Текст книги "Принцип эксперимента. 12 главных открытий физики элементарных частиц"

Планк на самом деле не думал, что энергия поступает маленькими порциями, но, как оказалось, его математический прием сработал. Этот метод привел к уравнению, где количество света, излучаемого черным телом, сначала увеличилось, затем достигло максимума при некотором цвете, а затем снова уменьшалось при более высоких частотах. Самое главное, что его уравнение соответствовало экспериментальным данным. Но, хотя его метод работал, полученные результаты не вызвали революции среди физиков. Новый закон Планка быстро приняли, хотя тот факт, что для его выведения пришлось прибегнуть к очень странной идее квантования энергии, по большей части игнорировался[76]76
  Хельге Краг. Max Planck: The reluctant revolutionary. Physics World. V. 13 (12), 2000. Доступно по адресу https://physicsworld.com/a/ max-planck-the-reluctant-revolutionary.


[Закрыть].

Однако Эйнштейн серьезно отнесся к идее Планка. Он поверил, что энергия действительно приходит маленькими порциями, и сделал еще один шаг вперед. Он предположил, что сам свет состоит не из волн, а из тех же самых маленьких сгустков энергии – квантов. Выдвинув идею далеко за рамки того, что предполагал Планк, Эйнштейн сказал, что свет сам по себе дискретен и состоит из того, что мы сейчас назвали бы фотонами. Затем он выдвинул теорию, которая могла бы объяснить таинственный фотоэлектрический эффект.

Его теория гласила, что фотон отдает всю свою энергию одному электрону в металле. Энергия фотона была просто частотой (цветом), умноженной на постоянную, которую ранее придумал Планк, h. Он предположил, что, если провести эксперимент, в котором изменят частоту света и измерят энергию фотоэлектронов, результаты будут лежать на прямой линии, наклон которой будет равен значению h. Более яркий свет даст больше электронов, но их энергия будет зависеть только от частоты света. Эта теория также выдвинула и второе предположение – о том, что ниже определенной частоты не будет иметь значения, насколько ярок свет: электроны вообще не будут высвобождаться, поскольку энергия, поступающая от света, не будет достаточно высокой, чтобы электроны могли покинуть металл. Забудьте о температуре, говорил Эйнштейн, обратите внимание на частоту.

Когда он опубликовал свою статью в 1905 году, никто еще не провел детального исследования взаимосвязи между энергией и частотой, которое подтвердило бы теорию Эйнштейна. Но в Чикаго был один разочарованный экспериментатор, у которого были опыт, амбиции, а теперь и оборудование, чтобы все проверить.

Роберт Милликен не верил в теорию Эйнштейна, что на самом деле неудивительно, учитывая, что теория в целом была воспринята не очень хорошо. Даже Макс Планк не воспринял ее всерьез, несмотря на то что сам выдвинул идею кванта и был редактором журнала, который принял статью Эйнштейна для публикации. Планк считал идею Эйнштейна немного притянутой за уши и позже прокомментировал ее в рекомендательном письме: «Иногда, как, например, в его гипотезе о квантах света, он несколько перегибает палку в своих рассуждениях, но не стоит вменять это ему в вину»[77]77
  А. Пайс. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. Издательство Оксфордского университета, Оксфорд, 2005, cтр. 382.


[Закрыть]. Однако Милликен действительно думал, что теория Эйнштейна неверна, потому что свет, очевидно, волна, а не частица. Он считал, что гипотеза о том, что свет состоит из квантов, «смелая, чтобы не сказать… безрассудная». Это шло вразрез с очевидными доказательствами волновой природы света, такими как двухщелевой опыт, который мы обсуждали ранее. Так как же свет может состоять из частиц?

Теперь можно было противопоставить теории Эйнштейна результаты экспериментов, и Милликен увидел шанс сделать себе имя в физике. Вернувшись в лабораторию, в 1907 году Милликен с удвоенной энергией принялся опровергать Эйнштейна.

