Текст книги "В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность"

Юнг использовал знание того, как волны движутся по поверхности пруда, чтобы разработать эксперимент, позволяющий проверить, ведет ли свет себя таким же образом. Мы все знаем, как выглядит волна воды, однако важно представить себе именно рябь, а не большую волну, чтобы аналогия была верной. Отличительной особенностью волны является то, что она слегка поднимает уровень воды, а затем, уходя, опускает. Высота гребня волны над уровнем невозмущенной водной поверхности является ее амплитудой, и для идеальной волны она равна высоте, на которую уровень воды снижается, когда волна отходит. Волны, идущие друг за другом, подобно тем, что отходят от камня, брошенного в пруд, имеют одинаковые промежутки, называемые длиной волны, которая измеряется как расстояние от одного гребня до другого. От места, в котором камень попал вводу, волны начинают распространяться кругами, тогда как волны на море или рябь от ветра на озере могут двигаться последовательными прямыми линиями, параллельными волнами, одна задругой.

Рис. 1.3. Способность волн огибать углы также означает, что они могут быстро заполнять тень позади препятствия, если только препятствие по размерам значительно не превышает длину волны.

Иными словами, число гребней, проходящих через некоторую фиксированную точку (вроде скалы) в секунду, показывает нам частоту волны. Частота – это число длин волн, проходящих каждую секунду, соответственно, скорость волны, то есть скорость движения каждого гребня, – это произведение длины волны и ее частоты.

Рис. 1.4. Способность света дифрагировать на углах и маленьких отверстиях может быть проверена при помощи одиночной прорези для образования круговой волны и двух прорезей для возникновения интерференции.

Краеугольный эксперимент начинается с параллельно идущих волн, сходных с полосами волн, набегающих на пляж до того, как они обрушиваются. Вы можете представить себе эти волны, вообразив, что они исходят от очень большого объекта, упавшего в воду очень далеко от берега. «Рябь», распространяющаяся расширяющимися кругами, кажется параллельными, или плоскими, волнами, если находиться достаточно далеко от источника волн, поскольку трудно определить кривизну очень большого круга с центром в месте источника возмущений. Легко проверить, что происходит с такими волнами в емкости с водой, когда на их пути помещено препятствие. Если препятствие маленькое, то волны огибают его и оказываются позади из-за дифракции, оставляя очень маленькую «тень». Однако если преграда велика в сравнении с длиной волн, то они лишь слегка огибают ее, оставляя зону невозмущенной воды. Если свет – это волна, то появление теней с резкими углами все же возможно, при условии, что длина волны света гораздо меньше, чем размер объекта, отбрасывающего тень.

Рис. 1.5. Подобно водной ряби, проходящей через отверстие, волны света, распространяющиеся кругами от первой прорези, движутся «друг за другом».

Теперь посмотрим на это с другой стороны. Представим обычную последовательность волн, распространяющихся в емкости с водой и наталкивающихся не на препятствие, окруженное водой, а на сплошную стену на их пути, имеющую в центре промежуток. Если промежуток гораздо больше, чем длина волны, то дальше пройдет лишь та часть волны, которая умещается в него, при этом незначительно расширяясь, однако оставляя большую часть воды по ту сторону преграды невозмущенной – подобно волнам, приходящим к проему в стене бухты. Однако если промежуток в стене очень мал, то отверстие ведет себя как новый источник круговых волн, будто в этом месте в воду бросают гальку. На дальней стороне стены эта круговая волна (или, точнее, полукруговая) распространяется по всей поверхности воды, не оставляя невозмущенной зоны.

Рис. 1.6. Круговые волны, исходящие от каждого из отверстий в экране с двумя прорезями, интерферируют, создавая картину из светлых и темных полос на белом экране обзора. Это ясно доказывает, что в рамках эксперимента свет ведет себя как волна.

