Закрученные пассажи

Глава 6 Квантовая механика: принципиальная неопределенность, главные неопределенности и соотношение неопределенностей

Икар никак не мог понять, то ли Афина заставляет его смотреть слишком много фильмов, то ли Дитер слишком много говорит о физике. Но какова бы ни была причина, прошлой ночью Икару приснилось, что он встретил квантового детектива. В длинном пальто и мягкой фетровой шляпе, с каменным выражением на лице, детектив из сна говорил:

«Я ничего не знал о ней, кроме ее имени и того, что она стояла передо мной. Но с того момента, как я посмотрел на нее, я понял, что с Электрой[50] будут проблемы. Когда я спросил ее, откуда она пришла, она отказалась отвечать, в комнате было две двери, так что она должна была войти через одну из них. Но Электра хрипло прошептала: „Мистер, забудьте это. Я никогда не скажу вам, через которую“.

Хотя я видел, что она вся трясется, я попытался припереть эту особу к стенке. Но Электра с бешеной скоростью задвигалась, как только я начал к ней приближаться. она молила меня не подходить ближе. Увидев ее волнение, я отступил. Хотя я не был новичком в вопросах неопределенности, в этот раз я был побежден, казалось, неопределенность собиралась еще какое-то время слоняться здесь».

Квантовая механика, несмотря на все свое противоречие интуиции, фундаментально изменила те пути, которыми ученые познают мир. На основе квантовой механики возникли многие разделы современной науки: в результате ее развития были либо созданы, либо пересмотрены статистическая механика, физика частиц, химия, космология, молекулярная биология, эволюционная биология и геология (в том, что касается радиоактивной датировки). Многие удобства современного мира, например компьютеры, DVD-проигрыватели и цифровые фотоаппараты, были бы невозможны без транзисторов и современной электроники, развитие которых основано на квантовых явлениях.

Я не уверена, что, впервые начав изучать квантовую механику в колледже, я полностью отдавала себе отчет в том, насколько она странна. Я изучила основные принципы и научилась применять их в разных условиях. Но только спустя многие годы, потраченные на изучение квантовой механики и тщательное обдумывание квантово-механической логики, я поняла, как фантастична эта наука. Хотя сейчас квантовая механика и включена в программу общефизического образования, она все равно остается поистине потрясающей.

История создания квантовой механики является замечательным примером того, как должна развиваться наука. На ранней стадии квантовая механика развивалась в духе построения моделей — она пыталась объяснить непонятные наблюдаемые эффекты до того, как кто-то озадачился сформулировать соответствующую теорию. И экспериментальные, и теоретические открытия происходили быстро и неистово. Физики развивали квантовую теорию для интерпретации экспериментальных результатов, которые не могла объяснить классическая физика. В свою очередь, квантовая теория предлагала новые эксперименты, с помощью которых можно было проверить гипотезы.

Ученым потребовалось время на то, чтобы осмыслить все следствия этих экспериментальных наблюдений. Для большинства вторжение квантовой механики оказалось слишком радикальным, чтобы немедленно принять эту науку. Ученые должны были отложить свои сомнения до того, как они могли признать идеи квантовой механики, столь отличающиеся от знакомых классических понятий. Даже такие корифеи теоретической физики, как Макс Планк, Эрвин Шрёдингер и Альберт Эйнштейн никогда до конца не перешли на квантовомеханический уровень мышления. Эйнштейн выразил свои возражения знаменитой фразой: «Бог не играет в кости со Вселенной». Большинство ученых в конце концов, но не сразу, признало истину (как мы сейчас ее понимаем).

Радикальная природа научных достижений в начале двадцатого века нашла отклик в современной культуре. Сразу же кардинально изменились основы искусства и литературы и наше понимание психологии. Хотя многие связывают эти достижения с потрясениями и разрушениями Первой мировой войны, художники, подобные Василию Кандинскому, использовали возможность проникновения вглубь атома для подтверждения идеи, что все может изменяться и поэтому в искусстве все разрешено. Кандинский так описывал свою реакцию на открытие ядра атома: «Крах модели атома был эквивалентен в моей душе краху всего мира. Внезапно рухнули самые толстые стены. Я не удивился бы, если бы камень, возникший перед моими глазами, растаял и стал невидимым» [51].

Конечно, реакция Кандинского была несколько чрезмерной. Легко обмануться, применяя столь же радикальные, как основы квантовой механики, суждения в ненаучном контексте. Мне кажется, что наиболее заезженным примером является частое злоупотребление соотношением неопределенностей, которое часто употребляется, чтобы оправдать неточность. Мы увидим в этой главе, что соотношение неопределенностей есть, на самом деле, очень точное утверждение, касающееся измеряемых величин. Тем не менее это утверждение имеет удивительные приложения.

Обратимся теперь к квантовой механике и лежащим в ее основе принципам, которые столь сильно отличаются от принципов ранее существовавшей старой, классической физики. Странные и новые понятия, с которыми мы столкнемся, включают квантование, волновую функцию, дуализм волна — частица и соотношение неопределенностей. В данной главе дано описание этих ключевых идей, приправленное рассказами об истории того, как это все создавалось.

Специалист по физике частиц Сидни Коулмен говорил, что если тысячи философов проведут тысячи лет в поисках самой странной из возможных вещей, они не найдут ничего более фантастичного, чем квантовая механика. Эту науку трудно понять, так как ее следствия удивительны и сильно противоречат интуиции. Фундаментальные принципы квантовой механики противоречат как предпосылкам, лежащим в основе всей ранее известной физики, так и нашему собственному опыту.

Одна причина того, что квантовая механика кажется столь неестественной, заключается в том, что мы физиологически не готовы воспринимать квантовую природу вещества и света. В общем случае квантовые эффекты становятся существенными на расстояниях порядка одного ангстрема[52], т. е. порядка размера атома. Не используя специальные инструменты, мы можем видеть только предметы значительно больших размеров. Даже пиксели на экранах телевизоров высокого разрешения или мониторах компьютеров слишком малы для того, чтобы мы могли их видеть.

Кроме того, мы видим только громадные скопления атомов, настолько большие, что квантовые эффекты подавляются классическими. В общем случае мы также воспринимаем только большое количество квантов света. Хотя светочувствительные рецепторы в глазе достаточно чувствительны, чтобы воспринимать наименьшие возможные единицы света — отдельные кванты, глаз в типичной ситуации одновременно обрабатывает так много квантов, что любые возможные квантовые эффекты подавляются более легко различимым классическим поведением.

Существует очень простая причина того, что квантовую механику трудно объяснить. Квантовая механика достаточно всеобъемлюща, чтобы включать классические предсказания, но не наоборот. Во многих случаях, например, когда мы имеем дело с большими телами, квантово-механические предсказания согласуются с предсказаниями классической ньютоновской механики. Однако не существует какого-то интервала размеров, в котором классическая механика порождала бы квантовые предсказания. Поэтому, когда мы пытаемся понять квантовую механику, используя знакомые классические термины и понятия, мы быстро наталкиваемся на трудности. Попытка использовать классические понятия для описания квантовых эффектов похожа на попытку перевода французского текста с помощью ограниченного английского словаря, содержащего сто слов. Вы будете часто натыкаться на понятия или слова, смысл которых можно передать только приблизительно, или которые вообще невозможно перевести с помощью столь ограниченного английского словаря.

Датский физик Нильс Бор, один из пионеров квантовой механики, был уверен в неадекватности человеческого языка для описания внутреннего устройства атома. Размышляя над этим, он рассказывал, как его модели «пришли к нему интуитивно… как картинки»[53]. Другой физик, Вернер Гейзенберг, объяснял: «Мы просто должны помнить, что наш обычный язык больше не работает, что мы находимся в области физики, где наши слова мало что значат» [54].

Поэтому я не буду пытаться описывать квантовые явления с помощью классических моделей. Напротив, я опишу ключевые фундаментальные предположения и явления, которые столь отличают квантовую механику от созданных ранее классических теорий. Мы рассмотрим отдельно ряд ключевых наблюдений и идей, которые внесли вклад в развитие квантовой механики. Хотя это обсуждение будет примерно следовать историческим событиям, моя цель на самом деле состоит в том, чтобы одновременно ввести многие новые идеи и понятия, присущие квантовой механике.