К этому времени он и его команда подходили к проведению экспериментов донельзя въедливо, устраняя любой источник возможных ошибок в оборудовании. Они по-прежнему использовали ту же базовую установку – источник света, металлическую поверхность и устройство для подсчета электронов, – но она стала еще более сложной. Милликен перешел от использования источников света с искровым разрядником, где высоковольтные электроды образуют искры в газе для получения света, в том числе ультрафиолетового, к применению более стабильных источников света, потому что искры создавали электрические колебания и могли стать причиной ошибок. Он также решил, что для получения надежных результатов поверхность металла должна быть очень чистой, иначе они могли бы измерять фотоэлектрический эффект некоторого поверхностного налета оксида вместо чистого металла. В конце концов, к 1909 году[78]78
  К 1909–1910 годам он временно отложил изучение фотоэлектрического эффекта и приступил к крупной серии экспериментов, которые также сделают ему имя. Его идея была довольно остроумной, и если вы хоть немного знакомы с физикой, то имя Милликена вам знакомо скорее всего из-за этой идеи. Милликен знал, что электроны – это частицы, после работы Дж. Дж. Томсона 1897 года, но он придумал самый точный способ измерить электрический заряд электрона. Эта работа была начата, чтобы устранить любые сомнения в том, что именно электроны путешествуют по проводам в виде электричества. Студенты университетов часто повторяют этот знаменитый «эксперимент с каплей масла» даже сегодня. Но мне куда более впечатляющими кажутся его менее известные и гораздо более сложные эксперименты по фотоэлектрическому эффекту.


[Закрыть] команда Милликена проработала конструкцию, в которую был включен острый нож, вращающийся внутри вакуумной системы и соскабливающий поверхность металла, прежде чем он подвергался воздействию света. Каждый раз, когда они направляли свет на металлическую поверхность, они измеряли энергию высвобождающихся электронов с помощью электрического поля, позволяющего их остановить.

От начала этого предприятия до публикации Милликеном окончательных результатов прошло 12 лет. За это время в его лаборатории работала и заканчивала учебу целая вереница студентов-исследователей. Он провел две крупные экспериментальные кампании в 1909 и 1912 годах и только в 1916 году опубликовал результаты. Первые эксперименты Милликена в 1903 году уже подтвердили, что фотоэлектрический эффект вообще не зависит от температуры. После того как Эйнштейн выдвинул свои предположения, Милликен вернулся к проблеме, полагая, что сможет доказать, что такая нелепая идея, как квант света, не нужна и что простой корректировки классической волновой теории достаточно для объяснения экспериментальных данных. Настойчивость, которую он проявил в своей попытке доказать неправоту Эйнштейна, практически граничила с одержимостью, и мы вправе задаться вопросом, почему ему потребовалось так много времени. Причина очень человеческая: результаты Милликена расстраивали и мучили его, потому что он пытался опровергнуть теорию Эйнштейна, хотя его эксперименты только доказывали обратное.

Почти каждое предсказание Эйнштейна подтвердилось. Энергия испускаемых электронов была прямо пропорциональна частоте падающего света. Милликен подтвердил и то, что ниже определенной частоты электроны вообще не измеряются, как это произошло бы, если бы свет состоял из квантов. Он даже измерил постоянную Планка, h, с точностью до 0,5 %, что, безусловно, было самым точным измерением на тот момент. Милликен нашел лучшее доказательство того, что теория, которую он намеревался опровергнуть, на самом деле верна.

В конце своей статьи 1916 года Милликен ясно дал понять, что он, хотя и принимает результаты эксперимента, все еще просто не может поверить в значение того, что обнаружил. Довольно естественно предположить, что, несмотря на несогласие Милликена с этой новой теорией, его результаты заставили бы всех других физиков внезапно принять точку зрения Эйнштейна о том, что свет состоит из квантов, но нет. Милликен доказал теорию Эйнштейна, но никто так и не принимал идею о том, что свет состоит из частиц, поэтому большинство ученых совершенно спокойно просто игнорировали эту концепцию света, считая проблему фотоэлектрического эффекта неразрешенной.

Они избегали, казалось бы, уродливой и нелогичной концепции: если вы примете во внимание результаты Милликена, показывающие, что свет действует как поток частиц, и многовековые свидетельства, показывающие, что свет действует как волна, вывод должен заключаться в том, что свету свойственна природа как частицы, так и волны.

