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

Катодные лучи, которые двигались по вакуумной трубке от отрицательно заряженной пластины, оказались отрицательно заряженными частицами, электронами. Атомы, однако, электрически нейтральны, а потому логично, что существуют и позитивно заряженные противоположности электронов – атомы, у которых отняли часть отрицательного заряда. В 1898 году Вильгельм Вин из университета Вюрцбурга впервые изучил эти положительные лучи, выяснив, что частицы, из которых они состоят, значительно тяжелее электронов, как будто бы это были атомы, которым просто не хватало электрона. Завершив эксперименты с катодными лучами, Томсон решил исследовать эти положительные лучи в серии сложных экспериментов, которые продолжались и в течение 1920-х годов. Сегодня эти лучи называются ионизированными атомами, или просто «ионами», а во времена Томсона их называли каналовыми лучами, потому что он изучал их, используя модифицированную трубку для катодных лучей, в которой вакуумный насос оставлял небольшое количество газа. Электроны, двигавшиеся сквозь этот газ, вступали во взаимодействие с его атомами и выбивали из них другие электроны, оставляя положительно заряженные ионы, на которые можно было оказывать воздействие при помощи электрического и магнитного полей таким же образом, как Томсон оказывал воздействие на сами электроны. К 1913 году группа Томсона произвела измерения отклонения положительно заряженных ионов водорода, кислорода и других газов. Одним из газов, которые Томсон использовал в этих опытах, был неон. Неон, через который проходит электрический заряд в вакуумной трубке, ярко вспыхивает, и аппарат Томсона стал предшественником современной неоновой трубки. Но его открытие было гораздо важнее, чем изобретение нового способа рекламы.

В отличие от электронов, которые имеют одно и то же отношение заряда к массе е/т, существует три различных типа ионов неона, которые имеют такой же заряд, как и электрон, однако не отрицательный (—е), а положительный (+е), но разные массы. Это стало первым свидетельством того, что химические элементы часто включают в себя атомы с разной массой (разной атомной массой), но одинаковыми химическими свойствами. Теперь такие варианты элементов называют «изотопами», но объяснение их существования смогли обнаружить лишь гораздо позже. Однако Томсон уже тогда располагал достаточным объемом информации, чтобы сделать первый шаг к описанию внутренней структуры атома, который был не неделимой основной частицей, как полагали некоторые древнегреческие философы, а совокупностью положительных и отрицательных зарядов, из которой можно вырывать электроны.

Томсон представил атом как своего рода арбуз – относительно крупную сферу, по которой был распределен весь положительный заряд и куда были, подобно семечкам, внедрены маленькие электроны, каждый из которых нес в себе частицу отрицательного заряда. Как выяснилось, он ошибался, но он предоставил ученым мишень для стрельбы – и постоянные тренировки привели их к более точному пониманию структуры атома. Чтобы узнать, как именно это произошло, нам нужно отступить на шаг назад в историю науки, а затем сделать два шага вперед.

Ключевым открытием для понимания структуры атома стало совершенное в 1896 году открытие радиоактивности. Как и обнаружение рентгеновских лучей, состоявшееся несколькими месяцами ранее, оно произошло по счастливому стечению обстоятельств, хотя в обоих случаях это счастливое стечение обстоятельств не могло не произойти в какой-нибудь физической лаборатории того времени. Как и многие физики в 1890-х годах, Вильгельм Рентген экспериментировал с катодными лучами. Когда эти лучи – электроны – сталкиваются с материальным объектом, в результате их столкновения происходит вторичное излучение. Это излучение невидимо, можно заметить только его воздействие на фотографическую пластинку или пленку либо на аппарат, называемый флуоресцентным экраном, который искрится, принимая на себя излучение. Случилось так, что во время проведения опытов с катодными лучами на столе в лаборатории Рентгена лежал такой экран, и ученый сразу заметил, что экран вспыхивал при работе отводящей трубки в опыте с катодными лучами. Это привело его к открытию вторичного излучения, которое он обозначил как «икс», ведь икс обычно используется в математических уравнениях в качестве неизвестной. Вскоре выяснилось, что рентгеновские лучи ведут себя, как волны (теперь мы знаем, что они представляют собой особую форму электромагнитного излучения и очень похожи на световые волны, но при этом длина этих волн значительно короче), и это открытие, сделанное в немецкой лаборатории, помогло подтвердить мнение большинства немецких ученых о том, что катодные лучи, должно быть, тоже являются волнами.

