диковинные штучки” не просто домыслы умозрительной науки. Так, “туннельный эффект” используется в некоторых микросхемах, например в туннельном диоде. Более того, туннелирование в какой-то степени проявляется даже при протекании в медной проволоке обычного электрического тока.
Многое странное в поведении электронов связано с тем, что в некоторых отношениях они ведут себя подобно волнам. Волнообразное поведение электронов можно продемонстрировать с помощью ряда четко поставленных экспериментов. Наше воображение бессильно представить нечто такое, что может быть одновременно и волной, и частицей, но само по себе существование дуализма волна-частица (так называемого корпускулярно-волнового дуализма) не вызывает сомнения. Может случиться и так, что объект, который мы обычно считаем волной, обретает в микромире свойство частицы. Например, световые волны ведут себя подобно потоку частиц, выбивая электроны с поверхности металла (фотоэлектрический эффект). Частицы света называются фотонами, и физики относят их наряду с электронами и кварками к фундаментальным частицам. Наглядно представить себе волну-частицу невозможно, не стоит и пытаться. В нашей повседневной жизни нет ничего такого, что хотя бы отдаленно напоминало подобную нелепость. Доведись нам столкнуться с волной-частицей, мы никогда не поняли бы этого.
Много трудностей в понимании современной физики обусловлено тем, что люди тщетно пытаются подогнать используемые там абстрактные понятия под привычную схему представлений, основанных на здравом смысле. У нас существует, видимо, глубокая психологическая потребность сводить все явления окружающего мира к простым, понятным образам. И когда приходится сталкиваться с чем-то, не имеющим аналога в повседневном опыте, например с волной-частицей, рождается недоумение и даже скептицизм. У изучающих физику может возникнуть ощущение, что они не способны правильно понять ее, поскольку не в силах создать простой мысленный образ описываемого. Я часто получаю письма и даже целые рукописи от физиков-дилетантов, где предпринимаются попытки построить, скажем, новую теорию элементарных частиц исключительно на основе здравого смысла. По утверждению авторов этих посланий, заняться таким делом их побудила мысль, что физики-профессионалы, должно быть, заблуждаются, поскольку никак невозможно понять, о чем они толкуют. Ни один глубокий принцип природы, заявляют эти любители, не может быть столь абстрактным и непонятным. Небезынтересно, что, кажется, никто не осуждал абстрактное искусство в столь бранных выражениях.
Не только электроны подчиняются капризам квантовой механики. Подобные свойства присущи всем микрочастицам, включая кварки. Описанные выше эффекты наблюдаются при относительно низких энергиях. Еще более необычны явления, происходящие при высоких энергиях, например внезапное рождение новой частицы или распад нестабильной частицы с превращением ее в ливень других частиц. Среди частиц есть даже соединяющие в себе черты двух совершенно различных частиц – своего рода “сумасшедшее” единство.
К числу самых необычных частиц относятся нейтрино. Это частицы-призраки, по-видимому, не имеющие массы и движущиеся со скоростью света. Они не имеют электрического заряда и почти “не замечают” твердого вещества. Нейтрино столь “бестелесны”, что легко пронизывают толщу Земли и способны пройти слой свинца толщиной в несколько световых лет! Мириады нейтрино пронизывают вас, пока вы читаете эти строки. Нейтрино, как ничто другое, близки к тому, что можно назвать “абсолютно ничем”, за одним исключением: они обладают таким важным свойством, как спин. Иногда для наглядности это свойство нейтрино буквально сопоставляют вращению вокруг собственной оси, уподобляя его суточному вращению Земли, но в действительности эта аналогия неверна. Как мы увидим далее, спин нейтрино отличается явно необычными особенностями.
