Квант. Путеводитель для запутавшихся - Джим Аль-Халили

сродни желанию, чтобы подброшенная монетка одновременно упала и орлом, и решкой вверх. В эту категорию попадают и другие пары величин, в частности энергия частицы и точное время, в течение которого она этой энергией располагает. Точно так же, чем короче изучаемый нами временной интервал, тем более сильные колебания энергии мы увидим. Однако, в отличие от связи положения и импульса частицы, которая привела нас в темные глубины волновых функций и природы того, что существует, пока мы не смотрим, отсюда вытекает совершенно определенное и удивительно простое следствие: что частицы создаются из ничего!

В квантовом мире временная шкала событий действительно очень и очень коротка. Я приведу один из потрясающих примеров, к которым любят прибегать ученые и которые требуют быстрых расчетов с неприличным количеством нулей. За одну секунду фотон может переместиться с одного конца атомного ядра на другой (не превышая при этом внутриядерного ограничения скорости) большее число раз, чем количество секунд, прошедших с момента Большого взрыва[52]. Эта короткая временная шкала позволяет частицам, а именно протонам и нейтронам, ловко использовать принцип неопределенности очень важным образом. На очень короткий промежуток времени они могут заимствовать энергию буквально из ниоткуда при условии, что успеют возвратить ее до нарушения принципа неопределенности. Чем короче промежуток времени, на который им нужна энергия, тем больше энергии они могут позаимствовать.

Дальше наступает второй этап: уравнение Эйнштейна гласит, что масса и энергия взаимозаменяемы, так что позаимствованная энергия может быть использована для создания частицы определенной массы. Юкава предположил, что внутри ядра создается такая частица, которую теперь называют пионом. Эта частица, согласно его гипотезе, отвечает за силу притяжения, которая удерживает вместе протоны и нейтроны, совместно называемые нуклонами. Расчеты Юкавы предсказали, что пион создается одним нуклоном, который заимствует из окружающей среды достаточно энергии для его создания. Затем пион перепрыгивает к соседнему нуклону и снова исчезает. За краткий период своего существования, позволенный принципом неопределенности, он становится предметом обмена двух нуклонов и приводит к возникновению силы притяжения, которая притягивает их друг к другу. Этот пион часто считается виртуальной, а не реальной частицей, так как его существование мимолетно.

Точно так же электромагнитную силу между заряженными частицами можно представить в качестве обмена виртуальным фотоном, отличным от реальных фотонов, которые могут сколь угодно долго сохранять свою энергию, конечно, при условии, что их не поглотит атом. Виртуальные частицы, которые можно создать из чистой энергии, называются бозонами. Их также называют частицами-переносчиками взаимодействий, в том смысле что, когда происходит обмен двух других частиц с этой частицей, между ними возникает взаимодействие. Бозоны подчиняются иным квантовым законам, чем называемые фермионами настоящие частицы материи, включая электроны, протоны и нейтроны, из которых состоят атомы, а следовательно, и вся материя вокруг нас. Однако, благодаря работе одного из величайших физиков-теоретиков всех времен стеснительного англичанина Поля Дирака, мы знаем, что из ничего могут создаваться даже фермионы (см. статью «Антивещество»).

На квантовом уровне даже пустое пространство на самом деле не полностью пусто, а кипит активностью: тут и там постоянно возникают и исчезают виртуальные частицы. При рождении пар частица и ее партнер из антивещества создаются из чистой энергии, скажем, из фотона. В обратном процессе, называемом аннигиляцией, частица и античастица сталкиваются и уничтожают друг друга, навсегда исчезая во вспышке света.

Ядерные взаимодействия

Справедливо сказать, что изучение атомного ядра было и остается одной из самых сложных сфер человеческих стремлений. Причина этого кроется в сложной природе сил, которые действуют между компонентами ядра – протонами и нейтронами. Из четырех известных сил природы три важны внутри ядра. Вы уже знакомы с электромагнитной силой, которая отталкивает протоны друг от друга, так как одинаковые заряды отталкиваются, и с так называемым «сильным ядерным взаимодействием», которое притягивает все нуклоны (протоны и нейтроны) друг к другу. Также существует второе ядерное взаимодействие, называемое слабым, которое отвечает за бета-распад. К нему я скоро вернусь.

Именно взаимное влияние отталкивающей электромагнитной силы и притягивающего сильного ядерного взаимодействия обеспечивает стабильность ядра. Так как на расстоянии влияние этих сил меняется, их комбинированный эффект формирует на поверхности ядра энергетический барьер, называемый кулоновским. Он, по сути, представляет собой силовое поле, которое сдерживает протоны в определенном объеме[53].

Точно так же положительно заряженная частица, ударяющаяся о ядро снаружи, может проникнуть внутрь, если она обладает достаточной энергией, чтобы пробиться сквозь кулоновский барьер. Однако эти частицы могут пробиться сквозь барьер и более интересным образом, даже если их энергии для этого недостаточно. Здесь мы встречаемся с еще одной квантовой идеей, которая объясняет не только альфа-распад в радиации, но и причину, по которой Солнце светит, а мы живем в этом мире.

Эта новая идея получила название квантового туннелирования (см. статью на странице 194). Когда альфа-частица, состоящая, как мы теперь знаем, из двух протонов и двух нейтронов, испускается ядром, ей прежде всего приходится преодолеть кулоновский барьер, чтобы вырваться наружу. Но если применить к атомному ядру знакомые нам идеи ньютоновской физики, мы увидим, что это невозможно. Группа из двух протонов и двух нейтронов, тесно связанных вместе, никогда не накопит достаточного количества энергии, чтобы вырваться из ядра.

Антивещество

В группу молодых гениев, которые поставили квантовую механику на твердое математическое основание, наряду с Гейзенбергом, Паули и рядом других ученых входил и Поль Дирак. На самом деле по результатам недавнего опроса Дирак был назван вторым величайшим английским физиком всех времен, уступив лишь Исааку Ньютону.

Стоит отметить, что Дирак входил в небольшое число выдающихся физиков, которые в 1927 году на знаменитом Сольвеевском конгрессе не стали спорить о разных интерпретациях квантовой механики. Его гораздо больше интересовала эстетическая красота математических уравнений, чем их значение!

В 1927 году Дирак доказал, что две разные формулировки теории, предложенные Гейзенбергом и Шрёдингером, математически эквивалентны друг другу. Затем он первым объединил квантовую механику со специальной теорией относительности Эйнштейна посредством вывода альтернативного уравнению Шрёдингера уравнения, которое описывало поведение электронов, движущихся на скорости, стремящейся к скорости света. Однако уравнение Дирака делало странное предсказание, что должна существовать зеркальная электрону частица, или его античастица. Она должна была обладать такой же массой, как электрон, но противоположным зарядом. Такая частица была названа позитроном и через несколько лет обнаружена в ходе эксперимента. Позитрон также называют партнером электрона из антивещества.

Теперь мы знаем, что каждая элементарная частица имеет соответствующую античастицу. Вступая во взаимодействие, они аннигилируют во вспышке энергии, так как все их