадочно изменился. Может, и вправду квантовые причуды никогда не заканчиваются?

Это плохо. Очень плохо. Здесь речь не о небольшом, скажем на 1 %, расхождении теории с экспериментом, а о предсказании того, что все атомы водорода (а также все прочие атомы) в нашей Вселенной коллапсируют за миллиардную долю того времени, которое вы тратите на то, чтобы прочесть последнее слово в этом предложении. С учетом того, что в действительности большинство атомов водорода существует около 14 млрд лет, они уже прожили на 28 порядков величины дольше, чем предсказывает классическая физика. Данный расчет был худшим количественным предсказанием в физике, пока сомнительный рекорд не был превзойден расхождением на 123 порядка величины между предсказанной и измеренной плотностью темной энергии (гл. 3).

Физики, считавшие, что элементарные частицы подчиняются законам классической физики, сталкивались и с иными проблемами. Например, количество энергии, требуемой для нагревания очень холодных предметов, оказалось меньше, чем предсказывалось. Проблемы можно перечислять и дальше, но послание Природы и так ясно: микроскопические частицы нарушают законы классической физики.

Что же, микрочастицы ставят себя выше закона? Нет, они подчиняются другому закону – шредингеровскому.

Кванты и радуга

Чтобы объяснить, как устроены атомы, датский физик Нильс Бор предложил в 1913 году весьма радикальную идею. Возможно, не только материя и свет квантуются (то есть существуют в виде дискретных фрагментов, подобных деталям «Лего»). Это может относиться и к свойствам движения. Что если движение не непрерывно, а скачкообразно, как в компьютерной игре «Пэкмен» или в фильмах с Чарли Чаплином, где частота кадров была слишком низкой? На рис. 7.5 показана модель атома Бора: круговые орбиты разрешены, лишь если их окружности имеют определенные, магические длины. Существует наименьшая орбита, помеченная n = 1, а далее есть орбиты большего размера (n = 2 и т. д.), радиусы которых в n2 раз больше радиуса минимальной орбиты[33].

Рис. 7.5. Эволюция наших представлений об атоме водорода. Классическая (планетарная) модель Эрнеста Резерфорда, к сожалению, была неустойчивой: в ней электрон по спирали падал на находящийся в центре протон (я изображаю, как бы это выглядело, если бы электрическое взаимодействие было в 20 раз сильнее; иначе спираль имела бы около 100 тыс. витков, что невозможно нарисовать). Модель Бора удерживает электрон на дискретных орбитах, пронумерованных n = 1, 2, 3, …, между которыми он перепрыгивает, когда испускает или поглощает фотоны. Эта модель не работает для всех атомов, кроме атома водорода. В модели Шредингера один электрон находится одновременно во многих местах электронного облака, форма которого задается математической функцией Ψ.

Первый, самый очевидный успех состоял в том, что боровский атом не коллапсировал, как классический (рис. 7.5, слева). Когда электрон находится на самой внутренней орбите, просто не существует меньшей орбиты, куда он мог бы перескочить. Однако модель Бора объясняла далеко не только это. Высокие орбиты обладают большей энергией, чем низкие, а полная энергия сохраняется. Поэтому, когда электрон, будто «Пэкмен», соскакивает на более низкую орбиту, избыток энергии должен быть испущен атомом в виде фотона (рис. 7.5), а чтобы занять более высокую орбиту, электрон должен быть способен заплатить энергетическую «цену», поглотив фотон с нужной энергией. Поскольку существует только дискретный набор орбитальных энергий, атом может испускать и поглощать фотоны лишь с «магическими» энергиями. Иными словами, атом может испускать и поглощать свет только на определенных частотах. Это разрешает давнюю проблему. В спектре солнечного света (рис. 2.5) обнаружены темные линии на определенных частотах (то есть некоторые цвета отсутствуют), а при изучении горячих светящихся газов в лаборатории наблюдалось, что каждый тип атомов имеет уникальный спектральный «отпечаток» в виде частот света, которые он может испускать и поглощать. Боровская модель атома не просто объяснила существование этих спектральных линий, но и позволила точно вычислить их частоты для водорода[34].

Это был отличный результат, и Бор получил за него Нобелевскую премию (как и большинство остальных ученых, упомянутых в этой главе). Плохой новостью стало то, что боровская модель не работала для атомов, отличных от водорода, за исключением случая, когда с них сорваны все электроны, кроме одного.

