Квантовая вселенная

7. Вселенная на булавочной головке (и почему мы не проваливаемся сквозь землю)

То, что мы не проваливаемся сквозь землю, само по себе несколько удивительно. Объяснять это тем, что земля твердая, не особенно эффективно, во многом благодаря открытию Резерфорда, что атомы – это почти полностью пустое пространство. Ситуация удивляет еще больше, потому что, насколько мы знаем, фундаментальные частицы природы размером не обладают вовсе. Иметь дело с частицами, «не имеющими размера», явно проблематично и, вероятно, даже невозможно. Но ничто из сказанного в предыдущих главах не предполагает и не требует от частиц физической протяженности. Понимание их как действительно точечных объектов необязательно неверно, даже если бросает вызов здравому смыслу – если у читателя остался хоть какой-то здравый смысл на этой стадии книги о квантовой теории. Конечно, весьма возможно, что будущие эксперименты, например на Большом адронном коллайдере, покажут, что электроны и кварки вовсе не истинно элементарные частицы, но нынешние эксперименты этого не подтверждают, поэтому в фундаментальных уравнениях физики частиц нет места для их «размера». Нельзя сказать, что с точечными частицами не возникает проблем – идея конечного заряда, зажатого в бесконечно малый объем, довольно трудна для понимания, – но все же удается каким-то образом обойти теоретические трудности. Похоже, что развитие квантовой теории гравитации – основная проблема фундаментальной физики – намекает на конечный размер, но свидетельств пока попросту недостаточно, чтобы физики отказались от столь полюбившейся идеи элементарных частиц. Подчеркнем еще раз: точечные частицы не имеют размера, поэтому вопрос «Что случится, если я расщеплю электрон надвое?» не имеет никакого смысла – половинки электрона не бывает.

Приятный бонус работы с элементарными фрагментами материи, не имеющими никакого размера, состоит в том, что мы без проблем можем представить, что вся видимая Вселенная когда-то была сжата в объект размером с грейпфрут или даже с булавочную головку. Как бы ни шла кругом голова от таких мыслей – трудно вообразить, как до размеров горошины сжимается гора, не говоря уже о звезде, галактике и тем более 350 миллиардах больших галактик в обозримой Вселенной, – нет никаких причин объявлять такое сжатие невозможным. И действительно, современные теории происхождения Вселенной непосредственно оперируют свойствами, которые она имела в подобном астрономически плотном состоянии. Такие теории на первый взгляд кажутся нелепыми, но имеют ряд подтверждающих свидетельств. В последней главе нам встретятся объекты с плотностью если не как у «Вселенной в булавочной головке», то точно как у «горы в горошине»: белые карлики – объекты с массой звезды и объемом Земли – и нейтронные звезды, имеющие схожую массу и сжатые в идеальные шары размером с крупный город. И это не объекты из научной фантастики; астрономы наблюдают их и проводят точнейшие измерения, а квантовая теория позволяет вычислить их свойства и сравнить с данными наблюдений. Первый шаг на пути к пониманию белых карликов и нейтронных звезд состоит в том, чтобы обратиться к гораздо более прозаичному вопросу, с которого мы и начали эту главу: если Земля – по большей части пустое пространство, то почему мы сквозь нее не проваливаемся?

У этого вопроса длительная и почтенная история, и ответ на него не был сформулирован удивительно долго: он появился лишь в 1967 году в статье Фримена Дайсона и Эндрю Ленарда. Они принялись за дело, потому что некий физик пообещал бутылку винтажного шампанского тому, кто сможет доказать, что материя не может сжаться сама по себе. Дайсон говорил, что доказательство было исключительно сложным и туманным, но они показали, что материя способна быть стабильной, только если электроны будут подчиняться так называемому принципу Паули – одному из самых удивительных явлений в нашей квантовой Вселенной.

Начнем с цифр. В прошлой главе мы видели, что структуру простейшего атома водорода можно понять, найдя разрешенные квантовые волны, которые помещаются внутри потенциальной ямы протона. Это позволило разобраться, по крайней мере, с количественной точки зрения, почему атомы водорода испускают свет именно в таком диапазоне. Будь у нас время, мы могли бы вычислить и энергетические уровни в атоме водорода. Любой студент-физик в какой-то момент обучения проводит эти вычисления, и они прекрасно сходятся с экспериментальными данными. Кстати, о предыдущей главе: упрощение «частица в ящике» было довольно удачным, поскольку содержало все критические моменты, которые мы хотели подчеркнуть. Однако теперь нам понадобятся еще более точные вычисления, учитывающие, что реальный атом водорода существует в трех измерениях. Для нашей частицы в ящике мы рассматривали только одно измерение и получили серию энергетических уровней, помеченных числом n. Низший энергетический уровень был назван n = 1, следующий – n = 2 и т. д. Когда расчеты распространяются на случай для трех измерений, оказывается (что, впрочем, не должно удивлять), что для характеристики всех разрешенных энергетических уровней необходимы три числа. Традиционно они помечаются как n, l и m и называются квантовыми числами (в этой главе не следует путать m с массой частицы).

