Теоретическая возможность создания потока отрицательной энергии – на практике пучка холода и тьмы вместо тепла и света – привела к появлению целого ряда странных и запутанных сценариев. Допустим, этот пучок направлен на горячий объект, отличный от черной дыры, например на печь, топка которой закрыта заслонкой. Казалось бы, содержимое печи должно потерять энергию и остыть. Однако это было бы явным нарушением прославленного второго закона термодинамики, поскольку потеря тепла печью была бы равносильна потере энтропии[62], а второй закон запрещает снижение энтропии закрытой системы. (Сам пучок имеет нулевую энтропию.) Второй закон представляет собой основу термодинамики, и любое его нарушение приводит к появлению вечного двигателя, существование которого считается невозможным.
Еще один сценарий с участием отрицательной энергии тоже ведет к парадоксу – а именно, к существованию в пространстве кротовых нор, которые прославила Джоди Фостер в фильме «Контакт». Кротовые норы представляют собой гипотетические тоннели, или трубки, в пространстве, которые связывают отдаленные точки коротким путем. Если бы они действительно существовали, их можно было бы использовать в качестве машин времени. При определенных обстоятельствах астронавт, который прошел сквозь кротовую нору, вышел в отдаленной точке пространства и пошел обратно обычным путем, может вернуться домой еще до своего ухода! Следовательно, само существование кротовых нор ведет к парадоксу. Математические модели Кипа Торна и его коллег из Калифорнийского технологического института показали, что теоретически существование кротовых нор возможно, однако проходить по ним можно, только если возле их горловин будет создано некоторое отрицательное энергетическое состояние. Это необходимо, поскольку гравитация угрожает уничтожить кротовую нору, прежде чем через нее пройдет хоть что-то. Так как отрицательная энергия обладает отрицательной массой, она дает отрицательную гравитацию, противостоит пинч-эффекту и оставляет горловину открытой. Таким образом, неограниченная отрицательная энергия снова ведет к нефизичному парадоксу.
Хотя описанные парадоксы не по душе физикам-теоретикам, никто еще не доказал невозможность непрерывных потоков или ванн отрицательной энергии. Вопрос о том, могут ли, скажем, в квантовом вакууме храниться неограниченные запасы энергии, остается открытым.
Глава 9. Применение кванта
Надеюсь, теперь я убедил вас, насколько фундаментальна квантовая механика, которая лежит в основе столь многих областей современной физики и химии. Само собой, вы можете упрямиться и утверждать, что все это очень интересно, однако не имеет почти никакого отношения к повседневной жизни. В конце концов, мир наших ощущений и чувств слишком далек от всей квантовой странности, происходящей на микроскопическом уровне; вряд ли она может оказывать непосредственное влияние на нас. Так что в этой главе мы узнаем, как некоторые идеи квантовой физики, описанные на этих страницах, в последние полвека были использованы для разработки технологий, которые мы сегодня принимаем как должное.
К примеру, определенное свойство волновых функций электрона – а именно, их подчинение принципу исключения Паули – объяснило, как электроны располагаются на энергетических «оболочках» атомов, а это привело к пониманию электропроводности металлов. Это, в свою очередь, подтолкнуло физиков к изучению полупроводниковых материалов и изобретению транзистора, на основании которого впоследствии появились микрочип, компьютер и Интернет.
Более того, CD – и DVD-плееры используют соответствующее свойство фотонов, подарившее нам лазер – устройство, которое нашло применение во множестве технических, медицинских и научных сфер, не говоря уж о сфере развлечений и отдыха.
Феномен квантового туннелирования дал нам ядерную энергию и однажды, надеюсь, приведет к появлению более чистого источника бесконечной энергии – ядерного синтеза.
Еще одно странное квантовое свойство определенных материалов, охлажденных почти до абсолютного ноля, дало нам сверхпроводники, которые однажды могут предоставить нам окончательное решение для консервации энергии – силовые кабели с нулевым электрическим сопротивлением.
Вы правда думаете, что в радиоактивности нет ничего хорошего? А что, если я скажу вам, что она произвела революцию в медицине? И как, по-вашему, работает датчик дыма?
Список очень велик, но я остановлюсь только на нескольких наиболее важных технологиях, которые непосредственно основаны на квантовой механике.
Эпоха микрочипа
Сегодня кажется, что все, от автомобилей до стиральных машин, от кофеварок до музыкальных открыток, содержит в себе микрочип. Но вы хоть раз задумывались, как этот чип работает?