Как тогда пошутил Уильям Генри Брэгг, британско-австралийский физик, теоретики квантовой физики «описывают свет как волну по понедельникам, вторникам и средам, и как частицу по четвергам, пятницам и субботам». Но, как бы мы его ни описывали, мы просто должны принимать реальность такой, какая она есть. Иногда очень сильный интуитивный образ природы приводит нас к убеждению, что что-то должно быть либо А (волна), либо Б (частица). Но в некоторых ситуациях мы можем использовать A – волновую теорию, а в других ситуациях мы можем использовать Б – корпускулярную теорию. Ни то ни другое нельзя считать неправильным, и применимость каждой из теорий зависит от того, как именно мы проводим наши эксперименты.

Что следует прояснить, так это вопрос о том, как работает эксперимент Юнга с двумя щелями, если рассматривать свет как частицу. Если мы проведем эксперимент Юнга только с одним фотоном за раз, что произойдет? Даже в этой ситуации каждый отдельный фотон будет действовать как волна, и, если вы подождете, пока достаточное количество одиночных фотонов не сформирует узор на экране, вы увидите ту же интерференционную картину, что и при использовании более мощной лазерной указки. Кажется, что каждый отдельный фотон каким-то образом проходит через обе щели. Это нормально, если вы думаете о свете как о волне, но это сбивает с толку, если вы думаете о нем как о частице.

Все тонкости философии квантовой механики составили бы целую отдельную книгу, но важно то, как на самом деле ведет себя природа, и именно это стремятся выяснить экспериментаторы. Вот почему наука в конечном счете сводится к экспериментам, потому что независимо от того, насколько хороша теоретическая модель, независимо от того, какие «факты», как нам кажется, мы знаем, в конце концов мы описываем то, что происходит в природе, только с помощью экспериментов.

Да, Эйнштейн выдвинул удивительную теорию о квантах света, но именно Роберт Милликен кропотливо собирал доказательства того, что природа действительно ведет себя таким образом. Однако о нем вообще мало кто слышал.

Объяснение фотоэлектрического эффекта было настолько важным, что в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия за его квантовую теорию света, а не за его более известную теорию относительности. Два года спустя, в 1923 году, Роберт Милликен[79]79
  Недавно Калифорнийский технологический институт удалил имя Милликена со своих зданий и наград из-за идеи, которую ученый, по-видимому, так и не смог принять, – идеи расового равенства. «Милликен связал свое имя и свой престиж с морально предосудительным движением евгеники, которое было научно дискредитировано уже в его время». См. https://www.caltech.edu/about/ news/caltech-to-remove-the-names-of-robert-a-millikan-and-five-othereugenics-proponents.


[Закрыть] тоже был удостоен Нобелевской премии. Ко времени своей вступительной речи он немного изменил предысторию, заявив, что все это время намеревался подтвердить теорию Эйнштейна и рассчитать постоянную Планка. И ему, и остальному физическому сообществу потребовалось очень много времени, чтобы просто принять то, что на самом деле показали его результаты.

Сегодня квантовая механика – лучшее описание реальности в мельчайших масштабах, которое у нас есть, и это не пространная философия. Появившаяся в итоге теория, которая полностью описывает корпускулярную (частицы) и волновую природу света, теперь называется квантовой электродинамикой (КЭД), и потребовалось еще 40 лет после экспериментов Милликена, чтобы она была по-настоящему воплощена. КЭД включает в себя как квантовую механику, так и специальную теорию относительности Эйнштейна, позже мы вернемся к ней более подробно. Сегодня важной особенностью КЭД является то, что мы можем использовать ее для вычисления величин в природе с точностью до одной миллиардной. Ученые во многих областях и высокотехнологичных отраслях промышленности в настоящее время ежедневно используют квантовую механику в той или иной форме, и все мы используем ее результаты в нашей повседневной жизни, даже не осознавая этого. Отсутствие ответа на вопрос, почему природа ведет себя таким образом (и мы действительно не можем ответить, почему), не означает, что мы не можем изучить ее и использовать полученные знания.