Об открытии рентгеновских лучей было объявлено в декабре 1895 года, и это вызвало переполох в научном сообществе. Другие ученые стали пытаться найти иные способы создания рентгеновских лучей или подобных форм излучения, и первым преуспел Анри Беккерель, который работал в Париже. Самым удивительным свойством рентгеновского излучения стало то, что оно могло беспрепятственно проходить через многие непрозрачные вещества, например сквозь черную бумагу, создавая снимок на фотографической пластине, не подвергавшейся воздействию света. Беккереля интересовало фосфоресцирование, то есть способность вещества, которое раньше поглощало свет, излучать его. Флуоресцентный экран наподобие того, который использовался при открытии рентгеновского излучения, испускает свет только тогда, когда его «раздражает» попадающее на него излучение, в то время как фосфоресцирующее вещество обладает способностью накапливать попадающее на него излучение и высвобождать его в форме постепенно меркнущего света в течение нескольких часов после того, как его поместили в темноту. Было естественно поискать связь между фосфоресценцией и рентгеновским излучением, но открытие Беккереля стало столь же неожиданным, как и само открытие рентгеновских лучей.

В феврале 1896 года он обернул фотографическую пластину двойным слоем черной бумаги, пропитал бумагу бисульфатом урана и калия и оставил все это на несколько часов под солнцем. Когда он достал пластину, на ней видна была граница пропитанной химикатами области. Беккерель решил, что солнце привело к возникновению рентгеновского излучения в слое химикатов – соли урана – по тому же принципу, по которому возникает фосфоресцирование. Через два дня он таким же образом подготовил еще одну пластину для повторения опыта, но в тот день и на следующий небо было затянуто облаками, а потому подготовленная пластина осталась в его кабинете. Первого марта Беккерель вытащил пластину и снова обнаружил на ней границу соли урана. Что бы ни воздействовало на обе пластины, это не имело отношения к солнечному свету или эффекту фосфоресцирования, а, как выяснилось, было ранее неизвестной формой излучения, которое производил сам уран – спонтанно, без какого-либо внешнего воздействия. Сейчас эта способность к спонтанному излучению называется радиоактивностью.

Вдохновленные открытием Беккереля, другие ученые принялись за изучение радиоактивности, и вскоре экспертами в новой ветви науки стали Мария и Пьер Кюри, работавшие в Сорбонне. За изучение радиоактивности и открытие новых радиоактивных элементов они в 1903 году получили Нобелевскую премию по физике, а в 1911 году Мария получила вторую Нобелевскую премию – уже по химии – за дальнейшую работу с радиоактивными материалами (в 1930-х годах дочь Марии и Пьера Кюри Ирен тоже получила Нобелевскую премию за изучение радиоактивности). В начале 1900-х годов экспериментальные открытия в сфере радиоактивности значительно опережали теорию: целая серия практических результатов лишь позже оказалась подкреплена теоретическими знаниями. В этот период один человек особенно выделялся своими исследованиями радиоактивности, и это был Эрнест Резерфорд.

Резерфорд происходил из Новой Зеландии и в 1890-х годах работал вместе с Томсоном в Кавендишской лаборатории. В 1898 году он стал профессором физики в университете Макгилла в Монреале, и там в 1902 году вместе с Фредериком Содди доказал, что радиоактивность предполагает трансформацию радиоактивного элемента в другой элемент. Именно Резерфорд выяснил, что в процессе радиоактивного «распада» (как он теперь называется) производится два типа излучения, которые он назвал альфа– и бета-излучениями. Когда позже был открыт третий тип излучения, его, естественно, назвали гамма-излучением. Альфа– и бета-излучения, как выяснилось, представляли собой поток быстро двигавшихся частиц. Вскоре было доказано, что бета-лучи представляют собой электроны и являются радиоактивным эквивалентом катодных лучей, а затем доказали, что гамма-лучи – это еще одна форма электромагнитного излучения, подобная рентгеновским лучам, но с еще более короткой длиной волны. Альфа-частицы, однако, оказались чем-то совершенно иным – масса этих частиц примерно в четыре раза превышала массу атома водорода, а электрический заряд был в два раза больше заряда электрона, при этом будучи положительным, а не отрицательным.