Пока все сходится. Теперь мы наконец подбираемся к опыту Юнга. Представим ту же конструкцию с емкостью с водой и параллельными волнами, движущимися к препятствию, но теперь в нем сделано уже две маленькие прорези. Каждая из прорезей ведет себя как новый источник полукруговых волн в области позади препятствия, и поскольку эти две вторичные волны являются производными одной плоской волны с другой стороны препятствия, они движутся согласованно, или в фазе. Теперь мы имеем две серии волн, распространяющихся по воде, и это создает более сложную картину на поверхности. В месте, где обе волны поднимают уровень воды, возникает более выраженный гребень. Там, где одна волна пытается создать гребень, а другая впадину, они нивелируют друг друга и уровень остается неизменным. Эти явления называются конструктивной и деструктивной интерференцией, и их легко наблюдать в грубом приближении, одновременно бросив два камня в воду. Если свет – это волна, то сходный эксперимент должен выявить такую же интерференцию и между световыми волнами. Именно это и открыл Юнг.

Он пустил свет на экран, в котором были проделаны две узкие прорези. Позади этого препятствия свет от двух прорезей расходился и интерферировал. Если аналогия с волнами воды была верна, то по ту сторону препятствия должна была появиться интерференционная картина из чередующихся зон света и темноты, вызванная конструктивной и деструктивной интерференцией волн от каждой прорези. Юнг наблюдал именно это – сменяющие друг друга полосы света и тени на экране, – когда поместил позади прорезей белый экран.

Однако эксперимент Юнга не перевернул научный мир, особенно в Британии. Научное сообщество там практически приравнивало любое несогласие с идеями Ньютона к ереси и отсутствию патриотизма. Ньютон умер только в 1727 году, а в 1705-м, менее чем за сто лет до оглашения Юнгом своих результатов, он стал первым ученым, которого посвятили в рыцари. В Англии не могли так скоро сбросить со счетов легенду, поэтому, возможно, в те годы Наполеоновских войн наилучшим стало то, что именно француз, Огюстен Френель, подхватил эту «непатриотичную» идею и в итоге развил волновое объяснение природы света. Работа Френеля появилась через несколько лет после опыта Юнга и, будучи более полной, дала волновое объяснение практически всех аспектов поведения света. Среди прочего Френель объяснил явление, известное всем нам сегодня, – красивые цветные разводы, которые возникают при попадании света на тонкую масляную пленку. Это происходит опять же из-за интерференции волн. Часть света отражается от поверхности пленки, тогда как другая проникает внутрь и отражается от нижнего слоя. Таким образом получаются два отраженных пучка, которые интерферируют друг с другом. Поскольку каждый цвет соответствует различной длине волны, а белый свет состоит из смеси всех цветов радуги, отражение белого света от масляной пленки создает множество цветов из-за того, что некоторые волны (цвета) интерферируют деструктивно, а некоторые конструктивно – в зависимости от того, где располагается глаз наблюдателя относительно пленки.

К моменту, когда французский физик Леон Фуко, известный благодаря маятнику, носящему его имя, в середине XIX века установил, что, вопреки предсказаниям корпускулярной теории Ньютона, скорость света в воде меньше, чем в воздухе, к этому уже был готов любой заслуживающий внимания ученый. К этому времени «все знали», что свет, чем бы он ни был, представлял собой некоторую форму волнового движения в эфире. Однако все же было не лишним продемонстрировать, что такое «волна» в пучке света. В 1860-х и 1870-х теория света, казалось, наконец была завершена, когда великий шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл установил существование волн, связанных с изменением электрического и магнитного полей. Электромагнитное излучение, по предположению Максвелла, имело череду сильных и слабых электрических и магнитных полей, подобно гребням и впадинам на поверхности волн воды. В 1887 году Генрих Герц сумел произвести передачу и прием электромагнитного излучения в форме радиоволн, которые подобны волнам света, однако имеют гораздо большую длину. В конце концов волновая теория света была завершена, но лишь с тем чтобы вновь быть перевернутой великой революцией в научном понимании со времен Ньютона и Галилея. К концу XIX столетия лишь дурак или гений мог считать свет корпускулярным. Таким человеком стал Альберт Эйнштейн, однако, перед тем как мы поймем, почему он сделал этот смелый шаг, нам нужно обратиться глубже к идеям физики XIX столетия.