Идея, которую изучал Милликен, – и которая, как мы теперь понимаем, заключается в том, что свет передает энергию электронам как в вакууме, так и внутри материалов, – это не просто что-то, что однажды произошло в лабораторном эксперименте и было забыто. Совсем наоборот.

Сегодня мы работаем за ноутбуками и можем пультом включить кондиционер. Внутри этого пульта дистанционного управления находится LED (светоизлучающий диод), который посылает двоичный сигнал в невидимом (инфракрасном) свете. Когда мы нажимаем кнопку, фотоны с пульта дистанционного управления выходят наружу и попадают на детектирующий фотодиод, установленный в кондиционере, и – точно так же, как в экспериментах Милликена, – эти фотоны высвобождают электроны, придавая им кинетическую энергию. Фотодиод изготовлен из материала, называемого полупроводником, который может быть расположен в два слоя. Благодаря этому образуется переход, который позволяет электричеству легче течь в одном направлении, чем в другом, поэтому фотодиоды пропускают электричество, когда на них падает свет[80]80
  Светоизлучающие диоды используют обратный процесс, производя свет с помощью электричества.


[Закрыть]. Кондиционер реагирует на полученный электрический сигнал, интерпретируя двоичный шаблон и следуя нашей команде. Двоичный шаблон для телевизора отличается от двоичного шаблона для кондиционера, именно поэтому им удается не путать друг друга. Кому-то во времена Милликена все это показалось бы чистым волшебством.

Свойства полупроводниковых материалов в сочетании с физикой фотоэлектрического эффекта позволили в 1940-х годах разработать широкий спектр электрических компонентов, которые в настоящее время производятся в огромных количествах по всему миру. Солнечные (или фотоэлектрические) элементы представляют собой тип фотодиода, который преобразует фотоны от Солнца в электрический ток, достаточно эффективный для питания домов и предприятий. Они позволили осуществить некоторые феноменальные человеческие начинания, такие как спутниковая связь и освоение космоса, но это не единственное их применение. Эти крошечные фотодиоды используются во множестве окружающих нас технологий.

Все эти датчики, включающие свет, когда вы входите в комнату, выдающие мыло, открывающие для вас двери, используют датчики приближения, которые отражают инфракрасный свет от объекта (вас) и обратно на фотодиод. Чем ближе что-то находится, тем больше света будет отражаться, что создает электрический ток. Это та же технология, которая используется в большинстве систем безопасности.

Причина, по которой фотоэлектрические устройства так полезны, заключается в том, что они выдают ток, пропорциональный количеству падающего на них света, – пока частота достаточна для испускания электронов, больше света означает больше электронов и, следовательно, больше тока. Это означает, что выходной сигнал является линейным и хорошо работает с другими нашими электрическими и электронными компонентами. Например, спортивные часы с GPS теперь используют фотодиоды в оптических пульсометрах для непрерывного измерения пульса владельца через его запястье. Зеленый свет просвечивает кожу, и с каждым сердечным циклом количество света, отраженного от кровотока под кожей, изменяется, фотодиод улавливает эти изменения, после чего алгоритм вычисляет и отображает частоту сердечных сокращений[81]81
  Этот метод называется фотоплетизмографией и также используется в пульсоксиметрах.


[Закрыть]. Ваш смартфон определяет, светло на улице или темно, и автоматически регулирует яркость экрана в зависимости от количества падающего на него света. Эта же технология используется для автоматического переключения приборных панелей автомобиля с дневного режима на ночной и управления диафрагмой и выдержкой на современной цифровой камере.

Косвенные области применения фотодиодов, применимы во всех лазерных измерениях, а это значит, что они нужны в процессе геодезической съемки и выравнивания для почти каждой дороги и почти каждого здания, для приема световых сигналов в сетях связи, использующих оптические волокна. Если у вас есть высокоскоростной доступ в интернет, эта сеть использует фотодиоды для преобразования сигналов из света обратно в электрические импульсы для передачи вам информации со всего мира. Их используют наши спидометры и одометры, а также системы обратной связи, которые обеспечивают бесперебойную работу двигателей электромобилей. Фотодиоды необходимы для управления положением, скоростью и операциями многих автоматизированных процессов на заводах.