Квантовая физика развивалась поэтапно. Она началась как ряд случайных предположений, согласующихся с наблюдениями, хотя никто не понимал причину согласия. Эти догадки, не имевшие соответствующего физического обоснования, но обладавшие способностью давать правильные ответы, образовали то, что сейчас именуется старой квантовой теорией. Она определялась предположением, что такие величины, как энергия и импульс, не могут принимать любые произвольные значения. Вместо этого была подтверждена возможность, что такие величины принимают дискретное, квантованное множество значений.

Квантовая механика, развившаяся из своей скромной предшественницы — старой квантовой теории, подтвердила загадочное предположение о квантовании, с которым мы вскоре столкнемся. Кроме того, с помощью квантовой механики была разработана определенная процедура для предсказания эволюции квантово-механических систем во времени, что весьма усилило предсказательную мощь теории. Однако поначалу квантовая механика развивалась только путем подгонок и резких скачков, так как в то время никто не понимал, что происходит. На первых порах все, что было — это предположения о квантовании.

Развитие старой квантовой теории началось в 1900 году, когда немецкий физик Макс Планк предположил, что свет может испускаться только квантованными порциями, подобно тому, как хлеб может продаваться только отдельными буханками. Согласно гипотезе Планка, количество энергии в свете любой заданной частоты может быть лишь целым кратным фундаментальной энергии для этой конкретной частоты. Фундаментальная энергия равна величине, известной сейчас как постоянная Планка h, умноженной на частоту f. Энергия света определенной частоты f может равняться hf, 2hf, 3hf и т. д., но согласно гипотезе Планка вы никогда не обнаружите значения энергии между указанными числами. В противоположность буханкам хлеба, квантование которых произвольно и нефундаментально (буханки можно раскрошить), существует минимальная порция энергии света данной частоты, являющаяся неделимой. Промежуточные значения энергии никогда не возникают.

Это удивительное пророческое предложение было сделано для того, чтобы разрешить теоретическую загадку, известную как ультрафиолетовая [55] катастрофа в излучении черного тела. Абсолютно черное тело — это объект вроде куска каменного угля, который поглощает все падающее на него излучение, а затем полностью излучает его обратно[56]. Количество световой и другой энергии, которое абсолютно черное тело испускает, зависит от его температуры; на самом деле температура полностью определяет все физические свойства абсолютно черного тела.

Однако классические предсказания для количества света, испускаемого черным телом, выглядели сомнительными: классические вычисления предсказывали, что излучение высоких частот должно уносить значительно большую энергию, чем наблюдали и фиксировали физики. Измерения показывали, что вклад излучения разных частот в излучение абсолютно черного тела не подчиняется законам демократии; очень высокие частоты вносят меньший вклад, чем более низкие частоты. Основная доля энергии излучается только на низких частотах. Именно поэтому светящиеся тела нагреты «до красного», а не до «голубого каления». Однако классическая физика предсказывает значительную долю излучения высоких частот. Более того, по классическим предсказаниям полная испущенная энергия должна быть бесконечно большой. Классическая физика столкнулась лицом к лицу с ультрафиолетовой катастрофой.

Возможный способ разрешения этой дилеммы заключался бы в предположении, что вклад в излучение абсолютно черного тела могут вносить только частоты ниже некоторого верхнего предела. Планк отверг эту возможность в пользу другого, в равной степени произвольного предположения, что свет квантован.

Планк полагал, что если излучение на каждой частоте состоит из целых кратных фундаментального кванта излучения, то излучение высоких частот не может испускаться, так как фундаментальная единица энергии была бы слишком большой. Так как энергия, содержащаяся в кванте света, пропорциональна частоте, то даже один квант высокочастотного излучения содержал бы значительное количество энергии. Когда частота достаточно велика, минимальная энергия, которую содержал бы квант, оказывается слишком большой, для того, чтобы квант излучился. Абсолютно черное тело может и спускать только кванты малых частот. Таким образом, гипотеза Планка запрещает излучение слишком больших частот.

Логику рассуждений Планка может пояснить следующая аналогия. Наверное, вам приходилось обедать в ресторане с людьми, которые в конце трапезы не заказывали десерт. Эти люди боятся съесть слишком много калорийной пищи, поэтому они редко себя балуют сладкими блюдами. Если официант обещает, что десертное блюдо маленькое, они могут заказать одну порцию. Но они обычно пасуют перед большой порцией кекса, мороженого или пудинга.

Такие люди делятся на две категории. К первой принадлежит Икар. Он соблюдает режим и действительно не употребляет десерт. Когда подают слишком большой десерт, Икар просто воздерживается от этого блюда. Я отношусь, скорее, ко второй категории людей (к ним относится и Афина), которые понимают, что десерты слишком велики, и поэтому не заказывают их для себя, но в противоположность Икару без всяких угрызений совести берут по маленькому кусочку от десертов на блюдах других гостей. Таким образом, даже когда Афина не заказывает порцию для себя, она в результате как следует наедается десертами. Если бы Афина обедала вместе с большим числом людей и могла бы стянуть кусочки с большого числа тарелок, она бы пострадала от плачевной «калорийной катастрофы».

Согласно классической теории, абсолютно черное тело больше похоже на Афину. Оно испускало бы малые порции света любой частоты, и теоретики, используя классические рассуждения, неизбежно предсказали бы «ультрафиолетовую катастрофу». Чтобы избежать такого предсказания, Планк предположил, что абсолютно черное тело аналогично по-настоящему умеренному в еде человеку. Как и Икар, который никогда не ест ни кусочка десерта, абсолютно черное тело ведет себя согласно закону квантования Планка и испускает свет данной частоты только квантованными порциями энергии, равными константе h, умноженной на частоту света f. Если частоты большие, квант энергии станет просто слишком большим для того, чтобы свет мог испуститься на этой частоте. Таким образом, абсолютно черное тело будет испускать основную часть излучения на малых частотах, а большие частоты будут автоматически отброшены. В квантовой теории абсолютно черное тело не испускает заметного количества высокочастотного излучения, и поэтому испускает заметно меньше излучения, чем предсказывается классической теорией.

Когда тело испускает излучение, то структура этого излучения, т. е. количество энергии, испускаемой телом на каждой частоте при заданной температуре, называется спектром этого излучения (рис. 40). Спектры некоторых тел, например звезд, могут быть приближенно описаны спектром абсолютно черного тела. Такие чернотельные спектры были измерены при многих конкретных значениях температуры, и все они согласуются с гипотезой Планка. На рис. 40 видно, что излучение почти полностью приходится на низкие частоты, а при высокой частоте оно выключается.

Одним из великих достижений экспериментальной космологии после 1980-х годов было все более точное измерение чернотельного спектра, порождаемого излучением в нашей Вселенной. Первоначально Вселенная была горячим, плотным огненным шаром, содержащим высокотемпературное излучение, однако с тех пор Вселенная расширилась и излучение очень сильно охладилось. Это произошло потому, что при расширении Вселенной точно так же растягивались и длины волн излучения. Но волны большей длины соответствуют более низким частотам, а следовательно и более низким температурам. Сейчас Вселенная содержит излучение, которое выглядит так, как будто оно было порождено излучением абсолютно черного тела с температурой 2,7 градуса выше абсолютного нуля, что существенно холоднее, чем в начале расширения.

Недавно с помощью спутников был измерен спектр этого космического фонового микроволнового излучения (именно он показан на рис. 40). Он почти точно совпадает со спектром абсолютно черного тела температурой 2,7 К. Измерения показывают, что отклонения меньше одной десятитысячной. На самом деле такое реликтовое излучение является в наши дни наиболее точно измеренным спектром абсолютно черного тела.

Когда в 1931 году Планка спросили, как он пришел к своему поразительному предположению о том, что свет квантован, он ответил: «Это был акт отчаяния. В течение шести лет я бился над теорией абсолютно черного тела. Я понимал, что проблема фундаментальна, и я знал ответ. Мне нужно было любой ценой[57]… найти теоретическое объяснение». Для Планка квантование света было инструментом, кладжем[58], приводящим к правильному спектру абсолютно черного тела. По его мнению, квантование не было обязательно свойством самого света, а могло быть следствием какого-то свойства атомов, излучающих свет. Хотя предположение Планка было первым шагом к пониманию квантования света, сам Планк никогда полностью не принимал этой гипотезы.

