Розділ «2. Квант»

Сім основних уроків з фізики

Два стовпи, на яких стоїть фізика ХХ століття, – загальна теорія відносності, про яку йшлося у попередньому уроці, і квантова механіка, з якою матимемо справу тут. Немає теорій, які відрізняються одна від одної більше, ніж ці. Обидві теорії вчать нас, що тонка структура природи – ще менш вловима, ніж може здаватися. Але загальна теорія відносності – це, так би мовити, компактна коштовність, створена силою єдиного розуму, а саме Альбертом Ейнштейном, це просте і послідовне бачення гравітації, простору і часу. Квантова механіка, або квантова теорія, отримала незрівнянні експериментальні результати, і її застосування кардинально змінило наше повсякденне життя (комп’ютер, на якому я набираю текст, – цьому приклад), але навіть через століття після народження вона залишається незрозумілою і таємничою.

Квантова механіка виникла у 1900 році і проголосила століття напружених інтелектуальних зусиль. Німецький фізик Макс Планк обчислив електричне поле, врівноважене в нагрітій ємності. Щоб зробити це, він вдався до трюку: уявив, що енергія поля поширюється в «квантах», що означає «в пакунках» чи «грудочках» енергії. Результат абсолютно відповідав меті обчислення (і тому в цій моделі мусить бути правильним), але суперечив усьому, що було відомо на той час. Вважалося, що енергія – це величина, яка змінюється неперервно, і не було причин розглядати її як таку, що складається з маленьких дискретних порцій. Для самого Планка розбиття енергії на порції було просто дотепним способом обчислень, і він сам цілком не розумів причин результативності цього методу. І саме Ейнштейн п’ять років по тому дійшов висновку, що ці порції енергії реальні.

Ейнштейн показав, що світло складається з частинок. Сьогодні ми називаємо їх фотонами. У вступі до своєї статті він писав: «Мені здається, що дослідження, пов’язані з випромінюванням абсолютно чорного тіла, флуоресценцією, утворенням катодних променів під дією ультрафіолетового світла, та з іншими, спорідненими з цим феноменами, що стосуються емісії або трансформації світла, були б успішнішими, якби дослідник припускав, що світлова енергія переривчасто розподіляється в просторі. Згідно з припущенням, що розглядається, енергія світлового променя, що поширюється від точечного джерела, не розподілена неперервно в просторі, а складається зі скінченної кількості енергетичних квантів, що локалізовані в певних точках простору і рухаються не подрібнюючись та можуть утворюватися або поглинатися лише цілком окремими одиницями».

Ці прості і ясні рядки є справжнім свідоцтвом про народження квантової теорії. Зверніть увагу на дивовижний початок: «мені здається…», що нагадує «я думаю…», яким Дарвін у своєму записнику починав формулювання великої ідеї еволюції видів, і «сумніви», висловлені Фарадеєм, коли він ознайомлював світ з революційною ідеєю магнітних полів. Геній сумнівається.

Робота Ейнштейна від початку сприймалася колегами як абсурд. Згодом ця сама робота буде нагороджена Нобелівською премією. Якщо Планк є батьком квантової теорії, то Ейнштейн – той, хто її виплекав.

Але, як усі нащадки, теорія з часом пішла своєю дорогою, незнаною самим Ейнштейном. У 1920―1930-х роках її почав розвивати данець Нільс Бор. Саме він зрозумів, що енергія електронів в атомах може набувати лише певних значень, подібно до енергії світла, і ключовим є те, що електрони можуть тільки перестрибувати з однієї атомної орбіти на іншу з певними енергіями, під час стрибка випромінюючи або поглинаючи фотон. Це і є знамениті «квантові стрибки».

Саме в Копенгагенському інституті найбільш блискучі молоді вчені століття зібрались для спільних досліджень, намагаючись навести лад у незбагненних аспектах поведінки атома та збудувати на цій основі послідовну теорію. У 1925 році нарешті з’явилося рівняння нової теорії, яке замінило загальну механіку Ньютона. Важко уявити значніше досягнення. Один доторк – і все набуває сенсу, стає можливим обчислити що завгодно.

Наведемо один приклад. Чи ви пам’ятаєте періодичну таблицю елементів Менделєєва, який записав усі можливі елементи, з яких складається Всесвіт, від водню до урану? Ця таблиця висить на стіні майже в кожному класі. Чому ж у ній записані саме ці елементи та чому вона має саме таку структуру, з саме такими періодами і з елементами, що мають саме такі специфічні властивості? Тому що кожен елемент відповідає одному рішенню основного рівняння квантової механіки. Ціла наука – хімія – ґрунтується на одному рівнянні.

Першим написав рівняння нової теорії, базуючи їх на шалених запаморочливих ідеях, геніальний молодий німець, Вернер Гейзенберг. Він уявляв, що електрони не завжди існують. Вони є лише тоді, коли хтось або щось спостерігає за ними, чи, краще сказати, – коли електрони взаємодіють із чимось іншим. Вони матеріалізуються в конкретному місці з обчислюваною ймовірністю, коли зіштовхуються з чимось іншим. Квантові стрибки з однієї орбіти до іншої – це єдиний засіб, який вони мають, щоб бути реальними: електрон, таким чином, – це набір стрибків від однієї взаємодії до іншої. Коли ніщо його не турбує, він не має точного місця. Він взагалі не перебуває на жодному місці. Це так, якби Бог створював світ не за допомогою ліній, що їх непросто стерти, а наніс його пунктиром у вигляді нечіткої схеми.