Все это свидетельствует о нашем понимании фотоэлектрического эффекта и было бы невозможно без базовых знаний в области фундаментальной физики, пришедших из этих первых фундаментальных экспериментов. Исследования Милликена – вместе с двухщелевым опытом и данными об излучении абсолютно черного тела – дали физикам прочную основу для построения нового квантово-механического взгляда на реальность. Когда квантовая механика утвердилась, ее применение быстро вышло за рамки объяснения света. Квантовая механика – это теория, которая описывает всю материю.

После вклада Эйнштейна и Планка многие другие физики присоединились к развитию квантовой механики. С каждой новой проблемой, возникающей в физике, квантовая механика развивалась и выясняла, как ее решить. Это было особенно важно, когда речь заходила о природе материи. Модель атома Резерфорда – крошечное ядро и вращающийся электрон из главы 2 – казалась несостоятельной, когда физики поняли, что она должна быть нестабильной: электроны должны испускать излучение, двигаясь по направлению к ядру по светоизлучающей смертельной спирали. Но Нильс Бор, молодой датский физик-теоретик, решил эту проблему, использовав идею квантования для объяснения того, как электроны расположены вокруг ядра. Электроны могут обладать только определенными значениями энергии – их энергия также квантуется, что означает, что они вращаются на расстояниях от ядра в зависимости от их значений энергии[82]82
  Орбитали – это технически то место, где электрон находится примерно в 90 % случаев: положение электрона неопределенно из-за принципа неопределенности Гейзенберга.


[Закрыть]. Электроны могут перемещаться вверх или вниз между энергетическими уровнями, поглощая или испуская излучение в форме света (фотона), но они не могут находиться между этими уровнями. Существует также минимальное значение энергии электрона, когда он находится максимально близко к ядру.

Только в 1923 году французский аристократ Луи де Бройль, младший сын герцога де Бройля, продолжил то, на чем остановился Эйнштейн, задаваясь вопросом, почему физика по-разному трактует свет и материю. В своей докторской диссертации Луи де Бройль отметил, что квантовая физика, по-видимому, согласна с тем, что свет может вести себя как частицы, но в таком случае верно ли обратное? Могут ли материальные частицы вести себя подобно волнам? Как оказалось, да. Любая частица или материя – массивная, как протон, или легкая, как фотон, – также имеет волновую природу, и соотношение между энергией и частотой волны описывается формулой E = hf, где h (опять же) – постоянная Планка. Появившаяся теория, волновая механика, могла описать все виды нового поведения атомов и частиц. Она даже объяснила, что субатомные частицы не являются твердыми объектами, а просто имеют определенную вероятность быть обнаруженными в определенном состоянии или месте в любой момент времени.

В идею о том, что материя состоит из волн, трудно поверить. Когда вы ложитесь, вы не проваливаетесь сквозь пол; если вы попытаетесь пройти через прозрачную стеклянную дверь, то, как ни странно, у вас не получится это сделать. Все это заставляет нас верить, что наше тело – твердый объект, а материя, из которой оно состоит, представляет собой непрерывную, цельную поверхность. И все же мы сделаны почти полностью из ничего. Даже с учетом более раннего представления о том, что материя состоит из твердых частиц, где ядро и электроны имеют некоторый определенный размер, объем фактической материи в каждом атоме настолько мал, что если бы вы взяли всю материю каждого человека на Земле и собрали ее вместе, то вы могли бы поместить ее в пространство размером не больше кубика сахара. Но теперь, как мы видим, даже это не так просто, потому что «материя» – не абсолютно твердая. С появлением квантовой механики все изменилось.

Эти новые идеи вызвали ажиотаж не только в физике, но и во всем обществе. Это остро ощутил художник Василий Кандинский, который написал:

…разложение атома… отозвалось во мне подобно внезапному разрушению всего мира. Внезапно рухнули толстые своды. Все стало неверным, шатким и мягким. Я бы не удивился, если бы камень поднялся на воздух и растворился в нем. Наука казалась мне уничтоженной[83]83
  В. Кандинский. Воспоминания (1913). См.: Кандинский: Полное собрание сочинений по искусству // Под ред. Кеннета К. Линдсея и Питера Верго. 2 т. Бостон: G. K. Hall and Co.; Лондон: Faber and Faber, 1982, стр. 370.