Никто еще не знал, что представляют собой альфа-частицы или как они на огромной скорости испускаются атомом, который в процессе этого превращается в атом другого элемента, но исследователи вроде Резерфорда нашли им применение. Такие высокоэнергетические частицы, будучи продуктом атомных реакций, могли использоваться в качестве моделей для изучения структуры атомов и, в очередной раз подтверждая цикличность научных исследований, помочь выяснить, откуда появляются сами альфа-частицы. В 1907 году Резерфорд уехал из Монреаля и стал профессором физики в университете Манчестера в Англии, а в 1908 году получил Нобелевскую премию по химии за свои исследования радиоактивности, и это позабавило ученого. Хотя изучение элементов рассматривалось Нобелевским комитетом как работа в области химии, сам Резерфорд считал себя физиком и не уделял химии, которая казалась ему наукой второго сорта, особенного внимания. (Новое понимание структуры атомов и молекул, предоставленное квантовой физикой, конечно, лишь подтвердило старую физическую шутку о том, что химия – это лишь ветвь физики.) В 1909 году Ханс Гейгер и Эрнест Марсден, работавшие на кафедре Резерфорда в Манчестере, провели серию опытов, в которых пучок альфа-частиц был направлен на тонкую металлическую фольгу и сквозь нее. В опытах использовались альфа-частицы, излучаемые естественно радиоактивными атомами, ведь в те времена еще не было генераторов искусственных частиц. Судьба частиц, направленных на металлическую фольгу, определялась сцинтилляционными детекторами, флуоресцентными экранами, которые вспыхивали при столкновении с такой частицей. Некоторые частицы прошли прямо сквозь фольгу, другие отклонились и прошли под углом к изначальному пучку, а третьи, к удивлению экспериментаторов, отразились от фольги и остались на той же стороне, с которой ее поразил пучок. Как это могло произойти?

Резерфорд дал этому объяснение. Каждая альфа-частица обладает массой, в 7000 раз превышающей массу электрона (фактически альфа-частица идентична атому гелия без двух электронов), и может двигаться на скорости, близкой к скорости света. Если такая частица сталкивается с электроном, она отбрасывает электрон в сторону и продолжает движение без каких-либо изменений. Отклонения должны объясняться положительным зарядом атомов металлической фольги (одинаковые заряды, как и одинаковые магнитные поля, отталкиваются друг от друга), но если арбузная модель Томсона была верной, частицы не могли отражаться. Если атом заполняла сфера положительного заряда, то альфа-частицы должны были проходить сквозь нее, ведь опыт показал, что большая часть частиц проходила прямо сквозь фольгу. Если арбуз пропустил сквозь себя одну частицу, он должен был пропустить и все остальные. Но если весь положительный заряд концентрировался в крошечном объеме, гораздо меньшем, чем объем целого атома, то время от времени альфа-частицы, со всего разбега налетающие на этот маленький сгусток материи и заряда, должны были отскакивать назад, в то время как большая часть альфа-частиц проходила бы сквозь пустое пространство между этими сгустками материи. Только таким образом положительный заряд атома мог иногда отталкивать положительно заряженные альфа-частицы, порой слегка сбивая их с пути, а порой практически не оказывая на них влияния.