Квантовое число n – это эквивалент числа n для частицы в ящике. Оно принимает целые значения (n = 1, 2, 3 и т. д.), а энергия частицы стремится к увеличению с увеличением n. Возможные значения l и m оказываются связаны с n; l должно быть меньше n и может равняться нулю, например, если n = 3, то l может быть 0, 1 или 2; m может принимать любое значение от минус l до плюс l с целочисленными шагами. Так, если l = 2, то m может равняться −2, −1, 0, +1 или +2. Мы не собираемся объяснять, откуда берутся все эти числа, потому что к нашему пониманию предмета это ничего не добавит. Достаточно сказать, что четыре волны на рис. 6.9 имеют (n, l) = (1,0), (2,0), (2,1) и (3,0) соответственно (для всех этих волн m = 0)[31].

Как мы уже говорили, квантовое число n здесь главное: оно контролирует разрешенные значения энергии для электрона. В небольшой степени разрешенные значения энергии зависят и от значения l, но проявляется это только при очень точных измерениях испускаемого света. Бор не принимал его во внимание, впервые вычисляя энергию спектральных линий водорода, и его исходная формула выражалась исключительно через n. От m энергия электрона совершенно не зависит, пока атом водорода не помещен в магнитное поле (собственно, m и называется магнитным квантовым числом), но это не значит, что m не важно. Чтобы понять это, вернемся к нашим числам.

Если n = 1, сколько существует возможно разных энергетических уровней? Применив сформулированные выше правила, узнаем, что l и m могут в случае n = 1 равняться только нулю, так что энергетический уровень будет лишь 1.

Теперь проведем расчеты для n = 2: l может принимать два значения, 0 и 1. Если l = 1, то m может равняться −1, 0 или +1, то есть получается еще 3 энергетических уровня (всего 4).

Для n = 3 l может составлять 0, 1 или 2. Для l = 2 m может равняться −2, −1, 0, +1 или +2, что дает 5 уровней. Итак, всего получается 1 + 3 + 5 = 9 уровней для n = 3. И так далее.

Запомните числа для трех первых значений n: 1, 4 и 9. Теперь посмотрим на рис. 7.1, где показаны первые четыре ряда периодической таблицы химических элементов, и подсчитаем, сколько элементов в каждом ряду. Разделив эти значения на 2, мы получим 1, 4, 4 и 9. Важность этого вскоре выяснится.

Рис. 7.1. Первые четыре ряда периодической таблицы химических элементов

Честь расположения химических элементов подобным образом обычно приписывается русскому химику Дмитрию Менделееву, который представил ее 6 марта 1869 года на заседании Русского химического общества. Это было задолго до того, как придумали вычислять разрешенные энергетические уровни атома водорода. Менделеев расположил элементы в порядке их атомных весов, что на современном языке соответствует количеству протонов и нейтронов внутри атомных ядер, хотя, конечно, в то время он и этого тоже не знал. Расположение элементов на самом деле соответствует числу протонов в ядре (количество нейтронов значения не имеет), но для самых легких элементов эта поправка не имеет значения, благодаря чему Менделеев и сумел расставить их в правильном порядке. Он решил выстроить элементы в ряды и столбцы, отметив, что некоторые элементы обладают очень похожими химическими свойствами, несмотря на разницу атомных весов; вертикальные столбцы как раз и объединяют подобные химические элементы – так, гелий, неон, аргон и криптон в крайнем правом столбце таблицы считаются инертными газами. И Менделеев не только правильно зафиксировал существующее расположение, но и предсказал наличие новых элементов, которые должны были заполнить пробелы в его таблице: элементы 31 и 32 (галлий и германий) были открыты в 1875 и 1886 годах соответственно. Эти открытия подтвердили, что Менделееву удалось нащупать нечто очень важное в строении атомов, но пока никто не знал, что это такое.

Удивительно, что в первом ряду 2 элемента, во втором и третьем их 8, а в четвертом – 18. Эти числа ровно в два раза больше тех, что получились у нас после подсчета разрешенных энергетических уровней в водороде. Почему?

Как мы уже упоминали, элементы в периодической системе упорядочены слева направо по рядам в соответствии с количеством протонов в ядре, что совпадает с количеством электронов, которое могут содержать эти атомы. Помните, что все атомы электрически нейтральны: положительные электрические заряды протонов точно уравновешиваются отрицательными зарядами электронов. Здесь явно что-то интересное связано с химическими свойствами элементов и разрешенными энергетическими уровнями, который электроны могут иметь во время вращения по орбитам вокруг ядра.

Мы можем представить, как более тяжелые атомы строятся из более легких, к которым по очереди добавляются протоны, нейтроны и электроны. Нужно держать в уме, что каждый раз при добавлении лишнего протона в ядро мы должны добавить и дополнительный электрон на один из энергетических уровней. Арифметические упражнения помогут создать систему, которую мы видим в периодической таблице, если просто допустить, что каждый энергетический уровень может содержать два и только два электрона. Посмотрим, как это работает.

