Карло Ровелли - Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

Для понимания того, каким образом свет может быть электромагнитной волной и одновременно роем фотонов, требовалось все здание квантовой механики. Однако первый кирпич в основание этой теории уже был заложен: всем вещам, включая свет, присуща фундаментальная зернистость.

Если Планк – биологический отец квантовой теории, то Эйнштейн – ее родитель и кормилец. Но, как это часто бывает с детьми, теория впоследствии пошла своим путем, который сам Эйнштейн признавать не хотел.

В течение двух первых десятилетий XX века развитие квантовой теории определял датчанин Нильс Бор. Он изучал строение атомов, которое начали исследовать на рубеже столетий. Эксперименты показывали, что атом подобен Солнечной системе в миниатюре: масса сконцентрирована в тяжелом центральном ядре, а вокруг него обращаются легкие электроны, примерно как планеты вокруг Солнца. Эта картина, однако, не соответствовала простому факту: вещество имеет цвет.

Соль белая, перец черный, чили красный. Почему? Изучение света, испускаемого атомами, показало, что разным веществам соответствуют разные цвета. Если цвет соответствует частоте света, значит, разные вещества испускают свет со своими определенными частотами. Набор этих частот, характеризующий данное вещество, называется спектром этого вещества. Спектр – это совокупность линий различных оттенков, на которые раскладывается (например, с помощью призмы) испускаемый данным веществом свет. Спектры некоторых элементов представлены на рис. 4.2.

Рис. 4.1.Нильс Бор

Рис. 4.2.Спектры некоторых элементов: натрия, ртути, лития и водорода

В начале века во многих лабораториях изучались и каталогизировались спектры множества веществ, но никто не знал, как объяснить, почему конкретное вещество имеет тот или иной спектр. Чем определяются цвета всех этих линий?

Цвет – это скорость, с которой вибрируют фарадеевы линии, а эта скорость определяется колебаниями электрических зарядов, которые испускают свет. Эти заряды представляют собой электроны, которые движутся внутри атомов. Поэтому, изучая спектры, мы можем понять, как движутся электроны вокруг ядер. Другой путь состоит в том, чтобы предсказать спектр каждого атома, вычислив частоты электронов, обращающихся вокруг его ядра. Это легко сказать, но сделать на практике никому не удавалось. На самом деле все это вообще казалось невозможным, поскольку в ньютоновской механике электрон мог обращаться вокруг своего ядра с любой скоростью, а значит, испускать свет любой частоты. Но почему тогда испускаемый атомом свет содержит не все цвета, а только некоторые из них? Почему атомные спектры представляют собой не сплошные цветные полоски, а состоят из отдельных линий? Почему, выражаясь научно, они дискретны , а не непрерывны? Десятки лет физики никак не могли найти ответ на этот вопрос.

Бор находит умозрительное решение, применив одну странную гипотезу. Он приходит к выводу, что все можно объяснить, если предположить, что энергия электронов в атомах может принимать только определенные квантованные значения, в точности как предполагали Планк и Эйнштейн для энергии квантов света. И вновь ключом оказывается зернистость , но теперь не для энергии света, а для энергии электронов в атоме. Постепенно становится очевидным, что зернистость – это что-то широко распространенное в природе.

Бор выдвигает гипотезу, что электроны могут существовать только на определенных особых расстояниях от ядра, то есть на определенных орбитах, размеры которых определяются постоянной Планка h , а также что электроны могут перескакивать с одной орбиты с разрешенной энергией на другую. Это и есть знаменитые квантовые скачки . Частота движения электрона по этим орбитам определяет частоту испускаемого света и, следовательно, поскольку разрешены только некоторые орбиты, испускаться могут только определенные частоты.

Эти гипотезы определяют боровскую модель атома, столетие которой отмечалось в 2013 году. С этими допущениями (нелепыми, но простыми) Бору удается вычислить спектры всех атомов и даже точно предсказать спектры, которые еще не наблюдались [70]. Экспериментальный успех этой простой модели был потрясающим.

Ясно, что за этими предположениями должна стоять некая истина, даже если они вступают в противоречие со всеми современными представлениями о материи и динамике. Но почему допустимы только некоторые орбиты? И что подразумевается, когда говорят, что электрон совершает скачок ?

В институте Бора в Копенгагене собираются самые блестящие молодые умы столетия, чтобы разобраться в этих непонятных и беспорядочных повадках атомного мира и построить согласованную теорию. Но исследования идут очень медленно и тяжело, пока молодой немецкий физик не находит ключ к тайнам квантового мира.

Вернеру Гейзенбергу было 25 лет, когда он записал уравнения квантовой механики, – столько же, сколько Эйнштейну, когда он опубликовал три свои знаменитые статьи. Гейзенбергу удалось достичь успеха, опираясь на совершенно головокружительные идеи.

Догадка пришла к нему однажды ночью в парке, возле Копенгагенского института физики. Молодой Вернер задумчиво прогуливался по парку. Там было очень темно – ведь это был 1925 год. Лишь редкие уличные фонари создавали небольшие островки тусклого света посреди ночного мрака. Эти пятна света разделялись большими участками темноты. Внезапно Гейзенберг увидел прохожего. На самом деле он не видел, как тот подошел: он заметил его, когда тот оказался под фонарем, а затем вновь исчез в темноте, чтобы появиться под следующим фонарем и вновь исчезнуть. И так далее – от одного пятна света к следующему, пока он окончательно не растворился в ночи. Гейзенберг подумал, что в действительности этот человек не исчезал и не появлялся, ведь очевидно , что мысленно легко реконструировать путь прохожего от одного фонаря к другому. В конце концов, человек – это довольно солидный объект, крупный и тяжелый, а крупные и тяжелые объекты просто так не появляются и не исчезают.

Рис. 4.3.Вернер Гейзенберг

Вот оно что! Эти объекты – солидные, крупные и тяжелые – не исчезают и не появляются… Но что мы знаем об электронах? Это было подобно вспышке в мозгу. Почему маленькие объекты, такие как электроны, должны вести себя так же? Что, если в действительности электроны могут исчезать и вновь появляться? Что, если в этом состоит загадка квантовых скачков, которые, похоже, предопределяют строение атомных спектров? Что, если между одним взаимодействием с чем-то и другим взаимодействием электрон в буквальном смысле находится нигде ?