Итак, в 1911 году Резерфорд предложил новую модель атома, которая стала основой нашего современного понимания атомной структуры. Он заявил, что в атоме должен быть маленький центр, который он назвал ядром. Ядро содержит в себе весь положительный заряд атома, который равен и противоположен отрицательному заряду облака электронов, окружающего ядро, и таким образом вместе ядро и электроны формируют электрически нейтральный атом. Последующие эксперименты показали, что размер ядра составляет всего около одной стотысячной размера всего атома: диаметр ядра обычно равняется 10^-13 см, а диаметр облака электронов – 10^-8 см. Чтобы вообразить себе это, представьте булавочную головку диаметром около миллиметра в центре собора Святого Петра, окруженную облаком микроскопических частичек пыли, выходящих далеко – скажем, на 100 метров – за пределы купола собора. Булавочная головка – это ядро атома, а частички пыли – это электроны. В атоме огромное количество свободного пространства, и все, казалось бы, твердые объекты материального мира состоят из таких пустых пространств, связанных вместе электрическими зарядами. Как вы помните, Резерфорд получил Нобелевскую премию, когда предложил новую модель атома (модель, основанную на опытах, которые он самостоятельно разработал). Но карьера его была еще далека от завершения, ведь в 1919 году он объявил о первой искусственной трансмутации элемента и в тот же год сменил Дж. Дж. Томсона на посту директора Кавендишской лаборатории. Его сначала посвятили в рыцари (в 1914 году), а затем, в 1931-м, сделали бароном Резерфордом Нельсоном. Несмотря на все это, включая Нобелевскую премию, самым значительным его вкладом в науку стала модель атома. Этой модели суждено было перевернуть всю физику, поставив очевидный вопрос: если противоположные заряды притягивают друг друга столь же сильно, как одинаковые заряды друг друга отталкивают, почему отрицательно заряженные электроны не падают на положительно заряженное ядро? Ответ нашелся в анализе взаимодействия атомов со светом, и это ознаменовало появление первого варианта квантовой теории.

Глава третья
Свет и атомы

Вопрос, поставленный моделью атома Резерфорда, покоился на известном факте, что движущийся электрический заряд, обладающий ускорением, испускает энергию в форме электромагнитного излучения: света, радиоволн или других подобных явлений. Если электрон просто находится рядом с ядром атома, то он должен упасть на ядро – то есть атом не будет стабильным. При разрушении такой атом должен испустить энергию. Чтобы справиться с этой склонностью атома к разрушению, естественным было предположить, что электроны вращаются вокруг ядра подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца в Солнечной системе. Однако орбитальное движение предполагает наличие постоянного ускорения. Модуль скорости вращающейся частицы может оставаться неизменным, но направление ее движения меняется, и важным является то, что скорость (будучи вектором. – Примеч. пер.) определяется и модулем, и направлением. Если скорость вращающихся электронов изменилась, то они должны испустить энергию, а поскольку они потеряли ее часть, то в результате они должны упасть на ядро. Даже введя в модель орбитальное движение, теоретики не могли избавить атом Резерфорда от разрушения.

Пытаясь улучшить эту модель, теоретики отталкивались от представления об электронах, вращающихся вокруг ядра, и стремились найти способ удержать их на орбитах без потери энергии и падения на ядро. Это было естественной начальной точкой, которая хорошо согласовывалась с представлением о Солнечной системе. Однако это было неверно. Как мы увидим, это настолько же ошибочно, как представлять электроны находящимися в пространстве на некотором расстоянии вокруг ядра и не вращающимися вокруг него. Проблема та же самая – как предотвратить падение электронов? – однако это, как по волшебству, рождает совершенно другую картину, нежели та, в которой планеты вращаются вокруг Солнца. И это очень хорошо. Чтобы объяснить, почему электроны не падают, теоретики применили трюк, который не зависит от того, используем мы орбитальную аналогию или нет. Является ли она чрезмерной и неверной, также не имеет значения. Большинство людей до сих пор считают – из школы или популярной науки, – что атом подобен Солнечной системе и в центре него находится ядро, вокруг которого по круговым орбитам вращаются электроны. Теперь настало время избавиться от этого представления и постараться без предубеждений воспринять странный мир атома – мир квантовой механики. Давайте просто представим ядро и электроны, находящиеся рядом в пространстве, и зададимся вопросом, почему притяжение между положительным и отрицательным зарядами не приводит к тому, что атом разрушается, испуская при этом энергию.

К моменту, когда во втором десятилетии XX века теоретики начали ломать голову над этой загадкой, уже были сделаны важные открытия, которые должны были дать им улучшенную модель атома. Они основывались на изучении того, как материя (атомы) взаимодействует с излучением (светом).