[Закрыть].

Материя не является определенной или детерминированной, она связана с вероятностями и волнами. Плотность материи – всего лишь следствие взаимодействия между волнообразными сущностями. Электронные волны, отталкиваясь от других электронных волн, заставляют вас постоянно парить немного выше поверхности, на которой вы сейчас сидите или стоите. Насколько нам известно, все, что происходит в мире, а также в нашем теле и разуме, возникает в результате этих мелкомасштабных взаимодействий. Это открывает совершенно новый взгляд на наших собратьев-людей.

Если это путает ваше чувство реальности, вы не одиноки. Вы испытываете то, что испытывали Милликен, Кандинский, Планк, Резерфорд, Бор и даже Эйнштейн, пытаясь это принять. Мы не осознаем корпускулярно-волновую природу материи, потому что мы не способны взаимодействовать с материей так, чтобы замечать это в повседневной жизни. Мы видим мир в человеческом масштабе, а не в квантовом. Мы не видим волнообразных свойств повседневных предметов, потому что длины волн настолько малы, что мы не можем их измерить. Длина волны де Бройля обратно пропорциональна импульсу объекта – его массе, умноженной на его скорость, – поэтому, как только что-то имеет массу и энергию крикетного мяча, брошенного со скоростью 160 км/ч, его длина волны уменьшается всего до одной миллиардной миллиардной миллиардной доли микрометра (которую мы можем записать как десятичный знак, за которым следуют 33 нуля и затем единица, в научном обозначении – 1 × 10^–34 м). Когда мы переходим к масштабу людей, длины волн становятся еще меньше: объект – например, Усэйн Болт, бегущий дистанцию 100 метров, – имеет длину волны в 200 раз меньше длины волны мяча для крикета, примерно 5 × 10^–37 м[84]84
  Что значит для людей иметь длину волны? На самом деле не так уж много: можно сказать, что любой объект с массой и энергией имеет длину волны, и как только мы движемся обычным прогулочным шагом, наша длина волны составит что-то около 10^–37 м, что намного меньше, чем мы можем надеяться измерить. Жаль вас разочаровывать.


[Закрыть]. Эти длины волн слишком малы, чтобы мы могли заметить волноподобное поведение, поэтому нам остается только использовать классическую физику, чтобы приблизительно оценить их движение, и это сойдет нам с рук. Но мы не можем этого сделать, когда переходим к таким объектам как атомы и частицы, и в этом масштабе все эксперименты, проведенные с момента открытия квантов, говорят нам, что квантовая механика права.

Но видели ли мы когда-нибудь волновую природу частиц? Безусловно, да. В 1925 году, вскоре после работы де Бройля, американские физики Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер из компании Western Electric (позже – Bell Labs) провели первый эксперимент по бомбардировке электронами (длина волны которых составляла примерно нанометр) кристаллической структуры никеля в металле и продемонстрировали, что электроны образуют интерференционные картины совсем как световые волны. Молекула диаметром всего в нанометр имеет длину волны де Бройля менее 1 пикометра (тысячная доля нанометра), и с ними тоже наблюдалась интерференция. Среди физиков существует что-то вроде соревнования за самый большой объект, который продемонстрирует интерференцию в эксперименте с двумя щелями. Нынешняя рекордсменка – Сандра Эйбенбергер, которая провела мастерский эксперимент во время своей докторской диссертации в 2013 году в Вене и наблюдала интерференцию у гигантских молекул, содержащих 800 атомов, которые содержат более 10 000 отдельных субатомных частиц[85]85
  Описывается онлайн на сайте https://medium.com/the-physics-arxiv-blog/physicists-smash-record-for-wave-particle-duality462c39db8e7b, который ссылается на статью Сандры Эйбенбергер и др. Matter-wave interference with particles selected from a molecular library with masses exceeding 10 000 amu. Physical Chemistry Chemical Physics. V. 15, 2013, p. 696–700. https://doi.org/10.1039/C3CP51500A.