Образование волн

Несмотря на первые успехи, физики по-прежнему не знали, что делать с этими странными, на первый взгляд произвольными квантовыми правилами. Что они в действительности означают? Почему угловой момент квантуется? Есть ли этому более глубокое объяснение? Одно из них предложил Луи де Бройль: электроны (а на самом деле все частицы) обладают волновыми свойствами, подобно фотонам. Во флейте стоячие звуковые волны могут колебаться только на некоторых определенных частотах. Может быть, чем-либо аналогичным определяются и частоты, с которыми электроны обращаются в атомах?

Рис. 7.6. Волны в емкости с водой (слева) и на Солнце (справа).

Рис. 7.7. Если стрелять частицами (скажем, электронами или фотонами из лазерного ружья) по барьеру с двумя вертикальными щелями, то, согласно предсказанию классической физики, частицы будут попадать в детектор вдоль двух вертикальные полос позади щелей. Квантовая механика предсказывает, что каждая частица будет вести себя как волна, проходя через обе щели в квантовой суперпозиции, интерферируя при этом сама с собой и образуя интерференционную картину (рис. 7.6). Этот знаменитый эксперимент демонстрирует, что квантовая механика корректна: частицы регистрируются у целого ряда вертикальных полос.

Две волны способны без помех проходить друг сквозь друга, как круги на поверхности воды (рис. 7.6, слева). В любой момент их воздействия просто складываются. В некоторых местах видно, что гребни двух волн складываются в еще более высокий гребень (конструктивная интерференция), в других местах гребень одной волны подавляется впадиной другой, оставляя воду совершенно невозмущенной (деструктивная интерференция). На поверхности Солнца (рис. 7.6, справа) наблюдаются звуковые волны в горячем газе (плазме). Если такая волна обойдет вокруг Солнца (справа), она погасит сама себя в результате деструктивной интерференции, если только не совершит за время обхода целое число колебаний, чтобы, вернувшись, совпасть с самой собой. Это значит, что, как и флейта, Солнце колеблется только на некоторых определенных частотах[35].

В своей диссертации 1924 года де Бройль применил это рассуждение к волнам, распространяющимся не по Солнцу, а по атому водорода, и получил точно те же частоты и энергии, которые предсказывала модель Бора. А двухщелевой эксперимент (рис. 7.7) более явно продемонстрировал, что частицы ведут себя как волны.

Волновая картина делает нагляднее и объяснение того, почему атомы не коллапсируют, как предсказывает классическая физика: если попытаться заключить волну в очень малое пространство, она немедленно начнет распространяться в стороны. Например, если дождевая капля падает на поверхность воды в тазу, она сначала возмущает воду лишь в очень небольшой области, с которой она соприкоснулась, но возмущение начинает быстро распространяться во все стороны в виде кольцевых волн (рис. 7.6). В этом суть принципа неопределенности Гейзенберга. Вернер Гейзенберг показал: если зажать некий объект в малую область пространства, он приобретет огромный случайный импульс, который заставит его двигаться и чувствовать себя менее стесненным. Иными словами, объект не может одновременно иметь точное положение и точную скорость![36] Это означает, что если атом водорода попробует коллапсировать (рис. 7.5, слева), притянув электрон к протону, то растущая «зажатость» придаст электрону достаточный импульс, а с ним и скорость, чтобы вновь улететь на высокую орбиту.

Диссертация де Бройля вызвала большое волнение, и в ноябре 1925 года Эрвин Шредингер провел по ней семинар в Цюрихе. После его доклада Питер Дебай задал ключевой вопрос: «Вы говорите о волнах, но где же волновое уравнение?» Шредингер взялся его вывести и подобрал (рис. 7.4) отмычку к большей части современной физики. Эквивалентная формулировка, использующая таблицы чисел, называемые матрицами, была примерно в то же время предложена Максом Борном, Паскуалем Йорданом и Вернером Гейзенбергом. На этом новом математическом фундаменте квантовая теория испытала взрывной рост. Всего за несколько лет удалось успешно объяснить целый ряд прежде непонятных результатов измерений, включая спектры сложных атомов и различные числовые параметры, описывающие свойства химических реакций. Наконец, квантовая физика дала нам лазер, транзистор, интегральные схемы, компьютеры и смартфоны. Развитием успеха квантовой механики стала расширяющая ее квантовая теория поля, которая лежит в основе передовых современных исследований, таких как поиск частиц темной материи.