У водорода только один электрон, который попадает на уровень n = 1. У гелия два электрона, которые тоже разместятся на уровне n = 1. Теперь уровень n = 1 заполнен. Чтобы получить литий, мы должны добавить третий электрон, но он уже пойдет на уровень n = 2. Следующие 7 электронов, соответствующие следующим 7 элементам (бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор и неон), могут тоже уместиться на уровне n = 2, потому что там имеются 4 места, соответствующие l = 0 и l = 1, m = −1, 0 и +1. Таким образом можно найти место для всех элементов до неона включительно. На неоне уровни n = 2 заполняются, и начиная с натрия мы переходим к n = 3. Следующие 8 электронов один за другим начинают заполнять уровни n = 3; сначала электроны идут на l = 0, затем на l = 1. Это происходит для всех элементов третьего ряда вплоть до аргона. Четвертый ряд таблицы можно объяснить, если предположить, что он содержит все оставшиеся электроны n = 3 (то есть 10 электронов с l = 2) и электроны n = 4 с l = 0 и 1 (всего 8 электронов), так что в итоге и получается волшебное число – 18 электронов. Мы набросали, как электроны заполняют энергетические уровни, для самого тяжелого элемента в нашей таблице – криптона (с его 36 электронами) – на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Заполнение энергетических уровней криптона. Точки символизируют электроны, а горизонтальные линии – энергетические уровни, помеченные квантовыми числами n, l и m. Мы сгруппировали уровни с различными значениями m, но одинаковыми значениями n и l

Чтобы изложенное относилось к науке, а не к занимательной математике, предстоит сделать несколько пояснений. Во-первых, нужно объяснить, почему химические свойства элементов из одного и того же вертикального столбца схожи. Из нашей схемы ясно, что первый элемент каждого из трех первых рядов начинает процесс заполнения уровней с увеличивающимся значением n. А именно: водород открывает этот процесс, вводя единственный электрон на пустой до того момента уровень n = 1, с лития начинается второй ряд – первый электрон появляется на пустом до того уровне n = 2, а с натрия третий ряд – электрон занимает пустой до того уровень n = 3. Третий ряд немного выбивается, потому что на уровне n = 3 может находиться 18 электронов, а в самом третьем ряду все же не 18 элементов. Можно предположить, что именно происходит: первые 8 электронов заполняют уровни n = 3 с l = 0 и l = 1, а затем (по каким-то причинам) случается переход на четвертый ряд. Четвертый ряд содержит оставшиеся 10 электронов на уровнях n = 3 с l = 2 и 8 электронов на уровнях n = 4 с l = 0 и l = 1. То, что ряды не совсем соответствуют значению n, свидетельствует лишь о том, что связь между химией и подсчетом энергетических уровней не так проста, как можно было бы подумать. Однако сейчас известно, что калий и кальций, два первых элемента в четвертом ряду, имеют электроны на уровне n = 4, l = 0, а следующие 10 элементов (от скандия до цинка) имеют электроны на запоздалых уровнях n = 3, l = 2.

Чтобы понять, почему заполнение уровней n = 3 и l = 2 откладывается до скандия, нужно объяснить, почему уровни n = 4, l = 0, на которых находятся электроны в калии и кальции, обладают меньшей энергией, чем уровни n = 3, l = 2.

Помните, что «основное состояние» атома будет характеризоваться конфигурацией электронов с самой низкой энергией, поскольку в любом возбужденном состоянии атом будет всегда терять энергию при испускании фотона. И говоря, что «этот атом содержит такие-то электроны, находящиеся на таких-то энергетических уровнях», мы сообщаем вам конфигурацию электронов с самой низкой энергией. Конечно, мы еще не пытались подсчитывать энергетические уровни, так что пока не можем и расположить их по возрастанию или убыванию энергии. Подсчитать разрешенную для электрона энергию для атомов более чем с двумя электронами на самом деле очень сложно, и даже случай для двух электронов (атом гелия) не так-то прост. Предположение о ранжировании уровней по увеличению числа n – результат гораздо более простых расчетов по атому водорода, для которого верно, что уровень n = 1 обладает наименьшей энергией, за ним следуют уровни n = 2, потом уровни n = 3 и т. д.

Очевидный вывод из сказанного – элементы на правом краю периодической таблицы соответствуют атомам, множество уровней которых заполнено до конца. Например, для гелия заполнен уровень n = 1, для неона – уровень n = 2, у аргона плотно заселен уровень n = 3, по крайней мере для l = 0 и l = 1. Мы можем еще немного развить эти идеи, таким образом поняв ряд очень важных положений в химии. К счастью, мы пишем не учебник по химии, так что можно говорить кратко. Может показаться, что мы пытаемся уложить всю тему в один абзац, но все же попробуем.

