Глава 5. Квантовый мир
В 1799 году Джозеф Бэнкс, президент Королевского общества в Лондоне, основал новое учреждение, Королевский институт Великобритании, имевший целью внедрение «полезных механических изобретений и усовершенствований», а также «чтение [широкой публике] курсов философских наук и экспериментов». С тех самых пор институт организует открытые лекции и мероприятия, в том числе Пятничные вечерние дискуссии в лекционном театре Фарадея, которые являются неотъемлемой частью его программы со времени их учреждения самим Майклом Фарадеем в 1826 году. Я имел честь читать две такие лекции, на последней, в 2013 году, я рассказывал как раз о квантовой механике.
Квантовую механику совершенно справедливо считают самой увлекательной и одновременно самой запутанной и непонятной научной теорией, порожденной человеческим разумом. На лекции в Королевском институте я обсуждал знаменитый «эксперимент с двумя щелями», который американский физик Ричард Фейнман назвал «главной тайной квантовой механики». Я описал, насколько поразительны оказались результаты этого эксперимента: субатомные частицы, которые одна за другой направляли на экран с двумя узкими щелями, вели себя так, как будто каждая проходила сквозь обе щели одновременно, и на втором экране возникала картина интерференции. Затем я бросил публике вызов: если кто-то может предложить логическое объяснение причин этого явления, им следует связаться со мной, ибо они, безусловно, достойны получения Нобелевской премии.
Я высказал это шутливое предложение, поскольку хорошо знал, что пока никто никогда не мог предложить простое объяснение этого классического эксперимента, несмотря на многолетние споры и хитроумные опыты, которые заставили физиков признать, что у этого явления нет простого, логического объяснения. Материя в квантовом мире ведет себя таким образом, и нам остается только это принять. Кроме того, когда я бросил аудитории этот вызов, я считал, что обращаюсь только к той паре сотен человек, которые сидели в зале в тот пятничный вечер. Однако Королевский институт публикует большую часть своих образовательных материалов в интернете, что произошло и с моей лекцией. С тех пор я получил уже сотни писем от ученых-самоучек со всего мира, где они утверждают, что раскрыли эту тайну, а физики до них просто забыли учесть тот или иной аспект или механизм.
Раньше я им отвечал, но, признаюсь, бросил это дело. Так что позвольте мне здесь загладить свою вину перед теми, кто продолжает биться над тайнами квантовой механики, и описать некоторые важнейшие ее особенности, не поддающиеся интуитивному пониманию. В этой главе мы бегло рассмотрим то, что этот второй столп современной физики говорит нам о микрокосме. Поскольку моя научная деятельность, которой пошел уже четвертый десяток лет, связана с изучением квантовой механики и ее применением сначала в ядерной физике, а затем в молекулярной биологии, вас не должно удивить, что я считаю ее самой мощной и важной теорией в науке вообще. В конце концов, именно на ее основе в большой степени строятся современные физика и химия, и она произвела революцию в нашем понимании того, как из мельчайших строительных блоков создается весь наш мир.
Азбука квантовой механики
К концу XIX века статус физики, как тогда казалось, окончательно определился. Уже были открыты механика Ньютона, электромагнетизм и термодинамика (о которой я расскажу в главе 6), и стало ясно, что все эти три области в совокупности прекрасно объясняют движение и поведение предметов обычного размера и практически все явления, которые мы наблюдаем вокруг, от пушечного ядра до часов, от грозы до паровоза, от магнита до мотора, от маятника до планет. Изучением всех этих объектов в совокупности занимается так называемая классическая физика, и это то, что нам в основном до сих пор преподают в школе. Однако классическая физика, как бы она ни была хороша, не дает нам полной картины. Когда ученые обратили внимание на микроскопические составляющие материи, атомы и молекулы, они открыли новые явления, которые не удавалось объяснить с помощью известной им физики. Казалось, что законы и уравнения, которыми они привыкли пользоваться, больше не работают. Физике предстояло испытать тектонический сдвиг.
Первый крупный теоретический прорыв осуществил немецкий физик Макс Планк, предложив концепцию кванта. В своей лекции в декабре 1900 года он выдвинул революционную идею о том, что тепловая энергия, излучаемая нагретым телом, связана с частотой вибрации его атомов и, соответственно, эта энергия носит скорее прерывистый, чем непрерывный характер и испускается в виде дискретных порций, которые получили название квантов. Через несколько лет Эйнштейн предположил, что дискретный характер носит не только излучение Планка; электромагнитное излучение, включая свет, тоже существует в виде квантов. Теперь мы называем единичные кванты света – частицы световой энергии – фотонами.