Глава вторая
Атомы

Многие популярные работы по истории науки рассказывают, что идея атомов восходит к древним грекам, ко времени рождения науки, и восхваляют древних ученых за их раннее понимание истинной природы материи. Однако такой взгляд немного преувеличен. Демокрит из Абдеры, умерший около 370 года до н. э., действительно предполагал, что сложная природа мироздания может быть объяснена, если все предметы состоят из различных неизменяемых и находящихся в постоянном движении атомов, каждый тип которых имеет собственную форму и размер. «Существуют лишь атомы и пустота, все остальное – во мнении»[2]2
  Цитируется во многих книгах, включая «Приглашение в мир физики» Джея М. Пасахоффа и Марка Л. Кутнера (с. 3).


[Закрыть], – писал он, а позже Эпикур Самосский и римлянин Лукреций Кар заимствовали эту идею. Но этой опережающей свое время теории тогда не суждено было стать основой для объяснения мироздания, и мнение Аристотеля о том, что все во Вселенной состоит из четырех «элементов» – огня, земли, воздуха и воды, – оказалось гораздо более популярным и стойким. Тогда как идея об атомах была в основном позабыта ко времени появления Христа, четыре элемента Аристотеля продержались две тысячи лет.

Хотя в XVII веке англичанин Роберт Бойль использовал понятие атомов в своей работе по химии, а Ньютон подразумевал их в работах по физике и оптике, по-настоящему атомы стали частью научной мысли лишь в конце XVIII века, когда французский химик Антуан Лавуазье провел изучение причин горения. Лавуазье открыл множество настоящих элементов, чистых химических веществ, которые не могут быть разделены на другие химические вещества, и понял, что горение представляет собой процесс, в котором кислород из воздуха соединяется с другими элементами. В первые годы XIX столетия Джон Дальтон закрепил за атомами место в химии. Он утверждал, что вещество состоит из атомов, которые сами по себе делимы. При этом все атомы одного элемента идентичны, однако различные элементы состоят из различных атомов (по форме или размеру), при этом атомы не могут быть созданы или разрушены, но лишь реорганизованы посредством химических реакций. А химическая структура, включающая в себя два элемента и более, состоит из молекул, которые, в свою очередь, состоят из небольшого фиксированного числа атомов от каждого из элементов структуры. Таким образом два столетия назад концепция атомного строения материи получила жизнь в той форме, как она преподносится в учебниках сегодня.

И все же в XIX веке эта идея получала одобрение со стороны химиков весьма медленно. Жозеф Гей-Люссак провел эксперимент, показав, что если соединить два газообразных вещества, то необходимый объем одного газа всегда будет пропорционален объему другого. Если получившаяся смесь также представляет собой газ, то ее объем тоже находится в прямой зависимости от объемов двух других. Это согласуется с идеей о том, что каждая молекула смеси состоит из одного или двух атомов одного газа и нескольких атомов другого. В 1811 году это наблюдение использовал итальянец Амедео Авогадро, который выдвинул знаменитую гипотезу, утверждающую, что вне зависимости от химической природы газа при любой постоянной температуре и давлении равные объемы газа содержат одинаковое число молекул. Чуть позже гипотеза Авогадро была подтверждена экспериментально. Было доказано, что каждый литр газа при температуре 0 градусов Цельсия и давлении в одну атмосферу содержит около 27 000 миллиардов миллиардов (27 × 10²¹) молекул. Но лишь в 1850-х годах соотечественник Авогадро Станислао Канниццаро развил эту идею настолько, что химики стали воспринимать ее всерьез. Впрочем, еще в 1890-х годах было очень много химиков, отвергавших идеи Дальтона и Авогадро. Однако тогда их обогнало развитие физики – шотландец Джеймс Клерк Максвелл и австриец Людвиг Больцман, используя концепцию атомов, детально объяснили поведение газов.