Основное наблюдение в том, что атомы могут скрепляться, обмениваясь электронами: мы встретимся с этой идеей в следующей главе, когда будем разбираться, как пара атомов водорода соединяется в молекулу водорода. Общее правило таково: элементы «предпочитают» полностью заполнять все свои энергетические уровни. В случае с гелием, неоном, аргоном и криптоном уровни уже заполнены, так что этим элементам уже «хорошо»: им «неинтересно» реагировать с другими. Другие же элементы могут «пытаться» заполнить свои уровни, обмениваясь электронами с другими элементами. Водороду, например, нужен один дополнительный электрон для заполнения уровня n = 1. Этого можно достичь, обменявшись электронами с другим атомом водорода. Таким образом формируется молекула водорода; ее химическая запись – H₂. Это обычная форма существования водорода. У углерода 4 электрона из возможных 8 на уровнях n = 2, l = 0 и l = 1, и ему «хотелось бы» получить еще 4, чтобы заполнить все уровни. Этого можно добиться путем соединения с четырьмя атомами водорода. Образуется CH₄ – газ, известный под названием метан.

Атом углерода может соединиться и с двумя атомами кислорода, которые сами нуждаются в двух электронах, чтобы закончить уровень n = 2. Это приводит к образованию CO₂ – двуокиси углерода. Кислород может закончить свой уровень и с помощью двух атомов водорода, образуя воду – H₂O. И так далее. Это основы химии: атомы стремятся заполнить свои энергетические уровни электронами, даже посредством реакции с соседом. Это их «желание», которое восходит к стремлению находиться в состоянии наименьшей энергии, управляет образованием всех соединений – от воды до ДНК. В мире, который богат на водород, кислород и углерод, легко понять, почему так часто встречаются углекислый газ, вода и метан.

Это все очень вдохновляет, но нужно объяснить и последний кусочек головоломки: почему только два электрона могут занимать каждый энергетический уровень? Так утверждает принцип Паули, и он очень важен для связи в единое целое всего, что мы обсуждаем. Без него электроны толпились бы на низшем энергетическом уровне вокруг каждого ядра, и никакой химии не было бы. Это не самая приятная перспектива, потому что тогда не было бы молекул, а следовательно, и жизни на Земле.

Утверждение о том, что каждый энергетический уровень могут занимать два и только два электрона, кажется каким-то произвольным. До того как эта идея была впервые предложена, никто не высказывал предположений по этому поводу. Первый прорыв в этой области был совершен Эдмундом Стоунером, сыном профессионального игрока в крикет (который прошел восемь калиток в игре с Южной Африкой в 1907 году, если вы читаете Wisden Cricketers’ Almanack) и бывшим студентом Резерфорда, впоследствии возглавившим физический факультет в Университете Лидса. В октябре 1924 года Стоунер предположил, что на каждом энергетическом уровне (n, l, m) должно находиться два электрона. Паули развил идеи Стоунера и в 1925 году опубликовал правило, которому годом позже Дирак присвоил его имя. Принцип Паули состоит в том, что ни одна пара электронов в атоме не может иметь одни и те же квантовые числа. Однако он столкнулся с проблемой: все указывало на то, что на самом деле два электрона могут иметь одинаковый набор значений n, l и m. Паули обошел проблему, просто введя новое квантовое число. Это был анзац: он не знал, чему соответствует это число, но оно могло принимать одно из всего двух значений. Паули признавался: «Более точно причин существования этого правила мы указать не можем». Новое открытие случилось в 1925 году и было изложено в работе Джорджа Уленбека и Сэмюэла Гаудсмита. В поисках возможности проведения точных измерений атомных спектров они связали дополнительное квантовое число Паули с реальным физическим свойством электрона, которое носит название спин[32].

Основная идея спина довольно проста и восходит еще к 1903 году: она значительно старше квантовой теории. Через несколько лет после открытия собственно электрона немецкий физик Макс Абрахам предположил, что электрон – это мельчайшая вращающаяся электрически заряженная сфера. Если бы это было верно, то электроны подвергались бы действию магнитных полей в зависимости от ориентации поля по отношению к оси их вращения. В статье 1925 года, опубликованной через три года после смерти Абрахама, Уленбек и Гаудсмит отмечали, что модель вращающегося шара не может быть верной, потому что для подтверждения экспериментальных данных электрон должен вращаться быстрее скорости света. Но сам дух идеи был верен: у электрона действительно есть свойство под названием спин, которое действительно влияет на его поведение в магнитном поле. Однако на самом деле идея спина – это непосредственное и довольно тонкое последствие теории специальной относительности Эйнштейна, получившее должную оценку только после того, как Поль Дирак в 1928 году записал уравнение, описывающее квантовое поведение электрона. Для наших целей сейчас нужно только указать, что существует два типа электрона, которые мы будем называть «спин вверх» и «спин вниз». Они отличаются противоположными значениями момента вращения, то есть словно бы вращаются в противоположных направлениях. Очень жаль, что Абрахам лишь немного не дожил до открытия истинной природы спина электрона, потому что так и не отказался от своего подозрения, что электрон – это мельчайшая сфера. В некрологе Абрахаму в 1923 году Макс Борн и Макс фон Лауэ писали: «Он был достойным оппонентом, сражался достойным оружием и не старался замаскировать поражения причитаниями и не относящимися к делу аргументами… Он любил свой абсолютный эфир, свои уравнения поля, свой неподвижный электрон, как повзрослевший человек любит свою первую страсть, воспоминания о которой не затмит никакой последующий опыт». Если бы все наши оппоненты были такими, как Абрахам!

