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

Нам пришлось бы долго и нудно перечислять все мельчайшие усовершенствования модели атома Бора, которые были сделаны до 1926 года, а потом обреченно сказать, что большинство этих дополнений, стремившихся к истине, все равно было ошибочно. Однако атом Бора так прочно вошел в учебники и популярную литературу, что невозможно совсем обойти его вниманием. В своей итоговой версии он стал практически последней моделью атома, которая хоть как-то напоминает тот образ, к которому мы привыкли в обычной жизни.

Неделимый цельный атом древности оказался не просто делимым: выяснилось, что внутри него огромное количество пустого пространства, в котором находятся странные частицы, ведущие себя странным образом. Бор предложил модель, которая ставила некоторые особенности их странного поведения в контекст, близкий к повседневному. Хотя в некотором роде и лучше отказаться от всех обычных идей, прежде чем полностью погрузиться в квантовый мир, большинство людей с радостью делают паузу, чтобы разобраться с моделью Бора, прежде чем совершить это погружение. Давайте остановимся на полпути от классической физики к квантовой теории, чтобы перевести дух, немного отдохнуть и только потом ступить в неизвестность. Но не будем тратить время и силы на то, чтобы отследить все ошибки и полуправды, которые возникали в процессе постепенного развития модели Бора и ядра вплоть до 1926 года. Вместо этого я взгляну на атом Бора из 1980-х, чтобы описать современное прочтение идей Бора и его коллег, включая несколько кусочков мозаики, которые, в общем-то, обрели свое место гораздо позже.

Атомы крайне малы. Число Авогадро является числом атомов водорода в одном грамме газа. В повседневной жизни мы не встречаемся с газом водорода, однако чтобы хоть как-то представить себе, насколько малы атомы, давайте вообразим кусок углерода – уголь, алмаз или сажу. Поскольку каждый атом углерода весит в двенадцать раз больше атома водорода, такое же число атомов углерода, как в грамме водорода, весит двенадцать граммов. Ложка сажи, довольно крупный алмаз или довольно маленький кусок угля весят примерно по десять граммов. Именно столько углерода содержит число атомов, равное числу Авогадро – 6 × 10²³ (шестерка с двадцатью тремя нулями). Как поместить это число в перспективу? Огромные числа часто называют «астрономическими», а многие астрономические числа действительно огромны, поэтому давайте попытаемся найти сравнимо крупное число в астрономии.

По оценкам астрономов, возраст Вселенной составляет чуть меньше 15 миллиардов лет, 15 × 10⁹. Очевидно, что 10²³ гораздо больше, чем в 10⁹. Давайте превратим возраст Вселенной в еще большее число, используя минимальную единицу времени, которую можно легко ощутить, – секунду. В году 365 суток, в сутках 24 часа, а каждый час состоит из 3600 секунд. Округлив, получим, что год содержит около 32 миллионов, или 3 × 10⁷, секунд. Таким образом, 15 миллиардов лет содержат в себе 45 × 10¹⁶ секунд, ведь для перемножения чисел вроде 10⁹ и 10⁷ необходимо сложить их степени, что в итоге дает 10¹⁶. Итак, в грубом приближении возраст Вселенной в секундах составляет 5 × 10¹⁷.

Однако это еще не может сравниться с 6 × 10²³ – разница составляет еще шесть степеней десятки. Казалось бы, это не так уж страшно, учитывая, что десять возводится в двадцать третью степень, но что это вообще-то значит? Мы делим 6 × 10²³ на 5 × 10¹⁷ и, вычисляя разницу степеней, получаем чуть больше 1 × 10⁶, или миллиона. Представьте сверхъестественное существо, которое наблюдает за развитием нашей Вселенной с момента Большого взрыва. У этого существа есть десять граммов чистого углерода и тонкие щипцы, которыми можно вытаскивать отдельные атомы углерода из горстки. Приступив к этому в момент начала Большого взрыва, в котором родилась наша Вселенная, существо вытаскивает из горстки по одному атому в секунду и выбрасывает их. В таком случае к настоящему моменту вытащено уже 5 × 10¹⁷ атомов. Много ли это? Непрерывно работая на протяжении 15 миллиардов лет, сверхъестественное существо вытащило только около одной миллионном атомов углерода: в горстке все еще остается в миллион раз больше атомов, чем уже выброшено.

Возможно, теперь у вас появилось примерное представление о том, насколько мал атом. Неожиданность не в том, что модель атома Бора является грубой и легкой аппроксимацией, и не в том, что законы повседневной физики к атомам неприменимы. Чудо в том, что мы понимаем об атоме хоть что-то и способны найти пути соединения классической ньютоновской физики и атомной квантовой физики.