В 1860-х и 1870-х годах эти первооткрыватели развили идею о том, что газ состоит из огромного числа атомов и молекул (число из гипотезы Авогадро дает вам представление о том, насколько их много), которые можно представить в виде крошечных твердых хаотически движущихся сфер, сталкивающихся друг с другом и со стенками сосуда, содержащего газ. Это напрямую соотносилось с представлением о том, что теплота является формой движения – когда газ нагревается, его молекулы начинают двигаться быстрее, что повышает давление на стенки сосуда, и, если они не закреплены, газ будет расширяться.

Ключевой особенностью этих новых идей было то, что поведение газа может быть объяснено посредством законов механики – то есть законов Ньютона – только статистически, с помощью усреднения очень большого числа атомов или молекул. Любая из молекул газа может в любой момент двигаться в произвольном направлении, однако суммарный эффект от столкновения всех молекул со стенками сосуда создает постоянное давление. Это привело к развитию математического описания газовых процессов, получившего название статистической механики. Тем не менее прямое доказательство существования атомов все еще отсутствовало.

Некоторые ведущие физики того времени упорно противостояли атомной гипотезе, и даже сам Больцман в 1890-х годах чувствовал себя (возможно, ошибочно) одиночкой, плывущим против течения научной мысли. В 1898 году он опубликовал подробные вычисления в надежде, что, «когда теория газов снова оживет, открывать понадобится не слишком много»[3]3
  Цитируется по: Мехра Дж., Рехенберг X. Историческое развитие квантовой теории. Том 1. С. 16.


[Закрыть]. В 1906 году, находясь в депрессии из-за болезни и в подавленном состоянии в результате ^прекращавшегося противостояния многих ведущих ученых его кинетической теории газов, Больцман покончил жизнь самоубийством, не подозревая, что за несколько месяцев до этого малоизвестный теоретик по имени Альберт Эйнштейн опубликовал работу, развеявшую все сомнения насчет существования атомов.

Эта работа была лишь одной из трех, которые Эйнштейн опубликовал в одном номере журнала «Анналы физики» за 1905 год, и любая из них могла обеспечить ему место в анналах науки. Одна из работ рассказывала о специальной теории относительности и в целом выходит за рамки этой книги. Другая описывала взаимодействие света с электронами и позже стала считаться первой научной работой на тему того, что теперь зовется квантовой механикой, – именно за нее в 1921 году Эйнштейн получил Нобелевскую премию. Третья работа обманчиво просто решала задачу, которая терзала физиков с 1827 года, – она доказывала существование атомов (насколько теоретическая статья вообще могла сделать это).

Позже Эйнштейн сказал, что его главной целью в то время было «обнаружить факты, которые насколько возможно гарантируют существование атомов конечного размера». Эта цель, быть может, показывает важность этой работы в начале прошлого столетия. Когда эти статьи были опубликованы, Эйнштейн работал в Бернском патентном бюро – его нестандартный подход к физике не сделал его явным кандидатом на академическую должность после завершения обучения, так что ему пришлось с головой погрузиться в работу над патентами. Логический ум позволял ученому успешно отсеивать новые изобретения от чепухи, а проворность на работе оставляла достаточно много свободного времени, в которое он мог размышлять о физике даже во время рабочего дня. Некоторые из его мыслей касались открытий британского ботаника Томаса Брауна, сделанных восьмьюдесятью годами ранее. Браун заметил, что если исследовать пыльцу, плавающую в капле воды, под микроскопом, то можно увидеть, что она хаотически дергается в разные стороны, совершая так называемое теперь броуновское движение. Эйнштейн показал, что это движение, хотя и является хаотическим, подчиняется определенному статистическому закону, а также что модель поведения пылинок в точности соответствует тому, как если бы пылинку постоянно «толкали» невидимые микроскопические частицы, двигающиеся в соответствии со статистической механикой Больцмана и Максвелла, которая описывает движение атомов в газе или жидкости. Сегодня это выглядит настолько очевидно, что трудно оценить, какой прорыв произвела эта работа. Вы, как и я, привыкшие к представлению об атомах, можете наконец увидеть, что если пылинка подталкивается невидимыми столкновениями, то, вероятно, это атомы толкают ее. Однако до того как Эйнштейн сделал этот вывод, уважаемые ученые все еще питали сомнения в существовании атомов. После того как работа вышла, сомнений не осталось. Все стало легко после объяснения, простого, как падение яблока на землю. Но почему, если это было так очевидно, никто не воспринимал идею в течение прошлых восьмидесяти лет?

