Тайны открытий XX века - Александр Волков

«Мы слишком озабочены земными, практическими вопросами, мы сковываем человеческий дух, — написал однажды Стивен Хоукинг. — Речь же идет о том, чтобы картографировать неведомое в мироздании». Тень невозможного, несбыточного все так же упрямо ложится на нашу человеческую, земную жизнь, на комнату, в которой каждый из нас просиживает большую часть жизни, на ковер под ногами, но так ли уж важно, что «душе из этой тени, что ложится на ковер, не подняться — nevermore»? (Э. По, пер. B.C. Жаботинского)

1.11. ГДЕ НАЧИНАЕТСЯ КВАНТОВЫЙ МИР

В квантовом мире не работает привычная нам логика. Уж слишком разительно отличается поведение электронов, фотонов и атомов от того, что говорит нам повседневный опыт. Удивительно, но некоторые макроскопические объекты ведут себя по законам квантового мира. Пример тому — конденсат Бозе-Эйнштейна, открытый в 1990-е годы, крохотное облачко из миллионов атомов, которое ведет себя буквально как один огромный атом. Этот конденсат интересен и с технической точки зрения. Он может стать элементом квантового компьютера. Такого рода компьютеры, — предполагается, что они войдут в обиход в XXI веке, — гораздо эффективнее современных вычислительных машин.

Кошка Шрёдингера и Человек-Бог

В квантовом мире частицы движутся самым непредсказуемым образом Это не небо в облачный день. Это — квантовое электронное облако, модель распределения заряда вокруг ядра атома гелия 

Нильс Бор сказал однажды: кто не шокирован квантовой физикой, тот не понял ее. А Ричард Фейнман обмолвился даже, что квантовую физику не понимает никто. Уж слишком разительно отличается поведение электронов, фотонов и атомов от того, что говорит нам повседневный опыт. Для этих частиц любой наблюдатель — Бог. Принимаясь измерять параметры частицы, мы неизбежно меняем субатомарную явь. Мы заставляем неопределенное, неясное обретать четкие очертания. Но какое отношение это имеет к измеряемой реальности? Пока мы не всматриваемся в элементарную частицу, она пребывает одновременно во множестве состояний. Лишь в тот момент, когда мы измеряем ее параметры, она «решает», какое состояние ей принять.

Поясним это с помощью бытового примера. В нашем мире зрители, пришедшие на футбольный матч, на какой бы трибуне они ни сидели, видят, что спортсмены играют мячом одного и того же — допустим, белого — цвета. В квантовом мире тот же самый мяч мог бы одним болельщикам казаться «белым», другим — «черным»: например, половина наблюдателей видели бы одно, половина — другое. Предсказать, что увидит некий господин N, нельзя. Мяч, словно мифический Протей, будет без устали принимать один облик за другим, не повинуясь законам, к которым привыкли мы, жители макромира.

Еще одна странность. В квантовом мире одна и та же частица может одновременно пребывать в двух разных точках пространства. Точнее говоря, две разлетающиеся в стороны частицы могут вести себя так, словно это одна и та же частица. Как отмечают физики, «влияние одной частицы на другую, будь одна из них на Земле, а вторая на Марсе или еще дальше, передается с бесконечной скоростью». Эти частицы связаны между собой, на каком бы они расстоянии ни находились. Их можно сравнить с двумя игральными костями, на которых, сколько их ни кидай, всегда выпадают одни и те же цифры. Стоит нам лишь измерить свойства одной из таких связанных частиц, — например, ее спин, — как у ее «двойника» обнаруживаются те же самые свойства. Некоторые же частицы, — их называют «негативными близнецами», — наоборот, на любом расстоянии ведут себя наперекор друг другу. По словам Эрвина Шрёдингера, подобное дальнодействие — это «самая главная характерная особенность квантовой механики, которая заставляет полностью отказаться от классических представлений».

В свое время эта «странная телепатия», действующая быстрее света, побудила Альберта Эйнштейна назвать квантовую механику ошибочной. Лишь в начале восьмидесятых годов группа французских ученых доказала, что описанная нами «молниеносная» связь частиц является реальным фактом, а вовсе не порождением фантазирующего ума.