Таким и является атом – насколько вообще можно составить реальное представление о чем-то столь малом. Как показал Резерфорд, крошечное центральное ядро окружено облаком электронов, снующих рядом, подобно пчелам. Сперва считали, что ядро состоит только из протонов, каждый из которых имеет положительный заряд, равный заряду электрона, что делает каждый атом электрически нейтральным. Позже выяснилось, что существует еще одна фундаментальная частица, очень похожая на протон, но не обладающая зарядом. Она называется нейтроном и вместе с протонами присутствует в ядрах всех атомов, за исключением простейшей формы водорода. Но число протонов в нейтральном атоме действительно совпадает с числом электронов. Количество протонов в ядре определяет, атому какого элемента оно принадлежит, количество электронов в облаке (равное количеству протонов) определяет химический состав этого атома и элемента. Однако некоторые атомы могут иметь одинаковое количество протонов и электронов и при этом различаться по количеству нейтронов, тем самым образуя разные вариации одного и того же химического элемента, которые называются изотопами. Это название в 1913 году предложил Содди. Оно происходит от греческой фразы «одно место», так как было открыто, что атомы различного веса могут иметь одинаковое место в таблице химических свойств, то есть в периодической таблице Менделеева. В 1921 году Содди получил Нобелевскую премию по химии за свою работу с изотопами.

Простейший изотоп простейшего элемента представляет собой самую распространенную форму водорода, в которой содержится один протон и один электрон. Атом дейтерия состоит из одного протона и одного нейтрона, а также одного электрона, но его химические свойства не отличаются от свойств обычного водорода. Так как протоны и нейтроны обладают практически одинаковой массой и каждый из них примерно в 2000 раз тяжелее электрона, суммарное количество протонов и нейтронов в ядре определяет практически всю массу атома, за исключением маленькой части. Обычно она обозначается числом А, называемым массовым числом. Количество протонов в ядре, которое определяет свойства элемента, называется атомным числом (Ζ). Единица измерения атомных масс вполне закономерно называется единицей атомной массы и равняется одной двенадцатой массы изотопа углерода, ядро которого содержит шесть протонов и шесть нейтронов. Этот изотоп называется углерод-12 и на письме обозначается как ¹²С. Другими изотопами являются ¹³С и ¹⁴С, ядра которых содержат семь и восемь нейтронов соответственно.

Чем тяжелее ядро (чем больше в нем протонов), тем больше существует изотопов. В ядре олова, например, содержится пятьдесят протонов (Ζ = 50), что дает олову десять стабильных изотопов, массовые числа которых находятся в диапазоне от А=112 (62 нейтрона) до А=124 (74 нейтрона). Число нейтронов в стабильных ядрах (за исключением простейшего атома водорода) всегда как минимум равняется числу протонов. Нейтральные нейтроны помогают удерживать вместе положительно заряженные протоны, которые имеют тенденцию отталкиваться друг от друга. Радиоактивность присуща нестабильным изотопам, которые преобразуются в стабильную форму и в процессе испускают излучение. Бета-луч – это электрон, который вылетает из атома, когда нейтрон становится протоном, а альфа-частица – это само атомное ядро, два протона и два нейтрона (ядро гелия-4), которая вылетает, когда нестабильное ядро перестраивает свою внутреннюю структуру. Очень тяжелые нестабильные ядра разделяются на два или более стабильных ядра с меньшей массой посредством хорошо известного сегодня ядерного, или атомного, распада, в ходе которого также испускаются альфа– и бета-частицы. Все это происходит в почти невообразимо меньшем масштабе, чем даже невообразимо малый масштаб самого атома. Диаметр среднего атома составляет 10^-10 метра, радиус ядра составляет примерно 10^-15 метра, что в 10⁵ раз меньше атома. Так как объем пропорционален радиусу в кубе, необходимо умножить степень на три, и мы получим, что объем ядра в 10¹⁵ раз меньше объема атома.

Облако электронов является внешней частью атома, с помощью которой он взаимодействует с другими атомами. Неважно, что находится глубоко внутри этого электронного облака, – другой атом «видит» и «чувствует» лишь электроны, и именно взаимодействие электронных облаков отвечает за химию. Объясняя широкий спектр свойств электронного облака, модель атома Бора дает химии научную основу. Химики уже знали, что некоторые элементы имеют весьма схожие химические свойства, хотя их атомные массы различны. Если сгруппировать элементы в таблицу согласно их атомной массе (и особенно если учесть также различные изотопы), то эти схожие элементы оказываются на одинаковых интервалах, например одна из закономерностей повторяется каждые восемь элементов. Таблица, элементы в которой сгруппированы согласно одинаковым свойствам, называется периодической таблицей, или таблицей Менделеева.