По иронии судьбы эта научная статья была опубликована на немецком (в журнале «Анналы физики»), хоть она и противоречила суждениям ведущих немецких физиков, включая Эрнста Маха и Вильгельма Оствальда, которые, казалось, убедили Больцмана в том, что он был одиночкой в пустыне. В действительности к началу XX столетия было множество свидетельств реальности существования атомов, даже если учесть, что, строго говоря, эти свидетельства могли считаться лишь частными. Британские и французские физики поверили в атомную теорию гораздо сильнее, чем многие их немецкие оппоненты. Именно англичанин Дж. Дж. Томсон в 1897 году открыл электрон, который, как мы сегодня знаем, является одним из компонентов атома.

В конце XIX века было много противоречий касательно природы излучения, исходящего от вакуумной трубки, по которой идет электрический ток. Эти катодные лучи, как их назвали, могли быть либо формой излучения, испускаемого колебаниями эфира, однако отличались от света и недавно открытых радиоволн, либо потоком крошечных частиц. Большинство немецких ученых поддержали идею эфирных волн. Большинство британских и французских ученых считали, что катодные лучи представляют собой частицы. Ситуация усложнилась, когда в 1895 году Вильгельм Рентген случайно открыл рентгеновские лучи (в 1901 году за это открытие Рентген получил первую в истории Нобелевскую премию по физике). Однако это не относилось напрямую к проблеме. Важным было то, что это быстрое открытие произошло до того, как был развит теоретический аппарат атомной физики, в который бы вписывались рентгеновские лучи. Мы встретимся с ними чуть позже в более подходящем контексте.

В 1870-х годах Томсон занимал должность первого в истории профессора физики Кавендишской лаборатории – основанного Максвеллом научного центра в Кембридже. Он разработал эксперимент, который основывался на уравновешивании электрических и магнитных свойств движущейся и заряженной частицы[4]4
  Слово «разработал» является наиболее подходящим в данном контексте. Дж. Дж. Томсон пользовался дурной славой неряхи и планировал блистательные эксперименты, которые выполняли другие. Считается, будто его сын Джордж говорил, что, хотя Дж. Дж. (как все его называли) «мог определить недостатки устройства с непревзойденной точностью», это полностью лишало его возможности «исправить проблему самому». (См.: Барбара Ловетт Кляйн, «Вопрошающие», с. 13.)


[Закрыть]. Траектория такой частицы может отклоняться как магнитным, так и электрическим полем, и прибор Томсона был сконструирован таким образом, что эти два эффекта нивелировали друг друга, так что оставался лишь пучок катодных лучей, двигавшихся напрямую от отрицательно заряженной металлической пластины (катода) к экрану детектора. Этот трюк работает только для электрически заряженных частиц, поэтому Томсон установил, что катодные лучи на самом деле являются отрицательно заряженными частицами (теперь называемыми электронами). Он смог использовать уравновешивание электрических и магнитных сил, чтобы рассчитать отношение электрического заряда электрона к его массе (е/m). Какой бы металл ни использовался в качестве материала для катода, Томсон всегда получал один и тот же результат и сделал вывод, что электроны являются частью атомов и что, хотя различные элементы состоят из различных атомов, все атомы содержат одинаковые электроны.

Это было не случайное удачное открытие, как открытие рентгеновских лучей, а итог аккуратного планирования и мастерских экспериментов. Кавендишскую лабораторию создал Максвелл, но именно под руководством Томсона она стала лидером в экспериментальной физике и, возможно, лидирующей физической лабораторией в мире, и принесла множество открытий, которые в XX веке привели к новому пониманию физики. Кроме самого Томсона, Нобелевскую премию получили еще семь человек, работавших с ним в лаборатории до 1914 года. Кавендишская лаборатория и в наши дни остается мировым центром физики.