Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Неравенства Белла были проверены Аленом Аспе и его сотрудниками в Париже в 1982 году. Они воспроизвели ситуацию, аналогичную описанной в предыдущем параграфе. Очевидно, ученые использовали не кота и собаку, – поскольку, как мы уже показали, квантовая механика неприменима к макроскопическим объектам, – а фотоны, поляризация которых (то есть направление колебаний электрического поля) может иметь два взаимно ортогональных направления, подобно тому как кошка и собака могут находиться в двух равновероятных состояниях (живом и мертвом). Исследовали намеревались обнаружить корреляцию между поляризациями фотонов. И это лишь одна из многочисленных трудностей эксперимента. Другая сложность была связана с тем, что фотоны двигаются с огромной скоростью, а за время их перемещения следует успеть сделать очень многое. В конечном итоге опыты Аспе привели к выводу, что неравенства Белла не могут быть проверены на достоверность. Таким образом, квантовая механика, изложенная в учебниках, является правильной и не может быть заменена или дополнена теорией скрытых параметров. Опыт Аспе превратил мысленный эксперимент ( Gedenkenexperiment , как говорят немцы) Эйнштейна, Подольского и Розена в эксперимент реальный.

Таким образом, ЭПР-парадокс приобрел свою реальную жизнь. Квантовая физика, а с ней и микроскопический мир парадоксальны.

В предыдущей главе мы задавались вопросом об отсутствии в квантово-механическом описании мира детерминизма и о том, как это влияет на наше мировоззрение. Теперь отложим философские вопросы и обратимся к природе. Как не изумляться ее творениям? Эмоции переполняют нас при виде совершенной симметрии кристаллов (см. главу 9) или разнообразия фигур Хладни.

Ученые не остаются равнодушными к красоте природы. Луи де Бройль говорил о «таинственной красоте обличий, принимаемых электрическим разрядом» (речь, посвященная Жану Перрену, 1962). Гейзенберг, который выступил с докладом о «Значении красоты в точных науках» ( Die Bedeutung Schönen in der exakten Naturwissenschaft ), также писал: «Внутренние связи [атомов в квантовой теории] в математических абстрациях демонстрируют невероятную степень простоты и красоты, – дар, который нам остается только смиренно принять. Даже Платон не мог представить подобную красоту. Она не могла быть придумана, она существует с момента сотворения мира». А вот что полагал Эйнштейн: «Что же до простоты и красоты [природы], я отдаю должное эстетическим аспектам ‹…› Я преклоняюсь перед простотой и красотой математических моделей, созданных природой».

Следуя за великими физиками, заглянем в микромир и восхитимся некоторыми художественными творениями природы. В них задействован очень распространенный элемент – углерод.

Итальянский писатель и химик Примо Леви (1919–1987), известный автобиографическими произведениями о своем пребывании в Освенциме, говорил об углероде: «Углерод – особый элемент, единственный, способный соединяться сам с собой и образовывать без большого расхода энергии длинные устойчивые цепи, а для жизни на Земле (той единственной формы жизни, которая нам известна) нужны как раз длинные цепи. Потому-то углерод и является ключевым элементом в создании жизни» [29] Пер. Е. Дмитриевой. . Эти длинные углеродные цепи, к которым присоединяются атомы водорода, а иногда и кислород, азот и фосфор, являются основой молекул, составляющих химию живого мира. Например, белки и сахара (см. главу 17, «Белки, цепочки аминокислот» и главу 18, «Сахара, крахмал и углеводы») или же такая совершенная молекулярная структура, как ДНК (илл. 1).

1. Двойная спираль молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), которая кодирует генетическую информацию. Структура ДНК была выявлена с помощью рентгеновской дифракции (см. главу 9, «Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах»). Молекула состоит из четырех типов нуклеотидов, которые комплементарно собраны на каждой нити, что дает ей возможность реплицироваться

Чистый углерод также обладает удивительными свойствами, о которых и не подозревал Примо Леви, когда писал эти строки в 1970 году. До недавнего времени (скажем, 1990 год) учебники говорили о существовании двух кристаллических модификаций углерода – довольно распространенного графита и алмаза.

Алмаз – редко встречающийся кристалл, крупные образцы которого может создавать только природа при экстремальных температурах и давлениях. И все же химически алмаз являет собой самую простую модификацию углерода (илл. 2): в ней каждый атом имеет четырех соседей, с которыми образует очень прочные химические связи, называемые ковалентными (см. главу 16, «Микроволновая печь»). Стремление атома углерода иметь четырех соседей – результат довольно простых законов химии. Действительно, в атоме углерода, шестого элемента периодической таблицы, имеется шесть электронов. В упрощенной модели электроны распределяются вокруг ядра по оболочкам. Два ближайших к ядру электрона образуют «замкнутую оболочку»: они химически инертны. Остальные четыре электрона находятся на второй, более удаленной от ядра оболочке. Однако на ней хватило бы места и для восьми электронов, а атомы, как правило, стремятся иметь такую электронную структуру, чтобы их внешняя оболочка была заполненной. Это найденное химиками древности «правило октета» (или, для самых легких элементов, «правило дуэта») – закон, который современные ученые объясняют с помощью квантовой механики. Ради его соблюдения атомы готовы получать или терять электроны, образуя ионы, или делить электроны с другими атомами, создавая ковалентные связи.

2. Кристаллическая структура алмаза. Кристаллическая решетка представляет собой гранецентрированную кубическую решетку (см. главу 9, «Кристаллы и стереометрия»), в которую включены четыре дополнительных атома углерода. Каждый атом окружен четырьмя соседями, которые образуют правильный тетраэдр

В конце XIX века российский химик Дмитрий Менделеев придумал систему классификации химических элементов. Он составил таблицу, в которой расположил их по степени возрастания атомной массы так, что элементы в каждом столбце обладают сходными химическими свойствами. Так, в столбце, соответствующем углероду, под ним находятся кремний (Si) и германий (Ge). Как и атом углерода, атомы этих элементов имеют на внешней оболочке по четыре электрона, которые готовы к участию в химических связях. Таким образом, кремний и германий также образуют кристаллы, имеющие структуру алмаза (илл. 2). Эти кристаллы широко используются в электронике: при добавлении определенных примесей они становятся полупроводниками (см. главу 28).