В июне 1922 года Бор посетил университет Геттингена в Германии и прочитал серию лекций по квантовой теории и атомной структуре. Под руководством Макса Борна, который в 1921 году получил там звание профессора теоретической физики, Геттинген стал одним из трех ключевых центров развития полноценной версии квантовой механики. Борн родился в 1882 году и был сыном профессора анатомии университета Бреслау. В начале 1900-х годов, когда появились первые идеи Планка, он еще был студентом. Сперва он изучал математику, а к физике обратился после завершения своей докторской в 1906 году (и некоторое время проработал в Кавендишской лаборатории). Как мы увидим, это дало ему важные навыки. Будучи экспертом в теории относительности, Борн писал работы с исключительной математической точностью, что сильно отличалось от запутанных теоретических набросков Бора, которые содержали блестящие идеи и физическую интуицию, но зачастую требовали доработки в математической части. Однако оба гения были важны для нового понимания атомов.

Рис. 4.2. Атомы некоторых простейших элементов зачастую можно представить как ядро, окруженное электронами в оболочках, соответствующих энергетическим уровням. Квантовые законы позволяют только двум электронам находиться на нижнем уровне, поэтому литий, имеющий три электрона, имеет один электрон на второй ступени энергетической лестницы. Вторая оболочка может «вместить» восемь электронов, поэтому у углерода она заполнена ровно наполовину, что является причиной его интересных химических свойств, лежащих в основе жизни.

Лекции Бора в июне 1922 года стали важной вехой в возрождении физики в послевоенной Германии, а также в истории квантовой теории. На них присутствовали ученые со всей Германии, и лекции прозвали «Фестивалем Бора» (с намеком на некоторые другие известные немецкие праздники). На этих лекциях, сперва подготовив себе почву, Бор представил первую успешную теорию о Периодической таблице, которая в сущности дожила и до наших дней. Идея Бора основывалась на том, как электроны окружают ядро атома. Каким бы ни было атомное число этого ядра, первый электрон отправляется на энергетический уровень, соответствующий основному уровню водорода. Следующий электрон оседает на том же самом энергетическом уровне, и внешне атом уже походит на атом гелия, обладающего двумя электронами. Бор утверждал, что на этом уровне больше нет места для электронов, а потому следующий электрон должен осесть на другом энергетическом уровне. Таким образом, атом с тремя протонами в ядре и тремя электронами вне ядра должен содержать два электрона, посаженных ближе к ядру, и один – чуть дальше. В химическом отношении он должен вести себя подобно атому с одним электроном (атому водорода). Элемент с Ζ = 3 – это литий, который действительно проявляет некоторое химическое сходство с водородом. Следующий элемент Периодической таблицы, свойства которого сходны со свойствами лития, – это натрий (Ζ = 11), находящийся на восемь клеток дальше лития. В связи с этим Бор заявил, что на энергетических уровнях, расположенных дальше двух внутренних электронов, должно быть восемь мест. Когда они заполняются, следующий электрон, одиннадцатый по счету, должен оседать на следующем энергетическом уровне, связанном с ядром еще слабее, снова копируя внешний вид атома с одним-единственным электроном.

Эти энергетические уровни называются «оболочками». Объяснение Периодической таблицы, предложенное Бором, с успехом включало в себя заполнение оболочек по мере увеличения Ζ. Оболочки можно представить себе в виде луковицы, имеющей много слоев. Химические свойства определяются числом электронов на внешней оболочке атома. Находящееся глубже играет второстепенную роль в том, как один атом взаимодействует с другими.

Рис. 4.3. Когда один атом углерода создает связь с четырьмя атомами водорода, электроны распределяются так, что у каждого атома водорода как будто заполняется первая оболочка (два электрона) и каждый атом углерода «видит» на своей второй оболочке восемь электронов. Это очень стабильная конфигурация.

Бор шел по электронным оболочкам от ядра атома к его периферии, используя все свидетельства, предоставленные спектроскопией, и объяснил взаимосвязь элементов в периодической системе с точки зрения атомной структуры. Он понятия не имел, почему оболочка, содержащая восемь электронов, должна была считаться заполненной («замкнутой»), но не оставил ни у кого из своих слушателей сомнения в том, что открыл основополагающую истину. Как позже сказал Гейзенберг, Бор «ничего не доказал математически… он просто понял, что связь была примерно такой»[13]13
  Цит. по: Мехра Дж., Рехенберг X. Т. 1. С. 357.