В начале XX века лучший научный взгляд на природу предполагал дуализм. Материальные объекты могли быть описаны с помощью частиц или атомов, однако электромагнитное излучение, в том числе свет, должно было рассматриваться с позиции волн, поэтому изучение взаимодействия света и материи в 1900-х годах, казалось, должно было стать лучшим шансом для объединения физики. Однако именно при попытке объяснить, как излучение взаимодействует с материей, классическая физика, настолько успешная во всех остальных областях, потерпела неудачу.

Проще всего увидеть (в буквальном смысле), как материя взаимодействует с излучением, посмотрев на горячий предмет. Горячий предмет испускает электромагнитную энергию, и чем он горячее, тем больше энергии испускается, при этом длина волны становится короче (а частота – выше). Поэтому нагретая докрасна кочерга холоднее, чем нагретая добела, а кочерга, которая недостаточно нагрета, чтобы излучать видимый свет, может все равно казаться теплой, поскольку она испускает низкочастотное инфракрасное излучение. Даже в конце XIX столетия было очевидно, что это электромагнитное излучение должно быть связано с движением крошечных электрических зарядов. Сам электрон был только открыт, но легко видеть, как заряженная часть атома, которую мы теперь отождествляем с электроном, колеблясь из стороны в сторону, может создавать поток электромагнитных волн, почти как дергающийся в воде палец может распространять вокруг себя рябь.

Проблема заключалась в том, что сочетание лучших классических теорий – статистической механики и электромагнетизма – предсказывало, что излучение должно быть совершенно другим, нежели то, которое наблюдается от горячих предметов.

Чтобы сделать эти предположения, теоретики, как обычно, использовали идеализированный воображаемый пример – в этом случае «идеальный» поглотитель или испускатель излучения. Такой предмет обычно называется «абсолютно черным телом», поскольку он поглощает все излучение, которое падает на него. Название это, однако, не слишком подходит такому предмету, так как абсолютно черное тело, как выяснилось, эффективнее всего превращает тепловую энергию в электромагнитное излучение: «абсолютно черное тело» легко может быть накалено докрасна или добела – в некотором роде даже поверхность Солнца ведет себя как абсолютно черное тело. В отличие от многих идеализированных концепций, разработанных теоретиками, абсолютно черное тело легко создать в лаборатории. Для этого достаточно взять полую сферу или трубку с запаянными концами и проделать в ней небольшое отверстие. Любое излучение, такое как свет, которое проникнет внутрь через это отверстие, окажется запертым внутри и будет отражаться от стенок сосуда до своего поглощения. Вероятность того, что оно выйдет наружу через то же самое отверстие, очень мала, поэтому отверстие в сущности является абсолютно черным телом. Это дает излучению другое имя: излучение абсолютно черного тела.

Нам, однако же, более интересно, что происходит с абсолютно черным телом при его нагревании. Как и кочерга, оно сначала становится теплым, а потом раскаляется докрасна или добела в зависимости от температуры. Спектр испускаемого излучения – распределение излучения по длинам волн – можно изучить в лаборатории, наблюдая за тем, что выходит из маленького отверстия на боку горячего сосуда, и наблюдения показывают, что он зависит только от температуры абсолютно черного тела. На очень малых длинах волн (высоких частотах) излучения очень мало, как и на очень больших длинах волн, тогда как большая часть энергии испускается на средних частотах. Пик спектра сдвигается в сторону более коротких длин волн, по мере того как тело нагревается (от инфракрасного к красному, синему и ультрафиолетовому участку спектра), однако всегда существует обрыв на очень коротких длинах волн. Именно здесь измерения излучения абсолютно черного тела в конце XIX столетия вступили в противоречие с теорией.