* * *

Пожалуй, самый известный пример, иллюстрирующий парадоксы квантового мира, это история «кошки Шрёдингера». Знаменитый австрийский физик придумал следующий мысленный эксперимент, стремясь продемонстрировать законы поведения элементарных частиц на примере макроскопических тел.

Представьте себе ящик, в котором заперта кошка. В том же ящике — бутылка с ядовитым газом. Она открывается с помощью фотоэлемента — тот сработает, едва распадется один-единственный атом радиоактивного вещества, находящийся здесь же. Распадется — кошка мертва. Еще нет — жива. Когда случится непоправимое? Не знает никто. То ли через секунду, то ли через час. Чтобы узнать, что сейчас с кошкой, надо открыть ящик и посмотреть, бегает ли наша мурлыка или же — жестокосердый эксперимент! — перешла в другое состояние. Пока мы не видим кошку, она может быть и жива, и мертва, она находится в любом возможном состоянии — или уж, воспользуемся русской идиомой, — она «ни жива ни мертва». В буквальном смысле слова.

Почему же в момент, когда мы открываем ящик, кошка обретает жизнь? Или смерть… Почему мы меняем параметры частицы, когда всматриваемся в нее? Что в этот момент происходит? Ведь не вырастает же в наших глазах собеседник, стоит бросить на него приветливый взгляд! И не скукоживается, если мы презрительно на него посмотрим… И телекинез по-прежнему остается мечтой. С элементарными же частицами это проще простого. «Элементарно, Ватсон!»

Как же удается моментально совершать переход из макроскопического мира в микроскопический? Почему мы принуждаем некий элемент реальности измениться, не совершая ничего? По одному взгляду — даже не по мановению.

Среди самых распространенных попыток объяснить происходящее — гипотеза декогерентности. Согласно ей, система может по причине внешнего воздействия утратить свои квантовомеханические свойства, и тогда она начнет вести себя в соответствии с законами повседневного мира.

Никто не знает, верна ли эта интерпретация. В последние годы ученые регулярно ставят эксперименты, пытаясь постичь происходящее в квантовом мире, а заодно и понять, где начинается этот мир. Где пролегает граница между микромиром и макромиром? Когда и как законы квантовой механики уступают место законам классической механики Ньютона?

Конденсат Бозе — Эйнштейна 

Стоит произнести «квантовая механика», как нам представляются элементарные частицы, атомы или что-то подобное. На самом деле, формулы квантовой механики вполне применимы к макроскопическим телам. Главное, чтобы эти тела не взаимодействовали с внешним миром, чтобы они были идеально изолированы от него.

Неслучайно особый интерес ученых в последнее время вызывают макроскопические объекты, которые ведут себя по законам квантового мира. Пример тому — конденсат Бозе — Эйнштейна, крохотное облачко из множества атомов, охлажденных до сверхнизкой температуры — до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля, когда тепловое движение практически замирает. Подобное облачко, находясь в магнитной ловушке, ведет себя буквально как один огромный «атом». Отдельные атомы, составившие его, теряют свободу; они перестают быть независимы друг от друга. «Атомы шагают в ногу», — как было метко сказано в одной из статей, посвященных данному явлению. Образовавшийся макроскопический квантовый объект достигает в поперечнике нескольких микрометров; он во много раз больше обычного атома. Теперь этот объект как единое целое реагирует на любые воздействия, хотя между отдельными его атомами почти не действуют никакие связывающие их силы.

Охлажденное до невероятной температуры облачко атомов начинает «шагать в ногу» — возникает конденсат Бозе — Эйнштейна Причудливый мир атомов. Слева: атомы натрия и йода на поверхности медной подложки. Справа: «стена», возведенная из атомов железа на медной подложке 

«Обычно все атомы мельтешат, мчатся кто куда, но если их очень сильно охладить, они начинают вдруг маршировать строем, как армия. Разница почти такая же, как между электрической лампочкой и лазером: у лампочки все частицы света мчатся в разные стороны, а у лазера маршируют. Вот мы и сумели построить лазер, который излучает не свет, а вещество. Собственно говоря, все очень просто, не так ли?» — шутливо пояснял суть открытия немецкий физик Вольфганг Кеттерле, получивший впоследствии Нобелевскую премию за исследование этого конденсата, который представлял собой… новое состояние вещества.