В оставшейся части этой главы мы попытаемся объяснить, почему электроны ведут себя столь странным образом, описанным в принципе Паули. Как обычно, постараемся по максимуму использовать наши квантовые циферблаты. Для этого подумаем, что произойдет при «отталкивании» электронов друг от друга. На рис. 7.3 показан конкретный сценарий, когда два электрона, помеченные цифрами 1 и 2, начинают свое движение в одном месте и заканчивают в каком-то другом. Конечные точки мы отметили буквами А и В. Заштрихованные круги напоминают, что мы пока не думали по поводу того, что случается при взаимодействии двух электронов друг с другом (подробности этого процесса для нынешних целей не имеют особого значения).

Рис. 7.3. Разлет двух электронов

Нужно представить, что электрон 1 выпрыгивает из исходной точки и заканчивает движение в точке А. Точно так же электрон 2 «приземляется» в точке В. Это показано на верхней иллюстрации. На самом деле аргумент, который мы намерены предъявить, прекрасно работает, даже если игнорировать возможность взаимодействия электронов. В этом случае электрон 1 попадает в точку А независимо от любых блужданий электрона 2, и вероятность найти электрон 1 в точке А и электрон 2 в точке В будет всего лишь произведением двух независимых вероятностей.

Например, представим, что вероятность прибытия электрона 1 в точку А равна 45 %, а вероятность электрона 2 в точку В – 20 %. Вероятность нахождения электрона 1 в точке А и электрона 2 в точке В равна 0,45 × 0,2 = 0,09 = 9 %. Здесь мы пользуемся обычной логикой, которая говорит, что вероятность подбросить монетку, чтобы выпал орел, и вместе с тем бросить кубик, чтобы выпала шестерка, равны ½ × ⅙, что составляет 1/12 (то есть чуть больше 8 %)[33]. Как показано на иллюстрации, у электронов есть и другой способ оказаться в точках А и В. Электрон 1 может попасть в точку В, а электрон 2 – в точку А. Допустим, вероятность найти электрон 1 в точке В равна 5 %, а вероятность найти электрон 2 в точке А – 20 %. Тогда вероятность найти электрон 1 в точке В и электрон 2 в точке А равна 0,05 × 0,2 = 0,01 = 1 %.

Таким образом, у нас есть два варианта нахождения двух электронов в точках А и В – один с вероятностью 9 % и один с вероятностью 1 %. Таким образом, вероятность того, что один электрон будет в точке А, а другой в точке В, если не имеет значения, какой где окажется, должна составлять 9 % + 1 % = 10 %. Все просто; но неверно.

Ошибка состоит в предположении о том, что вообще можно утверждать, какой электрон попадает в точку А, а какой в точку В. Что если электроны полностью идентичны? Кажется, что этот вопрос не имеет никакого значения, однако это не так. Кстати, предположение, что квантовые частицы могут быть полностью идентичны, впервые было сформулировано в связи с законом излучения черного тела Планка. Малоизвестный физик Ладислас Натансон еще в 1911 году заметил, что закон Планка несовместим с предположением, что фотоны можно идентифицировать. Иными словами, если бы можно было пометить фотон и отследить его передвижения, закон Планка не получился бы.

Если электроны 1 и 2 совершенно идентичны, можно описать процесс их разлета следующим образом: изначально есть два электрона, а еще через некоторое время по-прежнему есть два электрона, расположенных в разных местах. Как нам уже известно, квантовые частицы не двигаются по хорошо определенным траекториям, так что даже в принципе невозможно отследить их перемещение. Таким образом, нет смысла утверждать, что электрон 1 появился в точке А, а электрон 2 – в точке В. Мы просто не можем этого сказать, а стало быть, нет смысла их как-то маркировать. Вот что понимается под «идентичностью» частиц в квантовой теории. И куда же нас заведут подобные рассуждения?