[Закрыть]. В 1949 году, комментируя успех работы Бора, основанной на квантовой теории, в своих «Автобиографических заметках», Эйнштейн написал: «Это неустойчивое и противоречивое основание оказалось достаточным, чтобы позволить человеку, обладающему таким уникальным чутьем и здравым смыслом, как Бор, открыть основные законы спектральных линий и электронных оболочек атома, описав одновременно их влияние на химию, и это показалось мне истинным чудом – и кажется чудом даже сегодня»[14]14
  Op. cit. С. 359.


[Закрыть].

Химия изучает, как атомы взаимодействуют и объединяются, образуя молекулы. Почему углерод взаимодействует с водородом так, что четыре атома водорода объединяются с одним атомом углерода, образуя молекулу метана? Почему водород существует в форме молекул, каждая из которых состоит из двух атомов, тогда как атомы гелия не образуют молекул? И так далее. Оболочечная модель дала поразительно простые ответы. Каждый атом водорода имеет один электрон, тогда как у гелия их два. «Самая глубокая» оболочка заполняется, когда на ней оказываются два электрона. По неизвестной причине заполненные оболочки более стабильны – атомы «любят» заполненные оболочки. Когда два атома водорода объединяются, образуя молекулу, они делятся друг с другом электронами таким образом, что каждый атом выигрывает, получая замкнутую оболочку. Гелий уже обладает замкнутой оболочкой, поэтому он не заинтересован в таком взаимодействии и отказывается вступать с чем-либо в химическую связь.

Ядро углерода содержит шесть протонов, а рядом с ним находится шесть электронов. Два из них расположены на замкнутой внутренней оболочке, а четыре – на внешней, что делает ее наполовину пустой. Четыре атома водорода могут вступить во взаимодействие с четырьмя внешними электронами углерода и поделиться собственными электронами. Каждый атом водорода получает в итоге псевдозамкнутую оболочку с двумя внешними электронами, в то время как атом углерода получает псевдозамкнутую вторую оболочку с восемью электронами.

Бор утверждал, что атомы объединяются таким образом, чтобы как можно ближе подойти к созданию замкнутой внешней оболочки. Иногда, как в случае с молекулой водорода, лучше всего представить себе пару электронов, которые являются общими для двух ядер; в других случаях удобнее представить атом, имеющий один электрон на внешней оболочке (например, атом натрия), который отдает этот электрон другому атому, имеющему на внешней оболочке семь электронов и одно свободное место (в этом случае, например, атому хлора). Все атомы довольны: натрий, теряя электрон, позволяет более глубокой, но при этом заполненной оболочке стать «видимой», а хлор, получая электрон, заполняет свою внешнюю оболочку. Однако итоговый результат заключается в том, что атом натрия, теряя одну единицу отрицательного заряда, становится положительно заряженным ионом, а атом хлора становится отрицательно заряженным ионом. Так как противоположные заряды притягиваются, атомы остаются связанными в форме электрически нейтральной молекулы хлорида натрия, или обыкновенной соли.

Таким образом можно объяснить все химические реакции: фактически они представляют собой перераспределение электронов между атомами в целях достижения стабильности заполненных электронных оболочек. Энергетические переходы с участием внешних электронов дают характерный спектральный отпечаток элемента, в то время как энергетические переходы, в которых задействованы более глубокие оболочки (а следовательно, гораздо больше энергии, в рентгеновской части спектра), должны быть одинаковыми для всех элементов, что и было доказано. Как и все лучшие теории, модель Бора была подтверждена успешным предсказанием. Элементы были расставлены в Периодической таблице, но даже в 1922 году в ней существовало несколько пропусков, соответствующих еще не открытым элементам с атомными числами 43, 61, 72, 75, 85 и 87. Модель Бора точно предсказала свойства этих «недостающих» элементов и предположила, что элемент 72, в частности, должен был иметь свойства, схожие со свойствами циркония, а этот прогноз противоречил предсказаниям, сделанным на основе альтернативных моделей атома. Прогноз подтвердился в течение года, когда был открыт гафний, элемент 72, спектральные свойства которого в точности соответствовали предсказанным Бором.

Рис. 4.4. Отдавая единственный находящийся на внешней оболочке электрон, атом натрия достигает желаемой квантово-механической конфигурации и оказывается положительно заряженным. Хлор принимает этот дополнительный электрон, заполняя внешнюю оболочку, и приобретает отрицательный заряд. Заряженные ионы объединяются электростатическими силами, образуя молекулы и кристаллы поваренной соли (NaCl).