Предположение Эйнштейна о квантовой природе света было не просто догадкой. Оно позволило объяснить одну из величайших научных тайн того времени под названием «фотоэлектрический эффект» – явление, когда свет при попадании на металлическую поверхность может выбивать электроны из атомов металла. Этот эффект не удалось бы объяснить, если бы свет имел волновую природу; в этом случае увеличение интенсивности света (или его яркости) приводило бы к увеличению его энергии и мы могли бы ожидать, что выбиваемые из металла электроны вылетали бы с большей скоростью. Однако это не так. Их просто вылетает больше. Но если энергия света пропорциональна его интенсивности, как это предполагал Эйнштейн, то увеличение его частоты (например, переход от видимого к невидимому спектру) придает выбиваемым электронам больше энергии. И наоборот, сохраняя частоту (цвет) света и увеличивая его яркость, мы только увеличим число фотонов, а также число выбиваемых электронов. Именно это и наблюдается в экспериментах, и тут идея Эйнштейна пришлась совершенно впору.
И все же и тогда и теперь многие данные говорят о том, что свет скорее представляет собой волны, а не поток частиц. Так где же истина? Свет – это волна и частица? Ответ, который, как это ни удивительно, противоречит всякой интуиции и логическим соображениям, таков: свет может вести себя то так, то этак, в зависимости от того, как мы на него смотрим и какого рода эксперименты ставим.
А ведь такую шизофреническую природу имеет не только свет. Частицы материи, например электроны, тоже могут проявлять волновую природу. Это общее понятие, которое уже более 100 лет подвергается всяческому тестированию и проверке, известно как корпускулярно-волновой дуализм и является одной из центральных идей квантовой механики. Это не означает, что электрон в один и тот же момент времени является частицей и волной. Если мы поставим эксперимент с целью подтверждения корпускулярной природы электронов, то обнаружится, что они себя так и ведут. Но если мы затем поставим другой эксперимент: проверить, не обладают ли электроны волновыми свойствами (такими как дифракция, рефракция или волновая интерференция), то увидим, что они ведут себя как волны. Дело только в том, что мы не можем осуществить эксперимент, который продемонстрировал бы корпускулярные и волновые свойства электронов одновременно. Здесь абсолютно необходимо подчеркнуть, что, хотя квантовая механика позволяет довольно точно предсказать исход таких экспериментов, она не говорит нам самого главного: что же представляет собой электрон. Она позволяет нам только описать то, что мы видим, когда ставим определенный эксперимент для его исследования. Единственная причина того, что физики больше не сходят с ума от этой двойственности, – это то, что мы научились с этим жить. Этот баланс между тем, сколько мы можем одновременно знать о корпускулярной природе частицы (ее положении в пространстве) и ее волновой природе (с какой скоростью она движется), регулируется принципом неопределенности Гейзенберга, который считается одной из важнейших научных идей, лежащей в основе квантовой механики.
Принцип неопределенности налагает ограничения на то, что можно наблюдать и измерить, однако многие люди, даже некоторые физики, склонны неверно понимать этот принцип. Несмотря на то что вы прочитаете в учебниках физики, формально квантовая механика нигде не утверждает, что электрон не может иметь одновременно определенное положение и определенную скорость, она лишь говорит, что мы не можем знать оба параметра одновременно. Связанная с этим распространенная ошибка заключается в том, что человеку в квантовой механике якобы принадлежит какая-то особая роль: наше сознание может влиять на квантовый мир или даже порождать его при попытках провести в нем какие-то измерения. Это ерунда. Наша Вселенная, вплоть до самых элементарных строительных блоков на квантовом уровне, существовала задолго до возникновения Земли – она не пребывала в некоем неопределенном состоянии летаргического сна в ожидании того момента, когда наконец явимся мы, измерим ее и превратим ее в реальность.
К середине 20-х годов физики начали понимать, что концепция квантизации носит более общий характер, чем просто противопоставление «комковатости» и «волнистости» материи. Многие физические свойства, которые мы всегда считали непрерывными, на самом деле дискретны (то есть имеют скорее цифровую, чем аналоговую природу), что становится ясно, как только вы увеличиваете масштаб до субатомного. Например, электроны, связанные друг с другом внутри атома, «квантизируются» в том смысле, что они могут обладать только определенным количеством энергии и никогда не будут обладать энергией, объем которой попадает между значениями этих дискретных величин. Не обладай электроны таким свойством, они бы беспрерывно теряли энергию при движении[20], что означало бы дестабилизацию атомов. А в этом случае сложная материя, включая жизнь, не существовала бы. Согласно электромагнитной теории XIX века (доквантовой эпохи) отрицательно заряженные электроны должны двигаться по спирали по направлению к положительно заряженному ядру атома. Но этому препятствует квантизированные энергетические уровни. Специальные квантовые законы также определяют, какие энергетические состояния занимают электроны и как они располагаются вокруг ядра. По сути, законы квантовой механики регулируют то, как атомы могут связываться друг с другом, образуя молекулы, что делает квантовую механику основой химии.