Посмотрите еще раз на рисунок. В нашем конкретном случае две вероятности, которые мы связывали с двумя диаграммами (9 % и 1 %), верны. Однако это еще не все. Мы знаем, что квантовые частицы описываются циферблатами, так что мы должны связать циферблат с электроном 1, прибывающим в точку А, при этом размер циферблата будет равен √45 %. Точно так же другой циферблат будет связан с электроном 2, прибывающим в точку В, и его размер будет равняться √20 %. Теперь можно сформулировать новое квантовое правило: оно гласит, что мы должны связать отдельный циферблат с целым процессом, то есть будет существовать циферблат с размером, квадрат которого будет равен вероятности нахождения электрона 1 в точке А и электрона 2 в точке В. Иными словами, верхней иллюстрации на рис. 7.3 будет соответствовать свой циферблат. Мы видим, что этот циферблат должен иметь размер, равный √9 %, поскольку именно с этой вероятностью происходит процесс. Но какое время он будет показывать? Ответ на этот вопрос будет дан в главе 10, и он связан с идеей умножения циферблатов. Для целей же этой главы знать время необязательно; понадобится лишь только что сформулированное новое важное правило, которое стоит даже повторить, потому что оно существенно для всей квантовой теории: мы должны связать одиночный циферблат со всеми возможными способами, которыми может идти весь процесс. Циферблат, который мы связываем с нахождением одиночной частицы в конкретном месте, – это простейшая иллюстрация нашего правила, и до этого места в книге мы уже продвинулись. Но это особый случай, и раз уж мы начали рассматривать более одной частицы, то правило нуждается в расширении. Это значит, что с верхней иллюстрацией на рисунке связан циферблат размером 0,3. Точно так же есть и второй циферблат размером 0,1 (потому что 0,12 – это 0,01, то есть 1 %), связанный с нижней иллюстрацией на рисунке. Таким образом, у нас есть два циферблата, и нужно найти способ использовать их для определения вероятности найти один электрон в точке А и другой в точке В. Если бы эти два электрона можно было отличить друг от друга, ответ был бы очевидным: мы просто сложили бы вероятности (но не циферблаты), связанные с каждой возможностью. У нас получился бы ответ – 10 %.

Но если нет никакого способа определить, какой из изображенных на диаграммах процессов произошел в действительности – что справедливо, если электроны неотличимы друг от друга, – то, следуя логике, которую мы разработали для скачков одиночной частицы из точки в точку, нужно складывать именно циферблаты. Мы стоим на пороге обобщения правила, утверждающего, что для одной частицы нужно складывать циферблаты, связанные со всеми различными способами достижения этой частицей определенной точки, чтобы определить вероятность нахождения частицы в этой конкретной точке. Для системы, состоящей из множества идентичных частиц, нужно сочетать все циферблаты, связанные со всеми возможными способами, которыми эти частицы могут попасть в свои конечные пункты, чтобы определить вероятность их нахождения в этих конечных пунктах. Это достаточно важное положение, чтобы перечитать его несколько раз: должно быть ясно, что этот новый закон сочетания циферблатов служит обобщением закона, который мы использовали для одиночной частицы. Однако вы могли заметить, что мы очень тщательно выбираем термины. Мы не сказали, что циферблаты нужно обязательно складывать: мы говорим, что их нужно сочетать. И для такой оговорки есть причины.

Самым простым на вид было бы действительно сложить циферблаты. Но прежде чем заняться этим, надо спросить себя, каковы, собственно, основания считать это действие правильным. Это хороший пример того, что в физике не все стоит считать само собой разумеющимся: проверка предположений часто ведет к новым идеям, как и в этом случае. Сделаем шаг назад и подумаем о чем-то как можно более общем – например, представим, что один циферблат переводится или сжимается (или расширяется) до общего сложения циферблатов. Рассмотрим эту возможность более подробно.

Мы говорим: «У меня есть два циферблата, и я хочу сочетать их, чтобы получился один, и я мог с его помощью узнать, какова вероятность нахождения двух электронов в точках А и В. Как мне их сочетать?» Не будем забегать вперед с ответом, потому что хотим понять, действительно ли стоит воспользоваться сложением циферблатов. Оказывается, мы не очень-то свободны в действиях, и, как ни странно, простое сложение циферблатов – это одна из всего двух возможностей.

Чтобы упростить разговор, будем называть циферблат, соответствующий движению частицы 1 в точку А и движению частицы 2 в точку В, циферблатом 1. Это циферблат, который связан с верхней иллюстрацией на рис. 7.3. Циферблат 2 соответствует другой возможности, когда частица 1 приходит в точку В. Важно понять: если мы переведем циферблат 1 до сложения с циферблатом 2, то вычисляемая общая вероятность должна быть такой же, как если бы мы таким же образом перевели циферблат 2 перед его сложением с циферблатом 1.

В доказательство этого можно указать, что перемена наименований А и В в наших диаграммах, очевидно, не может ничего изменить. Это просто иной способ описания одного и того же процесса. Но если поменять А на В и наоборот, то и диаграммы на рис. 7.3 поменяются местами. Это значит, что, если мы решим подкрутить циферблат 1 (соответствующий верхней диаграмме) перед его прибавлением к циферблату 2, это действие должно полностью соответствовать смещению циферблата 2 перед его прибавлением к циферблату 1 после того, как мы поменяли их названия. Это логическое соображение жизненно важно для нас, так что его необходимо довести до сознания. Так как мы предположили, что нет возможности определить разницу между двумя частицами, то можно поменять местами их названия. Это значит, что подведение циферблата 1 должно давать тот же результат, что и такое же подведение циферблата 2, поскольку нет никакой возможности эти циферблаты различить.

