Уравнение Бога. В поисках теории всего - Митио Каку

Тогда Макс Планк предложил невинную гипотезу, согласно которой энергия, вместо того чтобы быть непрерывной, как в теории Ньютона, на самом деле излучается дискретными пакетами, которые он назвал квантами. Отталкиваясь от этой идеи, он обнаружил, что может точно вычислять энергию, излучаемую нагретыми объектами. Чем горячее объект, тем выше частота его излучения, что соответствует разным цветовым оттенкам спектра.

Вот почему нагретые тела меняют цвет от красного к голубому с ростом температуры. Кроме того, это позволяет нам определить температуру Солнца. Услышав в первый раз, что температура на поверхности Солнца составляет около 6000 ºC, вы, возможно, с удивлением подумали: откуда мы это знаем? Никто и никогда не бывал на Солнце с термометром. На самом же деле температура Солнца известна нам благодаря длине волны излучаемого им света.

После этого Планк рассчитал размер этих пакетов световой энергии, или квантов, и выразил его через константу – постоянную Планка h, которая равна 6,6 × 10–34 Дж·с. (Это число Планк нашел, вручную подбирая энергию пакетов и добиваясь идеального совпадения с экспериментальными данными.)

Если мы устремим постоянную Планка к нулю, все уравнения квантовой теории сведутся к уравнениям Ньютона. (Это означает, что странное поведение элементарных частиц, которое часто противоречит здравому смыслу, сводится к знакомым законам движения Ньютона, если присвоить постоянной Планка нулевое значение.) Вот почему мы редко наблюдаем квантовые эффекты в повседневной жизни. Нашим органам чувств окружающий мир представляется вполне ньютоновским, потому что постоянная Планка – очень маленькое число, способное повлиять на Вселенную только на субатомном уровне.

Эти небольшие квантовые эффекты называются квантовыми поправками, и физики иногда тратят целую жизнь на попытки их вычислить. В 1905 г. – в том самом году, когда он сформулировал принципы специальной теории относительности, – Эйнштейн применил квантовую теорию к свету и показал, что свет – это не просто волна, что он ведет себя как отдельный пакет энергии, или частица, которая получила название фотона. Так что свет, очевидно, имеет две ипостаси: это и волна, как предсказывал Максвелл, и частица (фотон), как предсказали Планк и Эйнштейн. Так зарождались новые представления о свете. Свет состоит из фотонов, которые представляют собой кванты, или частицы, но каждый фотон создает вокруг себя поля (электрическое и магнитное). Эти поля, в свою очередь, сформированы подобно волнам и подчиняются уравнениям Максвелла. Таким образом, мы получили красивую взаимосвязь частиц и полей, которые их окружают.

Но если свет существует в двух формах – как частицы и как волны, то не присуща ли и электрону та же странная двойственность? Этот вопрос был следующим логическим шагом, а ответу на него суждено было произвести глубинный эффект и до основания потрясти не только мир современной физики, но и саму цивилизацию.

Электронные волны

После этого физики, к собственному изумлению, обнаружили, что электроны, которые когда-то считались твердыми компактными частицами, тоже могут вести себя подобно волнам. Чтобы продемонстрировать это, можно взять два листа бумаги и поставить их один за другим. В первом листе следует прорезать две щели, а затем направить на этот лист пучок электронов. В принципе, логично было бы ожидать появления на втором листе двух полос в тех местах, куда попадают электронные пучки из щелей. Каждый электрон проходит либо через одну щель, либо через вторую, но не через обе сразу. Так подсказывает здравый смысл.

Но если проделать этот эксперимент в реальности, на втором листе появится группа вертикальных линий – типичное явление, возникающее при интерференции волн. (В следующий раз, когда будете принимать ванну, шлепните аккуратно по воде в двух местах одновременно, и увидите, как появляется интерференционная картина, похожая на узор паутины.)

Рис. 7. Электроны, проходя сквозь двойную щель, ведут себя как волны, то есть интерферируют друг с другом по другую сторону экрана, словно они проходят сквозь оба отверстия одновременно, что невозможно в Ньютоновой физике, но является, по сути, фундаментом квантовой механики

Больше того, такая картина возникает, даже если запускать электроны по одному. Но это означает в некотором смысле, что электрон проходит сквозь обе щели одновременно. В этом заключается парадокс: как может точечная частица, электрон, интерферировать сам с собой, словно он умудрился пройти сквозь две щели? Плюс ко всему другие эксперименты с электронами показали, что они способны пропадать и вновь появляться в другом месте, что совершенно невозможно в Ньютоновом мире. Если бы постоянная Планка была значительно больше и оказывала влияние на объекты осязаемого человеком масштаба, то наш мир был бы совершенно неузнаваемым и странным местом. Объекты могли бы пропадать и вновь появляться в другом месте, а также находиться в двух местах одновременно.

Какой бы невероятной ни казалась квантовая теория, вскоре она начала демонстрировать впечатляющие успехи. В 1925 г. австрийский физик Эрвин Шрёдингер записал свое знаменитое уравнение, которое в точности описывало движение этих частиц-волн. Применительно к атому водорода, где единственный электрон обращается вокруг протона, оно дало замечательное совпадение с экспериментом. Уровни электрона, обнаруженные в атоме Шрёдингера, точно соответствовали экспериментальным результатам. Мало того, вся система Менделеева может быть, в принципе, объяснена через решение уравнения Шрёдингера.

Объяснение периодической системы

Одно из важных достижений квантовой механики – ее способность объяснять поведение строительных кирпичиков вещества, атомов и молекул. По Шрёдингеру, электрон представляет собой волну, которая окружает крохотное ядро. На рис. 8 мы видим, что двигаться вокруг ядра могут только волны с определенными дискретными длинами. Волны, длина которых укладывается целое число раз в орбиту, вписываются в эту систему замечательно. А вот те, у которых длина не укладывается целое число раз, не могут полностью обернуться вокруг ядра. Они неустойчивы и не способны образовывать стабильные атомы. Это означает, что электроны могут двигаться только в пределах отдельных конкретных оболочек.

Рис. 8. Только электроны с определенной длиной волны могут находиться внутри атома, а именно: длина волны электрона должна целое число раз укладываться в орбиту. Это вынуждает электронные волны образовывать дискретные оболочки вокруг ядра. Подробный анализ того, как электроны заполняют эти оболочки, может помочь в объяснении периодической системы Менделеева

По мере того как мы удаляемся от ядра, эта базовая закономерность повторяется; с увеличением числа электронов внешнее кольцо все дальше отодвигается от центра. Чем дальше отходишь, тем больше электронов обнаруживаешь. Этим и объясняется, почему система Менделеева содержит повторяющиеся регулярные дискретные уровни, причем каждый уровень повторяет поведение лежащей под ним оболочки.