Пять лет спустя, в 1905 году, большой вклад в квантовую теорию внес Эйнштейн, который установил, что световые кванты были реальностью, а не просто математическими абстракциями. В тот год Эйнштейн был очень занят, одновременно занимаясь построением специальной теории относительности, помогая доказать существование атомов и молекул путем изучения статистических свойств вещества и предоставляя подтверждение квантовой теории, и все это в то время, когда он работал в патентном бюро в швейцарском городе Берне.

Конкретное явление, которое Эйнштейн объяснил с помощью гипотезы о световых квантах, тем самым усилив ее достоверность, известно как фотоэлектрический эффект. Экспериментаторы облучают вещество излучением определенной частоты, и это падающее излучение выбивает из вещества электроны. Экспериментаторы показали, что облучение вещества большим количеством света, несущим больше полной энергии, не изменяет максимальной кинетической энергии (энергии движения) испущенных электронов. Это противоречит интуитивному представлению: большая падающая энергия должна безусловно порождать электроны с большей кинетической энергией. Почему же электроны не поглощают больше энергии?

Объяснение Эйнштейна заключалось в том, что излучение состоит из отдельных квантов света, и только отдельный квант может передать свою энергию любому конкретному электрону. Свет падает на отдельный электрон как одиночный снаряд, а не как множество снарядов при массированном обстреле. Так как только один квант света выбивает электрон, увеличение числа падающих квантов не изменяет энергию испущенного электрона. Увеличение числа падающих квантов приводит к тому, что свет выбивает больше электронов, но не влияет на максимальную энергию любого отдельно взятого электрона.

Поскольку Эйнштейн интерпретировал результаты фотоэффекта с помощью понятия об определенных порциях энергии — квантах света, стало понятным, почему испускаемые электроны всегда обладают одинаковой максимальной кинетической энергией. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь электрон, равна постоянной энергии, которую он получает от кванта света, за вычетом энергии, необходимой для испускания электрона атомом.

Рассуждая таким образом, Эйнштейн сумел вычислить энергию квантов света. Он показал, что их энергия зависит от частоты падающего света точно так, как предсказывала гипотеза Планка. Для Эйнштейна это было ясным свидетельством реальности существования квантов. Его интерпретация давала очень точную картину световых квантов: один квант испытывал соударение с одним электроном, который по этой причине испускался. Именно это открытие, а не теория относительности, принесло Эйнштейну Нобелевскую премию по физике 1921 года.

Поразительно, однако, что хотя Эйнштейн признавал существование квантованных порций света, он с большой неохотой соглашался с тем, что эти кванты на самом деле были безмассовыми частицами, переносившими энергию и импульс, но не имевшими массы. Первое убедительное свидетельство корпускулярной природы квантов света было получено в 1923 году при наблюдении эффекта Комптона, в котором в результате соударения кванта света с электроном происходило изменение направления движения этого кванта (рис. 41). В общем случае можно определить энергию и импульс частицы, измерив ее угол отклонения после соударения. Если фотоны — безмассовые частицы, то они должны совершенно определенным образом вести себя после соударения с другими частицами, например электронами. Измерения показали, что кванты света ведут себя в точности так, как если бы они были безмассовыми частицами, взаимодействующими с электронами. Неизбежным был вывод: кванты света действительно являются частицами. Сейчас мы называем их фотонами.

Интересно, что Эйнштейн так сопротивлялся признанию квантовой теории, которую он же и помогал создать. Однако его реакция не более удивительна, чем недоверчивая реакция Планка на гипотезу Эйнштейна о квантовании. Планк и ряд других ученых хвалили многие достижения Эйнштейна, но умеряли свой энтузиазм[59]. Планк даже заметил несколько пренебрежительно: «Не следует ставить ему в упрек то, что он иногда промахивался в своих рассуждениях, например, в гипотезе о световых квантах, так как невозможно предложить действительно новые идеи даже в самых точных науках, если не пойти на некоторый риск»[60]. Но не заблуждайтесь. Предложенные Эйнштейном световые кванты были точным попаданием в цель. Замечание Планка всего лишь отражает революционную природу мышления Эйнштейна и изначальное сопротивление ученого сообщества принятию его идей.

История квантования и старая квантовая теория не закончились на изучении света. Оказалось, что вся материя состоит из фундаментальных квантов. Следующим ученым, внесшим вклад в гипотезу квантования, был Нильс Бор. Он применил эту гипотезу к хорошо известной частице — электрону.

Частично интерес Бора к квантовой механике развился из знакомства с попытками прояснить загадочные свойства атомов. В течение девятнадцатого века понятие об атоме было неправдоподобно смутным: многие ученые вообще не верили в то, что атомы существуют иначе как полезный эвристический прием, не имеющий никакого реального основания. Некоторые ученые, верившие в атомы, тем не менее путали их с молекулами, которые, как сейчас известно, состоят из атомов.

Истинные свойства и строение атомов оставались неизвестными вплоть до начала прошлого века. Частично проблема состояла в том, что греческое слово ατομο означает «неделимый», так что первоначальная картина атома действительно представляла некоторый неизменный, неделимый объект. Но физики девятнадцатого века, изучая поведение атомов, начали понимать, что такая картина неверна. В конце XIX века самыми подробно изученными свойствами атомов были радиоактивность и спектральные линии — характерные частоты испускания и поглощения света. Оба эти явления показывали, что атомы могут изменяться. Вершиной этих изысканий стало открытие Дж. Дж. Томсоном в 1897 году электронов. Он также высказал гипотезу, что электрон является частью атома, откуда следовало, что атомы должны быть делимы.

В начале XX века Томсон объединил все известные к тому времени наблюдения над атомами, создав модель «сливового пудинга», получившую название от английского десерта, в котором в тесто добавлялись целые кусочки фруктов. По мнению Томсона, в атоме имелась положительно заряженная часть, распределенная по всему атому (тесто), и вкрапленные отрицательно заряженные электроны (кусочки фруктов).

В 1910 году новозеландец Эрнест Резерфорд доказал, что эта модель неверна, после того как Ганс Гейгер и студент-исследователь Эрнест Марсден осуществили предложенный Резерфордом эксперимент. Они обнаружили внутри атома твердое, компактное ядро, которое было намного меньше самого атома. Образующийся при радиоактивном распаде солей радия газ радон-222 испускает альфа-частицы, являющиеся, как мы сейчас знаем, ядрами гелия. Физики получили доказательство существования атомного ядра, обстреливая атомы альфа-частицами и регистрируя углы, на которые альфа-частицы отклоняются. Зарегистрированное учеными удивительное рассеяние могло возникнуть только при условии, что внутри атома имеется твердое, компактное атомное ядро. Рассеянный положительный заряд, размазанный по всему объему атома, никогда не мог бы отклонять частицы на столь большие углы. Говоря словами Резерфорда: «Это было самое невероятное событие из всех, когда либо случавшихся в моей жизни. Это было столь же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок папиросной бумаги, и снаряд отскочил бы назад и попал в вас» [61].

Результаты Резерфорда опровергли модель атома в виде сливового пудинга. Его эксперимент означал, что положительный заряд не размазан по всему атому, а сосредоточен в значительно меньшей внутренней сердцевине. Должно было существовать твердое центральное ядро. Согласно такой картине, атом состоит из электронов, вращающихся по орбитам вокруг маленького центрального ядра.

Летом 2002 года я принимала участие в ежегодной конференции по теории струн, которая проводилась в тот год в Кэвендишской лаборатории в Кембридже. Многие основоположники квантовой механики, в том числе два ведущих ученых Резерфорд и Томсон, совершили большую часть своих исследований в этих стенах. Коридоры украшены воспоминаниями о волнующих первых годах, так что гуляя по ним, я узнала много забавных фактов.

Например, Джеймс Чедвик, первооткрыватель нейтрона, стал заниматься физикой только потому, что не смог перебороть свою застенчивость и признаться, что при выборе дисциплин он ошибочно отметил в заявлении не ту строчку. Когда Дж. Дж. Томсон стал руководителем лаборатории, он был так молод (ему было двадцать восемь лет), что в одном из поздравлений было написано: «Прости меня, что не написал, что желаю тебе счастья и успехов в должности профессора. Новость о твоем избрании стала для меня большим сюрпризом, и я не смог». (Физики не всегда бывают самыми милосердными.)

