Чад Орцель

Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Дэвиду, моему любимому Маленькому Чувачку.

Из всех маленьких чувачков, что я знаю, ты самый любимый.

Chad Orzel

Breakfast with Einstein

The Exotic Physics

of Everyday Objects

070

Chad Orzel. Breakfast with Einstein.

The Exotic Physics of Everyday Objects

© 2018 by Chad Orzel

Published by arrangement with BenBella Books, Inc., and Folio Literary Management, LLC.

Серия «Физика – это интересно»

Завтрак с Эйнштейном: Экзотическая физика повседневных предметов. / Орцель, Чад, Пер. с англ. А.С. Дмитриева. – М.: Этерна, 2020

© 2018 by Chad Orzel

© А.С. Дмитриев, перевод, 2020

© ООО «Издательство «Этерна», издание на русском языке, 2020

Введение

Солнце встает незадолго до того, как мой будильник начинает пищать, и я выбираюсь из постели, чтобы начать свой день. В коридоре еще темно, когда я выхожу из спальни, только сигнальный огонек на детекторе дыма отбрасывает слабый свет на стену. Дальше, на кухне я наливаю воду для чая, проверяя, светится ли нагревательный элемент, чтобы убедиться, что я спросонок опять не поставил чайник не на ту конфорку. Я открываю холодильник, чтобы начать завтрак, стараясь при этом быть аккуратным и не сдвинуть множество предметов искусства, прикрепленных к двери холодильника магнитиками. Я засовываю пару кусков хлеба в тостер, встряхиваю его, если хлеб немного прилипает к стенке, и опираюсь на стойку, поджидая.

Мой чай еще слишком горячий, чтобы пить, но я ощущаю его аромат, включаю компьютер, чтобы посмотреть, что происходит в мире. Мои социальные медиа полны обычных мелочей: утренние новости из Европы и Африки, вечерние истории из Азии и Австралии, цифровые фотографии детей и котов от друзей со всего мира. Моя почта, в основном, приходит от студентов, которым нужно помочь с домашними заданиями, плюс пара чеков и уведомлений о покупках через Интернет.

После чая с тостом я хватаю собачий поводок, и мы направляемся на нашу утреннюю прогулку. Когда мы возвращаемся, будет самое время будить детей и готовиться к школе. Когда они сядут в автобус, я сам направлюсь в школу, чтобы учить еще одну группу студентов физике, которая их окружает.

Когда я говорю людям, что я физик, то часто сталкиваюсь с вопросами о разных необычных явлениях, о ярких и блестящих примерах, которые возникли из десятилетних споров о квантовой теории. Люди спрашивают о знаменитом коте Шрёдингера[1], живом и мертвом в одно и то же время, или о квантовой спутанности[2], которую Эйнштейн высмеял как «жуткое действие на расстоянии», или о том, действительно ли Бог играет в кости со Вселенной. Эти темы захватывают воображение как людей, не принадлежащих науке, так и профессиональных физиков, потому что они сбивают нас с толку, как же «работает» мир.

Пока физики и популяризаторы были весьма успешны, продвигая некоторые из этих абстрактных и странных на вид идей в массовую культуру, и в какой-то мере мы все – жертвы этого успеха. Большинство людей слышали об этих странных и захватывающих явлениях и думают о них как о вещах, которые возможны только в дорогих, немало миллионов долларов, экспериментах, как Большой адронный коллайдер, или в экстремальных астрофизических условиях, например, около горизонта черной дыры.

Дело в том, что, с одной стороны, сама природа этих явлений плохо поддается здравому смыслу, с другой – приходится прибегать к метафорическому языку при обсуждении этих тем в нематематической терминологии. Оба этих фактора заставляют людей верить, что квантовая физика не имеет никакого отношения к повседневной жизни.

Может показаться удивительным, но описание обычного утра в начале книги было бы невозможным без «экзотической» квантовой физики. Время, которое показывают наши будильники, может быть отслежено вплоть до энергетических состояний атомов, они существуют благодаря волновой природе электронов. Полупроводниковые микросхемы, лежащие в основе компьютеров, которые мы используем, чтобы послать друг другу забавные мемы с котами, не будут понятны без квантовых суперпозиций, подобных несчастному полумертвому коту Шрёдингера. Ни химия ароматов, ни даже стабильность твердой материи, что не дает нашим завтракам падать со стола, не могут быть объяснены без странных статистических свойств квантовых спинов.

При ближайшем рассмотрении оказывается, что весь наш повседневный мир находится под глубоким влиянием «экзотических» и «абстрактных» явлений квантовой физики. Даже самые обыденные действия, из каких состоят наши утренние привычки, в своей основе квантовые, если проанализировать их немного поглубже.

На первый взгляд это может показаться сомнительным, но если подумать, все верно. В конце концов, физики населяют тот же повседневный мир, что и остальные люди. В то время как в изощренных физических экспериментах используются лазеры и ускорители частиц для исследования того уровня мироздания, что находится далеко за пределами нашего повседневного опыта, даже наиболее сложные эксперименты и наблюдения должны начинаться и заканчиваться прямо здесь, в обычной реальности. Мудреные аппараты, применяемые в этих экспериментах, имеют самое прозаическое происхождение: инструменты и технологии, которые используются даже для самых скрытых аспектов физики, были сконструированы специально на протяжении многих лет, по слабым догадкам в погоне за еще более странными явлениями. Эти догадки ведут нас к экзотическому и абстрактному, и начинались они с намеков и загадок в поведении обычных объектов. Если бы квантовая физика не влияла на наш повседневный макроскопический мир, никогда бы не возникла необходимость обнаружить ее.

История этого открытия начинается с наблюдений и технологий, очень знакомых практически каждому, кто когда-либо готовил завтрак. Самая первая квантовая теория, которая ввела слово «квантовый» в физику, была изобретена Максом Планком[3], чтобы объяснить красное свечение горячих предметов, таких как нагревательный элемент в электропечи или тостере. Квантовые идеи были впервые применены к материальным объектам в модели атома водорода, разработанной Нильсом Бором[4]; и вы можете видеть физику в действии каждый раз, когда используете флуоресцирующий свет.

История квантовой физики считается также и историей ученых, которые делают довольно смелые шаги и удачные догадки. Планк и Бор ввели свои квантовые модели в отчаянной попытке объяснить явления, какие просто не могла объяснить классическая физика.

Луи де Бройль[5] предположил, что электроны могут вести себя как волны, потому что математически это выглядело элегантно, и волновая природа материи оказалась существенной для понимания и управления движением электрических потоков, обеспечивая огромный диапазон современных технологий. Вольфганг Паули[6] объяснил концептуальные основы химии одним махом, когда ввел принцип запрета. «Принцип запрета» Паули также оказался решающим для понимания проблем, которые он даже и не рассматривал, таких как физика магнитов для холодильников или почему твердые предметы не обрушиваются внутрь самих себя.

Альберт Эйнштейн был ключевым игроком на всей этой поляне – его имя стоит на обложках книг не только для того, чтобы книги продавались. Мы в основном ассоциируем имя Эйнштейна с его теорией относительности – другую (и не менее восхищающую) ветвь современной физики. Если он и упоминается в связи с квантовой теорией, то обычно лишь для того, чтобы процитировать презрительные по содержанию замечания о теории последних в конце его жизни.

В действительности же Эйнштейн играл ведущую роль в развитии квантовой физики. В 1905 году, в тот же год, когда он «запустил» теорию относительности, ученый также подхватил и расширил квантовую модель Планка для объяснения фотоэлектрического эффекта. Это существенно важно для работы цифровых камер, которые мы так широко используем сейчас для фотографирования. Десятилетием позже он разработал взаимодействие между светом и атомами таким образом, что это заложило основу для изобретения лазеров – основы современных телекоммуникаций. Даже после того, как Эйнштейн отошел от основного направления квантовой физики, он сделал ценный вклад – ввел идею спутанности атомов, именно она лежит в самом сердце множества предложений для следующего поколения квантовых технологий, включая невзламываемые шифры и компьютеры с беспрецедентными вычислительными мощностями.

Моя цель – продемонстрировать в этой книге квантовую составляющую повседневной реальности, глубоко проникнув в утреннюю рутину, описанную ранее. В следующих главах я покажу, как обычная каждодневная жизнь зависит от некоторых крайне странных явлений из когда-либо обнаруженных. По мере того как я буду объяснять, как квантовые эффекты связаны с нашей обычной жизнью, я также поделюсь рассказом о некоторых подсказках, которым физики следовали, чтобы открыть эти эффекты.

Мое намерение – не стащить квантовую физику с высот до ничем не выделяющегося обычного ежедневного завтрака. Скорее я надеюсь «приподнять» нашу обычную жизнь, найти удивительное и восхитительное в самых простых, привычных нам действиях. Квантовая физика – один из величайших интеллектуальных триумфов человеческой цивилизации, она расширяет сознание и будоражит воображение новыми идеями. Она вокруг нас каждый день, если мы только будем знать куда смотреть.

Глава 1

Восход: Фундаментальные взаимодействия

Солнце встает незадолго до того, как мой будильник начинает пищать, и я выбираюсь из постели, чтобы начать свой день…

Может показаться странным, что книга по квантовой физике обычных предметов начинается с разговора о солнце. В конце концов, Солнце – это огромная сфера горячей плазмы, чуть больше чем в миллион раз размера Земли, плавающая в космосе в ста пятидесяти миллионах километров отсюда.

Это не совсем обычный предмет в том смысле, как, скажем, будильник, который вы можете взять и швырнуть через всю комнату, когда он будит вас слишком рано.

С другой стороны, в некотором роде Солнце – наиболее важный повседневный предмет, даже если не принимать во внимание наблюдение, что день не может начаться, пока солнце не встанет. Без его света жизнь на Земле была бы абсолютно невозможной: растения, которые служат нам пищей и дают кислород, не будут расти, океаны замерзнут и так далее. Мы зависим от солнечного света и тепла всю жизнь. В этой книге Солнце будет полезным средством, чтобы познакомиться с ключевыми игроками квантовой физики: двенадцатью фундаментальными частицами, что составляют обычную материю, и четырьмя типами фундаментальных взаимодействий между ними.

Двенадцать фундаментальных частиц, которые не могут быть далее разделены на еще более мелкие части, распределяются на два «семейства» – в каждом по шесть частиц. Семья кварков[7] состоит из верхнего, нижнего, странного, очарованного, истинного и прелестного кварков, а семья лептонов – из частиц: электрона, мюона и тау-лептона, вместе с электронным нейтрино, мюонным нейтрино и тау-нейтрино. Четыре фундаментальных взаимодействия – это гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия[8]. Вы часто можете найти эти частицы и взаимодействия пронумерованными на цветных таблицах, которые висят в физических классах и которые в целом получили, к сожалению, общее название «Стандартной модели физики»[9]. Стандартная модель охватывает все, что мы знаем о квантовой физике (а также о способности физиков изобретать прилипчивые названия), и считается одним из величайших интеллектуальных достижений человеческой цивилизации. Солнце оказывается прекрасным введением в Стандартную модель, потому что все четыре фундаментальных взаимодействия играют роль в том, чтобы Солнце светилось.

Итак, мы начинаем наш рассказ с Солнца, захватывающее путешествие по его внутренним механизмам, чтобы проиллюстрировать те важные физические процессы, что дают энергию всему. Мы пройдем через все фундаментальные взаимодействия по очереди, начиная с наиболее понятной и очевидной из этих сил – гравитации.

Гравитация

Если бы вам надо было составить «рейтинг силы» фундаментальных взаимодействий Стандартной модели в стиле спортивного радиокомментатора, три из четырех сил претендовали бы на первое место.

Если все-таки надо сделать выбор, я бы, вероятно, отдал это почетное право гравитации, поскольку в конечном счете она ответственна за существование звезд и, таким образом, за большинство атомов, составляющих наши тела и все вокруг нас, давая возможность вести глупые разговоры о «ранжировании» фундаментальных сил.

В нашей повседневной жизни гравитация наиболее знакома и неизбежна из всех фундаментальных взаимодействий. Именно с гравитацией вы боретесь, когда выбираетесь из кровати утром, и это она не дает мне возможность играть в баскетбол (ну, ладно, и еще то, что я не совсем в форме…). Мы проводим большую часть жизни, чувствуя притяжение гравитации, и как восхищает и леденит душу, когда в парке развлечений мы падаем, ее временное отсутствие.

Это близкое знакомство также делает гравитацию одной из наиболее изученных сил в истории науки. Люди думали, как и почему предметы падают на землю, по меньшей мере, с тех пор, как начали вестись записи людей, изучающих устройство мира вообще. Популярная легенда прослеживает происхождение физики от момента, когда упало яблоко на молодого Исаака Ньютона (в некоторых версиях, буквально), что дало толчок созданию теории гравитации. Однако, в противовес этой апокрифической истории, ученые и философы были уже достаточно хорошо знакомы с гравитацией и посвятили значительную часть своих размышлений принципам ее работы. Ко времени, когда жил Ньютон, эксперименты Галилео Галилея, Симона Стевина[10] и других уже подошли к некоторым количественным оценкам по исследуемой теме, было установлено что все предметы, независимо от их веса, падают на землю с одинаковым ускорением.

Будучи уже пожилым человеком, Ньютон сам пересказывал версию о своем «яблочном» открытии молодым коллегам, но никакого упоминания об этом событии нет в материалах более раннего времени, когда это якобы произошло (в то время, когда он работал над теорией гравитации). В тот период он провел длительное время на своей семейной ферме в Линкольншире, поскольку университеты были закрыты из-за вспышки чумы. Хотя в этой истории есть зерно истины, но она уводит в сторону от сути ньютоновского прозрения. Озарение Ньютона касалось не самого существования гравитации, а широты охвата этой силы. Он понял, что сила, которая притягивает яблоко к земле, та же самая, что держит Луну на орбите вращения вокруг Земли и Землю на орбите вокруг Солнца. В «Математических началах натуральной философии» Ньютон предложил универсальный закон для гравитации, дав математическую форму силам притяжения между двумя объектами во Вселенной, обладающими массами. Эта форма, в сочетании с законами движения, позволила физикам объяснить эллиптическую форму планетных орбит в Солнечной системе, постоянное ускорение предметов, падающих на землю и ряд других явлений. Это дало основу для физики как математической науки, основу, которая развивалась вплоть до сегодняшнего дня.

Важнейшей характеристикой Ньютоновского закона тяготения считается то, что сила между массами зависит в обратной степени от расстояния между ними, возведенного в квадрат, то есть, если вдвое уменьшить расстояние между двумя предметами, вы получите силу в четыре раза больше. Предметы, которые находятся ближе друг к другу, испытывают более сильную тягу, что объясняет, почему более близкие к Солнцу планеты вращаются по орбитам быстрее. Это также означает, что предметы беспорядочной кучи будут приближаться друг к другу и по мере сближения спрессовываться все более плотно за счет усиливающейся силы тяготения.

Эта возрастающая сила очень важна для существования Солнца и является конечным источником солнечного света. Солнце – не твердый объект, а скорее обширное скопление горячего газа, которое сохраняется лишь за счет взаимного гравитационного притяжения всех его отдельных атомов. В то время как гравитация возглавляет наш список в терминах повседневного воздействия, ее можно назвать самым слабым фундаментальным взаимодействием по сравнению с остальными, причем уму непостижимо, во сколько раз: гравитационная сила между протоном и электроном составляет всего лишь 0.000000000000000000000000000000000000001 часть электромагнитной силы, которая держит их вместе в пределах атома. Невероятное количество материи находится в солнце, порядка 2,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 килограммов. Она создает гигантскую совместную гравитационную силу, притягивая все, что находится поблизости.

Звезда, подобная Солнцу, начинает жизнь как небольшое облако с чуть более высокой плотностью межзвездного газа (по большей части водорода) и пыли. Лишняя масса в этой области притягивает к себе больше газа, увеличивая тем самым ее размер, и это создает большое гравитационное притяжение, чтобы, в свою очередь, притянуть еще больше газа. И по мере того как новый газ попадает в область растущей звезды, он начинает разогреваться.

На микроскопическом уровне один атом, притягивающийся к протозвезде[11], разгоняется во время падения внутрь нее точно так же, как кусок скалы, падающий на землю. Вы можете теоретически описать поведение газа в терминах скорости и направления каждого индивидуального атома, но это до смешного непрактично даже для предметов гораздо более мелких, чем шар газа размером с Солнце, не только из-за количества атомов, но и потому что все атомы взаимодействуют друг с другом. Невзаимодействующий атом будет притянут к центру газового облака, разгоняясь по мере прохождения своего пути, затем он проскочит насквозь и выйдет с другой стороны, замедлится, остановится и повернет обратно, чтобы повторить этот процесс. Реальные атомы, однако, не следуют таким гладким путем: в дороге они ударяются о другие атомы. После столкновения атомы перенаправляются по другим маршрутам, и некоторая часть энергии, набранная падающим атомом в ходе его ускорения за счет гравитации, передается тому атому, с которым он столкнулся. Для большого скопления взаимодействующих атомов в этом случае будет гораздо разумнее описать это облако в терминах коллективного свойства атомов, известного как температура.

Температура – это мера средней кинетической энергии материала как результата случайного движения его составных частей. Для газа это обычно функция скорости атомов, движущихся беспорядочно по зигзагообразным отрезкам[12]. Отдельный атом притягивается внутрь и ускоряется, набирая энергию от гравитационной силы и увеличивая общую энергию газа. Когда он сталкивается с другими атомами, эта энергия перераспределяется, повышая температуру. Общая энергия не увеличивается, но после множества столкновений мы имеем уже не единичный быстро движущийся атом, проходящий сквозь более медленные, а увеличение на небольшую величину средней скорости каждого атома из этого скопления.

Увеличивающаяся скорость атомов в облаке газа стремится вытолкнуть их наружу, поскольку более быстро движущийся атом может пройти большее расстояние от центра, прежде чем гравитация развернет его и втянет назад. Перераспределение энергии от новых атомов, однако, означает, что это увеличение недостаточно для того, чтобы остановить общий коллапс, и по мере того как новые атомы втягиваются внутрь, масса протозвезды увеличивается, увеличивая гравитационную силу. Это, в свою очередь, притягивает все больше газа, принося еще больше энергии и большую массу и так далее. Облако продолжает наращивать как температуру, так и массу, становясь все плотнее и плотнее и все жарче и жарче. Если не вмешиваться в ее работу, сила гравитации сожмет все до бесконечно малой точки, формируя не звезду, а черную дыру. Хотя они и потрясающие объекты, сворачивающие пространство и время и бросающие, наверное, самый дерзкий вызов большинству наших фундаментальных теорий физики, окружение около черной дыры – не очень гостеприимное место, чтобы проводить там ежедневный утренний завтрак. К счастью, другие фундаментальные взаимодействия тоже играют свои роли, останавливая коллапс звезды и формируя то солнце, которое мы знаем и любим. И тут появляется следующая сила, вторая из наиболее нам знакомых – электромагнитное взаимодействие.

Электромагнитная сила

Мы постоянно встречаем электромагнитные взаимодействия в повседневной жизни, как в форме статического электричества, потрескивающего в стопке носков, что недавно из сушилки, или в виде магнитиков, которые держат школьные рисунки на холодильнике. В отличие от гравитации, которая всегда притягивает, электромагнитная сила может быть как притягивающей, так и отталкивающей: электрические заряды бывают положительной и отрицательной разновидности, и у магнитов есть как южный, так и северный полюса. Электромагнитное взаимодействие еще более всепроникающе, чем статические заряды и магниты, но в реальности оно ответственно за нашу способность видеть, можно сказать, вообще всё.

В ранние 1800-е годы электромагнетизм был горячо обсуждаемой темой в физике вместе со многими явлениями, включая электрические токи и магниты, которые изучались тогда впервые. Среди тех, кто изучал электромагнетизм, был британский физик Майкл Фарадей. Он открыл множество технических новшеств, какие играют ключевые роли в наших утренних действиях, включая его работу по сжиженным газам, их применяют в охлаждающих приборах. Также он разработал «клетку Фарадея»[13] (среди многих других приборов), она помогает не выпускать наружу электромагнитные поля внутри микроволновой печи. Несомненно, наиболее важное его открытие заключалось в том, что не только электрические токи могут воздействовать на расположенные неподалеку магниты, но и движущиеся магниты и изменяющиеся магнитные поля могут создавать ток. Это положило основу огромному спектру систем коммерческого производства в современной жизни. Он был одним из первых, кто понял поведение зарядов и магнитов с точки зрения электрических и магнитных полей, заполняющих пустое пространство и определяющих движение удаленных частиц.

Фарадей – знаковая фигура в физике, один из троих, на кого был похож Эйнштейн в своих работах (двое других – это Ньютон и Джеймс Клерк Максвелл[14]). Увы, Эйнштейн был выходцем из «низов» и, хотя был великим экспериментатором с глубокой проницательностью в области физики, ему не хватало математической подготовки, необходимой для перевода его догадок в такие формы, какие убедили бы физиков его времени всерьез принять концепцию электромагнитного «поля». Джеймсу Клерку Максвеллу, происходившему из зажиточного шотландского семейства, выпало создать твердую базу для электрических и магнитных полей. В 1860-егоды Максвелл показал, что все известные электрические и магнитные явления могут быть объяснены простым набором математических отношений, говоря современным языком, четырьмя «уравнениями Максвелла»[15], достаточно компактных, чтобы уместиться на футболке или кофейной чашке. Электрические и магнитные поля Фарадея – это реальные вещи, связанные между собой. Изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, и наоборот. Уравнения Максвелла охватывают все известные электрические и магнитные явления, а также предсказали новое, объединенное, электромагнитное поле. Если колеблющееся электрическое поле правильным образом скомбинировать с колеблющимся магнитным полем, они будут поддерживать друг друга, проходя через пространство. Изменяющееся электрическое поле будет вызывать изменения в магнитном, и наоборот. Эти электромагнитные волны путешествуют со скоростью света, и уже было известно, что свет ведет себя как волна.

Уравнения Максвелла были быстро восприняты как объяснение природы света, а именно, что это в основе своей электромагнитное явление. Электромагнетизм объясняет взаимодействие света, материи и, как мы увидим в следующих главах, природу взаимодействия между материальными объектами и электромагнитными полями. Это подготовило почву для множества открытий, которые и основали квантовую механику.

Электромагнитные силы также во многом ответственны за работу тех объектов, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Обычная материя сделана из атомов, они, в свою очередь, состоят из более мелких частиц, отличающихся своим электрическим зарядом: положительно заряженных протонов, отрицательно заряженных электронов и имеющих нейтральный электрический заряд нейтронов. Атом состоит из положительно заряженного ядра, содержащего протоны и нейтроны, и окружено облаком электронов, притянутых электромагнитным влиянием ядра.

Как уже упоминалось, электромагнитное взаимодействие гораздо более сильное, чем гравитация. Этот факт прекрасно иллюстрируется трюком, который можно показывать на вечеринках: если потереть резиновый шарик о свои волосы и потом прикрепить к потолку. Во время трения очень маленькая часть атомов в шарике будет захватывать электроны из атомов ваших волос, придавая ему небольшой отрицательный заряд[16]. Притяжение между этим маленьким зарядом и атомами потолка достаточно сильное, чтобы удерживать шарик на потолке, преодолевая гравитационную тягу всей Земли, которая в миллиарды миллиардов раз больше его массы.

Сила электромагнетизма – незаменимый фактор в работе Солнца. Электромагнитные взаимодействия отвечают за столкновения между атомами, которые превращают энергию, почерпнутую из гравитации, в жар. По мере роста температуры газа, падающего на растущую звезду, она становится достаточно горячей – около 100 000 кельвинов или почти 180 000 градусов по Фаренгейту[17], чтобы отделить электроны в атомах водорода от протонов в ядре, производя газ с электрически заряженными частицами – плазму. Гравитация продолжает спрессовывать плазму, но взаимное отталкивание между положительно заряженными протонами разделяет их, сопротивляясь тяге гравитации. По мере того как формирующаяся звезда втягивает все больше газа, температура возрастает до все более высоких уровней.

Несмотря на огромную разницу между электромагнетизмом и гравитацией, плазма, однако, не может полностью избежать гравитации, поскольку электроны, которые были частью облака газа, все еще в ней. Они движутся слишком быстро, чтобы быть захваченными протонами и создать атомы, но они продолжают сохранять звезду в целом электрически нейтральной. Если бы в ней были только протоны, взаимное отталкивание такого огромного скопления положительно заряженных частиц разорвало бы звезду на части в один миг. Благодаря нейтрализующему действию электронов, каждый отдельный протон ощущает силу только нескольких ближайших соседей, в то время как гравитационная тяга, спрессовывающая звезду, исходит от массы всех частиц до единой. Чем больше газа добавляется, тем сильнее и сильнее становится гравитационная сила, и в конце концов она превозмогает электромагнитную силу.

Электромагнитные взаимодействия могут замедлить сжатие горячей плазмы, коллапсирующей под действием гравитации, но один электромагнетизм не может остановить коллапс и создать стабильную звезду. Чтобы создать стабильное солнце, какое мы знаем, требуется невероятный выброс энергии, ведущей к еще большим температурам, которые приводят нас к следующему игроку в нашей истории – сильному ядерному взаимодействию.

Сильное ядерное взаимодействие

Третье фундаментальное взаимодействие мы непосредственно наблюдаем в повседневной жизни, поскольку эта сила действует на невероятно малых расстояниях, проявляя себя на дистанциях, сравнимых с размерами атомного ядра, около 0.000000000001 мм, или примерно одна десятимиллиардная толщины человеческого волоса. Мы обязательно обнаружили бы отсутствие этой силы, поскольку она ответственна примерно за 99 % массы всего, с чем мы имеем дело.

Понимание сильного ядерного взаимодействия требует от нас признания того, что две частицы, из которых состоит обычная материя, протоны и нейтроны, на самом деле собраны из «кварков» – частиц с электрическим зарядом, равным малой доле заряда электрона. Протон сделан из двух «верхних» кварков (каждый с положительным зарядом в две трети от заряда электрона) и одним «нижним» кварком (отрицательный заряд в одну треть от заряда электрона), в то время как нейтрон состоит из одного верхнего и двух нижних кварков. Эти кварки держатся вместе за счет сильного ядерного взаимодействия, похоже, как электромагнитные силы удерживают электроны в атомах. И если «электрический заряд» ассоциируется с электромагнетизмом, то сильное ядерное взаимодействие – с цветом: красный, синий и голубой. Частица, состоящая из трех кварков, такая как протон, будет иметь по одному кварку каждого цвета, что делает ее «бесцветной» (или «белой[18]») подобно тому, как атом, содержащий равное число протонов и электронов, электрически нейтрален.

Композитная природа протонов и нейтронов и природа сильных взаимодействий между кварками помогает объяснить одну из загадочных характеристик материи, а именно, как ядро, составляющее сложный атом, держится вместе, не распадаясь. Атомы углерода, например, имеют шесть протонов в своих ядрах, каждый с положительным зарядом. Как мы знаем из электромагнетизма, эти положительные заряды отталкивают друг друга, создавая огромную силу, которая стремится разорвать ядро на части. Поэтому в школе дети часто задают вопрос, почему ядро не разваливается на части?

Ответ лежит в сильном ядерном взаимодействии. В реальности оно примерно в 100 раз сильнее, чем электромагнетизм, более чем достаточно мощное для того, чтобы удерживать протоны вместе внутри атома. Поскольку взаимодействие происходит между отдельными кварками, эта сила проявляется, только когда частицы достаточно близко друг к другу. Точно так же два нейтральных атома не будут взаимодействовать, пока они далеко друг от друга, но станут «ощущать» притягивающую силу, которая собирает их в молекулу, когда они придвинутся достаточно близко. Бесцветные протоны, разделенные на расстояние больше, чем несколько их радиусов, не взаимодействуют друг с другом через сильное ядерное взаимодействие. Результат похож на то, как электроны защищены экраном из протонов, что позволяет гравитации не давать плазме разорвать звезду на части, как мы упоминали ранее: присутствие других цветов экранирует сильное взаимодействие между отдельными кварками, оставляя только электромагнитное отталкивание.

Однако на достаточно близком расстоянии отдельные кварки в соседних частицах притягиваются друг к другу, это и держит протоны (и нейтроны) вместе внутри ядра, так и внутри Солнца сильное взаимодействие вступает в игру. При обычных температурах электромагнетизм держит протоны слишком далеко друг от друга для того, чтобы проявилось сильное взаимодействие, но по мере того как формирующая звезду плазма внутри становится все жарче и жарче и протоны движутся все быстрее и быстрее[19], они начинают приближаться друг к другу все ближе. При температурах и плотности материи внутри ядра будущей звезды небольшая часть этих протонов подойдет друг к другу достаточно близко, чтобы сильное взаимодействие проявило себя и соединило их вместе. Этот процесс превращает водород (простейший атом с ядром, содержащим один протон) в гелий (ядро с двумя протонами и двумя нейтронами). Одновременно освобождается невероятное количество энергии.

Откуда же эта энергия? «Из самого известного в мире уравнения, E = mc^2, то есть часть массы начального водорода превращается в энергию: энергия, исходящая из Солнца, включает превращение четырех миллионов тонн массы в энергию каждую секунду. Но ответ может отчасти ввести в заблуждение, поскольку общее число частиц не изменилось – четыре ядра водорода содержат двенадцать верхних и нижних кварков, точно так же, как и ядро гелия, поэтому не вполне очевидно, откуда происходит недостающая масса. Объяснение требует более глубокого взгляда внутрь протона и природу сильного взаимодействия.

Физики ядерных частиц знали о существовании кварков с 1960-х годов, и свойства верхних и нижних кварков хорошо известны. Если вы будете искать слово «кварк» в Google, вы найдете всевозможные варианты информации об этих частицах, включая массы верхнего и нижнего кварка – 2.3 и 4.8 единиц, которыми физики обычно измеряют подобные штуки[20]. Однако это удивительно, поскольку масса протона в тех же единицах равна 938, что примерно в 100 раз больше, чем масса частиц, из которых он состоит.

Откуда же происходит масса протона? Ответ, конечно, в формуле E = mc^2. Кварки внутри протона связаны друг с другом сильным ядерным взаимодействием, и это взаимодействие включает в себя огромное количество энергии. Для наблюдателя снаружи, эта энергия взаимодействия выступает как масса. Что-то около 99 % массы протона, таким образом, выступает не в форме материальных частиц, а в виде энергии от сильного взаимодействия, удерживающего протон как единое целое.

Такой же процесс имеет место внутри атома, так как протоны и нейтроны связаны мощной силой. Масса ядра атома – не просто сумма масс составляющих его протонов и нейтронов, но она также включает вклад от энергии сильного взаимодействия, связывающей их вместе.

Точное количество массы, которую привносит сильное взаимодействие, однако зависит от деталей конкретного атома и от того, как он внутри соединен. Для очень легких атомов, типа водорода или гелия, оказывается более эффективным иметь большее ядро – количество энергии, требуемой для удержания вместе двух протонов и двух нейтронов, несколько меньше, чем необходимо для четырех отдельных протонов. Когда четыре протона сливаются, чтобы создать гелий[21], тогда они уже не требуют часть энергии, какую они имели первоначально, и эта энергия высвобождается в виде тепла. Энергия, высвобожденная в ходе реакции, очень мала – бейсбольный мячик добрался бы до конца площадки примерно, за месяц, но количество водорода, подвергающегося слиянию, в недрах Солнца ошеломляюще огромно – 10^38 (единица с 38 нулями) таких реакций происходит каждую секунду (с поправкой в ту или другую сторону).

Если резюмировать сказанное: по мере формирования такой звезды, как Солнце, гравитация и электромагнетизм начинают процесс разогрева газа по мере его падения к центру. Когда температура поднимается достаточно высоко для того, чтобы несколько атомов водорода начали сливаться в атом гелия, энергия, выделяющаяся при этом, быстро поднимает температуру, что, в свою очередь, увеличивает количество слияний. Постепенно достигается равновесие между гравитацией, которая тянет внутрь, и давлением наружу, производимым этим теплом. Соответственно, звезда остается стабильной до тех пор, пока в ядре есть водород, чтобы «гореть».

Жизнь звезды длительностью в несколько миллиардов лет, таким образом, определяется гравитацией, электромагнетизмом и сильным взаимодействием. Гравитация стягивает газ вместе, электромагнетизм сопротивляется схлопыванию (коллапсу) и увеличивает температуру. Когда температура достаточно высока, так что электромагнетизм уже не может удерживать протоны вместе, сильное ядерное взаимодействие освобождает огромное количество энергии по мере слияния водорода и превращения его в гелий. Соревнование между этими тремя силами создает стабильную звезду, излучая свет и тепло, которые поддерживают жизнь на нашей планете.

Может показаться, что мы рассказали всю историю с помощью только трех из четырех фундаментальных взаимодействий, пренебрегая, к сожалению, слабым ядерным взаимодействием (оно уже было названо худшим наименованием из всех). В реальности же слабое взаимодействие также играет свою роль в снабжении Солнца энергией – вклад меньший, чем у других, но не менее существенный.

Слабое ядерное взаимодействие

Слабое ядерное взаимодействие занимает необычное место в Стандартной модели, будучи, возможно, менее очевидным из фундаментальных взаимодействий и при этом одним из наиболее понятных. Математическая теория слабого взаимодействия и ее тесная связь с электромагнетизмом была разработана в 1960-е и начале 1970-х годов, а кульминацией экспериментального подтверждения этой теории стало открытие «бозона Хиггса» в 2012 году, ставшее одним из величайших триумфов Стандартной модели. Сильное ядерное взаимодействие в то же время продолжает создавать проблемы для теоретиков, вычисляющих свойства материи, и одновременно гравитация печально известна своей математической несовместимостью с остальными тремя взаимодействиями[22].

При всем при этом, однако, очень трудно указать точно, что же делает слабое взаимодействие. Что делает слабое взаимодействие особенно трудным для объяснения неспециалистам в физике по сравнению с другими силами, так это то, что она не выступает в виде силы, которую можно ощутить в обычном смысле. Тяга гравитации является центральным элементом нашего повседневного опыта, и электромагнитные силы между зарядами и магнитами тоже являются чем-то, что можно почувствовать. И хотя сильное взаимодействие проявляет себя на очень удаленной шкале, все же довольно легко понять силу, удерживающую ядро против электромагнитного отталкивания.

А вот слабое взаимодействие не используется, чтобы что-то удерживать вместе или отталкивать друг от друга. Вот почему большинство физиков отбросили приятный и неточный термин «фундаментальные силы» в пользу «фундаментальных взаимодействий». Вместо того чтобы тянуть или толкать частицы, слабое ядерное взаимодействие выполняет важную функцию по обеспечению превращений частиц: если быть более точным, она превращает частицы из семейства кварков в частицы из семейства лептонов. Это позволяет нижнему кварку (отрицательно заряжен) превращаться в верхний кварк (имеет положительный заряд), излучив электрон и третью частицу, известную как нейтрино. Или верхний кварк может превратиться в нижний, поглотив электрон и испустив антинейтрино. Эти превращения позволяют нейтронам превращаться в протоны, и наоборот.

Процесс, имеющий место в Солнце, включает в себя как раз последний вариант и становится обратной стороной явления, более известного как «бета-распад», когда нейтрон в ядре атома испускает электрон и превращается в протон. Бета-распад был известен с самого начала исследований радиоактивности, но его объяснение было раздражающим вызовом на заре квантовой теории, приводя к ярким анекдотам физики XX века.

Проблема с бета-распадом заключается в том, что электроны, испускаемые распадающимся ядром, возникают с широким спектром энергий (до крайне высоких значений). Такое не должно было быть возможным для реакции, включавшей лишь две частицы – законы сохранения энергии и сохранения импульса указывают, что возможно лишь одно значение энергии для отделяющегося электрона (как в случае с процессом «альфа-распада», где тяжелое ядро распадается, испуская ядро гелия: два протона и два нейтрона, скрепленных вместе). Объяснение широкого спектра значений энергии, получаемых при бета-распаде, долгое время загоняло в угол физиков и довело некоторых до предложения радикальных мер – отказа от идеи сохранения энергии как фундаментального физического принципа.

Решение было найдено молодым австрийским физиком Вольфгангом Паули. В 1930 году он предположил (в письме, посланном на конференцию, которую он пропустил из-за бала в Цюрихе), что в бета-распаде участвуют не две, а три частицы, – нейтрон, превращающийся в протон, электрон и третья, неуловимая частица с очень малой массой. Новой частице быстренько подобрали название – «нейтрино» (похоже на «маленькая и нейтральная» по-итальянски). Она уносит часть энергии, точное количество которой зависит от точного импульса электрона и нейтрино, когда они покидают ядро.

Введение нейтрино сначала показалось не менее отчаянным шагом, чем отказ от закона сохранения энергии. Паули сам писал другу: «Я сделал нечто ужасное. Я ввел частицу, которую невозможно поймать. Это нечто такое, что теоретик никогда не должен делать». В течение нескольких лет великий итальянский физик Энрико Ферми развил общее предположение Паули в полную и исключительно успешную математическую теорию бета-распада, после чего эта идея была быстро принята. Нейтрино Паули оказалось одним из трех (изначально было предложено нейтрино, мюон и тау-нейтрино), и, несмотря на все начальные сложности, в итоге оказалось возможным его обнаружить, что и было подтверждено Клайдом Коуэном[23] и Фредериком Райнесом[24] в 1956 году[25].

Какое все это имеет отношение к Солнцу? Ответ достаточно деликатен, но мы уже намекали на это несколько раз по ходу обсуждения раньше. Солнце подпитывается энергией от слияния ядер водорода, которые представляют единичные протоны, в ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Где-то в ходе этого процесса два протона должны обратиться в нейтроны, что делается возможным благодаря слабому ядерному взаимодействию и процессу «обратного бета-распада», упомянутого ранее: протон превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино[26]. В результате Солнце производит невероятное количество нейтрино, которые были обнаружены на Земле, и их измерения дают информацию как о ядерных реакциях в ядре Солнца, так и о свойствах самих нейтрино.

Превращение протонов в нейтроны внутри звезд является существенно важным для существования огромного количества элементов, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни – кислород в воздухе, которым мы дышим, и вода, которую мы пьем, углерод в пище, которую мы едим, кремний в земле под нами. Когда очень тяжелая звезда выжигает большую часть водорода в своем ядре, она начинает реакцию слияния гелия в еще более тяжелые элементы. Когда гелия остается мало, очень тяжелые звезды начинают выжигать углерод и так далее по всей Периодической таблице элементов. На каждой стадии этого процесса энергия сильного взаимодействия, высвобождающаяся за счет слияния, уменьшается[27], пока кремний не будет превращаться в железо. Ядерная реакция слияния кремния в железо уже не дает никакой энергии, производство тепла, поддерживающего ядро звезды, останавливается. В этой точке процесса внешние слои звезды обрушиваются внутрь, чтобы произвести взрыв суперновой звезды, высвобождая так много энергии, что взрывающаяся звезда зачастую на некоторое время становится самой яркой в своей галактике.

В суперновой звезде большинство массы вырывается с огромной скоростью наружу в виде расширяющегося облака газа, унося с собой более тяжелые элементы, произведенные в ядре во время поздних стадий слияния. Эти облака газа расширяются, охлаждаются и взаимодействуют с окружающим газом, создавая сырье для следующих поколений звезд, а также скалистых планет, похожих на Землю, которые в основном сделаны из тяжелых элементов, созданных в ядре умирающей звезды.

Невероятное разнообразие веществ, которое мы видим на Земле – скалы и минералы, воздух, – всё построено из пепла мертвых звезд и создано с помощью всех четырех фундаментальных взаимодействий. Начиная с простых облаков водорода, сформировавшихся вскоре после Большого Взрыва, гравитация стягивает газ вместе, электромагнетизм сопротивляется коллапсу и нагревает газ, сильное ядерное взаимодействие освобождает огромное количество энергии в ядерном слиянии, и, наконец, слабое ядерное взаимодействие обеспечивает трансформацию частиц, превращает водород в более тяжелые и интересные элементы. Уберите хотя бы одно из этих фундаментальных взаимодействий, и наше повседневное существование станет невозможным.

Продолжение истории

Описанное выше ни в коем случае нельзя считать полной историей фундаментальной физики. Четыре фундаментальных взаимодействия, которые питают Солнце энергией, единственные, которые мы знаем, но Стандартная модель включает четыре типа кварков помимо семейств верхних и нижних, которые составляют протоны и нейтроны, а также четыре дополнительных лептона, кроме электрона и электронного нейтрино. Частицы в Стандартной модели также имеют эквиваленты из антиматерии – частицы с такой же массой, но противоположным зарядом. Когда частица встречает своего двойника из антиматерии, они взаимно уничтожаются (аннигилируют), превращая их массу в высокоэнергетические фотоны света.

Существование всех этих частиц было экспериментально подтверждено, и их свойства изучены очень детально. Однако ни одна из этих дополнительных частиц не «живет» слишком долго. Самая длительная по времени существования частица – наверное, мюон со средней продолжительностью жизни около двух миллионных секунды, поэтому их влияние на повседневное бытие весьма минимально. Они создаются на скоротечный миг в высокоэнергетическом слиянии между более обычными частицами как в земных физических экспериментах, так и в астрофизических событиях. Они очень быстро распадаются на верхний и нижний кварки (обычно в форме протонов и нейтронов), электроны и нейтрино. История их открытия и развитие Стандартной модели восхитительна, но она лежит за пределами нашей книги.

В целях исследования физики повседневных предметов мы можем ограничить себя всего тремя, наиболее знакомыми, материальными частицами: протонами, нейтронами и электронами. Они комбинируются для создания атомов, которые, в свою очередь, создают все, с чем мы взаимодействуем в ходе нашего обычного дня. В терминах фундаментальных взаимодействий типичная утренняя рутина в основном связана с электромагнетизмом, он ответственен за удержание атомов и молекул между собой и объединяет материю и свет.

Стоит помнить, что все четыре взаимодействия, действуя среди кварков и лептонов, требуются для работы нашего самого существенного ежедневного товарища – Солнца.

Глава 2

Нагревательный элемент: Отчаянный трюк Планка

На кухне я наливаю воду для чая, проверяя, светится ли нагревательный элемент, чтобы убедиться, что я спросонок опять не поставил чайник не на ту конфорку…

Красное свечение горячего предмета – один из простейших и наиболее универсальных явлений в физике. Если вы возьмете кусочек любого материала, достаточно горячего, то он начнет светиться сначала красным цветом, потом желтым, потом белым. Цвет зависит только от температуры предмета. Неважно, что за материал был взят – стержень чистого стекла или чугуна, нагретый до той же температуры он будет светиться абсолютно тем же цветом. Метод нагревания также не важен, пропускаете ли вы электрический ток через виток металла, как в моей электрической печке, или помещаете этот виток в раскаленный уголь, цвет горячего металла будет одинаковым при определенной температуре.

Такое простое и универсальное поведение действовало на физиков как валерьянка на котов, потому что оно предполагало, что в основе этого явления должен быть простой и всеобщий принцип. В поздние 1500-е годы Галилео Галилей и Симон Стевин эмпирически продемонстрировали, что различные материалы и гири падают с одинаковым ускорением: Стевин бросал два свинцовых шара, один в десять раз тяжелее, чем другой, с церковной колокольни[28].

Это наблюдение позволило Исааку Ньютону разработать закон всеобщего тяготения в 1600-х годах. Через несколько сотен лет еще одно направление, основанное на том же принципе, вдохновило Альберта Эйнштейна на создание общей теории относительности, которая до сих пор остается нашей лучшей теорией гравитации.

Эйнштейн вспоминал ключевой момент в развитии своей теории – в 1907 год, когда его озарило понимание, что человек, падающий с крыши, будет чувствовать невесомость во время падения. Появилась связь между ускорением и гравитацией, что и является основой общей относительности. Эйнштейн говорил об этом как о «самой счастливой мысли всей своей жизни». Математическая проработка последствия этой счастливой мысли заняла почти восемь лет, но ученый создал одну из величайших и наиболее успешных теорий современной физики.

Универсальное поведение теплового излучения в таком случае представляется похожим на многообещающий источник озарения: на этом явлении хорошо тестировать идеи о распределении энергии в горячих объектах и способах взаимодействия света и материи. К несчастью, в конце 1800-х годов усилия физиков предсказать цвет света, испускаемого горячими предметами при различных температурах, потерпели неудачу.

В конце концов объяснение температурного излучения потребовало радикального разрыва с существующей физикой. Начальная точка для всей квантовой теории, чье применение физики все еще обсуждают по прошествии столетия, обнаруживается в красном свечении нагревательных элементов, которые мы используем для приготовления завтрака.

В практическом смысле все экзотические явления, связанные с квантовой физикой – дуальная волновая природа частиц, кот Шрёдингера, «спутанная связь» на расстоянии, могут быть продемонстрировано прямо на вашей кухне.

Световые волны и цвета

Как часто случается, самый простой способ объяснить необходимость в радикально новой теории – это демонстрация провала прежней теории. До того, как мы поймем, как квантовая модель решила проблему теплового излучения, мы должны увидеть, почему этого не смогла сделать классическая физика. Для этого, несомненно, нужно разобраться в основах того, что классическая физика говорит о свете, тепле и материи.

Первой, очень важной, концепцией, лежащей в основе экспериментов, которые привели к разрушению классической физики, считается идея, что свет – это волна. Волновая природа света была известна за полвека до уравнений Максвелла, по большей части благодаря экспериментам, выполненным около 1800 года английским эрудитом Томасом Юнгом[29]. Физики спорили, представлять свет лучше всего как поток частиц или как волну в какой-то субстанции, но Юнг убедительно продемонстрировал волновую природу своим гениально простым экспериментом со светом «на двух щелях»: свет проходил через две узкие щели, прорезанные в экране. Юнг обнаружил, что свет, который проникал через две близко расположенные прорези в экране, с другой стороны не превращался в две яркие полоски, как можно было бы ожидать (как в случае со светом, проходившим через одну прорезанную щель). Вместо этого на экране появлялся ряд светлых и темных точек[30].

Эти пятна возникают в ходе процесса, известного как «интерференция», который происходит тогда, когда складываются волны из двух различных источников. Если две волны приходят в конкретную точку пространства «в фазе», так что пики (гребни, максимумы) одной волны совпадают с гребнями другой волны, они складываются и образуют волну с более высоким гребнем, чем каждая по отдельности. С другой стороны, если волны приходят «не в фазе», например, гребень одной волны и впадина другой, они взаимно вычитаются, и гребень одной волны заполнит долину другой, в результате волны не будет совсем. Это работает для любых источников волн, например, так бывает при возникновении сложных паттернов (картинок) от волн в прудах развлекательных парков. Тот же процесс интерференции используется для уничтожения волн и подавления «шума» в наушниках.

Интерференция в эксперименте Юнга получается потому, что волнам света от каждой щели нужно различное количество времени, чтобы дойти до определенной точки на экране. В точке ровно по центру между двумя щелями обе волны идут одно и то же расстояние и таким образом приходят в фазе, образуя яркое пятно. В точке несколько слева от центра волны от щели с левой стороны проходят более короткий путь до экрана, чем волны от щели с правой стороны. Это дополнительное расстояние означает, что волны от правой щели чуть дольше колебались и пики правощелевых волн совпадают с долинами лево-щелевых, образуя темное пятно. Еще чуть дальше, и дополнительное расстояние позволяет волнам закончить колебание до полного цикла, накладывая пики волн от правой и левой щели друг на друга и создавая следующее яркое пятно.

Этот паттерн повторяется много раз, создавая ряд светлых и темных пятен. Расстояние между светлыми пятнами имеет простую зависимость от длины волны, обеспечивая удобный способ измерять длину волны видимого света. В современных единицах она варьируется от 400 нанометров для фиолетового цвета до примерно 700 нанометров[31] для глубоко красного цвета. Добавление дополнительных щелей будет делать яркие точки уже и более отчетливыми. К 1820-м годам Йозеф фон Фраунгофер[32] использовал «дифракционные решетки», основанные на интерференции света, для того, чтобы сделать первые достаточно точные измерения длин волн света, испускаемого Солнцем и другими звездами.

Эксперимент Юнга, опубликованный в 1807 году, вызвал сенсацию в кругах физиков, но многие ученые неохотно расставались с теорией света как частиц (корпускулярной теорией света). Когда французский физик Огюстен Жан Френель представил статью по волновой теории для конкурса по физике, один из несогласных, Симеон Дени Пуассон[33], указал, что интерференция волн, которую используют для объяснения эксперимента Юнга, должна предсказывать, что в центре тени от круглого предмета должно появляться светлое пятно. Такое светлое пятно в центре тени казалось совершенно абсурдной идеей, и Пуассон, таким образом, забраковал волновую модель света.

Интерференция световых волн в двухщелевом эксперименте. На полпути между щелями волны проходят в фазе и объединяются, образуя яркое пятно. Немного выше центра, волны от нижней щели проходят большее расстояние, и таким образом происходит дополнительное полуколебание (пунктирная линия), так что пики от нижней волны заполняют поля сверху, производя темное пятно. На еще большем расстоянии волны от нижней щели завершают полное дополнительное колебание (пунктирная линия), и волны снова находятся в фазе, создавая еще одно яркое пятно.

Франсуа Араго[34], один из судей на конкурсе, был заинтригован идеей Пуассона и начал тщательный экспериментальный поиск светлых пятен в центре теней. Наблюдение светлого пятна требовало особенной тщательности, но Араго был вполне готов к такой задаче и окончательно показал, что свет, проходя вокруг округлого предмета, действительно может интерферировать и создавать светлое пятно в центре тени. Это «пятно Араго», или «пятно Френеля»[35], было окончательным доказательством, чтобы убедить большинство физиков, что свет в действительности является волной.

Эксперимент Араго обеспечил успех волновой теории, но все-таки это оставалось загадкой до 1860-х годов, когда уравнения Максвелла объяснили свет как электромагнитную волну. В последние десятилетия 1800-х волновая теория была надежно обоснована, и физики стремились объяснить все взаимодействия между светом и материей в терминах электромагнитных волн.

Спектр теплового излучения для различных температур. Вертикальные линии обозначают ограничения по видимому спектру, показывая, как максимум движется от инфракрасного в видимый диапазон с повышением температуры.

При изучении волн есть два свойства, которые мы можем легко измерить: длина волны и ее частота. Длина волны есть расстояние между максимумами (гребнями) волн, если смотреть на моментальный снимок всего паттерна на каком-то участке. Частота – это время прохождения гребней, отмеченное в какой-то одной точке, через которую проходят волны. Поскольку свет распространяется с постоянной скоростью, частота и длина волны тесно связаны: волна перемещается вперед на одну длину волны за одно колебание. Более короткие волны повторяются чаще за один и тот же период, поэтому они имеют более высокую частоту. Физики могут обсуждать свет в двух режимах, переключаясь то в один, то в другой, – либо в терминах частоты, либо в терминах длины волны, в зависимости что будет наиболее удобным для решения конкретной задачи на данный момент. Мы тоже переключимся парочку раз на протяжении этой главы.

Определение «цвета» света, испускаемого горячим предметом, – вопрос измерения его спектра: интенсивности света, излучаемого на каждой частоте в широком диапазоне. Когда мы измерим этот спектр для света при определенной температуре, то обнаружим простую характерную форму, распределение меньшего количества света на более низких частотах, возрастание до максимума и затем резкое падение на высокочастотном конце. «Цвет» света определяется положением этого максимума – точной частотой, на какой излучение максимально, и зависит только от температуры, все вот так просто. По мере возрастания температуры частота, на которой количество излучаемого света достигает максимума, становится выше. При комнатной температуре пик интенсивности излучения находится далеко в инфракрасном диапазоне спектра, передвигаясь к красному отрезку видимого спектра, когда температура возрастает до «раскаленно-красной», и дальше к синему отрезку при дальнейшем повышении температуры.

Предмет, нагретый добела, имеет максимум спектра излучения, это будет соответствовать зеленому цвету[36], но он излучает достаточно много света по всему видимому диапазону спектра и таким образом свет кажется белым.[37] Если вы удвоите температуру (измеряя ее по шкале Кельвина, которая начинается с абсолютного нуля), частота для максимума также удвоится.

Спектр света от Солнца весьма напоминает спектр от горячего объекта, соответствуя температуре около 5600 К, при максимуме на частоте около 600 ТГц. В действительности именно так началось измерение температуры Солнца и других звезд. На другом конце температурного ряда находится микроволновое фоновое излучение космоса, так называемое реликтовое излучение, оставшееся после Большого взрыва. Оно пронизывает Вселенную и имеет спектр, соответствующий предмету с температурой 2.7 К и максимумом излучения около 290 ГГц.

Тепло и энергия

В течение XIX века параллельно с развитием теорий электромагнетизма и волновой модели света были сделаны существенные шаги в физике термодинамики. Точно так же, как в начале века шли споры о двух моделях света – волновой и корпускулярной, первые десятилетия 1800-х были свидетелями споров по двум конкурирующим моделям тепла. Одна школа рассматривала тепло как физический объект сам по себе – «тонкая жидкость», называемая «теплородом[38]», которая перетекала от одного объекта к другому. Конкурирующая модель – «кинетическая теория» рассматривала тепло как возникающее из случайного движения микроскопических частиц, создающих макроскопическую материю.

В течение нескольких десятилетий эксперименты Бенджамина Томпсона[39] (также известного, как граф Румфорд) и Джеймс Джоуль[40]продемонстрировали связь между механической работой и выработкой тепла, что трудно было увязать с теорией теплорода. Томпсон показал, что трение при высверливании пушечного ствола может производить неисчерпаемое количество тепла, что было бы невозможным, если бы «теплород» был реальной жидкостью. Джоуль усилил эту связь, определив точное значение «механического эквивалента тепла», то есть сколько работы необходимо для повышения температуры определенного количества воды на один градус, если ее размешивать.

С более теоретическим подходом выступили в своих работах Рудольф Клаузиус[41] и Джеймс Клерк Максвелл[42], связав математической зависимостью поток тепла между предметами с кинетической энергией атомов и молекул, из которых они состоят. Австрийский физик Людвиг Больцман, опираясь на работы Максвелла, разработал большую часть статистической модели тепловой энергии, которую мы используем сегодня.

Отдельные атомы и молекулы в газе или твердом теле беспорядочно колеблются или передвигаются с разными скоростями, но поскольку их очень много, мы можем применить статистические методы для точного предсказания вероятности нахождения атомов с определенной кинетической энергией в веществе при определенной температуре. (Получившаяся в результате формула известна как «Распределение Максвелла-Больцмана» в честь их инновационной работы.) Важнейшая часть кинетической модели – понятие «равнораспределения», введенное Максвеллом и уточненное Больцманом. Оно утверждает, что энергия распределяется одинаково среди всех типов движения, доступных частицам. Газ, состоящий из единственного атома, содержит всю свою кинетическую энергию в линейном движении этого атома, в то время как газ простых молекул будет содержать энергию, распределенную в равных долях между линейным движением молекул в целом, вибрацией атомов внутри молекул и вращением каждой молекулы вокруг ее центра масс.

Кинетическая теория и такой статистический подход успешно объяснял термические свойства многих материалов[43], и в конце 1800-х годов теория теплорода была окончательно отвергнута. Поскольку излучение света требует тепловой энергии и свет играет значительную роль в передаче тепла, именно поэтому повара покрывают некоторые блюда фольгой, чтобы загородить путь свету и уменьшить нагрев. Физики, естественно, начали исследовать связь между электомагнитными волнами и тепловой энергией. Эта задача требовала эмпирических данных, поэтому в 1800-х спектроскописты в Германии проводили эксперименты для измерения спектра света, излучаемого горячими предметами в широком диапазоне температур и длин волн. Экспериментальные результаты были высокого качества, но объяснение этих результатов в терминах кинетической модели физики никак не давалось.

В 1890 году две конкурирующие модели Вильгельма Вина[44] из Германии и Лорда Рэйли[45] из Британии дали возможность сделать практические предсказания количества света, излученного на данной длине волны при данной температуре. При этом формула была основана на общих принципах и экспериментальных данных из одного диапазона длин волн, и ученые надеялись покрыть ею и другие диапазоны. Предсказания Вина совпадали с данными на высоких частотах, но не работали для низких частот, в то время как выводы Рэйли были верны лишь для низких частот. В 1900 году Макс Планк нашел математическую функцию, объединявшую оба вывода и согласовавшуюся, наконец, с данными наблюдений. Планк вывел эту функцию после одной вечеринки, которую он устроил, где спектроскопист Генрих Рубенс рассказал ему о предсказаниях Рэйли и последних экспериментальных результатах. Когда гости ушли, Планк погрузился в свое исследование, и через некоторое время появился с точной формулой, что он и послал на открытке в тот же вечер. Но если формула Планка и была огромным успехом с практической точки зрения, никто не мог объяснить, почему она работает, по крайней мере, при использовании принятых фундаментальных принципов физики.

Ультрафиолетовая катастрофа

Итак, как должна выглядеть модель, основанная на этих принципах? Общий подход наиболее ярко иллюстрируется методом, предпринятым британскими физиками Лордом Рэйли и Джеймсом Джинсом, который в действительности был проделан чуть позже успешной квантовой модели Планка. Модель Рэйли-Джинса оказалась неверной, но выявила причины этого провала и показала, что решение может быть построено в рамках базовой терминологии.

Идея Рэйли-Джинса для решения проблемы теплового излучения очень проста и опирается на понятие равнораспределенности, использованное Максвеллом и Больцманом[46] при описании термических свойств газов: вы просто берете энергию, полученную от нагревания, и делите ее в равных долях между всеми возможными частотами света. Принцип «распределить ее поровну» требует, однако, конечного набора возможных частот, а это означает, что физики должны иметь упрощенную теоретическую модель, чтобы разбить на части непрерывный спектр света.

Трюк, позволяющий сосчитать частоты, следует из универсальности наблюдаемого излучения: мы помним, что спектр света от горячего предмета не зависит от каких-либо его материальных свойств. Теоретическая модель должна была принять это во внимание, это привело физиков к тому, чтобы рассмотреть свет, испускаемый идеальным «черным телом»[47], то есть объектом, который поглощает любой свет, падающий на него, и не отражает ничего. Это не означает, что «черное тело» действительно черного цвета и не излучает света. Если бы это было так, оно быстро бы нагрелось и распалось. Здесь важно понимать, как и со свечением нагревательного элемента, что излучаемый свет никоим образом не зависит от поглощаемого света.

Далее обнаружилось, что есть прекрасный практический способ создать такое черное тело в лаборатории: коробка с маленькой дырочкой в ней. До тех пор, пока дырочка мала по сравнению с размерами коробки, входящему свету будет почти невозможно выйти обратно, вместо этого он будет отражаться много раз от стенок коробки внутри, до того момента, как найдет выход (если полностью не поглотится ранее). Это примерно и есть сущность «черноты» черного тела: падающий на него свет поглощается и не отражается независимо от частоты.

Физики, делающие измерения теплового излучения[48], использовали именно такую технику для своих экспериментов. Модель коробки с маленькой дырочкой помогла физикам, поскольку волны внутри нее оказывались ограниченными по набору частот. Волны, которые хорошо совпадали с границами коробки, продолжали свой путь достаточно долго, а волны «неправильных» частот накладывались друг на друга и уничтожались. Свет все-таки сумел вырваться через дырочку, обладал ограниченным набором частот, какие были внутри, и не имели ничего общего с происходившим вне коробки[49].