Это стало кульминацией старой квантовой теории. В течение трех лет она была отброшена, хотя с точки зрения химии представления об электронах как о крошечных частицах, вращающихся вокруг ядра в оболочках, которые «любят» быть заполненными (или пустыми, но не заполненными частично), недостаточно[15]15
  Здесь я, конечно, преувеличиваю простоту химии. Требуется «несколько больше», чтобы объяснить появление сложных молекул, и это объяснение было развито в конце 1920-х и в начале 1930-х годов на основе результатов полноценно развитой квантовой механики. Большую часть работы проделал Лайнус Полинг, более известный сегодня как пацифист и сторонник витамина С, который в 1954 году получил первую из двух своих Нобелевских премий с формулировкой «за изучение природы химической связи и ее применение к объяснению строения сложных веществ». Эти «сложные вещества», объясненные физикохимиком Полингом с помощью квантовой теории, открыли дорогу к изучению молекул жизни. Ключевое значение квантовой химии для молекулярной биологии в своей великой книге «Восьмой день творения» показал Хорас Джадсон – увы, эта подробная история выходит за рамки настоящего сочинения.


[Закрыть]. А если вас занимает физика газов, вам недостаточно и представления об атомах как о твердых неделимых бильярдных шарах. Физика XIX века хорошо работает в повседневности. Физика 1923 года неплоха для основ химии. А физика 1930-х годов переносит нас ближе, чем когда-либо, к пониманию фундаментальных истин. За более чем полвека не было прорыва, сравнимого с квантовой революцией, и на протяжении всего этого времени остальные науки пытались успеть за идеями нескольких гениев. Успех опыта Аспе, проведенного в Париже в начале 1980-х годов, ознаменовал начало конца этой гонки, дав первое прямое экспериментальное подтверждение тому, что даже самые странные аспекты квантовой механики являются буквальным описанием устройства реального мира. Итак, настало время узнать, насколько удивителен на самом деле квантовый мир.

Часть вторая
Квантовая механика

Вся наука – это либо физика, либо коллекционирование марок.

Эрнест Резерфорд 1871-1937

Глава пятая
Фотоны и электроны

Хотя Планк и Бор успешно показали дорогу к физике мельчайших частиц, которая отличается от классической механики, современное представление о квантовой теории начало формироваться только с принятием идеи Эйнштейна о световом кванте и пониманием, что свет необходимо описывать с позиции как волн, так и частиц. Эйнштейн впервые представил квант света в своей работе о фотоэлектрическом эффекте, опубликованной в 1905 году, но только в 1923 году эта идея получила признание и одобрение. Сам Эйнштейн двигался осторожно, прекрасно понимая революционные последствия своей теории, и в 1911 году сказал участникам Сольвеевского конгресса: «Я настаиваю на ориентировочном характере этой концепции, которая не кажется совместимой с экспериментально подтвержденными следствиями волновой теории»[16]16
  Сольвеевские конгрессы – это серия научных конференций, спонсором которой был бельгийский химик Эрнест Сольве, сколотивший состояние, разработав метод производства карбоната натрия. Проявляя интерес к более абстрактной науке, Сольве выделял средства на эти конференции, на которых ведущие физики своего времени могли встречаться и обмениваться мнениями.


[Закрыть].

Хотя в 1915 году Милликен подтвердил, что уравнение Эйнштейна для фотоэлектрического эффекта было верным, казалось по-прежнему необоснованным принимать на веру существование частиц света. В 1940-х годах, описывая свою работу, Милликен так прокомментировал эксперименты с этим уравнением: «В 1915 году я был вынужден признать его однозначную верность, несмотря на его необоснованность… казалось, оно шло вразрез со всем, что мы знали об интерференции света». Во время опытов он выражался более резко. Заявляя об экспериментальном подтверждении уравнения Эйнштейна о фотоэлектрическом эффекте, он сказал: «Полукорпускулярная теория, к которой Эйнштейн пришел в своем уравнении, в настоящее время кажется полностью несостоятельной». Это было написано в 1915 году, а в 1918-м Резерфорд заявил, что «нет физического объяснения» связи энергии с частотой, которую Эйнштейн объяснил тринадцатью годами ранее, представив гипотезу о световых квантах. Резерфорд, конечно, знал о предположении Эйнштейна, но оно не казалось ему убедительным. Раз все эксперименты, разработанные для проверки волновой теории света, показали, что свет представляет собой волны, как мог он состоять из частиц?[17]17
  Цитаты в этом абзаце взяты из книги А. Пайса «Неуловимый Бог».


[Закрыть]