[Закрыть]. В этом масштабе длина волны молекулы составляет около 500 фемтометров, что примерно в 10 000 раз меньше, чем сама молекула. Возможно ли создать интерференционные картины с живыми биологическими объектами, такими как вирусы или бактерии, что станет совсем новым полем для дискуссии о том, разрушит ли сознание волновую природу эксперимента или живые организмы также могут находиться в двух местах одновременно, когда они проходят через экран с двумя прорезями. Предполагается, что на осуществление такого эксперимента потребуется около 10 лет.

Один из ключевых моментов корпускулярно-волнового дуализма, который иногда ставит в тупик даже физиков, звучит так: проявляет ли отдельный электрон интерференцию – точно так же, как одиночные фотоны в двухщелевом опыте? Конечно, да. К тому времени, когда эти эксперименты были проведены в 1970-х годах, все предполагали, что это уже было доказано. Итальянская команда во главе с Джулио Поцци в Болонье и японская команда во главе с Акирой Тономурой[86]86
  A. Тономура и др. Demonstration of single-electron buildup of an interference pattern. American Journal of Physics. V. 57, 1989. https:// doi.org/10.1119/1.16104.


[Закрыть]в компании Hitachi (два эксперимента были независимыми) даже не опубликовали свои результаты в физическом журнале, выбрав вместо этого образовательный журнал[87]87
  Р. Роза. The Merli – Missiroli – Pozzi two-slit electron-interference experiment. Physics in Perspective. V. 14, 2012, p. 178–195. https://doi.org/10.1007/s00016-011-0079-0.


[Закрыть]. Так как они уже признали, что частицы имеют волновую природу, они не думали, что вообще открывают что-то новое. Просто к 1970-м годам у команд было оборудование, позволившее им провести эксперимент, – устройство, в работе которого лежит принцип корпускулярно-волнового дуализма и которое оказалось более распространенным, чем большинство из нас думает: электронный микроскоп.

Электронные микроскопы были впервые изобретены в 1930х годах, но в настоящее время вы можете купить одно из этих устройств примерно за 2–3 млн долл. у высокотехнологичного поставщика. Насколько они распространены? По всему миру их десятки тысяч. Через кампус от моей физической лаборатории в Мельбурнском университете домом таких устройств служит биологический институт под названием Bio21.

В здании чисто, светло, оно наполнено разным оборудованием, а ученые в белых халатах заполняют каждую комнату, но лаборатория электронной микроскопии представляет собой разительный контраст со стеллажами с коническими колбами и пробирками, раковинами и вытяжными шкафами. Электронный микроскоп – это цилиндрическое металлическое устройство высотой в несколько метров, оснащенное электронными стойками, которое занимает специально отведенное помещение. Зеленый луч перемещается по флуоресцентному экрану через смотровое окошко. Один компьютер управляет устройством и позволяет пользователям видеть изображения так же, как в обычный оптический микроскоп.

Многих разных исследователей, использующих эти микроскопы, объединяет потребность видеть крошечные объекты и то, как они взаимодействуют, вплоть до атомного масштаба.

К сожалению, это выходит за рамки возможностей обычных оптических микроскопов, которые могут измерять объекты лишь в пределах своего разрешения, которое составляет 200 нанометров, что соответствует увеличению в 2000 раз. В случае биологических молекул и даже некоторых электронных компонентов обычный микроскоп дает нечеткое изображение, потому что может увидеть только то, что того же размера, что и длина волны используемого света, или больше.

Используя электронный микроскоп, исследователи пользуются тем фактом, что частицы также имеют длину волны – длину волны де Бройля, – и чем выше энергия электрона, тем меньше длина волны. Это позволяет электронным микроскопам работать на длинах волн до пикометров, позволяя видеть объекты с точностью до нанометра – миллиардной доли метра – или даже меньше. Способность видеть в таком масштабе привела к взрывному росту применения «нанотехнологий» с конца 1980-х годов, позволив ученым и инженерам изучать и создавать атом за атомом структуры и соединения, используемые во всех отраслях – от производства текстиля и продуктов питания до разработки лекарств.