Как только физики научились выполнять этот трюк для определения ограниченного набора допущенных частот, появилась надежда, что они смогут подсчитать допущенные частоты внутри коробки и разделить всю доступную энергию между ними. При этом полученный в результате спектр будет напоминать то, что наблюдалось в экспериментах и описывалось формулой Планка. К сожалению, этот простой и прямой подход потерпел провал. Мы сможем понять, почему это произошло, если пройдем по процессу подсчета допустимых частот.

Допустимые частоты внутри коробки называются «моды стоячих волн» и определяются размером коробки и ограничением, что ни одна из волн не должна ее покидать (если дырочка в коробке достаточно мала, и часть света, покидающая коробку так невелика, что ее можно смело проигнорировать). Для наглядности, чтобы понять происхождение и характеристики этих мод стоячих волн, мы можем упростить еще больше, представив «коробку», у которой только одно измерение: волны могут путешествовать только вправо, влево и ни в каких других направлениях. Этому есть простой и часто встречающийся в повседневной жизни аналог – струна музыкального инструмента.

Гитарист извлекает звук, дергая за струну и создавая возмущение, которое распространяется в форме волны и колеблет струну вверх и вниз. Два конца струны зафиксированы, поэтому когда бегущая по ней волна достигает пальца гитариста, прижимающего струну к ладу, она отражается обратно, изменяя направление движения вниз по грифу. Не требуется много времени, пока волна, путешествующая в противоположном направлении, окажется на том же участке струны, где они интерферируют (накладываюся) друг с другом, как свет от двух щелей в знаменитом эксперименте Юнга. Если вы сложите вместе все эти волны, то обнаружите, что большинство длин волн в результате полностью были уничтожены за счет интерференции. Каждая волна старается приподнять струну своим максимумом (пиком), а другая старается опустить ее своим минимумом (долиной), и они взаимно уничтожают друг друга. Для очень ограниченного набора длин волн, однако, возникает конструктивная интерференция: все возможные отраженные волны поднимаются своими гребнями точно в одном и том же месте. Эти длины создают стабильную картинку (паттерн) волн вдоль струны, где некоторые ее части слегка колеблются, а другие остаются на одном месте.

Наиболее простой из этих паттернов – «основная мода» с единственным колеблющимся узлом между зафиксированными концами. Мы обычно рисуем ее как выступающий горб, но в действительности он изменяется во времени: часть струны в середине то поднимается вверх, то падает вниз до плоского состояния, то опускается вниз, создавая отрицательный пик, затем обратно до нуля, вверх до максимума и так далее. Время, требующееся для выполнения одного колебания, определяется частотой, связанной с длиной рассматриваемой волны.

Длина волны определяется расстоянием, которое надо пройти от пика до долины и снова обратно на пик. Единичное «вверх-назад к нулю» движение составляет половину волны, так что длина волны, связанная с основной модой, – дважды длина струны. Следующим простейшим паттерном будет полная волна между зафиксированными концами, поднимающаяся вверх (или опускающаяся вниз) и затем назад вниз (или вверх) с зафиксированным «узлом» в центре, где струна не движется; длина волны второй «гармоники[50]» точно равна длине струны. Следующая гармоника имеет одну с половиной волны (три колеблющихся горба и два узла) для длины волны в две трети длины струны; следующий имеет две волны с длиной волны в половину длины струны и так далее.

Некоторые из мод стоячих волн в одномерной «коробке» длиной L с длиной волны (лямбда) для каждой моды

Если мы внимательно посмотрим на допустимые моды, то найдем очень простую зависимость: в каждой из допустимых мод стоячих волн целое число половин длин волны должно укладываться в длину струны. Существует дискретный набор этих допустимых мод, и мы можем каждой из них присвоить номер по количеству колеблющихся горбов в соответствующей картинке.

Звук, что мы слышим от гитары, представляет прекрасную аналогию спектра, который мы видим в модели черного тела. Начальный щипок за струну будет возбуждать волны с огромным количеством различных частот, как свет, входивший в коробку нашего черного тела. После очень короткого времени, однако, деструктивная интерференция между множественными отражениями от концов струны или стенок коробки уничтожает большинство этих длин волн, оставляя только те, которые соответствуют модам стоячих волн.

В случае с гитарной струной большинство энергии волны поступает в основную (первую) моду, что в первую очередь определяет звук, который мы слышим. Чем больше частота гармоник, тем меньше на их долю остается энергии, но они все-таки присутствуют и ответственны за богатый звук настоящего инструмента по сравнению, скажем, с компьютерным звуком, сгенерированным в одном единственном тоне. Множественные различные настройки и эффекты, используемые гитаристами, производят отчетливо различные тона за счет усиления некоторых из этих гармоник и подавления других, чтобы создать особый звук, скажем, у гитары Джерри Гарсии[51] или Джими Хендрикса[52].

Для световых волн в нашей коробке, изображающей черное тело, распределение энергии формируется не только эстетическими вкусами конкретного игрока, но и с помощью простого правила из физики тепла: равное распределение. Процесс определения мод стоячих волн считается несколько более сложным для света в трех измерениях, чем звука в одном измерении, но приводит к тому же результату – можно насчитать ограниченный набор пронумерованных мод. Раз уж мы знаем эти моды, закон равного распределения энергии говорит нам присвоить каждой моде равную часть общей энергии, полученной от теплового движения частиц, из которых состоят стены коробки[53].

Проблема в том, что по мере того как длины волн становятся все короче, длины волн допустимых мод становятся все ближе и ближе друг к другу. Если мы подсчитаем количество мод внутри некоторого заданного диапазона длин волн, мы обнаружим что оно возрастает бесконечно на коротких волнах (мы помним, они соответствуют высоким частотам). Если мы вообразим струну длиной в полметра с основной волной длиной в один метр, допустимы две моды с длиной в пять миллиметров между 0.1 метра и 0.095 метра, то есть две длины волны, которые могут уложить целое количество своих полуволн в длину струны. В диапазоне пятимиллиметровой длины волны между 0.02 метра и 0.015 метра существует тридцать четыре моды.

В терминах спектра эта модель не дает хорошего, простого пика (максимума) на промежуточных длинах волны, найденных в экспериментах. Наоборот, модель утверждает, что любой объект, независимо от температуры, должен излучать бесконечное число коротковолнового (высокочастотного) излучения. Это не совсем то, что мы хотели бы иметь в своем тостере.

Спектр теплового излучения при разных температурах плюс предсказания модели Рэйли-Джинса, т. е. «ультрафиолетовая катастрофа».

Провал прямолинейного подсчета мод был настолько тяжелым, что приобрел название «ультрафиолетовой катастрофы»[54]. Объяснение максимума, наблюдаемого в спектре реального черного тела, и успешное описание Планком в 1900 году в его формуле потребовало фундаментальных сдвигов в нашем понимании того, как распределяется энергия.

Квантовая гипотеза

К счастью, тот же самый Макс Планк, который нашел математическую функцию, точно описывающую спектр излучаемого света, также обнаружил способ объяснения причины такого спектра. В терминах описанной выше модели Планк связал каждую из мод стоячих световых волн с «осциллятором» внутри материала, когда каждая колеблющаяся частица, или осциллятор[55], испускает только одну частоту света. Потом он присвоил каждому из этих осцилляторов характерную энергию, равную его частоте, умноженной на некоторую небольшую константу. Затем ученый установил, что количество энергии, испускаемой конкретным отдельным осциллятором, должно быть целым множителем этой характеристики энергии, которую он назвал «квантом» по латинскому выражению «сколько надо». Таким образом, осциллятор может иметь один квант энергии, два или три, но никогда половину кванта или «пи» кванта.

Эта «квантовая гипотеза» совершила необходимый трюк, отрезав высокочастотное излучение как раз в тех областях, где и свершилась ультрафиолетовая катастрофа. Когда мы приписываем каждому «осциллятору» равную порцию имеющейся тепловой энергии, низкочастотные осцилляторы получают много раз умноженную характерную энергию и таким образом излучают много квантов света. По мере увеличения частоты, количество излучаемого каждым отдельным осциллятором света падает, потому что доля тепловой энергии каждого из них составляет меньшее кратное его характерной энергии. Когда частота делается настолько высокой, что характерная энергия больше, чем доля тепловой энергии осциллятора, он вообще перестает испускать свет.

На низких частотах, в таком случае, существует относительно немного осцилляторов, потому что есть немного возможных стоячих волн с относительно большой длиной волны, однако каждый излучает множество «квантов» света. На высоких частотах осцилляторов много (потому что допустимых мод много на коротких волнах), но каждый излучает немного света или совсем не излучает. Соревнование между увеличивающимся количеством осцилляторов и уменьшающимся излучением дает точно тот вид спектра с максимумом, который наблюдался при излучении абсолютно черного тела: начиная с длинных волн и спускаясь вниз, возрастание количества осцилляторов идет изначально быстрее, чем уменьшение количества излучаемого каждым осциллятором света, так что общее количество света возрастает до максимума (пика) и затем уменьшается по мере того как излучение совсем пропадает. Это также объясняет смещение пика спектра: по мере возрастания температуры количество тепловой энергии возрастает, увеличивая долю, приписанную каждой моде и поднимая вверх ту частоту, на которой квантовая гипотеза обрезает излучение света.

Планк изначально ввел квантовую гипотезу, полагая, что это был «отчаянный математический трюк». Действительно, это было похоже на вычислительный трюк, какие часто применяются в исчислении. Физики-математики постоянно описывают гладкие, непрерывные явления в терминах дискретных шагов для решения задач, затем используют отлаженные математические техники, делая «шаги» бесконечно малыми и восстанавливая изначальную непрерывность. Планк знал, что придание каждому осциллятору характерной энергии, которая увеличивается с частотой, даст спектр с обрезанным «хвостом», но он и был нужен. Также он полагал, что сможет использовать исчисление, чтобы уменьшить множитель-константу частоты до нуля, восстановив непрерывность и покончив похожими на ступеньки квантами энергии. Вместо этого ученый обнаружил, что константа должна быть очень маленькой, но при этом она упрямо не хотела принимать нулевой значение. В наши дни она называется «постоянной Планка» в его честь и обозначается символом h со значением 0.0000000000000000000000000000000006626 джоуля, умноженных на секунду – действительно очень малое значение[56]. Если рассматривать квантовую гипотезу, а именно то, что энергия поступает в виде дискретных, неделимых «пакетов» и h принимает такое маленькое, но не нулевое значение, процесс распределения доступной энергии между всеми возможными частотами ведет точно к формуле, которую нашел Планк для описания спектра черного тела.

Формула Планка была потрясающим успехом и стала одним из бесценных инструментов для многих областей физики. Астрономы используют ее для определения температуры далеких звезд и газовых облаков, измеряя спектр, который те излучают. Спектр света от типичной звезды, включая наше Солнце, сильно напоминает спектр черного тела, и сравнивая свет, что мы видим, с предсказаниями формулы Планка, мы можем вычислить температуру поверхности звезд, находящихся от нас за много световых лет.

Возможно наиболее совершенным спектром черного тела, когда-либо измеренным, считается «космическое микроволновое фоновое излучение», о чем мы упоминали раньше. Это поле слабого излучения в радиочастотном диапазоне спектра пронизывает всю Вселенную. Это фоновое излучение – одно из наилучших свидетельств в пользу космологии Большого взрыва: микроволновки, которые мы видим сегодня, были созданы около 300 000 лет после Большого взрыва, когда Вселенная еще была крайне раскалена и плотна, но уже достаточно остыла, чтобы позволить фотонам распространяться. В последующие миллиарды лет Вселенная расширялась и охлаждалась, так что высокоэнергетические фотоны в области видимого света с температурой в тысячи кельвинов растянулись в область микроволновых длин волн. Спектр был измерен множество раз и совпадает с черным телом температурой в 2.7 К с феноменальной точностью. В действительности мельчайшие изменения в температуре этого фонового излучения из разных точек неба – сдвиги на миллионные доли кельвина – обеспечивают наилучшую информацию из всей, что мы имеем об условиях в очень молодой Вселенной и о происхождениях галактик, звезд и планет.

Если спуститься с небес на землю, формула Планка дает нам возможность говорить о свете и тепле каждый день. Фотографы и дизайнеры говорят о «температуре цвета» различных видов света, что является числом в кельвинах, соответствующим температуре черного тела, чей видимый спектр наиболее близок обсуждаемому[57]. В вашем любимом хозяйственном магазине можно купить различные типы лампочек – «мягко-белые», «естественный свет» и так далее. Они используют различные технологии для производства света со спектром, который напоминает излучение черного тела от объектов с различными температурами.

Если говорить о завтраке, излучение черного тела может быть использовано для определения температуры горячих предметов. Если на вашей кухне есть один из таких инфракрасных термометров, которые вы направляете на сковородку, чтобы понять, достаточно ли она уже нагрелась, то вы используете формулу Планка. Датчик в термометре определяет общее количество невидимого инфракрасного излучения, исходящего от любого предмета, куда его направили, и использует эти данные для вычисления температуры черного тела, которое испускало бы столько же инфракрасного излучения.

Несмотря на огромный успех своей формулы и личную славу, сам Макс Планк никогда не был особенно удовлетворен квантовой теорией. Он рассматривал квантовую гипотезу как неуклюжий и вынужденный трюк и надеялся, что кто-нибудь найдет способ подойти к его формуле с позиций базовых физических принципов, не прибегая к квантовому делу. Однако, как только его идея была выпущена на волю, другие физики подхватили ее и помчались вперед, особенно один клерк из патентного бюро в Швейцарии, что привело к полной и радикальной трансформации всей физики.

Глава 3

Цифровые фотографии: Эвристика клерка из патентного бюро

Мои источники из социальных медиа полны обычных мелочей: утренние новости из Европы и Африки, вечерние истории из Азии и Австралии, цифровые фотографии детей и котов от друзей со всего мира…

Я регулярно пишу про исторические открытия в науке и часто бываю поражен, как мало существует фотографий великих ученых прошлого. Имеющиеся изображения обычно относятся к позднейшему периоду жизни, после того как ученый уже стал знаменитым, что до определенной степени искажает наше восприятие ученых. Фотографии Эйнштейна, сделанные в те времена, когда он уже совершал революцию в физике, показывают хорошо ухоженного молодого человека, что резко контрастирует с иконоподобными образами позднего периода, где он в помятой одежде и с дикой копной белых волос. Мало того, их мало, да еще и вопросы авторских прав осложняют дело, но даже в профессиональных архивах обычно имеется лишь пара дюжин фотографий великих физиков XX столетия.

Это ограниченное количество особенно поражает с точки зрения современности: в течение нескольких последних десятилетий цифровая фотография стала вездесущей, что привело к огромному росту количества запечатленных образов. Я давно интересовался фотографией, но стоимость пленки и ее обработки представляла достаточно препятствий для того, чтобы у меня было лишь несколько сотен фотографий до 2004 года, когда у меня впервые появилась цифровая камера.

С тех пор я сделал десятки тысяч цифровых фотографий, почти все из них я храню на жестком диске своего компьютера. Наверное, больше всего фотографий моих детей (которым будет десять и семь, когда выйдет эта книга), чем родителей за всю их жизнь, и это если считать только те, что я специально снимал своей камерой, а не телефоном.

Невероятная легкость цифровой фотографии, особенно благодаря распространению камер в мобильных телефонах, оказала революционное воздействие на повседневную жизнь. Сегодня есть компании с капиталом в миллиарды долларов, которые не делают ничего, только обрабатывают, хранят и предоставляют для общего просмотра фотографии, сделанные пользователями, и вокруг этой технологии выросло целое новое культурное явление – такое как «селфи». Легкость работы и доступность камер трансформировали все формы взаимодействия между людьми в целом и различными важными персоналиями. Раньше, в дни аналоговой пленки, события описывались бы, как «он сказал – она сказала», сегодня неизбежно будут пойманы на видео мобильным телефоном, с неизбежными и далекоидущими последствиями для общества.

Цифровые камеры совершили прорыв от редких и дорогих приборов к привычным, стали неотъемлемой частью повседневной жизни впечатляюще быстро, но наука, лежащая в основе этих приборов, остается недооцененной. Сенсор вашего телефона, который делает фото ваших детей, котов или завтрака, чтобы разместить в Твиттере, в основе своей базируется на квантовой механике, опираясь на корпускулярную природу света. Ирония в том, что в действительности открытие в физике, позволившее создать эту технологию, было лишь побочным продуктом экспериментов, с их помощью пытались доказать волновую природу света.

Эксперимент Герца[58]

Как было упомянуто в предыдущей главе, эксперименты Томаса Юнга и Франсуа Араго в начале 1800-х годов, демонстрирующие, что световые волны дают эффект интерференции, когда проходят вокруг препятствий, соответственно показали: свет ведет себя как волна. В середине того же века уравнения Максвелла ответили на вопрос «Что есть волна?», предсказывая существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света.

Одно из применений теории света как электромагнитных волн заключается в том, что возможно создать такие волны, используя электрические токи. В поздние 1880-е годы молодой немецкий физик Генрих Герц решил это сделать и подверг уравнения Максвелла непосредственной экспериментальной проверке. Ученый создал гениальный прибор, в котором были «искровые зазоры», пары металлических шариков, разделенных между собой несколькими миллиметрами воздушного зазора. Один искровой зазор был присоединен к антенне, подключенной к системе батареек, она подавала колебания высокого напряжения между шариками. Это создавало яркую искру в зазоре, по мере того как электрическое поле пробивало воздух между шариками, позволяя току течь с частотой, определяемой колебаниями напряжений, которые Герц выставлял соответственно своему выбору.

Когда электроны метались туда-сюда через зазор, согласно уравнениям Максвелла, их движение должно было генерировать электромагнитные волны, испускаемые из зазора и колеблющиеся на той же частоте.

Другой искровой зазор – шарик на любом из концов кольца из провода, расположенного на некотором расстоянии, – служил детектором. Приходившая к нему электромагнитная волна из излучателя-зазора создавала меньшее напряжение на детекторе и производила меньшую искру. Расстояние между шариками детектора можно было регулировать и настраивалось, пока приходящие волны были способны едва зажечь искру в зазоре. Более мощные приходящие волны создавали более высокое напряжение в детекторе, увеличивая расстояние, через которое могла пробить искра. Используя этот детектор, Герц был способен создать картину интенсивности создаваемых волн и показать, что результаты точно совпадали с предсказаниями Максвелла как для распространившихся волн, покидавших детектор, так и для стоячих, сформированных отражением начальных волн от металлического листа у дальней стены лекционного зала. Аппарат Герца генерировал волны на крайне низких частотах по сравнению с видимым светом, но он показал, что они распространяются с той же скоростью, подтвердив: свет – это электромагнитное явление.

Принцип прибора с искровыми зазорами, который использовал Герц. Высокое переменное напряжение создает искры через зазор в контуре из провода, генерируя электромагнитные волны на этой частоте. На зазоре детектора волна создает напряжение, которое может дать искру, если зазор мал или волна достаточно мощная. Размер самой большой искры, какая может проскочить через зазор, дает измерение размера волны.

Когда его спросили о значимости его экспериментов, Герц продемонстрировал деловую хватку великого физика, бодро ответив: «Вообще никакой пользы. Это просто эксперимент, который доказывает, что маэстро Максвелл был прав: действительно существуют эти загадочные электромагнитные волны, которые мы не можем видеть невооруженным глазом, но они есть!» Однако, несколькими годами позже, те же принципы, что были использованы в эксперименте Герца с искровыми зазорами, были использованы для генерирования радиоволн у «беспроводного телеграфа», что затем привело к созданию радиовещания, телевидения и мобильных телефонов.

Эксперименты Герца требовали невероятной аккуратности и точности плюс исследования множества возможных не вполне ясных факторов. В ходе исследования ученый заметил, что размер зазора детектора для конкретной настройки был чуть больше, когда детектор и источник волн находятся на прямой в пределах видимости. Если он загораживал свет от начальной искры, попадавшей на детектор, то размер зазора, через который могла проскочить искра, уменьшался. Таким образом он обнаружил, что сейчас называется «фотоэлектрическим эффектом»: ультрафиолетовый свет, падающий на металлическую поверхность, производит в металле заряд. Этот заряд облегчает слабым приходящим волнам зажигание искры между шариками детектора.

Для Герца открытие фотоэлектрического эффекта почти не имело последствий, лишь еще одна систематическая странность, которую надо было объяснить по пути демонстрации природы света. Он так и не узнал[59], что это небольшое замечание окажется ключевым моментом для доказательства корпускулярной природы света несколькими десятилетиями позже.

Эвристика[60] клерка из патентного бюро

Случайное открытие Герцем фотоэлектрического эффекта привлекло внимание ряда известных физиков тех лет, они начали освещать ультрафиолетовыми лучами разные материалы и изучать получившиеся результаты. По способу, как выбиваемые частицы реагировали на электрические и магнитные поля, ученые определили, что заряды, выбиваемые светом, были электронами, которые недавно были определены как отрицательно заряженные субатомные частицы британским физиком Джозефом Джоном Томсоном, кто в конце концов получил за это Нобелевскую премию в 1906 году.

В сочетании с волновой моделью света фотоэлектрический эффект позволил физикам сконструировать простую модель процесса. Электроны связаны в атомы, и поступающая электромагнитная волна колеблет их туда-сюда. Эта встряска передает энергию электронам таким образом, что, как надеялись физики, это будет зависеть от интенсивности света. Чем больше интенсивность, тем больше смещение электронов, поэтому свет высокой интенсивности должен доставлять достаточно энергии быстро расшатывать и выбивать электроны. Но поскольку электроны будут все время впитывать энергию, пока встряска продолжается, то даже свет низкой интенсивности должен рано или поздно выбить какое-то количество электронов.

Частота света была другим фактором экспериментов, который мог повлиять на выбивание электронов, хотя это было менее очевидно. В классической волновой картине света количество энергии, переносимой волной, зависит от ее амплитуды[61], а не от частоты, так что какая-либо зависимость от частоты будет более сложная, чем зависимость от интенсивности.

Мог также существовать некоторый эффект резонанса – тряска на некоторой определенной частоте, связанной с конкретным атомом, может передавать энергию более эффективно, так же как слабое подталкивание маятника на нужной частоте может вызвать огромные его колебания. Более низкие частоты могут вести к задержкам в выталкивании электронов, поскольку они не должны выскакивать из атома до тех пор, пока они не раскачаются туда-сюда несколько раз. Частота видимого света так высока, что почти нет реальной надежды на измерение этого эффекта.

Простая модель, в пользу которой склонялись физики, делала четыре основных предсказания о поведении выбиваемых электронов, которые могли быть проверены экспериментально:

• Во-первых, количество выбитых электронов должно возрастать по мере увеличения интенсивности: чем сильнее вы трясете электроны внутри конкретных атомов, тем больше их должно вылетать наружу.

• Во-вторых, энергия вылетающих из материала электронов должна возрастать с интенсивностью. Если вы трясете их сильнее, электроны должны вылетать быстрее.

• В-третьих, будет наблюдаться некоторая задержка в излучении электронов, особенно на более низких частотах и при более низкой интенсивности: приглушенный свет и медленная тряска должны дать некоторое время на накопление достаточного количества энергии, чтобы электрон освободился из атома.

• И наконец, если испускаемые электроны зависят от частоты света в целом, их количество и энергия должны проявлять некоторое резонансное поведение.

Эта простая модель связывала вместе наилучшие знания своего времени относительно света и электронов и, таким образом, была весьма привлекательна для физиков. К сожалению, это было и печальным провалом.

Тщательные эксперименты немецкого физика Филиппа Ленарда, который работал некоторое время с Герцем, не смогли показать ожидаемую связь между интенсивностью света и энергией электронов. Чем ярче свет, как и ожидалось, тем большее количество электронов выталкивалось, что измерялось текущим между двумя металлическими пластинками в вакуумной трубке током, когда одна из пластинок освещается. Но энергия этих электронов, измеряемая по напряжению, связанному с током в вакуумной трубке, была одной и той же независимо от интенсивности света, которым освещали пластинку.

Еще более загадочным результатом экспериментов Ленарда было открытие удивительно простого взаимодействия между энергией выбиваемых электронов и частотой света. Для всех материалов, что он исследовал, энергия электронов увеличивалась по мере увеличения частоты в очевидной линейной зависимости. Это был никак не ожидаемый и загадочный результат.

Как в случае с тепловым излучением, простое и универсальное поведение, открытое Ленардом, явно указывало на простую физику, лежащую в основе этого явления, однако никто не мог сформировать убедительную модель. Сам Ленард провел много лет, работая над теорией, которая бы определяла энергию электронов через их движение внутри атомов. При этом свет служил только триггером (пусковой схемой) для выбивания электронов, но эта идея оказалась несостоятельной, и в конце концов ему пришлось от нее отказаться.

Объяснение, которое стало принятой моделью для фотоэлектрического эффекта, было впервые предложено в 1905 году неизвестным клерком патентного бюро в Швейцарии по имени Альберт Эйнштейн. В статье с довольно осторожным названием «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света», он предложил взять квантовую гипотезу Макса Планка и применить ее к свету. Она связывала каждый испускающий свет с характерной энергией, которая зависит от частоты испускаемого света. В этой «эвристической точке зрения» луч света не является волной, а представляет собой поток частиц, теперь называемых «фотонами», хотя этот термин сформировался лишь спустя несколько лет. Сам Эйнштейн предпочитал термин «световой квант». Каждая из частиц при этом несет один квант энергии. Эта энергия равна постоянной Планка, умноженной на частоту света. Если энергия одного фотона превосходит характерную для данного освещаемого материала энергию, называемую «работой выхода», то он может выбить из атома один электрон, который унесет с собой остаток энергии фотона.

Эта корпускулярная модель света была радикальным уходом от хорошо известной физики, но великолепно объясняла фотоэлектрический эффект. Более интенсивный луч света содержит больше фотонов, таким образом обеспечивая количество испускаемых электронов. Их энергия, однако, не зависит от интенсивности света, поскольку только один фотон нужен, чтобы выбить электрон из атома. И увеличение энергии с увеличением частоты просто отражает увеличение энергии отдельного фотона согласно правилу Планка об отношении энергии и частоты. Если энергия фотона больше, чем работа выхода[62], электрон уносит излишек, который увеличивается по мере увеличения частоты.

Фотонная модель Эйнштейна проста и элегантна, но также абсолютно не совместима с уравнениями Максвелла, которые справедливы только для волн, а не для частиц, и поэтому оказалась крайне непопулярной, когда была впервые опубликована. Сам Планк, номинируя Эйнштейна в Прусскую академию наук, писал: «То, что он иногда не попадал в цель в своих рассуждениях, как, например, в своей гипотезе о световом кванте, не должно говорить против него слишком строго, поскольку невозможно вводить фундаментально новые идеи, даже в наиболее точных науках, не рискуя».

Но как бы она ни была непопулярна, эвристическая модель Эйнштейна сделала ясные и недвусмысленные предсказания, что нужно ожидать в экспериментах с фотоэлектрическим эффектом, и поэтому привлекла весьма большое внимание. Ситуация оставалась несколько запутанной, пока Роберт Милликен[63], один из наиболее точных физиков-экспериментаторов, однажды не занялся этим вопросом.

Эксперименты были очень чувствительными к загрязненности металлических поверхностей и небольшим сдвигам напряжения, которые возникают от контакта между различными металлами. Но Милликен и его команда[64] сумели справиться со всеми проблемами и обеспечили убедительное экспериментальное подтверждение модели Эйнштейна в 1916 году. Они сделали измерения постоянной Планка, которая совпадала с предыдущими оценками, но с большей точностью.

Это не означает, однако, что Милликен был сторонником фотонной модели. В действительности изданную им первую статью по данной теме можно назвать шедевром пассивно-агрессивного стиля в научной литературе:

«Фотоэлектрическое уравнение Эйнштейна для максимума энергии испускания отрицательно заряженного электрона под действием ультрафиолетового света… не может, по моему мнению, рассматриваться в настоящее время как поддерживаемое какими-либо удовлетворительными теоретическими обоснованиями. Его подтверждение, таким образом, исключительно экспериментальное… В последние годы я исследовал это уравнение с помощью экспериментов с самых разных точек зрения и был вынужден прийти к заключению, что, каким бы не было его происхождение, оно действительно представляет очень точное поведение. для всех веществ, с которыми я работал».

Ворчливое признание Милликеном точности модели Эйнштейна, несмотря на его личные оговорки, достаточно характерно представляют общее мнение ученых в то время. Фотонная модель была слишком далека от классической физики, чтобы ее легко приняли, но она слишком хорошо работала, чтобы можно было ею пренебречь. Со временем корпускулярный взгляд на свет стал более приемлемым, хотя общие усилия найти альтернативное объяснение продолжались до середины 1920-х годов. В чисто техническом смысле неопровержимое экспериментальное доказательство существования фотонов было сделано лишь в 1977 году[65], но с практической точки зрения определение света как частицы было принято как часть квантовой физики в 1930-х или около того. И Эйнштейн, и Милликен достаточно успешно поработали над фотоэлектрическим эффектом. В то время как Эйнштейн наиболее известен за свою теорию относительности, фотоэлектрический эффект оказался единственным конкретным результатом, упомянутым как его заслуга в Нобелевской премии по физике 1921 года[66]. Как мы увидим, это новое понимание природы света расчистило дорогу многим технологиям, которые заняли центральное место в современной жизни.

Фотоэлектрические технологии

Дуальная природа света как частицы и как волны считается одним из классических примеров причудливости квантовой физики – явления с явно противоречивыми свойствами. Очевидно, что в самом фотоэлектрическом эффекте, который относится к корпускулярному свойству (энергия, содержащаяся в одном фотоне) волновой характеристики (частоте света), есть некоторая потенциальная путаница, поскольку это означает, что частица имеет частоту. Даже сегодня физики продолжают спорить о том, каким языком описывать природу света и как лучше преподносить базовые положения.

Как таковая идея фотонов может показаться слишком эксцентричной для использования в повседневной жизни. В действительности же она стала центральной для понимания сущности любой технологии, которая превращает свет в электрический сигнал.

По всеобщему признанию, прибор, который показывает четкую связь с фотоэлектрической физикой, слегка загадочен: известен как «фотоэлектронный умножитель» и состоит из ряда металлических пластин под высоким напряжением (обычно от нескольких сотен до тысяч вольт) между ними. Фотон света, падающий на первую из этих пластин, выбивает один электрон за счет фотоэлектрического эффекта. Высокое напряжение затем ускоряет этот электрон, заставляя двигаться к следующей пластинке, ударяется и выбивает уже несколько (от 10 до 20) электронов[67]. Каждый из них ускоряется, в свою очередь, к следующей пластинке и так далее. В конце фотоумножителя единственный фотон заставляет испустить таким каскадным способом миллионы электронов, производя слабый импульс тока, что можно зарегистрировать. Фотоумножители могут быть крайне чувствительными и способны зарегистрировать отдельный фотон, и они лежат в основе многих экспериментов по исследованию квантовой природы света. Они обычно используются в каких-нибудь устаревших системах, типа «электрический глаз», и сегодня фотоумножительные трубки, в общем, можно встретить только в физических лабораториях.

В сущности та же физика используется в основе цифровых камер. Каждый пиксель в сенсоре цифровой камеры состоит из маленького кусочка полупроводникового материала, на который некоторое время падает свет. Тогда падающие на него фотоны не полностью выбивают электроны из материала, а выводят его из неподвижного состояния в такое, когда он может свободно передвигаться (подробнее я расскажу об этом в главе 8). Когда затвор камеры открыт, чтобы снять фотографию, все электроны в пределах одного пикселя начинают свободно течь и собираются[68], создавая напряжение, что дает значение яркости света, падающего на этот пиксель. В конце времени выдержки все эти напряжения от пикселей считываются, чтобы создать образ.

Фотосенсоры, основанные на кремнии, имеют огромные преимущества за счет малых размеров и возможности удобной интеграции с процессорами, обрабатывающими цифровую информацию. Сегодня процессор в камере достаточно мал, чтобы использовать в мобильном телефоне. Он содержит такое число пикселей, что успешно конкурирует с цифровыми камерами профессионального уровня. Камера в моем смартфоне имеет 16.1 миллиона пикселей (стандартное фото имеет размер в 5344 Ангстрема[69] – 3006 пикселей), в то время как моя хорошая DSLR камера имеет 24 миллиона (6000 Ангстрем × 4000 пикселей). Основное ограничение по качеству в наши дни для мобильных телефонов представляет оптическая часть системы, а не электронная: сборный пакет линз, достаточно малый, сейчас имеет более ограниченные возможности, чем большие линзы отдельной камеры. Для большинства людей, которые не слишком серьезно относятся к фотографии, эти ограничения не так заметны.

Для создания цветных датчиков решетка из красных, зеленых и синих фильтров размещается поверх массива пикселей таким образом, что каждый пиксель определяет свет одного цвета. Чтобы образовать конечное изображение, напряжения от расположенных рядом пикселей разного цвета комбинируются для определения смеси красного, зеленого и синего цветов, что наилучшим образом определяет свет в этой точке изображения.

Цифровые камеры измеряют только три цвета, поскольку это очень похоже на тот способ, которым человеческий глаз обрабатывает свет для определения цвета. Когда фотон ударяется в светочувствительную клетку сетчатки глаза, энергия фотона запускает изменения конфигурации молекулы протеина, что далее запускает цепь химических реакций, которые в итоге посылают сигнал в мозг, чтобы проинформировать: эта конкретная клетка почувствовала свет. Существует три разновидности этих клеток, каждая чувствительна к различным длинам волны фотона, и мозг использует различные отклики от каждого типа для воспроизведения цвета, который мы видим. Максимальная чувствительность находится на длинах волн, соответствующих синему, зеленому и желто-зеленому свету, хотя все три типа клеток чувствительны к широкой части спектра. Наш мозг получает цвет смешением уровней активности этих клеток: красный цвет запускает работу рецепторов только длинных волн, синий цвет – коротких, а зеленый цвет – всех трех[70]. Телевизор и компьютер использует смесь этих трех цветов для запуска этих рецепторов в правильных пропорциях, чтобы копировать спектр света, приходящего от разных реальных предметов, и обманывает мозг, которому кажется, что он видит богатство различных цветов.

В то время как требуется всего один фотон, чтобы запустить процесс определения света, типичный сенсор цифровой камеры не может достичь чувствительности к единичным фотонам, потому что случайное тепловое движение, существующее в любом материале при температуре выше абсолютного нуля, может спонтанно генерировать свободные электроны внутри датчика. Чтобы быть уверенным, что записанный в конкретном пикселе сигнал показывает реальный свет, число фотоэлектронов должно превысить этот «темный поток», и тогда можно будет зарегистрировать его в датчике, что ограничивает чувствительность при низкой освещенности. Этот эффект очень сильно зависит от температуры, поэтому профессиональные научные камеры, используемые астрономами и в экспериментах по квантовой оптике, обычно имеют датчики, охлаждаемые для уменьшения «темного потока» до уровней, которые позволяют уверенно регистрировать отдельные фотоны.

Та же проблема с «темным потоком» влияет на наши глаза: фото-чувствительные химические вещества в нашей сетчатке могут зарегистрировать отдельный фотон, и в тщательно контролируемых лабораторных экспериментах волонтеры иногда могут зафиксировать световые вспышки, содержащие лишь несколько фотонов. В более типичных ситуациях, однако, требуется что-то порядка сотни фотонов, попадающих в глаз в течение нескольких миллисекунд, чтобы человек уверенно заметил слабую вспышку света. Конечно, вряд ли можно порекомендовать охлаждение сетчатки человеческого глаза для уменьшения «темного потока» и повышения чувствительности.

Однако ограничения из-за «темного потока» оказались практической проблемой, а не фундаментальной. Процесс, который делает коммерческие цифровые камеры рабочими, считается фундаментально квантовым: единственный фотон входит в датчик и выбивает единственный электрон. Наша способность понять этот процесс и построить подобные приборы может быть прослежена вплоть до случайного открытия Генрихом Герцем фотоэлектрического эффекта и радикального предположения, сделанного Альбертом Эйнштейном в 1905 году о том, что свет может быть, в конце концов, частицей.

Глава 4

Будильник: Атом игрока в футбол

Солнце встает незадолго до того, как мой будильник начинает пищать, и я выбераюсь из постели, чтобы начать свой день…

В прямом смысле, день начинается тогда, когда встает солнце, но с практической точки зрения, мой день начинается со звонка будильника. Эти два события обычно гораздо ближе друг к другу, чем бы я хотел, и для большей части зимы они расположены в неверном порядке, но если солнце и начинает астрономический день, именно будильник отмечает начало рабочего дня.

Особенный хронометр на моей тумбочке на самом деле не такой уж и особенный – дешевые цифровые часы с несколькими функциями, помимо пронзительного пиликанья будильника, достаточно противного, чтобы выдернуть меня из глубокого сна. Современный отсчет времени, который в нем заложен, имеет глубокие корни в квантовой физике атомов и волновой природе материальных объектов. Это просто последний шаг в длинной цепи технологий измерения времени, которая простирается до доисторической эпохи.

Краткая история отсчета времени

Измерение времени, скорее всего, уже существовало в те дни, когда еще не изобрели письменность. Могильный холм «прохода» в Ньюгрейндже[71], Ирландия, – искусственная гора, созданная примерно

3000 лет до новой эры[72] из 100 000 тонн земли и камня, – на самом деле сложный прибор для измерения времени. Внутри горы проход шириной 20 метров ведет к камере склепа в центре. Эта центральная комната остается темной весь год, кроме нескольких дней во время зимнего солнцестояния, когда встающее солнце бросает лучи света через небольшое отверстие над дверью вдоль всего прохода. Это дает возможность безошибочно отмечать смену года и прекрасно работает до сих пор, более 5000 лет после постройки здания.

Наука и технологии измерения времени прошли длинный путь со времен Ньюгрейнджа, но главный принцип остается тем же самым: мы отмечаем течение времени, подсчитывая, сколько раз произошло какое-то регулярное, повторяющееся событие. Для таких календарей, как Ньюгрейндж, регулярным, повторяемым движением является смена положения встающего солнца в течение года, которое (в Северном полушарии) встает к северу от географического востока в летние месяцы и на юге от географического востока зимой. Зимнее солнцестояние считается самым коротким днем в году и днем наибольшего сдвига восходящего солнца к югу – очень надежная картинка, какую должны были наблюдать строители Ньюгрейнджа много лет до того, как построили свой гигантский монумент.

Астрономические движения можно также использовать для измерения более коротких промежутков времени, например, используя солнечные часы: направление тени, отбрасываемой вертикальным предметом, показывает дневное время. Ночью, очевидно, движение звезд по небу работает примерно по тому же принципу. Оба этих метода измерения времени несколько усложняются движением Земли по орбите, но поскольку получавшиеся картины отслеживались тысячелетиями, можно вполне точно измерять время, используя только Солнце и звезды.

Конечно, использование астрономических наблюдений для отсчета времени имеет свои ограничения: это требует ясного неба, на что не всегда можно полагаться, и также сложно использовать солнечные часы или положение звезд для измерения длительности чего-либо, занимающего по продолжительности меньше нескольких минут. Для более коротких временных интервалов и когда погода плохая, измеряли время, используя предметы, в которых существовало регулярное движение какой-нибудь субстанции. Водяные часы, в которых интервал определяется опустошением сосуда, использовались в Древнем Египте и Китае, а песочные часы были изобретены в средневековой Европе, где водяные часы было сложновато использовать из-за того, что зимой они замерзали.

Для сельского хозяйства этих методов, может быть, было и достаточно, но с расцветом мировых империй в 1500-1600-е годы возникла необходимость в более точном измерении времени. Штурманы, пересекая океаны и находясь вне видимости берегов неделями, должны были знать широту и долготу, чтобы определить свое положение на карте. Широта легко может быть определена по положению Солнца в полдень, но точное измерение долготы требует знания времени не только в конце, но и в начале маршрута. Усовершенствованные астрономические таблицы обеспечивали один метод отслеживания течения времени и, таким образом, долготы, но переносные механические часы, которые измеряют время за счет движения качающегося маятника или колеблющейся пружины, делали этот процесс еще более легким. Изготовление механических часов, измерявших время во время плавания через океан, было весьма серьезным техническим достижением, но уже к середине 1800-х такие часы были в обычном использовании. Однако они тоже были точны только до определенной степени, и развитие сети железных дорог и телеграфа по континентам лишь ускорили стремление ученых более точно измерять время.

Проблема, которая встала перед учеными, изучающими время, была в том, что любые часы, основанные на движении физических объектов, по сути своей ненадежны. Механические часы чувствительны к небольшим различиям при их изготовлении: вариации в форме двух маятников будут вызывать соответственно в разных часах немного разную скорость отсчета тактов. Даже астрономические часы склонны изменять свой темп: вращение Земли замедляется со временем за счет гравитационного влияния Луны, ведь как раз поэтому каждые несколько лет вы будете слышать новости про «дополнительную секунду», добавленную в полночь 31 декабря.

Идеальными были бы часы без физически двигающихся частей, когда стало понятным, что свет – это электромагнитная волна, создание подобных часов стало возможным. Световая волна является электрическим полем, которое колеблется туда-сюда на некоторой частоте, и если такое поле привести в движение один раз, будет крайне сложно изменить частоту колебаний[73]. Если бы мы могли посчитать эти колебания, тогда можно было бы использовать свет как часы.

Главное препятствие для использования света для измерения времени – необходимость найти способ генерировать свет, чья частота будет асболютно точно известна. Не так уж сложно генерировать волны одной частоты (то есть не широкого спектра, как излучение черного тела от нагретого предмета) с помощью электрического тока, как это было показано в экспериментах Герца. Однако точная частота этих колеблющихся потоков сильно зависит от физического контура, какой был использован для их получения, что приводит нас к той же проблеме, существующей в механических часах с их маятниками и пружинами, а именно – трудность изготовления двух действительно одинаковых объектов. Более того, чтобы сделать высокоточные часы, основанные на свете, мы должны найти способ создавать свет не только с точно известной частотой, но и сделать так, чтобы эта частота точно была одинаковой, независимо от того, когда и где используются такие часы.

Решение этой проблемы возникло из, казалось бы, не связанной с этим загадки, тайны – как свет взаимодействует с отдельными атомами.

Тайна спектральных линий

В течение многих лет изучение атомов развивалось более или менее независимо от изучения природы света. Эти две темы, однако, очень тесно связаны, потому что свет – принципиально важный инструмент для понимания внутренней структуры атомов.

В ранние 1800-е годы, примерно в то время, когда Араго убедительно доказал волновую природу света, другие физики делали открытия относительно света, излучаемого различными субстанциями. Уильям Хайд Волластон[74] заметил какие-то темные «линии» в спектре Солнца. Солнечный свет, который он пропускал через вертикальную щель и затем разделял с помощью призмы, давал широкий набор цветов, но в определенных узких диапазонах оказывалось гораздо меньше света, чем на частотах чуть выше или чуть ниже.

Волластон сначала пытался интерпретировать их как границы между отдельными цветами спектра, или ROY G BIV[75], как запоминают дети в школе, но там было слишком много линий, да еще и не на тех местах. Модель «границ» была полностью разрушена в 1814 году, когда Йозеф Фраунгофер проделал более точные наблюдения спектра, используя дифракционную решетку. Его наблюдение опиралось на интерференцию световых волн, которая разделяла свет с разными длинами волн, и он определил несколько сотен темных линий в солнечном спектре. Фраунгофер стал систематически изучать эти линии, определяя их длины волн и классифицируя их на основе их яркости. Эти темные линии в солнечном спектре сегодня называют в его честь «линиями Фраунгофера», признавая его вклад в открытие нового направления – спектроскопии.

Примерно в то же время, когда Фраунгофер наблюдал за темными линиями в спектре Солнца, другие ученые, в частности Уильям Генри Фокс Тальбот[76] и Джон Гершель[77], заметили присутствие ярких линий в спектре света, испускаемого различными химическими компонентами, когда их нагревали в пламени. Эти огненные спектры можно было получить из очень небольшого количества материала, испарявшегося в процессе нагревания, и такие рассеянные пары давали спектры, сильно отличавшиеся от излучения от больших нагретых объектов. Если Планк в конце века обнаружил, что спектральное излучение черного тела зависит только от температуры, спектры пламени очень чувствительно зависели от того, какой элемент нагревали: каждый элемент испускал свет только в виде очень тонких линий на определенной длине волны. В действительности Тальбот и Гершель показали, что эти светлые линии могут оказаться полезным инструментом для определения, что это за вещество, если его очень мало. Французский физик Жан Бернар Лион Фуко показал, что относительно холодный пар конкретного элемента будет поглощать свет на тех же длинах волн, что этот элемент излучал бы при нагревании в пламени. Это обеспечило концептуальное объяснение темных линий Фраунгофера: «пропавший» свет в солнечном спектре – это тот, что был излучен в горячем ядре Солнца и затем поглощен элементами из более холодных внешних слоев солнечной атмосферы.

Разрозненные спектроскопические исследования 1800-х годов были систематизированы и объединены в 1850-х работой Густава Кирхгофа[78] и Роберта Бунзена[79], которые основали спектроскопию как раздел физики с формальными правилами и процедурами. Кирхгоф и Бунзен показали, что каждый известный химический элемент производит уникальную картину (паттерн) спектральных линий как при излучении, так и при поглощении. В течение всего нескольких лет спектральные линии стали использоваться для обнаружения новых элементов. Наиболее зрелищный пример спектроскопии – открытие гелия, который был обнаружен в 1870-м году на основе новой спектральной линии, найденной в свете от Солнца – узкая область на длине волны в 587.49 нм (в желтой части спектра) с гораздо большим количеством света, чем у похожего на спектр черного тела по краям, но она не была найдена на Земле до 1890-х. Эти спектральные линии обеспечили концептуальную основу для часов, основанных на свете: если каждый элемент испускает и поглощает только специфические частоты света, мы можем получить нужную частоту света для использования в часах, выбирая определенную спектральную линию определенного химического элемента.

Однако для какого-либо реального применения всего этого физикам надо было понять, как атомы производят эти спектральные линии и как их частоты определяются законами физики, чтобы быть абсолютно уверенными, что на частоту можно положиться. В то время как Киркгоф и Бунзен открыли существование спектральных линий как эмпирического факта и полезного инструмента для физики и химии, происхождение этих линий оставалось загадкой.

Это оказалось трудной задачей, поскольку спектры многих элементов весьма сложны, с большим количеством линий по всему видимому спектру, и идентификация этих паттернов в густых лесах из спектральных линий была сложной задачей. Спектр от самого легкого элемента, водорода, в конечном счете дал подсказку для ее решения. Видимый спектр водорода состоит всего из четырех линий на длинах волн в 656, 486, 434 и 410 нанометров. Простота этого спектра, казалось, дает подсказку о простом, лежащем в основе, принципе, и в 1885 году швейцарский математик и школьный учитель Иоганн Бальмер обнаружил, что если он припишет целые числа видимым линиям водорода (3, 4, 5 и 6 соответственно), он сможет точно предсказать их длины волн, используя простую математическую формулу. Несколькими годами позже шведский физик Йоханнес Ридберг расширил работу Бальмера, связав все спектральные линии водорода (видимые линии, использованные Бальмером и схожие серии линий в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах) с парами целых чисел: m – для идентификации конкретной части спектра (1 – для «серий Лаймана[80]» в ультрафиолетовой зоне; 2 – для видимых линий Бальмера; и 3 – для «серий Пашена[81]» в инфракрасной зоне). Другое число n является линией в пределах этих серий. В современном прочтении формула Ридберга для определения длин волн этих линий, традиционно записываемых греческой буквой «лямбда» (!) выглядит следующим образом:

Символ R является константой, сегодня известной как постоянная Ридберга с современным значением 10 973 731.6 «обратных метров», или 1/m (чтобы согласовать с 1/ 1, с другой стороны), и ее значение определяет все длины волн, испускаемых водородом.

Формула Ридберга отлично работает для объяснения длин волн всех известных линий водорода и с некоторыми небольшими уточнениями может объяснять некоторые серии линий от других элементов. Формула Ридберга, может быть, и не годится для всех элементов вообще, но она была единственной успешной системой, с которой кто-либо вообще выступил. Ее математическая простота указывала на такую же элегантную структуру в основе явления. К несчастью, в течение следующих 25 лет ни у кого не возникло даже идеи, что за структура могла бы лежать в основе.

Самая невероятная вещь внутри атома

Настоящий прорыв в объяснении света, излучаемого и поглощаемого водородом и в конце концов и всеми другими элементами, произошел в 1913 году в работе датского физика-теоретика Нильса Бора. Однако этому предшествовало другое поразительное открытие, сделанное в лаборатории Эрнеста Резерфорда[82] в Манчестере, Англия.

В 1909 году Резерфорд уже был одной из главных сил, движущих физику, причем его только что наградили Нобелевской премией по химии в 1908 году за исследования, выполненные в университете МакГилла в Монреале в 1898–1907 годы. Эта работа дала нам классификацию радиоактивности в терминах «альфа», «бета» и «гамма» излучения, которые мы используем до сих пор. Он показал, что альфа-частицы были ядрами гелия (мы подробнее поговорим про альфа распад в 10-й главе), и продемонстрировал, что это их излучение превращает один химический элемент в другой. Это открытие об изменении химической идентичности оказалось причиной того, что Резерфорду дали Нобелевскую премию в области химии, что достаточно иронично. Ученый был известен тем, что достаточно пренебрежительно относился ко всем другим наукам, кроме физики, и открыто заявлял, что физика – единственная настоящая наука, а все остальное – это «собирание коллекции марок». Он рассказал об этом в одном из разговоров на Нобелевском банкете, пошутив, что из всех превращений, которые он изучал, ни одно не было более быстрым или неожиданным, чем его собственное превращение из физика в химика.

Но Резерфорд был не из тех, кто почивает на лаврах, и сразу запустил новую программу исследований, перебравшись в Манчестер в 1907 году. Его идеей было направить поток альфа-частиц, получившихся в результате радиоактивного распада радия, на кусочек золотой фольги. Он хотел использовать следы от этих частиц, чтобы уточнить некоторые детали о структуре материи. Наилучшей моделью атома в то время была модель Дж. Дж. Томпсона – модель «свинцового пуддинга», которая представляла атом как пузырь положительного заряда, наполненный по всему объему отрицательно заряженными электронами, встроенными внутрь него. Такой атом должен был оказывать лишь слабое сопротивление прохождению через него высокоэнергетических частиц из источника излучения Резерфорда, отклоняя их на крайне малое значение – несколько градусов самое большее.

Первоначальные эксперименты с альфа-частицами по этим небольшим отклонениям в основном показали, что ученые и ожидали. Для того чтобы перепроверить эти результаты, Резерфорд дал задание своему помощнику по исследованию, Хансу Гейгеру[83], и студенту старших курсов Эрнесту Марсдену задачу найти альфа-частицы, которые отклонились больше чем на 90 градусов и остались на той же стороне фольги, что и источник радиоактивного излучения.

Хотя принятая в то время теория говорила, что таких частиц им не найти, Марсден и Гейгер на самом деле обнаружили достаточное количество альфа-частиц, отклонившихся на большие углы, до 150 градусов, то есть практически повернувшихся назад к источнику. Назвать это неожиданностью – это слабо сказано; сам Резерфорд несколько лет спустя говорил:

«Возможно, это было самое невероятное событие, которое случилось в моей жизни. Это было так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок туалетной бумаги, и он отскочил прямо в вас».

Согласно атомной модели «свинцового пудинга», большие иглы отклонения, зафиксированные Марсденом и Гейгером, были просто невозможны. Электростатическое отталкивание между альфа-частицами высокой энергии и размазанный пузырь положительного заряда не могли сделать золотые атомы фольги настолько сильными, чтобы они повернули вспять.

Резерфорд это понял практически мгновенно и осознал, что шокирующий результат Марсдена и Гейгера может быть объяснен, только если положительный заряд атома был не «размазан», а сконцентрирован, то есть если бы позитивно заряженное ядро содержало большую часть массы атома. Предположение Резерфорда было рождением современной версии атома, как его рисуют в комиксах, изображая маленькое положительно заряженное ядро и вращающиеся вокруг него электрически заряженные электроны. На основе предположения, что большая часть массы атома находится в маленьком ядре, Резерфорд проработал уравнение, которое предсказывает, как те альфа-частицы, которые отклонились на определенный угол, должны зависеть от энергии альфа-частиц и от состава «мишени». Марсден и Гейгер выполнили новую серию экспериментов, и они полностью подтвердили все предсказания формулы Резерфорда.

Однако, как и с фотоэлектрической моделью Эйнштейна, заявление о практическом успехе модели Резерфорда не сразу завоевало общее признание. Причина этого проста: согласно хорошо понятной классической физике, атомная модель Резерфорда невозможна. Электрон, вращаясь на орбите вокруг ядра, будет постоянно изменять направление движения, а это означает, что он будет иметь ускорение. Это ускорение должно привести атом Резерфорда к быстрой смерти. Ускорение излучает радиацию: этот принцип использовал Герц для генерирования электромагнитных волн в своих экспериментах, а также для радиопередатчика, построенного полтора века до этого. Электрон, вращающийся по орбите, должен испускать высокочастотные световые волны – х-лучи (рентгеновские лучи) и гамма-лучи во всех направлениях.

При этом эти волны должны уносить прочь энергию, вызывая замедление электрона и его спиральное падение внутрь атома, пока он не врежется в ядро. Атом Резерфорда, похожий на Солнечную систему, был просто абсурдом с точки зрения классической физики.

Войдите в квантовый мир

Итак, модель атома Резерфорда с большей частью массы в ядре хорошо работала для объяснения экспериментов, проделанных Марсденом и Гейгером, но из-за принципиальных противоречий между представлением электронов, движущихся по орбитам, и классической физикой эту модель не слишком серьезно приняли за пределами Манчестера. К счастью, приехал Нильс Бор и несколько месяцев проработал с Резерфордом, что привело, в конце концов, к разрешению проблемы и полному изменению нашего представления об атоме. Бор и Резерфорд представляли странную пару: Бор был известен как человек, склонный к мягким формулировкам, и говорил обиняками, в то время как Резерфорд был громогласным и представительным. Контраст между учеными был виден и в работе: хотя Резерфорд и был весьма одарен математически, он часто недооценивал чистую теорию, а вот Бор был в основном теоретиком. Когда над Резерфордом подшучивали, что он работал с Бором, тот парировал: «Бор другой. Он футболист!» (Младший брат Бора, Гаральд, был вратарем и играл за датскую олимпийскую команду, а Нильс в молодости был сам довольно талантливым футболистом.)

Несмотря на огромную разницу в темпераменте, Бор и Резерфорд стали большими друзьями. Молодой датчанин оказался способным спасти модель атома Резерфорда, похожую на Солнечную систему. Бор признал, что проблема структуры атома означает решительный разрыв с классической физикой, равно как и проблема излучения черного тела. Как и в «ультрафиолетовой катастрофе», где физика говорила, что горячие предметы должны испускать огромное количество коротковолновых световых лучей, чего явно не наблюдалось; так и тут классическая физика говорила, что ядро атома не может существовать долгое время, хотя атомы были стабильны. Подобно Планку, Бор представил новую модель атома, просто заявив, что при определенных обстоятельствах правила классической физики неприменимы.

Ключом к модели атома Бора оказалась идея «стационарных состояний». Классическая физика говорила, что электрон на орбите должен испускать излучение, но Бор предположил, что для определенных особенных орбит, подобно «допустимым модам» в решении Планком задачи о черном теле, электрон не излучает. Как и в планковских воображаемых осцилляторах, что могли излучать энергию только дискретными порциями базовой энергии, электроны Бора могли лишь двигаться по орбитам с дискретными параметрами основного импульса углового момента[84]. Угловой момент является величиной, связанной с энергией вращения объекта, который принимает в расчет как скорость, так и распределение массы, и для объекта, не подверженного сколько-нибудь значительным внешним силам, остается постоянным. Классический пример – вращающийся фигурист: когда они вращаются с раскинутыми руками, то получается медленно, но когда прижимают руки к телу, начинают вращаться быстрее. Угловой момент одинаков в обоих случаях, но поскольку распределение масс изменяется, скорость вращения увеличивается для компенсации. Для частицы на круговой орбите угловой момент равен линейному импульсу частицы (масса, умноженная на скорость), умноженному на радиус орбиты, так что для конкретного углового момента частица должна вращаться медленно на большом радиусе или быстро на малом радиусе.

«Стационарные орбиты» Бора определялись квантовыми состояниями, похожими на те, что использовались Планком: допустимая орбита – это такая, где скорость электрона и радиус орбиты таковы, что угловой импульс становится целым кратным от результата умножения на постоянную Планка, поделенного на 2 «пи»[85].

Начиная с этого квантового условия, Бор определил свойства этих стационарных состояний, используя классические правила вычисления сил притяжений между положительным ядром и отрицательным электроном и центростремительной силы, что нужна для удержания частицы на круговой орбите. Поскольку частица быстро движется по орбите на меньшем радиусе и должна иметь тот же угловой импульс, что и движущаяся более медленно по большему радиусу, потребуется гораздо большая сила, чтобы «заворачивать» ее на меньшей окружности. Если вы поделите радиус пополам, скорость удвоится, но удерживание ее на орбите потребует в восемь раз больше силы. В атоме водорода сила, удерживающая электрон на орбите, происходит из электромагнитного взаимодействия между ядром и электроном, их поведение хорошо понятно: уменьшение радиуса вдвое учетверяет удерживающую силу. Если собрать все эти эффекты вместе, то мы получим единственную оптимальную скорость и радиус для каждого конкретного значения углового импульса: если использовать квантовое условие Бора для выбора значения углового импульса, есть только один радиус орбиты для которого электромагнитная сила достаточно велика, чтобы удерживать электрон на орбите с нужной скоростью для создания этого углового импульса.

Эти вычисления предсказывали радиус для атома водорода[86] в соответствии с тем, что было известно в начале 1900-х о примерном размере атома. Зная скорость электрона становится возможным вычислить его кинетическую энергию, что вместе с электромагнитным притяжением ядра может дать информации о том, сколько необходимо вложить в атом энергии, чтобы полностью удалить электрон – то есть сколько дополнительной кинетической энергии электрону надо, чтобы преодолеть притяжение ядра. Значение, которое Бор вычислил для своей «энергии ионизации», совпадало с полученными в экспериментах значениями для водорода. Эти результаты послужили полезным «проверочным тестированием» для предположения, что модель выстраивается в нужном направлении. Конечным результатом стал набор стационарных состояний, каждое из которых определялось целым числом единиц углового импульса, что в итоге привело к определению точного количества энергии для каждого состояния.

Энергия электрона на орбите вокруг ядра – это комбинация его кинетической энергии, благодаря его движению и потенциальной энергии в результате притяжения ядра. По договоренности в физике кинетическая энергия всегда положительна, в то время как потенциальная энергия отрицательна и зависит от расстояния между электроном и ядром. Потенциальная энергия электрона увеличивается по мере его удаления от ядра, поднимаясь почти до нуля, когда расстояние становится очень большим, и стремится к отрицательной бесконечности, когда электрон находится прямо на ядре. Эта договоренность позволяет четко разделять состояния, когда электрон и ядро связаны вместе и создают атом и когда электрон просто пролетает мимо, и у него есть шанс избежать захвата ядром. Если сумма его кинетической и потенциальной энергии отрицательна, электрон всегда будет где-то поблизости от ядра, и таким образом мы можем сказать, что он связан с атомом.

Квантовое условие Бора в сочетании с классической физикой для частицы на орбите дает набор орбит, каждая из них имеет общую отрицательную энергию, следуя простому паттерну: энергия n-ого состояния равна энергии ионизации, поделенной на n^2):

Это соответствует набору круговых орбит с увеличивающимся радиусом и энергий, которые увеличиваются в сторону нуля. Также существует широкий диапазон энергий, просто невозможных – электрон с одной из таких энергий не удовлетворяет квантовому условию Бора[87].

