Квант. Путеводитель для запутавшихся - Джим Аль-Халили
В последнее время был сделан целый ряд различных предложений, показывающих, как можно расширить интерпретацию де Бройля – Бома, не прибегая к введению предпочтительной системы отсчета, а закладывая нелокальность в насквозь релятивистский подход. Эта работа показывает, что основную критику теории де Бройля – Бома, заключающуюся в том, что она противоречит теории относительности, можно свести на нет. Само собой, дел еще много, особенно в отношении процессов, описываемых релятивистской теорией квантового поля. Однако суть в том, что однозначного аргумента против интерпретации де Бройля – Бома не существует, а все замечания к подходу объясняются предрасположенностью к конкретным идеям в противовес другим.
Глава 7. Субатомный мир
Дочитав до этого места, вы, возможно, решили, что квантовые физики все время обсуждают природу реальности, спорят о таких глубоких и важных вопросах, как определение слов «событие» и «явление», или что означает провести измерение, или придумывают все более и более изобретательные описания того, что может происходить (а может и не происходить) в микроскопическом мире, когда не установлено наблюдение. Это далеко от правды. Большинство физиков абсолютно не заботят проблемы интерпретации квантовой механики – и на то есть свои основания. Они слишком заняты, применяя теорию для понимания структуры и свойств субатомного мира.
И правда, не будь этого подхода «заткнись и считай», за последние полвека мы не сумели бы добиться в науке и технологии того прогресса, который я опишу в Главе 9.
Теперь, когда я закончил обзор вариантов, позволяющих нам раскрыть секрет фокуса с двумя прорезями, мы можем пойти дальше и узнать, как квантовая механика способствовала зарождению новых сфер научной мысли в поиске кирпичиков материи и как эти кирпичики взаимодействуют и комбинируются, чтобы сформировать восхитительно сложный мир вокруг нас. В течение последнего века физики копали все глубже и изучали все более мелкие сущности. Сперва они заглянули внутрь атома, затем внутрь атомного ядра, а затем – внутрь частиц, из которых состоит ядро. Поиск мельчайших элементов материи напоминал чистку лука. Снимая каждый следующий слой луковой кожуры, ученые обнаруживали под ним все более и более фундаментальные структуры. Таким образом, в этой главе содержится история развития атомной и ядерной физики, а также физики частиц и объясняется, как квантовая механика стала путеводной звездой в этой одиссее открытий. Само собой, отдать должное истории всех этих сфер в единственной главе просто невозможно, поэтому вас ждет лишь краткое знакомство с нею, в ходе которого мы время от времени будем ненадолго останавливаться, чтобы внимательнее рассмотреть особенно важные моменты и узнать о людях, во многом определивших физику XX века.
Более того, нам предстоит продолжить список квантовых странностей. Нас ждут еще несколько примечательных феноменов, включая квантовое туннелирование, спин и принцип исключения Паули.
Таинственные лучи повсюду
В Главе 2 я упомянул, что годы с 1895-го по 1897-й стали временем зарождения современной физики. Оглядываясь сегодня назад, можно также сказать, что эти несколько первых, волнующих лет можно точнее назвать «эпохой таинственных лучей». Лучи обнаруживались повсюду. На рубеже веков были открыты рентгеновские лучи, явление радиоактивности и электрон, и каждый из этих феноменов стал полной неожиданностью для научного сообщества[44]. В течение последующего десятилетия их первооткрыватели – Вильгельм Рентген, Анри Беккерель и Джозеф (Дж. Дж.) Томсон соответственно – получили Нобелевские премии. Если помните, в Главе 2 мы проследили зарождение и развитие квантовой теории с революционной идеи Планка, высказанной в начале XX века. Однако в то время его работа была далеко не самой интересной и волнующей среди физических исследований. Внимание научного сообщества было приковано к открытию рентгеновских лучей. Эти невидимые лучи могли проходить сквозь твердое вещество и формировать изображение на фотографической пленке по другую сторону преграды. Столь удивительное свойство тут же завладело умами людей по всему миру, и очень скоро многие увидели его огромные преимущества для медицины и промышленности.
Вскоре после этого открытия Анри Беккерель, который также интересовался происхождением рентгеновских лучей, при изучении солей урана, окруженных флуоресцентным сиянием, пришел к результатам, сходным с теми, которые получил в своем эксперименте Рентген. Беккерель обнаружил, что излучение урана тоже может проникать сквозь твердое вещество, такое как черная бумажная обертка, которую он использовал для защиты фотографической пленки от солнечного света, и оставлять на непроявленной пленке следы. Сначала он подумал, что при попадании на него солнечного света уран тоже излучает рентгеновские лучи, которые становятся частью его флуоресцентного сияния. Однако вскоре Беккерель понял, что излучение урана не имеет ничего общего ни с солнечным светом, ни с рентгеновскими лучами. Двумя годами позже Мария Кюри, которая также изучала таинственные лучи вместе со своим мужем Пьером, ввела понятие радиоактивности.
Тем временем один из гигантов экспериментальной физики англичанин Дж. Дж. Томсон открыл природу еще одних лучей. К тому моменту ученые уже много лет знали, что электрически заряженная металлическая пластина, помещенная в вакуумную трубку, испускает так называемый катодный луч. Но никто не понимал, из чего он состоит. Томсон продемонстрировал, что его составляют отрицательно заряженные частицы размером гораздо меньше атомов.
В некоторой степени подобно идее Планка о квантовании, но на целое десятилетие раньше, ирландец Джордж Стони выдвинул гипотезу, что электричество не непрерывно, а состоит из крошечных невидимых сгустков, которые он называл «электронами». Вскоре после открытия Томсона Лоренц предположил, что тот обнаружил электроны Стони. Хотя сначала Томсон возразил этому, именно он в итоге получил Нобелевскую премию за открытие электрона, первой элементарной частицы. Так часто случается с научными открытиями: Томсон не открыл катодные лучи и даже не дал им названия, но именно он получил Нобелевскую премию за то, что показал, из чего они состоят. Именно это открытие ознаменовало собой рождение субатомной физики.
Внутрь атома
Так как же обстояли дела в начале прошлого века? Томсон предположил, что электроны