Однако несмотря на согласованную картину атома, развитую в начале двадцатого века в Кэвендишской и других лабораториях, поведение составных частей атома было таково, что оно могло разрушить наиболее фундаментальные убеждения физиков. Из опытов Резерфорда следовала модель атома, состоящего из электронов, движущихся по орбитам вокруг центрального атомного ядра. Несмотря на простоту этой картины, она, к сожалению, имела один недостаток: она должна была быть ошибочной. Классическая теория электромагнетизма предсказывает, что когда электроны движутся по окружности, они должны излучать энергию за счет испускания фотонов (или, на классическом языке, излучения электромагнитных волн). Таким образом, фотоны уносят энергию, оставляя все меньше энергии электрону, который будет обращаться пе все меньшим окружностям, по спирали приближаясь к центру. На самом деле классическая теория электромагнетизма предсказывает, что атомы не могут быть стабильными и должны коллапсировать за время меньше одной наносекунды. Стабильные электронные орбиты в атоме были полной загадкой. Почему электроны не теряют энергию и не падают по спирали на атомное ядро?

Для объяснения орбит электронов в атоме потребовался радикальный отход от классического образа мышления. Доведение такой логики до неизбежного вывода выявило прорехи в классической физике, которые могли быть устранены только в результате развития квантовой механики. Нильс Бор сделал именно такое революционное предположение, расширив планковское понятие о квантовании и перенеся его на электроны. Это стало существенным компонентом старой квантовой механики.

Бор предположил, что электроны не могут двигаться ни по одной из старых орбит; электронная орбита должна иметь радиус, определяющийся предложенной Бором формулой. Бор сумел открыть эти орбиты благодаря удачной и остроумной гипотезе. Он предположил, что электроны должны вести себя так, как будто они являются волнами, откуда следует, что, обращаясь вокруг ядер, они колеблются вверх и вниз.

В общем случае некоторая волна совершает однократное колебание вверх и вниз при прохождении определенного пути; этот путь и называется длиной волны. С волной, бегущей по окружности, также связана длина волны. В этом случае длина волны определяет величину дуги, вдоль которой при обращении вокруг ядра волна проходит один раз вверх и вниз.

Электрон, вращающийся по орбите определенного радиуса, не может иметь произвольную длину волны. Он может иметь только такую длину волны, которая позволит ей совершить колебания вверх и вниз определенное число раз. Отсюда возникает правило для определения разрешенных длин волн: проходя по окружности, определяющей орбиту электрона, волна должна совершить целое[62] число колебаний (рис. 42).

Хотя предложение Бора было радикальным, а его смысл туманным, оно достигало своей цели: если принять такую гипотезу, она гарантирует стабильность орбит электрона. Оказываются разрешенными только определенные орбиты электронов. Промежуточные орбиты запрещены. В отсутствие внешнего посредника, который мог бы заставить электрон перепрыгнуть с одной орбиты на другую, у электрона не было других возможностей приблизиться к ядру.

Можно представить себе атом Бора с фиксированными электронными орбитами как многоэтажное здание, в котором можно находиться только на четных этажах — втором, четвертом, шестом и т. д. Так как вы никогда не сможете ступить ногой на промежуточные этажи, например, третий или пятый, вы будете вечно приклеены к тому четному этажу, на котором находитесь. У вас нет возможности попасть на самый нижний этаж и выйти наружу.

Волны Бора представляли собой вдохновенную гипотезу. Бор не утверждал, что понимает смысл этих волн; он выдвинул свою гипотезу просто для того, чтобы получить стабильные электронные орбиты. Тем не менее количественная природа гипотезы Бора позволяла осуществить ее проверку. В частности, гипотеза Бора правильно предсказывала спектральные линии атомов. Спектральные линии определяют частоту света, который испускает или поглощает неионизированный атом, т. е. нейтральный атом со всеми своими электронами и полным зарядом, равным нулю[63]. Физики заметили, что вместо того, чтобы показывать непрерывное распределение (в которое дают вклад все длины волн света), спектры демонстрировали напоминающую штрих-код структуру из отдельных полос. Никто не мог понять причину этого. Более того, никто не мог объяснить точные значения наблюдавшихся частот.

Опираясь на свою гипотезу квантования, Бор сумел объяснить, почему фотоны испускались или поглощались только с наблюдавшимися частотами. Хотя у изолированного атома электронные орбиты были стабильны, они могли изменяться, если фотон с нужной частотой и, следовательно, согласно Планку, с нужной энергией, передавал или отбирал энергию.

Используя рассуждения, основанные на классической физике, Бор вычислил энергию электронов, подчинявшихся его гипотезе квантования. Зная эти энергии, он предсказал энергии, а следовательно, и частоты фотонов, которые испускает или поглощает атом водорода, обладающий одним электроном. Предсказания Бора оказались правильными, и поэтому его гипотеза квантования стала весьма правдоподобной. Именно это убедило ученых, среди которых был и Эйнштейн, что Бор должен быть прав.

Квантованные световые пакеты, которые могут испускаться или поглощаться и тем самым изменять орбиты электронов, можно сравнить с длинами веревок, протянутых между окнами многоэтажного здания в нашем предыдущем примере. Если каждый кусок веревки имеет точно ту длину, которая нужна, чтобы перебраться с вашего этажа на любой другой четный этаж, и если открыты только окна на четных этажах, то веревка позволит меняться этажами, но только с четными номерами. Аналогично, длины волн спектральных линий могут принимать только определенные значения, равные разностям энергий электронов, занимающих дозволенные орбиты.

Несмотря на то что Бор не дал объяснения своему условию квантования, он оказался безусловно прав. Были измерены длины волн многих спектральных линий, и всех их можно было воспроизвести с помощью гипотезы Бора. Если такое согласие считать случайным совпадением, это можно рассматривать как чудо. В конце концов квантовая механика подтвердила гипотезу Бора.

Как бы ни были важны правила квантования, квантово-механическая связь между частицами и волнами стала укрепляться только после исследований французского физика герцога Луи де Бройля, австрийца Эрвина Шрёдингера и немца по происхождению Макса Борна.

Первым ключевым шагом от случайного блуждания по тропам старой квантовой теории к выходу на дорогу истинной квантово-механической теории было замечательное предложение де Бройля перевернуть гипотезу квантования Планка с ног на голову. В то время как Планк связывал кванты с волнами излучения, де Бройль, как и Бор, постулировал, что частицы также ведут себя как волны. Гипотеза де Бройля состояла в том, что частицы должны проявлять волновые свойства, и эти волны определяются импульсом частицы. (При малых скоростях импульс частицы равен произведению ее массы и скорости. При всех скоростях импульс указывает, каким образом нечто реагирует на приложенную силу. Хотя при релятивистских скоростях импульс является более сложной функцией массы и скорости, обобщение импульса, применимое при больших скоростях, также указывает, каким образом нечто реагирует на действие силы при релятивистских скоростях.)

Де Бройль предположил, что частица с импульсом р связана с волной, длина которой обратно пропорциональна импульсу, т. е. чем меньше импульс, тем больше длина волны. Кроме того, длина волны пропорциональна постоянной Планка h [64]. Идея, лежавшая в основе гипотезы де Бройля, состояла в том, что бурно колеблющаяся волна (длина волны которой мала) переносит больший импульс, чем волна, колеблющаяся как в летаргическом сне (с большой длиной волны). Меньшим длинам волн соответствуют более быстрые осцилляции, которые де Бройль сопоставил с большими импульсами.

Если вы ошарашены существованием такой частицы-волны, именно так и должно быть. Когда де Бройль впервые ввел понятие о своих волнах, никто не знал, что это такое. Макс Борн предложил удивительную интерпретацию: волна есть функция координаты, и квадрат этой функции определяет вероятность обнаружения частицы в каком-то месте пространства[65]. Борн назвал эту функцию волновой функцией. Идея Макса Борна заключалась в том, что невозможно зафиксировать положение частиц, и его можно описывать только с помощью вероятностей. Это огромный шаг в сторону от классических представлений. Это означает, что вы не можете знать точное местоположение частицы. Вы можете только определить вероятность ее обнаружения в каком-то месте.

Однако несмотря на то, что квантово-механическая волна описывает только вероятности, сама квантовая механика предсказывает точную эволюцию этой волны во времени. Задавая значения волны в любой данный момент времени, можно определить ее значения в любой последующий момент. Шрёдингер написал волновое уравнение, описывающее эволюцию волны, связанной с квантовомеханической частицей.

