Квант - Джим Аль-Халили
Авторы иллюстраций
Дэвид Энджел
Тим Оливер.
Благодарности
При работе над этой книгой мне помогали многие мои друзья. Прежде всего я должен поблагодарить свою жену Джули и детей Дэвида и Кейт за их поддержку и понимание, которое они проявляли, когда последние пару лет я частенько вечерами и по выходным закрывался в комнате наедине с компьютером. Также я очень благодарен следующим людям, которые предоставили мне свои эссе, читали и комментировали рукопись, давали советы, вносили свои предложения и исправляли многочисленные ошибки. Перечислю их всех по алфавиту: Джереми Алам, Джули Аль-Халили, Назар Аль-Халили, Рейя Аль-Халили, Маркус Арндт, Майкл Берри, Рон Джонсон, Джейсон Дикон, Пол Дэвис, Крис Дьюдни, Фрэнк Клоуз, Рэй Макинтош, Джонджо Мак-Фадден, Абдель-Азиз Матани, Гарет Митчел, Грег Ноулз, Пол Стивенсон, Эндрю Стин, Ян Томпсон, Ричард Уилсон, Патрик Уолш, Грегерс Хансен, Дин Харман, Эд Хиндс, Антон Цайлингер и Дэвид Энджел. Все оставшиеся ошибки, конечно, на моей совести. Наконец, отдельное спасибо за помощь моему редактору Нику Читхему из издательства Weidenfeld & Nicolson.
Примечания
1
Для этого эксперимента прорези действительно должны быть очень узкими и расположенными близко друг к другу. Такие эксперименты действительно проводились в 1990-х годах: в них использовался экран из золотой фольги с прорезями шириной один микрометр (одну тысячную миллиметра).
2
Здесь я предполагаю, что детектор на 100 процентов эффективен и точно сработает, если атом пройдет через наблюдаемую прорезь.
3
Перевод Г. Кружкова. – Примеч. пер.
4
От thermo – «тепло» и dynamics – «движение». Эта область науки изучает, как тепло и другие формы энергии переносятся между телами.
5
По сути, макроскопическим можно назвать любой видимый нами объект, который достаточно велик, чтобы вести себя логичным «неквантовым» образом, в то время как микроскопическими называют объекты, размер которых достаточно мал (на уровне атомов и меньше), чтобы их поведение определялось квантовыми законами.
6
Наука о том, как вывести макроскопические свойства материи из микроскопической физики.
7
Это расхождение во мнениях отлично описывается в работе философа Томаса Куна Black-Body Theory and the Quantum Discontinuity: 1894–1912 (Clarendon Press, Oxford, 1978) и в работе историка науки Хельге Крагха Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century (Princeton University Press, 1999).
8
Впоследствии Планк счел крайне сложным принять предсказания квантовой теории и много лет пытался найти способ опровергнуть свои выводы.
9
Иногда показывается, как мощность зависит от частоты, а не от длины волны. Однако, поскольку эти свойства волн эквивалентны (короткие длины волн соответствуют высокой частоте, а длинные – низкой), оба типа графиков дают нам одинаковую информацию.
10
Термин «ультрафиолетовая катастрофа» даже не использовался до 1911 года.
11
Это несколько напоминает разницу между игрой на гитаре и на скрипке. На грифе гитары есть «лады» – металлические порожки. Когда струну пальцем прижимают к порожку, находящемуся ниже требуемого лада, звучащая нота становится результатом вибрации струны на отрезке от этого лада до нижнего порожка. По очереди зажимая идущие друг за другом лады, мы изменяем длину вибрирующей струны, в результате чего высота звучания изменяется на полтона. В связи с этим гитара, как и фортепиано, не может издавать звук, высота которого находится между двух полутонов (если играющий на ней не применяет специальных навыков). В то же время на скрипке ладов нет, так что ее струны могут издавать звук любой частоты, или тона, в зависимости от того, куда именно поставить палец.
12
Представьте их сгустками энергии, локализованными в пространстве. Однако, для того чтобы идея о «частицах» света прижилась, понадобилось некоторое время.
13
Само собой, в первой главе я называл его «фокусом», только чтобы добавить драматизма.
14
Вам придется подождать до седьмой главы, чтобы увидеть лучшее описание атомов. Впрочем, дальше мы узнаем, что «выглядят» атомы не так.
15
Они будут постепенно замедляться вследствие сопротивления воздуха и потери энергии из-за отдачи тепла и звука при столкновениях.
16
Другой вопрос, захотят ли подростки носить футболку с волновым уравнением на груди. Впрочем, в такой футболке, пожалуй, можно встретить разве что ботаника.
17
Математически это объясняется тем, что волновая функция представляет собой так называемую «сложную функцию», а следовательно, обладает как «действительной», так и «мнимой» частью, но вдаваться в подробности я не буду.
18
Заранее не угадаешь, когда у тебя в руках окажется волновая функция. Будет обидно не знать, что с ней делать.
19
Но здесь я не имею в виду, что она распространена в пространстве. Скорее она позволяет импульсу принимать одно из распространенного диапазона возможных значений.
20
В естественном состоянии они крайне нестабильны и существуют около одной десятой секунды.
21
Которую Зоммерфельд впоследствии расширил и обобщил, чтобы включить помимо простых кольцевых орбит Бора также эллиптические электронные орбиты.
22
Более раннюю статью «О квантовой механике» Борн и Йордан опубликовали тремя месяцами ранее без участия Гейзенберга.
23
Ради математиков я должен оговориться, что суперпозиция характерна для всех волн, которые представляют собой решения линейных уравнений. Если вам эти слова ни о чем не говорят, просто забудьте о них; я должен был защитить свой труд от педантичных коллег!
24
Пустой – то есть без других пловцов, а не без воды.
25
Надеюсь, вы не возражаете, что в качестве примера квантовых объектов я использую то атомы, то электроны. Было бы проще выбрать что-нибудь одно, однако в этом случае вам могло бы показаться, что вся квантовая странность связана лишь с этим объектом.
26
На практике проще использовать