Приведенное выше наблюдение нельзя назвать скромным или незначительным: оно имеет очень важные последствия, поскольку существует лишь два возможных способа подведения и уменьшения циферблатов, прежде чем сложить их, в результате чего получится конечный циферблат со свойствами, не зависящими от того, какой из исходных циферблатов подвергся обработке. Это показано на рис. 7.4. Верхняя половина рисунка иллюстрирует, что если подкрутить циферблат 1 на 90° и прибавить его к циферблату 2, то получившийся циферблат будет не равен по размеру тому, который получится, если подкрутить на 90° циферблат 2 и прибавить его к циферблату 1. Это можно видеть, потому что, если сначала подкрутить циферблат 1, то новая стрелка, которая показана здесь пунктиром, будет показывать в противоположном по отношению к стрелке циферблата 2 направлении, таким образом частично отменяя этот циферблат. При смещении же циферблата 2 его стрелка продолжает указывать в том же направлении, что и стрелка циферблата 1, так что они прибавляются, образуя более длинную стрелку.

Рис. 7.4. Верхняя часть рисунка показывает, что сложение циферблатов 1 и 2 после смещения циферблата 1 на 90° не эквивалентно их сложению после смещения на те же 90° циферблата 2. Нижняя часть показывает интересную возможность смещения одного из циферблатов на 180° перед сложением

Должно быть ясно, что 90° – это не какой-то особый случай, и другие углы тоже дадут циферблаты, которые зависят от того, который из двух исходных мы предпочли подкрутить.

Очевидное исключение – это перевод стрелки часов на 0°, потому что смещение циферблата 1 на 0° с последующим его сложением с циферблатом 2 – это, разумеется, то же самое, что и смещение циферблата 2 на 0° с последующим его сложением с циферблатом 1. Это значит, что сложение циферблатов без всякого перевода их стрелок – это вполне жизнеспособная возможность. Точно так же подойдет и подведение обоих циферблатов на одну и ту же величину, но это фактически та же ситуация, что и случай «без смещения»: нужно просто переопределить то, что мы будем называть «12 часами». Это равноценно утверждению, что мы всегда можем смещать любой циферблат на определенную величину, если эта величина равна для всех циферблатов. Это никогда не будет оказывать воздействие на те вероятности, которые мы пытаемся подсчитать.

Нижняя часть рис. 7.4 показывает, что, как бы странно это ни звучало, есть еще один способ сочетания циферблатов: мы можем повернуть один из них на 180° с последующим их сложением. Не получается один и тот же циферблат в двух случаях, но размер при этом остается тем же самым, следовательно, это приводит к той же самой вероятности нахождения одного электрона в точке А и другого в точке В.

Подобные рассуждения можно привести и по поводу возможности сжатия или расширения одного из циферблатов перед их сложением, потому что если мы сожмем циферблат 1 на определенную величину, прежде чем прибавить его к циферблату 2, то получаться будет не тот результат, что при сжатии циферблата 2 на ту же величину перед сложением его с циферблатом 1, и исключений у этого правила нет.

Итак, можно сделать интересный вывод. Хотя мы начали с того, что даровали себе полную свободу действий, оказалось, что, поскольку нет возможности отличить частицы друг от друга, есть лишь два способа сочетания циферблатов: мы можем сложить их либо сразу, либо после поворота стрелки одного из них на 180°. И самое замечательное, что природа идет обоими путями.

В случае с электронами перед сложением циферблатов нужно произвести лишний оборот. В случае с фотонами или бозонами Хиггса нужно сложить циферблаты, не прибегая к повороту. Итак, частицы природы делятся на два типа: те, которым нужен лишний оборот, называются фермионами, а те, которые обходятся без него, именуются бозонами.

Что определяет, фермион конкретная частица или бозон? Ее спин. Спин, как можно догадаться по этимологии слова (от англ. spin – «вращать»), – это мера углового момента частицы, и фермионы всегда имеют спин, равный полуцелому числу[34], а у бозонов спин целый. Мы говорим, что у электрона спин равен ½, у фотона – 1, а у бозона Хиггса – 0. Не хотим вдаваться в подробности по поводу спина, потому что они в основном чисто технические. Однако в разговоре о периодической системе оказалось важно, что в результате электроны делятся на два типа в соответствии с двумя возможными значениями их углового момента (спин, направленный вверх, или спин, направленный вниз). Это пример общего правила, которое гласит: частицы со спином s обычно имеют 2s + 1 типов, например частицы со спином ½ (то есть электроны) имеют два типа, со спином 1 – три типа, а со спином 0 – один тип.