Но что означает эта вероятность обнаружения частицы? Идея представляется загадочной — в конце концов, такого понятия, как доля частицы, не существует. Утверждение, что частицу можно описывать волной, было (и в определенном смысле остается) одним из самых удивительных свойств квантовой механики, в частности, потому что известно, что частицы часто ведут себя как бильярдные шары, а не как волны. Интерпретации на языке частиц и волн кажутся несовместимыми.

Разрешение кажущегося парадокса тесно связано с тем, что с помощью только одной частицы вы никогда не установите ее волновую природу. Когда вы детектируете отдельный электрон, вы видите его в некотором определенном месте. Чтобы отобразить всю волну, вам требуется либо множество тождественных электронов, либо многократное повторение одного и того же эксперимента. Даже несмотря на то что каждый электрон связан с волной, с помощью одного электрона можно измерить только одно число. Но если вы могли бы подготовить большую совокупность тождественных электронов, вы обнаружили бы, что доля электронов в каждом месте пропорциональна вероятности, которую приписывает электрону квантовая механика.

Волновая функция отдельного электрона говорит нам о вероятном поведении многих тождественных электронов, описываемых одной и той же волновой функцией. Любой отдельный электрон будет обнаружен только в одном месте. Но если имеется много тождественных электронов, их распределение по разным местам будет подобно волне. Волновая функция определяет вероятность попадания электрона в одно из этих мест.

Можно провести аналогию с распределением населения по росту. Каждый индивидуум имеет свой рост, но распределение говорит нам о вероятности того, что индивидуум имеет определенный рост. Аналогично, если один электрон ведет себя как частица, много электронов вместе будут иметь распределение по положениям, схематически изображаемое волной. Различие состоит в том, что отдельный электрон, тем не менее, связан с этой волной.

На рис. 43 я набросала пример функции вероятности для электрона. Эта волна изображает относительную вероятность обнаружения электрона в конкретном месте. Нарисованная мной кривая принимает определенное значение в каждой точке пространства (или, скорее, на линии, так как бумага плоская, и я вынуждена изображать только одно измерение пространства). Если бы я могла сделать много копий этого электрона, я могла бы совершить серию измерений положения электрона. Тогда я обнаружила бы, что количество раз, когда я находила электрон в определенной точке, было бы пропорционально этой функции вероятности. Большим значениям соответствовало бы то, что электрон с большей вероятностью был бы найден в этой точке, меньшим значениям — что он был бы найден в этой точке с меньшей вероятностью. Волна отражает кумулятивный эффект многих электронов.

Даже несмотря на то, что вы отобразили волну с помощью многих электронов, уникальной особенностью квантовой механики является то, что отдельный электрон все равно тоже описывается волной. Это означает, что вы никогда

не можете ничего предсказать об электроне с определенностью. Если вы измеряете положение электрона, вы обнаруживаете его в определенном месте. Но пока вы не совершите это измерение, вы можете только предсказать, что электрон с определенной вероятностью должен находиться где-то в окрестности. Вы не можете точно сказать, где он остановится.

Корпускулярно-волновой дуализм обнаруживается в знаменитом эксперименте с двумя щелями, на который ссылается неизвестный собеседник Электры в начале этой главы. До 1961 года, когда немецкий физик Клаус Йонссон реально осуществил этот эксперимент в лаборатории, опыт с двумя щелями был скорее мысленным экспериментом, использовавшимся физиками для уяснения смысла и следствий поведения волновой функции электрона. Экспериментальная установка состоит из источника электронов, который посылает электроны сквозь барьер, в котором прорезаны две параллельные щели (рис. 44). Электроны проходят через щели, попадают на расположенный за барьером экран и регистрируются.

Подразумевалось, что этот эксперимент будет подобен эксперименту, выполненному в начале XIX века и продемонстрировавшему волновую природу света. В том эксперименте британский физик, врач и египтолог[66] Томас Юнг направил монохроматический свет сквозь две щели и наблюдал волновую картину, созданную светом на экране за щелями. Опыт Юнга продемонстрировал, что свет ведет себя как волна. Смысл повторения такого же эксперимента с электронами состоял в том, чтобы увидеть, как можно было бы наблюдать волновую природу электрона.

Действительно, если вы осуществите эксперимент с двумя щелями с электронами, вы увидите то же самое, что Юнг увидел для света — волновую картину на экране за щелями (рис. 45). В случае света мы понимаем, что волны интерферируют. Какая-то часть света проходит через одну щель, какая-то — через другую, и регистрируемая волновая картина отражает интерференцию между двумя волнами. Но что означает волновая картина для электронов?

Такая волновая картина на экране свидетельствует о полностью противоречащем нашей интуиции факте: мы должны считать, что каждый электрон проходит через обе щели. Вы не можете знать все об отдельном электроне. Любой электрон может пройти через обе щели. Даже несмотря на то, что положение каждого электрона в момент попадания на экран фиксируется, никто не знает, через которую из двух щелей проходит каждый отдельный электрон.

Квантовая механика утверждает, что частица может перемещаться от начальной точки до конечной по любому возможному пути, и этот факт отражает волновая функция частицы. В этом состоит одно из многих удивительных свойств квантовой механики. Вопреки классической физике, квантовая механика не приписывает частице определенную траекторию.

Но каким образом эксперимент с двумя щелями может указывать, что отдельный электрон ведет себя как волна, когда мы уже знаем, что электроны — это частицы? Ведь в конце концов не существует такой вещи, как половинка электрона. Каждый отдельный электрон фиксируется в определенном месте. Что же на самом деле происходит?

Ответ был уже дан мною выше. Вы можете наблюдать волновую картину, только зарегистрировав много электронов. Каждый отдельный электрон является частицей. Он попадает в определенное место на экране. Однако совокупный эффект многих электронов, падающих на экран, представляет собой классическую волновую картину, отражая тот факт, что пути двух электронов интерферируют. Это показано на рис. 45.

Волновая функция определяет вероятность того, что электрон попадет на экран в любом заданном месте. Электрон может попасть в любое место, но мы ожидаем обнаружить его в некотором определенном месте с определенной вероятностью, задаваемой значением волновой функции в данной точке. Совокупность многих электронов образует волну, которую можно рассчитать, исходя из предположения, что электрон проходит через обе щели.

В 1970-х годах Акира Тонамура в Японии и Пьерджорджо Мерли, Джулио Поцци и Джанфранко Миссироли в Италии смогли явно наблюдать этот эффект в реальных экспериментах. Они выстреливали электроны по одному и наблюдали, как создается волновая картина по мере того, как все больше электронов попадают на экран.

Вас может удивить, почему потребовалось дожить до двадцатого века, чтобы заметить нечто столь выдающееся, как корпускулярно-волновой дуализм. Например, почему люди не поняли раньше, что свет выглядит как волна, но на самом деле состоит из крохотных зернышек — фотонов?

Ответ состоит в том, что никто из нас (за возможными редкими исключениями, касающимися супергероев) не видит отдельных фотонов[67], так что квантовомеханические эффекты нелегко детектировать. Обычный свет не выглядит так, как будто он состоит из отдельных квантов. Мы наблюдаем пучки фотонов, образующих видимый свет. Большое число фотонов действует совместно, как классическая волна.

Чтобы непосредственно наблюдать квантовую природу света, необходим очень слабый источник фотонов или очень аккуратно настроенная аппаратура. Когда фотонов слишком много, вы не можете различить эффект от каждого из них по отдельности. Добавление еще одного фотона к классическому свету, состоящему из большого числа фотонов, не составляет большой разницы. Если лампочка в вашем доме, ведущая себя классически, испустит один дополнительный фотон, вы никогда этого не заметите. Наблюдать тонкие квантовые явления можно только с помощью тщательно разработанной аппаратуры.

Если вы не верите в то, что последний фотон обычно несуществен, подумайте о том, как вы себя чувствуете, когда идете голосовать. Вы знаете, что ваш голос вряд ли может изменить картину, если учесть голоса миллионов других людей, так что ваше голосование представляется потерей времени и хлопотами. Если не считать известного исключения во Флориде, штате неопределенности, обычно один голос теряется в общей куче. Даже несмотря на то что выбор осуществляется за счет совокупного учета отдельных голосов, один голос редко изменяет результат. (Проводя сравнение еще на шаг дальше, вы можете заметить, что только в квантовых системах, и во Флориде, которая ведет себя как квантовый штат[68], повторяющиеся измерения приводят к разным результатам.)