Звучит странно, но лучшие предсказания классической теории сходились на том, что полость, полная излучения, на самых коротких длинах волн должна всегда обладать бесконечным количеством энергии – и вместо пика в спектре абсолютно черного тела и падения энергии до нуля при нулевой длине волны измерения должны зашкалить на коротковолновом участке. Эти вычисления были основаны на кажущемся естественным предположении, что электромагнитные волны излучения в полости могут рассматриваться таким же образом, как колебания струны, например струны скрипки, и что могут существовать волны любого размера – любой длины волны и частоты. Поскольку необходимо учесть очень много различных длин волн (много «колебательных мод»), законы статистической механики должны быть перенесены из мира частиц в мир волн, с тем чтобы предсказать поведение излучения в полости, и это напрямую ведет к выводу, что энергия, испускаемая на каждой частоте, прямо пропорциональна ей. Частота является всего лишь обратной величиной от длины волны, и очень короткие длины волн означают очень высокие частоты. Поэтому полное излучение абсолютно черного тела должно давать огромное количество высокочастотной энергии – то есть в зоне ультрафиолета и далее. Чем больше частота, тем больше энергия. Это предсказание называется ультрафиолетовой катастрофой и показывает, что в предположениях, на которых оно основано, присутствует какая-то ошибка.

Однако не все потеряно. На низкочастотном участке спектра абсолютно черного тела наблюдения очень хорошо согласуются с предсказаниями, основанными на классической теории и известными как закон Рэлея – Джинса. По крайней мере, классическая теория верна наполовину. Загадка в том, почему энергия колебаний на высоких частотах не является очень большой и в действительности падает до нуля, по мере того как увеличивается частота излучения.

Эта загадка привлекла внимание многих физиков последнего десятилетия XIX века. Одним из них был немецкий физик старой школы Макс Планк. Будучи трудолюбивым и основательным, Планк был по духу консерватором, а не революционером. Он питал особенный интерес к термодинамике, и самой главной его надеждой в то время было разрешить ультрафиолетовую катастрофу, применив законы термодинамики. В конце 1890-х годов было известно два приблизительных уравнения, которые вместе давали грубое выражение спектра абсолютно черного тела. Ранняя версия закона Рэлея – Джинса работала при больших длинах волн, а Вильгельм Вин предложил формулу, которая примерно соответствовала наблюдениям при малых длинах волн, а также «предсказал» длину волны, соответствующую пику кривой при любой температуре. Планк начал с исследования того, как маленькие электрические осцилляторы должны поглощать и излучать электромагнитные волны, – этот подход отличался от того, который Рэлей использовал в 1900 году, а Джинс немного позже, – но именно он привел к получению стандартной кривой, заканчивающейся ультрафиолетовой катастрофой. С 1895 по 1900 год Планк изучал эту проблему и опубликовал несколько ключевых работ, которые определили связь между термодинамикой и электродинамикой, – и все же он не мог разрешить загадку спектра абсолютно черного тела. В 1900 году он совершил прорыв, но не благодаря спокойному и взвешенному логическому подходу, а в результате удачного стечения обстоятельств: в отчаянии он смешал удачу и вдохновение с одним из использовавшихся им математических инструментов, который он, к счастью, понимал неправильно.

Конечно, никто сегодня не может точно знать, что творилось в голове Планка, когда он сделал революционный шаг, ведущий к квантовой механике, но его работа была тщательно изучена историком Мартином Кляйном из ħельского университета, который специализируется на истории физики периода рождения квантовой теории. Кляйн, вероятно, точнее всего воссоздал роли, которые сыграли Планк и Эйнштейн в этом рождении, и это ставит открытие в убедительный исторический контекст. Первый шаг, сделанный в конце лета 1900 года, не был связан с удачей и был обязан всем вдохновению талантливого физика-математика. Планк понял, что два неполных описания спектра абсолютно черного тела могут быть связаны одной простой математической формулой, которая описывала форму всей кривой, – в действительности он использовал небольшой математический фокус, чтобы свести воедино две формулы: закон смещения Вина и закон Рэлея – Джинса. Это был большой успех. Уравнение Планка прекрасно согласовывалось с наблюдениями излучения абсолютно твердого тела. Однако в отличие от двух полузаконов, на которых оно базировалось, в нем не было физической основы. И Вин, и Рэлей, и даже Планк в предшествующие четыре года пытались построить на основе разумных физических предположений теорию, которая вела бы к кривой абсолютно черного тела. Теперь же Планк вытащил правильную кривую из шляпы, и никто не знал, какие физические допущения «присутствовали» в этой кривой. Выяснилось, что они были совершенно «неразумны».