Модель Бора описывает орбиту, где электрон стабилен по определению и не испускает никакого света. Чтобы получить спектр испускаемого или поглощаемого атомом света, Бор применил то же правило, использованное Планком и Эйнштейном для соотношения частоты света с энергией. В модели Бора свет испускается во время квантовых прыжков с одной орбиты на другую: когда атом испускает свет, электрон падает с высокоэнергетической орбиты на орбиту с меньшей энергией, а когда атом поглощает свет, электрон сдвигается с орбиты с низкой энергией на орбиту с более высокой. (Мы обсудим причину этих прыжков между состояниями в главе 5.) В обоих случаях изменение энергии электрона рассчитывается для энергии света, что связано с частотой света согласно правилу Планка.

Что определяет спектр водорода, так это не энергия данной орбиты, а изменение энергии при перемещении электрона между орбитами. Дискретные орбиты в модели Бора ведут прямо к дискретному набору линий в определенных энергиях спектра и дают простое объяснение формулы Ридберга: 1/λ. = R (1/m^2 – 1/n^2): на левой стороне уравнения 1/λ относится к энергии излученного фотона, в то время как на правой, единица над целым количеством значений в квадрате, относится к энергиям стационарных состояний Бора. Постоянная R – просто энергия ионизации для водорода, поделенной на постоянную Планка и скорость света – значения, которые отлично были проверены. Различные наборы спектральных линий соответствуют группам перемещений, когда электроны останавливаются на какой-нибудь конкретной орбите, как это проиллюстрировано на рисунке ниже: видимые серии Бальмера включают атомы, испускающие фотон, что заканчивается состоянием n=2, в то время как ультрафиолетовые серии Лимана включают атомы с n=1.

Модель Бора также соотносит постоянную R в формуле Ридберга с фундаментальными физическими величинами, такими как масса и заряд электрона. Это может показаться не таким уж и важным достижением, но мало есть вещей, которые физики не любят так сильно, как появление новых постоянных, чье происхождение не может быть привязано ни к чему больше. Это позволяет модели Бора распространяться на ионы более тяжелых элементов, у которых удалены все электроны кроме одного. Согласно модели, энергия стационарных состояний должна зависеть от квадрата заряда ядра. Понимание этого было особенно важным для понимания спектра х-лучей (рентгеновских), испускаемых различными элементами, и помогло объяснить организацию Периодической таблицы, как это будет более подробно рассказано в главе 6.

Орбиты и энергетические уровни в модели Бора вместе с перемещениями привели к трем рядам спектральных линий.

Несомненно, остается еще одна проблема с моделью Бора, равно как и с моделью излучения черного тела, разработанной Планком, которая вдохновила на ее создание: нет явной причины для введения квантовой гипотезы стационарных состояний. До тех пор, пока вы желаете согласиться с ней, модель Бора прекрасно подходит для водорода и водородоподобных ионов. Это может показаться скромным успехом, но поскольку это был первый успех за десятилетия, он начал революцию. Другие физики, особенно Арнольд Зоммерфельд[88], нашли способы формализовать квантовую идею Бора математически, и это стало очень скоро доминантной основой для понимания структуры атомов и молекул[89].

Огромный успех модели Бора был концептуальным, он ввел в оборот идею дискретных энергетических состояний внутри атомов, основываясь на квантовой гипотезе Планка и модели квантованного света Эйнштейна. В то время как для определения этих атомных состояний и их энергий использовались математические техники, они очень сильно изменились. Эта центральная концепция остается в силе и считается абсолютно фундаментальной для нашего современного понимания физики и химии.

В сущности все, что мы знаем о структуре атомов и молекул, исходит из использования света, который они излучают для вычисления энергий их допустимых состояний. Для более тяжелых атомов спектр может быть очень сложным и обеспечивает богатую информацию о расположении электронов и взаимодействии между ними. Точно так же, как спектр черного тела Планка позволяет нам определять температуру далеких объектов во Вселенной, характерные линии поглощения и излучения различными элементами позволят нам определять, из чего сделаны эти объекты. Здесь, на Земле, также множество технологий химического анализа зависят от идентификации спектральных линий конкретных атомов и молекул.

Эти спектральные линии также находят техническое применение в нашей повседневной жизни, например, флуоресцентное освещение. Флуоресцентные лампочки содержат газ, состоящий в основном из атомов ртути. Когда они возбуждаются электрическим током, эти атомы испускают свет в красном, зеленом и синем диапазонах спектра, производя свет, который кажется синевато-белым для нашего зрения Они также излучают достаточное количество невидимого ультрафиолетового света, и флуоресцентные трубки покрыты химическим составом, он и поглощает энергию от ультрафиолетового света и излучает его в видимом диапазоне, увеличивая количества производимого света, что позволяет дизайнерам по свету контролировать смеси цветов для получения различных эффектов.

Высокая эффективность флуоресцентных ламп также есть, в конечном счете, функция от квантового условия Бора. Раскаленная лампа должна нагревать свою нить до достаточно высокой температуры, чтобы генерировать спектр черного тела с нужным цветом, но излучаемый спектр будет обязательно включать большое количество инфракрасного света, который наши глаза не видят. Газ в флуоресцентной трубке достаточно разрежен, так что атомы в сущности не зависят друг от друга, поэтому они испускают свет не в широком спектре, а в конкретных линиях, сконцентрированных в видимом диапазоне.

В результате, хотя общее количество света, сгенерированного для данного тока, может быть и меньше, большая часть этого света видима для людей, поэтому в целом эффективность такой лампы выше.

Атомные часы

Модель атома Бора и информация, которую он дал нам о спектрах света, излучаемых атомами, также заложило фундамент для революции в измерении времени – вот почему сегодня устройство даже дешевого будильника включает в себя квантовые принципы. Частота света, поглощенного или излученного атомами конкретного элемента, определяется только разницей в энергии между двумя состояниями электрона, и такие состояния являются фиксированными согласно законам физики. Каждый атом цезия во Вселенной идентичен любому другому атому цезия, и поэтому они все действуют как идеальные маленькие генераторы одинаковых частот: если атом цезия поглощает свет, вы точно и без вопросов знаете, какой частоты был этот свет. Наконец, у нас есть источник света, который мы можем считать основой для наших часов.

Современное определение секунды – это время, за какое происходит 9,192,631,770 колебаний света, связанного с переходом между двумя конкретными состояниями электрона в атоме цезия[90]. Самые современные атомные часы состоят из лабораторного источника света в микроволновом диапазоне и набора из нескольких миллионов атомов цезия, охлажденных до нескольких миллионных долей градуса выше абсолютного нуля, это и служит базовой частотой. Облако из таких атомов с подготовленным электроном в одном состоянии запускается вперед через полость, в котором атомы взаимодействуют со светом от источника микроволнового излучения. Затем атомы замедляют свое движение под действием гравитации и, наконец, снова падают обратно через полость. Этот второй проход через полость дает второе взаимодействие с микроволновым излучением, после него атомы измеряются, чтобы узнать, в каком они состоянии. Если частота микроволнового источника точно совпадает с частотой, связанной с переходом цезия, все атомы будут переведены во второе состояние, в то время как небольшая ошибка в частоте будет приводить к тому, что некоторые из атомов останутся в начальном состоянии. Специалисты, управляющие часами, используют часть атомов, совершивших переход, для определения, насколько подстроить частоту микроволнового излучения, чтобы она лучше соответствовала переходу электрона в атоме цезия, и процесс повторяется.

Этот процесс двойного взаимодействия (за него Норман Рамзей[91]получил Нобелевскую премию), в сущности, является тем же, что вы используете, когда подводите часы. Во-первых, вы синхронизируете ваши часы с сигналами точного времени, например, на официальной странице Национального института стандартов и технологий (NIST). Затем вы немного ждете и еще раз проверяете часы по сигналу точного времени. Если они спешат или отстают, вы подстраиваете их до точного времени и повторяете процесс.

В цезиевых атомных часах первое взаимодействие с микроволновым излучением играет роль синхронизации, это попытка перевести атомы в состояние, при котором колебания происходят точно на частоте, определяемой разницей в энергиях между уровнями. Микроволновое излучение начинается точно в фазе, и атомы колеблются некоторое время до того, как начнется взаимодействие. Если частоты совпадают, колебания остаются в фазе, и все атомы переходят во второе состояние. Если же частота немного выше или ниже, некоторые из атомов останутся в начальном состоянии, и физики знают, что надо подкорректировать частоту, чтобы компенсировать различия. Каждый цикл часов занимает около одной секунды, и после часа или около того работы часов конечный результат – это микроволновой источник, который совпадает с частотой перехода атома цезия до нескольких долей 10^16. Такие «часы» могут идти без перерыва миллиарды лет до того, как они начнут отклоняться по времени от часов, основанных на истинной частоте цезия на одну секунду.

Официальное мировое время по международным договорам определяется из набора более чем семидесяти атомных часов, работающих в национальных лабораториях разных стран. Название этого официального времени – UTC (universal time coordinated – всемирное координированное время. – Прим. пер.). Это прекрасный пример международной договоренности: в Англии его называют CUT (скоординированное всеобщее время), во Франции – TUC (время универсальное координированное). Окончательно аббревиатура была принята таковой, чтобы не составлять осмысленное время ни на одном языке. Официальная сеть времени используется для координации обмена информацией через Интернет и другие глобальные сети передачи информации и точно синхронизируется с UTC, так что, если вы достанете свой смартфон, чтобы проверить время, он в конце концов возьмет это время из цезиевых часов.

Конечно, мой дешевый прикроватный будильник не связан с Интернетом. Он получает свой сигнал точного времени от переменного тока стенной розетки, который колеблется от высокого напряжения к низкому и обратно шестьдесят раз в секунду. Но даже в этом можно проследить связь вплоть до атомного времени, поскольку современные силовые электросети связывают множество электростанций на больших пространствах, частота напряжения в 60 Гц, которую они обеспечивают, очень жестко регулируется и компании по выработке электрической энергии сильно полагаются на атомное время и на распределение времени по сетям для того, чтобы держать все электростанции в синхронном режиме. Без четкого контроля частоты гидроэлектрическая станция в Вермонте может выпасть из синхронизации с такой же станцией в Буффало. В конце концов, компания, обеспечивающая электричеством мой дом в Нискаюне, может обнаружить, что Буффало старается повысить напряжение в то же мгновение, когда Вермонт стремится понизить его. Эти находящиеся не в фазе колебания напряжения будут частично уничтожать друг друга, снижая общую доступную мощность и ведя к потерям в электросетях, которые могут стоить миллионы долларов.

Наконец, все современные системы наблюдения за временем, от национальных лабораторий, который мониторят замороженные наборы атомов цезия, до сетевых компьютеров, что ставят отметки времени на наши емейлы и даже, на первый взгляд, на такой примитивный прибор, как будильник, который начинает своим писком мой день – фундаментально квантовые. Подобно строителям Ньюгрейнджа, мы отмечаем течение времени с помощью света, но наши часы работают на гораздо меньшей и более странной шкале: подсчетом колебаний световых волн, производимых электронами, они прыгают между атомными квантовыми состояниями, как это впервые описал в 1913 году Нильс Бор.

Глава 5

Интернет: Решение проблемы

Мои социальные медиа полны обычных мелочей – утренние новости из Европы и Африки, вечерние истории из Азии и Австралии, цифровые фотографии детишек и котов от друзей со всего мира.

Никакой набор технологий не определяет текущий момент истории так определенно, как Интернет. Способность практически мгновенно обмениваться информацией с любым виртуальным собеседником на планете радикально изменила не только сами средства коммуникаций, но и любое число повседневных действий, на которые мы полагаемся. Мы покупаем музыку и кинофильмы, заказываем практически все с доставкой прямо до порога и делимся текстовыми сообщениями и картинками с друзьями и семьей, когда они далеко от нас. За невероятно короткий промежуток времени Интернет превратился из чего-то, что использовала только горстка исследователей, во всеобъемлющую сеть, влияющую на каждый аспект жизни. Мы еще до сих пор пытаемся понять, будут ли принесенные изменения в конечном счете положительными, но Интернет уже бесспорно изменил общество и будет еще какое-то время его трансформировать.

Телекоммуникации на больших расстояниях сами по себе не считаются новой технологией, мы посылали электронные послания между континентами со времен изобретения телеграфа. Интернет в том виде, как мы его знаем, однако, был бы невозможен без развития высокочастотных оптоволоконных сетей, способных передавать невероятно огромные количества данных. В наши дни большая часть интернет-трафика передается на большие расстояния за счет импульсов света, путешествующих по оптоволокну, и лазеры, которые создают эти импульсы, были бы невозможны без понимания квантовой физики.

Мировая паутина до Интернета

Эра глобальных телекоммуникаций значительно старше, чем полагают большинство людей, и она простирается до 1858 года, когда был создан первый трансатлантический телеграфный кабель между Ирландией и Ньюфаундлендом. Первое соединение потребовало героических усилий и длилось всего примерно месяц до того, как прервалось. Однако на короткий момент Европа и Северная Америка могли обмениваться посланиями, не ожидая неделями, пока корабль физически пересечет океан.

Короткий успех и ранний провал первого кабеля ускорил новые усилия, и в 1866 году гораздо более прочный и лучше сконструированный, с инженерной точки зрения, кабель был проложен по дну Северной Атлантики. Телеграфный контакт между континентами с тех пор поддерживался постоянно. В последние полтора столетия еще много кабелей были протянуты, объединяя весь земной шар.

Критической метрикой для любых коммуникационных сетей является скорость, с которой они могут передавать информацию, это часто называют «полосой пропускания[92]». Она измеряется в терминах битов в секунду[93]. Полоса пропускания самого первого трансатлантического кабеля в 1858 году была весьма плохой: передача первого официального послания от британской королевы Виктории президенту США Дж. Бьюкенену заняла семнадцать часов и сорок минут, намного меньше одной десятой бита в секунду. Улучшения в технологии изготовления кабелей и телеграфа быстро повысили скорость передачи, и в 1866 году кабель уже передавал послания примерно в восемьдесят раз быстрее, но полоса пропускания трансатлантической связи оставалась низкой вплоть до начала XX века.

Телеграф и позднее телефонные кабели переносили электрические импульсы через огромные расстояния с помощью медных кабелей и сталкивались с серьезными проблемами затухания сигнала.

Даже такой прекрасный проводник, как медь, имеет некоторое электрическое сопротивление, что на больших расстояниях ведет к постепенному понижению напряжения полученного сигнала относительно напряжения посланного сигнала. Это может решаться с помощью увеличения напряжения при посылке сигнала, но только до определенных пределов: полный провал работы кабеля 1858 года был частично обусловлен неразумным использованием источников высокого напряжения на Северо-Американской стороне, что в конце концов вызвало коррозию изоляции подводного кабеля.

Хотя затухание сигнала – проблема и для кабелей, проходящих по суше, особенно остро она проявляется для тех, что проложены по дну океанов. На земле затухание можно победить, добавив «повторители» через регулярные расстояния для того, чтобы получить сигнал с низким напряжением и переслать его дальше уже с более высоким напряжением. Однако размещение повторителей (усилителей или ретрансляторов[94]) на глубине океана было полностью невозможным в 1860-х годах, и прошло почти столетие до тех пор, пока первый кабель с автоматическим ретранслятором был протянут через Атлантику. Хотя добавление ретрансляторов решало проблему затухания, это удорожало и усложняло кабели как на земле, так и под водой. Повысить пропускную способность медных линий передач оставалось главной проблемой для телекоммуникационных инженеров в течение многих десятилетий.

Развитие лазеров позволило невероятно увеличить полосу пропускания, перейдя к принципиально другому способу передачи сигнала. Вместо того, чтобы кодировать «0» и «1» в качестве битов сигнала, как разных напряжений, посылаемых через медный кабель, современные сети представляют их виде импульсов света по принципу «включено-выключено» через тонкие волокна из стекла.

Оптическое волокно представляет собой тонкий цилиндр, сделанный из двух слегка отличающихся типов стекла: тонкая «сердцевина» из одного типа окружена «покрытием»[95] из стекла другого типа. Свет путешествует по сердцевине и отражается от границ между двумя сплавами, таким образом он постоянно движется в пределах сердцевины, даже если оптоволокно где-нибудь огибает углы. Это позволяет направлять световые импульсы по нужным маршрутам без необходимости выдерживать прямую линию от одного конца до другого.

Структура оптоволокна – нить со стеклянной сердцевиной, окруженной другим типом стекла наподобие коры.

Световые лучи, входящие с одного конца волокна, отражаются от границ между стеклами и держатся в рамках сердцевины[96].

Оптическое волокно предоставляет огромные преимущества по сравнению с медными проводами в терминах затухания сигнала. Световые импульсы, идущие по оптоволокну, тоже затухают, поскольку часть света все-таки выходит наружу или поглощается стеклом, но на инфракрасных длинах волн, используемых в современных оптоволоконных системах – две основные полосы частот используют свет в районе 1300 или 1500 нанометров – дистанция, на которую можно послать сигнал без ретрансляции примерно в десять раз больше, чем расстояние для медных линий передач. Оптические волокна, также могут быть упакованы вместе гораздо более плотно, чем медные провода, поскольку свет, бегущий по сердцевине одного волокна, никаким образом не может попасть в лежащее рядом волокно. Это снимает проблему взаимного влияния между соседними проводниками, когда сигнал высокого напряжения в одном медном проводе может навести меньший по силе сигнал в другом проводе, если они лежат слишком близко друг от друга.

Переход от пересылки сигналов в виде электрических импульсов через медные провода к световым импульсам через оптоволокно привел к взрывному росту полосы пропускания, доступной для глобальных телекоммуникационных сетей. Я достаточно стар, чтобы помнить время, когда было сложно сделать голосовой звонок между странами, в то время как мои дети считают в порядке вещей смотреть потоковое видео с высоким разрешением практически откуда угодно. Однако, чтобы поддерживать оптоволоконные сети в рабочем состоянии, потребовался гигантский прыжок в технологиях генерирования и управления светом. В частности, оптика с широкой полосой пропускания требует источников, создающих световой сигнал на одной частоте в пучке, который можно направить через сердцевину волокна тоньше человеческого волоса. Ни один классический источник света с этим не справится: горячие предметы производят свет в слишком широком диапазоне частот, чтобы быть полезными, в то время как спектральные линии от атомов газа, как обсуждалось в предыдущей главе, могут быть достаточно узкими, но сам свет от газа (как при использовании в флуоресцентных лампах) слишком размыт, чтобы его эффективно направить в волокно.

Тип света, который нужен для оптоволокна с широкой полосой пропускания, в телекоммуникациях может исходить только от лазера, а его изготовление требует детального понимания квантовых законов, именно они правят тем, как атомы испускают свет.

Как атомы испускают свет

Первый работающий лазер был создан в 1960 году вслед за конкурирующими теоретическими предложениями, которые привели к длительной патентной битве. Физические основы для изготовления лазера, однако, были разработаны более чем на сорок лет раньше, в статье Альберта Эйнштейна в 1917 году.

Первая заявка Эйнштейна на славу, как на поляне физики так и среди общей публики, исходила из развития его теории относительности, особенно общей теории относительности с ее объяснением гравитации как четырехмерной свертки пространства-времени материей. Это иногда заставляло людей полагать, что он всегда работал с очень абстрактной математикой, но это не так. Его начальные работы по специальной теории относительности[97] использовали относительно простую математику, и прошло целых десять лет до того, как он закончил общую теорию относительности в 1915 году. Задержка на десятилетие между теориями возникла по большей части, потому что он кропотливо изучал математику искривленных пространств, которая ему требовалась для того, чтобы закончить общую теорию относительности, с помощью своего друга Марселя Гроссмана[98]. Эйнштейн был очень одарен математически, но настоящий его гений лежал в интуиции в области физики и в ясности ее глубинного понимания. В конце концов он почти всю математику почерпнул из работ Дэвида Гилберта[99], который понимал ее гораздо лучше, чем сам Эйнштейн.

Гилберт позже сказал: «Любой мальчик на улицах Геттингена понимал больше в четырехмерной геометрии, чем Эйнштейн», но в действительности он верил, что Эйнштейн обладает таким пониманием физики, которое сделает теорию возможной. Формальное базовое образование Эйнштейна по физике лежало больше в области того, что сегодня бы назвали статистической механикой: изучение свойств больших наборов частиц. Его докторская диссертация 1905 года «Новое определение размеров молекул» удивительно обыденна по сравнению с его наиболее знаменитой работой – она описывала связь вязкости раствора сахара с размером растворенных молекул.

В тот же год он продолжил свою работу статьей по броуновскому движению, это нечто вроде хаотичного движения наблюдаемых под микроскопом частиц, плавающих в воде. Эйнштейн приписывал броуновское движение случайным столкновениям между этими частицами и окружающими их молекулами воды. Он использовал уравнение, которое вывел на базе этой идеи, и показал, как использовать измерения броуновского движения для определения свойств этих молекул. Две эти статьи совместно оказали большое влияние, помогая убедить последних противников того, что атомы и молекулы реальны, имеют физические размеры, а не условные понятия для вычислений.

Статья Эйнштейна в 1917 году выросла из этих статистических корней и рассматривала вопрос о том, что происходит с большим количеством фотонов и атомов, взаимодействующих друг с другом. Это может показаться довольно донкихотской затеей, особенно учитывая, что это еще была эпоха «старой квантовой теории», и ни фотоны и ни атомы были в сущности непонятны. Странность физики в том, однако, что проблемы, которые практически невозможно решить, когда имеешь дело с несколькими частицами, часто можно удивительно разрешить, если работать с неисчислимо большими их количествами. Физика отдельного протона, взаимодействующего с отдельным атомом, может быть плохо понятна, но представление их в очень больших количествах позволяет неплохо объяснить множество деталей индивидуальных взаимодействий. Тот же тип статистических рассуждений позволил Эйнштейну связать броуновское движение и молекулярные свойства без знания деталей каких-либо молекулярных взаимодействий и вывести логически некоторые свойства фотонов из крайне простой[100] базовой модели их взаимодействия с материей.

Статья Эйнштейна рассматривала взаимодействие между фотонами и набором атомов, похожих на модель атома Бора, которые поглощают или излучают свет, только когда электрон перемещается между двумя разрешенными дискретными орбитами. Для простоты он рассматривал только два состояния атома (низкоэнергетическое «основное» состояние и высокоэнергетическое «возбужденное» состояние), так что ему оставалось только отслеживать единственную частоту света, определяемую энергетической разницей между двумя состояниями.

В этой простой картинке взаимодействия между светом и атомом могут классифицироваться в терминах двух состояний: или атом находится в основном состоянии, или он находится в возбужденном состоянии, а также есть свет нужной частоты или нет. В пределах этой схемы существует возможность для трех процессов[101]:

1. Поглощение – если есть один атом в основном состоянии и свет нужной частоты, атом может поглотить фотон и перейти в возбужденное состояние.

2. Спонтанное излучение – если есть атом в возбужденном состоянии, он может вернуться в основное состояние и излучить фотон, независимо от того, есть свет или нет.

3. Индуцированное излучение[102] – если есть атом в возбужденном состоянии, фотон нужной частоты может заставить его испустить второй фотон и перейти в основное состояние.

Первые два процесса были уже хорошо известны в 1917 году[103], поскольку поглощение и излучение света парами атомов использовались для идентификации элементов задолго до создания квантовой модели атома Бором. Третий процесс, индуцированное излучение, был собственным изобретением Эйнштейна и оказался критически важной составляющей частью той физики, что сделала изготовление лазера (и таким образом, современного Интернета) возможным.

Может показаться странным полагать, что один фотон может вызывать излучение другого, посылая энергию внутрь атома и каким-то образом при этом уменьшая его энергию, но, как показал Эйнштейн, если вы будете рассматривать электрон в атоме как осциллятор (колеблющуюся частицу, чем, в некотором смысле, он и является, чтобы генерировать свет), классическая физика требует, чтобы такой вариант процесса имел место. Это легко представить, если использовать аналогию с ребенком на качелях: если момент, в который вы подталкиваете качели, совпадает с их наибольшим подъемом, то вы будете увеличивать энергию движения раскачивания и заставите их подняться еще выше. Это произойдет, конечно, только при условии, что вы будете подталкивать их точно с нужной частотой. Однако, если толчки будут против их движения, когда качели проходят самую нижнюю точку дуги, вы быстро сможете их остановить[104]. Таким же образом свет нужной частоты «подталкивает» электрон на орбите и может или увеличить, или уменьшить энергию электрона. В квантовом сценарии уменьшение энергии с верхнего до нижнего состояния должно привести к излучению фотона.

Хотя Эйнштейн еще не был способен объяснить детали процесса индуцированного излучения, классическая аналогия говорит нам, что индуцированное излучение должно работать как усилитель существующего света: излученный фотон должен иметь ту же самую частоту, что и фотон, который заставил его излучиться, и он должен двигаться в том же самом направлении. Короче говоря, индуцированное излучение – это процесс, когда один возбужденный атом и один фотон дают один атом в «основном» состоянии» и два фотона, которые абсолютно идентичны по всем параметрам.

Что Эйнштейн узнал о свете

Описав эти три процесса, Эйнштейн опустил подробности и просто заявил, что каждый из них должен происходить с некоторой вероятностью. Затем он привлек свои базовые знания в области тепловой и статистической физики, чтобы понять, что можно вывести об этих вероятностях и свойствах фотонов, из характеристик, которые должны наблюдаться в очень больших скоплениях атомов, взаимодействующих со светом. Рассматривая эту простую модель взаимодействия атома и фотона в терминах вероятностей, Эйнштейн раскрыл все богатство физики.

Самый важный принцип был взят из термодинамики, а именно идея, что газ из атомов и собрание фотонов должны быть способны достичь состояния равновесия. В равновесии общие свойства большой системы не изменяются, даже если могут изменяться отдельные компоненты. Например, когда два атома газа сталкиваются, если один атом замедляет свое движение, другой ускоряется, так что общая энергия газа (и, таким образом, его температура) остаются постоянными. Равновесные состояния являются основой термодинамической и статистической физики, а также мощным инструментом для рассуждений о свойствах больших собраний атомов и молекул. Так что совершенно естественно, что Эйнштейн расширил эту идею и на квантовый свет.

В упрощенной модели атом-фотон, какую использовал Эйнштейн, равновесие должно означать, что любой фотон, поглощенный одним атомом, через короткое время будет замещен фотоном той же частоты, излученным каким-либо другим атомом, и любой атом, который переходит из высокоэнергетического состояния в низкоэнергетическое, будет вскоре замещен новым атомом, возбужденным до высокоэнергетического состояния за счет поглощения фотона. В таком состоянии и число высокоэнергетических атомов, и интенсивность света остается в среднем постоянной. Вопрос тогда в том, каковы должны быть свойства света, чтобы газ из атомов достиг равновесия с этим светом.

В обычной термодинамике мы чаще всего обнаруживаем, что состояние равновесия возникает, когда различные компоненты системы достигают одинаковой температуры. Если вы поместите кусок горячего металла в холодную воду, например, то состояние системы сначала будет меняться очень быстро, при этом металл будет охлаждаться, а вода нагреваться. Когда и металл, и вода достигнут одинаковой теплой температуры, они перестанут изменяться, достигнув равновесия. Один из вопросов, который рассматривал Эйнштейн, будет ли то же самое справедливым для смеси атомов и света.

Мы уже видели один из способов связать температуру и свет, например, Планковское описание излучения черного тела, чей спектр определялся только температурой. Мы также можем связать температуру с атомами двумя способами: первым будет знакомое определение средней кинетической энергии атомов, движущихся в газе, но температура также отражается числом атомов, которые находятся в газе в возбужденном состоянии. Некоторая часть тепловой энергии газа может быть конвертирована во внутреннюю энергию атомов, например за счет столкновений двух атомов в основном состоянии. Вследствие этого оба атома начинают двигаться медленнее, но один из них переходит в возбужденное состояние. Для газа из атомов при данной температуре вероятность нахождения какого-либо определенного атома в возбужденном состоянии будет простой функцией от температуры, которая была проработана Максвеллом и Больцманом в поздние 1800-е годы.

Начиная с газа, состоявшего из атомов при некоторой температуре, взаимодействующего со светом через трехфотонные процессы, описанные выше, Эйнштейн показал, что число имеющихся фотонов, то есть интенсивность света на соответствующей длине волны – когда система достигает равновесия, точно совпадает с предсказаниями из формулы Планка для спектра черного тела при той же температуре, что и атомы. Похожим образом, если начать со спектра черного тела для света, и при этом все атомы будут находиться в основном состоянии (с минимальной энергией), в стадии равновесия количество атомов в возбужденном состоянии будет точно тем, что ожидается обнаружить в газе при соответствующей температуре.

Тот факт, что квантовая формула Планка для спектра черного тела естественным образом вытекает из применения квантовой идеи к свету, был мощным аргументом в пользу реальности существования фотонов. Конечно, для газа из атомов достижение равновесного состояния со светом также требует, чтобы поглощаемые и испускаемые фотоны могли менять скорость, чтобы изменить среднюю кинетическую энергию атомов. Это, в свою очередь, означает, что отдельные фотоны должны обладать импульсом, и Эйнштейн использовал свою модель, чтобы показать, что необходимый импульс фотона точно соответствует тому, что можно ожидать, как следствие его специальной теории относительности 1905 года, а также продемонстрировать, что квантовый свет хорошо соотносится еще с одной устоявшейся областью физики и обеспечивает дополнительную поддержку понятия фотонов.

Импульс фотонов напрямую наблюдался через несколько лет Артуром Холли Комптоном[105] как изменение длины волны рентгеновских лучей, которые рассеивались электронами металла. Экспериментальное наблюдение этого «рассеяния Комптона» было одним из заключительных элементов для подтверждения того, что свет имеет корпускулярную природу[106]. В наши дни импульс фотона – это важный инструмент для технологий лазерного охлаждения, которые используют рассеяние света для замедления движения атомов в газе, создавая небольшие облака из атомов при температурах в пределах миллионных долей градуса от абсолютного нуля. Эти технологии революционизировали изучение атомной и молекулярной физики, поскольку свойства таких медленно двигающихся атомов могут быть измерены с беспрецедентной точностью, и в 1997 году Нобелевская премия по физике была присуждена трем физикам[107] за открытие технологий охлаждения лазера в начале 1980-х годов.

Эйнштейн также использовал статистическую модель, чтобы показать простую и непосредственную взаимосвязь между уровнями спонтанного излучения, индуцированного излучения и поглощения. Для того чтобы смесь света и атомов пришла в равновесие, уровни индуцированного излучения и поглощения должны быть равны между собой и пропорциональны уровню спонтанного излучения. Атом с высоким уровнем спонтанного излучения также будет легко поглощать свет, а такой атом может быть так же легко индуцирован, чтобы излучить свет.

Точный уровень спонтанного излучения для отдельного атома было невозможно вычислить в 1917 году, и потребовалось подождать, как минимум, десятилетие для развития полной теории квантовой механики. Взаимосвязь, которую Эйнштейн нашел между степенью готовности атомов поглощать свет и уровнем спонтанного излучения (обычно измеряемого в периоде существования атома, возбужденного до определенного состояния), можно проверить с помощью экспериментов и хорошо им соответствует. Модель также предсказывает, что уровень спонтанного излучения должен быстро возрастать с увеличением частоты излучаемого света, и действительно, экспериментальные наблюдения это подтвердили[108]. Статья Эйнштейна по статистике света от 1917 года не считается самой известной его работой, но она была исключительно важной частью для построения всей квантовой оптики. Простая вероятностная модель поглощения, индукционного излучения и спонтанного излучения до сих пор используется для предсказания взаимодействий между светом и атомарными газами, и эти вероятности называются «коэффициентами Эйнштейна» в честь этой работы. Возможно, наиболее значимая для физики в целом, эта статья сыграла критически важную роль в том, чтобы убедить физиков относиться к фотонам серьезно в то время, когда даже Нильс Бор неохотно принимал эту концепцию и предпочитал более классическую модель, где его дискретные атомные состояния взаимодействовали со светом, который был только волной.

Для наших целей, однако, наиболее важная часть работы Эйнштейна от 1917 года о фотонах – ее начало – введение понятия спонтанной эмиссии. Тот факт, что один фотон может запустить излучение другого фотона сам по себе, делает возможным создание лазера с самыми драматическими последствиями для повседневной жизни.

История лазера

Как многие из физиков, Чарлз Таунс[109] провел Вторую мировую войну, работая над новой технологией радаров, которая привела к колоссальным улучшениям методов генерирования, управления и обнаружения света на частотах микроволнового диапазона. После войны физики вернулись к мирным исследованиям, начали использовать эти новые микроволновые источники для изучения свойств атомов и молекул, создавая карты переходов между состояниями. Эти эксперименты привели к революционному развитию физики, подобно тому, как когда Уиллис Лэмб[110] и Роберт Ризерфорд[111] открыли небольшое различие в энергиях между двумя состояниями у водорода, которые при этом должны были быть идентичны. Попытки объяснить этот «Лэмбовский сдвиг» привели к разработке квантовой электродинамики (QED[112]), одной из самых странных теорий в науке за всю историю, но при этом бесспорно точно подтвержденной экспериментами[113].

Эксперименты с микроволновой спектроскопией были также первым шагом к разработке лазера, по мере того как Таунс и другие искали способы расширить диапазоны длин волн, которые они могли изучать, до низких частот (более длинных волн), чем те, что использовались в военное время для развития радаров. Низкие частоты представляли интерес, поскольку многие молекулы поглощали и излучали свет в этой части спектра, и Таунсу пришла мысль использовать сами молекулы для генерирования микроволн.

Таунс создал пучок молекул аммиака в возбужденном энергетическом состоянии и послал их через микроволновую камеру – металлическую камеру с маленькой дырочкой, как та воображаемая коробка, которую мы использовали в главе 2 для представления модели черного тела, созданной Планком. Размер камеры был выбран таким образом, чтобы соответствовать длине волны микроволн, излучаемых молекулами аммиака. Любые фотоны, которые излучались молекулами аммиака, проходя через него, бодро отскакивали туда-сюда внутри углубления, оставаясь там на долгое время до того, как могли выскочить обратно через дырочку.

Само по себе это не было бы так интересно, поскольку уровень спонтанного излучения фотонов молекулами на этих длинах волн весьма невысок, но благодаря процессу индуцированной эмиссии, этот прибор работал как усилитель. Возбужденная молекула аммиака, входя в камеру, могла встретить фотон уже внутри точно на нужной частоте, чтобы (потенциально) индуцировать излучение второго фотона, идентичного первому. Следующие молекулы уже обнаруживали двух фотонов внутри, и вероятность индуцированного излучения увеличивалась, и поскольку процесс повторялся снова и снова, количество фотонов возрастало. Таунс описал это с помощью аббревиатуры MASER – Microwave Amplification by Simulated Emission of Radiation – микроволновый усилитель с индуцированным излучением радиации).

Мазер Таунса был достаточно интенсивным источником микроволн в крайне узком диапазоне частот, что логично вытекало из модели фотона, разработанной Эйнштейном в 1917 году, хотя Эйнштейн и не рассматривал такой вариант в своей статье. В обычном газе большая часть атомов находится в низкоэнергетическом состоянии, поэтому фотон крайне редко встречается с возбужденным атомом, когда он вызывает индуцированное излучение. В своем мазере Таунс использовал поток молекул, которые он уже возбудил электрическим током, то есть они в большинстве своем уже были в высокоэнергетическом состоянии, что и было необычным и получило название «инверсия популяционных населенностей». Эта инверсия создает ситуацию, когда вероятность встречи фотона и молекулы в высокоэнергетическом состоянии гораздо более вероятна для индуцирования излучения.

Каждый новый фотон имеет идентичную частоту (и направление движения, поляризацию и другие оптические свойства) с тем, который его индуцировал. Так как каждый из этих фотонов может, в свою очередь, индуцировать излучение другого идентичного фотона, этот процесс ведет к экспоненциальному росту фотонов (один выбивает два, дальше четыре, дальше восемь и так далее) в очень узком диапазоне длин волн[114].

Малая часть света может быть выпущена через маленькие дырочки в камер, и его частота измеряется с высокой точностью. Мазеры, использующие атомы водорода, – критически важный элемент системы, используемой для определения и распределения времени от атомных часов, помогающая поддерживать точный период времени между циклами колебаний в цезиевых часах.

Вслед за разработкой мазера Таунс начал обсуждение, как расширить эту базовую идею на области видимого спектра, со своим коллегой (и кузеном) Артуром Шавловым[115]. Таунс и Шавлов сумели исхитриться и создать «оптический мазер», хотя на саму мысль их навел студент Гордон Гулд, который дал прибору его современное название. После разговора с Таунсом Гулд записал несколько мыслей в записной книжке[116] под заголовком LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – световой усилитель с помощью индуцированного излучения радиации. Название закрепилось, хотя лишь немногие помнят его происхождение как аббревиатуры, и стало отдельным от первоначального «мазера».

Ключевые компоненты лазера такие же, как и у мазера: «инверсия популяционных населенностей[117]» со множеством электронов в высокоэнергетических состояниях внутри атомов или молекул, на нужной частоте и камера для того, чтобы держать там излученные фотоны, отскакивающие от стенок и взаимодействующие с атомами. Как мы увидим, получение этих компонентов считается более трудной задачей для видимого света, чем для микроволн, но если их сделать, механизм работает так же: фотоны, какие уже находятся в камере, индуцируют излучение из возбужденных атомов, и число фотонов растет экспоненциально.

Первой технической трудностью для перехода от мазера к лазеру было создание инверсии популяционных населенностей. Большинство атомов в возбужденном состоянии с энергиями, соответствующими частотам в видимом диапазоне света, имеют крайне короткие периоды существования (сроки жизни) перед тем, как они спонтанно излучат фотон (как это и было предсказано моделью Эйнштейна) и перейдут в низкоэнергетическое состояния, что делает трудным поддерживать нужное количество возбужденных атомов для индуцирования. Атомы, у которых длинные сроки жизни, чтобы их было легче инвертировать, сложно возбуждать напрямую (опять-таки, как предсказывала теория Эйнштейна). Эта проблема в общем виде была решена с использованием многоуровневой схемы, где электроны возбуждаются косвенными способами. Например, гелий-неоновый лазер использует возбужденные атомы гелия для передачи энергии атомам неона по мере их столкновений в плазме. Косвенный процесс производит обращение большого числа атомов неона с относительно длинными сроками жизни в конкретном высокоэнергетическом состоянии, чем плазма только из неоновых атомов могла бы генерировать напрямую. Смесь гелия и неона вместе в плазме обеспечивает отличное средство для работы лазера на красных длинах волн, с которыми мы знакомы в ранних сканерах в супермаркетах[118]. По мере того как электрический ток, создающий плазму, продолжает работу, атомы гелия будут продолжать возбуждаться и возбуждать атомы неона в свою очередь, обеспечивая длительную работу лазера.

Другой серьезной технической проблемой при переходе от мазера к лазеру и основным препятствием для Таунса было, как сконструировать камеру, чтобы улавливать фотоны. Микроволновая камера состояла из почти полностью закрытого пространства, окруженного металлическими стенками с размерами, сравнимыми с длиной волны самих микроволн. Для работы с мазерами Таунса это было несколько сантиметров, и только маленькими дырочками, они позволяли запускать внутрь возбужденные молекулы и извлекать свет. Эта концепция не слишком хорошо работает для оптических длин волн даже сегодня, потому что сделать полностью закрытую камеру с габаритами лишь в несколько сотен нанометров будет весьма непростой задачей, а в 1957 году это было просто невозможно.

Это рабочая схема для гелиево-неонового лазера. Атомы гелия возбуждаются до высокоэнергетического состояния за счет столкновений с электронами в плазме. Столкновения между атомами гелия и неона возбуждают атомы неона и переводят их в «долгоживущее» состояние, создавая инверсию населенностей, что и используется для создания красного лазера.

Нужная идея, которая позволила изобрести рабочий лазер (реализованная Гулдом и Шавловым, а также Александром Прохоровым в СССР), заключалась в том, что нужная камера не обязательно должна быть закрытой; вполне достаточно использовать два зеркала, направленных отражающей поверхностью друг к другу, чтобы фотоны отражались туда-обратно между ними. Эта более открытая конструкция оставляла достаточно места, где могло поместиться очень много атомов или молекул. Некоторые системы газовых лазеров используют камеры длиной в несколько метров. Также она придает лазеру одну из его определяющих характеристик: так как камера «ловит» фотоны вдоль одной линии, свет, производимый лазером, выходит из него узким единым лучом. Небольшая частица света внутри камеры вырывается наружу, потому что одно из зеркал чуть-чуть не полностью отражает свет, позволяя нескольким процентам фотонов, попадающих на его поверхность, проскакивать.

Камера и усиление среды в лазере. Отдельный фотон, двигаясь справа налево, стимулирует второй фотон из среды, и затем оба фотона отражаются назад через газ, чтобы создать четыре. Выходной луч из лазера получается из небольшого числа всех фотонов, которые пробиваются через одно из зеркал.

«Решение, которое ищет проблемы»

Когда появилась идея открытой камеры, развитие практически применимых лазеров двинулось вперед с первым рабочим лазером, построенным Теодором Майманом[119] в Лаборатории Белла в 1960 году с использованием атомов хрома внутри стержня из синтетического рубина в качестве усилительной среды. Первый лазер использовал ксеноновые лампы-вспышки для создания инверсии населенности: резкий и яркий импульс белого света возбуждал атомы хрома до высокоэнергетических состояний, при этом некоторые из них попадали в энергетические состояния со сроком жизни до 5 миллисекунд, что считается долгим по стандартам атомной физики. Это производило короткоживущую инверсию населенностей, ведущую к короткому импульсу света лазера.

В течение нескольких следующих лет были разработаны множество лазеров других типов со средой усиления от газов, наподобие гелий-неонового лазера, описанного выше, до жидкостей, содержащих молекулы органических красителей (впервые продемонстрированы в 1966 году) и вплоть до твердотельных лазеров с использованием полупроводниковых материалов (первый лазер на основе арсенида галлия был продемонстрирован в 1962 году). Лазеры на основе полупроводников оказались особенно важными, поскольку они компактны – размера компьютерной микросхемы – и могут встраиваться в любую бытовую электронику. Если у вас есть CD-, DVD-, Blu-ray-плейер или даже лазерная указка, которой дразните своих домашних любимцев, вы регулярно используете полупроводниковые лазеры.

В первое время существования лазерной физики приборы в большей степени разрабатывались из любопытства, без особого практического применения. Один из ассистентов Маймана, Ирне Д'Хаененс, сказал ставшую знаменитой фразу, что лазер «это решение, которое ищет проблемы». Однако этот поиск длился не слишком долго, и в последние пятьдесят с лишним лет бесчисленные проблемы выстраивались в ряд, чтобы их решили с помощью лазера.

В пределах физики лазеры – бесценные инструменты для точных измерений. Из-за того, что фотоны в лазере производятся с помощью индуцированного излучения, они идентичны до такой степени, какая не может быть достигнута, если использовать свет от лампы. Некоторые лазерные источники можно настроить на определенный диапазон частот, спектроскопические измерения, сделанные с помощью этих лазеров, можно зафиксировать точные характеристики частот света, поглощаемого и излучаемого атомами с точностью до восемнадцати знаков после запятой. Фотоны из лазера также излучаются в одинаковой фазе – в волновых терминах пики и долины световых волн все совпадают. Это позволяет датчикам, основанным на лазерах, измерять изменения в положении объекта с точностью до малой части длины волны. Последним примером точности позиционирования, выполненного с помощью лазерных сенсоров, является лазерный интерферометр гравитационных волн (LIGO), который в 2015 году использовал два огромных детектора для измерения микроскопического сжатия и растяжения пространства-времени, вызванных прохождением гравитационных волн, что были созданы столкновением двух «черных дыр». Изменение расстояния между двумя зеркалами, вызванное этими волнами, было меньше ширины одного протона, но при этом было четко зарегистрировано LIGO, попав в заголовки прессы по всему миру.

За пределами точных физических экспериментов большинство коммерческих лазеров применяются без использования частотных и фазовых характеристик лазера: там просто требуется яркий источник света. Однако узкий диапазон фазы и частоты, производимые индуцированной эмиссией, важны даже в этом случае, поскольку они позволяют формировать крайне узкий луч света. В то время как лазерный луч расширяется по мере своего путешествия, ширина его изменяется очень и очень медленно. Миссии «Аполлона» оставили ряды отражателей размером с дорожную сумку на поверхности Луны, и в течение более сорока лет ученые «стреляли» в них лазерами и измеряли время прохождения сигнала туда и обратно для определения расстояния до Луны, которое увеличивается примерно на 3.8 сантиметра в год. Луч лазера расширяется от начального диаметра в 3.5 метра до примерно 15-километрового диаметра, но на это требуется 770 000 километров до Луны и назад, так что неудивительно, что луч лазерной указки пробивает через всю комнату, чтобы подразнить любимое животное, и при этом кажется, что он вообще не расширяется.

Более узкие лазерные лучи используются в конструировании и исследованиях для обеспечения прямых линий и горизонтов через умеренные расстояния, сильно упрощая процесс построения зданий с выровненными этажами. Пульсирующие лазеры также могут использоваться для измерения расстояния за счет измерения времени, которое требуется на путь до объекта и обратно. Та же самая по сути техника используется для измерения движущихся объектов, к огорчению многих водителей, севших за руль нетрезвыми.

Узкие лучи, формируемые лазерным светом, также важны для технологий точного резания деревянных или металлических частей. Относительно скромное количество электрического тока может снабдить энергией лазер, который создаст очень маленькое световое пятно, достаточно интенсивное, чтобы прорезать большинство материалов. Лазер может управляться и направляться с помощью линз и зеркал, позволяя осуществлять точный контроль его положения, и поскольку лазерный луч не имеет недостатков физических режущих поверхностей, он не изнашивается и производит одинаковые резы. Лазеры также используются для разрезания тканей человеческого организма в некоторых медицинских операциях, чаще всего в глазной хирургии, но все более возрастает их применение и в других областях.

За счет создания очень высоких температур в ограниченном пространстве при резании лазером живые ткани в это время «запаиваются», что существенно снижает кровотечение при операциях. Хотя перечисленное выше применение представляет лишь малую часть множества проблем, решенных с помощью лазеров, даже этого будет достаточно, чтобы признать лазеры одной из основных и важных технологий. Наиболее важным применением лазеров в современном мире является, однако, то, что они составляют основу современных телекоммуникаций, включая Интернет.

Сеть из света[120]

Ранее в главе мы обсуждали то колоссальное благо, которое оптоволоконные сети принесли телекоммуникациям. Световые импульсы, посылаемые через оптоволокно, имеют существенно более низкие уровни затухания, чем электрические импульсы, бегущие по медным проводам, что позволяет создавать гораздо более надежные и высокочастотные коммуникации на больших расстояниях, именно поэтому современная оптоволоконная технология была бы невозможна без лазеров. Узость лазерного луча принципиально важна, поскольку типичное оптоволокно толщиной примерно с человеческий волос, а сердцевина у волокна – одна десятая от этой толщины. Попасть даже лазером в такую маленькую сердцевину – нетривиальная задача[121], а уж для любого источника света не лазерного типа – вообще невыполнимая.

Узкий диапазон длин волн и частоты для лазерных лучей дает оптоволоконным телекоммуникациям еще большие преимущества, когда речь идет о повышении пропускной способности канала. Как было упомянуто ранее, множественные оптические волокна могут быть связаны в пучок без всяких проблем типа «перекрестных разговоров» или утечки сигнала, как это случается между близко лежащими медными проводами. Более того, даже одно волокно может передавать несколько разных сигналов одновременно, кодируя их с помощью разных лазеров, у которых слегка отличаются длины волн. Лазерный луч может быть скомбинирован до того, как он войдет в волокно, и разделен на другом конце, позволяя одной нити волокна передавать примерно двадцать сигналов сразу, существенно повышая возможности передачи для телекоммуникационных сетей.

В то время как самые ранние компьютерные сети были проложены с помощью медных линий передач, современный Интернет с потоковым видео и бесконечными фотографиями симпатичных котят в социальных медиа невозможно представить без взрывного расширения полосы пропускания, которое последовало за введением оптоволоконных коммуникаций в 1980-х годах. Первый трансатлантический оптоволоконный кабель в 1987 году мог передавать одновременно 40 000 телефонных звонков, в десять раз больше, чем могли медные кабели до того. Самая «свежая» из трансатлантических оптоволоконных линий, законченная в 2017-м, передает цифровые данные со скоростью 160 триллионов бит в секунду, что в 500 000 раз больше, чем кабель 1987 года, и более квадрильона раз быстрее, чем передавалось первое трансатлантическое послание по телеграфу в далеком 1858 году.

Количество данных, передаваемых за месяц через глобальный Интернет в 2016 году – два года назад, когда я это писал, примерно в 1000 раз превышало все, что передавалось за целый 2000-й, и почти все связи на больших расстояниях, составлявшие эту сеть, обеспечивались лазерными импульсами, бегущими по оптоволокну. Так что в следующий раз, когда вы входите в свой компьютер и умиляетесь картинкам с детишками, которые вам передал друг с другого континента, помните, что, в конечном счете, вы должны за это благодарить Эйнштейна, статистику и квантовую природу света и атомов.

Глава 6

Чувство обоняния: Исключительно химия

Мой чай еще чуть-чуть слишком горячий, чтобы пить, но я ощущаю его аромат…

Когда дело доходит до распознавания запахов, люди не слишком-то в этом преуспевают, особенно по сравнению с нашими друзьями из царства животных, у которых невероятно большая часть мозга занимается обработкой запахов. В то время как наши носы, можно сказать, недоразвиты, запах все же оказывает на нас сильное влияние, особенно если речь заходит о пище. Запах приготовленной пищи – важная часть процесса еды, и отсутствие запахов может изменить даже хорошо ощутимый вкус приготовленного. Попытка попробовать различные овощи на вкус с заложенным носом – это уже что-то вроде научно-ярмарочного трюка. Как это ни удивительно, отличить, скажем, яблоко от картошки, если вы не ощущаете их запаха, на удивление довольно сложно.

Определение запахов оказалось сложным химическим процессом, где мельчайшие молекулы, испаряющиеся от объекта, достигают рецепторов в носу и заставляют их реагировать. Если углубиться в детали, то мы сразу столкнемся с проблемой устрашающих и непроизносимых химических названий (скажем, «2-этил-3.5диметилпиразин» – это одна из молекул, отвечающих за аромат кофе) и необходимости выбирать между моделями точного механизма, с помощью которого рецепторы в носу ощущают запах. Это жутко сложная тема, и ученые до сих пор с ней до конца не разобрались.

Одно можно сказать наверняка, что на самом глубинном уровне процесс определения запаха по сути своей квантовый. Химия молекул, вовлеченных в запахи, – и в реальности вся химия, насколько мы ее понимаем, – уходит корнями в самый странный квантовый феномен, а именно в эксцентричное свойство, называющееся «спин».

Как работает обоняние

Человеческое чувство обоняния (как и у большинства животных) работает в стиле, похожем на систему определения цветов, обсужденную ранее в 3-й главе. Небольшие молекулы, входящие в наши ноздри, формируют химические связи с особыми молекулами «обонятельных рецепторов» в носу. Они связаны с отдельными нейронами высоко в носовой полости. Когда обонятельный рецептор соединяется с молекулой из воздуха, он заставляет нейрон послать сигнал в мозг, который собирает сигналы от различных нейронов и затем перерабатывает их в то, что мы ощущаем как запах.

Однако восприятие запаха гораздо более сложное, чем восприятие цвета. В то время как сетчатка глаза человека содержит только три различных типа клеток, различающих цвета, при этом каждая чувствительна к достаточно широкому диапазону длин волн, человеческий нос содержит несколько сотен типов нейронов-рецепторов[122] для распознавания запахов. Конкретная молекула запаха, попадая в нос, может заставить реагировать сразу несколько рецепторов, и различные комбинации рецепторов ощущаются как различные запахи. Молекула из моего любимого чая возбудит ряд рецепторов, скажем, # 3, # 7 и # 122, в то время как молекула, воспарившая от кофе сидящего рядом человека, заставит среагировать другие – # 3, # 24 и # 157. Некоторые из тех же самых нейронов будут вовлечены в реакцию, но получившаяся в результате комбинация, а соответственно и ощущаемые запахи, будут совершенно различными.

Огромное разнообразие рецепторов ведет к большому количеству возможных для восприятия запахов. В то время как исследования цветного зрения предполагают, что люди могут различать несколько миллионов слегка отличающихся цветов, недавние оценки дали число комбинаций запахов, которые мы можем различить, примерно в триллион.

Другое различие между обонянием и зрением в том, что механизмы, по каким срабатывают рецепторы запахов, остаются еще предметом споров. Цветное зрение хорошо понятно, поскольку процесс поглощения фотонов, когда частица света заставляет молекулы переходить в другие состояния, что, в свою очередь запускает сигнал в нейроне. Каждый из отдельных фотонов, который был увиден, полностью описывается одной частотой, делая отклик светочувствительных клеток в глазу недвусмысленным и легко предсказуемым.

Обоняние, в свою очередь, опирается на химические процессы, чтобы различить молекулы. Они могут невероятно варьироваться по своей структуре, иногда за счет очень тонких форм. Две молекулы с одинаковым составом в терминах количества атомов конкретных элементов могут различаться по расположению этих атомов, и эти структурные различия приводят к драматически различающимся свойствам. Если вы возьмете атом кислорода, два атома углерода и шесть атомов водорода и соедините их вместе с помощью двух атомов углерода, с одной стороны, и атома кислорода, вы получите этанол[123] – жидкость при комнатной температуре и активный ингредиент в алкогольных напитках. Если вы возьмете тот же набор атомов, но зажмете атом кислорода между двумя атомами углерода, вы получите диметиловый эфир[124], который будет газом при комнатной температуре и используется как наполнитель в аэрозольных баллончиках.

Трехмерная структура диметилового эфира и этанола, две очень разные молекулы с абсолютно одинаковой химической формулой.

Система распознавания запахов в нашем носу улавливает некоторые из этих тонких вариаций в расположении атомов, позволяя нам ощущать химически схожие молекулы как очень разные запахи. Существуют две конкурирующие теории, как рецепторы в носу различают различные молекулы. Наиболее популярной из двух считается «теория форм», которая говорит, что различные типы рецепторов соответствуют трехмерной структуре атомов детектируемой молекулы. Конкурирующая с ней «вибрационная модель» утверждает, что рецепторы различают свои целевые молекулы по тому, как те движутся. Атомы внутри данной молекулы будут колебаться туда-сюда на частотах, характерных для этой конкретной молекулы, и зависят от того, как организованы ее атомы. Адепты вибрационной теории уверяют, что данный рецептор срабатывает от присутствия атомов, вибрирующих в пределах определенного диапазона частот.

Ни одна из этих моделей не преуспела, каждая достаточно хорошо работает при объяснении результатов некоторых экспериментов, но применительно к ряду других не может дать объяснения. Полное объяснение распознавания запахов возможно при объединении обеих теорий: некоторые рецепторы в первую очередь чувствуют форму, а другие – улавливают вибрацию.

Однако каждую модель можно назвать квантовой. Как частоты вибрации конкретной молекулы, так и форма этой молекулы зависят от ее трехмерной структуры. Она определяется квантовым поведением электронов, которое точно определяет, как атомы соединить вместе, сколько данный атом может присоединить к себе других атомов, насколько крепки будут эти связи, какой угол между связями возникнет и так далее.

Объяснение этих связей требует более глубокого взгляда на поведение электронов, чем мы можем получить от модели атома Бора. Это также требует введения в оборот абсолютно нового свойства, ему нет аналогии в классической физике, что окажется существенным для широкого круга повседневных явлений. Чтобы сделать этот шаг, мы сначала должны совершить краткую экскурсию по истории химии и классификации атомов.

Периодическая таблица

Периодическая таблица элементов всем знакома – обычно это прямоугольный набор квадратиков с двумя небольшими башенками, поднимающимися по обоим концам[125]. Это один из наиболее надежных показателей научного класса. Идея «периодической таблицы чего-либо…» постоянно курсирует как шутка-картинка по интернет-сайтам с разными «таблицами» практически всего, что придет в голову, в многочисленных вариантах[126].

Периодическая таблица в том виде, в котором мы ее знаем, придумана русским химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым. Он начал работать над ней как над некой упорядочивающей схемой для учебника, который он писал в 1870 году. Ученый заметил, что встречаются определенные повторяющиеся паттерны в свойствах известных элементов, если их разместить в порядке возрастания атомной массы. Высокоактивные щелочные металлы (литий, натрий, калий), например, разделены каждый между собой примерно шестнадцатью или семнадцатью единицами массы, равно как и щелочноземельные (бериллий, магний, кальций), каждый щелочноземельный металл на одну или две единицы массы тяжелее, чем соответствующий ему щелочной (бериллий имеет атомную массу в девять единиц по сравнению с семью у лития; магний – двадцать четыре, при том, что натрий – двадцать три, и так далее). Если записать их по порядку возрастания масс, элементы начинают как бы собираться в схожие ряды и колонны, при этом химически связаны будут элементы, встречающиеся с интервалом в восемь элементов для более легких атомов и восемнадцать для более тяжелых. Самое главное, что Менделеев использовал свою схему для предсказания свойств тогда еще не известных элементов, они попадали в еще не заполненные ячейки его таблицы. Последовательное открытие элементов скандия, галлия и германия со свойствами, совпавшими с предсказаниями Менделеева, обеспечили ему репутацию изобретателя Периодической таблицы[127].

Однако, как это произошло со многими прорывами в науке в конце XIX века, эмпирический успех схемы Менделеева принес с собой и острую проблему. Периодическая зависимость, которую он заметил, явно присутствовала – но никто не знал, почему так происходит. Присутствовали также небольшие намеки, что понимание периодического закона было неполным, особенно в случае и теллуром и йодом: если говорить в химических терминах, теллур должен стоять в схеме Менделеева в столбце перед йодом, так как его свойства были больше похожи на свойства серы, в то время как йод был больше похож на бром, но его атомная масса была больше, чем у йода.

Менделеев говорил в то время, что атомная масса теллура была неточно измерена, это случалось и с некоторыми другими элементами, такими как берилл, но дальнейшие эксперименты лишь подтвердили, что берилл – самый тяжелый из этих двух элементов. Проблема теллура-йода была признаком того, что атомная масса – лишь некий заменитель настоящей причины выстраивания элементов по атомным номерам, и эта проблема не была решена еще в течение следующих сорока лет.

Одним из важных свойств, фигурирующих в схеме Менделеева, было свойство «валентности» для каждого элемента. Оно, если можно так выразиться, считается количеством связей атома данного элемента, которые он может образовать с другими атомами. Начиная с ранних 1800-х годов (с работы Джона Дальтона[128], уточненной Амедео Авогадро[129]) химики заметили, что в простых молекулах элементы комбинируются в определенных пропорциях – две части водорода объединяются с одной частью кислорода для образования воды, а три части водорода объединяются с одной частью азота, чтобы создать аммиак. Этот «закон пропорций» был одним из самых сильных аргументов для современной атомной теории. По мере того как заканчивалось столетие, эта идея была расширена до понятия максимального количества связей на элемент, свойство, разделяемое всеми элементами в отдельном столбце Менделеевской таблицы. Таким образом, щелочные металлы в первом столбце все формируют одну связь, в то время как углерод и его собратья из четырнадцатого столбца таблицы (кремний, германий, олово и свинец) могут связываться с четырьмя другими атомами. Как любое другое химическое свойство, валентность повторяется через каждые восемь элементов для относительно легких атомов и через восемнадцать для более тяжелых.