Волновая природа материи влечет за собой много противоречащих интуиции следствий. Перейдем от неопределенности на выборах к соотношению неопределенностей Гейзенберга, любимой теме бесед физиков и послеобеденных ораторов.

Немецкий физик Вернер Гейзенберг был одним из главных создателей квантовой механики. В своей автобиографии[69] он рассказывает, что когда в 1919 году он с товарищами был размещен в здании семинарии в Мюнхене и участвовал в борьбе с баварскими коммунистами, у него в голове начали рождаться первые революционные идеи об атомах и квантовой механике. Когда затихала стрельба, он залезал на крышу семинарии и читал диалоги Платона, в частности, «Тимей». Сочинения Платона убедили Гейзенберга, что «для того, чтобы интерпретировать материальный мир, нам необходимо что-то знать о его мельчайших составных частях».

Гейзенберг ненавидел внешние потрясения, сопровождавшие его в молодости; он предпочел бы возврат к «принципам прусской жизни, подчинению индивидуальных амбиций общему делу, скромности в личной жизни, честности и неподкупности, благородству и точности»[70]. Тем не менее, сформулировав соотношение неопределенностей, Гейзенберг безвозвратно изменил взгляды людей на мир. Вероятно, бурная эпоха, в которую жил Гейзенберг, породила в нем революционный подход если не к политике, то к науке². Во всяком случае, мне кажется несколько забавным, что автор соотношения неопределенностей был человеком столь противоречивых взглядов.

Соотношение неопределенностей утверждает, что есть определенные пары величин, которые никогда не могут быть точно измерены в один и тот же момент времени. Это стало главным отличием от классической физики, в рамках которой предполагается, что, по крайней мере в принципе, все характеристики физической системы, например, координату и импульс, можно измерить с любой желаемой точностью.

Конкретные пары — это те, для которых имеет значение, какая из величин измеряется первой. Например, если вы измерили сначала положение, а затем импульс частицы (величина, определяющая как величину скорости, так и ее направление), вы получите другой результат по сравнению с тем, если сначала измеряется импульс, а затем положение. Такое невозможно в классической физике, и это, безусловно, отличается от того, к чему мы привыкли. Порядок измерений имеет значение только в рамках квантовой механики. И соотношение неопределенностей утверждает, что для двух величин, порядок измерения которых имеет значение, произведение их неопределенностей будет всегда больше, чем фундаментальная константа, а именно, постоянная Планка h (для самых любопытных, эта константа равна 6,582 · 10^-25 ГэВ · с)³. Если вы настаиваете на том, чтобы знать очень точно положение частицы, вы не можете знать с той же точностью импульс, и наоборот. Не имеет значения, насколько точны ваши измерительные приборы и сколько раз вы повторяете измерения, — вы никогда не сможете одновременно измерить обе величины с очень большой точностью.

Появление постоянной Планка в соотношении неопределенностей имеет глубокий смысл. Постоянная Планка — это величина, возникающая только в квантовой механике. Напомним, что согласно квантовой механике квант энергии частицы с определенной частотой равен постоянной Планка, умноженной на эту частоту. Если бы миром правила классическая физика, постоянная Планка была бы равна нулю, и не было бы фундаментального кванта энергии.

Однако в истинном квантово-механическом описании мира постоянная Планка есть фиксированная, ненулевая величина. Именно это число характеризует неопределенность. В принципе любая отдельная величина может быть точно известна. Иногда физики, чтобы описать ситуацию, когда некоторая величина точно измерена и поэтому принимает точное значение, говорят о коллапсе волновой функции. Слово «коллапс» относится к форме волновой функции, которая уже не размыта, а принимает ненулевое значение в одном конкретном месте, так как вероятность получения при последующем измерении любого другого значения равна нулю. В этом случае, когда одна величина измерена точно, соотношение неопределенностей утверждает, что после измерения вы не можете знать вообще ничего о другой величине, образующей пару с измеренной величиной в соотношении неопределенностей. Вы получите бесконечную неопределенность значения этой другой величины. Конечно, если бы вы сначала измерили вторую величину, то первая величина стала бы для вас неизвестной. Иными словами, чем точнее вы знаете одну из величин, тем менее точным должно быть измерение другой.

Я не буду в этой книге углубляться в подробный вывод соотношения неопределенностей, однако попытаюсь тем не менее дать представление о его происхождении. Так как это несущественно для последующего изложения, вы можете сразу перейти к следующему разделу. Но, может быть, кому-то из вас захочется чуть больше узнать о тех рассуждениях, которые лежат в основе соотношения неопределенностей.

В этом выводе мы сосредоточимся на соотношении неопределенностей время — энергия, которое чуть легче объяснить и понять. Это соотношение связывает неопределенность энергии (и следовательно, согласно гипотезе Планка, частоты) с интервалом времени, характерным для скорости изменения системы. Иными словами, произведение неопределенности энергии и характерного времени изменения системы всегда будет больше постоянной Планка h.

Физическая реализация соотношения неопределенностей время — энергия возникает, например, когда вы включаете в комнате лампу и слышите помехи в находящемся рядом радиоприемнике. Включение света генерирует радиочастоты в большом интервале. Происходит это потому, что ток, идущий по проводам, изменяется очень быстро, так что интервал энергии (следовательно, частоты) должен быть большим. Ваш радиоприемник ловит эти частоты как радиопомехи.

Чтобы понять происхождение соотношения неопределенностей, рассмотрим совершенно другой пример — протекающий водопроводный кран[71]. Мы покажем, что для точного определения скорости протечки крана нужен длительный процесс измерения, и это очень похоже на то, что утверждает соотношение неопределенностей. Кран и вода, идущая через него, содержат много атомов и являются слишком сложной системой для того, чтобы проявлять наблюдаемые квантово-механические эффекты, — они подавляются классическими процессами. Тем не менее верно, что для более точного определения частоты требуются более долгие измерения, а в этом и состоит суть соотношения неопределенностей. Квантово-механическая система делает еще шаг вперед в рассмотрении этой взаимозависимости, так как для тщательно приготовленной квантово-механической системы энергия и частота связаны между собой. Так, для квантово-механической системы связь между неопределенностью частоты и длительностью времени измерения (подобная той, которую мы собираемся рассмотреть) переводится в истинное соотношение неопределенностей между энергией и временем.

Предположим, что вода капает со скоростью примерно одна капля в секунду. С какой точностью можно измерить скорость вытекания воды, если точность вашего секундомера равна одной секунде, т. е. его показания могут отличаться от точных не более чем на одну секунду? Если вы подождете одну секунду и увидите одну каплю, вы можете подумать, что вправе сделать вывод, будто кран капает со скоростью одна капля в секунду.

Однако, так как ваш секундомер может показывать время с точностью одна секунда, ваше наблюдение не позволит точно установить, сколько времени проходит, пока кран капнет. Если ваши часы один раз тикнули, прошедшее время может быть чуть больше одной секунды, или почти равняться двум секундам. В какой же момент времени между одной и двумя секундами вы должны считать, что кран капнул? Без более точного секундомера или без увеличения времени измерений ответа не найти. С имеющимися у вас часами вы можете заключить, что капли падают со скоростью в интервале от одной капли в секунду до одной капли в две секунды. Если вы заявите, что кран капает один раз в секунду, вы можете по существу сделать 100 %-ную ошибку в своих измерениях. Иначе говоря, вы можете ошибиться в два раза.

Но предположим, что вы ждете 10 секунд, осуществляя свое измерение. Тогда за время, пока ваши часы тикнули 10 раз, из крана капнули 10 капель. Если пользоваться вашим плохим секундомером, точность которого равна 1 секунде, все, что вы можете утверждать, это то, что время, которое потребовалось на появление 10 капель, находится в интервале от 10 до 11 секунд. Ваше измерение, которое опять приведет к утверждению, что капли падают примерно по одной в секунду, будет теперь иметь ошибку лишь 10 %. Это происходит потому, что, ожидая 10 секунд, вы можете измерить частоту появления капель с точностью ¹/₁₀ секунды. Обратите внимание, что произведение времени вашего измерения (10 секунд) и неопределенности в частоте (10 % или 0,1) примерно равно 1. Заметьте также, что произведение неопределенностей в частоте и времени для измерения в первом примере, когда ошибка в измерении частоты (100 %) больше, но измерение занимает меньшее время (1 секунда), также порядка 1.