В статье о принципе исключения Паули в Главе 7 я описал, как электроны располагаются внутри атомов, при условии что двум электронам не позволяется занимать одно и то же квантовое состояние. Иначе говоря, они не могут описываться одной волновой функцией и в чем-то должны различаться: либо по энергии, либо по моменту импульса, либо по направлению спина. Это происходит потому, что электроны, как и другие основные кирпичики материи, кварки, принадлежат к классу элементарных частиц, называемых фермионами (в честь великого итальянского физика Энрико Ферми). Считается, что фермионы подчиняются принципу исключения и предпочитают держаться особняком, каждый в своем уникальном квантовом состоянии. Частицы-переносчики взаимодействия, такие как фотоны, принадлежат к другому классу, называемому бозонами. Они гораздо более общительны и не стесняются (а на самом деле даже предпочитают) обладать идентичными волновыми функциями и занимать одинаковые квантовые состояния. Принцип исключения к бозонам неприменим.
Таким образом, законы квантовой механики дали нам понимание строения атома. Внешние электроны атома определяют его химические свойства, которые, в свою очередь, объясняют, как атомы соединяются друг с другом для формирования различных материалов. Когда атомы оказываются вместе в веществе, их внешние электроны понимают, что обладают чуть большей свободой. Вместо того чтобы занимать определенный энергетический уровень, они принимают широкий диапазон энергий и составляют так называемую валентную зону. Так как атомов очень много, позволенные в этой зоне значения энергии очень близки друг к другу, а потому ее можно считать практически непрерывным энергетическим спектром.
В некоторых материалах, например в металлах, эта валентная зона заполнена лишь частично, и принцип Паули не запрещает электронам двигаться по ней. Когда на металл подается ток, эти валентные электроны приходят в свободное движение, обеспечивая электрический ток. Валентная зона в таких материалах называется зоной проводимости, а сами материалы называются электрическими проводниками.
Если же материал состоит из атомов, валентная зона которых заполнена до отказа, то все состояния зоны заняты и перемещаться электронам некуда. Электроны валентной зоны более не могут свободно двигаться, поэтому такая зона не считается зоной проводимости.
Обычно между этой зоной и следующей существует промежуток. Если этот промежуток слишком широк, электроны просто остаются на месте, так как они не могут выскочить на свободу. А если они не могут пробиться в следующую энергетическую зону, они не могут и двигаться по материалу под воздействием электрического поля. Такие материалы называются диэлектриками.
Энергия электронов в твердых телах. Каждая заштрихованная шахта обозначает один атом в решетке. Многие электроны тесно связаны с атомами-хозяевами, занимают отдельные квантовые орбитали и, следовательно, не двигаются по решетке. Однако более высокие энергетические уровни, занятые внешними электронами, сливаются вместе и формируют «энергетические зоны», каждая из которых обладает непрерывным диапазоном позволенных энергий. Между этими зонами находятся энергетические промежутки, которые электронам занимать запрещено. В металле-проводнике (вверху) верхняя (валентная) зона лишь частично заполнена электронами, которые, таким образом, свободны перемещаться по решетке, а следовательно, проводить электричество. В диэлектрике (посередине) валентная зона полностью заполнена и квантовые законы запрещают электронам двигаться. Так как промежуток между зонами слишком широк, чтобы его перепрыгнуть, электроны не могут пошевелиться. В полупроводнике (внизу) валентная зона также заполнена, однако промежуток между зонами очень узок и некоторые электроны могут перепрыгивать его, создавая новую проводящую зону.
Материалы, которые обладают промежуточной атомной структурой между проводниками и диэлектриками, характеризуются довольно интересным свойством. Атомы в решетке кремния, к примеру, обладают валентной зоной, полной электронов, однако энергетический промежуток между этой зоной и следующей вполне преодолим, поэтому некоторые наиболее высокоэнергетические электроны перепрыгивают в более высокую зону и превращают ее в зону проводимости. В связи с этим такие материалы называют «полупроводниками». Еще одна тонкость заключается в том, что, если электрон в полупроводнике вырывается из валентной зоны на свободу, на его месте остается дырка, которую может занять электрон соседнего атома. Это, в свою очередь, оставляет дырку во внешней зоне соседнего атома. Таким образом электрический ток, который толкает электроны в одном направлении, приводит к появлению положительной дырки[63], которая двигается в противоположном направлении, тем самым удваивая электрический эффект.
В чистом кремнии вышеописанный процесс происходит очень редко, так как возбужденный электрон быстро падает обратно, либо возвращаясь в свое изначальное положение, либо занимая дырку соседнего атома. При комнатной температуре проводящий электрон даст только один из десяти триллионов атомов кремния. Их количество можно увеличить путем подъема температуры, так как это предоставит дополнительную энергию для возбуждения большего числа электронов.