В следующие за открытием Менделеевской таблицы десятилетия множественные открытия стали приносить намеки на то, что лежит в основе структуры атомов и оказывает влияние на их периодические свойства. Когда Менделеев создавал свою таблицу, электрон еще не был обнаружен. В 1897 году, когда было показано, что электрон является частицей, находящейся внутри атомов, физики и химики начали размышлять о его роли в формировании связей. Разработка атомной модели по типу Солнечной системы Резерфордом, где внешняя часть атома состоит из летающих по орбите электронов, наталкивала на мысль о связи между этими электронами и числом связей. Модель Нильса Бора, где существует ограниченный набор допустимых орбит, привел к мысли об «электронных оболочках», каждая из которых способна содержать лишь ограниченный набор электронов. В модели с электронными оболочками, разработанной Гилбертом Льюисом[130]около 1916 года, связи формируются за счет обмена или совместного использования электронов для создания каждого атома с полностью заполненными внешними оболочками.

Расположение электронов внутри атомов стало ключевым моментом для решения проблемы порядка расположения атомов в таблице Менделеева. В модели Бора энергия электронных орбит определяется электромагнитным взаимодействием между электроном и ядром, причем это взаимодействие становится сильнее по мере возрастания заряда ядра. Эта связь между зарядом и энергией была подтверждена студентом Резерфорда Генри Мозли[131] в его работе по изучению рентгеновских лучей, излученных конкретными элементами. Если полная картина линий рентгеновских лучей, испускаемых любым элементом, весьма сложна, Мозли обнаружил, что рентгеновские лучи с самыми длинными волнами, излучаемые каждыми элементами, укладываются в довольно простую картину, где длины волн становятся короче (и частота становится выше) по мере продвижения вверх по Периодической таблице. Атомная модель Бора предлагала простую интерпретацию этих рентгеновских лучей как результат перехода между двумя самыми низкоэнергетическими состояниями атома со многими электронами и предсказывала, что энергия этих рентгеновских лучей должна зависеть от квадрата заряда ядра, и это предсказание великолепно совпало с данными Мозли.

Мозли провел систематическое изучение стольких веществ, сколько смог достать, и показал, что измеренные энергии отлично укладываются в систему Бора для всех элементов, чье место в Периодической таблице было уже хорошо понятно. Это позволило применить рентгеновскую спектроскопию как способ прямого определения заряда ядра, то есть числа имеющихся протонов, и обосновал, что заряд ядра, а не атомная масса, определяет правильный способ расположения атомов в Периодической таблице.

Это дало объяснение загадочному «перепутыванию последовательности» элементов, таких как йод и теллур, когда химические свойства предполагают, что они должны идти не в порядке, который определяет атомный вес: теллур с пятьюдесятью двумя протонами должен идти перед йодом с пятьюдесятью тремя. Из-за того, что протоны составляют основную часть массы атома, заряд ядра атома хорошо соотносится с атомной массой, но не совсем точно: «лишняя» масса теллура получается от дополнительного нейтрона, частицы, которая была открыта только в 1932 году еще одним коллегой Резерфорда – Джеймсом Чедвиком[132].

Мозли использовал свои результаты в духе Менделеева, чтобы идентифицировать «пробелы» в таблице, которые должны были быть заполнены новыми элементами, причем все они были позднее найдены, с атомным номером 43 (радиоактивный элемент технеций), 61 (радиоактивный элемент прометий), 72 (гафний) и 75 (рений). К сожалению, Мозли не дожил до этого, чтобы своими глазами увидеть подтверждение своих работ, поскольку погиб во время битвы в Галлиполи в августе 1915 года[133].

Мозли разработал метод измерения количества положительно заряженных протонов в ядре, которое для нейтрально заряженных атомов должно быть сбалансировано равным количеством электронов. В начале 1920-х годов была уже полная уверенность, что химическая природа элементов определяется электронными «оболочками», содержащими множественные электроны с той же энергией и максимальной заполняемостью для каждой оболочки. Оболочки соответствуют рядам Периодической таблицы: первая и самая внутренняя оболочка может содержать до двух электронов, соответствующих водороду и гелию, каждый из них имеет только одну оболочку с одним и двумя электронами соответственно. Следующие две оболочки могут содержать еще восемь электронов, начиная со второго (литий, берилл, бор, углерод, азот, кислород, фтор и неон) и третьего (сода, магний, алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор и аргон) рядов. Следующие две оболочки после них содержат по восемнадцать электронов каждая, затем еще две, каждая из них содержит тридцать две.

Идея электронных оболочек естественным образом связана с понятием Бора о дискретных атомных состояниях, но почему стационарные состояния модели Бора должны иметь какие-либо ограничения по количеству электронов, которые они могут содержать, уж не говоря о наблюдаемой последовательности способности к заполнению, два, восемь, восемь, восемнадцать, восемнадцать, тридцать два, тридцать два – остается загадкой. Некоторые физики пытались связать это с геометрией, отметив, что восемь – это число углов куба, но далеко с этой идеей не продвинулись. Понимание происхождения химической структуры потребует более глубокого понимания, чем это есть в модели Бора.

От «старой квантовой теории» к современной квантовой механике

Существует старая шутка в научных кругах о фермере, логика рассуждений которого имеет смысл только в анекдотах: он консультируется с теоретическим физиком о том, как получить больше молока от своих коров. После нескольких дней физик объявляет, что он нашел решение, и радостный фермер возбужденно просит рассказать о нем… И тут физик начинает: «Для начала, предположим, что существует сферическая корова.»

Как большинство старых шуток, это смешно, поскольку в ней есть доля правды – в данном случае о том, как работают физики. Первый шаг для физика при решении любой проблемы – это свести ее к самому простому варианту, какой только можно вообразить, даже если это означает, что мы рассматриваем сложные объекты, такие как корова, как гладкие сферы. В лучшем случае этот подход позволяет физикам разрабатывать простые универсальные принципы, которые выявляют глубинные механизмы работы природы. Конечно, при таком сильном упрощении моделей часто упускаются некоторые детали, например, коровы, конечно, не сферы, и требуют затем уточнений для того, чтобы отразить сложность реального мира. Искусство быть физиком состоит в том, чтобы начать со сферических коров, а затем добавлять столько дополнительных усложнений, сколько позволит получить наиболее простую модель, удовлетворительно описывающую реальную Вселенную.

Квантовая модель атома водорода, придуманная Бором, – как бы «сферическая корова» в самом лучшем виде. Она решает крайне сложную задачу, предлагая изумительно простой фундаментальный принцип, но рассматривает только самый простой случай: электронные орбиты, абсолютно круговые. Модели с круговыми орбитами было достаточно, чтобы Бор мог объяснить картину спектральных линий водорода как результат переходов между состояниями, энергии которых были описаны значением одного «квантового числа» – п. Однако первоначальная модель Бора не могла охватить сложность всех реальных атомов, таких как «тонкие структуры» водорода (когда некоторые спектральные линии оказываются парами для очень близких в пространстве линий), или способ, которым одна спектральная линия расщепляется на множество линий, когда атом помещают в магнитное поле.

Модель Бора четко обозначает основную и правильную идею, но она должна быть расширена, чтобы охватить сложное добавление других состояний, и предположение о круговых орбитах было самой очевидной точкой для атаки. В течение нескольких лет после создания первоначальной модели Бора в 1913 году Арнольд Зоммерфельд нашел новый способ выразить квантовые постулаты Бора, которые позволяли существование эллиптических орбит. Это привело к более богатому набору разрешенных состояний электронов, каждое из них описывалось тремя целыми числами: числом Бора – n и двумя новыми, мы будем их называть l и m[134]. Эти новые «квантовые числа» имеют жесткие ограничения на их возможные значения: l всегда должно быть меньше, чем n, и m может лежать в диапазоне между максимальным +l и минимальным – l.

В физических терминах l описывает эксцентриситет эллиптической орбиты – чем больше значение l, тем она ближе к круговой; m описывает, как эта орбита наклонена. Максимальное положительное значение m для данных n и l соответствует движущемуся против часовой стрелки электрону на круговой орбите, если смотреть сверху, при том, что отрицательное значение m соответствует орбите движения по часовой стрелке. Орбита с m = 0 является кругом, стоящим на своем конце, по которому сверху вниз и снизу вверх вращается электрон.

Электронные орбиты из модели Бора-Зоммерфельда. Слева: некоторые орбиты, демонстрирующие эффект изменения n и l. Справа: три орбиты для n=3,1=2, состояние, показывающее наклон орбиты с изменением значения т.

Атом Бора-Зоммерфельда, который был основной моделью «старой квантовой теории», превратил единичные допустимые энергетические состояния, согласно модели Бора, в группы состояний с очень близкими энергиями. Это оказалось именно тем, что было необходимо для объяснения явления, не охваченного изначальной моделью Бора. Может быть, самым большим триумфом модели Бора-Зоммерфельда было объяснение тонкой структуры водорода. Первая атомная модель Зоммерфельда описывала энергии, которые зависели только от изначального квантового числа Бора n, но затем он включил специальную теорию относительности Эйнштейна в свою модель и обнаружил небольшие сдвиги по энергии, зависевшие от квантового числа l. Электроны двигаются на очень высоких скоростях, чуть меньше одного процента от скорости света, что достаточно быстро, чтобы их энергии рассчитывались с учетом относительности. Для круговых орбит скорость электрона не изменяется, но на эллиптических орбитах электрон ускоряется и замедляется, поэтому его относительная (релятивистская) кинетическая энергия изменяется. В результате сдвиг между двумя разными значениями l для состояния, где n =2, соответствует расщеплению тонкой структуры.

Даже после добавления относительности, квантовое число т не должно было вообще влиять на энергию электронов в изолированном атоме: его вклад заключается в описании изменения энергии, если атом помещен в магнитное поле. Электрон, движущийся по орбите, может быть представлен как небольшой виток (петля) электрического тока, который будет вести себя как электромагнит с направлением на Северный полюс, определяемым направлением орбиты. Если его поместить в магнитное поле, электрон в состоянии с максимальным m будет двигаться по орбите против часовой стрелки и слегка увеличивать свою энергию, а электрон в состоянии с минимальным m, двигаясь по орбите по часовой стрелке, будет слегка уменьшать свою энергию, и наконец, при m = 0 состояние не изменится. Это разделение между значениями m объясняет «эффект Зеемана», когда в присутствии магнитного поля одна спектральная линия расщепляется на три близко расположенных линии, чье разделение возрастает с увеличением силы поля. До некоторой степени схема Бора-Зоммерфельда может объяснить простой эффект Зеемана, но не «сложный[135]», или «аномальный» эффект Зеемана, когда линии расщепляются на две. Это оставалось довольно неприятной проблемой: есть известная история, когда один коллега встретил Вольфганга Пауля на улице и заметил, что тот выглядит мрачновато, на что Пауль ответил: «Как можно выглядеть счастливым, когда думаешь про аномальный эффект Зеемана?!»

Конечным результатом добавления значений l и m – идет ли речь о модели Бора-Зоммерфельда или о современной квантовой механике – оказалось то, что атомы имеют группы «вырожденных»[136] электронных состояний с абсолютно одинаковыми значениями n и l и, таким образом, совершенно совпадающей энергией. Базовым состоянием водорода является один уровень с n=1, l=0 и m = 0, за которым следует четыре состояния с n=2: одно состояние с n = 2, l = 0, m = 0, и затем группа из трех состояний с n = 2, l = 1 и значениями m, равными – 1, 0, +1, имеющими абсолютно одинаковую энергию. Затем идут девять состояний с n=3: одно само по себе, потом группа из трех и группа из пяти, и так далее.

Вырожденные энергетические уровни модели Бора-Зоммерфельда описывают состояния наборов групп n, l и m с почти одинаковой энергией.

Эти наборы вырожденных уровней предполагают некоторую связь с электронными оболочками, чтобы можно было объяснить валентности химических элементов, но числа вырожденных состояний (1, 1, 3, 1, 3, 5 и так далее) не укладываются в картину Периодической таблицы (2, 8, 8, 18…). Также неясно, как и почему электроны должны быть распределены по этим состояниям в противовес, скажем, идее, что они все собираются на самой низкоэнергетической из доступных орбит.

Эти загадки были решены в 1924 году смелым открытием Вольфганга Паули, который был ранее студентом Зоммерфельда. После попыток понять различные состояния атома Бора-Зоммерфельда, Паули осознал, что простой трюк может свести последовательность электронных возможностей 2, 8, 8, 18 и так далее к одному числу – 1.

Химия как запрет

Паули[137] с раннего возраста был признан как одаренный физик. Он защитил свою докторскую диссертацию в университете Людвига-Максимилиана в Мюнхене в 21 год и вскоре после того написал монографию, где разбирал теорию относительности Эйнштейна, и его труд длительное время считался определяющей работой по этой теме. Он сыграл важную роль в развитии квантовой механики в 1920-е годы не только своим прямым вкладом, но также как центр интенсивнейшей сети переписки среди сообщества физиков, работавших над квантовыми задачами. Письма между Паули, Бором, Вернером Гейзенбергом[138], Максом Борном и многими другими были важными каналами для обмена и оттачивания идей о возникающей теории.

Докторская диссертация Паули была неудачной попыткой описать молекулярные ионы водорода, то есть два атома водорода, связанные вместе в молекулу, но при этом, чтобы у них отсутствовал один электрон – в контексте «старой квантовой теории» из модели Бора-Зоммерфельда. Эта неудачная попытка была одним из главных факторов, подтолкнувших физиков к новой квантовой механике, поскольку убедила их в одном: что-то должно быть не так с парадигмой четко определенных электронных орбит. Глубокое погружение Паули в проблему атомной и молекулярной структуры стало великим вкладом в физику.

Рассматривая множество комбинаций состояний n, l и m, доступных для электронов, Паули обратил внимание, что возможности по заполнению различными электронами для электронных оболочек могут быть объяснены все сразу, если вы добавите четвертое квантовое число, такое, что могло бы принимать только одно из двух значений. Квантовое число, принимающее одно из двух значений, мы называем 5, оно будет удваивать число уникальных состояний, после чего возможности заполнения электронных оболочек[139] могут быть легко объяснены введением нового принципа (сегодня известного как «принцип запрета Паули»): каждое квантовое состояние, определенное конкретной комбинацией n, l, m и 5, может содержать один и только один электрон.

Таким образом, водород в своем нижнем энергетическом состоянии имеет один электрон на самом нижнем уровне Бора-Зоммерфельда, при этом n = 1, l = 0, m = 0. Гелий добавляет второй электрон с теми же n, l, и m и, таким образом, той же энергией, но с другим возможным значением четвертого квантового числа. Первые два электрона лития заполняют одни и те же состояния, не оставляя третьему электрону выбора, кроме как повысить свою энергию до состояния n = 2, l = 0, m = 0. Бериллий берет другое значение для этого состояния, и, таким образом, последний электрон бора должен переместиться в состояние с n = 2, l = 0, m = 0 и так далее вверх по Периодической таблице.

Принцип запрета Паули вместе с вырожденными состояниями модели Бора-Зоммерфельда помогли объяснить химические связи и то, как атомы формируют молекулы, в терминах электронных оболочек. Щелочные металлы в крайнем левом столбце Периодической таблицы имеют только один электрон в своей внешней оболочке. Они легко отдают его другому атому, что делает их крайне химически активными. Химическая активность щелочных элементов возрастает по мере того, как мы спускаемся вниз по столбцу. Если вы кинете литий в воду, он умеренно зашипит, но если вы бросите в воду цезий, он произведет сильный взрыв, потому что внешние электроны в более тяжелом атоме находятся дальше от ядра и не так сильно с ним связаны. С другого конца таблицы галогены имеют внешнюю оболочку, которая содержит семь из возможных восьми электронов, и это означает, что они будут с готовностью хватать электрон из любого другого атома, чтобы заполнить эту дырку. В галогенах более легкие элементы химически более активные: фтор возглавляет список веществ, которые пугают химиков, в то время как йод достаточно слаб, чтобы его использовали как антисептик, поскольку оболочка, какую они стараются заполнить, имеет более прочные связи.

Углерод находится около середины таблицы с заполненной оболочкой со значениями n = 2, l = 0 и двумя из возможных шести электронов в оболочке со значениями n = 2, l = 1. Это позволяет углероду формировать до четырех связей на атом, делая его крайне разнообразным элементом, допуская огромную вариативность органических молекул, ответственных за запахи и вкусы нашей пищи. Однако связи, формируемые углеродом, не слишком уж сильные, ему надо или приобрести, или потерять четыре электрона, чтобы заполнить внешнюю оболочку, так что ни одна из связей не считается очень важной, делая относительно легко возможным разрыв органических молекул на части и снова соединение их по-другому. Вот почему углеродная химия – основа всех известных живых форм. Кремний, находящийся сразу под углеродом в Периодической таблице, тоже может формировать четыре связи на атом, и он периодически предлагается как альтернативная основа жизни, но связи, которые формирует кремний, несколько сильнее, чем углеродные, что оставляет основанные на кремнии организмы в области научной фантастики.

Спин

Смелое предложение Паули было сделано весьма в традициях Планка, Эйнштейна и Бора, когда вводится теоретически придуманный элемент для объяснения загадочного явления[140]. Как и в этих ранних идеях, принцип запрета Паули концептуально элегантен: правило, согласно которому каждому состоянию разрешается быть занятым лишь одним электроном, стало красной нитью, оно объясняет множество физических явлений с минимальными накладными расходами. Конечно, как и другим подобным идеям, ей недоставало физического подтверждения, то есть не было очевидного свойства электрона, что могло бы соответствовать двум возможным значениям квантового числа 5. Однако, как оказалось позднее, рассматриваемое физическое свойство уже наблюдалось двумя годами ранее, в 1922 году, хотя экспериментаторы понятия не имели о том, что они совершили в тот момент.

Отто Штерн[141] и Вальтер Герлах[142] были молодыми ассистентами-исследователями во Франкфурте и горели желанием проверить квантовую атомную теорию, используя магнитные свойства атомов серебра. В модели Бора-Зоммерфельда низшее энергетическое состояние атома серебра включает электрон, движущийся по круговой орбите с одной единицей момента импульса. Как было упомянуто ранее, такой электрон должен вести себя как маленький виток с протекающим по нему током, превращая атом в маленький электромагнит с северным полюсом, указывающим в направлении, определенным числом m.

Штерн сомневался в модели Бора и организовал опыт так, чтобы «пространственное квантование» обеспечило возможность ее проверить. Два направления орбитального движения должны были приводить к двум возможным магнитным состояниям атома. Если пучок таких атомов посылался через магнитное поле, неоднородное в пространстве, атомы с разной ориентацией должны разделиться. Атомы с одной ориентацией будут понижать свою энергию, когда на них действует магнитное поле, так что они будут притягиваться к области, где поле наиболее сильное. Атомы с другой ориентацией увеличивают энергию в магнитном поле и таким образом отталкиваются от него. Штерн сконструировал, а Герлах выполнил эксперимент для проверки этого с использованием пучка атомов серебра, вылетающих из небольшого отверстия в горячей печи внутри вакуумной камеры. Они пропускали этот пучок между полями магнита конической формы и направляли на стеклянную пластинку, а затем изучали, какая форма была образована попавшими на стекло атомами серебра. После более года экспериментальных усилий они сумели получить результат, который искали: при наличии магнита один пучок атомов серебра расщеплялся на два. Согласно Штерну, когда они смотрели на первую пластинку, то не видели ничего пока не подышали на нее, при этом осевшее серебро потемнело и стало видимым. Он приписал это реакции с серой от дешевых сигар, которые он курил, потому что не мог себе позволить дорогие сигары на жалованье молодого профессора[143].

Однако реакция на эксперимент Штерна-Герлаха у физического сообщества была скорее растерянной, а не восторженной. Хотя идея различных орбитальных направлений имела смысл, было неясно, почему атомы должны быть в равной степени поделены между состояниями «верхнее» и «нижнее», ведь это противоречило случайному распределению по всем возможным направлениям – в таком случае пучок атомов, скорее, должен был расфокусироваться, а не расщепляться. Более тонкое использование квантовой модели Бора-Зоммерфельда также предсказывало, что пучок должен расщепиться на три пучка внутри магнита, соответственно трем разным значениям m. Штерн и Герлах позабыли, что надо рассматривать еще состояние при m = 0 при организации эксперимента.

Объяснение, как в эксперименте Штерна-Герлаха могло получиться два и только два пучка, было общей загадкой.

Квантовое свойство с двумя возможными значениями как раз и оказалось тем, что было нужно для принципа запрета Паули. В 1925 году двое физиков, Джордж Уленбек[144] и Сэмюэл Гаудсмит[145], предложили современную интерпретацию: электрон имеет присущий ему момент импульса, словно это маленький вращающийся шарик, и этот «спин[146]» может принимать только два значения, традиционно описываемые как «верхнее» и «нижнее». Этот момент импульса спина также придает электрону некоторые магнитные свойства (мы обсудим их более подробно в главе 9), что проявляется в «аномальном эффекте Зеемана» который приводил в такое исступление Паули: когда атом в состоянии l = 0, m = 0 помещается в магнитное поле, одно из состояний спина сдвигается по энергии вверх, другое – вниз, заставляя спектральные линии от атомов с таким состоянием расщепляться надвое. Тот же сдвиг энергии был причиной расщепления надвое пучка серебряных атомом Штерна и Герлаха, где большинство электронов оказывались в состоянии с l = 0, m = 0.

Момент импульса спина имеет некоторые необычные свойства, начиная с того факта, что его величина – половина фундаментальной единицы момента импульса использовавшегося в модели Бора: квантовое число s принимает значения s = % или s = – У2, не так, как все остальные квантовые числа, которые являются целыми. Знаменательно, что из возможных значений исключается 0, это значит, что электрон никогда не останавливает свое вращение или не вращается по оси перпендикулярно оси измерения. Физическая природа момента импульса спина не объясняется классической физикой. Паули сам отверг похожее предложение от Ральфа Кронига[147], аспиранта, пишущего докторскую. Несколькими месяцами ранее до Уленбека и Гаудсмита независимо от них он опубликовал ту же теорию на основании соображений, что если электрон – действительно вращающийся шарик электрического заряда, то части его поверхности должны вращаться во много раз быстрее скорости света, чтобы получить нужный момент импульса. Паули был печально известен своей резкостью и не стеснялся выражать несогласие с теориями, какие не воспринимал. Предложение Кронига о спине было отвергнуто с формулировкой: «Это очень умно, но, конечно же, не имеет отношение к реальности». Учитывая характер Паули, это было еще мягко сказано, его наиболее известное критическое высказывание звучало как: «Это даже на ошибку не тянет».

Как и в случае с двойственной партикулярно-волновой природой света, эти странные причуды спина были постепенно приняты как фундаментальные свойства возникающей квантовой физики, которые надо было просто принять. Электрон не является в буквальном смысле вращающимся шариком заряда, но он содержит внутренний момент импульса, как будто он и есть такой шарик, и именно так электрон и работает. Это вечное безостановочное вращение, как суть электрона, нужно, чтобы объяснить эксперимент Штерна-Герлаха.

Поменяв свое изначальное скептическое отношение к спину, Паули внес свой вклад, разработав математическое описание в терминах матриц. В 1930 году английский физик-теоретик Поль Дирак[148]окончательно показал, что спин электрона – это неизбежное следствие комбинирования квантовой механики со специальной теорией относительности Эйнштейна. Даже до того, как Дирак создал полную теорию, спин электрона и принцип запрета Паули просто объясняли много явлений (некоторые из них мы обсудим в следующих главах), чтобы не быть отвергнутыми, какими бы причудливыми и даже необъяснимыми они не казались.

От орбит до волн-пилотов[149] к верояности

Помимо своей чрезмерной упрощенности – примерно как сферическая корова – модель Бора имела и другую серьезную проблему кажущегося произвола квантовых состояний для допустимых орбит. Почему только целые множители момента импульса разрешены в первую очередь? Расширение теории Зоммерфельдом обеспечило более богатый набор орбит, но им все еще не хватало убедительного основания в виде какого-нибудь физического свойства электрона внутри атома.

Первый шаг к ответу сделал французский студент-выпускник Луи де Бройль, который уловил связь с другой возникающей отраслью квантовой теории, изучающей природу света. В своей докторской диссертации де Бройль провел параллель между светом и материей: если световые волны имеют природу частиц (партикулярную природу), может быть, частицы, подобные электрону, должны иметь связанную волну с таким же обратным отношением между длиной волны и моментом импульса, как это наблюдается для света. Таким образом, удваивание момента импульса должно обрезать длину волны вдвое. В этой волновой картине квантовая модель Бора-Зоммерфельда принимает очевидное физическое значение:

Если вы проследите волну электрона поблизости одного из «стационарных состояний» орбиты с основным квантовым числом n, то, когда вы вернетесь к начальной точке, волна сделает n колебаний. Допустимые орбиты – это те, для которых электрон, оборачиваясь вокруг орбиты, формирует картину стоячей волны, точно как в моделях стоячих волн света, использованные для решения проблемы черного тела в главе 2.

Представление об электронах как о волнах было крайне смелым предположением. Одна известная история рассказывает, что

комиссия, принимавшая защиту докторской диссертации де Бройля, понятия не имела, что делать с его диссертацией, пока не обратились к Эйнштейну для ее оценки, и он заявил, что «это первый робкий луч, проливающий свет на одну из самых трудных физических загадок». К счастью, эту идею можно было проверить на опыте, и в течение нескольких лет появилось экспериментальное подтверждение. В США Клинтон Дэвиссон[150] и Лестер Джермер[151] наблюдали дифракцию пучка электронов, отражающихся от кристалла никеля, причем это открытие было сделано совершенно случайно. Когда они проводили свой эксперимент, трещина в вакуумной системе позволила проникнуть воздуху, и образец никеля покрылся оксидной пленкой. Чтобы очистить поверхность, они нагрели образец до высокой температуры, которая частично расплавила его, и затем при охлаждении сформировались кристаллы гораздо большего размера, что привело к резко увеличившимся (и таким образом легко наблюдаемым) дифракционным пикам. Посещая Британию через несколько лет, Дэвиссон был удивлен, услышав, что Макс Борн[152] цитирует его странный эксперимент как свидетельство волновой природы электронов. Однако последующие эксперименты подтвердили это объяснение, и Дэвиссон разделил в 1937 году Нобелевскую премию за открытие волновой природы электрона с Джорджем Томсоном из университета в Абердеене, который наблюдал дифракцию электронов, направляемых через тонкие пленки жира. Отцом Томсона был Дж. Дж. Томсон, который получил Нобелевскую премию в 1906 году за доказательство, что электрон является частицей (см. главу 3), так что разговоры за обеденным столом в семье Томсонов должны были быть весьма интересными.

Эти эксперименты показали, что, каким бы странным это не казалось, электроны действительно ведут себя как волны. Чтобы принять это, нужен был решительный разрыв с классической физикой.

Оригинальный сценарий создал де Бройль, он рассматривал электрон как частицу, которая направлялась связанной с ним «волной-пилотом». Математический аппарат для описания этой связи так и не был разработан в 1920-х годах, и де Бройль вскоре отказался от этого подхода, хотя идея волны-пилота была реанимирована в 1950-х Дэвидом Бомом[153] и до сих пор остается на пике активных исследований[154].

Отчасти вдохновленный предложениями де Бройля, в 1926 году австрийский физик Эрвин Шрёдингер разработал волновое уравнение, которое точно описывало поведение электронов. Уравнение Шрёдингера было, несомненно, огромным успехом, и за него он получил в 1933 году Нобелевскую премию по физике. Однако у этого уравнения были некоторые математические особенности, в частности, оно включало в явном виде мнимое число i: квадратный корень из -1.

Если вы вспомните, что рассказывали о квадратных корнях в средней школе или даже попробуете вычислить квадратный корень отрицательного числа на калькуляторе, скорее всего, это покажется невозможным. В действительности, это возможно, если расширить основные идеи математики и включить i как отдельное число. Тогда, комбинируя «реальные числа», такие как 1, 2, ω, и √2 с множителем i, мы сможем получить мощную технологию для анализа больших разделов физики. Эти комплексные числа особенно полезны в изучении волн и оптики, так что в некотором смысле вполне естественно, что они возникли в уравнении Шрёдингера для электронных волн.

При изучении классических волн, таких как свет и звук, мнимые числа используются в основном в целях удобства вычислений: реальные измеряемые волны описываются в целом натуральными числами. Волны в уравнении Шрёдингера, с другой стороны, могут быть описаны только комплексными числами с мнимой составляющей. Это означает, что эти волновые функции не могут описывать реальные возмущения в некоторой среде, как рябь на поверхности воды. Но тогда возникает вопрос – а что же они описывают?

Современный подход к пониманию волновых функций, описанный уравнением Шрёдингера, был впервые предложен Максом Борном в сноске к статье 1926 года, где волновая функция интерпретировалась как вероятность нахождения электрона в заданной точке. Волновая функция сама по себе не является вероятностью, поскольку она представляет собой комплексное число, а мнимых вероятностей не существует. Вместо этого, вероятность дается с помощью «нормированного квадрата» волновой функции, процесс, схожий с возведением в квадрат самой волновой функции, но по пути отбрасывается возможность получения отрицательного результата от мнимых составляющих.

Решение уравнение Шрёдингера для электрона в атоме типа водорода дает дискретный набор состояний, определяемых тремя целыми числами – n, l и m, но интерпретация этих состояний как вероятностей разрушает идею Бора-Зоммерфельда об электроне, который движется по правильной классической орбите. Вместо этого волновая функция описывает «орбиталь[155]» как некий шар, беспорядочно мечущийся вокруг атома электрон. Любое индивидуальное измерение позиции электрона с конкретными n, l и m позволит обнаружить электрон где-то поблизости от ядра, и если повторить это бессчетное число раз с одинаково подготовленными атомами, измеренные позиции очертят распределение вероятностей, которое определяется волновой функцией, удовлетворяющей уравнению Шрёдингера. Нельзя сказать, что электрон на своей орбите имеет четко определенную позицию или момент; все, что можно определить – это вероятность наблюдения его в определенном положении или движущимся с определенной скоростью. (Это имеет глубокие последствия для нашего понимания физики, и мы обсудим это в следующей главе.)

Однако есть некоторые свойства электрона, которые точно определены, из них наиболее важным считается его общая энергия. Она до сих пор определялась с помощью «основного квантового числа» n, которое представляет общую энергию орбитали, причем ее энергия будет весьма близка к предсказанной с помощью атомной модели Бора-Зоммерфельда. Но целое число n больше не ассоциируется с моментом импульса электрона на своей орбите, эту роль исполняет квантовое число l, оно определяет полный момент импульса для данной орбитали (и, как мы можем видеть на иллюстрации ниже, это имеет отношение к количеству нод[156]). Квантовое число l может принимать ряд значений, но его значение должно всегда быть меньше, чем n. Наконец, квантовое число m дает значение момента импульса по конкретной оси[157]; как и в модели атома Бора-Зоммерфельда, энергия довольно слабо зависит от l и совсем не зависит от m, если только на атом не воздействует электрическое или магнитное поле. Уравнение Шрёдингера таким образом ведет к тому же набору вырожденных энергетических уровней, что предполагает и модель Бора-Зоммерфельда.

Распределение вероятности для некоторых выбранных (п, l, m) состояний для электрона водорода показывает эффект изменения квантовых чисел момента импульса: увеличение значения l дает картину с большим количеством нод (узловых поверхностей), в то время как увеличение m поворачивает всю картинку. Изображения являются двумерными срезами через распределение вероятности; более яркий белый цвет обозначает более высокую вероятность.

В отличие от изначальной модели Бора с электронами, которые вращаются по орбите в одной плоскости, или по наклонным орбитам при различных значениях m в модели Бора-Зоммерфельда, орбитали, вычисленные из уравнения Шрёдингера, по сути трехмерные. В то время как различные значения l и m не дают различий в энергиях, они глубинным образом изменяют распределение электрона в пространстве, как это видно на иллюстрации. Это дает последний элемент, необходимый для понимания структуры молекул. Эти электронные распределения определяют форму и колебания молекул, что, в свою очередь, определяет практически все в этих молекулах.

Четыре связи, которые формирует углерод, например, естественным образом организуют сами себя в углах тетраэдра, что приводит к трехмерной структуре многих органических молекул. Две связи, формируемые кислородом, лежат в одной плоскости и разделены углом примерно в 104 градуса, что придает молекулам воды характерную форму военного шеврона[158]. Это существенно для многих ее химических свойств, включая тот необычный факт, что вода расширяется при замерзании.

Современная химия

Если бы физика перенесли из 1917 года на сто лет вперед, для него было бы крайне тяжело разобраться на поляне его науки, настолько сильно повлияла на нее квантовая теория, разработанная в поздних 1920-х. Химик же из того же периода гораздо легче догнал бы науку XXI века, поскольку множество базовых концепций в современных подходах были бы ему знакомы. Вы все еще можете довольно далеко продвинуться в понимании химических связей и структуры, просто думая об атомах в терминах атомной валентности и разделения электронов между атомами для заполнения их электронных оболочек, особенно не заботясь о том, откуда эти оболочки взялись.

Однако детали тут из квантового мира. Размытая концепция «оболочек» из химии начала ХХ века была заменена квантово-механическими орбиталями, реальный размер и форма которых могут быть вычислены с высокой точностью с помощью уравнений Шрёдингера и Дирака. Уравнение последнего наиболее важно для более тяжелых атомов, чьи электроны движутся достаточно быстро, чтобы возникал значимый релятивистский эффект.

Молекулярные связи формируются, когда атомы подходят друг к другу достаточно близко, чтобы их орбитали перекрывали друг друга и сливались вместе, при этом волновая функция электрона распространяется на большую область, охватывая оба атома. Отдельные электроны, вовлеченные в связь таким образом, буквально разделяются между двумя атомами (как мы увидим в следующей главе).

Волновая функция электронов определяет не только точное трехмерное расположение электронных орбиталей, но также сколько состояний доступны в пределах отдельного набора атомов. Принцип запрета Паули разделяет электроны между этими состояниями, минимизируя общую энергию и при этом обеспечивая условия, когда каждый электрон имеет уникальный набор квантовых чисел. Это, в свою очередь, определяет как быстро и насколько сильными образуются связи между атомами и какой формы будут в результате молекулы. Эти структуры и силы связей затем определяют, как каждая данная молекула будет реагировать с остальными, включая химические рецепторы в нашем носу, которые мы используем для обработки наборов летающих в воздухе органических молекул для превращения их в чувство обоняния.

Множество проблем в химии все еще остаются сложными – вычисление структуры даже простых молекул может быть сложной вычислительной задачей, и даже лучшие суперкомпьютеры напрягаются, чтобы найти форму больших протеиновых молекул, включающих сотни отдельных атомов, организованных в длинные цепи, а они могут сворачиваться в витки и образовывать сложные трехмерные структуры. Как мы упоминали ранее, в начале этой главы, как молекулы запаха определяются и обрабатываются, до сих пор еще не до конца понятно. Мы знаем наверняка, что, когда вы начинаете свое утро с приятного аромата вашего любимого горячего кофе, напиток черпает свой аромат в конечном счете из принципа запрета Паули и волновой природы электронов.

Глава 7

Твердые предметы: Энергия неопределенности

Я засовываю пару кусков хлеба в тостер, встряхиваю его, если хлеб немного прилипает к стенке, и опираюсь на стойку, поджидая.

Почти 2500 лет назад философ Зенон Элейский опубликовал большое количество парадоксов, стремясь показать абсурдность «здравого смысла» относительно окружающей реальности. Одной из его наиболее известных апорий была попытка продемонстрировать, что движение есть иллюзия, потому что любое движение требует бесконечного количества времени. Чтобы пройти через комнату, например, я сначала должен пройти половину пути до середины комнаты, что потребует некоторого времени, но потом я должен пройти половину оставшейся половины (то есть три четверти расстояния), что тоже займет некоторое время. Затем я должен пройти еще половину оставшегося расстояния (то есть от трех четвертей комнаты дойти до отметки в семь восьмых), и это тоже потребует какого-то времени. Этот процесс можно продолжить до бесконечности, откуда следует, что движение на любое расстояние, в принципе, требует бесконечного числа повторений, каждая из которых отнимает конечное количество времени. Отсюда делается вывод: чтобы куда-нибудь дойти, требуется бесконечное количество времени, и, таким образом, движение невозможно[159].

Большинство людей реагируют на это примерно так же, как рассказывается о Диогене-кинике[160]: он попросту встал и пошел прочь от философа. Движение – это настолько очевидный факт нашего повседневного существования, что заявление о его невозможности кажется смешным. Более склонные к математическим рассуждениям мыслители указывают на то, что каждый раз, деля расстояние пополам, вы делите пополам и время, за которое его надо преодолеть. С изобретением интегрального и дифференциального исчисления мы знаем, что бесконечное число все более уменьшающихся чисел может в сумме дать конечное число (более того, если быть точным, то сумма, описанная в парадоксе, будет слагаться из ряда 1/2 + 1/4 + 1/8 +. и в итоге равняться единице). Однако философы продолжали спорить по поводу тонких моментов в аргументации Зенона вплоть до сегодняшних дней.

Что предметы тверды есть еще один убедительный факт нашего существования, мы это ощущаем на опыте всякий раз, когда кладем один предмет на другой. Вопрос о стабильности твердой материи, таким образом, может показаться из разряда тех тем, которые лучше оставить философам или у кого слишком много свободного времени. И все же оказалось крайне трудным доказать, если основываться на физических принципах, что твердые предметы, состоящие из большого числа взаимодействующих частиц, действительно стабильны.

Проблема наиболее просто описывается в терминах энергии: как материя вообще, любая физическая система всегда пытается снизить свою энергию, поэтому чтобы большое количество частиц составляли стабильный твердый предмет, их расположение должно обладать минимальной энергией, и количество энергии уже больше не могло снижаться. Однако, как мы видели, когда говорили о модели Бора, притяжение между положительными и отрицательными зарядами дает им отрицательную потенциальную энергию, которая возрастает до отрицательной бесконечности, когда два заряда находятся прямо друг на друге. Бесконечное значение предполагает, что любой набор частиц в принципе может уменьшить свою энергию, упаковав все свои компоненты более плотно. Это не сразу очевидно, но если рассуждать далее, то почему бы силам притяжения, которые притягивают частицы друг к другу, чтобы создать атомы, молекулы и предметы, при определенных обстоятельствах не стянуть все эти частицы до бесконечно малого объема, вызывая «схлопывание» предмета, делая его твердым и высвобождая огромное количество энергии в ходе такого процесса. Кусочек хлеба, ожидающий, что его поджарят в тостере, с этой точки зрения будет потенциальной атомной бомбой.

Предотвращение такого коллапса нужно, чтобы твердые предметы могли существовать, и это требует некоторого дополнительного фактора, что повышает энергию, если частицы сблизятся еще больше. Это будет обеспечивать минимальную энергию при определенном размере, во многом так же, как уравновешиваются электромагнитные силы против сил, которые нужны, чтобы удержать электрон на небольшой орбите, что Бор определил как оптимальный радиус самой низкоэнергетической орбиты в атомной модели. Наконец, энергия поступает из двух основных квантовых идей, которые мы уже обсуждали, из специфической волновой природы материи и принципа запрета Паули. Чтобы объяснить, как это происходит, мы должны познакомиться с одним из наиболее важных последствий квантовой физики, чего ни одна книга по теме не может обойти вниманием – это принцип неопределенности Гейзенберга[161].

Определенность неопределенности

В середине 1920-х годов, столкнувшись с неспособностью модели Бора-Зоммерфельда правильно описать некоторые простые на вид системы, как ионизированная молекула водорода, с которой мучился Вольфганг Паули во время своей докторской диссертации, некоторые из (в основном) молодых физиков начали отказываться от полуклас-сического обоснования «старой квантовой теории». Первый прорыв был сделан, когда Вернер Гейзенберг решил, что ключом к решению проблемы будет отказ от идеи точно определенных электронных орбит.

Гейзенберг был из того же поколения, что и Паули (этот был на год старше), и, как и он, учился под руководством Арнольда Зоммерфель-да в Мюнхене. Его диссертационное исследование было по теме классической физики турбулентности, но, как многие физики в то время, он проявлял интерес к возникавшей квантовой теории. После защиты докторской диссертации он переехал в Геттингер, чтобы работать с Максом Борном, и провел зиму 1924–1925 в институте у Нильса Бора в Копенгагене.

Пока работал в Дании с Бором, Гейзенберг старался использовать «старую квантовую теорию» для объяснения интенсивности спектральных линий, то есть почему атомы излучают и поглощают более активно на некоторых характерных частотах, чем на других. Статистическая модель света, разработанная Эйнштейном, давала очень общие правила для таких вычислений, но при попытке более детального анализа оказывалось, что это крайне затруднительно.

Летом 1925 года Гейзенберг вернулся в Геттинген и продолжил свою напряженную работу над проблемой спектральных линий. В то же время он боролся с аллергией и, чтобы избежать сильного приступа сенной лихорадки, на некоторое время уехал на отдаленный остров Гельголанд, где мог дышать воздухом без пыльцы и сконцентрироваться на своей работе. Именно там на него сошло озарение, и ученый понял, что попытки вычисления классических орбит, по которым следуют электроны, – это пустая трата времени. Раз ни один мыслимый эксперимент не давал надежду отследить движение электрона по его орбите, так не стоило и тратить силы на более точное определение этого движения. Вместо этого он попробовал найти способ сформулировать квантовую теорию исключительно в терминах экспериментально наблюдаемых величин.

После длительного периода напряженных математических усилий Гейзенберг нашел ответ на вопрос. Ответ был найден в форме тщательно вычисленных таблиц чисел, описывающих измеряемые свойства квантовых прыжков. Эти значения были отсортированы по рядам и колонкам на основе конкретных пар измерявшихся начальных и конечных состояний электрона. Как и в случае с волновым уравнением Шрёдингера в предыдущей главе, теория Гейзенберга работала с вероятностями, но в терминах разрешенных состояний, а не в конкретных положениях электрона. Проблема интенсивности спектральных линий, что мотивировала Гейзенберга, привела к определению вероятности того, что электрон из одного разрешенного состояния перейдет в другое, причем чем больше вероятность, тем ярче будет спектральная линия. Эти вычисления требовали привлечения комбинированных результатов из его таблиц с числами согласно правилам, которые понемногу начали вырисовываться.

Вернувшись в Геттинген, Гейзенберг показал свою работу Борну. Тот заметил сходство между вычислениями Гейзенберга и матрицами – индексированными таблицами с числами и специальными правилами, определяющими работу с этими матрицами при вычислениях – что изучали коллеги-математики. Борн, Гейзенберг и еще один ассистент Борна, Йордан Паскуаль[162], переформулировали результаты Гейзенберга на язык матриц, что привело к первой относительно полной теории квантовой физики – «матричной механике»[163].

Сначала матричная механика была воспринята не слишком восторженно, поскольку физики в те дни не были хорошо подкованы в математике матричных вычислений. Но когда Эрвин Шрёдингер вывел свое волновое уравнение следующей зимой[164], многие физики вздохнули с облегчением. Оба подхода были эквивалентны с точки зрения математики, и в наши дни физики изучают и тот, и другой. Волновые функции, вычисляемые с помощью уравнения Шрёдингера, регулярно описываются с использованием математических терминов, заимствованных из матричной механики, в то время как открытия Гейзенберга часто описываются в волновых терминах, что требует более интуитивного понимания происходящего. В реальности вычисления делаются с использованием того подхода, который позволит проще решить конкретную проблему.

Гейзенберг больше всего известен вне физического сообщества за его принцип неопределенности – одна из идей квантовой физики, просочившейся в массовую культуру. Наиболее известная формулировка этого принципа гласит, что невозможно знать одновременно и положение, и момент импульса частицы до определенного уровня точности. Обе из этих величин неопределенные, и результат их неопределенности должен быть больше некоторого минимального значения. Другими словами, когда неопределенность одной уменьшается, неопределенность другой должна возрастать как минимум в той же степени. Если вы точно знаете, как быстро что-либо движется, вы теряете возможность понять, где это находится, и наоборот.

Принцип неопределенности часто описывается как явление, связанное с измерением, то есть что попытка измерения положения вносит возмущения в момент импульса, и наоборот. Однако это, хотя и в целом правильно описывает отношения величин, несколько уводит в сторону, поскольку оставляет впечатление, что существуют «действительное» положение и момент импульса, связанные с атомной частицей, и мы просто их не знаем.

Квантовая неопределенность гораздо более фундаментальна, чем все описанное выше. Одно из слов, которое Гейзенберг использовал, разрабатывая свою теорию, безусловно, лучше будет переведено с немецкого как «неопределенность» английским термином indeterminacy, а не uncertainty – «сомнения, нерешительность, неопределенность, что дает более точный вариант для размышления по теме. Квантовая неопределенность вытекает непосредственно из первого озарения Гейзенберга на Гельголанде: идея формулирования теории только в терминах измеряемых величин, что предполагает существование других величин, которые не могут быть определены. Принцип неопределенности говорит не о проблемах измерения, он отражает тот факт, что просто бессмысленно говорить о точно определенном положении или моменте квантовой частицы.

Однако для того, чтобы понять эту неопределенность и как она помогает производить энергию, чтобы наши завтраки не «схлопывались», мы должны сначала вернуться назад и посмотреть, какую пользу приносит волновая картина Шрёдингера. Нам нужно более внимательно посмотреть на то, что означает для частицы – вести себя как волна, и наоборот.

Нулевая энергия

Принцип неопределенности Гейзенберга – самый известный из странных последствий квантовой физики, но, чтобы его объяснить, мы должны взглянуть на другое явление, также в сути своей противоречащее нашей интуиции. Это идея об «энергии нулевой точки», или «нулевой энергии», которая говорит нам, что отдельная квантовая частица никогда не находится в покое. Это следует напрямую из волновой природы квантовых частиц. Как выяснится далее, это имеет глубокие последствии для стабильности материи.

Чтобы чуть глубже понять волновую природу и нулевую энергию, полезно вернуться к самой простой системе в квантовой физике: отдельной частице, заключенной в коробку[165]. Основная идея здесь та же, как и в модели «что-то в коробке», какую мы использовали для решения проблемы с излучением черного тела, но в том случае мы рассматривали световые волны. Теперь, вооруженные идеей де Бройля о волновой материи, мы хотим рассмотреть материальную частицу, такую как электрон, в коробке. Наша гипотетическая «коробка» непроницаема, так что электрон может двигаться внутри свободно, но никогда не может выйти наружу.

Хотя такой сценарий, на первый взгляд, отличается с точки зрения повседневной интуиции, но с точки зрения математики разница между лучом света, заключенным в коробку с отражающими стенками, и электроном с волновой природой, содержащимся в непроницаемой коробке, не слишком велика. В обоих случаях конечным результатом будет появление ограниченного набора мод стоячих волн, причем волны будут вынужденно иметь нулевую амплитуду у концов коробки и укладываться в целое число половин длин волн по длине коробки.

Точно так же, как и в случае со световыми волнами, наиболее длинная возможная волна от электрона внутри коробки будет иметь длину в два раза больше длины самой коробки.

Если применить рассуждения к световым волнам, эти ограничения не кажутся проблематичными, но если иметь дело с электроном, то возникнет весьма необычный момент, а именно, электрон никогда не сможет оставаться в покое внутри коробки. Как показал де Бройль, длина волны электрона связана с его моментом импульса, более высокий момент означает более короткую длину волны. Момент импульса вычисляется умножением массы на скорость[166], и поскольку масса электрона фиксирована, момент импульса электрона является отражением его скорости. Покоящийся электрон будет иметь нулевой момент импульса, что потребует бесконечно большую длину волны, но ограниченный стенками коробки электрон имеет максимальную длину волны – две длины коробки – и это означает, что его минимальный момент импульса не нулевой. Таким образом, электрон в ограниченном пространстве всегда должен двигаться.

В физике скорость – это величина, которая включает как значение самой величины (собственно скорость) и направление, и, как результат этого, момент также определяется в терминах направления. Поскольку электрон в коробке может двигаться в любом направлении, это делает достаточно сложным рассуждения о частицах, ограниченных в пространстве, в терминах момента. Чтобы избежать проблем с направлением, легче рассуждать об ограниченном электроне в терминах кинетической энергии, которая не зависит от того, куда направляется частица, а зависит лишь от того, насколько быстро она движется. Моды стоячей волны для электрона, пойманного в коробку, являются состояниями с хорошо определенной кинетической энергией, причем энергия увеличивается пропорционально квадрату количества половин длин волн в коробке, то есть мода второго состояния (вторая мода) имеет в четыре раза больше энергии, чем первая, третья в девять раз больше, чем первая, и так далее.

Самой главной характеристикой здесь считается, что минимальная энергия не равна нулю. Это кажется странным, если говорить с позиции классической физики: если я помещу обычный макроскопический объект, наподобие стеклянного шарика, внутрь коробки для обуви, я прекрасно могу так расположить ее, чтобы предмет внутри не двигался относительно коробки и, таким образом, обладал нулевой кинетической энергией. Квантовая же частица никогда не может оставаться в полном покое из-за ее волновой природы. Эта минимальная энергия, или нулевая энергия, – к сожалению, богатый источник материала для всяких проходимцев. Люди со слабыми познаниями в квантовой терминологии и при этом не очень щепетильные часто используют схемы со «свободной энергией», основанные на идее извлечения нулевой энергии, из пустого пространства. Как обычно, при этом звучат нереальные обещания, чтобы быть правдой, поскольку это невозможно: нулевая энергия – это неизбежное следствие волновой природы материи и никогда не может быть извлечена.

Минимальная энергия электрона определяется размером коробки и зависит от обратного квадрата ее длины, то есть если вы увеличите вдвое длину коробки, минимальная энергия этой большей коробки будет равна одной четвертой от энергии маленькой коробки. Чем больше вы ограничиваете частицу в пространстве, тем короче получаются максимально возможные длины волн и тем выше будет ее энергия. Это увеличние энергии – один из важных моментов для понимания стабильности материи.

Принцип неопределенности

Волновая природа материи, таким образом, является причиной того, что ограниченная в пространстве частица имеет некоторую минимальную энергию, однако, не слишком очевидно, как это связано с принципом неопределенности. Почему волновая природа материи делает невозможным знание одновременно и положения, и момента импульса отдельной частицы в определенный момент времени?

Ключевая идея прячется несколькими параграфами ранее, когда мы переключились на разговор об энергии состояний. Состояния стоячих волн ограниченного в пространстве электрона считаются состояниями с определенной энергией, но неопределенным моментом импульса, поскольку, как уже упоминалось, момент включает не только скорость движения частицы, но и направление. Наиболее простой вариант нашей «частицы в коробке» будет гипотетическая одномерная «коробка» – нечто вроде струны, где электрон может двигаться лишь в двух направлениях. Электрон, ограниченный одномерной коробкой, с равной вероятностью будет двигаться вправо или влево, что и дает неопределенность моменту импульса. Для одномерной системы мы будем обозначать направление движения знаком частицы, так чтобы движущаяся налево частица имела отрицательный момент, а движущаяся направо – положительный. Возможен диапазон значений, момент, таким образом, будет равен удвоенному моменту, связанному с базовой волной электрона. Мы можем выразить это как средний момент с некоторой неопределенностью: например, если момент импульса может быть либо 5, либо – 5 единиц, диапазон значений момента будет равен 10 единицам, и мы скажем, что средний момент равен 0, плюс или минус 5 единиц.

В более ограниченном пространстве частицы должны иметь длины волн короче, и, таким образом, больший момент и энергию, так что мы можем уменьшить момент и, в свою очередь, неопределенность момента, увеличив размер коробки. Но когда мы это сделаем, то вынужденно увеличим неопределенность положения частицы, равная около половины размера коробки, поскольку в среднем частица будет в середине, и может находиться в пределах половины длины коробки в обе стороны[167]. Результатом этих двух неопределенностей будет постоянная: если мы удвоим длину коробки, то удвоим неопределенность положения, но уменьшим вдвое неопределенность момента, таким образом, неопределенность положения, умноженное на неопределенность момента, останется неизменной.

Итак, одновременно и положение, и момент импульса частицы в коробке должно быть неопределенным, как это требует принцип неопределенности Гейзнеберга. Однако это может быть не так очевидно применительно к частице вне коробки, что может двигаться без ограничений как ей угодно. Чтобы это понять, мы должны подумать о том, что означает для квантового объекта иметь одновременно природу и частицы, и волны и что мы требуем, когда хотим определить одновременно и положение, и момент.

Чтобы говорить о квантовой частице, то есть о частице с волновой природой, имеющей точно определенный момент, мы должны быть способны уточнить ее длину волны. Это означает, что она должна простираться на достаточное расстояния, чтобы колебаться, что несовместимо с точно определенным положением. Наилучшим компромиссом, которого мы можем добиться здесь, будет нечто вроде «волнового пакета», функции, где будет волновое поведение, но лишь в небольшом объеме пространства, как показано на иллюстрации.

Волновой пакет имеет очевидные колебания лишь в небольшом объеме пространства.

Эта функция имеет характеристики и волны, и частицы, но как мы можем сотворить такую штуку из обычных волн? Мы можем найти подсказку в случае с частицей в коробке, когда самое низкое энергетическое состояние является суммой двух различных волн, одной, соответствующей частице, движущейся налево, и другой – направо.

Давайте рассмотрим, что происходит, когда мы сложим вместе две волны, соответствующие двум возможным различным скоростям. В этом случае мы получим волновую функцию, которая выглядит примерно как на следующей иллюстрации.

Складывая две волны с немного отличающейся частотой, мы получаем волновую функцию с двумя биениями, где две волны взаимно уничтожаются. Мы возводим это в квадрат, чтобы получить распределение вероятностей.

Когда две волны с различной длиной складываются, есть места, где получаются еще бо́льшие по амплитуде волны, но по мере того как волны движутся вперед, они выходят из фазы друг с другом. На некотором расстоянии будет место, где они взаимно уничтожат друг друга почти совсем, и получится, что волны там вообще нет. Это называется «биение[168]», поскольку в музыке существует похожее явление, которой приводит к рассогласованному дребезжащему звуку, когда два слегка расстроенные относительно друг друга инструмента играют одну и ту же ноту.

Когда у нас всего две волны, сложенные вместе, результатом будут лишь небольшие участки, где нет волн, но если мы добавим больше волн, то участки, где волны вычитаются друг из друга, становятся шире, а области, где есть волны, становятся более узкими и четкими. Чем больше длин волн мы добавляем, тем больше полученная в результате волновая функция напоминает волновой пакет, который описывает частицу. Каждая дополнительная длина волны, однако, соответствует возможному моменту импульса. Как только вы добавляете длины волн, вы увеличиваете вероятность нахождения частицы с каждым определенным моментом импульса; вы делаете волновой пакет меньше за счет более точно определенного положения, но этот процесс увеличивает неопределенность момента частицы.

Добавляются (снизу вверх) одна, две, три и пять длин волн, чтобы сделать постепенно все более узкие волновые пакеты.

Вот почему квантовая неопределенность, наверное, лучше всего описывается как indeterminacy – невозможность точного определения: напряжение между свойствами волны и частицы означает, что невозможно точно определить одновременно и положение, и момент импульса частицы одновременно. Если делать волновой пакет уже, чтобы лучше определить положение, это будет означать добавление длин волн и увеличение неопределенности в моменте. С другой стороны, уменьшение числа возможных длин волн для более точного определения момента будет приводить к расширению волнового пакета с большей неопределенностью по положению. Квантовая неопределенность есть не практические ограничения нашей способности измерять вещи, но фундаментальные ограничения на то, какого рода свойства могут иметь квантовые частицы.

Стабильность атомов

Как нулевая энергия и принцип неопределенности помогают обеспечивать стабильность материи? Чтобы это понять, надо отвлечься от простой, но вообще-то искусственной модели «частица в коробке» и рассмотреть более реалистичную ситуацию, когда электрон связан с ядром атома.

Электрон, соединенный с атомом, представляет гораздо более сложную ситуацию, чем электрон, ограниченный коробкой, но рассуждения в обеих ситуациях похожи. Связанный электрон более или менее по определению ограничен в небольшом пространстве вокруг ядра, и точно так же, как в случае с электроном в коробке, размер этого пространства определяет минимум кинетической энергии, которую должен иметь электрон.

Однако в случае с атомом все усложняется силами притяжения между отрицательно заряженным электроном и положительно заряженным ядром. По соглашению в физике такое взаимодействие описывается в терминах отрицательной потенциальной энергии связанного электрона, она добавляется к положительной кинетической энергии, чтобы получилась полная энергия частицы. Как было упомянуто ранее, это дает нам простой способ определить, связан электрон или нет: связанные электроны имеют отрицательную полную энергию. (Вот почему энергия электрона на Боровской орбите, которую мы описывали в главе 4, представляет собой отрицательное число.) Закон сохранения энергии говорит, что эта полная энергия – постоянна, с увеличением кинетической энергии уменьшается, потенциальная, и наоборот, чтобы сумма оставалась неизменной.

В то время как потенциальная энергия связанного электрона всегда отрицательная, она может варьироваться в зависимости от его положения. На больших расстояниях между электроном и ядром она почти нулевая, а когда они сближаются, эта энергия становится все более и более отрицательной. Математически величина этой отрицательной потенциальной энергии возрастает беспредельно: если разместить электрон прямо на ядре, то потенциальная энергия станет отрицательно бесконечной. Это вызывает неприятную перспективу, что электрон всегда может снизить свою общую энергию, приблизившись к ядру.

К счастью, не так сложно показать математически, что увеличение кинетической энергии, происходящее от более тесной связи электрона, достаточно, чтобы противостоять увеличению отрицательной потенциальной энергии. На самом деле, эта кинетическая энергия представляла весьма существенную историческую проблему для ядерных физиков. Атомные массы всегда больше, чем число протонов, которое можно подсчитать на основе заряда ядра, так что до открытия нейтрона физики предполагали, что ядро должно иметь некоторое количество дополнительных протонов с очень сильно привязанными «ядерными электронами», чтобы уравновесить их положительный заряд. Кинетическая энергия связанного электрона становится такой огромной, что невозможно удержать его в пределах пространства атомного ядра с помощью известных физикам взаимодействий. Модель «ядерного электрона» никогда не давала хороших результатов, и Эрнест Резерфорд, среди прочих, верил долгие годы, что ядро должно содержать также тяжелые нейтральные частицы. Когда коллега Резерфорда, Джеймс Чедвик, продемонстрировал в 1932 году существование нейтрона, следуя подсказке в статье Фредерика и Ирены Жолио-Кюри[169], многие физики были благодарны за возможность отказаться от «ядерных электронов».

Благодаря возрастающей кинетической энергии, которая возникает из ограничения электрона в небольшом пространстве, полная энергия электрона на орбите ядра имеет меньший предел. Энергия электрона отрицательна, что указывает на то, что он связан, но она никогда не может стать бесконечно отрицательной, так что его волновая функция простирается в некотором диапазоне вокруг ядра. Атом, состоящий из электрона, привязанного к положительно заряженному ядру, стабилен и не обрушится внутрь самого себя.

Принцип запрета Паули и твердая материя

Волновой природы материи достаточно, чтобы гарантировать стабильность атомов, поэтому философский вопрос о существовании макроскопических предметов может казаться решенным. Тот факт, что отдельное ядро, по орбите которого движется один электрон, стабилен, не обязательно, однако, означает, что большой набор ядер и электронов тоже будет стабильным. Вычисления для одного атома достаточно просты, чтобы их сделал студент старших курсов института физики, но как только вы добавляете хотя бы третью заряженную частицу, то выполнить точные вычисления энергии с помощью карандаша и бумаги становится невозможным, и получаются только приближенные решения и численное моделирование.