Можно было бы продолжать в том же духе. Если вы совершаете измерение в течение 100 секунд, вы можете измерить частоту падения капель с точностью 1 капля за 100 секунд. Если вы совершаете измерение в течение 1000 секунд, вы можете измерить частоту падения капель с точностью 1 капля за 1000 секунд. Во всех этих случаях произведение интервала времени, в течение которого вы производите измерение, и точности, с которой вы измеряете частоту, примерно равно 1[72]. Для более точного измерения частоты требуется большее время. Это утверждение лежит в основе соотношения неопределенностей между временем и энергией. Вы можете более точно измерить частоту, но для этого нужно проводить измерения дольше. Произведение времени и неопределенности в частоте всегда порядка 1[73].

Чтобы завершить вывод нашего упрощенного соотношения неопределенностей, заметим, что если вы рассматриваете достаточно простую квантово-механическую систему, например отдельный фотон, ее энергия будет равна постоянной Планка h, умноженной на частоту. Для такого объекта произведение интервала времени, в течение которого вы производите измерения энергии, и неточности в энергии всегда будет превышать h. Вы можете измерить энергию системы с любой желаемой точностью, но ваш эксперимент будет длиться соответственно большее время. Это то же самое соотношение неопределенностей, которое мы только что вывели; дополнительный трюк — всего лишь соотношение квантования, связывающее энергию и частоту.

Мы почти завершили наше введение в основы квантовой механики. В этом и следующем разделах мы рассматриваем два оставшихся элемента квантовой механики, которые будут использоваться в дальнейшем.

В этом разделе не содержится никаких новых физических принципов, а представлено одно важное приложение соотношения неопределенностей и специальной теории относительности. Рассматриваются соотношения между двумя важными значениями энергии и наименьшими масштабами длины физических процессов, которые могут чувствовать частицы с такими энергиями. Физики каждодневно используют эти соотношения. В следующем разделе мы введем спин, бозоны и фермионы — понятия, которые появятся в следующей главе, посвященной Стандартной модели физики частиц, и далее, когда мы будем рассматривать суперсимметрию.

Соотношение неопределенностей для положения и импульса утверждает, что произведение неопределенностей положения и импульса должно быть больше, чем постоянная Планка. Оно утверждает, что нечто, будь то пучок света, частица или любой другой объект или система, которые вы можете представить, чувствительное к физическим процессам, происходящим на малых расстояниях, должно включать большой интервал импульсов (так как неопределенность импульса должна быть весьма велика). В частности, любой объект, чувствительный к таким физическим процессам, должен включать очень большие импульсы. Согласно специальной теории относительности, когда велики импульсы, то велики и энергии. Комбинация этих двух фактов указывает, что единственный способ исследования малых расстояний — использование для этого больших энергий.

Другой способ объяснения — сказать, что большие энергии для изучения малых расстояний нужны нам потому, что в физических процессах на малых расстояниях участвуют только частицы, волновые функции которых меняются на малых расстояниях. Так же как Вермеер не смог бы написать свои картины с помощью кисти шириной два дюйма, и так же как вы не можете видеть мелкие детали, если у вас плохое зрение, частицы не могут быть чувствительными к физическим процессам на малых расстояниях, если их волновые функции не меняются на очень малых масштабах. Но, согласно де Бройлю, частицы, волновые функции которых включают малые длины волн, обладают большими импульсами. Де Бройль утверждал, что длина волны частицы-волны обратно пропорциональна ее импульсу. Поэтому соотношение де Бройля вынуждает нас заключить, что для анализа физических явлений на малых расстояниях нужны частицы с большими импульсами, а следовательно, и большими энергиями.

Этот вывод имеет важные следствия для физики частиц. Только частицы больших энергий чувствуют явления, связанные с физическими процессами на малых расстояниях. Рассмотрим на двух конкретных примерах, насколько большие энергии подразумеваются.

Физики-частичники часто измеряют энергию в числах, кратных электрон-вольту (сокращенно эВ). Один электронвольт равен энергии, требуемой для движения электрона в поле с разностью потенциалов 1 В (такую разность потенциалов создает слабенькая батарейка). Я буду далее использовать производные единицы гигаэлектронвольт (ГэВ) и тераэлектронвольт (ТэВ); 1 ГэВ равен 1 миллиарду эВ, 1 ТэВ равен 1 триллиону эВ.

Физики-частичники часто находят удобным использовать эти единицы для измерения не только энергии, но и массы. Это можно сделать, так как соотношения между массой, импульсом и энергией в специальной теории относительности показывают, что эти три величины связаны друг с другом скоростью света — константой, значение которой равно с = 299 792 458 м/с. С помощью скорости света можно перевести данную энергию в массу или импульс. Например, знаменитая формула Эйнштейна Е = тс² означает, что с каждой конкретной энергией связана определенная масса. Так как каждый знает, что переводной коэффициент равен с², его можно убрать, и выразить все массы в единицах эВ. В таких единицах масса протона равна примерно 1 миллиарду эВ или 1 ГэВ.

Такой перевод одних единиц в другие аналогичен тому, что вы делаете каждый день, говоря, например, кому-то: «Станция в десяти минутах от нас». Вы предполагаете известным конкретный переводной коэффициент. Расстояние может быть равным одному километру, что соответствует десяти минутам ходьбы пешком, или двадцати километрам, что соответствует десяти минутам езды по скоростной дороге. Между вами и вашим собеседником существует негласная договоренность о согласованном переводном коэффициенте.

Эти соотношения специальной теории относительности в сочетании с соотношением неопределенностей определяют минимальный пространственный размер физических процессов, который может исследовать или детектировать волна или частица определенной энергии или массы. Применим эти соотношения к двум очень важным в физике частиц энергиям, которые часто будут появляться в последующих главах (рис. 46).

Первая энергия, известная как характерная энергия слабых взаимодействий, равна 250 ГэВ. Физические процессы при этой энергии определяют ключевые свойства слабого взаимодействия и элементарных частиц, наиболее интересным из которых является механизм приобретения частицами массы. Физики (включая меня) ожидают, что, когда мы исследуем эту область энергии, обнаружатся новые явления, предсказываемые пока что неизвестными физическими теориями, и мы узнаем много нового о фундаментальной структуре материи. К счастью, эксперименты уже близки к исследованию области характерной энергии слабых взаимодействий и вскоре смогут рассказать нам все, что мы хотим знать.

Иногда я буду говорить о характерной массе слабых взаимодействий, которая связана с энергией слабых взаимодействий через скорость света. В более привычных единицах характерная масса слабых взаимодействий равна 10^-24 кг. Но, как я уже объясняла, физики-частичники предпочитают говорить о массе в единицах ГэВ.

Связанный с энергией радиус слабых взаимодействий равен 10^-18 м. Он определяет размер сферы действия слабого взаимодействия — максимальное расстояние, на котором частицы могут влиять друг на друга за счет сил слабого взаимодействия.

Так как соотношение неопределенностей утверждает, что малые расстояния можно исследовать только с помощью больших энергий, радиус слабых взаимодействий является также минимальной длиной, которую может прощупать частица с энергией 250 ГэВ, т. е. это есть минимальный масштаб, на который могут повлиять физические процессы с такой энергией. Если бы с помощью этой энергии можно было исследовать меньшие расстояния, неопределенность в расстоянии была бы меньше 10^-18 м, и соотношение неопределенностей между расстоянием и импульсом было бы нарушено. Работающий в настоящее время ускоритель в Фермилабе[74] и будущий Большой адронный коллайдер (БАК), строительство которого завершается в ЦЕРНе в Женеве, будут исследовать физические процессы вплоть до этого масштаба, и многие модели, которые я буду обсуждать в этой книге, должны иметь при такой энергии наблюдаемые следствия.

Вторая важная энергия, известная как платовская энергия М_Pl, равна 10¹⁹ ГэВ. Эта энергия имеет большое отношение к любой теории тяготения. Например, гравитационная постоянная, входящая в закон тяготения Ньютона, обратно пропорциональна квадрату планковской энергии. Из-за того, что планковская энергия очень велика, гравитационное притяжение двух масс мало.

Кроме того, планковская энергия — наибольшая возможная энергия, для которой можно применять классическую теорию тяготения; выше этой энергии существенной становится квантовая теория гравитации, последовательно описывающая как квантовую механику, так и тяготение. Ниже, при обсуждении теории струн, мы увидим также, что в старых моделях теории струн натяжение струны скорее всего определяется планковской энергией.