Взаимосвязь между угловым моментом частицы и нашим способом сочетания часов известна как теорема Паули, или теорема о связи спина со статистикой. Она выводится в том случае, когда формулировка квантовой теории согласуется со специальной теорией относительности Эйнштейна. Точнее говоря, это прямой результат выполнения причинно-следственных законов. К сожалению, выведение теоремы о связи спина со статистикой лежит за пределами уровня этой книги – как, честно говоря, и многих других. В «Фейнмановских лекциях по физике» автору пришлось сказать следующее:

Вспомнив о том, что Ричард Фейнман вынужден был написать подобное в учебнике университетского уровня, мы можем только поднять руки и сдаться. Но правило само по себе довольно простое, и вам лишь придется поверить нам на слово в его доказательстве: для фермионов поворот необходим, а для бозонов – нет. Судя по всему, поворот служит причиной принципа Паули, а следовательно, и структуры атомов, и теперь, наконец, мы можем дать очень простое объяснение после всей предыдущей кропотливой работы.

Представьте, что точки А и В на рис. 7.3 движутся все ближе и ближе друг к другу. Когда они оказываются совсем близко, циферблат 1 и циферблат 2 должны стать примерно одного размера и показывать примерно одинаковое время. Когда А и В перекрываются, то и циферблаты должны быть идентичными. Это очевидно, поскольку циферблат 1 соответствует частице 1, заканчивающей движение в точке А, а циферблат 2 в этом конкретном случае показывает точно такое же время, поскольку точки А и В перекрываются. Тем не менее циферблатов по-прежнему два, и мы по-прежнему должны их сложить. Но тут и возникает тонкость: для фермионов один из циферблатов должен быть перед сложением повернут на 180°. Это значит, что циферблаты всегда будут показывать точно противоположное время для случая совпадения точек А и В (если на одном будет 12 часов, то на другом 6 часов), так что при сложении всегда будет получаться циферблат нулевого размера. Это замечательный результат, поскольку он означает, что вероятность нахождения двух электронов в одной и той же точке всегда будет равна нулю: законы квантовой физики побуждают их избегать друг друга. Чем ближе они друг к другу, тем меньше получающийся циферблат и, соответственно, вероятность такой близости. Это один из способов формулировки знаменитого принципа Паули: электроны избегают друг друга.

Сначала мы собирались показать, что ни одна пара идентичных электронов не может находиться на одном и том же энергетическом уровне в атоме водорода. Мы пока еще окончательно этого не доказали, но замечание о том, что электроны избегают друг друга, разумеется, имеет последствия для атомов и понимания того, почему же мы не проваливаемся сквозь землю. Теперь становится понятно не только то, что электроны в нашей обуви отталкиваются от электронов земной поверхности по правилу отталкивания одноименных зарядов, но и то, что они отталкиваются, потому что естественным образом избегают друг друга в соответствии с принципом Паули. Оказывается, согласно доказательству Дайсона и Ленарда, именно это избегание и не позволяет нам провалиться сквозь землю. Оно же заставляет электроны занимать разные энергетические уровни внутри атомов, определяя их строение, и в итоге служит причиной разнообразия химических элементов, которое мы наблюдаем в природе. Определенно, этот физический закон имеет очень важные для повседневной жизни последствия. В последней главе книги мы расскажем также, как принцип Паули играет ключевую роль в предотвращении гравитационного коллапса некоторых звезд.

В завершение мы должны объяснить, как из того, что ни одна пара электронов не может находиться в одном и том же месте в одно и то же время, следует, что ни у одной пары электронов в атоме не может быть одинаковых квантовых чисел, то есть два электрона не могут иметь одинаковую энергию и спин. Возьмем два электрона с одинаковым спином и докажем, что они не могут пребывать на одном и том же энергетическом уровне. Если бы они находились на одном энергетическом уровне, то каждый по необходимости описывался бы совершенно одинаковым набором циферблатов, распределенных в пространстве (в соответствии с применимой здесь стоячей волной). Для каждой пары точек в пространстве – обозначим их X и Y – есть два циферблата. Циферблат 1 соответствует «электрону 1 в точке Х» и «электрону 2 в точке Y», а циферблат 2 соответствует «электрону 1 в точке Y» и «электрону 2 в точке Х». Из предыдущих рассуждений мы знаем, что эти циферблаты нужно сложить после перевода одного из них на 6 часов, чтобы вычислить вероятность нахождения одного электрона в точке Х, а другого в точке Y. Но если два электрона обладают одинаковой энергией, то перед решающим дополнительным поворотом циферблаты 1 и 2 должны быть идентичны. После поворота же они будут показывать противоположное время и, как и раньше, при сложении образуют циферблат, не имеющий размера. Это верно для любого конкретного положения точек Х и Y, так что вероятность найти пару электронов в одной и той же конфигурации стоячей волны, то есть обладающих одной и той же энергией, равна нулю. Именно этим в конечном счете и определяется стабильность атомов в нашем организме.