Это не единственная проблема в квантовой физике. Классическая «проблема трех тел» точно так же не поддается точному решению и задолго до введения Планком в концепцию квантов энергии беспокоила людей. Проблемой множественных взаимодействующих объектов впервые серьезно озаботились, когда Исаак Ньютон открыл свой закон всеобщего притяжения в конце 1600-х годов и использовал его для объяснения формы орбит в Солнечной системе. Основные свойства этих орбит могут быть определены, если рассматривать взаимодействие между данной планетой и Солнцем, но, конечно же, существуют также силы гравитации между планетами, их тоже нужно принять во внимание. Они гораздо меньше, но не настолько, чтобы ими можно было пренебречь: в 1846 году Урбен Леверье[170] использовал минутные[171] отклонения между предсказанными и наблюдаемыми орбитами планеты Уран, чтобы сделать вывод о существовании еще одной планеты, чья орбита находилась дальше от Солнца. Леверье предсказал положение этой новой планеты, используя приблизительные вычисления по закону Ньютона, и Иоганн Галле[172] нашел планету Нептун почти точно в указанном месте в первую ночь наблюдений[173], после того, как получил предсказание Леверье.

Несмотря на успех примерных орбитальных вычислений подобных тем, что сделал Леверье, отсутствие точного решения проблемы трех (или более) тел оставалось головной болью с тревожными последствиями для человеческого существования. В то время как силы между отдельными планетами весьма слабы по сравнению с гравитационным притяжением Солнца, если они объединятся неправильным образом, то могут предположительно дестабилизировать орбиты планет, швырнув Землю на Солнце или в глубины межзвездного пространства. В отсутствие точного решения этой проблемы нет гарантии, что Солнечная система будет продолжать существовать в нынешней конфигурации.

В 1887 году в попытке решить проблему король Швеции объявил международные соревнования с призом для любого математика, который решит задачу множества тел. Этот приз впоследствии ушел к Анри Пуанкаре[174], который изобрел ряд новых аналитических техник для классификации орбит трех или более тел, взаимодействующих в гравитации. К сожалению, решение Пуанкаре было отрицательным: его новые техники показали, что в действительности нет гарантии, что система со множеством взаимодействующих объектов придет к постоянным орбитам (или будет продолжать по ним двигаться)[175]. Работа Пуанкаре стала ранней отметкой на пути математического изучения хаоса, и техники, которые он изобрел, до сих пор входят в набор стандартных инструментов для изучения систем, фундаментально непредсказуемых, несмотря на относительно простую физику процессов, лежащую в их основе.

Долгосрочная стабильность Солнечной системы остается под сомнением, и, благодаря работе Пуанкаре, мы знаем, что эта ситуация никогда не сможет быть решена[176]. Ситуация со многими взаимодействующими квантовыми частицами еще более сложна, чем проблема многих тел в поле гравитации, которую решал Пуанкаре: электромагнитные силы между зарядами имеют ту же математическую форму, что и сила гравитации, это делает стабильные орбиты невозможными. Вдобавок она зависит от положения взаимодействующих частиц, но, как мы только что показали, они не могут быть точно определены. Невозможно найти с помощью карандаша и бумаги решение для разрешенных состояний даже атома гелия с одним ядром и двумя взаимодействующими электронами. Можно представить, что некоторые особенно неблагоприятные расположения большого числа ядер и электронов могут оказаться фундаментально нестабильными. Комплексные взаимодействия между такими системами могут закончится тем, что некоторые частицы будут отброшены на очень большие расстояния, в то время как остальные схлопнутся до бесконечно малой точки. Это снова поднимает тревожный вопрос о возможности, что мой хлебный тост «схлопнется» и выплеснет энергию, как атомная бомба.

Как и с парадоксом движения Зенона, окончательный ответ очевиден: факт, что мы окружены огромным количеством материи в самых разнообразных конфигурациях, и она выглядит стабильной. Однако демонстрация этого математически выливается в невероятно сложную проблему. Она была окончательно решена в 1967 году Фрименом Дайсоном[177]. Он показал, что существует нижняя граница общей энергии набора электронов и ядер, что исключает возможность схлопывания материи, вследствие запрета Паули.

Может, не так очевидно, что принцип запрета Паули имеет что-то общее с энергией связанных электронов, но мы можем увидеть, как это работает, если более детально рассмотрим математику для данного случая.

Принцип Паули на более глубоком уровне отражает тот факт, что все электроны абсолютно одинаковы и их невозможно отличить друг от друга. Любые пометки (ярлычки) на них для удобства математических действий, например, если назвать один электрон «А», а другой – «Б» и так далее, или обозначение направлений в пространстве для одного как положительное, для другого как отрицательное – все это условность.

Измеряемые свойства состояния со многими электронами, включая их общую энергию, не могут измениться, если мы поменяем ярлычки один на другой. Что в действительности должно измениться – это волновая функция, она должна быть «антисимметричной». Это означает, что, когда вы меняете ярлычки, она должна поменять знак с положительного на отрицательный. Это формальное математическое требование, которое ведет к принципу запрета Паули: волновая функция двух электронов в точно одинаковом состоянии не может изменить знак, если вы меняете ярлыки, и значит, такое состояние запрещено.

Знак волновой функции не влияет на энергию напрямую. Как мы помним, волновая фикция опирается на мнимое число i, так что измеряемые свойства могут зависеть только от квадрата волновой функции. Но это требование ограничивает состояния электронов для тех, какие в целом имеют более высокую энергию. Мы можем посмотреть, как требование антисимметрии ведет к более высоким энергиям электронов, если рассмотрим простую систему, вызывающую возникновение двух волновых функций с различными симметриями. Один электрон, разделенный между двумя атомами в молекуле. Это не точно совпадает со сценарием со многими электронами, но гораздо легче себе представить и показать, почему антисимметричные состояния будут стремиться иметь более высокие энергии.

Разделенный электрон прикреплен к обеим ядрам, так что мы ожидаем, что срез через вероятность распределения вдоль оси между атомами должен показывать два пика, увеличивая шансы обнаружения электрона около каждого ядра. Однако, есть два различных способа создать волновую функцию, которая ведет к такому распределению вероятности: один способ, когда волновая функция положительна для обоих пиков, и другой – когда волновая функция изменяется от положительной к отрицательной, и вы движетесь от одного атома к другому[178].

Волновая функция для двух различных состояний электрона, разделенных между двумя атомами.

Когда мы размышляем о свойствах симметрии в этих волновых функциях, нам нужно принимать во внимание, что происходит, когда мы меняем условные ярлыки «лево» и «право». Если отразить волновую функцию в зеркале, мы увидим, что состояние с тем же знаком будет симметричным: оба пика волновой функции имеют одинаковый знак, поэтому если вы поменяете «лево» и «право», ничего не изменится. Обмен левого на правое изменяет то, какой пик будет положительным, а какой отрицательным, это то же самое, что и смена знака волновой функции.

В то время как различия между ними кажутся не слишком значимыми, энергия антисимметричного состояния слегка выше. Чтобы понять, почему нам нужно повнимательнее посмотреть на вероятность (показано ниже) обнаружения электрона в точке нахождения молекулы, которую мы получили, возводя в квадрат волновую функцию, потому что отрицательных вероятностей не существует.

Распределение вероятности для двух волновых функций из предыдущей иллюстрации; вставка сфокусирована на средней точке между двумя атомами.

Они выглядят практически идентичными, кроме небольшой зоны посередине между двумя атомами. Состояние с одинаковыми знаками (симметричное) дает электрону некоторый шанс нахождения точно на полпути между ними, в то время как состояния с различными знаками (антисимметричные) имеют точно нулевую вероятность нахождения электрона между двумя пиками (поскольку, чтобы пройти от положительного до отрицательного, вы должны пройти через ноль).

Электрон в антисимметричном состоянии исключается из небольшой области пространства, которое электрон в симметричном состоянии волен занимать. Это исключение сужает диапазон положений, когда электрон может быть обнаружен. Как мы видели, обсуждая принцип неопределенности, это необходимым образом увеличивает кинетическую энергию частицы.

Приведенная выше иллюстрация рассматривает волновые функции одного электрона, в то время как принцип запрета Паули применим к системам с множеством электронов во многих состояниях и рассматривает спин электрона одновременно с его пространственным распределением (мы рассмотрим это более внимательно в главе 9). Проблема множества электронов гораздо более сложная, чем простое состояние с одним электроном, но наши выводы распространяются и здесь: антисимметричные волновые функции обладают в целом слегка большей энергией, чем симметричные, и принцип запрета Паули говорит нам, что волновая функция для набора электронов должна быть антисимметричной. Это означает, что электроны будут обнаруживаться в волновой функции с большей энергией, поэтому полная кинетическая энергия набора электронов, разделенных между двумя атомами, возрастает быстрее, по мере того как вы добавляете все больше электронов в небольшое пространство, чем если бы они не подчинялись запрету Паули.

Вы можете, приложив некоторые математические усилия, использовать ту же аргументацию для большего количества ядер и большего количества электронов и получить тот же результат. Набор частиц, подчиняющихся принципу запрета Паули, всегда будет иметь более высокую общую энергию, чем идентичное количество частиц, занимающих симметричную волновую функцию[179]. В самом деле, это увеличение энергии считается самым важным для предотвращения коллапса. Как добавление еще одной планеты может разрушить стабильность Солнечной системы, добавление дополнительных частиц может разрушить стабильность одного атома. Без дополнительной кинетической энергии, возникающей из необходимости находиться в асимметричных состояниях, большое количество ядер и электронов могли бы снижать свою энергию до больших отрицательных величин за счет более плотной упаковки, и твердая материя была бы по сути своей нестабильной.

Математические вычисления, лежащие в основе этого, очень сложны, и никто не мог обоснованно показать, что энергия набора частиц материи имеет хоть сколько-нибудь более низкую границу до тех пор, пока Фримен Дайсон и Филипп Ленард не сумели это сделать в 1967 году, где-то через сорок лет после введения принципа запрета Паули. Работа Дайсона и Ленарда все же оставила некоторое неприятное количество места для схлопывания: вычисленный ими нижний предел все еще позволял материи существенно сжиматься и высвобождать огромную энергию, делая каждый твердый предмет потенциальной атомной бомбой. В последующие годы Эллиотт Либ[180]и Вальтер Тирринг[181] существенно улучшили вычисления Дайсона, и у нас есть твердое доказательство, что твердая материя действительно стабильна, как мы ее и ощущаем.

Применение к астрофизике

Как послесловие к дискуссии по стабильности материи будет интересным заметить, что, когда умирает звезда, ее остатки также удерживаются за счет принципа запрета Паули.

Когда звезды начинают свои жизни с невероятного количества водорода, этот запас топлива, тем не менее, конечен и рано или поздно исчерпывается. Когда это случается (это может происходить множеством способов, причем некоторые из них более зрелищны, чем другие), ядро, которое остается после этого, не может больше генерировать энергию за счет слияния ядер. Поскольку тепло, высвобожденное в процессе слияния, есть то, что удерживает активную звезду против силы притяжения, стремящейся сколлапсировать ее, ядро звезды начинает схлопываться внутрь самого себя, и электромагнитное отталкивание между частицами будет повышать температуру. Однако с 1930-х годов физики знали, что в отсутствие слияния это увеличение не может происходить достаточно быстро, чтобы остановить коллапс. Тогда возникает вопрос: что происходит с ядром звезды?

Для небольших коллапсирующих ядер – чуть превышают размер нашего Солнца – принцип запрета Паули становится спасительным. Электроны и ядра атомов в ядре звезды притягиваются друг к другу силой гравитации и упаковываются все плотнее и плотнее до того момента, когда начинает играть роль их квантовая природа, и расстояние между атомами становится сравнимым с шириной их волновых функций.

Как и в случае с твердой материей, они подвержены принципу запрета Паули, это ведет к более быстрому росту кинетической энергии, чем можно получить от частиц без требований этого запрета. Это «давление вырожденного электронного газа» становится достаточным для того, чтобы противостоять тяге гравитации, и ядро звезды становится белым карликом, шаром примерно размером с Землю и невероятно плотной материей, которая удерживается с помощью квантовой механики. Один кубический сантиметр материи из белого карлика будет весить несколько сотен тонн, по сравнению с несколькими граммами веса для кусочка камня такого же размера.

Но один принцип запрета Паули не может противостоять гравитации для более тяжелых звезд. При массе больше примерно в 1.4 раза массы Солнца[182] гравитационное притяжение ядра звезды становится достаточно большим, чтобы ядро продолжало коллапсировать. Электроны и ядра атомов стискиваются еще плотнее, пока расстояние между ними не становится настолько малым, что вступают в игру силы слабого ядерного взаимодействия. Оно работает только на крайне малых расстояниях, но когда материя достаточно плотна, позволяет электрону слиться с кварком, превращая протон в нейтрон. В коллапсирующем ядре звезды массой[183] чуть больше, чем предел для белого карлика, электроны и протоны сливаются, чтобы сформировать массу, которая практически целиком состоит из нейтронов.

Нейтроны, как протоны и электроны, тоже являются частицами, попадающими под запрет Паули. В то время как они электрически нейтральны и поэтому не отталкивают друг друга, требование, чтобы они были в антисимметричных волновых функциях, ведет к быстрому росту энергии для весьма плотных нейтронов. Это «давление вырожденного нейтронного газа» может остановить коллапс ядра звезды, которое слишком велико, чтобы сформировать белый карлик. Это формирует нейтронную звезду примерно 10 километров в диаметре с плотностью порядка миллиона раз больше, чем у белого карлика.

Квантовая вырожденность – ошеломляюще мощная сила, но в конце концов гравитация все же побеждает. Для звездного ядра чуть больше, чем в два раза массой нашего Солнца, даже принцип запрета Паули не может остановить коллапс. Нейтроны сжимаются все больше и больше, пока все это не становится настолько компактным, что ничто, даже свет, не может вырваться с поверхности этой массы. В этой точке ядро звезды формирует черную дыру, и дальнейшая информация о ее судьбе в нашей Вселенной уже недоступна.

Нейтронные звезды и белые карлики – наиболее экзотические объекты во Вселенной, далекие от нашего обычного утреннего повседневного опыта, но все же квантовые свойства, которые удерживают эти крайне необычные астрономические тела от окончательного коллапса, считаются теми же самыми свойствами, что гарантируют продолжение существования вас и вашего завтрака.

Глава 8

Компьютерные чипы: Интернет создан для котов Шрёдингера

Мой чай еще слишком горячий, чтобы пить, но я ощущаю его аромат и включаю компьютер, чтобы посмотреть, что происходит в мире…

Когда миссия «Аполлона 11» высадила Нила Армстронга и Базза Олдрина на поверхность Луны в 1969 году, она поддерживалась самыми лучшими компьютерными мощностями, что тогда были доступны. Командный модуль, пилотируемый Майклом Коллинзом, и посадочный модуль, который доставил Армстронга и Олдрина управлялись самыми новейшими на тот момент компьютерами. В современных терминах у них было 64 килобайта рабочей памяти, и они могли выполнять около 43 тысяч операций в секунду. Управлением миссией при полете обратно на Землю занималось пять флагманов из верхней линейки серверов IBM мейнфрейм модели System/360 Model 75, у каждого был мегабайт памяти и способность выполнять около 750 тысяч операций в секунду.

В следующие пять десятилетий после высадки на Луну вычислительная мощность увеличилась до непостижимых уму значений. Я печатаю эту книгу по большей части на хромбуке «Самсунг» с 4 гигабайтами рабочей памяти, который выполняет около двух миллиардов операций в секунду[184]. Мой смартфон двухлетней давности работает примерно с той же скоростью, но слегка меньшей памятью. Оба эти примера не сильно впечатляют на фоне возможностей современных компьютеров, но и они превосходят в тысячи раз процессорную мощность компьютеров программы «Аполлон» и при этом легко переносимые небольшие предметы. Даже детские игрушки в наши дни обычно содержат процессоры, которые более мощные, чем в лунном модуле. Если вы хотите найти процессор на уровне лунного модуля «Аполлон 11» в сегодняшнем мире, возможно, вам нужно поискать в каком-нибудь кухонном приборе, вроде тостера для хлеба.

Экспоненциальный рост вычислительной мощности компьютеров за последние пять десятилетий обеспечивался постоянно совершенствуемыми компьютерными чипами на кремниевой основе. Эти процессоры требуют детального понимания физики электронов внутри полупроводников, что, в свою очередь, очень сильно зависит от их волновой природы. В конечном счете, нам надо благодарить квантовую физику за компьютеры, мы принимаем их сегодня как должное. В действительности те компьютеры, которые мы используем, чтобы делиться картинками кошек в Интернете, имеют глубокую связь с одним из самых печально известных воображаемых существ из семейства кошачьих в науке – котом Шрёдингера[185].

Кошачий парадокс

Знаменитые иллюстрации физической концепции, говорим мы о мысленном эксперименте или о настоящем демонстрационном, делятся на две категории. Многие изобретаются для того, чтобы продвинуть какую-нибудь новую теорию, чтобы в яркой визуальной форме продемонстрировать ее успешность, хотя Галилео Галилей, скорее всего, не бросал легкие и тяжелые предметы с наклонной башни в Пизе (как уверяет легенда), фламандский физик Симон Стевин бросал предметы с различными массами с колокольни в Дельфте, таким образом демонстрируя, что они падают с одинаковой скоростью. Наиболее зрелищный вариант был проделан на поверхности Луны в 1971 году астронавтом «Аполлон 15» Дэйвом Скоттом.

Новые теории часто продвигаются через эксперименты, такие как «световые часы», впервые показанные Гилбертом Льюисом[186] и Ричардом Толменом[187] в 1909 году для объяснения основных идей теории относительности Эйнштейна. Они вообразили часы необычного типа, которые отмеряют время, отражая свет туда-сюда между двумя зеркалами, записывали «тик» при каждом отражении[188]. Наблюдатель с такими часами в одинаковый проход света между зеркалами будет видеть, что свет в движущихся часах проходит более длинный путь, чем в стоящих на месте, и, таким образом, время между «тик-так» будет дольше. Этот пример элегантно использует постоянство скорости света для объяснения одной из центральных характеристик специальной относительности, что движущиеся часы движутся медленнее, чем стационарные, и таким образом объясняет, почему эффект считается относительным: второй наблюдатель, путешествующий вместе с движущимися часами, будет видеть, что часы тикают с нормальной частотой, в то время как для первого наблюдателя часы будут отставать[189].

Другой категорией известных физических иллюстраций считаются загадки, которые должны показать сложные проблемы в рассуждениях, когда применяются к конкретной теории. Знаменитый «парадокс близнецов» в специальной теории относительности – один из таких мысленных экспериментов. В нем представляется, что один из двух близнецов отправляется в долгое путешествие на ракете, а другой остается на Земле. Предсказание, что движущиеся часы идут медленнее, предполагает также, что близнец на ракете должен провести меньшее время, чем близнец, оставленный на Земле, и вернувшись обнаружить своего близнеца сильно постаревшим. Однако опять относительность движения предполагает, что близнец в ракете должен видеть своего близнеца в «движении», что означает – близнец на Земле должен быть «моложе». Правильное на взгляд рассуждение приводит к заключению, что каждый из близнецов должен стать «моложе», чем другой. Парадоксальный результат!

Конечно, физическая реальность не может приспособиться к настоящему парадоксу, так что только один из близнецов может быть «моложе», чем другой. Очевидный парадокс разрешается, если заметить: близнец в ракете обязательно изменяет свою скорость и направление движения, то есть ускоряется. Это отличает его ситуацию от его близнеца, позволяя определить разницу за прошедшее время. В меньшем масштабе вариант эксперимента был проделан с атомными часами на реактивных самолетах, и результаты совпадают с предсказаниями из теории относительности: часы на самолете идут медленнее, чем такие же, оставленные на Земле, на ожидаемое количество времени.

Загадка «кота Шрёдингера» попадает в последнюю категорию парадоксов, которые иллюстрируют проблемы с рассуждениями согласно существующей теории.

В 1935 году и Эрвин Шрёдингер, и Альберт Эйнштейн начали разочаровываться в квантовой теории, в создании которой они играли решающие роли, и каждый из них написал статьи, описывающие мысленные эксперименты для иллюстрации своих взглядов на то, что квантовая теория была фундаментально неполной и должна быть заменена более глубоким подходом к физике (статья Эйнштейна, написанная совместно с его молодыми коллегами Борисом Подольским[190] и Натаном Розеном[191], обозначила проблему, которую мы теперь называем «квантовая спутанность», ее мы рассмотрим в главе 11).

Эйнштейн гипотетически продемонстрировал, что неопределенные квантовые состояния несовместимы с принципом «локальности» – идеи о том, что состояния объекта должны зависеть только от предметов в его непосредственном окружении. Вклад Шрёдингера в мир квантовых загадок шел от похожей неудовлетворенности теорией: как и Эйнштейн, он был озабочен вероятностной природой квантовой механики и тем, как единственная реальность, которую мы наблюдаем, возникает из океана возможных результатов. С точки зрения квантовой физики, продвигаемой Бором и другими, известной как «Копенгагенская интерпретация» по месту расположения института Бора – эта проблема была вроде как сметена под край коврика утверждением, что вероятностные правила квантовой физики применимы только к микроскопическим системам и не могут повлиять на макроскопический мир. Шрёдингер на это не купился и изобрел дьявольский мысленный эксперимент, чтобы ярче подчеркнуть проблему.

В статье, подводящей итоги, «Современная ситуация в квантовой механике» Шрёдингер указал, что вы можете объединить микроскопическую квантовую физику и макроскопические системы эффектным способом. Он представил сценарий, где кот помещен внутрь коробки вместе с прибором, содержащим нестабильный атом с 50 % вероятностью распада и переходом из одного разрешенного состояния в другое в течение следующего часа (как в статистической модели фотона Эйнштейна и матричной механике Гейзенберга). Если атом распадется, прибор немедленно должен отравить кота. Коробка запечатана таким образом, что экспериментатор снаружи никаким образом не может узнать, что случилось в коробке, пока он ее не откроет через час. Вопрос следующий: каково состояние кота непосредственно перед тем, как коробку откроют?

Здравый смысл подсказывает, что кот либо жив, либо мертв, но согласно Копенгагенской интерпретации, состояние атома должно быть неопределенным: равной смесью распада и не-распада, до тех пор, пока коробка не открыта и не определено конечное состояние. Математически волновая функция атома содержит две части, соответствующим каждому из возможных состояний, так же как волновые пакеты, которые мы собирали вместе в предыдущей главе, содержат множественные возможные компоненты моментов импульса. Состояние атома является квантовой суперпозицией: неопределенное состояние, не то и не другое, но оба сразу.

Однако связь между атомом и машиной для умерщвления кота делает его состояние полностью зависимым от состояния атома, так что кот должен также находиться в состоянии суперпозиции, одновременно будучи и живым, и мертвым. Мысленный эксперимент Шрёдингера показывает, что Копенгагенская интерпретация полагается на абсолютное разделение между микроскопическим миром атомов (управляемым квантовыми правилами) и макроскопическим миром (где царит классическая физика), что просто невыполнимо. Эти два мира могут быть связанными, как показано в парадоксе с котом, что заставляет физику решить базовые вопросы. Как единая реальность, которую мы видим, возникает из квантовых вероятностей? Что означает измерение состояния квантового объекта? Что означает для квантового объекта находиться в множестве состояний сразу?

Проблема кота в коробке сподвигла физиков к обсуждению фундаментальных квантовых проблем, оно продолжается и по сей день. Эта идея вдохновила на множество экспериментов, где пытаются создать «состояния кота Шрёдингера», когда квантовый объект помещен в суперпозицию двух отдельных состояний[192]. Никто не делал этого (или не будет делать) с настоящим котом, но «состояния кота» были воспроизведены в широком наборе систем – отдельных атомах, ионах, больших количествах электронов внутри сверхпроводников – и существует целый раздел науки, где физики-экспериментаторы работают над тем, чтобы «состояния кота» были воссозданы для еще больших по размерам объектов.

Эти эксперименты невероятно трудны, и обычно они требуют сложного оборудования в тщательно контролируемых лабораторных условиях. Физические принципы, лежащие в основе того, что квантовые объекты могут существовать в множественных состояниях суперпозиций, также хорошо обоснованы. В действительности все это необходимо для понимания поведения любого числа обычных предметов, от простых молекул до компьютерных чипов.

Химические связи и состояния кота

Парадигма связанной пары электронов была принципиально важной для понимания химии еще до возникновения квантовой механики. Понятие связей, формируемых разделяемыми электронами, которые создают заполненные оболочки, до сих пор является существенной частью химии, но развитие полной теории квантовой механики дает новое понимание, что это на самом деле означает.

В дни модели Бора-Зоммерфельда были некоторые попытки объяснить молекулярные связи в терминах определенных электронных орбит вокруг как ядра, так и двухатомной молекулы – большие эллипсы и витки в форме восьмерки и так далее. Они никогда не были слишком удачными, и, когда открытие матричной механики и уравнения Шрёдингера уничтожили идею о хорошо определенных электронных орбитах в атомах, стало очевидно, что эта картина точно не подходит. Современная квантовая химия, как современная атомная физика, описывает электроны в терминах распространяющейся волновой функции.

Мы немного рассмотрели эти волновые функции, когда обсуждали стабильность материи в последней главе. Как вы, наверное, помните, одномерный срез через волновую функцию электрона в двухатомной молекуле выглядит похожим на следующую иллюстрацию. Существует пик волновой функции (и, таким образом вероятность обнаружения электрона в этой области) поблизости от расположения каждого ядра, и электрон распространяется на большее пространство, чтобы охватить оба атома.

Более широкое распространение электрона в двухатомной молекуле помогает, в первую очередь, объяснить, почему формируются молекулы. Электрон с большей протяженностью в пространстве будет иметь тенденцию обладать меньшей энергией по сравнению с тем, кто более тесно ограничен, как мы видели в главе 7. Точные детали будут зависеть от специфики вовлеченных в это атомов, но в целом пары атомов формируют химические связи, потому что распространение электронов на два ядра помогает им уменьшить общую энергию пары.

Если посмотреть более внимательно, при сравнении этой молекулярной волновой функции с волновыми функциями электронов для каждого отдельного атома, возникает интересная картина: волновая функция для электрона в молекуле напоминает сумму волновых функций для электрона, связанного с двумя отдельными атомами. Эта идея стала отправной точкой для множества техник вычисления состояний электронов в молекулах[193]. Таким же образом, как мы складывали вместе волновые пакеты, добавляя длины волн, когда мы обсуждали принцип неопределенности, можно построить волновую функцию для разделенных электронов, начав с состояний отдельных атомов и комбинируя их, чтобы получить точное представление волновой функции электрона для молекулы.

При таком подходе электрон в молекуле оказывается таким же видом состояния суперпозиции, как воображаемый кот Шрёдингера. Электрон не привязан к атому А или атому Б, но одновременно и к А, и к Б. Это дает нам другой способ размышления, что означает для электронов «разделение» в модели заполняемых оболочек, принятой в химии, и это также инструмент для понимания, что происходит, когда вы начинаете рассматривать квантовые свойства твердых предметов, содержащих неисчислимо большое количество атомов.

«Больше означает иначе»

Когда мы переходим от разговора от отдельных молекул к объектам достаточно большим, чтобы их видеть, мы сталкиваемся с проблемой, которую пытается замаскировать Копенгагенская интерпретация: макроскопические объекты кажутся не очень-то квантовыми. Там, где отдельные атомы поглощают и излучают свет в узких дискретных спектральных линиях, макроскопические твердые предметы имеют тенденцию поглощать и испускать свет в широких диапазонах длин волн. Например, кристаллы, использующиеся как промежуточное тело в некоторых лазерах, могут излучать свет на длинах волн, охватывающих несколько сотен нанометров в красном и близким к инфракрасному диапазонах спектра. Лазеры, сделанные с помощью этих кристаллов, могут быть настроены на любую длину волны в этом диапазоне за счет использования фильтров для выбора конкретной длины волны, которую надо усилить.

Таким же образом, как узкие спектральные линии, излучаемые атомами, предполагают существование дискретных энергетических уровней в атомной модели Бора, широкое излучение твердых предметов и больших молекул предполагает, что в этих системах электроны могут принимать значения из широкого диапазона энергий. Дальнейшие свидетельства этого находят в электрическом поведении материалов: небольшое напряжение, приложенное к куску проводящего материала, заставит электроны с готовностью течь через него. Ток увеличивается плавно по мере нарастания напряжения, без признаков резких прыжков между квантовыми состояниями. В макроскопическом материале, таким образом, похоже, что электроны могут принимать любую скорость, какую пожелают, в противоположность дискретным состояниям атомов. В действительности можно проделать замечательную работу, описав электрические свойства металлов с помощью простой модели, где электроны свободно движутся через материал и лишь иногда отскакивают от атомных ядер.

Это пример явления – хорошо известного в научных кругах – «состояние возникновения», глубоко исследовано Филипом Андерсоном[194]в 1972 году в статье «Больше означает иначе[195]». Как указал Андерсон, существует множество ситуаций, когда достаточно большое количество простых объектов – атомов, молекул, клеток – так взаимодействуют друг с другом по единому набору установленных правил, что обнаруживают коллективное поведение, которое описывается совершенно иными высокоуровневыми правилами.

Как заметил Андерсон, это соответствует и определенной иерархической структуре в науке: биология – это просто химия, приложенная к достаточно большому набору молекул, а химия – это просто физика, примененная к достаточно большому набору атомов, и так далее[196]. Этот подход применим к огромному разнообразию явлений реального мира и методам их изучения, потому что высокоуровневые правила не обязательно связаны с фундаментальными, лежащими в основе очевидным образом.

Но в то время как правила высокого уровня не всегда вытекают из фундаментальных, это не означает, что они не связаны: высокоуровневые правила действительно должны возникать из фундаментальных. Мы знаем из бесчисленных экспериментов с отдельными атомами и фотонами, что физика на микроскопическом уровне глубоко квантовая, так что для поведения, которое мы видим у макроскопических объектов, должно быть возможным объяснение в терминах квантовых правил для простых систем, примененное к большому собранию атомов. В определенном смысле проблема электронов в макроскопическом материале – лишь иллюстрация к одной из главных дилемм, перед лицом которых стоит квантовая физика, и на одну из них указал Шрёдингер со своим печально знаменитым котом-зомби. Как мы получаем классические правила, управляющие миром, что вокруг нас – через принципы квантовой физики.

Даже в макроскопических предметах существуют подсказки о лежащем в основе квантовом поведении, особенно когда речь заходит об их электрических свойствах: твердые предметы поглощают и излучают свет в широком диапазоне частот, но эти диапазоны не перекрывают весь спектр. Существует минимальная длина волны для света, поглощаемого или излучаемого определенным материалом, и это и есть подсказка. Также верно, что когда ток течет через проводник, он ведет себя, словно свободные электроны двигаются без квантовых прыжков. Однако множество других материалов являются изоляторами, где электроны, похоже, заперты в ограниченных пространствах и не могут сдвинуться без существенного притока энергии.

Таким образом, наша задача для оставшейся части этой главы показать, как эти классические свойства (широкий спектр излучения и поглощения, отсутствие квантовых прыжков в текущем через проводник токе) возникают из квантовых правил, управляющих электронами в атомах. Это также объяснит те подсказки квантового поведения (пробелы в спектре и свойства изоляторов), которые видны в макроскопических материалах. Наиболее важно здесь, что глубокое понимание квантовой основы электрических свойств открывает пути управления и манипулирования этими свойствами. Как мы увидим, это знание позволяет нам создавать материалы, из которых можно создать компьютерные чипы.

От спектральных линий к энергетическим полосам спектра

Мы сможем понять сдвиг от дискретных разрешенных энергетических уровней до более широких полос спектра энергий, если будем размышлять о том, что происходит, когда отдельный электрон разделяется между все большими и большими атомами. Как было сказано, волновая функция разделенного электрона в молекуле является суммой волновых функций вовлеченных в процесс атомов. Если мы начнем с электрона, которым совместно обладает пара отдельных ядер, как мы видели в последней главе, есть две возможные волновые функции – мы использовали их для иллюстрации различий между симметричным и антисимметричным состояниями. Если говорить в терминах «состояний кота», то мы можем думать о них как «левое плюс правое» (симметричное состояние) и «левое минус правое» (антисимметричное). Все это приводит к очень похожим распределениям вероятностей, но «левое минус правое» состояние включает небольшую область на полпути между атомами, где электрон быть не может, и, таким образом, он имеет чуть большую энергию. Когда мы объединяем атомы вместе, то, что было единственным хорошо определенным энергетическим состоянием для каждого отдельного атома, расщепляется на два энергетических состояния в молекуле. Одно состояние слегка сдвигается вверх, а другое – вниз на то же значение, потому что электрон распространяется на более широкую область, так что диапазон возможных энергий для электрона возрастает.

Если мы присоединим третий атом, у нас появятся дополнительные возможности. В терминах волновых функций мы получим состояния, которые выглядят следующим образом:

Волновые функции для электрона в трехатомной молекуле. Они слегка отделены друг от друга по вертикали, чтобы было удобнее их рассмотреть.

На языке «состояний кота» они будут «левое плюс среднее плюс правое», «левое плюс среднее минус правое» и «левое минус среднее плюс правое» состояниями. Состояние со всеми плюсами, как и симметричное состояние для пары атомов, не имеет регионов, где появление электрона исключается, точек, где волновая функция снижается до нуля – что означает, что она имеет самую низкую энергию из всех трех вариантов. «Левое плюс среднее минус правое» состояние имеет единственную точку «ноль», что слегка увеличивает его энергию, в то время как состояние «левое минус среднее плюс правое» имеет две запретных для электрона области (потому что оно меняется от положительного к отрицательному и обратно), сдвигая энергию вверх еще больше.

Таким образом, отдельное энергетическое состояние для электрона в отдельном атоме превращается в три состояния для электрона в молекуле с тремя различными значениями энергий. По мере того как мы переходим от одного атома к двум, трем, диапазон возможных энергий для электрона возрастает, и этот процесс продолжается по мере добавления все большего количества атомов: каждый новый атом в цепочке дает новый набор состояний с различным количеством нулевых зон и, таким образом, различных энергий.

Для молекул из очень малого количества атомов это превращает единичные спектральные линии отдельных атомов в наборы из множества близко расположенных линий. Свет все так же поглощается и излучается на дискретных длинах волн, по мере прыжков электрона между состояниями с хорошо определенной энергией. Поскольку теперь атомов вместе очень много, это ведет к расширению числа возможных переходов с близкими, но не идентичными длинами волн. Каждое из этих состояний можно рассматривать как суперпозицию в случае с «котом» для электрона, связанного со многими отдельными атомами в одно и то же время, при этом отдельные атомные волновые функции, положительные для одних атомов, отрицательны для других.

По мере увеличения количества атомов спектральные линии, связанные с этими состояниями, начинают сливаться вместе. К моменту, когда у вас несколько миллионов атомов, не говоря уж о случае, когда у вас 10^23 атомов, сколько нужно, чтобы мы могли увидеть этот предмет как кусок твердой материи, уже невозможно говорить в терминах конечного числа дискретных энергетических состояний. Вместо этого мы говорим об электронах в твердом теле, занимающих протяженные полосы спектра энергии с промежутками между ними. Поглощение или излучение света в таком случае включает движение электрона от конкретной энергии в пределах одной полосы до конкретной энергии в другой полосе[197]. Изменение в энергии и, таким образом, в длине волны и частоте вовлеченного в процесс фотона может принимать множество значений. Электрон с энергией близко к самому низу частотной полосы может поглотить фотон с очень короткой длиной волны и перейти в состояние, близкое к верхнему краю полосы. С другой стороны, электрон с энергией около верхнего края полосы частот, опускаясь к энергии около верха нижней части полосы, наиболее вероятно испустит фотон с длинной волной. Твердый материал взаимодействует со светом в целом таким же образом, как и атомы – поглощение, индуцированное излучение и спонтанное излучение[198], – но у них более широкий диапазон опций, когда речь заходит о длинах волн вовлеченного в процесс света.

Развитие энергетических полос спектра. Слева: атом с дискретными энергетическими уровнями и широко разнесенные спектральные линии. Центр: небольшая молекула с расщепленными энергетическими уровнями, что приводит к более тесно расположенным линиям спектра. Справа: макроскопический твердый предмет имеет практически непрерывную энергетическую полосу, поскольку существует широкий диапазон поглощения и излучения.

Точное вычисление того, какие длины волн могут быть поглощены или излучены, считается сложным процессом, и результат зависит от точного трехмерного расположения атомов внутри твердого предмета. Огромные вычислительные мощности тратятся на проработку деталей структуры полосы спектра реальных твердых предметов. Представление об электроне как о котах Шрёдингера, разделяемых между многими различными атомами, дает нам способ понимания ключевого явления: по мере увеличения количества атомов энергетические состояния множатся и размываются в полосы с энергетическими провалами между ними, определяющие максимальные и минимальные значения диапазонов длин волн, которые могут поглощаться или излучаться.

Почему существуют провалы между полосами спектра?

Приведенные выше рассуждения, объясняющие происхождение энергетических полос, могут заставить вас задуматься, почему вообще должны быть провалы между энергетическими полосами? Если каждый новый добавленный к структуре твердого материала атом увеличивает ширину распространения возможных энергий электрона, может показаться что энергетические полосы должны расширяться, пока не сольются вместе, оставляя электронам свободу занимать любую энергию, какую они пожелают. Однако этого не происходит, даже в самых больших твердых предметах существуют диапазоны энергии, которые полностью запрещены. Эти «провалы между полосами» существуют из-за волновой природы электронов, и вариант того же самого явления создает переливающиеся цвета на тропических птицах.

Одно из наиболее удивительных взаимодействий между физикой и биологией проявляется в некоторых видах попугая[199], особенно в их бриллиантово-синих перьях, в которых вообще нет синего пигмента. Если использовать электронный микроскоп, чтобы посмотреть на синие перья тропической птицы, можно обнаружить губчатую сеть нитей кератина с просветами, размером в несколько сотен нанометров между ними. Эти просветы, сочетаясь с волновой природой света, создают синий цвет, который мы видим, не давая синим лучам проходить через материал.

Мы сможем понять, как это работает, если рассмотрим одномерный срез этого материала, когда свет может проходить только прямо вперед или прямо назад, сталкиваясь с регулярным массивом волокон, разделенных несколькими сотнями нанометров. По мере прохождения света через перья, каждый раз, когда он встречает волокно, некоторое его количество отражается прямо назад.

Волны проходят через волокна в материале, когда волокна находятся ближе друг к другу, чем расстояние длины волны. Отраженные волны выходят из фазы друг с другом и интерферируются, взаимно уничтожаясь, что приводит к отсутствию отражения.

Каждая из этих отраженных волн складывается с приходящей волной и всеми другими отраженными волнами от других волокон. Если расстояние между волокнами мало по сравнению с длиной волны света, это ведет к отражению волн с большим количеством разных фаз, и когда вы сложите их все вместе, чтобы определить общее количество отраженного света, они в целом взаимно уничтожат друг друга. Очень мало света этого цвета отразится, и, таким образом, волна пройдет через материал лишь с небольшим затуханием.

Волны, встречая волокна в материале, когда расстояние равно длине волны. Отраженные волны все будут начинаться в одной фазе и складываться друг с другом. С приходящими волнами они, напротив, будут уничтожаться, не давая свету распространяться внутри материала, и, таким образом, весь свет будет отражен.

Когда расстояния между волокнами почти совпадает с длиной волны приходящего света, каждая отраженная волна оканчивается в фазе со всеми другими и не в фазе с приходящим светом. Если вы сложите отраженные волны в этом случае, вы обнаружите, что они все комбинируются, чтобы создать более сильную отраженную волну, что уничтожает приходящую волну. Свет на такой длине волны не может пройти через сеть волокон и вместо этого отражается.

Губчатая сеть волокон, составляющая перья тропических птиц, имеет расстояния между ними примерно от 400 до 500 нанометров, что сравнимо с длиной волн в синем/фиолетовом конце видимого спектра. Свет в красной части спектра с длиной волны в 600–700 нанометров проходит насквозь, но синий свет хорошо отражается, придавая перьям бриллиантовый синий цвет без какого-либо синего пигмента[200].

Свет с длиной волны существенно короче, чем размер промежутков между волокнами, также будет проходить насквозь, в том случае, если расстояние между волокнами не укладывается в целое число длин волн, ведь тогда множество отраженных волн снова будут в фазе друг с другом, давая отражения на более коротких длинах волн. Однако, они не важны для определения цвета перьев, поскольку участвующие в процессе длины волн слишком короткие для восприятия человеческим зрением.

Мы можем рассматривать провалы в полосах частот для твердых материалов в похожих терминах. Атомы в твердых материалах формируют кристаллические решетки – регулярные наборы атомов, расположенные на расстояниях молекулярных связей между атомами, которые обычно составляют порядка 0.2 нм, но немного варьируются в зависимости от конкретного элемента и типа связи. Поскольку электронные волны движутся сквозь эту решетку, они могут отразиться от атомов, составляющих решетку, посылая волны назад, туда, откуда они пришли. На энергиях, когда длины волн электрона совпадают с расстояниями между атомами в решетке, эти отраженные волны складываются и уничтожают первоначальную волну, что означает: электроны с такими энергиями просто не могут существовать внутри материала. Это гарантирует, независимо от того, сколько атомов будет в решетке, что энергетические полосы всегда будут разделены провалами, где длины волн электронов с этой энергией слишком точно выстраиваются относительно промежутков между атомами.

Эти два эффекта, похожие на «состояния кота», совместные разделения электронов между всеми различными атомами в твердом теле и волновая интерференция, которая создает провалы в полосах частот спектра, обеспечивают основу нашего современного понимания электронов внутри материи. Если вы будете учитывать оба этих эффекта для достаточно большого количества атомов, в результате вы получите ряд широких допустимых энергетических полос, разделенных провалами, чья энергия и ширина зависит от расположения атомов в кристалле[201]. Эта структура полос и провалов, совместно с принципом запрета Паули, не только объясняет электрические свойства самой обычной материи, на также позволяет нам производить разные действия с кремнием, чтобы сделать современные компьютерные вычисления возможными.

Изоляторы и проводники

Размышления о разделении электронов между атомами и движении электронов в кристаллических решетках объясняют, как узкие разрешенные состояния атомов становятся в молекулах, составляющих твердую материю, широкими энергетическими полосами, разделенными провалами. Осталось объяснить, как в нашей квантовой картине это определяет электрические свойства материи. Это все немного похоже на химию: точно так же, как химическая активность элемента определяется тем, как электроны заполняют доступные состояния в атоме (атомы с только частично заполненными внешними «оболочками» будут с большей готовностью реагировать, отдавая или получая электроны), так и будет материал изолятором или проводником, зависит от того, как электроны заполняют полосы энергетических частот в твердом материале. Электрические свойства, в конце концов, зависят от того, куда попадет энергия последнего электрона, попавшего в твердый материал, с точки зрения структуры энергетических полос.

С первого взгляда, определение «энергии последнего электрона» может показаться невозможным предложением, поскольку непрерывная полоса энергий будет включать в себя бесконечное число возможных состояний в пределах узкого диапазона. Но отношение к полосам энергий как к непрерывным – это условное соглашение, в реальности полосы все-таки образуются из дискретных состояний с точно определенной энергией; просто этих состояний так много, и они так близко к друг другу, что выглядят, как непрерывные. Но там есть, и это факт, ограниченное количество состояний, так что когда мы мысленно добавляем электроны в полосы, принцип запрета Паули говорит нам, что каждый электрон заполнит конкретное состояние, вынуждая следующий электрон поискать себе места еще где-нибудь.

Первый электрон попадает в состояние с самой низкой возможной энергией, заполняя его, так что второй электрон направляется во второе из самых низких энергетических состояний, и так далее, точно тем же образом, как электроны, попадающие в атомы, заполняют электронные оболочки, что приводит к различным химическим свойствам элементов в Периодической таблице. С учетом почти бесконечного количества состояний и электронов, участвующих в процессе, нужно несколько больше вычислений, но весь инструментарий для работы с подобными задачами хорошо известен из интегральных и дифференциальных исчислений. Как количество состояний, так и число доступных электронов для их заполнения увеличивается по мере добавления атомов, однако эти два эффекта уравновешивают друг друга, и в конечном счете мы обнаруживаем, что для данного материала с конкретной кристаллической структурой электроны заполняют все состояния вплоть до конкретной энергии.

Энергия последнего электрона, добавленного в образец, называется «энергией Ферми» в честь Энрико Ферми, кто разработал статистические техники для описания состояний больших количеств электронов. Эта энергия может быть весьма существенной, если мы рассматриваем ее как кинетическую энергию движущегося электрона, она соответствует скорости порядка миллиона метров в секунду или температуре в десятки тысяч градусов.

Для этих состояний, в которых электроны разделяются по всему объему материала, описанную картину не надо воспринимать слишком буквально – данный электрон не находится в конкретном месте, шныряя через материал на скорости почти в 1 процент от скорости света, но надо понять масштаб картины: существует очень большое различие в энергии между первым и последним электроном, запущенным в твердый материал. Эта энергия связана с движением электронов в твердом материале тем же самым образом, что электрон внутри атома, у которого есть некоторая кинетическая энергия, но он не в буквальном смысле находится на орбите, как это рисуют на картинках Боровской модели.

Эта картина высокоэнергетических электронов делает понимание протекания тока несколько более сложным, но это не настолько плохо, как вы могли бы подумать. Энергия Ферми определяет базовое состояние материала, где ничего более не происходит: электроны двигаются беспорядочно со своими характерными внутренними энергиями, но в целом они никуда не направляются. Грубо говоря, в любой данный момент времени есть примерно столько же электронов, которые двигаются влево, сколько и вправо, так что нет направленного движения электронов из одного места в другое. При всем неистовом движении невозмущенное квантовое твердое тело с электронными уровнями, заполненными до уровня Ферми, ведет себя в основном так же, как и классическое, в котором вообще нет движущихся электронов.

С другой стороны, в проводнике с электрическим током, проходящим через него, есть поток электронов в определенном направлении. В картине энергетических полос это означает что, например, некоторые из электронов, изначально двигавшиеся направо, должны вместо этого двигаться влево, чтобы дать направленный влево поток электронов[202]. Но это не может получиться из простого перенаправления электронов с энергиями ниже энергии Ферми, потому что все двигающиеся влево состояния ниже энергии Ферми уже по определению заполнены. Для создания движения потока электронов влево необходимо передвинуть некоторые электроны в состояния с энергиями выше энергии Ферми.

Если энергия Ферми попадает где-то в середину полосы допустимых энергий, это относительно простой процесс, поскольку существуют пустые состояния выше энергии Ферми. Дополнительная энергия, нужная для возбуждения электрона и перехода его наверх в открытое состояние движения налево, минимальна, и она легко обеспечивается приложением небольшого напряжения. Различие между энергиями так мало, что мы не наблюдаем это как квантовый прыжок. Все выглядит как плавное увеличение энергии от состояния, когда ничего не движется, до состояния, когда небольшое количество электронов движется в определенном направлении. Материалы с энергиями Ферми в частично заполненных полосах являются электрическими проводниками.

С другой стороны, если энергия Ферми лежит в верхней части заполненной полосы, следующее доступное состояние, куда могут сдвинуться электроны в нужном направлении, лежит на дальнем краю провала полосы энергий. Это требует гораздо большего притока энергии, чтобы вызвать течение электрического тока, обычно сравнимое с одним коротковолновым фотоном на возбужденный электрон. Это может сделать такой материал полезным, как детектор света, и ток будет течь через него, только когда свет падает на него и возбуждает некоторые электроны. Но необходимую энергию не так-то просто получить приложением напряжения, она определенно выглядит как квантовый прыжок. Материалы с энергиями Ферми на верху полос энергий являются, таким образом, изоляторами и не проводят электрический ток, лишь в крайне экстремальных обстоятельствах.

Энергетические полосы изоляторов, проводников и полупроводников. Состояния ниже энергии Ферми заполнены электронами (теневые области).

Полупроводники и их использование

Для наиболее обычных повседневных целей «проводники» и «изоляторы» считаются наиболее важными типами материалов, когда мы имеем дело с электричеством. Изоляторы – это такие материалы, как дерево, пластик и резина, которая защищает вас от электрического тока, в то время как проводники – это в основном металлы и другие жуткие штуки для втыкания в электрическую розетку. Мы можем использовать нашу квантовую модель электронов в твердых материалах для понимания, как возникли эти категории и как рассортировать по ним различные материалы.

Настоящей проверкой мощности научной модели является не только ее способность объяснить простые и очевидные явления, но также способность предсказать другие, более тонкие эффекты, которые вытекают из принципов, лежащих в основе модели. Наилучшие модели позволяют ученым использовать эти лежащие в основе явления, чтобы создавать новые и полезные вещи, и по этой причине большинство приложений квантовой физики к твердым материалам находятся в области полупроводниковых материалов.

Полупроводники, как подразумевает их название, – не особо хорошие проводники сами по себе. Однако структура их энергетических полос, позволяет манипулировать их проводимостью за счет небольших изменений в их составе. Это обеспечивает окончательную связь между «состояниями кота», принципом запрета Паули и компьютерными чипами, которые в наши дни встроены во все вокруг.

В терминах структуры энергетических полос, полупроводник – это просто изолятор с относительно узкой полосой «провала». Энергия Ферми лежит на верху заполненной энергетической полосы, но энергетический провал между заполненной «валентной» полосой и пустой полосой «проводника» достаточно мал, чтобы тепловая энергия, приложенная к предмету, могла естественным образом возбудить часть электронов. Как с Планковскими осцилляторами, которые мы рассматривали в главе 2, каждый электрон разделяет часть тепловой энергии материала. Средняя энергия, какой обладает любой отдельный электрон, мала по сравнению с шириной энергетического провала, не говоря уж об энергии Ферми, но несколько электронов могут получить гораздо больше, чем средняя энергия, и перескочить в более высокую энергетическую полосу. Это помещает несколько электронов в состояния, где они могут легко проводить, потому что есть множество пустых состояний, отвечающих движениям в любом избранном направлении, так что материал способен проводить небольшой электрический ток.

Такие элементы, как кремний и германий, являются примерами природных полупроводников, но чистые образцы этих материалов не особенно интересны или полезны. Что делает их полезными, так это небольшая примесь чего-нибудь, что может существенно увеличить проводимость за счет одного из двух различных способов.

Один способ увеличить проводимость чистого кремния – это добавление очень небольшого количества элемента из следующей колонки справа в Периодической таблице – обычно это фосфор или мышьяк. Эти элементы имеют один дополнительный электрон, но в остальном химически схожи с кремнием во многих отношениях, так что они заполняют кристаллическую решетку так, что не нарушают структуру энергетических полос слишком сильно, если добавленное количество примеси невелико – это примерно один атом фосфора на миллион атомов кремния. Вот почему компьютерные чипы производятся в «стерильных комнатах» людьми в защитных костюмах типа скафандра: очень маленький уровень загрязнения внешними частицами во время процесса производства может испортить весь процесс. Этот «допинг» позволяет добавить некоторые дискретные состояния с электронами как раз ниже полосы проводимости. Дополнительные электроны очень легко возбуждаются до полосы проводимости, где они увеличивают способность полупроводника пропускать электрический ток.

Может показаться, что добавление электронов к полосе проводимости – единственный способ увеличить проводимость полупроводника, но в действительности прямо противоположный процесс тоже работает. Добавление к кремнию небольших количеств элементов из колонки слева в Периодической таблице также увеличивает его проводимость, за счет изъятия электронов из полосы «валентности». Атом типа бора также очень сильно напоминает кремний, если рассматривать его с химической точки зрения, но у него на один электрон меньше. Небольшая примесь бора добавляет несколько пустых состояний с энергиями как раз выше валентной полосы, в которой электроны из нижней полосы энергий легко возбуждаются и, попав туда, остаются.

Может показаться, что изъятие электронов из валентной полосы вряд ли будет повышать проводимость, но так происходит, и очень интересным образом. Ловля этих кремниевых электронов в ловушки атомов бора оставляет «дырки» в море электронов, заполняющих материал. Когда к материалу прикладывается напряжение, чтобы вызвать электрический ток, оставшиеся электроны будут сдвигаться в ответ, что изменит положение дырок таким образом, что они вроде как будут двигаться в направлении, противоположном электронам.

Эти дырки в энергетических полосах, в других случаях заполненные электронами, будут вести себя как положительно заряженные частицы, двигающиеся в пустой полосе. Движение этих дырок будет электрическим током тем же самым образом, как и движение электронов в металле – или в кремнии с небольшой примесью фосфора, – приводя к повышению проводимости материала[203].

Таким образом, как добавление, так и изъятие электронов из полупроводника может резко увеличить его проводимость. Есть несколько существенных различий между полупроводниками «n-типа» (в которые добавили электроны, как в кремний с добавками фосфора), и «p-типа» (из которых электроны удалили, как в кремнии с добавками бора), что в основном сказывается на их поведении в магнитном поле. Оно толкает положительно заряженные дырки в направлении, противоположном отрицательно заряженным электронам.

Диаграммы энергетических полос, показывающие различные типы полупроводников. В полупроводнике без примесей тепловая энергия возбуждает очень малое количество электронов из полосы валентности до полосы проводимости. В полупроводнике n-типа отдающий электроны донор лежит прямо под полосой проводимости и снабжает гораздо большим количеством электронов, увеличивая проводимость. В проводнике p-типа принимающий электроны акцептор лежит прямо над полосой валентности и ловит в ловушки некоторые электроны, оставляя сзади дырки, которые могут проводить электрический ток.

Это явление позволяет сделать простой эксперимент, чтобы отличить их друг от друга при определении свойств нового материала. Этот отклик на магнитное поле – основа для создания датчиков магнитного поля в вашем смартфоне, который позволяет ему работать компасом, когда вы ищете направление в незнакомых местах.

Но помимо описанного, на самом деле не имеет большого значения, является ли данный кусок полупроводникового материала с примесью полупроводником n-типа или p-типа.

Нечто удивительное происходит, если вы сложите вместе полупроводник n-типа и полупроводник p-типа из одинакового основного состава (например, оба на базе кремния). Когда вы прикладываете напряжение через место соприкосновения между этими материалами, разница в типах носителей заряда ведет к драматическому изменению в поведении, зависящему от знака приложенного напряжения к каждой стороне. Если вы приложите положительный заряд к материалу p-типа и отрицательное напряжение к n-типа, то потечет ток. Дырки в материале p-типа будут двигаться от положительного напряжения к границе между двумя материалами, и электроны n-типа будут двигаться от отрицательного заряда тоже к границе. Когда эти два потока встретятся, электроны, текущие к границе от материала n-типа, заполнят дырки, текущие к ней от материала p-типа. В это время новые электроны будут подталкиваться в материал n-типа на конце с отрицательным напряжением, в то время как электроны выходят на конце с положительным напряжением, создавая новые дырки. Этот процесс может продолжаться бесконечно, и ток будет легко течь через место соединения.

Если вы поменяете местами напряжения, ситуация будет сильно отличаться. Отрицательное напряжение, приложенное к материалу p-типа, будет втягивать положительные дырки прочь от границ, в то время как положительное напряжение на материале n-типа также втягивает в него электроны. Это создает очень короткий ток, поскольку материал реорганизует сам себя, но в отсутствие источника новых электронов, ток прекратится.

Итак, в то время как полупроводники с примесями сами по себе не особенно интересны, соединение между полупроводниками p-типа и n-типа создает нечто новое и действительно очень интересное. Комбинация этих двух материалов создает диод – прибор, который позволяет току течь лишь в одном направлении. Это находит применение в повседневных технологиях, в основном в качестве защиты компонентов, которые могут выдерживать ток, протекающий лишь в одном определенном направлении. При правильном выборе полупроводниковых материалов электроны, рекомбинирующиеся с дырками на границе между материалами, будут излучать фотон, чья частота будет определяться полосой провала в энергии полупроводника. Такие светоизлучающие диоды (LED[204]) использовались для ламп с низким потреблением энергии в часах и других приборах десятилетиями. Самые последние улучшения в технологии LED[205] сделали их необходимыми деталями компьютерных дисплеев и бытовых осветительных приборов. LED также могут использоваться как основа для лазера в печатающих устройствах, при этом лицевая и обратная стороны полупроводникового чипа используются как «зеркала» для лазерной выемки (как описано в главе 5). В результате получается мощный источник лазерного света, упакованный в пространстве габаритами около сантиметра, и такие источники используются для считывания и записи данных в оптических системах хранения данных (таких, как CD, DVD и Blu-ray плейеры), сканерах товаров в супермаркетах и лазерных указках и много чего.

Движение электронов и дырок в диоде для по-разному приложенных напряжений. Отрицательное напряжение в полупроводнике n-типа толкает электроны к границе, где они комбинируются с дырками, выталкиваемыми от положительного напряжения на полупроводнике p-типа, что дает постоянное течение тока по мере поступления новых электронов в n-типе и из p-типа. Изменение знаков напряжения тянет электроны к положительному напряжению и дырки – к отрицательному, оставляя обедненный участок на границе и останавливая течение тока.

Добавление третьего слоя материала, когда тонкий слой полупроводника p-типа кладется между двумя слоями p-типа как в сэндвиче, создает еще более интересный прибор. Этот трехслойный набор выглядит как два диода, сложенные «спина к спине» и с правильным подбором уровней примесей для различных слоев. Нужно приложить относительно маленькое напряжение между одним концом и серединой, чтобы запустить гораздо более сильный ток от другого конца через середину. Количество тока зависит от напряжения: чем больше напряжение, тем сильнее ток. Этот прибор называется транзистором, ключевым компонентом всех вариантов электрических усилителей. «Транзисторное радио», самая современная технология 1950-х годов, использует компактные транзисторы для усиления электрических токов, чтобы работали усилители, вместо громоздких и горячих вакуумных ламп, использовавшихся в радиоприемниках до того. Это позволило создать первые переносные, питающиеся от батарей и мощные аудиоплейеры, подготавливая почву для Walkman'ов и iPod'ов, вплоть до вездесущих смартфонов сегодняшних дней.

Если вы конструируете электронику с использованием лишь двух уровней напряжения, а не плавно меняющийся уровень аудиосигнала, транзистор будет функционировать как цифровой переключатель – ток или течет, или не течет – и это является критически важным элементом для компьютерных процессоров. Целый ряд транзисторов может быть использован для того, чтобы представлять числа в двоичной форме, и более сложные контуры транзисторов могут выполнять математические операции на этих числах.

Это основа современной компьютерной технологии. Первые электронные компьютеры общего назначения были построены в 1940-х годах, и строились они на большом количестве вакуумных ламп. Вскоре после изобретения первого транзистора в 1947 году[206]полупроводниковые транзисторы начали заменять вакуумные лампы, сначала как отдельные компоненты, а затем в «интегрированных контурах», где множественные электронные компоненты встроены в единый блок кремния. Это делается варьированием примесей в различных слоях материала, так что они оказываются расположенными так, чтобы получились транзисторы, затем в этом материале прорезают углубления, и получаются транзисторы с размерами стороны в несколько нанометров[207].

Один чип размером в сантиметровый квадратик может содержать миллиарды взаимосвязанных транзисторов, организованных в контуры, которые нужны для обработки двоичных данных. Эти полупроводниковые «чипы» гораздо более компактны и требуют меньше электрической мощности, чем вакуумные лампы, и они быстро стали стандартом для электронной обработки данных.

