Джон Малоун - Нераскрытые тайны природы. Расширяющий кругозор экскурс в историю Вселенной с загадочными Большими Взрывами, частицами-волнами и запутанными явлениями, не нашедшими пока своего объяснения

Загадки природы света могут показаться менее драматичными по сравнению с прочими. За последние сто лет мы прошли путь от электрической лампочки до мощных лазеров. Изобретение лампочки дало людям возможность читать не только днем, но и ночью, а лазерный луч позволяет, например, легко удалять с глаз катаракты, возвращая способность видеть и читать. Мы научились не только с огромной пользой применять свет, хотя некоторые его тайны остаются неразгаданными. Мы знаем, как использовать в своих целях дуализм света, т. е. его волновую и корпускулярную природу. Признание дуальной природы света обогащает нас.

Да будет свет!

1. Perkowitz, Sidney. Empire of Light: A History of Discovery in Science and Art. New York: Holt, 1996. Эту прекрасную и очень небольшую по объему книгу можно рекомендовать в качестве дополнения не только к данной главе, но и ко всей книге в целом.

2. Feynman, Richard P. QED: The Strange Theory of Light and Matter. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1985. Книга рассчитана на достаточно подготовленного читателя. Как и другие книги Фейнмана, она отличается блестящим стилем и своеобразным юмором.

3. Westfall, Richard S. The Life of Isaac Newton. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1993. Интересно изложенная биография одного из величайших гениев в истории человечества, написанная в несколько академическом стиле.

4*. Трофимова Т. И. Оптика и атомная физика. — М: Высшая школа, 1999. Содержит определения и интерпретацию физических понятий и законов оптики, включая интерференцию, дифракцию, поляризацию света, распространение света в веществе и др.

Начнем с нескольких коротких фраз и выражений:

Кварк.

Квантовая пена.

Квантовое туннелирование.

Квантовая клаустрофобия.

Квантовая клаустрофобия!

Квантовая теория полна неожиданных названий и ярких метафор. Отчасти начало этой тенденции было положено Мюрреем Геллманном, получившим Нобелевскую премию в 1969 г. за созданную им классификацию элементарных частиц и их взаимодействий. Его теория предсказала существование кварков, неких гипотетических элементарных частиц, являющихся «кирпичиками», из которых построены протоны, нейтроны и вся материальная основа окружающего мира. Почему Геллманн назвал эти частицы кварками? В поисках термина для обозначения совершенно нового объекта он натолкнулся на таинственную фразу из очень сложного для понимания романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»: «Три кварка для мастера Марка». Она понравилась Геллманну тем, что в его теории гипотетические кварки часто появлялись по трое. Позднее удалось не только доказать существование кварков, но и обнаружить целый набор их разновидностей, которым физики также дали самые разные названия: верхний, нижний, очарованный, странный, красивый и истинный. Кроме того, оказалось, что каждый кварк обладает свойством, которое было названо «цветом». Разумеется, это понятие не имеет отношения к реальной окраске. Таким образом появились красный, зеленый и синий кварки. Пока изолированные кварки выделить не удалось, однако факт их существования надежно доказан весьма сложными экспериментами.

Не менее странным представляется понятие квантовой пены. Предлагаю читателю самому разобраться с определением, использованным Брайаном Грином в книге «The Elegant Universe» («Элегантная вселенная»): «…на ультрамикроскопическом уровне ткань пространства-времени выглядит как бы вспененной, искореженной». Под «тканью» автор подразумевает единое пространство-время в теории относительности Эйнштейна. Описание такой квантовой пены оказалось весьма сложной проблемой для физиков, пытающихся объединить теорию относительности с квантовой механикой.

Квантовое туннелированые означает способность объектов проникать через барьеры, непроницаемые для них в механике Ньютона. Это простое утверждение приводит к совершенно неожиданным последствиям.

Возможно, читатель испытает некоторое облегчение, узнав, что квантовая клаустрофобия — всего лишь другое название квантовых флуктуации, обусловленных принципом неопределенности Гейзенберга (мы вернемся к этой проблеме, поскольку с ней связаны многие задачи квантовой механики).

Неудивительно, что Нильс Бор, знаменитый физик, один из отцов квантовой механики и лауреат Нобелевской премии, как-то публично заявил, что тот, у кого от квантовой теории не начинается головокружение, еще просто ничего в ней не понимает.

Почти каждый автор, пишущий о квантовой физике, характеризует ее как «странную» или «загадочную». Причины этого теперь вполне очевидны. На фоне законов классической физики квантовые законы действительно столь причудливы и странны, что даже Эйнштейн, сам очень много сделавший для развития квантовой теории, позднее предлагал полностью от нее отказаться. Теория тем не менее продолжала развиваться (несмотря на то, что некоторые ученые до сих пор продолжают спорить о ее смысле) и стала одним из самых важных и успешных разделов современной физики.

Интересно проследить, каким образом возникли и развивались парадоксальные физические идеи и представления. В 1900 г. Макс Планк обнаружил, что атомы нагретого тела излучают энергию только совершенно определенными порциями (до этого считалось, что излучение имеет непрерывный характер). Планк ввел понятие кванта энергии, на основе которого возник огромный раздел физики (ему посвящена гл. 15 нашей книги). В 1905 г. Эйнштейн установил, что свет состоит из частиц, или квантов, получивших название фотонов. В 1913 г. 28-летний датский физик Нильс Бор предложил основанную на квантовомеханических представлениях модель строения атома водорода, послужившую ключом к пониманию общих законов атомного мира. С 1916 г. интерес физиков переключился с квантовой механики на общую теорию относительности, предложенную Эйнштейном, однако начиная с 1924 г. вновь возник небывалый поток идей и публикаций по квантовой механике.

Именно в 1924 г. французский физик, герцог Луи де Бройль, возвращаясь к эйнштейновским представлениям 1905 года о фотонах, показал теоретически, что любые частицы могут быть описаны так называемой волновой функцией (т. е. распространяются в виде волн, прежде чем стать частицами). Его идея вызвала дебаты, продолжающиеся до наших дней. Формула де Бройля позволяла вычислить длину волны, соответствующую различным частицам, и справедливость этой формулы была подтверждена экспериментально в 1927 г. Работы де Бройля быстро принесли ему мировое признание, и в 1929 г. он был удостоен Нобелевской премии. Через год 24-летний немецкий физик Вернер Гейзенберг впервые разработал полную квантовомеханическую теорию, а буквально несколько месяцев спустя австриец Эрвин Шредингер предложил еще один подход, в котором использовался более простой математический аппарат. Однако вскоре выяснилось, что эти разные на первый взгляд концепции совершенно эквивалентны. При этом оба подхода не ответили на вопрос: что представляют собой эти волны? В известном фильме «Китайский квартал» есть запоминающийся и яркий эпизод, когда героиня (которую играет Фэй Дануэй) после каждой пощечины допрашивающего ее сыщика (знаменитый артист Джек Николсон) меняет свои показания («я — ее сестра!.. я — ее мать!), играющие важную роль в развитии сюжета. Так ведут себя и фотоны, как бы меняя свой облик при каждом запросе: «я — волна… я — частица… я — волна… я — частица…». В конце фильма выясняется ужасный факт, что героиня, которую играет Дануэй, действительно является одновременно сестрой и матерью (она забеременела от своего отца), и многим физикам поведение фотонов и других субатомных частиц кажется столь же чудовищным.