Квантовая механика и корпускулярно-волновой дуализм важны не только для физиков, изучающих атомы, – они также прямо влияют на химию и биологию. Квантовая механика оказывает прямое влияние на то, как молекулы формируются, взаимодействуют и связываются: это мотивация для исследований в области квантовой химии. В биологии многие фундаментальные жизненные процессы носят квантово-механический характер. Новая область квантовой биологии только начинает то, что не смогла классическая физика, а разнообразие процессов, для объяснения которых требуется квантовая механика, изумляет: от фотосинтеза до того, как птицы ориентируются во время миграции.

Все современные электронные устройства основаны на понимании квантовой механики. Эволюция от первых вакуумных ламп, с которыми мы столкнулись в начале книги, до транзисторов и микросхем, которые есть во всех современных телефонах, компьютерах, автомобилях и бытовой технике, завязана на квантовых эффектах. В частности, на том, что волноподобные электроны в кремнии могут принимать только определенные значения энергии, поэтому создают «энергетические уровни» – подобно электронам вокруг атома, – однако при объединении множества атомов в кристаллообразную структуру допустимые уровни энергии меняются[88]88
  Подробное и доступное объяснение зонной теории твердого тела см. в статье Чада Орзела Why do solids have energy bands? Forbes, 2015. Доступно по адресу https://www.forbes.com/sites/ chadorzel/2015/07/13/why-do-solids-have-energy-bands.


[Закрыть]. Поскольку теперь мы понимаем физику этого процесса, мы можем очень точно управлять свойствами кремния, используя методы, с которыми познакомимся позже в этой книге.

Квантово-механическая природа света и материи также позволила нам создать лазеры, атомные часы (которые имеют решающее значение для наших навигационных систем GPS) и многие другие технологии, на которые мы полагаемся каждый день. Мы бы не узнали наш сегодняшний мир без применения этой теории.

Наши будущие технологии, вероятно, будут почти полностью основаны на квантовой механике. Квантовые вычисления становятся все полезнее, поэтому на физическом факультете Мельбурнского университета также установлен большой электронный микроскоп. Он используется для съемки тонких слоев алмаза на кремнии, в которые физики осторожно внедряют ионы гелия в процессе, называемом легированием. Физики используют эти методы для создания квантовых устройств, которые могут применяться в качестве основы для квантовых компьютеров. Электронный микроскоп – технология, появившаяся на заре нашего понимания квантовой механики, – используется для создания следующего поколения квантовых технологий, продолжая цикл обратной связи между исследованиями и технологиями.

Проблемы классической физики в конечном итоге привели к совершенно новому описанию природы в малых масштабах – квантовой механике. В разгар всего этого Роберт Милликен и его команда провели 12 разочаровывающих лет в лаборатории, совершенствуя свое мастерство, чтобы собрать эту первую важную информацию о деталях фотоэлектрического эффекта, показав, что безрассудная теория Эйнштейна оказалась правильной. Милликен не изобрел квантовую механику, но его эксперименты были важны для установления того, что квантово-механические теории действительно отражают реальность природы. Вот как прогрессирует знание. Не бывает внезапного момента вдохновения, но мы все равно пробираемся вперед в темноте, часто подолгу выискивая детали. В конце концов, все встает на свои места, и в нашем сознании начинает формироваться новый образ окружающего мира.

Сегодня мы празднуем квантовую механику как теоретический и концептуальный триумф, и это, несомненно, верно, но без экспериментов мы никогда бы не узнали, что квантовая механика на самом деле описывает поведение нашего мира. Мы бы никогда не смогли использовать ее – в практическом смысле – так, как мы это делаем сейчас. Из этих подробных и сложных экспериментов выросло наше понимание субатомного мира. Эти знания сыграли большую роль в создании электронных устройств, компьютеров, солнечных панелей и приборов, способных отображать объекты в масштабах, недоступных оптическим микроскопам, – и все это основано на странных последствиях того, что субатомный мир ведет себя не в соответствии с классической физикой.