Управляющий компьютер «Аполлона», о чем говорилось в начале этой главы, был одним из самых ранних компьютеров с интегрированными контурами[208], и с тех пор производительность основанных на транзисторных микросхемах компьютеров экспоненциально возрастала до той точки, когда немного устаревший смартфон обладает во много раз большей вычислительной мощностью, чем нужно для высадки человека на Луну, причем все это в приборе, легко помещающемся в кармане.

Вся эта основанная на полупроводниках мощность вместе с LED, которые обеспечивают работу экрана дисплея, и мощными транзисторами, которые усиливают звук, стала возможной с помощью квантовой механики. Понимание, как волновая природа электронов ведет к появлению структуры энергетических полос с пробелами в большом собрании атомов и как эта структура может управляться для изменения электрических свойств материала, считается ключевым для конструирования не только наших лэптопов и настольных компьютеров, но также для компьютеров, какие можно найти практически везде в наши дни, от холодильников до машин и тостеров. Современное представление об электронах как волнах, чье поведение управляется знаменитым уравнением Шрёдингера, и склонность этих волн занимать сразу множество состояний, так же как и печально известный кот, вот что в конечном счете позволяет нам превратить довольно скучные в принципе кусочки кремния в революционную технологию.

Глава 9

Магниты – как, черт возьми, они работают?

Я открываю холодильник, чтобы начать завтрак, стараясь при этом быть аккуратным и не сдвинуть множество предметов искусства, прикрепленных к двери холодильника магнитиками.

Сила между двумя магнитами или между магнитом и куском металла считается одним из наиболее увлекательных примеров фундаментальной физики, как для молодых, так и для старых. Одной из наиболее популярных игрушек в дни моего детства был конструктор из пластиковых фигурок простых форм, которые могли соединяться за счет магнитов по сторонам; почти каждый день из них создавались новые интересные конструкции. Местный научный музей выстраивал длинные линии с помощью гигантского подковообразного магнита и нескольких пригоршней стальных шайб, и взрослые наравне с детьми пытались понять, какой длины можно вытянуть цепь из шайб, присоединив их к одному из полюсов магнита. В действительности, магниты – это притягательные врата для входа в физику. Эйнштейн вспоминал, как захватывал его воображение компас, когда он был ребенком, удивляясь невидимым силам, которые всегда тянули иглу назад к северу. Это подталкивало к размышлениям о природе этого явления, продолжавшимся всю жизнь. В моих воспоминаниях о детстве есть, например, попытка заставить небольшой магнит левитировать над набором больших магнитов[209]. Восхищение не пропадает даже у взрослых, и игрушки на магнитном столе стали распространенным явлением на факультетских кафедрах в отделениях физики повсюду.

Какими бы они ни были знакомыми, все же известно, что действие магнитов сложно объяснить. Часто показывают клип из шоу 1980-х, в котором прославленный физик Ричард Фейнман[210] категорически заявлял: «Я действительно не могу объяснить магнитные силы в терминах чего-нибудь, с чем вы лучше знакомы, потому что я не понимаю это в терминах чего-нибудь, с чем вы лучше знакомы»[211]. Менее интеллектуальный пример можно привести из песни 2009 года «Чудеса», в которой клоунская группа рэпперов Insane Clown Posse спровоцировала тысячи неуспешных попыток объяснить работу магнитов строчкой: «Долбаные магниты, как они работают?» [212]

Может показаться странным, что так широко распространенное явление, что мы используем, чтобы прикрепить рисунки детей на кухне к бытовой технике, так трудно объяснить нетехническим языком, но физика действительно крайне сложна и зависит от тонких деталей микроскопической структуры материалов, состоящих из частиц. И конечно же – как вы, возможно, догадались, – это сводится обратно к квантовому миру: постоянные магниты, которые мы используем для крепления бумажек на дисплей, были бы невозможны без спинов и принципа запрета Паули.

Направляющий магнетизм

Когда люди спрашивают «Как работают магниты?», они на самом деле задают два различных, хотя и связанных между собой, вопроса. Постоянный магнит является макроскопическим куском материала, который создает магнитное поле вокруг себя. Одним из вариантов интерпретации вопроса будет ссылка на общее поведение этих магнитных полей. С точки зрения физики, это наиболее легкий вариант для ответа на эти два вопроса. Природу магнитных полей начали изучать с середины 1800-х годов, когда Максвелл написал свои уравнения, показывающие, как токи и изменяющиеся электрические поля создают магнитные поля, и наоборот.

К несчастью, в то время как уравнения Максвелла предлагают прямолинейный подход к пониманию возникновения магнитных полей за счет движения вокруг заряженных частиц, они не отвечают на второй вопрос про постоянные магниты, а именно, в первую очередь – почему эти особенные куски инертного в других отношениях материала спонтанно генерируют магнитные поля. В конце концов, не похоже, что внутри куска природного магнетита текут какие-либо токи, и все же минерал создает значительное магнитное поле.

Склонность некоторых материалов притягивать металлы была известна по крайней мере с шестого века до нашей эры, встречается в записях в Греции, Индии и Китае и практически использовалась, по меньшей мере, с XI века н. э., поскольку с этого времени китайцы использовали магнитные компасы для навигации[213]. Однако, несмотря на такую длинную историю, происхождение магнитных свойств этих материалов оставалось загадкой до XX века.

Существование постоянных магнитов не имеет простых объяснений, потому что включает физические явления на многих уровнях. Физика в масштабе атомов, очевидно, тоже в этом участвует, поскольку все природные магнитные материалы содержат железо, и только некоторые другие элементы проявляют явные свойства магнита. Однако физика на атомном уровне – это еще не все, множество материалов,

содержащих большие количества железа, не являются магнитными, включая различные стальные сплавы, так что кристаллическая структура материала также должна играть в этом свою роль. И, конечно же, все в конечном счете связано вместе на уровне фундаментальных частиц, так что магнитное поведение должно иметь корни в поведении отдельных протонов и электронов.

Наиболее полезное применение магнитов, а именно постоянство направления компаса, также высвечивает другую проблему, которая добавляет сложность в вопросы магнетизма: магнитные взаимодействия являются фундаментально более сложные, чем электростатическое притяжение или отталкивание между заряженными частицами. Электрический заряд частицы имеет конкретное значение, и, если знаете заряд, вы сразу определите и силу, с которой воздействует электрическое поле на эту частицу. Энергия двух взаимодействующих зарядов зависит от знака и размера их индивидуальных зарядов, расстояния между ними и ни от чего больше.

Однако нет магнитного аналога одиночному электрическому заряду – вы никогда не найдете отдельный северный магнитный полюс без соответствующего южного полюса, – так что магнитные силы зависят не только от простого заряда, но также и от направления. Как любой, кто играл с магнитами в виде брусочков, знает, сила между двумя магнитами становится сильнее или слабее и даже изменяется от притягивающей на отталкивающую в зависимости от направления, куда показывает северный полюс каждого магнита. Чтобы найти энергию пары магнитов, вы должны знать не только их силу и насколько далеко они находятся друг от друга, но также и угол между северными полюсами.

Эта зависимость от ориентации усложняет определение поведения частиц с магнитной природой. Как и электрическое поле, магнитное поле связано с определенным направлением, но, чтобы понять его действие на магнитную частицу, помещенную в поле, необходимо знать направление, связанное с частицей. Эта дополнительная информация также нужна, чтобы вычислить свойства большого количества магнитов и открывает возможности для совершенно нового явления. Большое собрание магнитов, при котором все указывают в одном и том же направлении, сильно отличается от набора, где каждый магнит направлен своим северным магнитным полюсом в противоположную соседу сторону.

Мы можем преодолеть часть сложностей, связанных с магнетизмом на разных уровнях, используя тот же фундаментальный принцип, который объясняет так много в физике: неважно, в каком масштабе мы рассматриваем, но любая физическая система всегда стремится найти самое низкое из возможных энергетических состояний. Нахождение этой минимальной энергии включает баланс энергетических затрат всех различных взаимодействий, которые данный объект – будет ли это фундаментальная частица, атом или небольшой кусок минерала – имеет с остальной Вселенной. Если помнить про этот баланс, то можно получить простой и надежный путеводитель по трудностям с постоянными магнитами, наподобие иглы компаса, всегда указывающей на север.

В целом, энергия магнитного предмета на любом уровне будет самая низкая, когда его северный полюс указывает в том же направлении, что и магнитное поле в том месте, где он находится, и наивысшей, если он показывает в противоположном направлении. Это заставляет компас работать: токи в ядре Земли генерируют магнитное поле в большом масштабе, так что каждая точка на поверхности планеты находится в небольшом магнитном поле, указывающем в определенном направлении. Игла компаса – это небольшой легкий постоянный магнит, который может свободно крутиться относительно своего центра, чтобы минимизировать свою энергию, что происходит, когда северный полюс магнита направлен на Северный полюс планеты более или менее точно. Мы обозначаем полюса магнитов как «северный» или «южный» в зависимости от того, в каком географическом направлении они показывают, когда могут свободно вращаться.

По договоренности, однако, поле, окружающее магнитный предмет, направлено (или указывает) наружу в области северного полюса и внутрь в районе южного, при этом линии поля между ними формируют замкнутые контуры (петли), похожие на те, которые мы видим в знакомой демонстрации картины железных опилок над брусочком магнита. Это направление с севера на юг для магнитного поля означает, что называемое нами земным Северным полюсом в действительности соответствует южному полюсу обычного магнита[214].

Когда отдельные магниты выравнивают свое положение относительно других ближайших предметов, то это изменяет не только энергию магнитов, но и то, каков будет вклад магнитного поля этих магнитов в общее поле, создаваемое группой. Если магниты расположены конец к концу, расположение с минимальной энергией должно быть таким, чтобы все северные полюса указывали в одном и том же направлении; в этом случае отдельные магнитные поля добавляются, чтобы создать более сильный по воздействию магнит.

С другой стороны, магниты, расположенные бок о бок, будут предпочитать, чтобы их северные полюса были направлены в противоположных направлениях, и в этом случае их отдельные поля в целом взаимно уничтожат друг друга, создавая более слабый по воздействию магнит.

Линии магнитных полей для отдельного магнита и конфигурации с наиболее низкой энергией для групп множества магнитов. Магниты, сложенные «конец к концу» с объединенными северными полюсами, создают большее коллективное магнитное поле, показанное более широкими витками, в то время как поля лежащих бок о бок магнитов взаимно уничтожают друг друга.

Трехмерный материал, сделанный из маленьких частиц с магнитными свойствами, необходимо будет иметь некоторые из этих частиц, расположенные бок о бок, вот почему большинство материалов не имеют магнитных свойств. Даже сильные магнитные атомы, такие как железо и хром, в конце концов принимают немагнитные формы, когда смешиваются с минералами или сплавами, потому что способ принять состояние с минимальной энергией для этих атомов – это расположить себя в молекулах и кристаллах так, чтобы северные поля соседних атомов указывали в противоположных направлениях.

Чтобы создать сильный постоянный магнит, необходимо найти способ сложить частицы вместе так, чтобы все минимальные энергии на всех уровнях – на уровне фундаментальных частиц, магнитных атомов и кусочков минерала – получались, когда северные полюса отдельных магнитных компонентов были объединены. Этого нельзя достичь только с помощью одного магнитного взаимодействия; это требует дополнительного взаимодействия, которое увеличит энергию немагнитного состояния так, что будет более предпочтительным состояние магнитное. Это требует высокой изобретательности и в конце концов вынудит нас принять во внимание не только электростатическое отталкивание между электронами, но также, опять-таки, принцип запрета Паули.

Магнитные электроны

Магнетизм начинается на уровне фундаментальных частиц, и магнитные свойства, присущие электронам, составляют конечный источник магнитного поля постоянного магнита. Взаимодействие между парами элементарных частиц также обеспечивает ясную иллюстрацию баланса энергии, который управляем всем процессом.

Как мы видели, когда впервые знакомились с принципом запрета Паули в главе б, отдельный электрон имеет «спин», исключительно квантовое свойство, который может принимать только два возможных значения. Этот спин дает электрону небольшую по силе магнитную характеристику, и в присутствии магнитного поля два значения спина создают два состояния со слегка отличающейся энергией. Эти состояния традиционно называются состояниями «вверх» и «вниз», в зависимости от того, направлен ли внутренний магнит электрона в том же направлении, что и локальное магнитное поле, или в противоположном.

Конечно, магнитное свойство электрона не только дает ему предпочтительное направление, оно также создает магнитное поле, которое влияет на расположенные рядом частицы. Второй электрон, размещенный по соседству с первым, будет стремиться согласовать свой спин с этим полем, учитывая, что для второго электрона предпочтительное направление будет зависеть от того, расположен ли он конец к концу или бок о бок с первым. Если мы рассматриваем только магнитные взаимодействия, электроны будут стремиться выстраивать себя в длинные цепочки с соседними звеньями, имеющими противоположно направленные спины, так что вся цепочка в конечном счете не будет создавать результирующего магнитного поля.

Конечно, два электрона в близком соседстве не будут взаимодействовать лишь за счет своих магнитных свойств; они также будут ощущать электростатические взаимодействия и отталкивать друг друга весьма сильно, потому что у них одинаковый отрицательный заряд. Это отталкивание намного сильнее, чем слабенькое магнитное взаимодействие, так что два электрона не слишком долго задерживаются для того, чтобы магнитное взаимодействие между их спинами сыграло какую-либо роль. В то время как пара электронов может понизить их энергию, если спины будут указывать в противоположных направлениях, они гораздо больше могут понизить энергию, разойдясь подальше друг от друга, и в результате они окажутся разделенными достаточным расстоянием, на котором магнитное взаимодействие может на что-то повлиять.

Однако это магнитное свойство оказывает уже более значимое воздействие, когда две частицы со спинами можно заставить находиться друг возле друга чуть дольше. Если мы возьмем электрон и позитрон – положительно заряженную версию электрона из мира антиматерии – и подведем их близко друг к другу, они могут создать «атом» с коротким сроком существования, удерживаемые рядом притяжением между их зарядами. Как в обычном атоме, две частицы могут понизить свою энергию, приблизившись еще больше друг к другу, но заключение их в очень маленьком объеме приводит к увеличению их кинетической энергии, и баланс между этими двумя силами определяет оптимальный размер атома. Их взаимное притяжение держит электрон и позитрон в этом «атоме позитрония[215]» достаточно близко, чтобы их магнитные взаимодействия произвели значимый (измеримый) эффект. Минимальное энергетическое состояния для позитронного атома расщепляется на два состояние в зависимости от взаимного расположения спинов электрона и позитрона: когда оба северных полюса направлены в одном направлении, энергия слегка выше, и когда они направлены в противоположном направлении, энергия уменьшается. Это «супертонкое расщепление» между этими состояниями было измерено экспериментально: позитрониум имеет спектральные линии в микроволновом диапазоне спектра, соответствующего фотонам с частотой порядка 203 ГГц.

Это магнитное взаимодействие также вступает в игру в более простой материи. Протон также имеет квантово-механический спин и, таким образом, создает магнитное поле, так что электрон, связанный с протоном, чтобы создать атом водорода, также может смещать свою энергию за счет магнитного взаимодействия между ними, при этом состояние минимальной энергии для водорода расщепляется на два состояния. Энергия расщепления соответствует фотону с частотой в 1.4 ГГц в радиодиапазоне спектра[216], и свет, излучаемый водородом, переходящий между этими состояниями, – один из наиболее принципиальных инструментов, используемых радиоастрономами для изучения далеких облаков водородного газа.

Энергия магнитного взаимодействия в обоих этих случаях – лишь очень маленькое возмущение для электростатического взаимодействия – разница энергий между двумя сверхтонкими уровнями в позитрониуме составляет примерно 1/10000-ную от разницы между энергиями двух самых нижних энергетических орбиталей электрона. Вот почему оригинальная модель Бора могла полностью пренебрегать магнитными взаимодействиями: на уровне фундаментальных частиц электростатическое взаимодействие полностью перекрывает любой магнитный эффект. Если мы поднимаемся на уровень[217] атомов, состоящих из многих электронов, ситуация становится более сложной, и поскольку здесь вступает в игру принцип запрета Паули, огромная сила электростатических взаимодействий становится критически важным фактором для создания атомов и минералов.

Магнитные атомы

Одна из соблазнительных, но неправильных мыслей о происхождении магнетизма на уровне атомов – представлять магнетизм как результат передвигающихся по орбитам электронов наподобие тока в электромагнитах. Несмотря на то, что это отлично совпадает с уравнениями Максвелла в классическом электромагнетизме, практика показывает, что это неверно. Каждый атом во Вселенной состоит из электронов, перемещающихся по орбитам ядра, но только горстка элементов в средней части Периодической таблицы проявляет магнитные свойства. Магнетизм в атомах не может быть только результатом электронных орбит[218].

Идея орбитального движения как источника магнетизма лежала в основе оригинального эксперимента Штерна-Герлаха, который обсуждался в главе б, когда пучок атомов серебра расщеплялся специальным магнитом. К сожалению, как обнаружили физики, теория не совпадает с поведением атомов – различия в орбитальном движении должны расщеплять пучок как минимум на три компонента, в то время как Штерн и Герлах наблюдали только два. Их результат помог указать на существование свойства электрона только с двумя значениями, а именно, спин. Для наших целей это также является четкой подсказкой, что магнетизм в атомах возникает в конечном счете благодаря спинам их электронов[219].

Создание магнитного атома, в таком случае, есть вопрос получения маленьких магнитных полей, создаваемых электронами внутри атома таким образом, чтобы они складывались и получался большой магнит. Это означает, что надо получить спины электрона, указывающие в одном и том же направлении, чтобы их «северные полюса» совпали. Этой задаче, однако, препятствует одно серьезное обстоятельство: магнитное взаимодействие между электронами предпочитает состояния, когда спины направлены в противоположных направлениях.

На первый взгляд, принцип запрета Паули, который запрещает любым двум электронам иметь абсолютно одинаковое квантовое состояние, определяемое четырьмя квантовыми числами n, l, m и s, ухудшает всю ситуацию, поскольку этот принцип управляет парами электронов. Как мы видели в главе б, самое нижнее энергетическое состояние для электронов в любом конкретном атоме находится с помощью «заполнения» доступных энергетических состояний атома (определяемых через n, l и m) максимум двумя электронами каждое: один спином вверх (s = +1/2), другое спином вниз (s = -1/2). Это естественное объединение двух электронов спином вверх и спином вниз объясняет, почему никакие из атомов ближе к краям Периодической таблицы не являются сильными магнитами. Эти элементы имеют свои внешние энергетические уровни, полностью или почти полностью заполненные, при этом их электроны находятся в парах, так что их магнитные поля вычитаются друг из друга.

Однако для элементов ближе к середине Периодической таблицы принцип запрета Паули сочетается с отталкиванием электронов, так что возникает ситуация, когда спины электронов стремятся выровняться друг относительно друга. Это связано с более глубоким пониманием принципа запрета Паули, обсужденного в главе 7, как требование к симметрии набора электронов.

Элемент из середины нескольких колонок Периодической таблицы будет иметь внешние оболочки, наполовину заполненные электронами, что, похоже, дает несколько опций для расположения этих электронов и их спинов. Канонический магнитный элемент, железо, например, имеет шесть электронов, которые может расположить в состоянии с 1=2, оно имеет пять отличающихся подуровней[220] одной и той же энергии, но с различными значениями т. Существует множество способов расположить эти электроны, но для целей понимания магнитных свойств железа мы можем сфокусироваться только на двух: одном, когда все шесть электронов собраны только на трех подуровнях, и другом, когда электроны распределены более равномерно, и только один подуровень имеет электронную пару.

Два возможных варианта расположения спинов электронов для наполовину заполненной внешней оболочки железа, один немагнитный (наверху), другой – магнитный.

Принцип запрета Паули говорит, что когда два электрона связаны в пары на одном и том же подуровне, тогда они должны иметь противоположные спины. Оба этих состояния удовлетворяют принципу запрета Паули, но то из них, где все шесть электронов связаны в пары, является немагнитным, в то время как более распределенное состояние имеет четыре непарных электрона, ориентированных в одном и том же направлении, дает ему сильные магнитные свойства. Однако энергия всех пяти n, l и m подуровней одинакова в обоих расположениях, так что может показаться, что нет причины, чтобы одно состояние было предпочтительнее другого.

Однако этот анализ не учитывает энергию, которая вносится за счет отталкивающего взаимодействия между находящимися поблизости электронами. Оно увеличивается по мере уменьшения расстояния между электронами, и пары электронов, занимающих один и тот же орбитальный подуровень, будут находиться очень близко друг к другу. Отталкивание между двумя парными электронами будет повышать энергию немагнитного состояния, делая магнитное состояние с согласованными спинами состоянием самого низкого энергетического уровня.

Вы можете резонно возразить, что можно сделать немагнитное состояние с электронами, распределенными на большее количество подуровней за счет смены направления спинов двух из непарных электронов, так что состояние будет иметь одну электронную пару, два отдельных электрона со спинами «вверх» и два электрона со спинами «вниз». Но та часть принципа запрета Паули, что отвечает за симметрию, присматривает и за этим; а как это делается, легче всего понять, если мы рассмотрим только два электрона и два подуровня.

Как обсуждалось в главе 7, принцип исключения Паули утверждает, что волновая функция для многоэлектронного состояния должна быть антисимметричной. Поскольку электроны идентичны и взаимозаменяемы, измеряемые свойства состояния в целом не могут измениться, если мы переставим ярлычки на двух электронах, но волновая функция должна поменять знак после такой перестановки. Это требование антисимметрии применяется к волновой функции в целом, как для распределения электронов по горизонтали (определяемое n, l и m), так и распределения их спинов, что означает: если одно из них антисимметрично, другое должно быть симметрично. Если и спин, и пространственная волновая функция были бы антисимметричны, обмен ярлычками будет дважды менять знак, возвращая вас к исходной точке – в физике, как и в английском языке, два отрицания (хоть и неуклюже) означают согласие (положительное).

Таким образом, если два спина показывают в одном направлении, спин волновой функции симметричен, и пространственная волновая функция должна быть антисимметричной комбинацией из двух доступных подуровней. Если спины указывают в противоположных направлениях, это может быть антисимметричным состоянием[221], в таком случае пространственная волновая функция должна быть симметричной.

Мы поняли, что для пространственной волновой функции антисимметричные состояния исключают электроны из более широкого пространства и это слегка повышает их энергию. Можно подумать, что это должны быть состояния с более высокой энергией – и для отдельного электрона антисимметричное состояние действительно имеет более высокую энергию. Антисимметричное расположение держит электроны в среднем чуть дальше друг от друга. Вы можете получить представление о том, почему так происходит, если вспомните состояние двух атомов, которое мы рассматривали раньше в главе 7. Исключенный регион для этих волновых функций – это точка на полпути между двумя атомами, который чуть-чуть раздвигает два пика волновой функции друг от друга.

Антисимметричные волновые функции для электронов в одном атоме со многими электронами не расщепляются между положениями вокруг двух ядер, как те, что существуют в молекулярных состояниях, а скорее являются суперпозициями различных состояний вокруг одиночного ядра, определяемых n, l и т. Однако конечный результат тот же самый: электроны в антисимметричной комбинации орбиталей находятся на очень небольшом расстоянии друг от друга, в среднем, чем такие же в симметричной комбинации. Это увеличение в расстоянии снижает энергию благодаря совместному отталкиванию на большую величину, чем разница энергий между симметричной и антисимметричной пространственными волновыми функциями.

Процесс, который делает магнитное расположение более предпочтительным в атомах со многими электронами. Немагнитное расположение характеризуется симметричной пространственной волновой функцией и благоприятным объединением направлений спинов, при этом оба этих условия снижают энергию по сравнению с состояниями без этих эффектов (обозначено линией из точек), но отталкивание между электронами в этом состоянии очень сильно. В магнитном расположении антисимметричная пространственная волновая функция и магнитное взаимодействие между спинами одновременно и слегка повышает энергию, но уменьшение сил отталкивающего взаимодействия между электронами более чем достаточно, чтобы компенсировать этот эффект.

Таким образом, самое низкое энергетическое состояние, доступное железу, когда электроны внешней оболочки распределены по всем доступным подуровням, со спинами непарных электронов, ориентированных в одном направлении. Это означает, что магнитные поля, созданные индивидуальными спинами, складываются вместе, чтобы создать большее поле, делая железо сильным магнитным атомом. Те же основные физические принципы работают и в других элементах с наполовину заполненными внешними оболочками, что ведет к кластеризации атомов с сильным магнитным характером в середине колонок Периодической таблицы.

Магнитные кристаллы

Конечно, как было замечено выше, только из-за того, что атом конкретного элемента является магнитным, еще не означает, что твердый кусок этого материала будет постоянным магнитом. Если бы так было, природные магниты встречались бы повсюду. В действительности, некоторые элементы, сильно магнитные на атомном уровне (хром, например), почти вообще не выказывают своего магнитного характера, когда они представлены куском материала. Создание постоянного магнита требует не только согласованной ориентации спинов электронов внутри атома, но согласованной ориентации спинов атомов внутри кристалла.

Явление, которое создает магнитный минерал в конечном счете то же, что делает атом магнитным: комбинация принципа запрета Паули и отталкивающие силы, известные под названием (несколько вводящим в заблуждение) «обменное взаимодействие». Структура кристалла определяется совместным разделением электронов, что устанавливает расстояние между атомами и их трехмерное расположение. Такая кристаллическая структура затем определяет энергетические полосы и энергетические провалы для электронов в материале, как мы видели в главе 8, что в, свою очередь, определяет многие из их электрических свойств[222].

Когда мы говорили о молекулах и твердых предметах в предыдущих главах, мы в основном игнорировали эффект спина (кроме как в эффекте заполнения состояний по принципу запрета Паули) и взаимодействия между электронами, но точно так же, как это происходит на атомном уровне, они играют ключевую роль в магнетизме на уровне макроскопических материалов. Вычисления становятся гораздо более сложными, но взаимное отталкивание между электронами все еще увеличивает энергию состояний, где электроны находятся ближе друг к другу. Это отталкивание склонно быть меньше для антисимметричных пространственных состояний, и когда электроны находятся в антисимметричных пространственных состояниях, их спины согласуются по ориентации.

Для правильной комбинации материалов атомы железа в минерале, в конце концов оказываются разделенными между собой как раз правильным расстоянием, так что их общая энергия ниже, когда электроны в кристалле попадают в антисимметричную пространственную волновую функцию. Это означает, что спин волновой функции должен быть симметричным со спинами, направленными в одном и том же направлении, и складывались вместе, чтобы сделать более сильный составной магнит.

Правильное расстояние между магнитными атомами зависит от тонких деталей химии и кристаллической структуры, вот почему магнитные материалы так редки. Даже сплавы, сделанные полностью из магнитных элементов, могут быть немагнитными за счет изменения смеси атомов. Нержавеющая сталь как сплав, состоящий в основном из железа и примерно 15 процентов хрома, по своей природе будет магнитным. С другой стороны, другой сплав, где содержание хрома слегка увеличено и добавлено немного никеля (около 8 процентов), будет немагнитным.

Такое магнитное поведение также очень хрупко – энергетические сдвиги, участвующие в процессе, в общем очень малы и зависят, опять-таки от тонких деталей кристаллической структуры. Некоторые немагнитные сплавы даже могут быть сделаны магнитными только за счет механических манипуляций: сплав нержавеющей стали, обычно использующийся для кухонных приборов, технически немагнитный, но процесс, с помощью которого из него формируются полоски, деформирует кристаллическую структуру до некоторой степени, и именно поэтому мы можем использовать магниты, чтобы прикреплять карандашные рисунки к нашим «немагнитным» холодильникам из нержавеющей стали.

Когда все эти различные факторы действуют вместе в правильном направлении, электроны в конкретной области будут стремиться согласовать свои спины со спинами их ближайших соседей, создавая маленький «магнитный домен» в куске кристалла, действующий как микроскопический магнит. Однако даже этого недостаточно, чтобы сделать постоянный магнит.

Встречающиеся в природе куски металла состоят из огромного количества маленьких кристаллов со слегка отличающейся ориентацией, каждый из них формирует домен с северным полюсом, направленном в случайном направлении.

Если магнитный материал, состоящий из множества маленьких доменов, указывающих в разных направлениях, поместить в сильное магнитное поле, скажем, рядом с магнитом, то каждый из этих доменов может понизить свою энергию, сдвинув свои электроны, чтобы согласовать направления с полем. Это создает большое количество доменов с северными полюсами, направленными на северный полюс магнита, и это отвечает за силу притяжения между магнитом и куском металла. Это одинаковое направление доменов лишь временное: когда магнитное поле убирают, отдельные домены возвращаются в свое исходное состояние со случайной направленностью полюсов.

Создание постоянного магнита требует перераспределения этих доменов для сохранения более длительного магнитного эффекта. Это может быть сделано механически. Если вы терпеливы, то сможете превратить тонкий лист стали в слабый постоянный магнит, натирая его другим магнитом или за счет того, что материал нагревается до высокой температуры и затем остывает в присутствии сильного магнитного поля[223]. Результатом этого будет материал, где электроны во всех отдельных доменах имеют свои спины (более или менее) направленные в одном и том же направлении, складываясь для создания более сильного магнита.

Однажды созданный постоянный магнит, как предполагает его название, будет стремиться сохранять это расположение, даже если кристаллическая структура отдельного домена может быть склонна к другому расположению.

В то время как общая энергия материала может быть снижена за счет электронов, указывающих в правильном направлении для каждого домена, энергия должна возрастать непосредственно в ходе самого процесса. Опять-таки, этот магнетизм легко разрушается: по мере нагрева материала тепловая энергия добавляется к движению электронов и может стать достаточно большой, чтобы перекрыть увеличение энергии, необходимое для того, чтобы электроны могли свободно ориентировать свои спины, как им вздумается – обычно в направлениях, благоприятных для кристаллической структуры их конкретного домена. Магнитные материалы, таким образом, имеют характерную «температуру Кюри», выше нее их электроны уже не остаются совместно направленными вдоль различных доменов, и они теряют свои магнитные свойства[224].

Понимание физики этих процессов, от спинов электрона до кристаллических доменов, также позволило физикам сконструировать магнитные материалы, которые не встречаются в природе. В частности, с 1970-х годов использование крайне сильных магнитов, основанных на «редкоземельных» элементах типа неодиума, стали широко распространенными, их можно найти везде, от детских игрушек до магнитных систем хранения данных. Они сделали магнитные прижимы в целом гораздо более распространенными и более надежными, чем во времена, когда я был в том возрасте, чтобы прикреплять рисуночки к холодильнику.

Магнитное хранилище информации

В то время как перегруппировка доменов в магнитном материале, помещенном в магнитное поле, обычно временное явление, для некоторых материалов, если приложить достаточно большое поле, можно создать более постоянное расположение.

Однажды сориентировавшись в одинаковом направлении, эти домены будут оставаться в своей новой ориентации после того, как убрано поле, до тех пор, пока что-нибудь еще – нагрев, механическое воздействие или достаточно сильное поле противоположного направления – не разрушит новое расположение. Постоянство магнитных доменов сделало эти материалы важной частью индустрии систем хранения данных.

На заре компьютерной эры многие машины использовали «магнитную основную память», где биты, используемые в вычислениях, временно хранились в маленьких кусочках магнитного материала с направлением северного полюса, переключаемого между двумя значениями с помощью протекающего через контур провода тока вокруг каждого кусочка. Магниты в этой системе могли быть довольно существенными – достаточно большими, чтобы создавать сигналы, которые воспринимал расположенный поблизости радиоприемник. Один из моих профессоров по компьютерным наукам в колледже рассказал историю про конструирование программ на перфокартах, они будут бесцельно считывать биты в нужной последовательности, так что на поставленном неподалеку от этих компьютеров радиоприемнике можно будет прослушать хит «Резиновая уточка» из мультсериала «Улица Сезам».

В меньших масштабах гибкие полоски магнитного материала создают основу для кассет и видеолент VHS[225], что радовали меня в юные годы, для хранения звуков и видео в виде распределения магнитных доменов на ленте с использованием электромагнитов для записи. Эти распределения потом считывались небольшим датчиком, который улавливал изменения в магнитных полях, проходя над витками проволоки в плейере. Ленты могли хранить данные длительный период, хотя используемые материалы медленно ухудшали свои качества после многих воспроизведений.

Менее устаревшие технологии, а именно магнитные домены с возможностью перезаписи, также лежат в основе операций современных твердых дисков. Основной принцип остается тем же самым: электромагнит в «пишущей головке» изменяет ориентацию магнитных доменов на диске, чтобы сохранить цифровую информацию. В то же время «считывающая головка» распознает картину магнитных полей на диске, превращая хранящуюся на диске информацию обратно в единицы и нули для рабочей памяти. Десятилетия инженерных усилий по разработке лучших магнитных материалов и высокопроизводительных систем чтения и записи данных продвинули эти системы до такого уровня, что они могут хранить невероятное количество данных. Четырехтерабайтный диск, который я использую, чтобы сохранять данные на моем компьютере дома, имеет габариты коробочки для хранения пятидюймовых флоппи-дисков, использовавшихся на моем первом компьютере; при этом вся та коробочка сохранила бы для меня одну миллионную часть данных, которые умещаются сегодня на моем твердом диске.

Эта глава лишь коснулась поверхности крайне сложной физики магнитных материалов, богатого и разнообразного поля, где счастливо трудятся множество физиков. Однако неважно, заинтересованы ли вы в хранении данных высокой плотности или просто прикрепляете карандашные рисуночки на кухонные приборы, физика всего этого имеет глубокие корни в квантовой механике. Каждый магнит, какой вы видите, – в конечном счете квантовый объект, действующий благодаря присущему его электронам спину.

Глава 10

Детектор дыма: Побег мистера Гамова

В коридоре еще темно, когда я выхожу из спальни, только сигнальный огонек на детекторе дыма отбрасывает слабый свет на стенку.

Когда я был в аспирантуре с середины по конец 1990-х годов, я жил в Роквилле, штат Мэриленд, где снимал комнату. В этом доме был самый странный детектор дыма, который я только видел: он срабатывал почти каждый раз, когда я готовил себе тост. Это была обычная процедура поджаривания хлеба, но она заставляла срабатывать сигнал тревоги, при этом он не срабатывал на другие виды приготовления пищи, равно как и на соседа, который выкуривал несколько пачек сигарет в день.

Много лет спустя я все еще в недоумении и не могу понять, что же такого необыкновенного было в тосте, что заставляло детектор срабатывать. Хотя объяснение того поведения остается за пределами моих возможностей, основные принципы работы обычного детектора дыма достаточно просты. Они так же зависят от целого ряда известных странностей квантовой физики, например, от способности частиц проходить через барьеры, которые, по мнению классической физики, точно должны их останавливать.

Классическая физика детекторов дыма

Дым, даже если опираться на его название, – набор небольших частиц, поднимаемых в воздух пламенем. Обнаружение дыма, таким образом, означает обнаружение этих частиц, желательно быстро, чтобы предупредить домовладельцев о пожаре до того, как им будет нанесен вред.

Самым простым способом для прибора обнаружить дым, является в сущности, тот же, что мы осуществляем с помощью зрения: глядя на рассеивание света частицами дыма в воздухе. Дым становится видимым для нас, отражая свет, который иначе не попал бы нам в глаза, или загораживая свет, мы иначе увидели бы его. Фотоэлектрические детекторы дыма работают по первому принципу: небольшой источник света светит через трубочку со световым датчиком, размещенным сбоку. При обычных условиях свет не попадает на датчик, показывая, что все в порядке. Когда частицы дыма попадают в трубочку, часть света отражается вбок, создавая электронный сигнал от светового датчика, он и запускает оглушительную сирену.

Однако некоторые виды быстрогорящих материалов могут создавать частицы, почти не отражающие свет, и тогда используется другая технология – радиоактивный распад для обнаружения дыма. В ионизационном детекторе поток альфа-частиц направляется в небольшую воздушную камеру между двумя заряженными металлическими пластинками. Когда альфа-частица ударяется о молекулу воздуха[226], столкновение может разбить молекулу на две заряженных части, одна положительная и одна отрицательная. Положительный ион притягивается к отрицательной пластинке детектора, а отрицательный ион – к положительной, и попадание этих частиц на пластинки приводит к небольшому току через контур, включающий обе пластинки.

В отсутствие каких-либо дымовых частиц, поток тока практически постоянен, и прибор издает сигнал «все хорошо». Когда дым попадает в ионизированную камеру, дымовые частицы поглощают часть ионов и не дают им достичь пластинок, нарушая течение тока. Это снижение тока регистрируется электроникой детектора и запускает срабатывание оглушительной сирены.

Каждая из двух детекторных технологий имеет свои преимущества и недостатки, и в результате множественные коммерческие детекторы дыма используют оба варианта одновременно. Каждый в определенной степени зависит от квантовой физики. Первый тип реагирует на свет за счет фотоэлектрического эффекта, что (как мы уже говорили в главе 3) было в конечном счете объяснено существованием фотонов. Для второго типа детектора квантовые связи более непосредственны, и он основывается на процессе ионизации, который опирается на альфа-частицы, возникающие при распаде искусственного радиоактивного элемента, америция-241, внутри детектора. Этот распад содержит загадку, что предшествовала квантовой физике и была впоследствии решена колоритным персонажем из СССР.

Загадки радиоактивности

В поздние 1800-е годы физику сотрясло открытие очевидных новых форм радиации. Сначала, в 1895 году, Вильгельм Конрад Рентген[227]наткнулся на икс-лучи[228] (рентгеновские) при экспериментировании с электрическими токами, протекающими через вакуумные трубки. Рентген заметил, что даже после того, как он закрывал свой аппарат, чтобы блокировать выход света наружу, флуоресцентный экран на противоположной стене лаборатории слабо светился, когда в трубке курсировал ток. Он правильно приписал это действию каких-то лучей, обладающих очень большой проникающей силой и исходящих от прибора. Очень скоро ученый создал ставшую уже канонической фотографию руки своей жены в рентгеновских лучах, где четко видны кости. Его работа практически сразу нашла медицинские применения, и в 1901 году он был награжден самой первой Нобелевской премией по физике за свое открытие.

Каким бы сюрпризом ни были рентгеновские лучи, аппарат с вакуумными трубками Рентгена, по крайней мере, что-то делал для активного снабжения энергией, которая нужна для создания радиации, пропуская электрический ток через трубки. Когда ток отключали, рентгеновские лучи исчезали[229]. Следующее открытие было гораздо более загадочным: Анри Беккерель[230], следом за работой Рентгена, обнаружил, что смеси урана[231] испускают рентгеновские лучи и другую радиацию все время, без всякого притока энергии. Это, казалось, было спонтанным созданием энергии из ниоткуда, что, согласно принятым законам физики, невозможно, и начались попытки найти источники радиоактивности.

Одним из наиболее успешных ученых по изучению радиоактивности и (по факту) создателем термина «радиоактивность» была Мария Склодовская-Кюри[232], которая начала экспериментировать с урановыми смесями вскоре после объявления Беккереля и показала, что радиация, исходящая изнутри атомов урана, не является результатом какого-то химического процесса, включающего взаимодействия между большими молекулами. Она также обнаружила, что некоторые руды, содержащие уран, были даже радиоактивнее, чем добытый из них очищенный уран, что указывало на присутствие какого-то другого неизвестного радиоактивного элемента.

Мария Кюри запустила длинный проект для обнаружения и выделения этого нового элемента, и затем к ней присоединился ее муж Пьер. Работая вместе в импровизированной лаборатории во дворе при Парижском университете, который немецкий физик Вильгельм Оствальд[233] описал как «помесь между конюшней и картофельным сараем», Кюри открыли два новых элемента – полоний[234] и радий, что привело обоих к Нобелевским премиям. В 1903 году чета Кюри и Беккерель разделили премию по физике[235] за их эксперименты по радиоактивности, а в 1911-м Мария одна[236] получила премию по химии за выделение радия и полония.

Примерно в то же время Эрнест Резерфорд, работавший тогда в Университете Макгилла в Монреале, проводил свои собственные эксперименты с радиоактивностью и разработал современную классификацию радиаций как альфа-, бета- и гамма-формы излучения. Они были упорядочены по своей проникающей силе, при этом альфа-частицы с наименьшей проникающей силой (альфа-излучение легко блокируется несколькими листами бумаги) и гамма-лучами как наиболее проникающими[237] (они могут пройти некоторое расстояние даже через такие плотные материалы, как свинец). В 1900 году Беккерель показал, что бета-частицы являются высокоэнергетическими электронами, и в 1905-м Резерфорд обнаружил, что альфа-частицы – это двойной ионизированный гелий[238]; гамма-лучи, как было показано в 1914 году, – высокоэнергетические фотоны.

Радиоактивность была плодотворной областью для исследований в ранние 1900-е годы сразу и как объект исследования, и как инструмент для изучения других вопросов. В 1909-м эксперимент Марсдена и Гейгера в лаборатории Резерфорда, в результате которого было обнаружено существование ядер (что обсуждалось в главе 4), был проведен с помощью высокоэнергетических альфа-частиц, излучаемых радием. Однако какой процесс создавал это излучение и в особенности откуда берется необходимая энергия, оставалось загадкой.

Проблема была продемонстрирована измерениями, сделанными Хансом Гейгером в 1921 году при исследовании взаимодействий альфа-частиц с ураном. Обстреливание высокоэнергетическими частицами атомов урана показало, что отталкивающее взаимодействие между ядрами урана и положительно заряженными альфа-частицами будет отталкивать частицы с энергией порядка 8.6 МэВ (миллионы электрон-вольт) или меньше[239], что находится в соответствии с ожиданиями от заряда ядра урана. Однако уран сам по себе радиоактивен и излучает альфа-частицы с энергией порядка 4.2 МэВ – гораздо ниже минимальной энергии, необходимой, чтобы альфа-частица попала в ядро.

Если мы посмотрим на эту проблему с точки зрения энергии, становится ясно, почему это невозможно в классической физике. Частица имеет два вида энергии: кинетическую энергию, благодаря своему движению, и потенциальную, благодаря своим взаимодействиям, притягивающим или отталкивающим.

Сильное ядерное взаимодействие – это мощная притягивающая сила, но она действует на коротком расстоянии, делая потенциальную энергию альфа-частицы отрицательной только на очень малых расстояниях от ядра. На больших дистанциях сильные взаимодействия вообще не играют роли, и электромагнитное отталкивание между ядром и альфа-частицами все еще очень слабо. На среднем расстоянии электромагнитное отталкивание между двумя положительно заряженными частицами становится существенным, но сильное взаимодействие еще не вступает в игру. Поэтому, если мы начнем с больших расстояний и будем двигаться в сторону ядра, то увидим, как потенциальная энергия альфа-частицы медленно возрастает от нуля до некоторого пикового значения, затем ныряет до значительного отрицательного значения, когда она достаточно близко от ядра, чтобы почувствовать сильное притягивающее взаимодействие.

Если сложить все это вместе, то потенциальная энергия нашей альфа-частицы, проходящей вблизи ядра какого-нибудь атома (двигаясь справа налево на иллюстрации ниже), выглядит следующим образом:

Энергетическая диаграмма для альфа-частицы вблизи ядра. Действующее на больших расстояниях электростатическое отталкивание в сочетании с сильным ядерным взаимодействием создает барьер потенциальной энергии, который захватывает альфа-частицы внутрь ядра и поворачивает назад альфа-частицы, приходящие справа.

Как это ограничивает движение альфа-частицы? Мы можем понять это, вспомнив, что общая энергия частицы – кинетическая плюс потенциальная энергии – должна оставаться константой. Альфа-частица, начиная долгий путь вне ядра и двигаясь на определенной скорости, будет иметь положительную общую энергию, благодаря своему движению, и практически нулевую дополнительную энергию, благодаря взаимодействиям, поскольку она слишком далеко, чтобы почувствовать как отталкивание, так и притяжение ядра. По мере ее приближения к ядру потенциальная энергия возрастает, так как она начинает чувствовать электростатическое отталкивание, но общая энергия должна оставаться той же самой. Это означает, что кинетическая энергия должна уменьшаться и, таким образом, альфа-частица замедляется.

Потенциальная энергия продолжает возрастать по мере их сближения и, наконец, становится равной начальной общей энергии альфа-частицы. В этой точке кинетическая энергия должна быть нулевой, так что альфа-частица полностью останавливается на мгновение. Однако она все еще чувствует отталкивающее воздействие ядра, поэтому почти сразу начинает двигаться прочь с уменьшающейся потенциальной энергией и возрастающей кинетической, по мере того как отлетает назад, откуда прилетела. В этой энергетической картине альфа-частица ведет себя очень похоже на мячик, катящийся вверх в горку: пока он катится в горку, он замедляется, затем останавливается и откатывается назад. Максимальная высота, которой он может достичь – и, таким образом, минимальное расстояние между частицей и ядром, – определяется начальной энергией подлетающей частицы. Когда она катится вниз «с горки», то достигает начальной точки с той же самой скоростью, с какой началось движение, только в обратном направлении.

В этом классическом представлении энергетической картины подлетающая частица с энергией меньше, чем высота пика – по меньшей мере 8.6 МэВ[240] для урана, согласно экспериментам Гейгера, – она не может достичь внутренней области ядра, где сильные взаимодействия притянут ее. По той же логике, частица, стартующая изнутри ядра, не может выбраться наружу, если ее полная энергия не выше высоты барьера – частица с любым меньшим значением энергии ударится об стену, где быстро повысит свою потенциальную энергию равную общей энергии, с которой она начала полет, что остановит ее и оттолкнет обратно к ядру.

Противоречие между экспериментами Гейгера по рассеянию частиц и альфа-распадом урана, таким образом, вообще не имеет смысла с точки зрения классической физики. Альфа-частица с достаточной энергией, чтобы освободиться от влияния сильного взаимодействия, должна начинать на вершине «горки» и катиться вниз, возникая на уровнях энергий равных высоте вершины. Это означает, что, как минимум, альфа, еле-еле вырвавшаяся наружу, должна вылетать во внешний мир с 8.6 единицами энергии, и та, что легко выскользнула, должна иметь еще больше. И все же, каким-то образом, уран распадается естественным путем, излучая альфа-частицы с менее чем половиной от этой энергии.

Хотя по мере развития квантовой физики были решены множество других загадок атома, проблема энергий альфа-частиц оставалась весьма раздражающей. Она была окончательно решена в 1928 году молодым русским физиком Георгием Гамовым[241], кто осознал, что, благодаря квантовой природе альфа-частиц, им не нужно иметь достаточно энергии, чтобы вылететь из ядра: они могут проделать для этого туннель наружу.

Квантовое туннелирование

Занятно, что проблему, как альфа-частица умудряется выбраться из ядра при недостаточной для этого энергии, была решена Георгием Гамовым, который позже сам сумел совершить невероятный побег. Гамов родился на Украине и начал свою карьеру в университетах Советского Союза. Когда Иосиф Сталин пришел к власти, и режим стал более репрессивным в начале 1930-х, Гамов решил, что ему надо выбираться за рубеж. После двух неудачных попыток, включая попытку пересечь на байдарке морские просторы, чтобы попасть в одну из западных стран[242], он и его жена решили остаться во время посещения в 1933 году Солвейской конференции в Париже. Будучи приглашенным, Гамов должен был ехать один, но он нахально попросил паспорт для своей жены, как он рассказывал, непосредственно у самого советского премьер-министра Молотова, отказавшись ехать без нее. Удивительно, но это сработало, и с помощью Марии Кюри и других на конференции он стал невозвращенцем и рано или поздно добрался до Соединенных Штатов[243].

Все это было, возможно, благодаря визиту Гамова в 1928 году к Максу Борну в Геттинген, где он познакомился с последними достижениями в квантовой физике. Борн тогда был погружен в подробные вычисления, но Гамову не нравились подобные занятия, поскольку он всегда любил приблизительные решения, основанные на интуитивных моделях. В Геттингенской библиотеке он наткнулся на статью Резерфорда с подробным описанием энергий альфа-распада[244] и быстро обнаружил решение. Эта работа создала ему репутацию среди физиков и обеспечила приглашение на конференцию в Солвей, что дало билет на выезд из СССР.

Гамов понял, что в терминах энергии сочетание сильного ядерного взаимодействия, удерживающего ядро, вместе с электромагнитной силой, отталкивающей альфа-частицы прочь, создает «потенциальный барьер», разворачивающий низкоэнергетические частицы прочь от небольшой области пространства. Волновая природа квантовых объектов наподобие альфа-частиц позволяет им проникать через этот барьер на определенном коротком расстоянии, и это дает им шанс выскользнуть, даже если у них не хватает кинетической энергии.

Чтобы обсуждать альфа-частицы и их взаимодействия в квантовых терминах, мы должны их описать в терминах волновых функций и распределения вероятностей, и когда мы это сделаем, то немедленно наткнемся на проблему. Распределение вероятности, которое мы ожидаем от классической модели, описанной выше, показывает медленное увеличение вероятности по мере приближения альфа-частицы к ядру и замедляется, затем падает вниз[245] до нуля точно в точке, где потенциальная энергия равняется общей энергии. Вероятность нахождения ее в какой-либо точке ближе, чем эта поворотная точка, равна нулю.

Хотя это прекрасно вписывается в понятия классической физики, волновая природа квантовых объектов не позволяет делать такие резкие повороты. Как мы видели, когда говорили о неопределенности в главе 7, острые края для волновой функции будут требовать добавление огромного количества различных длин волн. Однако такой огромный диапазон длин волн несовместим с представлением о подлетающей частице с известной энергией. Для реальных частиц волновая функция не может остановиться резко, а должна медленно угаснуть, продолжаясь на некоторое расстояние за барьер. Это означает, что есть некоторая вероятность обнаружения частицы в местах, которые должны быть запрещены, где потенциальная энергия больше, чем энергия, с какой частица начала свой путь.

Энергия и классическая вероятность для альфа-частицы, приближающейся к ядру снаружи. Вероятность обнаружения частицы близко к запрещенной области возрастает, поскольку скорость падает, и она проводит больше времени в этой области. На краю запрещенной области вероятность резко падает до нуля.

Благодаря этому постепенному угасанию, частицы, которые подлетают с энергиями меньше высоты барьера, имеют некоторую небольшую вероятность сделать это внутри ядра. Вероятность быстро падает[246] по мере того, как частица пересекает запрещенную область, но если энергия не слишком далеко от вершины, запрещенная область тонка и вероятность достижения внутреннего края не равна нулю. Конечно, раз уж она попадает туда, сильное взаимодействие вступает в игру и удерживает альфа-частицу внутри.

Вероятности того, что так произойдет, астрономически малы, и потеря такого малого количества частиц не могла бы быть измеренной в экспериментах Гейгера. Однако тот же процесс работает и в обратном направлении, это означает, что для некоторых частиц, стартующих изнутри, «коробка» ядра становится немного проницаемой.

Есть небольшой диапазон положительных энергий ниже вершины барьера, для которых частицы могут потенциально быть захваченными внутрь ядра состоянием, наподобие стоячей волны. Вероятность обнаружения этих частиц в запрещенной области не равна нулю, но угасает по мере увеличения расстояния, что является ключевым. Эта вероятность не будет нулевой на внешнем краю запрещенной области.

Энергия и волновая функция для альфа-частиц, которые туннелируют из ядра по модели Гамова. Волновая функция спадает экспоненциально по мере прохождения через барьер, давая небольшую вероятность достижения внешней области.

Каждый раз, когда альфа-частица встречает барьер, у нее есть небольшой шанс выскочить через него наружу. В то время как альфа-частица, которой выстрелили в атом урана, встречает барьер лишь один раз, альфа-частица, скачущая внутри ядра, ударяется о барьер много раз. Физики Эдвард Кондон[247] и Рональд Гёрни[248] из Принстона, работая над той же проблемой, что и Гамов, оценили количество таких ударов 10^20 в секунду. Вероятность каждого индивидуального столкновения, которая может закончиться выходом наружу, невероятно мала, но за определенное время альфа-частица будет неизбежно оказываться за пределами ядра в состоянии покоя. В этой точке она будет вытолкнута наружу силой электромагнитного взаимодействия и появится как продукт радиоактивного распада с кинетической энергией меньше, чем высота барьера.

Этот процесс называется «туннелинг», потому что частицы возникают на дальнем краю барьера, даже если у них недостаточно энергии, чтобы перескочить его, как будто они прорыли туннель с западного до восточного края энергетической «горы». Когда Гамов узнал о парадоксе альфа-распада, он быстро понял, что туннелинг, с которым был знаком по описанию советских коллег Леонида Мандельштама[249] и Михаила Леонтовича[250] в 1928 году, был решением проблемы, и он разработал простую модель радиоактивного распада как процесса туннелинга, представив радиоактивное ядро как набор пойманных в ловушку альфа-частиц, у которых есть некоторый шанс пройти через туннель на свободу. Анализ Гамова показал, что жизнь распада для данного элемента должна уменьшаться экспоненциально, по мере того как возрастает энергия излучаемых альфа-частиц, что очень хорошо объясняло ранее полученные в экспериментах наблюдения Гейгера и Джона Митчелла Натэлла[251].

Модель Гамова придала смысл энергетическому несоответствию, обнаруженному в экспериментах Гейгера, и также объясняла целый ряд других свойств альфа-распада. Процесс туннелинга по сути своей вероятностный, он дает маленькую вероятность возможности ускользнуть из ядра частице каждый раз, когда она сталкивается с барьером, но не может точно сказать, когда такой прорыв будет осуществлен. Это объясняет одну из знаменательных характеристик радиоактивности, продемонстрированную Резерфордом в начале 1900-х годов, что радиоактивность конкретного образца снижается со временем с характерным уровнем, так называемым «периодом полураспада». Период полураспада элемента является статистической величиной, равной периоду времени, после которого, в среднем, лишь половина атомов начального образца останутся в начальном состоянии. После второго периода полураспада одна четвертая часть первоначальных атомов останутся не распавшимися и так далее. Это именно то, что можно ожидать от случайного распада с некоторой вероятностью, и модель Гамова объясняет, почему альфа-распад считается таким процессом.

Модель туннелинга также объясняет, почему альфа-распад происходит естественным путем лишь в очень тяжелых элементах. Чтобы альфа-частица могла совершить туннелинг наружу, она должна существовать внутри ядра с кинетической плюс потенциальной энергией в малом диапазоне энергий, которые больше чем ноль, но меньше, чем высота барьера. Вследствие мощного притяжения сильного взаимодействия, большинство разрешенных состояний для частицы внутри ядра являются состояния типа стоячих волн с отрицательной общей энергией. Такие частицы никуда не могут туннелировать: снаружи ядра нет области, где они были бы не запрещены. Эти пойманные в постоянную ловушку альфа-частицы ответственны за стабильность ядер, которые составляют большинство Периодической таблицы.

Как и во многих других случаях, здесь вступает в игру принцип запрета Паули, особенно для тяжелых элементов. По мере добавления новых и новых частиц для создания более тяжелого ядра, они заполняют низкоэнергетические состояния. Для достаточно тяжелых элементов последние несколько частиц, добавленных к ядру, вынуждены занимать места с общей положительной энергией, где уже возникает процесс туннелинга. Таким образом, альфа-распад – это процесс, наблюдаемый лишь в тяжелых элементах.

Почти одновременно с открытием Гамова в Геттингене, Кондон и Гёрни в Принстоне наткнулись на ту же концепцию для объяснения альфа-распада. Однако подход Гамова был несколько более детальным: он разработал великолепную аппроксимацию для уровня туннелинга для данного элемента и энергии альфа-частиц, которая позволяла ему гораздо легче делать количественные предсказания. В результате одна из связанных с этим величин, использующаяся для определения уровней радиоактивного распада, известна сегодня как «фактор Гамова». Модель туннелинга была мгновенным успехом, она быстро вытеснила несколько более замысловатых объяснений, которые предлагались для объяснения энергетической проблемы альфа-распада. Прорыв Гамова быстро сделал его важным персонажем в быстро развивающейся квантовой физике, что подготовило его последующий побег из сталинского СССР.

Солнечный свет и расщепленные атомы

Физика туннелинга уже была в нашем рассказе, в первой главе, когда мы говорили о Солнце, хотя там мы не уделили этому много внимания. Чтобы произошло слияние, два протона должны подойти достаточно близко, тогда сильное ядерное взаимодействие свяжет их вместе, и два протона, сталкивающиеся внутри Солнца, испытывают тот же вид энергии взаимодействия, что и альфа-частица, приближающаяся к ядру атома: отталкивание на среднем расстоянии и притяжение на коротких расстояниях, где вступает в игру сильное взаимодействие. Оценка энергии, какая нужна протону для преодоления получившегося в результате энергетического барьера, достаточно проста, она является просто потенциальной энергией за счет электростатического отталкивания для двух протонов, разделенных на ширину ядра, что будет соответствовать температуре порядка пятнадцати миллиардов кельвинов. Хотя ядро Солнца и горячо, но не настолько – ближе к десяти миллионам кельвинов, то есть меньше в 1500 раз, этого недостаточно для прямого слияния ядер.

Реакции слияния, что питают энергией Солнце, происходят за счет туннелинга: даже при том, что протоны не обладают энергией, требующейся для того, чтобы подойти достаточно близко, когда сильное взаимодействие свяжет их вместе, их квантовая природа дает им некоторый шанс, и они могут туннелировать через барьер и слиться. Это фантастически маловероятное событие, но в Солнце находится так много протонов, что это происходит достаточно часто, чтобы поддерживать нашу самую важную звезду горячей и светящейся.

Когда Гамов выдвинул идею, представляющую альфа-распад как процесс туннелинга, некоторые физики-экспериментаторы, работающие с Эрнестом Резерфордом (который к тому времени был главой Лаборатории Кавендиша в Кембридже), а именно Джон Коккрофт[252] и Эрнест Уолтон[253], быстро поняли, что возможен и противоположный процесс. Заряженная частица, которой выстрелили в ядро атома, будет иметь маленький шанс проникнуть через барьер и достичь внутренней области ядра, и при правильных обстоятельствах она может выбить оттуда некоторые частицы. Внедрить частицы внутрь ядра было давней целью лаборатории Резерфорда, но необходимая энергия, чтобы заставить частицы преодолеть отталкивающий барьер, была слишком велика и не могла быть достигнута при использовании природных радиоактивных источников в экспериментах. Однако модель туннелинга Гамова предполагала, что, в конце концов, может быть и не нужно такой большой энергии, если внутренняя часть ядра будет в пределах досягаемости искусственно созданных высокоэнергетических частиц. Коккрофт и Уолтон занялись изготовлением ускорителя частиц для производства высокоэнергетических протонов и в 1932 году смогли успешно проникнуть в ядро атома лития[254]. Это крайне редкое событие: они оценили, что в ускорителе было создано порядка одного миллиарда протонов, но добавление этого дополнительного протона к ядру лития создает нестабильный изотоп бериллия, который быстро распался на две альфа-частицы, дав четкий сигнал для успеха. Коккрофт и Уолтон были первыми физиками, расщепившими атом, и в 1951 году они разделили Нобелевскую премию за это достижение. Их ускоритель, вместе с ускорителем Ван де Граафа[255] и циклотроном, разработанным американскими физиками Робертом Ван де Граафом и Эрнестом Лоуренсом[256], были созданы примерно в одно время и запустили новую эру в экспериментальной ядерной физике, ведущую к созданию еще больших ускорителей частиц, они позволят открыть физику Стандартной модели.