У квантовій механіці об’єкт не має визначеного розташування, допоки не зіштовхнеться з чимось іншим. Щоб описати такі об’єкти між взаємодіями, ми використовуємо абстрактні математичні формули, що мають сенс не в реальному просторі, а лише в абстрактному математичному світі. Але гірше попереду: ці стрибкоподібні взаємодії, що переміщують об’єкт з одного місця в інше, трапляються не якимось передбачуваним чином, а є переважно випадковими. Неможливо передбачити, де електрон знову з’явиться, можна тільки вирахувати ймовірність, що він вигулькне тут чи там. Питання ймовірності постає в самому серці фізики, де, здавалося б, усе підкорюється чітким, непохитним та незмінним універсальним законам.

Чи не здається це абсурдом? Це здалось абсурдним Ейнштейну… З одного боку, він висуває Гейзенберга на Нобелівську премію, визнаючи, що він зрозумів про світ щось фундаментальне, з іншого – ніколи не упускає шансу побурчати, що все це не має особливого сенсу. Молоді леви з Копенгагенської групи були в сум’ятті: як можливо, щоб Ейнштейн думав так? Їхній духовний батько, який мав мужність думати про, здавалося б, неосяжне для людського розуму, відступає і боїться стрибка в невідомість, до якого сам спонукав. Той самий Ейнштейн, котрий показав, що час не є універсальним, а простір є викривленим, тепер стверджує, що світ не може бути аж таким дивовижним.

Бор терпляче розтлумачує Ейнштейну нові ідеї. Ейнштейн завзято заперечує. Він проводить ментальні експерименти, щоб продемонструвати суперечливість нових ідей: «Уявіть коробку, наповнену світлом; і от ми даємо одному фотону можливість втекти звідти на певний час…» – так починається його знаменитий уявний експеримент з «коробкою світла».

Бор завжди знаходив аргументовану відповідь, щоб відбивати подібні «атаки». Протистояння двох вчених тривало впродовж років, у формі лекцій, листів, статей… Обом великим людям доводилось коректувати і змінювати спосіб мислення. Кінець кінцем Ейнштейн визнав, що в нових ідеях немає аж таких суперечностей. Бору ж довелося змиритися з тим, що речі не такі прості, як він вважав.

Ейнштейн не хотів поступатися тим, що для нього було ключовим пунктом: існує об’єктивна реальність, незалежна від того, що і з чим взаємодіє. Бор не міг поступитись цінністю принципово нового шляху, на якому реальність була концептуалізована новою теорією.

Нарешті Ейнштейн визнав, що нова теорія – гігантський крок вперед на шляху до розуміння світу, але лишився переконаним, що речі не можуть бути такими дивними, як пропонується нею, і що десь за рамками цієї теорії має бути більш загальне, більш прийнятне для здорового глузду пояснення.

Минуло століття, а ми перебуваємо в тій самій точці. Рівняння квантової механіки та висновки з них щодня використовуються в найрізноманітніших галузях фізиками, інженерами, хіміками та біологами. Вони надзвичайно корисні для всіх сучасних технологій (без квантової механіки не було б, скажімо, транзисторів). Але ці рівняння лишаються таємничими, адже ними неможливо описати, що відбувається у фізичній системі, а тільки те, як одна фізична система впливає на іншу.

Основну реальність системи описати неможливо. Чи значить це, що нам не вистачає частини головоломки? Чи значить це, що ми маємо прийняти те, що реальність – тільки взаємодія? Обсяг наших знань зростає. Це дозволяє нам робити те, чого ми колись навіть уявити не могли. Але прогрес поставив перед нами нові питання.

Рівняння квантової теорії застосовуються в лабораторіях. Але в статтях і на конференціях, кількість яких значно зросла, фізики та філософи продовжують науковий пошук. Що ж таке квантова теорія за століття після народження? Надглибоке занурення в природу реальності? Рух навпомацки, що призводить до випадкових результатів? Частинка незібраного пазла? Чи дороговказ до чогось важливого у структурі світу, який ми досі не можемо правильно зрозуміти?

Коли Ейнштейн помер, його багаторічний суперник Бор знайшов для нього слова, сповнені зворушливого захвату. Коли за кілька років помер Бор, хтось сфотографував дошку в його кабінеті – на ній був малюнок «наповненої світлом коробки» з ейнштейнівського уявного експеримента.

Сторінки


В нашій електронній бібліотеці ви можете безкоштовно і без реєстрації прочитати «Сім основних уроків з фізики» автора Ровеллі Карло на телефоні, Android, iPhone, iPads. Зараз ви знаходитесь в розділі „2. Квант“ на сторінці 1. Приємного читання.