Квантовая механика и соотношение неопределенностей утверждают, что когда частицы достигают этой энергии, то с их помощью можно исследовать физические процессы, происходящие на расстояниях порядка планковской длины, равной 10^-35 м. Это расстояние невероятно мало, много меньше расстояния, доступного измерению. Но для описания физических процессов, возникающих на столь малых расстояниях, требуется квантовая теория гравитации, и такой теорией может быть теория струн. По этой причине планковская длина, так же как и планковская энергия, являются важными масштабами, которые будут часто появляться в последующих главах.

Квантовая механика указывает на важное различие между частицами, разделяя весь мир частиц на бозоны и фермионы. Эти частицы могут относиться к фундаментальным, например, электроны и кварки, или к составным, таким как протон или атомное ядро. Любой объект является либо бозоном, либо фермионом.

Является ли такой объект бозоном или фермионом, зависит от свойства, называемого внутренним спином частицы. Название наводит на определенные образы[75], однако спин частиц не соответствует никакому реальному движению в пространстве. Однако если частица имеет внутренний спин, она взаимодействует с другими так, как будто на самом деле вращается, несмотря на то что на самом деле никакого вращения нет.

Например, взаимодействие электрона с магнитным полем зависит от классического вращения электрона, его реального вращения в пространстве. Однако взаимодействие электрона с магнитным полем зависит также от внутреннего спина электрона. В противоположность классическому моменту импульса, возникающему из-за реального движения в физическом пространстве[76], внутренний спин является свойством частицы. Он фиксирован и обладает определенным значением сейчас и всегда. Например, фотон есть бозон со спином 1 (в единицах h). Это свойство фотона, оно столь же фундаментально, как тот факт, что фотон движется со скоростью света.

В квантовой механике спин квантован. Квантовый спин может принимать значения 0 (т. е. полное отсутствие спина), 1, 2 или любое целое число единиц спина. Объекты, называемые бозонами по имени индийского физика Сатиендры Ната Бозе, имеют внутренний спин, т. е. квантово-механический спин, не зависящий от вращения, принимающий целые значения: бозоны могут иметь внутренний спин, равный 0, 1, 2 и т. д.

Спин фермионов квантован в единицах, о которых до развития квантовой механики никто и не мог подумать, что они возможны. Фермионы, названные по имени итальянского физика Энрико Ферми, имеют полуцелые значения внутреннего спина, например, ¹/₂ или ³/₂. В то время как объект со спином 1 возвращается к своей начальной конфигурации после однократного поворота вокруг своей оси, частицы спина ¹/₂ делает это только после двукратного поворота. Несмотря на кажущуюся фантастичность полуцелых значений спина, протоны, нейтроны и электроны все являются фермионами спина ¹/₂.

Фермионная структура самых фундаментальных частиц определяет многие свойства окружающего нас вещества. В частности, принцип Паули утверждает, что два фермиона одного типа никогда не могут находиться в одном и том же месте. Именно благодаря принципу исключения атом приобретает структуру, на которой основана вся химия. Так как электроны одинакового спина не могут находиться в одном и том же месте, они обязаны находиться на разных орбитах.

Именно поэтому я смогла выше провести аналогию с разными этажами высокого здания. Различные этажи представляют разные возможные квантованные орбиты, которые согласно принципу Паули заняты находящимися вокруг ядра электронами. Принцип исключения является также причиной того, что вы не можете просунуть руку сквозь крышку стола или упасть в центр Земли. Стол и ваша рука представляют жесткую структуру только потому, что соотношение неопределенностей порождает атомную, молекулярную и кристаллическую структуру вещества. Электроны в вашей руке тождественны электронам в столе, так что когда вы бьете рукой по столу, электронам не находится внутри стола места. Никакие два тождественных фермиона не могут находиться в одном и том же месте в одно и то же время, так что вещество не может просто разрушиться.

Бозоны действуют в точности противоположным образом. Они могут находиться и находятся в одном и том же месте. Бозоны напоминают крокодилов, которые предпочитают скапливаться друг на друге. Если вы включите свет в помещении, где свет уже есть, то его поведение будет существенно отличаться от ударов каратиста рукой по столу. Свет, состоящий из являющихся бозонами фотонов, беспрепятственно проходит сквозь другой свет. Два световых пучка могут светить точно в одном месте. В действительности, на этом основаны лазеры: занимающие одно и то же состояние бозоны позволяют лазерам создавать сильные когерентные пучки. Сверхтекучие жидкости и сверхпроводники также состоят из бозонов.

Экстремальным примером свойств бозонов является бозе-эйнштейновский конденсат, в котором много тождественных частиц коллективно ведут себя как одна частица. Такое поведение совершенно невозможно у фермионов, которые должны находиться в разных местах. Бозе-эйнштейновские конденсаты возможны только потому, что бозоны, из которых они состоят, в противоположность фермионам могут иметь совершенно одинаковые свойства. В 2001 году Эрик Корнелл, Вольфганг Кеттерле и Карл Виман получили Нобелевскую премию по физике за открытие бозе-эйнштейновского конденсата.

В дальнейшем мне не потребуются все эти подробности поведения бозонов и фермионов. Единственные факты, которые я буду использовать из этого раздела, таковы: фундаментальные частицы имеют внутренний спин и могут действовать так, как будто они вращаются вокруг своей оси в том или другом направлении, и все частицы являются либо бозонами, либо фермионами.

• Квантовая механика утверждает, что и вещество, и свет состоят из дискретных единиц — квантов. Например, кажущийся непрерывным свет на самом деле состоит из отдельных квантов, называемых фотонами.

• Кванты являются основой физики частиц. Стандартная модель физики частиц, объясняющая известные свойства материи и сил, утверждает, что вся материя и все силы могут быть в конечном итоге сведены к частицам и их взаимодействиям.

• Кроме того, согласно квантовой механике каждой частице сопоставляется волна, называемая волновой функцией частицы. Квадрат этой волны равен вероятности того, что частица будет обнаружена в определенном месте. Для удобства я буду иногда говорить о волне вероятности, равной квадрату более часто употребляемой волновой функции. Значения этой волны вероятности будут непосредственно определять сами вероятности. Такая волна появится позднее, когда мы будем обсуждать гравитон — частицу, которая передает силу тяготения. Волна вероятности важна и при обсуждении мод Калуцы — Клейна (КК), представляющих собой частицы, импульс которых направлен вдоль дополнительных измерений, т. е. перпендикулярно к обычным измерениям.

• Другое важное отличие квантовой механики от классической физики состоит в том, что квантовая механика утверждает, что вы не можете точно определить путь частицы — никогда нельзя знать точную траекторию частицы, соединяющую начальную и конечную точки. Отсюда следует, что мы должны рассматривать все пути, по которым может двигаться частица под действием силы. Так как квантовые пути могут включать любые взаимодействующие частицы, квантово-механические эффекты могут оказывать влияние на массы и константы взаимодействия.

• Квантовая механика делит частицы на бозоны и фермионы. Существование двух разных категорий частиц критически важно для структуры Стандартной модели, а также для предполагаемого расширения Стандартной модели, известного как суперсимметрия.

• Соотношение неопределенностей в квантовой механике в сочетании с соотношениями специальной теории относительности утверждает, что с помощью физических констант можно связать массу, энергию и импульс частицы с минимальным размером области, в которой частица данной энергии может испытывать силы или взаимодействия.

• Два из самых часто используемых приложений этих соотношений включают две энергии, известные как характерная энергия слабых взаимодействий и планковская энергия. Энергия слабых взаимодействий равна 250 ГэВ, а планковская энергия намного больше и составляет 10¹⁹ ГэВ.

• Только силы, радиус которых меньше 10^-19 м, будут вызывать измеримые эффекты при воздействии на частицу с характерной энергией слабых взаимодействий. Это расстояние очень мало, но оно имеет отношение к физическим процессам в ядре и к механизму, с помощью которого частица приобретает массу.

• Несмотря на свою малость, радиус слабых взаимодействий намного больше планковской длины, равной 10^-35 м. Это размер области, в которой силы оказывают влияние на частицы, обладающие планковской энергией. Такая энергия определяет интенсивность гравитационного взаимодействия. Это энергия, которую должны иметь частицы, чтобы гравитационное притяжение между ними стало сильным.