Примерно в то же время в Европе Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли «искусственную радиоактивность». Жолио-Кюри был крайне близок к открытию нейтрона. Они получили свидетельство существования нейтрона, но не осознали, что означали их результаты, позволив другому коллеге Резерфорда, Джеймсу Чедвику, выполнить ряд экспериментов, идентифицировавших их новую частицу. Но при изучении поведения нейтронов ученые обнаружили, что ранее инертные элементы, если их облучить нейтронами, иногда становятся радиоактивными. В течение нескольких лет физики смогли создать все виды радиоактивных элементов, которые нельзя встретить в природе. В 1935 году Жолио-Кюри получили Нобелевскую премию.

Процесс поглощения нейтрона, открытый Жолио-Кюри, не тот же, что механизм туннелинга, описанный Гамовым и использовавшийся Коккрофтом и Уолтоном: нейтроны не имеют заряда, так что им не надо туннелировать в ядро таким же способом. Однако это возвращает нас к тому месту, откуда мы стартовали, от работы современного детектора дыма. Америций-241, используемый как источник ионизации в типовом детекторе дыма, – искусственный, сделанный из атомов плутония, которые впитали нейтроны из атомного реактора. Период полураспада америция чуть больше четырехсот лет, что делает его идеальным для детекторов дыма: они будут продолжать ионизировать молекулы воздуха гораздо дольше, чем простоит большинство из домов, которые они охраняют.

Радиоактивный распад искусственно созданных элементов считается существенной составляющей для такого направления, как медицина видеоизображений. Радиологи могут получать данные о функционировании различных органов, вводя радиоактивные изотопы с коротким периодом полураспада и отслеживая их продвижение через тело, при этом датчики радиации помещаются снаружи. Например, радиоактивный технеций, добавленный в пищу, используется для того, чтобы проследить, насколько быстро материал движется через пищеварительную систему. Специальные элементы могут быть использованы также для тестирования отдельных органов: щитовидная железа использует много йода, поэтому радиоактивные изотопы йода, введенные в тело, стремятся концентрироваться в ней, позволяя врачам убедиться, что щитовидная железа нормально функционирует, и получить ее изображения с помощью детекторов гамма-излучения.

Искусственная радиоактивность помогает не только обнаруживать заболевания, но и лечить их. Медицинские работники с физическим образованием лечат рак, имплантируя «семена», содержащие искусственные элементы, излучающие бета- или альфа-частицы, чтобы убить раковые клетки. В зависимости от типа и расположения опухоли физики могут выбирать из широкого спектра изотопов, чтобы найти такие, чей период полураспада и энергии распада причинят максимальный вред опухоли, в то же время минимально повредят здоровым клеткам.

Квантовый туннелинг также находит множественные применения в лабораторных условиях, и они лежат далеко за пределами обычной жизни. Одно из наиболее впечатляющих применений – сканирующий туннельный микроскоп, изобретенный в 1981 году Гердом Биннингом[257] и Генрихом Рорером[258]. Микроскоп использует слабый ток для туннелинга между тонким металлическим острием и поверхностью для измерения расстояний между иглой и поверхностью, которые меньше чем высота отдельного атома. Это позволяет физикам делать карты структуры материала атом за атомом и даже строить структуры в атомных масштабах, передвигая их по поверхности, чтобы создавать интересные картинки[259].

Может показаться неожиданным, что эти явления также используются в чем-то совершенно обычном, типа детектора дыма. Если это и сюрприз, то, надеюсь, приятный – экзотическая физика поставлена на защиту жизней и собственности. В следующий раз, когда детектор дыма предупредит вас о пригоревшей еде до того, как это станет серьезной угрозой, или даже просто о том, что вы поджариваете хлеб в тостере неприемлемым способом, часть благодарности (или проклятий) будут отнесены к пронырливым альфа-частицам, которые выскакивают через туннели из нестабильных ядер.

Глава 11

Шифрование: Окончательная блистательная ошибка

Моя почта, в основном, приходит от студентов, которым нужно помочь с домашними заданиями, плюс пара чеков и уведомлений о покупках через Интернет.

Время, когда концепция торговли через Интернет казалась экзотической, было всего лет двадцать назад, а сейчас покупка вещей онлайн стала настолько привычным делом, что почтенные сети магазинов были сильно потеснены и даже поставлены на грань банкротства ростом продавцов розницы через Интернет. Вы можете купить практически все через Интернет в наши дни, и для некоторых людей даже короткая пробежка из дома за молоком заменена кликом в веббраузере службы доставки овощей онлайн.

Конечно, электронная коммерция была бы немыслимой без способности шифровать сообщения, позволяющей кленту послать информацию о кредитной карточке продавцу, не беспокоясь, что ее узнает весь мир. Большие суммы денег были потрачены на технологии, обеспечивающие безопасность коммерческих транзакций через Интернет, и развитие успешных методов обмена финансовой информацией во многом ответственно за взрывной рост онлайн-магазинов.

Это может показаться странной темой для книги по квантовой физике, поскольку в настоящий момент безопасность онлайн-транзакций гарантируется чисто классическими средствами. По мере завершения нашего исследования физики повседневной реальности мы сделаем один короткий экскурс в умозрительную область. Квантовая криптография, которую я опишу в этой главе, широко не применяется… еще.

Однако эти технологии весьма реальны и становятся все более практическими с каждым днем. Осенью 2017 года исследователи из Пекина и Вены продемонстрировали основанную на квантовых эффектах защищенную линию коммуникаций через китайский спутник, открыв исследовательскую конференцию телефонным звонком, который был защищен квантовым ключом, между Китаем и Австрией. Широкое распространение глобальных квантовых коммуникаций не за горами, несмотря на тот факт, что они имеют свои корни в некоторых наиболее экзотических физических явлениях, которые когда-либо были открыты.

Квантовая криптография основана на идее «запутанности[260]», возможно, одной из наиболее будоражащих из всех странных свойств квантовой механики. Квантовая запутанность устанавливает связь между частицами на больших расстояниях, эту мысль Эйнштейн лихо высмеял как «жуткое дальнодействие». Однако многочисленные эксперименты с 1970-х годов продемонстрировали реальность этих явлений, заставив физиков глубже понимать пространство, время и передачу информации.

На первый взгляд, вопросы, которые поднимает запутанность, могут показаться, в первую очередь, философскими, но в действительности они имеют глубоко практические применения. Если мы пытаемся передать послание от одного человека к другому так, чтобы никто, кроме них, не смог прочитать его, то эта «жуткая» связь между запутанными частицами оказывается как раз тем, что нужно.

Секрет как хранить секреты

Основная проблема криптографии существовала, наверное, со времен изобретения письменности. Самый очевидный способ сохранить секреты – поделиться информацией с глазу на глаз, но личные встречи не всегда можно осуществить на практике. Одним из решений станет использование кодов: написать послание так, чтобы оно имело смысл только для того, кому предназначается, но казалось тарабарщиной для любого другого, кто перехватит его.

Существует множество остроумных систем кодирования, которые насчитывают тысячи лет, но мы заинтересованы в современной безопасности, а она лучше всего понимается на языке математики. В современных криптосистемах секретное послание превращается в строчку чисел, и затем выполняет над ними некоторые математические операции отправитель, в результате получается другая строчка чисел, какую открыто посылают получателю. Если получатель точно знает, что было сделано, он может проделать это в обратном порядке, восстановив первоначальное послание: любой другой получит лишь бессмысленную строчку.

Для того чтобы привести конкретный, но простой пример, представьте, что вы совершаете замену букв на числа по простому правилу: А=01, B=02, и так далее до Z=26. Если мы хотим закодировать слово «BREAKFAST» (завтрак), то получим:

Для математической операции, которая еще больше запутает смысл, мы возьмем строчку случайно повторяющихся единиц и нулей в качестве нашего шифровального ключа, одну на каждую буку послания. Затем мы скомбинируем обе строки, добавив единицу к изначальному числу, если наш ключ имеет 1 в этой позиции, и вычитая единицу, если наш ключ имеет 0.

Человек, получивший шифрованный текст «A S D Z J E B T S», не зная кода, скорее всего подумает, что отправителем был кот, который опять топтался по клавиатуре. Если у получателя, кому и направлялось письмо, есть шифр и он знает нужную последовательность операций, он может проделать дешифровку, обратив процесс шифрования – добавив единицу для нуля в ключе, вычитая единицу для 1 в ключе – и восстановить первоначальное послание[261].

Этот простой шифр иллюстрирует основной принцип, что также был проблемой шифрования: он зависит от условия, при котором и отправитель, и получатель должны знать правильную последовательность действий при расшифровке, то есть должны оба иметь один и тот же ключ – в нашем случае это 010000110. Если получатель не имеет того же ключа, что и отправитель, он не сможет декодировать послание, как и любой посторонний, случайно его перехвативший.

Самый простой способ обойти это – использовать один и тот же ключ все время, и отправитель, и получатель должны оба знать его и помнить один специальный набор цифр. К несчастью, при достаточно большом количестве шифрованного текста математический анализ может определить ключ и восстановить секретное послание, если будет достаточно времени. «Достаточно времени» может быть много – для длинных ключей. Время, требуемое для уверенной расшифровки послания современными методами на существующих компьютерах, может быть больше, чем возраст Вселенной. На это полагаются большинство интернет-посланий: они используют единственный разделяемый обеими сторонами ключ с достаточным количеством знаков, так что весьма маловероятно, что кто-нибудь отгадает его достаточно быстро, чтобы нанести ущерб. Однако этот вид криптографии не защищен от мощности компьютерных вычислений или новых математических техник: человек с хорошей программой дешифрования и плохими намерениями может потенциально расшифровать большой объем материала.

Более надежным методом считается список случайных чисел, который используется как ключ – так называемый «one-time pad» – «шифр Вернама[262]» или OTP. Он использует новый ключ каждый раз для кодировки каждого нового сообщения, но это создает дополнительные логистические проблемы для отправителя и получателя. Каждый из них должен иметь доступ к какому-то большому и используемому обоими списку случайных чисел, и чем больше список чисел, тем труднее хранить их в секрете[263]. Также может быть сложным надежно восполнять список после многих посланий, если отправитель и получатель находятся в таких местах, что не могут легко организовать встречу.

Идеальной системой для такого типа криптографии была бы такая, в которой случайные числе генерировались бы по требованию. Хотя и существуют достаточно случайные процессы, которые и отправитель, и получатель могли бы использовать, чтобы создать полезный ключ, если они делают это в двух разных местах, полученные случайные числа будут обязательно разными и, таким образом, бесполезными для кодировки текста. Необходимость того, чтобы числа и у отправителя, и у получателя были одинаковыми, делает генерирование случайных чисел почти невозможным.

По крайнем мере, это почти невозможно в классической физике. Однако в квантовой механике есть лазейка, позволяющая вам генерировать действительно случайные числа, и при этом они могут быть известны одновременно двум людям в двух разных местах. Это работает благодаря одной из самых сложных философских проблем, возникшей в квантовой физике, той самой, что вытолкнула Эйнштейна с поля, которое он сам возделывал.

Играя в кости со Вселенной

Одной из наиболее часто публикуемых цитат Эйнштейна – это «Бог не играет в кости со Вселенной». Она берет начало из другого высказывания, адресованного Максу Борну в письме 1926 года: «(Квантовая механика) говорит о многом, но не подводит нас ближе к секретам Иакова[264]. Во всяком случае, я убежден, что Он не бросает кости…»

Главная проблема здесь связана с вероятностной природой квантовой механики, впервые сформулированной Борном: квантовые волновые функции говорят нам лишь о вероятности получения конкретных результатов измерений. Если мы много-много раз повторим эксперимент и обработаем все результаты, волновая функция будет прекрасным описанием всего диапазона результатов. Однако знание волновой функции не позволяет нам предсказывать точный результат какого-либо конкретного эксперимента; насколько мы знаем, результат отдельного эксперимента над квантовой частицей абсолютно случаен.

Этот вероятностный, случайный характер создает серьезную философскую проблему. Вероятность сама по себе не считается проблемой, даже для самого Эйнштейна – как мы уже видели, некоторые из его самых значительных вкладов в физику включали использование статистических методов для предсказания поведения большого количества частиц без необходимости рассмотрения деталей поведения любой отдельной частицы. В таких случаях, однако, он мог предполагать, что случайность покрывала незнание о детальных взаимодействиях.

Более глубокая теория, которая предсказывала бы специфические результаты для отдельных частиц, оставалась возможной, и в этом случае статистические методы стали бы просто договоренностью, инструментом, чтобы избежать невозможную задачу вычислений деталей взаимодействия между огромным количеством отдельных частиц. Мы делаем это с чисто классическими системами все время. Зная начальное положение и скорость шарика рулетки и колеса, можно в принципе точно предсказать, где остановится колесо, но на практике эти вычисления слишком сложны. Вместо этого мы можем считать игру как совершенно случайную и обсуждать результат в терминах вероятности.

Однако, по мере того как стала возникать квантовая механика, становилось ясно, что здесь случайность фундаментальна. Невозможность предсказать результат отдельного квантового эксперимента не считается каким-то техническим сбоем, это неотъемлемое свойство. В квантовой теории, сформулированной Гейзенбергом и Шрёдингером и интерпретированной Бором и Борном вместе с Паули, просто не имеет смысла говорить о специфических свойствах отдельных частиц. Принцип неопределенности Гейзенберга (глава 7) не описывает техническую проблему тем же способом, как мы измеряем положение и момент; он отражает тот факт, что просто невозможно получить точно определенное положение и момент для частицы, которая также имеет волновую природу[265].

Более молодое поколение физиков, Паули, Гейзенберг и их когорта, в основном склонны были принять это как плату за возможность заниматься делом и наслаждались возможностями новой теории точно предсказывать результаты экспериментов, что сбивало с толку физиков. Однако физики постарше были серьезно обеспокоены этим вероятностным характером квантовой физики и взамен искали теорию, которая была бы более детерминистской[266]. Это группа включала некоторых физиков, которые, в первую очередь, способствовали развитию квантовой механики, наиболее известные из них – Эйнштейн и Шрёдингер.

Именно в таком контексте появился мысленный эксперимент Шрёдингера с печально известным котом: он высветил то, что ученый видел как проблему для квантовой теории касательно этой фундаментальной неопределенности. Этот вопрос не отпугнул от дальнейшего развития квантовой механики, и появившиеся в результате аргументы помогли создать новое и продуктивное направление исследований. Возражения Эйнштейна в форме другого мысленного эксперимента, как оказалось, были еще более плодотворны.

Квантовая физика и закон заголовков Беттериджа[267]

В поздние 1920-е годы Эйнштейн провел знаменитую серию споров с Нильсом Бором об интерпретации квантовой физики в ходе Сольвейских конференций в 1927-м и 1930-м годах. Первоначальные споры сфокусировались на принципе неопределенности, который Эйнштейн первоначально отвергал, поскольку это шло вразрез с интуитивным пониманием классической физики. В то время как Эйнштейн постепенно смирился с идеей принципа неопределенности и перешел к более глубоким возражениям, Бор продолжал интерпретировать свои аргументы в том же свете. Большинство их знаменитых доводов – в действительности разговор двух блестящих физиков друг с другом.

Окончательный и наиболее значительный вклад Эйнштейна во все еще продолжающийся спор об основах квантовой механики был сделан в статье, написанной с его более молодыми коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном в 1925 году. Статья «ЭПР[268]» застала врасплох Бора и многих других физиков, кто привык относиться к аргументации Эйнштейна, основанной на вопросах о неопределенности, поскольку она более четко объясняла его главное возражение и указывала на более глубокую проблему с квантовой теорией[269].

Статья называлась «Может ли квантово-механическое описание физической реальности считаться полным?». Есть старая шутка среди журналистов – «Закон заголовков Беттериджа», согласно ему на любую статью, заголовок которой содержит знак вопроса, можно ответить одним словом «нет». Статья «ЭПР» – не исключение: Эйнштейн и его коллеги рассматривали необычную физическую систему, чтобы доказать: квантовая теория в том виде, как она развивалась и интерпретировалась Бором и его коллегами в Копенгагене, не может охватить всю физическую реальность. Так было формально введено понятие «запутанности» в физику[270], и эта концепция с тех пор все время тревожила физиков.

Оригинальная аргументация ЭПР включает положение и момент двух частиц, но доводы более ясные, если их применить к системе с двумя состояниями, подобными спину у электрона. Как мы видели в эксперименте Штерна-Герлаха (глава б), можно использовать магнитное поле, чтобы разделить пучок электронов на две группы: одну – со спином «вверх» (вдоль магнитного поля) и другую – со спином, указывающим «вниз» (противоположно направлено к полю).

Однако ориентация магнита Штерна-Герлаха – это вопрос договоренности: «верх» и «низ» не считаются хорошо определенными направлениями в пространстве, и вы можете прекрасно положить аппарат набок и получить тот же основной результат: половина электронов будет с «левыми спинами», а половина – с «правыми спинами». Если вы начнете со случайным набором электронов и случайно выбранным направлением магнитного поля, вы всегда получите две группы. Если вы выберете одну из групп и повторите измерения, пропустив их через то же самое магнитное поле второй раз, результат останется точно таким же: все электроны со спинами вверх останутся спинами вверх (или спинами влево – останутся спинами влево), и наоборот.

Естественным образом можно продолжить этот эксперимент, взяв одну из двух групп, разделенных магнитом Штерна-Герлаха, скажем, со спинами вверх, и пропустить через второй магнит с другой ориентацией, скажем, лево-право. Когда вы это сделаете, то снова получите две группы, например, половина электронов со спинами вверх окажутся спинами влево, и половина – спинами вправо. То же самое верно, если вы сначала пропустите через магнит, разделяющий лево и право, а потом верх-низ, или любая комбинация двух магнитов, где второй повернут на 90 градусов.

Пока все шло хорошо, но, когда вы добавляете третий магнит, все становится странным. Здравый смысл говорит вам, что, если вы возьмете группу электронов, которая имела спины вверх в первом магните и спины влево во втором, проходя через второй магнит, разделяющий верх и низ, должны все попасть в группу со спинами вверх. В конце концов, они уже прошли измерения и стали электронами со спинами вверх.

Однако ничего похожего не происходит. Электроны, которые были сначала спинами вверх, потом спинами влево, разделятся на две одинаковые группы: половина со спинами вверх и половина со спинами вниз. Каким-то образом процесс измерения этих электронов как лево-спинных стер первоначальный результат со спинами вверх, вернув вас к случайному результату при измерениях «верх-низ»[271].

В математическом описании спина, разработанном Паули, причина этого проста: измерения верх-низ и лево-право спина электрона дополняют друг друга тем же образом, что и измерения положения и момента импульса. Они подчиняются взаимосвязи, подобной принципу неопределенности, и попросту нет смысла говорить о состояниях верх-низ или право-лево для спина электрона, как о точно определенных значениях в тот же момент времени.

Статья ЭПР, однако, использует систему с двумя частицами для аргументации того, что эта квантовая неопределенность не может быть полным описанием реальности. Они представляют состояние двух частиц, чьи индивидуальные состояния неопределенны, но их комбинированное (объединенное) состояние имеет конкретное значение. В рамках системы со спинами это будет означать: мы можем знать, что у двух частиц противоположно направлены спины – один вверх, один вниз, или один налево и другой направо – но не знаем при этом, у какого какой. (Это несложно организовать: вы можете получить такое состояние, например, из реакции, которая разбивает двухатомную молекулу на два атома.) Затем они представили, что эти частицы разделяются на достаточное расстояние перед измерением их индивидуальных свойств.

Эта взаимосвязь означает, что когда ученый, у которого есть частица А (традиционно ее называют «Алиса» в дискуссиях по криптографии), измеряет и дает спин вверх, то можно абсолютно уверенно сказать, что частица Б (которую держит коллега Алисы Боб) будет иметь спин вниз. Они заранее не могут сказать, какая окажется с каким спином, но связь между результатами абсолютно точная, и знание о состоянии одной частицы мгновенно говорит вам о состоянии другой.

Если мы имеем дело с единичным измерением, это не слишком удивительно даже с классической точки зрения. Если я возьму даму пик и бубнового валета из колоды карт, а затем пошлю в запечатанных конвертах в разные места, то когда Алиса откроет ее конверт и обнаружит даму пик, она сразу поймет, что Бобу достался бубновый валет, при этом не важно, в каком месте Боб находится. Случайность в данном случае отражает просто отсутствие знания о состоянии, а не неотъемлемое свойство неопределенности: каждый конверт содержит особую карту все время и проделывает путь через всю почтовую систему. Мы просто не знаем, в каком какая карта.

Однако в случае со спинами мы не ограничиваемся одним измерением, но можем выбирать между двумя дополнительными измерениями – если Алиса выбирает измерения левого и правого спинов, результатом будет левый спин, то это сразу даст абсолютную уверенность, что у Боба есть правый спин. Случайность здесь не просто отсутствие знания в классическом смысле, но, скорее, гораздо более фундаментальная неопределенность. Будто я послал две карты из колоды и, открывая конверт сверху, вытаскивал бы или даму пик или бубнового валета, в то время как открыв колоду с другого конца, обнаружил бы там туза червей или двойку треф. В этом случае мы не только не уверены, какая конкретно карта в каждом конверте, но даже не знаем, каков может быть выбор, пока не откроем конверт.

Как указали Эйнштейн, Подольский и Розен, частицы не могут заранее знать, какого измерения ожидать, разделяющего лево-право или верх-низ, и нет ограничений на время измерения, которые позволили бы посланию дойти от А до Б, чтобы сообщить другой частице, какой результат выбрать. И все же связь между измерениями должна как-то поддерживаться. Для Эйнштейна это обозначало, что все возможные результаты измерений должны быть предопределены заранее, каждая частица несет с собой набор инструкций, какой результат показать после любого конкретного измерения, но такой список результатов идет против идеи квантовой неопределенности: каждая отдельная частица должна иметь определенное состояние все время, при этом результаты измерений определяются некоторой скрытой переменной, еще не описанной в квантовой механике, но потенциально ее было бы можно описать с помощью другой, более глубокой и полной теории.

Единственной альтернативой было бы то, что Эйнштейн насмешливо назвал «spukhafte fernwirkung», «жутким дальнодействием», предполагающим передачу результатов измерений Алисы частице Боба со скоростью, существенно превосходящей скорость света. Такая связь между разделенными большим расстоянием частицами нарушала бы базовые интуитивные представления о пространстве, времени и информации, как описано в теории относительности. Такой вид «нелокальных» взаимодействий создал бы большие проблемы для классической физики: если вы можете посылать информацию быстрее света, то можете даже создать парадоксальную ситуацию, где результат появляется перед его причиной, и Эйнштейн отверг эту идею.

От Эйнштейна к Беллу[272] и затем к Аспе[273]

Статья ЭПР словами одного из близких коллег Бора, Леона Розенфельда, «обрушилась на нас как гром среди ясного неба». Кружок копенгагенских физиков не предвидел такую линию аргументации и напрягался, чтобы понять ее. Бор поспешил выпустить статью в ответ с тем же заголовком: «Может ли квантово-механическое описание физической реальности считаться полным?», но это лишь еще больше замутило воду. Бор не умел хорошо писать и в лучшие времена, а мысленный эксперимент ЭПР просто застал его врасплох.

Со временем ответ объединился в вызов одной из главных предпосылок аргументации ЭПР, а именно, что измерение в точке А делается «без возмущений» для измерений, которые делаются в точке Б. Словами Бора, тот факт, что две частицы являются запутанными в единое квантовое состояние, означает, что измерение Алисы оказывает «влияние на сами условия, которые определяют возможные типы предсказаний касательно будущего поведения» частицы Боба. Согласно Копенгагенской интерпретации, полное квантовое описание реальности содержит внутри все измерения, которые будут или могли быть сделаны в разных, находящихся далеко друг от друга, местах.

Этот подход к запутанности, вообще-то, никого не осчастливил, но ситуация казалась настолько непонятной и искусственной, что большинство физиков не сильно об этом задумались. Квантовая механика демонстрировала такие эффектные успехи по вычислению свойств огромного количества интересных систем, так что большинство физиков сфокусировали свою энергию на этих вычислениях, а не на странном философском диспуте между Эйнштейном и Бором, который никто не мог проверить экспериментально. Оба лагеря пришли к соглашению о том, каковы будут измеряемые результаты эксперимента ЭПР-типа; они были несогласны лишь насчет того, «почему» будут такие результаты – либо результат был бы действительно неопределенным, но запутанным, или определенным заранее за счет скрытых переменных. Взгляд Бора находил дополнительную поддержку в утверждении Джона фон Неймана, что теория «скрытых переменных» была математически невозможна. Фон Нейман, как оказалось, категорически ошибался в этом вопросе, но поскольку он был настолько уважаем, физики, склонявшиеся в пользу Бора, просто приняли его заявление и не проверили вычисления.

Этот мутный философский тупик оставался таковым почти тридцать лет без всяких прорывов. Эйнштейн и Шрёдингер в основном бросили квантовую теорию, перейдя в другие области[274], и квантовая механика продолжала развивать направления, заложенные Бором и его коллегами по Копенгагену. В середине 1960-х годов ирландский физик по имени Джон Белл внимательно рассмотрел аргументацию Эйнштейна, Подольского и Розена и понял, что есть способ экспериментально найти отличия между теориями «локальных скрытых переменных», которые они предпочитали, и ортодоксального квантового объяснения.

Ключ к хитрости, которую придумал Белл, – это попытка посмотреть, что произойдет, когда Алиса и Боб сделают разные изменения. Если два детектора спинов настроены так, чтобы сделать одно и то же измерение, и оба искали либо направленные вверх-вниз, либо оба нацелены на левые-правые, тогда результаты будут просто связанными, и ничего больше с ними нельзя сделать. Однако, если они будут нацелены на различные свойства, скажем, один на вверх-вниз, а другой на лево-право, тогда есть некоторая вероятность получить каждую из возможных комбинаций. Диапазон возможных вероятностей различен для теории локальных скрытых переменных и квантовой механики.

Суть подхода локальных скрытых переменных в том, что каждая частица должна нести с собой ряд инструкций о том, какой результат она должна «показать» для каждого из возможных измерений, которые могут быть над ней произведены. Чтобы привести более конкретный пример, мы можем приписать значения «0» и «1» двум возможным различным результатам (скажем, «1» для спина вверх и «0» для спина вниз), и рассматривать три различных возможных положения (настройки) для угла детектора по отношению к направлению вверх-вниз. (Три варианта для измерения является минимальным числом, что обеспечивает достаточную сложность для иллюстрации теоремы Белла; в действительности существует бесконечное количество возможных выборов, но тут требуется хитрость при вычислениях, чтобы справиться с таким количеством.) Теория скрытых переменных в таком случае допускает, чтобы пары частиц существовали в восьми возможных состояниях, которые мы можем пронумеровать в таблице[275]:

Каждый ряд показывает возможное состояние для пары частиц и измерений, которые будут в результате для каждой настройки детектора. Колонка «А» показывает измерения результатов, сделанных Алисой в каждом из трех вариантов настроек; колонка «Б» отражает измерения, сделанные Бобом. Любая пара запутанных частиц, использованных в эксперименте, должна быть в одном из этих восьми состояний, выбранных случайным образом.

Чтобы понять аргументацию Белла, мы должны представить себя в роли «установщика переменных», выбирая состояние каждой из запутанных пар в попытке согласовать результат с предсказаниями квантовой механики. Мы свободны настраивать вероятность каждого из этих восьми происходящих состояний с одним ограничением, чтобы набор повторяемых измерений любым одиночным детектором при любых установках всегда в результате должен давать 50 процентную вероятность нуля и 50 процентную вероятность 1.

Как вы можете видеть, когда оба детектора имеют одинаковую установку, результаты всегда противоположны, что отражает запутанность между частицами, так что часть работы установщика переменных проста. Однако, как указал Белл, есть более хитрый вопрос, а именно, что произойдет, когда два детектора повернуты на различные углы. Мы хотим, чтобы наш подход со скрытыми переменными совпадал с предсказаниями квантовой теории, какими бы они ни были, так что нам надо выработать максимальную и минимальную вероятность получения противоположных результатов для А и Б для любой пары различных настроек детекторов.

Относительно легко увидеть, как сделать результат с максимальной вероятностью, которая равна 100 процентам: просто надо, чтобы половина запутанных пар находилась в состоянии I и другая половина в состоянии VIII. Для каждого из этих состояний не важно, как Алиса настроит детектор, 1 для нее будет парой с 0 для Боба, и наоборот.

Чтобы получить минимальную вероятность, мы очевидно должны исключить эти два состояния: если вы внимательно посмотрите на оставшиеся шесть, то увидите, что всегда существует ровно два состояния, которые дают противоположные результаты для любой конкретной пары настроек детекторов. Например, если мы используем комбинации A1 и B2, состояния II и IV дадут противоположные результаты; если вместо этого мы выберем А2 и В3, состояния IV и V дадут нужный результат. Если эти шесть состояний одинаково вероятны, поскольку они должны обеспечить шанс 50/50 получения 0 или 1 для каждого отдельного детектора, мы имеем один шанс из трех на получение противоположных результатов.

Вероятность получения противоположных результатов при различных настройках, таким образом, должна простираться от максимума в 100 процентов до минимума в 33 процента. Как установщик переменных, мы можем сделать, чтобы наш источник скрытых локальных переменных совпадал с поведением квантовых запутанных частиц для любого сценария при условии, что вероятность противоположных измерений результатов никогда не будет меньше одного к трем.

Итак, чем является квантовое предсказание, которому должен соответствовать установщик настроек? В квантовой картине измерения не считаются независимыми: можно сказать, что, когда Алиса настраивает свой детектор на вариант А1 и получает в результате 1, частица Боба определенно помещается в состояние 0 для этой настройки детектора. Если запутанные частицы – спины, точная вероятность того, что Боб получит 0 для своей частицы при другой установке детектора, будет тогда зависеть от точного угла между настройками. Если мы знаем, что частица Боба находится в состоянии, которое будет давать результат 0 для угла, соответствующего настройкам А1 у Алисы, то вероятность того, что Боб обнаружит 0 при настройке В2 будет 100 %, если В2 такое же, как и А1, и уменьшается если В2 поворачивается на больший угол от А1. Проработка этих деталей показывает, что вероятность может быть понижена всего лишь до 25 % (при угле 60 градусов между детекторами).

Таким образом, установщик переменных имеет перед собой невыполнимую задачу: для некоторых комбинаций настроек детектора вероятность противоположных измерений, предсказанная квантовой физикой, меньше, чем минимальная вероятность, которая может быть получена при использовании локальных скрытых переменных. Более того, тщательно выполненный эксперимент легко отличит разницу между вероятностью в 25 процентов и в 33 процента, позволив физикам решить спор между Бором и Эйнштейном раз и навсегда.

Конечно, реальность более сложна, чем наша игрушечная модель с восемью состояниями, но такова была аргументация Белла. Он рассматривал гораздо более общий случай и доказал неопровержимую математическую теорему о том, что в любом эксперименте типа ЭПР всегда будет некоторый выбор для настроек детекторов, при котором предсказания, согласно теории скрытых локальных переменных, просто не могут быть сделаны.

Первоначальные статьи Белла про эксперимент ЭПР не привлекли широкого внимания, но вызывали интерес у некоторых физиков, решивших проделать такой эксперимент. Первый тест в середине 1970-х годов был проведен Джоном Клаузером[276], который получил результат, согласующийся с квантовым предсказанием, однако только для слабого статистического взаимодействия. В 1981-1982-х годах молодой французский физик по имени Ален Аспе проделал ряд экспериментов, получил результат, согласуемый с квантовыми ограничениями, и закрыл наиболее очевидные лазейки, какие могли бы позволить теории скрытых локальных переменных имитировать квантовый результат[277]. За последние тридцать пять лет были выполнены множественные дополнительные эксперименты по «тестам Белла», и все они показали одну и ту же вещь: квантовые предсказания корректны. Подход со скрытыми локальными переменными, к которому склонялись Эйнштейн, Подольский и Розен, не может являться правильным описанием нашей квантовой Вселенной.

Квантовая криптография

Для физиков наиболее восхитительной вещью в аргументации ЭПР и теореме Белла является то, что она говорит нам о фундаментальной природе Вселенной. Эти «жуткие» связи между запутанными частицами весьма реальны и подтверждены многочисленными экспериментами. Это означает, что отдаленные точки могут иметь между собой квантовую связь, это кажется противоречащим нашему интуитивному пониманию, что расположенные далеко друг от друга места в действительности отделены друг от друга. Проработка деталей этой фундаментальной не-локальности и того, что не дает ей проявляться более широко, и переворачивает нашу нормальную реальность – это восхитительная тема, которой занимается небольшое, но активное сообщество физиков и философов[278].

В этой книге мы в основном сконцентрировались на том, как аспекты квантовой физики влияют на нашу повседневную, обычную жизнь, и каким бы восхитительным ни было исследование квантовых основ, наверное, наиболее значительное в квантовой запутанности то, что она не присутствует в нашей повседневной реальности. В повседневной жизни мы просто не видим, что запутанность производит очевидные практические эффекты.

Однако есть одно практическое применение квантовой запутанности: использование ее в квантовой криптографии. Вы можете увидеть это, взглянув на сырые данные[279] для любого эксперимента по запутанным частицам: каждое отдельное измерение в точке А будет давать 0 или 1 случайным образом, но ученый, проводящий эти измерения, будет знать с абсолютной уверенностью, что их соотечественник в точке Б, делая те же измерения, получит противоположные значения. Этот процесс позволяет двум людям, находящимся далеко друг от друга, сгенерировать два списка совершенно случайных чисел, при этом они будут абсолютно коррелировать друг с другом. Это как раз то, что нужно для шифровки и расшифровки секретных посланий.

Еще одна хитрость, основанная на экспериментах типа теста Белла, позволяют нашим секретным физикам исключить возможность подслушивания за счет переключения между различными настройками детекторов при измерении их разделяемых совместно частиц. Алиса и Боб совместно обладают большим количеством пар запутанных частиц (о которых мы будем продолжать говорить, как будто это спины электронов), и по мере продвижения вперед по списку они делают случайный выбор, делать ли измерение верх-низ или лево-право. После того, как они сделали все измерения, Алиса открыто показывает Бобу список того, какие измерения она делала для каждого спина – не для значений, а просто было это измерение верх-низ или лево-право. Примерно половину времени Боб будет делать такие же измерения, и их результаты должны быть полностью коррелированы: где у Алисы получилась 1, у Боба получился 0, и наоборот. Если Боб скажет Алисе, какие измерения были одинаковыми – не результат, просто для каких пар были одинаковые настройки у детектора – они получат набор совершенно коррелированных случайных чисел. Если Алиса находит 1 в этой половине данных, то она может сделать вывод, что у Боба там 0, и наоборот. Они могут использовать эти позиции, чтобы создать ключ, который им нужен для шифрования своих посланий.

Случайное переключение между измерениями замедляет скорость, с какой они генерируют биты для своих ключей, но экранирует возможную прослушку. Чтобы получить хотя бы какой-то шанс выкрасть ключ, супервраг Алисы, Ева, должна перехватить одну из запутанных частиц и сделать свои собственные измерения ее состояния перед тем, как переслать Бобу частицу вместо нее. Причем эта частица должна быть в определенном состоянии, отвечающем результатам ее измерений: если она измеряет спин-вверх и получает результат 1, она подготавливает новую частицу в состоянии 1 и посылает ее Бобу. Однако, поскольку Ева не имеет возможности знать, какое измерение будет сделано, она должна выбирать настройки своего детектора тоже случайным образом, и это неизбежно привнесет ошибки. Если Ева сделает измерение верх-низ, когда Алиса и Боб измеряли левоправо, тогда с 50-процентной вероятностью у них получатся две единицы вместо пары 1–0, которую они ожидали.

Попытка Евы перехватить ключ будет вносить ошибки, это означает, что попытка дешифровать послание создаст какие-то бессмысленные символы. Более важно то, что это позволит Алисе и Бобу обнаружить присутствие Евы, они могут измерить гораздо больше пар, чем им нужно для ключа, и затем выбрать некоторые случайные секции из этого списка для проверки, показав друг другу, не какие измерения были сделаны, но каков результат измерений. Если Алиса и Боб обнаружат слишком много случаев, когда корреляция неполная, они будут знать, что Ева старается перехватить их ключ, и могут принять меры для устранения этой угрозы.

Иллюстрация генерирования квантового ключа. Алиса и Боб разделяют запутанные спины, и каждый из них случайным образом решает, будет он измерять спин вверх/спин вниз или спин влево/спин вправо. Когда их выбор измерения совпадает (затененные квадратики), 0 для Алисы означает 1 для Боба, и наоборот. Если они поделятся информацией, какие измерения они делали для каждого спина, и оставят только результаты для спинов, когда они делали одни и те же измерения, то получат связанные между собой списки случайных чисел, какие они могут использовать как криптографический ключ.

На практике, конечно, есть много технических деталей, которые усложняют основной процесс. Квантовые криптографические системы в реальном мире используют поляризованные фотоны в качестве своих запутанных квантовых частиц, и надежно переслать и обнаружить единственный фотон может быть весьма непростой задачей.

Однако это было областью активных исследований с момента первых открытий в 1984 году, и происходит постепенный прогресс. Распределение квантовых ключей с использованием поляризованных фотонов, посылаемых через оптоволокно, было продемонстрировано на расстояниях в несколько сотен километров, и надежность этого процесса позволила создать доступные коммерческие системы.

Китайская команда, упомянутая ранее в главе, также продемонстрировала распределение квантовых ключей между находящейся на Земле лабораторией и спутником на орбите. Осенью 2017 года они провели этот первый «защищенный квантовой шифрацией» международный разговор между Китаем и Австрией через китайский спутник (названный «Микиус[280]» по латинизированному имени китайского ученого V века до нашей эры). По мере прохождения Микиуса над лабораторией в Пекине, они направили лазерные импульсы на спутник для генерации ключа. Через небольшое время, когда спутник проходил над Веной, они повторили этот процесс в венской лаборатории. Получившийся в результате совместный ключ потом использовался для кодировки и декодирования видеосвязи между двумя городами, чтобы открыть конференцию по квантовым исследованиям видеозвонком между Бай Чуньли, президентом Китайской академии наук, и Антоном Цайлингером, президентом Австрийской академии наук.

Пока еще системы квантового распределения ключей не используются широко, но нетрудно представить, учитывая все возрастающую важность онлайн-торговли, что банки и розница однажды будут пользоваться квантовой запутанностью для защиты своих покупок. Конечно, это не гарантирует полную безопасность, есть ведь также и исследовательские группы, которые изучают «квантовый хакинг», изучая хитрости, с помощью них будущие перехватчики информации смогут замаскировать себя и похищать квантовые ключи. Квантовая механика не остановит гонку вооружений между теми, кто стремится сохранить секреты, и теми, кто стремится их украсть; это будет лишь перенос битвы на новую территорию.

Блистательная ошибка

Что Эйнштейн отвернулся от квантовой физики после своей ведущей роли в ее изобретении, долгое время считалось неудачным моментом в его блистательной карьере. Абрахам Пайс[281] в своей магистерской научной биографии Эйнштейна, начинавшейся словами «Неуловим Господь…», лишь слегка затрагивает ЭПР статью, рассматривая ее как краткий и неудачный эпизод из поздних лет карьеры Эйнштейна.

Ирония в том, что книга Пайса была опубликована в 1982 году, именно в том году, когда третий эксперимент Алена Аспе с использованием запутанных фотонов был опубликован, что рассматривается всеми как одна из лучших реализаций сценария ЭПР. Этот эксперимент показал весьма убедительно, благодаря работе Джона Белла, что квантовые запутанные частицы связаны таким образом, что он просто не может быть объяснен теориями типа скрытых локальных переменных, которые бы удовлетворили Эйнштейна. С того времени значение статьи ЭПР невероятно выросло. Анализ 2005 года показал, что статья ЭПР цитировалась всего 36 раз до 1980 года, но 456 раз между 1980-м и 2005-м. В конце 2017 года онлайн-статьи цитировали ее более чем 5900 раз.

В конце концов представленные Эйнштейном, Подольским и Розеном аргументы оказались неверными, но нетривиальными. В действительности, это была блистательная ошибка, она пролила свет на странный и тревожащий аспект квантовой физики, который ранее не рассматривался. Выяснение, как и почему такой очевидный подход с точки зрения здравого смысла к физике терпит неудачу, породило огромный прогресс как в философии физики, так и в технологии, которая использовалась для исследования фундаментальной странности квантовой запутанности.

В этом смысле статья ЭПР не является неудачным моментом в карьере Эйнштейна и в квантовой физике, но подходящим для нее окончанием. Он помог запустить это направление в 1905 году смелым заявлением, что свет может быть частицей, и впечатляющее введение запутанности тридцатью годами позже было таким же смелым ударом, хотя и в противоположном направлении. Каждая из этих статей своим собственным путем трансформировала наше понимание Вселенной, показывая глубокую странность, какая существует в основании нашей обычной, повседневной реальности.

Заключение

Мы начали книгу с наблюдения того, что большинство людей связывают с физикой экстремальных и экзотических явлений: странных частиц, которые ведут мимолетное существование в гигантских ускорителях частиц; неожиданное создание материи и самого пространства-времени в Большом взрыве; загадочной судьбе гигантских звезд, что коллапсируют, создавая черные дыры. Они происходят в масштабах, воспламеняющих воображение с такими результатами, какими отрицают наше повседневное понимание, как должен быть устроен мир.

Мы увидели в этой книге те же физические принципы, что действуют в этих экстраординарных сценариях, но они влияют и на нашу обычную, повседневную жизнь, начиная с подъема с кровати и приготовления завтрака перед уходом на работу. Даже основной факт нашего существования как стабильных твердых объектов требует квантовой теории для своего объяснения: если бы не спины электронов и принцип запрета Паули, любая попытка создать макроскопический объект заканчивалась бы катастрофическим обрушением материи внутрь себя самой. Все, что мы делаем, независимо от того, насколько это тривиально и обыденно, в конце концов берет свое начало в квантовой физике.

Я надеюсь, что эта книга сделала понятным, что эта связь двухсторонняя: экзотическая квантовая физика, в конце концов, скрыта в весьма обыденных явлениях, влияющих на поведение повседневных предметов. Все это началось с обманчиво простого вопроса: «Почему горячие предметы светятся именно таким цветом?» Изменение света, исходящего от нагретого предмета, настолько обычно, будь это электрический тостер, накаленная лампочка или само Солнце, и мы почти забываем, что это явление вообще требует объяснения. Благодаря любопытству спектроскопистов XIX века, которые решили тщательно изучить цвет, и смелому и отважному трюку Макса Планка, мы были выведены на путь к самым странным и наиболее влиятельным теориям в физике.

Однако физики не перескакивали на странные, противоречащие нашей интуиции теории в один прыжок; скорее, нас неизбежно влекло туда цепочкой рассуждений, каждый шаг начинался с явления, которое было легко наблюдать в относительно ничем не примечательных обстоятельствах. Планк ввел квантовую гипотезу для объяснения излучения черного тела, затем Альберт Эйнштейн использовал эту идею для объяснения фотоэлектрического эффекта, что привело к статистике фотонов и затем к лазерам. Мария Кюри углубилась в радиоактивность, а Эрнест Резерфорд использовал это для обнаружения ядер атомов, что привело Нильса Бора к введению дискретных атомных состояний, а это уже – к сверхточному измерению атомного времени. Дмитрий Менделеев ввел Периодическую таблицу, что привело к идее электронных оболочек, после чего Вольфганг Паули ввел принцип запрета, это оказалось ключевым практически для всего.

История квантовой физики – это не история людей, витавших в фантастических идеях, которые могут быть применимы лишь в малоправдоподобных ситуациях; в ее основе лежит любопытство, ведущее вперед с целеустремленностью и жесткой логикой, а также немалым количеством смелости. Ключевые шаги в этой истории включают смелые и ошеломляющие предположения Планка, Эйнштейна, Бора, Луи де Бройля и других. Их идеи легко могли бы быть (а иногда так и случалось) отвергнуты как просто безумные, но они выдерживали невероятно точные экспериментальные проверки.

Итак, связь между квантовой физикой и повседневной жизнью взаимна. Мирный завтрак в будний день был бы невозможен без квантовой физики, и квантовая физика была бы невозможна без ученых, которые смотрели на свечение горячего предмета или притяжение двух магнитов и говорили: «Я удивляюсь, почему так происходит?»

Я надеюсь, что в итоге вы вынесли урок из обеих сторон этой связи. Я надеюсь, что обсуждение физики, что лежит в основе обычной реальности, вдохновит вас взглянуть чуть более внимательно на повседневную жизнь и ценить ее корни, уходящие в ошеломляющую и экзотическую физику. Я надеюсь, что истории о развитии квантовой теории вдохновят вас проследовать за вашим любопытством, задавать вопросы о мире вокруг вас, относиться к этим вопросам серьезно и следовать им, куда бы они вас ни привели. В большинстве случаев это оказывается где-то в совершенно восхитительном месте.

Благодарности

Обычно при издании книги на обложке помещают только одно имя, но требуется невероятное количество людей, чьи коллективные усилия потребовались, чтобы получить конечный продукт, и кого надо поблагодарит за нее. В случае с этой книгой список начинается с моего агента, Эрин Хосье, за то, что она нашла, где книга будет востребована.

Несколько из идей этой книги прошли «пробный забег» в моем блоге на Форбсе; благодарю Алекса Кнаппа за возможность писать этот блог. Некоторые из деликатных моментов были также прояснены благодаря дискуссиям с другими учеными, в частности, с Эшем Йогалекаром, Нейлией Мэнн, Дугом Натэльсоном, Михаилом Нильсеном, Дэйвом Филипсом, Томом Свенсоном и Марком Уолкером. Эта книга стала более точной, чем была бы без них; все оставшиеся ошибки – моя вина, а не их.

Спасибо моим издателям, Алексе Стевенсон из BenBell и Сэму Картеру из Oneworld за помощь в уточнении аргументации, а также копи-редакторам Скотту Каламару и Джеймсу Фрайлю за видимость, что я знаю грамматику и пунктуацию. Спасибо Джессике Рик и всей остальной выпускающей команде за то, что окончательный продукт выглядит отлично.

Это моя четвертая книга, и некоторым образом она была самая сложная для написания. Бесконечная благодарность моей семье, без поддержки которой ничего из этого не было бы возможным. Я отдельно хочу поблагодарить Кейт Непвью за терпеливое прослушивание, чтение черновых вариантов, подстраивание под мой непредсказуемый рабочий график и привычку отвлекаться. Спасибо Клэр и Дэвиду за то, что они давали отличный повод иногда отвлечься от компьютера.

Об авторе

Чад Орцель работает профессором в Юнион-колледже, Нью-Йорк, автор трех книг: How to Teach Quantum Physics to Your Dog (2009), How to Teach Relativity to Your Dog (2012), где объясняется современная физика через воображаемые разговоры с Эмми, его немецкой овчаркой, и Eureka: Discovering Your Inner Scientist (2014) о роли научного мышления в повседневной жизни.

Чад Орцель имеет степени бакалавра в области физики и доктора наук в области химической физики. Он защитил диссертацию по исследованию столкновений атомов с лазерным охлаждением в Национальном институте стандартов и технологий, в лаборатории Билла Филлипса, лауреата Нобелевской премии по физике 1997 года (быловесело провести время в этой группе).

Автор ведет блог о науке с 2002 года на собственном сайте scienceblogs.com и совсем недавно для Forbes.

Чад Орцель живет в Нью-Йорке, женат на Кейт Непвью, они имеют двух детей, Клэр и Дэвида, и собаку Чарли.

Примечания

1

Ш р ё д и н г е р, Эрвин Рудольф Йозеф Александр (1887–1961) – австрийский физик-теоретик, один из создателей квантовой физики. Лауреат Нобелевской премии (1933). Ученый описал мысленный эксперимент с котом в 1935 г., согласно которому, когда мы не наблюдаем за системой, ядро атома (следовательно, и кот) находится в двух состояниях одновременно. – Прим. ред.

2

Встречаются три термина, примерно в равных количествах: спутанный, запутанный и связный (о взаимодействии этого типа). – Прим. пер.

3

П л а н к, Макс Карл Эрнст (1858–1947) – немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики. Лауреат Нобелевской премии (1918). – Прим. пер.

4

Б о р, Нильс Хенрик Дэвид (1885–1962) – датский физик-теоретик, общественный деятель. Лауреат Нобелевской премии (1922). Известен как создатель первой квантовой теории атома. – Прим. пер.

5

Б р о й л ь, Луи де (1892–1987) – французский физик-теоретик, один из основоположников квантовой физики. Лауреат Нобелевской премии (1929). – Прим. пер.

6

П а у л и, Вольфганг Эрнст (1900–1958) – швейцарский физик-теоретик, работал в области физики элементарных частиц и квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии (1945). – Прим. пер.

7

Up – верхний, down – нижний, strange – странный, charm – очарованный, top – истинный, bottom – прелестный (англ.). – Прим. пер.

8

При описаниях стандартных терминов, например, названий частиц или взаимодействий, приводятся устоявшиеся в российской научной литературе термины и определения, если это не искажает смысл, вложенный автором. Так, «электромагнетизм» переводится как электромагнитное взаимодействие, а «слабое ядерное взаимодействие» – просто как «слабое». – Прим. пер.

9

Для более полного и понятного обзора физических процессов в рамках Стандартной модели я рекомендую книгу: Robert Oester. The Theory of Almost Everything, 2006 год; а историческое развитие детально описано в работе: Frank Close. The Infinity Puzzle, 2013. -Прим. авт.

10

С т е в и н, Симон (1548–1620) – фламандский математик, механик, инженер. – Прим. ред.

11

Звезда на завершающей стадии своего формирования, вплоть до момента загорания термоядерных реакций в ядре, после которого она становится звездой главной последовательности. – Прим. ред.

12

Чтобы дать представление о масштабах, атом водорода при комнатной температуре движется примерно со скоростью 600 метров в секунду (около двух скоростей звука), в то время как у поверхности Солнца его скорость составляет 3000 метров в секунду. – Прим. авт.

13

Устройство, изобретенное М. Фарадеем в 1936 г., для экранирования аппаратуры от внешних электромагнитных полей. – Прим. ред.

14

М а к с в е л л, Джеймс Клерк (1831–1879) – шотландский физик, математик и механик. – Прим. ред.

15

Система уравнений, описывавших электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах. – Прим. ред.

16

Ваши волосы остаются, соответственно, с положительным зарядом, поэтому этот трюк заставит тонкие волосы встать дыбом. Теперь уже позитивно заряженные волосы отталкивают друг друга и пытаются отдалиться друг от друга, насколько это возможно. – Прим. авт.

17

Один кельвин равен одному градусу Цельсия, но шкала Кельвина не имеет отрицательных чисел и начинается от абсолютного нуля (температуры, при которой молекулярная активность минимальна). Вода замерзает при 0 градусов по Цельсию, что около 273 градусов Кельвина. – Прим. авт.

18

В российской традиции применяются оба термина, «бесцветная» и «белая» частица – частица с нулевым цветным зарядом. – Прим. пер.

19

Электроны также движутся быстрее, но на таких высоких скоростях, что прирост скорости не дает сильной разницы. Их единственная роль в плазме внутри звезды – обеспечить «размазанный» фон отрицательного заряда, сохраняя всю звезду электрически нейтральной. – Прим. авт.

20

Единицы измерения основаны на энергии, содержащейся согласно уравнению Е= mc^2: масса верхнего кварка в 2/3 MeV/C^2 показывает, что превращение верхнего кварка в энергию высвободит 2.3 миллиона электронвольт энергии (в обычных условиях это происходит, когда верхний кварк аннигилирует со своей противоположностью из мира антиматерии, высвобождая два фотона, каждый с 2.3 MeV энергией). Если посмотреть с другой стороны, требуется 2.3 MeV энергии соударения для создания верхнего кварка в ускорителе частиц (или, с более практической точки зрения, 4.6 MeV для создания кварка и антикварка как пары). – Прим. авт.

21

Если вы детально рассмотрите процесс слияния атомов водорода, он окажется довольно сложным, с множеством возможных промежуточных путей, включающих взаимодействие с дополнительными частицами и временным формированием нестабильных элементов. Если же рисовать картину крупными мазками, единственное, что имеет значение – это разница в энергиях между начальным состоянием (четыре свободных протона) и конечным состоянием (ядро гелия). – Прим. авт.

22

Наша лучшая теория гравитации – общая теория относительности, она описывает влияние гравитации в терминах искривления пространства и времени, которые гладкие и протяженные. Другие три силы описываются квантовыми теориями, которые включают отдельные частицы и неожиданные случайные отклонения. Математические техники, применяемые к одной теории, не так-то легко применить к другим, и проблема найти способ сочетать их, чтобы создать квантовую теорию гравитации, доводит физиков-теоретиков до исступления в течение десятилетий. К счастью для нас, ситуации, где вам нужна сразу и квантовая физика, и общая теория относительности, очень редки – недалеко от центра черной дыры или во времена начала Вселенной, то есть это не то, что вы видите во время своего утреннего моциона. – Прим. авт.

23

К оу э н, Клайд Лоррейн (1919–1974) – американский физик-теоретик, со-первооткрыватель нейтрино вместе с Фредериком Райнесом. – Прим. ред.

24

Р а й н е с, Фредерик (1918–1998) – американский физик, профессор. Лауреат Нобелевской премии (1995). – Прим. ред

25

Райнес разделил Нобелевскую премию по физике с Коуэном, который умер в 1974 г., а эта премия не присуждается посмертно. Две других Нобелевских премии были даны за работы с детекторами нейтрино Реймонду Дейвису-младшему и Масатоси Косибе в 2002 г., а также Такааки Кадзите и Артуру Б. Макдональду в 2015-м. – Прим. ред.

26

В ходе этого процесса протон также должен либо испустить позитрон (эквивалент электрона в области антиматерии), либо поглотить один из огромного количества электронов, оставшихся от изначального газа, присутствующего в Солнце. Любой из излученных позитронов будет быстро аннигилировать с одним из упомянутых электронов, так что конечный результат для внешнего наблюдателя будет следующим: один протон и один электрон исчезли, оставив один нейтрон и одно нейтрино вместо себя. – Прим. авт.

27

То, что энергии при ядерном слиянии становится все меньше при переходе к более тяжелым элементам, может быть понято в терминах энергии сильного взаимодействия, выступающей в форме массы: энергия требуется для того, чтобы держать двенадцать кварков вместе в ядре гелия, оно существенно меньше чем та, что нужна для четырех отдельных, не связанных между собой протонов. Но по мере увеличения количества частиц прирост энергии уменьшается. Это немного похоже на организационную эффективность группы людей: два человека, которые совместно пользуются помещением, платят за него дешевле, чем один, но добавление соседей по комнате экономит деньги лишь до определенного момента. Расходы на обустройство шестого соседа по комнате могут превысить экономию на квартплате. Таким же образом, энергия, полученная за счет добавления новых частиц к большому ядру, недостаточно велика. – Прим. авт.

28

Эти опыты можно делать, только если оба предмета достаточно плотные, чтобы пренебречь силой сопротивления воздуха. Если вы будете бросать вниз скрепку для бумаги и перо, скрепка будет падать быстро, в то время как перо будет опускаться на землю медленно. Сила гравитации, действующая на них, одинакова, в вакууме они достигли бы земли одновременно, как это было театрально продемонстрировано командиром Дэйвом Скоттом во время миссии «Аполлона-15» на Луну. – Прим. авт.

29

Ю н г, Томас (1773–1829) – английский ученый широкого профиля: физик, механик, врач, астроном, филолог, востоковед. – Прим. ред.

30

Если вы хотите увидеть это сами, то должны сделать две тонкие прорези на кусочке алюминиевой фольги и осветить их с помощью лазерной указки. Другое явление, также очень тесно связанное с этим опытом, еще проще увидеть: если вы поставите прядь волос на пути лазерной указки, световые волны обогнут отдельные волосинки с разных сторон, сложатся и создадут образ (паттерн) из множества пятен. – Прим. авт.

31

Один нанометр равен 10-9 метра, или 0.000000001 м. – Прим. авт.

32

Ф р а у н г о ф е р, Йозеф фон (1787–1826) – немецкий физик-оптик. – Прим. ред.

33

П у а с с о н, Симеон Дени (1781–1840) – французский математик, механик, физик. – Прим. ред.

34

А р а г о, Доминик Франсуа Жан (1786–1853) – французский физик, астроном и политический деятель. – Прим. ред.

35

В русской традиции называется также «пятно Араго-Пуассона». – Прим. пер.

36

Соотношение длины волны или частоты света по отношению к цвету, который ощущает при этом человек, считается непростой задачей, в частности, поскольку приходится иметь дело со светом множества разных частот. Смешения цветов, которые дети изучают в начальной школе, – пример этого: смесь красного света (с длиной волны около 650 нм) и синего цвета (около 490 нм) будет производить такое же впечатление на глаза и мозг, как фиолетовый цвет (около 405 нм), даже если фиолетового света там нет. – Прим. авт.

37

Автор обрисовывает лишь часть проблемы, поскольку восприятие цвета зависит также от механизмов работы мозга, которые еще более сложные. В частности, свет одной и той же длины волны может восприниматься как разный цвет при различных условиях, поскольку шкала соотношения длины волны и воспринимаемого цвета сознанием может существенно изменяться от настроек мозга, определяемых так называемым «нуль-цветом», который примерно равен средней длине волны по сумме всех световых волн, попадающих на рецепторы сетчатки. – Прим. пер.

38

В русской традиции вещество, передающее тепло, из истории физики называется термином «теплород». – Прим. ред.

39

Т о м n с о н, Бенджамин (1783–1814) – англо-американский ученый, изобретатель, авантюрист, государственный и общественный деятель ряда стран. – Прим. ред.

40

Д ж о у л ь, Джеймс Прескотт (1818–1889) – английский физик, внес значительный вклад в становление термодинамики. – Прим. ред.

41

К л а у з и у с, Рудольф Юлиус Эммануил (1822–1888) – немецкий физик, механик, математик. – Прим. ред.

42

Да, тот самый Максвелл, который работал над электромагнетизмом. Физики в Европе в 1800-х гг. составляли небольшое сообщество, а Максвелл был реально умным ученым. – Прим. авт.

43

При высоких температурах, во всяком случае. При очень низких температурах и для некоторых очень твердых материалов кинетическая теория Максвелла-Больцмана перестает быть верной. Эти аномалии были еще одной подсказкой для физиков и сыграют роль в расцвете квантовой механики в начале 1900-х гг. – Прим. авт.

44

В и н, Вильгельм Карл Вернер (1864–1928) – немецкий физик. Лауреат Нобелевской премии (1911) «за открытие в области законов, управляющих тепловым излучением». – Прим. ред.

45

С т р е т т, Джон Уильям, более известный как Лорд Рэйли (1841–1919) – британский физик и механик, открывший (с У. Рамзаем) газ аргон и получивший за это Нобелевскую премию (1904). – Прим. ред.

46

Б о л ь ц м а н, Людвиг (1844–1906) – австрийский физик-теоретик, основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории. – Прим. ред.

47

Бессмертные слова рок-музыканта Найджела Тафнелл в его шуточном фильме «Это Позвоночник»:

– Ну, разве это может быть еще чернее?

– Нет. Чернее некуда. – Прим. авт.

48

Известные немецкие экспериментаторы Отто Люммер и Фердинанд Курльбаум. – Прим. авт.

49

Может показаться, что это присуще только конкретной «коробке», но если коробка очень велика по сравнению с длиной волн, попадающих внутрь, есть хорошо разработанные математические техники для выравнивания всего этого, чтобы получить ответ, который не зависит от размера конкретной коробки. – Прим. авт.

50

Термин «гармоника» также имеет соответствующий аналог «тон» в русском варианте. – Прим. пер.

51

Г а р с и я, Джерри Джон (1942–1995) – американский музыкант, гитарист, вокалист группы Grateful! Dead, основоположник психоделического рока на западном побережье США. – Прим. ред.

52

Х е н д р и к с, Джими (1942–1970) – американский гитарист-виртуоз, певец и композитор. – Прим. ред.

53

Надо признать, что существует бесконечное количество этих мод, поэтому физики и изобрели исчисление (дифференцирование и интегрирование). – Прим. авт.

54

Эта фраза была придумана австрийским физиком Паулем Эренфестом в 1911-м по отношению к модели Рэйли-Джинса 1905 года и составило бы отличное название для рок-группы. – Прим. авт.

55

Совместно с термином «осциллятор», что означает «колеблющаяся частица», в российской науке может употребляться также термин «резонатор». – Прим. пер.

56

Чаще постоянную Планка записывают в виде: Н=6.626070040 × 10-34 кг-метр^2 /секунда. – Прим. авт.

57

Человеческое восприятие делает язык, используемый при описании цветов и температур, несколько запутанным: красный свет традиционно называют «теплым», даже если он относится к низкотемпературному источнику света, в то время как синеватый цвет называется «холодным». – Прим. авт.

58

Г е р ц, Генрих Рудольф (1857–1894) – немецкий физик, экспериментально подтвердил электромагнитную теорию Дж. Максвелла, доказал существование электромагнитных волн. – Прим. ред.

59

После пяти лет своих инновационных экспериментов по электромагнитному излучению Герц умер от заболевания сосудистой системы в возрасте всего тридцати шести лет – трагическая потеря для физики. – Прим. авт.

60

Эвристический алгоритм (эвристика) – алгоритм решения задачи, включающий практический метод, не являющийся гарантированно точным или оптимальным, но достаточный для решения поставленной задачи. Позволяет ускорить решение задачи в тех случаях, когда точное решение не может быть найдено. – Прим. пер.

61

Говоря здесь о параметрах волны, автор употребляет слово «размер», однако речь идет конкретно об амплитуде, иначе смысл становится несколько непонятным. «Интенсивность» волны, о которой он говорит, является количеством переносимой энергии: она тем больше, чем больше амплитуда. – Прим. пер.

62

Минимальная энергия, требуемая для испускания электрона с поверхности, называется работой выхода. Она различна для разных материалов и как раз и является той «характерной для материала» энергией, о которой говорит автор. – Прим. пер.

63

М и л л и к е н, Роберт Эндрюс (1868–1953) – американский физик, лауреат Нобелевской премии (1923) за работы в области фотоэлектрического эффекта. Впоследствии занимался изучением космических лучей. – Прим. ред.

64

Как было принято в ту эпоху, Милликен упоминается как единственный автор этой статьи. Его благодарности, однако, делают ясным, что работала группа ученых. Он благодарит А.Е. Хеннингса и У.Х. Кадиша за помощь в экспериментах и Уолтера Уитни за спектроскопические измерения для определения световых волн. Они внесли свой вклад, который по современным стандартам оценивался бы как авторство. Милликен также довольно щедро благодарит «механика, мистера Юлия Пирсона за помощь в конструировании и создании вакуумной стеклянной трубки, использованной в эксперименте». – Прим. авт.

65

В 1960-е годы Леонард Мандел и его коллеги разработали «полуклассическую» модель фотоэлектрического эффекта, в котором металлическая поверхность рассматривалась с квантово-механической точки зрения, но свет считался классической волной. В 1977-м эксперимент Джеффа Кимбле, Марио Дагенаса и Мандела продемонстрировал отчетливую задержку между испусканием последовательных фотонов отдельными атомами. Этот эффект может быть объяснен только с точки зрения корпускулярной модели. – Прим. авт.

66

Это произошло в результате скучной и мелкой академической политики. – Прим. авт.

67

Поскольку электрон – частица вещества, имеющая массу и заряд, взаимодействуя с поверхностью, он доставляет энергию материалу более эффективно, чем делает не имеющий массы фотон. – Прим. авт.

68

В более старых камерах, типа CCD (прибор с зарядовой связью), электроны собираются в каждом пикселе и после окончания экспозиции сдвигаются вдоль рядов пикселей к сенсору в конце микросхемы. Сенсоры, типа CMOS (комплементарный металло-оксидный проводник), на камерах современного типа включают в себя небольшой усилитель, связанный с каждым пикселем, и напрямую производят сигнал напряжения, который считывается для построения образа. – Прим. авт.

Современные CMOS камеры, по сравнению с CCD-матрицами, не имеют проблем с накоплением шумов, которые увеличиваются при сдвиге зарядов вдоль ряда пикселей. Каждый пиксель передает свой заряд датчику напрямую, поэтому качество изображения существенно выше. – Прим. пер.

69

Один пиксель в смартфоне автора равен 0.56 ангстрема, в камере – 0.6 ангстрема (10 -7 мм), т. е. сравнимые величины. – Прим. пер.

70

Автор несколько упрощает процесс работы клеток мозга и мозга в целом по синтезу изображений, однако это упрощение неизбежно, иначе пришлось бы описывать специализированные клетки, дающие только черно-белый отклик, системы специализации на вертикальных или горизонтальных линиях, контуры движения, системы «закрашивания» фонов, пороговую систему определения цветов и т. д. – Прим. пер.

71

Культовое сооружение, коридорная гробница, входящая в комплекс Бруна-Бойн. – Прим. ред.

72

Автор политкорректно использует относительно новый термин BCE – before common era, или «до нашей эры». Термин пришел на смену принятому ранее исчислению от BC- before Christ – «до Христа», а также AD – anno Domini – «год рождения Бога». Но с точки зрения исчисления времени это один и тот же год. – Прим. пер.

73

Из-за того, что скорость света различна в разных средах, длина волны света будет меняться по мере перехода из одной среды в другую, из воздуха в стекло, например, в то время как частота колебаний остается одной и той же. – Прим. авт.

74

В о л л а с т о н, Уильям Хайд (1766–1828) – английский ученый, который открыл палладий (1803) и родий (1804), впервые получил в чистом виде платину (1803). Открыл независимо от И. Риттера ультрафиолетовое излучение (1802). – Прим. ред.

75

Последовательность для мнемонического запоминания, по звуку Roy G. Biv, которую запоминают англоязычные дети, и обозначающее цвета радуги – red, orange, yellow, green, blue, indigo, violet – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. В русском языке есть ряд аналогов: «Как Однажды Жадный Звонарь Головой Сломал Фонарь» или более известное – «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан». – Прим. пер.

76

Т а л ь б о т, Уильям Генри Фокс (1800–1877) – английский физик и химик, один из изобретателей фотографии. – Прим. ред.

77

Г е р ш е л ь, Джон Фредерик (1792–1871) – английский полимат, математик, астроном, химик, изобретатель и экспериментальный фотограф. – Прим. ред.

78

К и р × г о ф, Густав Роберт (1824–1887) – немецкий ученый, один из самых выдающихся физиков XIX в. – Прим. ред.

79

Б у н з е н, Роберт Вильгельм (1811–1899) – немецкий химик-экспериментатор. – Прим. ред.

80

Л а й м а н, Теодор (1874–1854) – американский физик и спектроскопист, сделал важные исследования на длинных волнах вакуумного ультрафиолета. – Прим. ред.

81

П а ш е н, Луис Карл Генрих (1865–1947) – немецкий физик-экспериментатор, его спектрологические работы сыграли большую роль в развитии квантовой физики. – Прим. ред.

82

Р е з е р ф о р д, Эрнест (1871–1937) – британский физик, известен как «отец» ядерной физики. Лауреат Нобелевской премии (1908). – Прим. ред.

83

Г е й г е р, Ханс Вильгельм (1882–1945) – немецкий физик, первым создал детектор альфа-частиц. – Прим. ред.

84

Существует очень много равнозначных принятых терминов для обозначения этого понятия, например: момент импульса (кинетический момент, угловой момент, орбитальный момент, момент количества движения – но обозначают они одно и то же понятие – векторное произведение радиус-вектора вращающейся точки и ее импульса – Прим. пер.

85

Это количество используется так часто в математике для квантовой физики, что получило собственное обозначение, ℏ = h⁄2 π ≈ 1.055 × 10–34 J-s (джоулей-секунд), которое физики обычно называют уменьшенная (редуцированная) постоянная планка или h-bar. – Прим. авт.

86

Сейчас это известно как «Радиус Бора» в его честь со значением в 0.0000000000529 метра. Атомные физики регулярно спорят о расстояниях, вовлеченных в атомные и молекулярные взаимодействия, в терминах множителей радиуса Бора. – Прим. авт.

87

Разрыв между энергиями соседних орбит уменьшается по мере увеличения энергии, поэтому для очень больших значений n они начинают сливаться, но высокоточная спектроскопия использовалась для изучения свойств «атомов Ридберга» со значениями около сотен. – Прим. авт.

88

З о м м е р ф е л ь д, Арнольд Иоганнес Вильгельм (1868–1951) – немецкий физик-теоретик, математик, обобщил теорию Бора и объяснил тонкую структуру спектров водородного атома. – Прим. ред.

89

Это известно как «старая квантовая теория». Мы больше поговорим об атоме Бора-Зоммерфельда, и как он был заменен современной квантовой теорией в следующих главах. – Прим. авт.

90

Обсуждаемые состояния не считаются различными орбитами в том смысле, как Бор их изначально представлял, но «сверхтонкие» состояния с расщеплением энергии в зависимости от собственного «спина» (направления вращения. – Прим. пер.) электрона, свойства, которое не было открыто до 1922 года. Основная концепция остается той же: частота света зависит от разницы энергий между двумя состояниями точно так же, как это описывал Бор. – Прим. авт.

91

Р а м з е й, Норман Фостер (1915–2001) – американский физик, лауреат Нобелевской премии (1989). – Прим. ред.

92

Это может слегка вводить в заблуждение, поскольку термин «ширина полосы пропускания» также используется в коммуникационных технологиях для описания диапазона частот, которые могут быть успешно пропущены через тот или иной канал. – Прим. авт.

93

Более старые источники часто используют выражение «слов в секунду», но это слегка двусмысленный термин, поскольку слова бывают очень разной длины. Современный метод измерения информации в терминах 0 или 1, как бинарный бит, был разработан американским инженером Клодом Шенноном в 1940-х гг. и гораздо более надежен. – Прим. авт.

94

Слово «повторитель» тоже возможно, поскольку это точная калька слова «ретранслятор», но термин «ретранслятор» наиболее широко принят в инженерной среде относительно любых усилителей сигнала в кабельных сетях различных типов. – Прим. пер.

95

Можно представить сердцевину дерева и кору – разные по плотности и структуре, но из одного материала, так и фибер-оптика: «сердцевина» из одного типа стекла, «кора» – из другого. – Прим. пер.

96

Здесь используется принцип полного внутреннего отражения света от границ разных сред при углах меньше определенных для данных сред. Стекла с разным показателем преломления могут считаться такими разными средами, поэтому свет, «ударяясь» о границу между разными типами стекла, полностью отражается и не выходит наружу, т. е. распространяется без потерь. Для этого свет должен всегда «падать» на границу в пределах так называемого угла полного отражения. Это достигается конструктивно за счет соотношения диаметра «сердцевины» и коры. При этом плотность «сердцевины» всегда должна быть больше плотности «коры» или «обкладки». Закон открыл голландский физик Виллеброрд Снеллиус, но не обнародовал его, затем французский философ и математик Рене Декарт, обнаруживший его записи, опубликовал их в своих «Началах философии». – Прим. пер.

97

В российской терминологии применяются два обозначения: ОТО – общая теория относительности и СТО – специальная теория относительности. – Прим. пер.

98

Г р о с с м а н, Марсель (1878–1936) – швейцарский математик, друг А. Эйнштейна и соавтор его первых работ по общей теории относительности. – Прим. ред.

99

Г и л б е р т, Дэвид (1862–1943) – немецкий математик-универсал, был признанным мировым лидером математики своего времени. – Прим. ред.

100

Автор здесь не употребляет слова «простая» по отношению к модели, но из контекста термин basic имеет двойной смысл: настолько базовая, что простая. – Прим. пер.

101

Четвертая возможная ситуация могла бы рассматривать один низкоэнергетический атом, спонтанно изменяющий состояние в отсутствие света, однако это невозможно, поскольку нарушает закон сохранения энергии. – Прим. авт.

102

Применяются термины «вынужденное» или «индуцированное» излучение для этого процесса в российской терминологии. – Прим. пер.

103

В то время как идея, что атомы должны спонтанно излучать свет и переходить на нижние уровни состояний, уже достаточно хорошо укоренилась, но оказалось, что эти процессы очень трудно и непросто объяснить математически. Полное понимание того, почему происходит спонтанное излучение, требует полной теории квантовой механики. Если говорить упрощенно, излучение запускается энергией, существующей в пустом пространстве. Это не было объяснено еще в течение пары десятков лет. Эйнштейн попросту взял спонтанное излучение света из возбужденных атомов как эмпирический факт. – Прим. авт.

104

Такой метод остановки качелей гораздо менее популярен с настоящими детьми на настоящих качелях, чем как мысленный эксперимент. – Прим. авт.

105

К о м n т о н, Артур Холли (1892–1962) – американский физик, лауреат Нобелевской премии (1927). – Прим. ред.

106

Последующие работы показали, что возможно объяснить эффект Комптона с помощью наполовину классической модели света как волны, но картина фотона при этом будет гораздо проще. Существование фотонов как реальных частиц было неопровержимо показано в эксперименте 1977 года, у которого нет классических аналогов. – Прим. авт.

107

В 1997 году Нобелевскую премию по физике получили Стивен Чу из Стэнфорда (позже он работал секретарем по энергетике в администрации Обамы), Клод Коэн-Таннуджи из Высшей нормальной школы в Париже и Уильям Филипс из Национального института стандартов и технологии в Мэрилэнде, куратор по моей докторской диссертации. – Прим. авт.

108

Эта зависимость не абсолютна, так как есть и другие эффекты, которые могут привести к очень длительному времени существования даже для состояний, при которых излучается видимый свет. Но, опять-таки, полное объяснение времени жизни состояний частицы стало возможным только после того, как была создана полная квантовая механика. – Прим. авт.

109

Т а у н с, Чарлз Хард (1915–2015) – американский физик, лауреат Нобелевской премии (1964). – Прим. ред.

110

Л э м б, Уильям Юджин (1913–2008) – американский физик, лауреат Нобелевской премии (1955). – Прим. ред.

111

Не путать с Эрнестом Резерфордом – его фамилия была переведена на русский еще в начале века и традиционно так и переводится. Для русской фонетики обе фамилии невозможно правильно произнести. – Прим. пер.

112

QED – Quantum ElectroDynamics – аббревиатура, принятая для этой отрасли квантовой физики. – Прим. пер.

113

QED – слегка экзотична, чтобы сильно влиять на нашу повседневную жизнь, поэтому мы не будем говорить о ней здесь подробно. Вы можете узнать чуть больше в моей книге How to Toach Quantum Phisics in Your Dog, и гораздо больше из книги: QED: The Strange Theory of Light and Matter by Richard Feynman. – Прим. авт.

114

Важно отметить, что это не равновесное состояние. Поддержание инверсии популяционных населенностей требует постоянной подкачки энергии из какого-то другого источника (в первоначальном мазере Таунса на аммиаке это был источник молекулярного потока), без инверсии работа мазера быстро бы прекратилась, и система бы пришла в равновесное распределение с большинством атомов в низкоэнергетическом состоянии с излучением черного тела при умеренной температуре. – Прим. авт.

115

Ш а в л о в, Артур Леонард (1921–1999) – американский физик, лауреат Нобелевской премии (1981). – Прим. ред.

116

Эта страничка из записной книжки Гула сыграла ключевую роль в судебном процессе, который в конце концов закрепил патенты за ним по ряду существенных лазерных технологий. В интересах более полного изложения я должен заметить, что Гулд был учащимся Юнион-колледжа, где я преподаю, и отделение физики и астрономии имеет специальное кресло в его честь. – Прим. авт.

117

Инверсия населенностей (краткий термин) может осуществляться только при температурах выше абсолютного нуля. – Прим. пер.

118

Современные системы используют полупроводниковые диодные лазеры, которые гораздо более компактны, чем гелиево-неоновые, и работают на очень близких длинах волн. – Прим. авт.

119

М а й м а н, Теодор Харальд (1927–2007) – американский физик, создал первый рабочий лазер, создал собственную компанию «Корад корпорейшн», которая стала ведущим разработчиком и изготовителем мощных лазеров. – Прим. ред.

120

Название главы может читаться двояко: web – это сеть, паутина, но это и термин, в науке и повседневной жизни обозначающий «интернет». Автор играет словами, но перевести это не представляется возможным. – Прим. пер.

121

В моей исследовательской лаборатории нам иногда приходится передавать лазерный сигнал через оптическое волокно, чтобы доставить его из одного места в другое, и вполне обычное дело – объединить лазеры так, чтобы через соединение прошла половина света, – это весьма мучительный процесс. В модульных телекоммуникационных системах это делается гораздо проще, конечно, и некоторые телекоммуникационные системы используют лазеры, которые встроены в специальные оптические волокна, но за подобными системами стоят десятилетия инженерных усилий. – Прим. авт.

122

Это достаточно много, но относительно мало по сравнению с нашими братьями млекопитающими. Некоторые виды имеют до 1000 различных типов рецепторов для распознавания запахов. – Прим. авт.

123

Формула C_2H_5OH – спирт. – Прим. пер.

124

Формула C_2H_6O – диметиловый эфир, в основном применяется как топливо, скажем, в российских КАМАЗах. – Прим. пер.

125

В американских и англоязычных странах элементы объединены несколько иначе (визуально), чем в российских школах, поэтому возникает визуально картина с «башенками». -Прим. пер.

126

Периодические таблицы видов мяса, пива и некоторых вещей, которые даже и не приходят в голову большинству людей. Самая необычная тема – летом 2017 г. Google выдал «Периодическую таблицу гимнастических упражнений» и «Периодическую таблицу правил и нормативов для банков». – Прим. авт.

127

Французский геолог Александр Эмиль Бегуйе де Шанкуртуа и немецкий химик Юлиус Лотар Мейер также выдвинули свои периодические классификации известных элементов, но Менделеев оказался единственным, кто использовал «пробелы» в своей таблице для предсказания новых элементов, и поэтому именно ему приписывается заслуга изобретения современной Периодической таблицы. – Прим. авт.

128

Д а л ь т о н, Джон (1766–1844) – английский физик и химик, метеоролог, естествоиспытатель, создатель химического атомизма. – Прим. ред.

129

А в о г а д р о, Амедео (1776–1856) – итальянский химик, первооткрыватель физико-химического закона, названного его именем. – Прим. ред.

130

Л ь ю и с, Гилберт Ньютон (1875–1946) – американский физик и химик. Основные научные работы в области химической термодинамики, фотохимии, химии изотопов, ядерной физики. – Прим. ред.

131

М о з л и, Генри Гвин Джефрис (1887–1915) – английский физик, один из основоположников рентгеновской спектроскопии. – Прим. ред.

132

Ч е д в и к, Джеймс сэр (1891–1974) – английский физик, открыл нейтрон и фото-ядер-ную реакцию. Лауреат Нобелевской премии (1935). – Прим. ред.

133

Несмотря на усилия многих друзей и коллег удержать его в лаборатории, Мозли чувствовал, что его долг – идти на войну. Он пошел добровольцем, когда разразилась Первая мировая война в 1914 году. После его смерти Резерфорд и другие физики приводили в пример эту трагедию, когда аргументировали, что подающие надежду ученые не должны находиться на передовых фронтах, а должны служить в технических и исследовательских подразделениях. Это, несомненно, заложило основу для массовых научных усилий во время Второй мировой войны, что привело к созданию радара и атомного оружия. – Прим. авт.

134

Использование l и m для этого, немножко не совпадает с исторической ситуацией, в действительности числа, используемые в теории Бора-Зоммерфельда, имели другие названия и были взаимосвязаны. Аналогичными числами в современной квантовой теории являются l и m, однако для простоты я буду использовать более современные символы и давать правильное объяснение чуть позже. – Прим. авт.

135

В российской научной традиции «аномальный» эффект Зеемана называют «сложным», а «обычный» – «простым» или «нормальным». Иногда, однако, применяется и термин «аномальный». – Прим. пер.

136

Термин «вырожденный» взят из математики и не несет никакой моральной оценки соединяющихся электронов. – Прим. авт.

137

Не путать с Вольфгангом Паулем – очень часто путают и удивляются несовпадениям. Вольфганг Пауль получил Нобелевскую в 1985 году. – Прим. пер.

138

Г е й з е н б е р г, Вернер Карл (1901–1976) – немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии (1932). Он «сотрудничал» с гитлеровской администрацией во время Второй мировой войны, в конце войны был взят в плен американцами, и его сотрудничество имеет неоднозначную оценку: от бойца невидимого фронта, тормозящего создание фашистами атомной бомбы, до злодея от физики и коллаборациониста, который был неспособен выполнить задачу по ее созданию, хотя и старался в угоду фашистской власти. Не случайно в недавнем сериале «Во все тяжкие» (Breaking Bad) главный герой, химик, ставший на путь производства наркотиков, взял себе псевдоним «Гейзенберг». – Прим. пер.

139

В современной физике это также называется «числами заполнения». – Прим. пер.

140

Этот трюк был повторен еще раз, в 1930 г., когда он сделал «ужасную вещь», предположив существование «неуловимой» частицы, нейтрино, как решение проблемы бета-распада ядер, о которой говорилось в главе 1. – Прим. авт.

141

Ш т е р н, Отто (1888–1969) – немецкий и американский физик, лауреат Нобелевской премии (1943). – Прим. ред.

142

Г е р л а х, Вальтер (1889–1979) – немецкий физик. Вместе с О. Штерном подтвердил наличие у атомов спина и факт пространственного квантования направления их магнитных моментов. – Прим. ред.

143

Скорее всего, это легенда, поскольку в поте и дыхании человека всегда присутствует немного серы: от этого темнеют ювелирные серебряные изделия – образуется сульфид серебра. – Прим. пер.

144

У л е н б е к, Джордж Юджин (1900–1983) – американский физик-теоретик голландского происхождения. Научные работы относятся к квантовой механике, атомной и ядерной физике. – Прим. ред.

145

Г а у д с м и т, Сэмюэл Абрахам (1902–1978) – американский физик-теоретик голландского происхождения. Научные работы относятся к квантовой механике, атомной и ядерной физике. – Прим. ред.

146

«Вращаться» по-английски звучит как «спин», соответственно отсюда это название пришло в русский язык как научный термин. – Прим. пер.

147

К р о н и г, Ральф (1904–1995) – нидерландский физик-теоретик. Научные работы относятся к спектроскопии, теории молекулярных структур, ядерной физике. – Прим. ред.

148

Д и р а к, Поль Андриен Морис (1902–1984) – английский физик-теоретик, один из создателей квантовой физики. Лауреат Нобелевской премии (1933) совместно с Э. Шрёдингером. – Прим. ред.

149

Теория волн-пилотов (или пилотных волн) также известна под названием «Теория де Бройля-Бома». – Прим. пер.

150

Д э в и с с о н, Клинтон Джозеф (1881–1958) – американский физик, лауреат Нобелевской премии (1937) совместно с Джорджем Томпсоном за «экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах». – Прим. ред.

151

Д ж е р м е р, Лестер Хэлберт (1896–1971) – американский физик. Их совместный эксперимент с К. Дэвиссоном имел важное значение для развития электронного микроскопа. – Прим. ред.

152

Б о р н, Макс (1882–1970) – немецкий и британский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии (1934). – Прим. ред.

153

Б о м, Дэвид (1917–1992) – американский физик, известный своими работами по квантовой физике, философии и нейропсихологии. – Прим. ред.

154

Подход де Бройля-Бома остается до сих пор чем-то вроде нишевой темы, но поскольку за годы забвения темы, что прошли между первоначальной работой де Бройля и обновленным походом Бома, в более ортодоксальном подходе были сделаны огромные успехи, так что фанатам идеи волны-пилота еще очень много надо сделать, чтобы наверстать упущенное. – Прим. авт.

155

Под орбиталью понимается вся область, где есть вероятность нахождения электрона, а не конкретно «орбита», по которой он «вращается». Орбиталь является волновой функцией, определяется всеми тремя квантовыми числами и выводится из уравнения Шрёдингера. – Прим. пер.

156

В российской терминологии это соответствует термину «узловые поверхности». – Прим. пер.

157

Если быть точным, на проекцию конкретной оси. – Прим. пер.

158

Имеется в виду шеврон солдата британской армии, имеющий V-образную форму. В российской армии аналогом являются нарукавные нашивки за выслугу лет. – Прим. пер.

159

Относительно эпизода с апорией о невозможности движения, она привлекла даже Пушкина, и он посвятил этому стихотворение «…Движенья нет, сказал мудрец брадатый. Другой смолчал и стал пред ним ходить.» – Прим. пер.

160

Диоген принадлежал к школе «киников». Это устойчивый термин из философии, от греческого слова «собака», т. к. задачей апологетов этого направления Диоген считал необходимость указывать на недостатки людей, «лая на них, как собака, а иногда и кусая». Русское слово «циник» имеет то же происхождение, но более позднее время возникновения, поэтому «к» перешло в «ц», равно как и в множестве других терминов: Кентавр-Альфа Центавра, гидроцефалия-автокефалия и т. д. Разночтения в произношении греческой буквы связаны со временем заимствования слова из греческого в русский язык. – Прим. пер.

161

Г е й з е н б е р г, Вернер Карл (1901–1970) – немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии (1932). – Прим. ред.

162

П а с к у а л ь, Йордан (1902–1980) – немецкий физик и математик. С его именем связана так называемая йорданова алгебра. Такие алгебры понадобились для аксиоматизации основ квантовой механики. – Прим. ред.

163

Гейзерберг получил Нобелевскую премию в 1932 году за разработку матричной механики, однако позднее он писал Борну, что ощущает в этом свою вину, поскольку работа была сделана совместно всеми тремя. Борн впоследствии получил Нобелевскую премию в 1954 году, и эту задержку часто приписывают политике, поскольку Йордан был молодым и восторженным поклонником нацистов, и надо было найти способ присудить премию Борну и при этом исключить его. – Прим. авт.

164

Как и в случае с Гейзенбергом, открытие Шрёдингера было сделано, когда он уехал из дома, в данном случае кататься на лыжах на каникулы с одной из своих многочисленных любовниц. С тех пор физики приводят в пример эти случаи, если пытаются выбить себе побольше времени для каникул. – Прим. авт.

165

Вы можете подумать, что самая простая из всех возможных систем будет частицей самой по себе в открытом пространстве, но в реальности оказывается, что такой случай будет гораздо более сложным, и это мы вскоре увидим. – Прим. авт.

166

Это справедливо для медленно движущихся частиц, во всяком случае. Однако, когда скорость начинает приближаться к скорости света, релятивизм слегка изменяет определение скорости, но для наших целей формулировка «масса, умноженная на скорость» вполне приемлема. – Прим. авт.

167

Точное значение для одномерной коробки будет немного меньше, потому что вероятность распределения имеет пик в середине, но основная идея правильная. – Прим. авт.

168

Используется термин beating, в музыке это «биение» – сложение двух волн с близкими частотами. На основе биений существует метод точной настройки двух струн (или струны и камертона) в резонансе, при этом исчезновение биений означает, что струны настроены одинаково либо имеют кратные друг другу длины. – Прим. пер.

169

Ж о л и о-К ю р и, Фредерик (1900–1958) – французский физик и общественный деятель. Лауреат Нобелевской премии по химии (1935) совместно со своей супругой Иреной Жолио-Кюри. – Прим. ред.

170

Л е в е р ь е, Урбен Жан Жозеф (1811–1877) – французский математик, астроном, занимавшийся небесной механикой, большую часть своей жизни проработал в Парижской обсерватории. – Прим. ред.

171

Имеется в виду угловая минута, равная одной шестидесятой углового градуса. – Прим. пер.

172

Г а л л е, Иоганн Готтфрид (1812–1910) – немецкий астроном, открыл Нептун, в его честь названы кратеры на Луне, на Марсе, кольцо Нептуна и др. – Прим. ред.

173

Ему помогал Генрих Д’Арре, но его роль по разным причинам обычно сильно преуменьшается. – Прим. пер.

174

П у а н к а р е, Жюль Анри (1854–1912) – французский математик, механик, физик, астроном, философ. Наряду с Гимбертом считается последним математиком-универсалом, способным охватить все математические результаты своего времени. – Прим. ред.

175

Интересно, что первоначальный вывод Пуанкаре был прямо противоположным, он полагал, что показал окончательную стабильность системы со многими телами. Пока его рукопись подготавливалась для публикации, один из редакторов журнала, шведский математик Ларс Эдвард Фрагме, указал на, казалось бы, небольшое несоответствие в доказательстве. При более внимательном рассмотрении это привело к прямо противоположным выводам. Изначальная статья была быстро изъята и переписана, однако Пуанкаре все равно получил премию. – Прим. авт.

176

В мире науке нельзя зарекаться. В XIX веке Огюст Конт заявлял, что мы никогда не узнаем, из чего состоят звезды и Солнце, а вскоре… обнаружили гелий на Солнце. Так что здесь автор слишком пессимистичен. – Прим. пер.

177

Д а й с о н, Фримен Джон (р. 1923) – американский физик-теоретик британского происхождения. Один из создателей квантовой электродинамики. – Прим. ред.

178

Если вспомнить о стоячих волнах на струне, о них говорилось во 2-й главе, действительное значение волновой функции на одном из этих пиков осциллирует между двумя положительным и отрицательным значениями во времени. Что важно, это относительный знак обоих пиков: точно так же в симметричном случае, в противоположность с ассимметричным. – Прим. авт.

179

Существует бурно развивающееся направление в физике, посвященное изучению поведения таких частиц, это очень важно для понимания сверхпроводимости. Однако большинство из интересных явлений в этой области происходят при температурах в пределах нескольких градусов от абсолютного нуля, так что они мало могут повлиять на обычный завтрак. – Прим. авт.

180

Л и б, Элиотт Хершел (р. 1932) – американский математик, физик, специализируется на статической механике, теории конденсированной материи и функционального анализа. – Прим. ред.

181

Т и р р и н г, Вальтер (1927–2014) – австрийский физик-теоретик, автор книги «Предупреждение человечеству». – Прим. ред.

182

Это известно как «предел Чандрасекара» по имени американского физика индийского происхождения Субраманьяна Чандрасекара, который впервые вычислил его во время своей поездки в Англию на пароходе в 1930 году. Первоначальный результат Чандрасекара встретил изрядное сопротивление, но он и другие повторяли и уточняли вычисления, и предел был доказан математически. – Прим. авт.

«Изрядное сопротивление» было весьма серьезной травлей со стороны одного из крупнейших авторитетов в физике Артура Стэнли Эддингтона. Вследствие этого Нобелевскую премию оказавшемуся правым Чандрасекаре дали лишь через 10 (!) лет после его открытия. Эддингтон же сильно растерял свой авторитет и Нобелевскую премию не получил. – Прим. пер.

183

Автор не упоминает, но здесь имеет значение не размер звезды, а именно масса. – Прим. пер.

184

Здесь может быть неточность, «Самсунг Хромбук» этого класса, скорее всего, с процессором Интел и, вероятно, имеет тактовые частоты, близкие к сотням гигагерц, что составляет около миллиарда тактов в секунду, однако это не означает миллиард операций, но, в принципе, это неважно. – Прим. пер.

185

В английском языке кот Шрёдингера женского рода – кошка, но в русском – это кот. – Прим. пер.

186

Г и л б е р т, Ньютон Льюис (1875–1946) – американский физик и химик. Основные научные работы в области химической термодинамики, фотохимии, химии изотопов, ядерной физики. – Прим. ред.

187

Т о л м е н, Ричард Чейз (1881–1948) – американский физик-математик, специализировался на статической механике, сделал важный вклад в теоретическую космологию. – Прим. ред.

188

«Тиканье» любых световых часов разумного размера будет слишком быстрым для практического использования, но, в принципе, это были бы великолепные часы, поскольку постоянство скорости света будет создавать весьма равномерные колебания. – Прим. авт.

189

Для более внимательного изучения этого и остальной части наиболее знаменитой теории Эйнштейна читайте мою книгу How to Teach Relativity to Your Dog, 2012. – Прим. авт.

190

П о д о л ь с к и й, Борис Яковлевич (1896–1966) – американский физик-теоретик, соавтор парадокса Эйнштейна – Подольского – Розена. – Прим. ред.

191

Р о з е н, Натан (1909–1995) – американский и израильский физик-теоретик, работал с Эйнштейном по некоторым вопросам общей теории относительности, квантовой механики и космологии. – Прим. ред.

192

Нет окончательной договоренности среди физиков, что считать «состоянием кота». Этот термин часто используется для состояний, когда отдельные квантовые частицы помещены в суперпозицию двух состояний, но ряд физиков говорит, что нужно применять этот термин только для суперпозиций, включающих объект, состоящий из макроскопического количества частиц. Это, скорее всего, подходит к аналогии, включающей котов. – Прим. авт.

193

Волновая функция не абсолютно идентична сумме двух отдельных атомных состояний, но близка к тому. Есть отлично отработанные математические техники для того, чтобы начать от суммы волновых функций двух атомов и затем ее небольшого уточнения, чтобы результат лучше совпал с реальным состоянием молекулы. – Прим. авт.

194

А н д е р с о н, Филип (р. 1923) – американский физик-теоретик, его вклад состоит в теории локализации, теории высокотемпературной сверхпроводимости и др. Лауреат Нобелевской премии (1977). – Прим. ред.

195

Сам Филип Андерсон не употребляет этого термина – emergence – в указанной статье. Термин «состояние возникновения», не устоявшийся в российской науке, обозначает переход от более «низких» уровней в иерархии систем, состоящих из многих идентичных элементов (в которых высоки требования к выполнению симметрии), к более «высоким», где из-за взаимодействия отдельных элементов систем, во-первых, могут «нарушаться» законы симметрии (если быть точным, они не нарушаются, а обходятся за счет разных механизмов), и, во-вторых, возникают новые качества. – Прим. пер.

196

Здесь автор упрощает, поскольку мысль Андерсона в статье несколько сложнее и чуть иная, хотя он и выдвигает идею «линейной» иерархии наук. Скорее, Андерсон говорит о том, что в различных науках в разной степени и несколько по-разному можно применять некоторые законы из других наук или фундаментальные, в зависимости от «уровня» в некоей системе иерархий наук относительно микро- и макромиров и фундаментальных законов. Точная цитата из статьи Андерсона по этому поводу: «…Но эта (линейная) иерархия (наук) не означает, что наука X – это просто применение (законов из науки) Y. На каждой стадии необходимы совершенно новые законы, концепции и обобщения.». – Прим. пер.

197

Электроны могут также двигаться в пределах полос спектра в ответ на воздействие электромагнитного поля, как мы увидим, когда будем говорить о проводниках и изоляторах, но это не включает поглощение или излучение видимого света. – Прим. авт.

198

Также существуют дополнительные процессы, включая взаимодействия с кристаллической решеткой, что ведет ко многим интересным осложнениям задачи и дает физикам, изучающим твердые предметы, удачно этим заниматься. Однако эти процессы не фигурируют ни в одном из явлений, о которых мы ведем разговор. – Прим. авт.

199

Не только попугаев. Ряд птиц, например голубые сойки и кардиналы, также имеют бриллиантовый синий окрас. Более того, поскольку синего пигмента в природе крайне мало, яркие синие цвета некоторых тропических жуков также зависят от чисто оптических явлений, без вовлечения пигмента: интерференции на тонких пленках. По той же причине бензин и масла на воде дают радужные цвета, как и мыльные пузыри. – Прим. пер.

200

Это явление цвета, возникающего за счет структуры, встречается у многих видов птиц, но обычно только для различных тонов синего цвета. Красные перья тропических птиц окрашиваются за счет молекул красного пигмента, так что сам материал перьев окрашен. Волновая природа света также используется птицами и бабочками, чтобы создать радужные цвета, которые кажутся изменяющимися, если вы смотрите с разных углов зрения. Это еще один процесс, включающий интерференцию различных слоев структуры наподобие тонких перекрывающихся чешуек. – Прим. авт.

201

Конечно, мы с легкостью проскочили мимо целого ряда технических деталей – проработка точной структуры полос спектра энергий в трехмерном кристалле требует большой вычислительной работы и отнимает очень много времени у физиков. Измерения структуры этих полос экспериментально для проверки вычислений считаются еще одним важным источником деятельности. То, что мы здесь описывали, – концептуальная основа для большого и активного поля исследований и немного «моделирования сферических коров», поскольку не все материалы имеют четкую и регулярную кристаллическую структуру. Работа с субстанциями, которые не являются регулярными кристаллами, – это тоже еще одна важная область исследований. – Прим. авт.

202

Что описано, как «ток по соглашению», текущий направо, причуда физиков, которая смущает уже много поколений студентов в области электроники. Вы можете обвинять Бена Франклина за это: он был влиятельным сторонником современной модели, где один тип заряда движется, а другой остается на месте. К сожалению, он не угадал, когда приписал положительный заряд движущимся зарядам. – Прим. авт.

По некоторым источникам, это соглашение приписывается Амперу. В любом случае, «…Данное соглашение вступает в некоторое противоречие с наиболее распространенным случаем металлических проводников. В металле носителями заряда являются свободные электроны, и двигаются они от «минуса» к «плюсу». Но в соответствии с соглашением, мы вынуждены считать, что направление тока в металлическом проводнике противоположно движению свободных электронов.» – из книги И.В. Яковлева «Материалы по физике». – Прим. пер.

203

Однако, в отличие от электронов, «дырки» движутся в том же направлении, что и «ток по соглашению» в материалах. – Прим. авт.

204

LED – Light Emitting Diode – «светоизлучающий диод». – Прим. пер.

205

В 2014 г. Нобелевской премией по физике были награждены Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамура за разработку светоизлучающих диодов, которые дают синий свет. – Прим. авт.

206

Физики Джон Бардин, Вальтер Браттейн и Уильям Шокли получили в 1956 г. Нобелевскую премию за их изобретение, одна из двух, полученных Бардиным. Другая была получена им в 1972 г. за теорию сверхпроводимости, разработанную совместно с Леоном Купером и Робертом Шриффером. – Прим. авт.

207

Понятно, что автор несколько упрощает процесс, скажем, в современном производстве для внесения примесей в слои кремния используется облучение потоками ионов, также широко распространена фотолитография и т. д. В основном идет борьба за минимизацию размеров отдельных компонентов, и в настоящее время (2017 год) рекордом считается технология IBM, при которой получены транзисторы габаритами в 5 нанометров. Далее основной проблемой уже стали явления дифракции и интерференции света в процессе производства, а также паразитные токи между элементами процессора. Описанные технологии уже, похоже, вышли на предел возможностей, и в настоящее время лидирующие компании-производители процессоров активно ищут альтернативные технологии. – Прим. пер.

208

Этот компьютер был несколько гибридным, поскольку многие из его инструкций были «зашиты» в «корневую память», состоящую из небольших витков проволоки. – Прим. авт.

209

Это не будет работать с постоянными магнитами, но если вы сделаете магнит частью быстро вращающейся вершины, вы сможете действительно повиснуть в воздухе. Игрушечная версия этого известна под названием «Левитрон» и оказалась полезной физической демонстрацией. – Прим. авт.

В «Левитроне» постоянный круговой магнит лежит в основании, а запускаемый вращающийся магнит, сделанный в виде волчка, направленный отталкивающим полюсом к базовому магниту, при вращении зависает в воздухе. Там работают не только магнитные, но и другие силы (кориолисовы и т. д.). – Прим. пер.

210

Ф е й н м а н, Ричард Филлипс (1918–1988) – американский физик, один из создателей квантовой электродинамики. Лауреат Нобелевской премии (1965). – Прим. ред.

211

Это несколько несправедливо по отношению к Фейнману, кто в действительности очень многое сделал для решения вопросов «почему» в целом. Однако эта фраза часто используется как дисклеймер перед попытками объяснить физику магнетизма, так что высказывание явно попадает в тему. – Прим. авт.

212

Эта строчка в англоязычном Интернете считается мемом и достаточно известна. – Прим. пер.

213

Китайцы использовали подобие компаса для гадания еще раньше. Они использовали остаточную намагниченность отливок из железа со слабыми магнитными свойствами. Использовать компас для навигации впервые предложил Чжу Юй в книге «Застольные разговоры в Нинчжоу» (1119 г.). – Прим. пер.

214

Это отличный вопрос для викторин в начальных классах по физике. Северный магнитный полюс также слегка не совпадает географически с северным концом оси, вокруг которой вращается Земля, так что, в зависимости от вашего положения, магнитный север слегка отклоняется от севера. Разница между этими двумя полюсами, однако, хорошо известна и отмечена на хороших навигационных картах. – Прим. авт.

215

Реальные атомы позитрония существуют, сам элемент обозначается символом Ps в Периодической таблице. В 2007 году профессор физики Аллен Миллс и его ассистент Дэвид Кэссиди обнаружили молекулы позитрония. – Прим. пер.

216

Сдвиг существенно меньше в водороде, чем в позитрониуме, поскольку магнитное поле, создаваемое протоном, намного меньше, чем у электрона или позитрона. – Прим. авт.

217

Автор при разговоре об «уровнях» рассмотрения использует термин scale – масштаб, но в данном случае точнее его переводить именно термином «уровень», т. к. термин «масштаб» имеет в русском языке второе значение, относящееся к горизонтальному расширению охвата. Здесь же речь идет именно о переходах от «нижних» уровней квантовой физики, имеющих дело с отдельными частицами, к атомам, состоящим из многих частиц, затем к молекулам, затем к макроскопическим предметам. – Прим. пер.

218

Если говорить упрощенно, это происходит потому, что электрон в равной степени может вращаться как по часовой стрелке, так и против нее, и магнитные вклады от этих двух возможных орбит взаимно уничтожаются. – Прим. авт.

219

Орбитальное движение электронов влияет на их взаимодействие с магнитными полями, что ведет к эффекту Зеемана, когда одно энергетическое состояние расщепляется на несколько подуровней, когда атомы помещены в магнитное поле. Однако эти подуровни не создают магнитное поле вне атома, которое можно было бы использовать для энергетической подпитки постоянного магнита. – Прим. авт.

220

Есть два варианта: «субуровни» и «подуровни». Можно применять оба термина, я выбрал подуровни, но и тот и другой плох. – Прим. пер.

221

Также есть симметричная комбинация из одного электрона со спином вверх и одного спином вниз, которые часто группируются вместе с двумя, направленными вверх и двумя, направленными вниз состояниями, и этот набор называют «триплетным» состоянием по контрасту с «синглетным» (одиночным) ассиметричным состоянием. – Прим. авт.

В российской науке существуют термины, являющиеся прямой транслитерацией англоязычных терминов, в частности состояние спинов атома определяется его «мультиплетностью», при этом состояния «триплет», «синглет» рассчитывают по специальной формуле. – Прим. пер.

222

Это может показаться хождением по кругу: состояние электрона определяет расположение атомов, и что затем расположение атомов определяет электронные состояния. Теоретические вычисления подобных вещей обычно включают итеративный процесс: берется правдоподобное расположение атомов, вычисляются электронные состояния, затем заново вычисляются расположения атомов, чтобы понять, будут ли новые электронные состояния склонны сдвигаться. В природе этот процесс просто происходит автоматически; так что быть атомом гораздо легче, чем быть физиком-теоретиком. – Прим. авт.

223

Или даже относительно слабые – остывающие скалы в магнитном поле Земли в результате стали слегка магнитными. Это один из решающих моментов свидетельства дрейфа континентов: на каждом краю среднеатлантической плиты мы наблюдаем «полоски» с магнитными линиями с направлениями вперемешку, поскольку земные магнитные полюса изменяли свое направление множество раз за миллионы лет. Новые скалы формировались по мере продвижения магмы вверх и наружу через разломы, запечатлевая историю сдвигов полюсов и распространение по дну океана. – Прим. авт.

224

Эта температура называется так в честь Пьера Кюри, чье оригинальное исследование было в области магнитных материалов. Однако, когда Мария Кюри начала работы по радиоактивности, Пьер забросил магниты и присоединился к ней в этих экспериментах, и мы обсудим это в следующей главе. – Прим. авт.

225

VHS – Video Home System – система домашнего просмотра видеокассеты на ленточных носителях, в настоящее время почти вышли из употребления в связи с широким распространением носителей информации на флеш-памяти. – Прим. пер.

226

Здесь автор, конечно, сильно упрощает, вернее, дает неточную информацию ради простоты объяснения. Молекулы «воздуха» быть не может в принципе, так как воздух – это смесь различных газов и распыленных частиц различных материалов, но никак не вещества «воздух». – Прим. пер.

227

Р е н т г е н, Вильгельм Конрад (1845–1923) – немецкий физик. Первый в истории физики Нобелевский лауреат (1901). – Прим. ред.

228

Рентгеновские лучи в англоязычных странах часто называют x-rays, «икс-лучами». У нас принят термин «рентгеновские» лучи. Скорее всего, английское название подпитывается комиксами, так как «x-rays» для комиксов гораздо привлекательнее как название. – Прим. пер.

229

Сегодня мы знаем, что рентгеновские лучи возникают, когда электроны, проходящие через вакуумную трубку, ударяются о положительно заряженный электрод на высокой скорости. – Прим. авт.

230

Б е к к е р е л ь, Антуан Анри (1852–1908) – французский физик. Один из первооткрывателей радиоактивности. Лауреат Нобелевской премии (1903) совместно с Пьером и Марией Кюри. – Прим. ред.

231

Это был уранилсульфат калия – K_2(UO_2)(SO_2)2·2H_2O, соль урана. – Прим. пер.

232

Склодовская-Кюри, Мария (1867–1934) – польский и французский ученый, физик, химик, педагог, общественный деятель. Первая женщина-преподаватель Сорбонны. Дважды Нобелевский лауреат. – Прим. ред.

233

О с т в а л ь д, Вильгельм Фридрих (1853–1952) – латышский, русский и немецкий физик-химик, философ-идеалист. Лаурет Нобелевской премии по химии (1909). – Прим. ред.

234

Полоний был так назван в честь родной страны Марии – Польши, которая тогда была частью Российской империи. – Прим. авт.

235

Изначально Королевская шведская академия наук планировала дать премию только двум мужчинам, но после того, как Пьер Кюри выразил протест, они также признали и заслуги Марии. – Прим. авт.

236

Скорее всего, она разделила бы ее с Пьером, но он погиб в дорожной аварии в 1906 году, а Нобелевская премия посмертно не присуждается. – Прим. авт.

237

Гамма-излучение было открыто французским физиком Полем Вилларом в 1900 году при исследовании излучения радия. – Прим. пер.

238

Атом гелия, образованный двумя протонами и двумя нейтронами. – Прим. пер.

239

Гейгер был ограничен природными радиоактивными источниками, которые в основном производят низкоэнергетические альфа-частицы, поэтому он не мог измерить точный предел, обстреливая частицы на энергиях слишком больших, чтобы они отклонялись, и его выводы касались лишь минимальных значений от измерений на низких энергиях. – Прим. авт.

240

МэВ – МегаЭлектронВольт – мера измерения энергии квантовых частиц. – Прим. пер.

241

Г а м о в, Георгий Антонович (также известен в научных кругах как Джордж Гамов) (19041968) – советский и американский физик-теоретик, астрофизик и популяризатор науки. В 1933 г. покинул СССР. Член Национальной академии США (1953). – Прим. ред.

242

В одном случае из Крыма в Турцию, в другом – из Мурманска в Норвегию. В обоих случаях им пришлось вернуться из-за плохой погоды. – Прим. авт.

243

Он устроился работать, в конце концов, в Университет Джорджа Вашингтона, Вашингтон, округ Колумбия, недалеко от моего дома с ненавидящим тостеры детектором дыма. – Прим. авт.

244

К тому времени Резерфорд продвигал хорошо проработанную модель, включающую созвездие альфа-частиц, движущихся по орбитам во внешней области ядра, для объяснения того, как низкоэнергетические альфа-частицы могут оторваться от ядра. – Прим. авт.

245

Медленнее – означает, что она проводит больше времени в этой области пространства, что соотвествует более высокой вероятности нахождения ее там. – Прим. авт.

246

Точная форма волновой функции зависит от деталей ее потенциальной энергии, но в основном это экспоненциальное угасание, по мере того как частица движется глубже в запрещенную область. – Прим. авт.

247

К о н д о н, Эдвард Упер (1902–1974) – американский физик-ядерщик, основоположник квантовой механики. – Прим. ред.

248

Г ё р н и, Рональд Уинфри (1899–1953) – английский физик-теоретик. Работы в области квантовой механики, физики твердого тела, ядерной физики и т. п. – Прим. ред.

249

М а н д е л ь ш т а м, Леонид Исаакович (1879–1944) – русский и советский физик, один из основателей отечественной научной школы радиофизики. – Прим. ред.

250

Л е о н т о в и ч, Михаил Александрович (1903–1981) – русский и советский физик, академик, автор работ по физике плазмы, радиофизике. – Прим. ред.

251

Н а т э л л, Джон Митчелл (1890–1958) – британский физик, работал с Гейгером. Закон Гейгера-Натэлла. – Прим. ред.

252

К о к к р о ф т, Джон Дуглас, сэр (1897–1966) – английский физик, работы по превращению атомных ядер. Лауреат Нобелевской премии (1951). – Прим. ред.

253

У о л т о н, Эрнест Томас Синтон (1903–1995) – ирландский физик, работы по расщеплению атомных ядер. Лауреат Нобелевской премии (1951). – Прим. ред.

254

Это, конечно, длительный и сложный процесс, интересно описанный в книге Брайана Кэткарта «Муха в соборе», которая дает великолепную картину жизни в Кавендише во времена славы Резерфорда. – Прим. авт.

255

В а н д е Г р а а ф, Роберт (1901–1967) – американский физик, изобретатель высоковольтного генератора. – Прим. ред.

Ускоритель Ван де Граафа больше известен в российской (и в мировой) терминологии как «генератор» Ван де Граафа. Дело в том, что сам ускоритель построен на основе главного изобретения Ван де Граафа – генератора высоких напряжений. Даже одна из популярных рок-групп взяла название «Ван де Грааф Генератор». – Прим. пер.

256

Л о у р е н с, Эрнест Орландо (1901–1958) – американский физик, создатель первого циклотрона (1930), за что был удостоен Нобелевской премии (1939). – Прим. ред.

257

Б и н н и н г, Герд Карл (р. 1947) – немецкий физик, один из изобретателей сканирующего туннельного микроскопа, за что получил Нобелевскую премию (1986) вместе с Генрихом Рорером. – Прим. ред.

258

Они были в то время сотрудниками исследовательского центра IBM в Цюрихе. Я, как архитектор московского Клиентского центра IBM, проходил там обучение в 2017 году и работал на квантовом компьютере, видел те стены и общался с ныне работающими там звездами. – Прим. пер.

259

Первой «интересной картинкой» в атомном масштабе был логотип IBM, сложенный из отдельных атомов. В 2013 г. на усовершенствованном микроскопе, работавшем на тех же принципах, IBM создало первый мультфильм, в котором изображения были построены из отдельных атомов. – Прим. пер.

260

Также применяются термины «сцепленность», «спутанность». – Прим. пер.

261

Подобный пример, как правильно заметил автор, весьма прост: шифры такого типа были распространены довольно давно, в настоящее время они взламываются за доли секунды компьютерами методами статистического подбора. Основная масса современных шифров основана на эллиптических преобразованиях, а также шифрование с открытым кодом, основанное на методах разложения на простые множители. – Прим. пер.

262

В российской терминологии это шифр Вернама или OTP (латинские буквы от one-time pad, не переводится). Придуман в 1917 году телеграфистом Вернамом, за что и получил его имя. В 1945 г. Клод Шеннон написал работу, в которой доказал абсолютную стойкость данного метода, то есть его в принципе невозможно расшифровать. Однако сложности организации ключей ограничили его применение. – Прим. пер.

263

Легко запомнить или спрятать короткий список чисел, но чем он длиннее, тем сложнее охранять его. Проблема здесь, скорее, похожа на то, как большинство людей легко запоминают короткие, но не очень надежные пароли, а для более длинных и более надежных строчек с числами и буквами все заканчивается тем, что их пишут на стикерах и прилепляют к монитору, что полностью разрушает всю идею шифровального ключа. – Прим. авт.

264

В древнееврейской мифологии и современной религии имя Бога нельзя было произносить, возможно поэтому Эйнштейн употребляет в обоих случаях оригинального текста вместо слова «Бог» – «Иаков» и «Старик». Оригинальный текст был написан по-немецки. «Die Quantenmechanik ist sehr achtung-gebietend. Aber eine innere Stimme sagt mir, dap das doch nicht der wahre Jakob ist. Die Theorie liefert viel, aber dem Geheimnis des Altenbringt sie uns kaum naher. Jedenfalls bin ich uberzeugt, dap der nicht wurfelt». – Прим. пер.

265

Подход Бройля-Бома с теорией волн-пилотов считается альтернативным подходом к квантовой теории, где отдельные частицы все же имеют определенные свойства, но направляются дополнительным полем, которое берет на себя наиболее странные свойства, связанные с квантовыми частицами. Однако конкретные начальные свойства любой индивидуальной частицы все еще определяются случайным образом и недоступны для измерений, так что результат отдельного квантового эксперимента остается непредсказуемым. – Прим. авт.

266

Детерминистская альтернатива квантовой физике остается темой интереса горстки исследователей, из которых наиболее известен Герард'т Хоофт, который в 1999 году разделил Нобелевскую премию по физике за работу по Стандартной модели, но следующие поколения по большей части следовали по пути Паули и Гейзенберга и предпочитали, согласно насмешливой фразе Дэвида Мермина, «заткнуться и вычислять». – Прим. авт.

267

Ян Беттеридж – британский журналист, в 2009 г. сформулировал закон, согласно которому «…На любой заголовок, заканчивающийся вопросительным знаком, можно ответить "нет"…». Несмотря на юмористический характер утверждения, с его смыслом, возможно, согласятся многие: Ян полагает, что, когда у журналистов нет ни фактов, ни надежных источников, ни понимания темы, а статью написать хочется, они пользуются этим типом заголовка. – Прим. пер.

268

«ЭПР» – по инициалам «Эйнштейн, Подольский, Розен». Этот термин «EPR» принят и понимаем в англоязычной научной среде. – Прим. пер.

269

В более поздние годы Эйнштейн часто говорил, что был не удовлетворен окончательными формулировками статьи ЭПР, которая в основном была написана (на английском языке) Розеном. – Прим. авт.

270

Термин «запутанность» был создан Шрёдингером, он тоже разделял предчувствия Эйнштейна. – Прим. авт.

271

Информация о первоначальном состоянии полностью теряется только для случая поворота магнитов на 90 градусов. Если вы выберете промежуточный угол, то получите две группы с разными вероятностями – повернув второй магнит на 60 градусов от спинов вверх, это даст соотношение 75 × 25 между группами с правыми и левыми спинами. Это станет важным позднее. – Прим. авт.

272

Б е л л, Джон Стюарт (1928–1990) – физик-теоретик ирландского происхождения, заложил теоретическую основу для экспериментальных исследований ЭПР-парадокса. – Прим. ред.

273

А с п е, Ален (р. 1947) – французский физик, специалист по квантовой оптике, теории скрытых параметров и квантовой запутанности. – Прим. ред.

274

Эйнштейн посвятил последние десятилетия свой жизни бесплодным поискам теории, которая объединит гравитацию и электромагнетизм в единое поле. Шрёдингер также работал над теорией поля, кроме того, еще написал влиятельную книгу по физике живых систем. – Прим. авт.

275

Этот подход к теории Белла, в конечном счете, восходит к Дэвиду Мермину. – Прим. авт.

276

К л а у з е р, Джон (р. 1942) – американский физик, специалист по квантовой механике. – Прим. ред.

277

Детали эксперимента Аспе потрясающи, но слишком длинны, чтобы их здесь приводить. Для более детального описания экспериментов можно прочитать мою книгу How to Teach Quantum Physics to Your Dog. История, что стоит за экспериментами Клаузера и Аспе, также удивительна и хорошо изложена в книге Дэвида Кайзера How the Hippies Saved Physics. – Прим. авт.

278

Книга Джорджа Массера Spooky Action at a Distance – хороший обзор истории нелокальных взаимодействий в физике и впечатляющих исследований в этой области. – Прим. авт.

279

«Сырые данные» – вполне официальный термин при работе с данными. Другой равнозначный вариант – «необработанные данные». – Прим. пер.

280

Несмотря на то, что по правилам латинского языка надо читать «Микиус», в российской прессе чаще встречается под названием «Микус», однако, наиболее часто как спутник «Мо-цзы», т. к. это устоявшееся в русской китаеведческой истории имя этого философа. – Прим. пер.

281

П а й с, Абрахам (1918–2000) – американский физик-теоретик и историк науки голландского происхождения. Научные работы по квантовой физике, физике элементарных частиц, квантовой теории поля и т. п. Автор биографий Эйнштейна, Бора и Оппенгеймера. – Прим. ред.

Content

Чад Орцель
Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Введение

Глава 1 Восход: Фундаментальные взаимодействия

Гравитация

Электромагнитная сила

Сильное ядерное взаимодействие

Слабое ядерное взаимодействие

Продолжение истории

Глава 2 Нагревательный элемент: Отчаянный трюк Планка

Световые волны и цвета

Тепло и энергия

Ультрафиолетовая катастрофа

Квантовая гипотеза

Глава 3 Цифровые фотографии: Эвристика клерка из патентного бюро

Эксперимент Герца

Эвристика клерка из патентного бюро

Фотоэлектрические технологии

Глава 4 Будильник: Атом игрока в футбол

Краткая история отсчета времени

Тайна спектральных линий

Самая невероятная вещь внутри атома

Войдите в квантовый мир

Атомные часы

Глава 5 Интернет: Решение проблемы

Мировая паутина до Интернета

Как атомы испускают свет

Что Эйнштейн узнал о свете

История лазера

«Решение, которое ищет проблемы»

Сеть из света

Глава 6 Чувство обоняния: Исключительно химия

Как работает обоняние

Периодическая таблица

От «старой квантовой теории» к современной квантовой механике

Химия как запрет

Спин

От орбит до волн-пилотов к верояности

Современная химия

Глава 7 Твердые предметы: Энергия неопределенности

Определенность неопределенности

Нулевая энергия

Принцип неопределенности

Стабильность атомов

Принцип запрета Паули и твердая материя

Применение к астрофизике

Глава 8 Компьютерные чипы: Интернет создан для котов Шрёдингера

Кошачий парадокс

Химические связи и состояния кота

«Больше означает иначе»

От спектральных линий к энергетическим полосам спектра

Почему существуют провалы между полосами спектра?

Изоляторы и проводники

Полупроводники и их использование

Глава 9 Магниты – как, черт возьми, они работают?

Направляющий магнетизм

Магнитные электроны

Магнитные атомы

Магнитные кристаллы

Магнитное хранилище информации

Глава 10 Детектор дыма: Побег мистера Гамова

Классическая физика детекторов дыма

Загадки радиоактивности

Квантовое туннелирование

Солнечный свет и расщепленные атомы

Глава 11 Шифрование: Окончательная блистательная ошибка

Секрет как хранить секреты

Играя в кости со Вселенной

Квантовая физика и закон заголовков Беттериджа

От Эйнштейна к Беллу и затем к Аспе

Квантовая криптография

Блистательная ошибка

Заключение

Благодарности

Об авторе

Примечания