Астрофизика – еще одна область, где терпят крах земные понятия, столь привычные нашему здравому смыслу. Хороший тому пример – гравитационные волны. Эти неуловимые возмущения представляют собой своего рода “рябь” самого пространства –распространяющееся искривление пространства. Такие -волны генерируются в результате участия материальных тел или анергии в интенсивном движении. Хотя гравитационные волны переносят энергию и импульс, они не связаны с переносом вещества как такового–это просто колебания пустоты. Гравитационные волны обладают чрезвычайно высокой проникающей способностью, превосходя в этом отношении даже эфемерные нейтрино. В сущности не существует материи, способной поглощать гравитационные волны, и поэтому их очень трудно обнаружить: они просто-напросто “игнорируют” детектор.
В схватке с подобными странными понятиями воображение исчерпывает себя до предела. Систематическое продвижение вперед было бы невозможно, если бы не математика. Абстрактные формулы не требуют воображения и позволяют точно описывать самые необычные явления, если используемые уравнения логически непротиворечивы. Проникновение в физику высшей математики означает, что большинство теоретических работ завершается лабиринтом непостижимых символов. Таинства математики и несколько мистический оттенок новой физики создают вокруг нее как бы ореол религиозности, а сами физики воспринимаются как верховные жрецы. Это в значительной степени объясняет популярность новой физики среди людей, склонных к философии и даже мистике. Тем не менее не следует забывать, что физика имеет практическое применение, и хотя некоторые ее понятия вполне созвучны “Алисе в Стране Чудес” Л. Кэрролла, развитие современной технологии во многом зависит от нашего понимания этих абстрактных идей.

Искривление пространства

Среди вереницы странных образов, рожденных новой физикой, наибольший интерес вызывают те, которые относятся к квантовой теории и теории относительности. В своей наиболее разработанной форме, называемой квантовой механикой, квантовая теория по существу занимается изучением всех процессов, происходящих в микромире. На квантовой механике основано наше понимание всех явлений молекулярной, атомной, ядерной и субъядерной физики. Теория относительности изучает свойства пространства, времени и движения. Ее выводы становятся существенными, когда рассматриваемая система движется со скоростью, близкой к скорости света, или в сильном гравитационном поле.
Квантовая физика и теория относительности подрывают здравый смысл во многих аспектах. Не последняя среди их “жертв” – наше интуитивное представление о геометрии. В повседневной жизни метр всегда остается метром. Коль скоро ему дано определение, любую другую единицу длины можно считать заданной раз и навсегда. Мало кому могло бы прийти в голову, что 1 м сегодня мог бы оказаться завтра равным 2 м или что ваш метр равен половине моего метра. Однако теория относительности не только утверждает, что расстояния не абсолютны, т.е. не фиксированы раз и навсегда, но и указывает эксперименты, в которых могли бы выявиться подобные расхождения. Если один наблюдатель движется относительно другого, то при измерении длины одного и того же объекта они получают разные значения. И это несмотря на то что в состоянии покоя оба наблюдателя при измерении длины данного объекта получат в точности один и тот же результат.
Уменьшение расстояния с увеличением скорости называется эффектом сокращения длин Лоренца – Фитцджеральда, в честь сформулировавших его ученых Джорджа Фитцджеральда и Хендрика Антона Лоренца. Это один из основополагающих результатов теории относительности. Сокращение длины становится заметным только при скоростях, близких к скорости света, но существование эффекта не вызывает сомнений. Линейный ускоритель частиц в Стэнфорде (шт. Калифорния, США) представляет собой прямолинейную трубу длиной около 3 км (в нашей системе отсчета). Однако движущиеся в ней электроны обладают скоростями, столь близкими к скорости света, что в их “системе отсчета” длина ускорителя едва достигает 0,3 м! На практике, при проектировании такого ускорителя и работе на нем, следует учитывать эффект сокращения длины.
Если теория относительности лишает смысла понятие расстояния, то квантовая механика еще решительнее подрывает устои”, ставя под сомнение основанное на здравом смысле понятие местоположения. Считается непреложной истиной, что все материальные тела должны где-то находиться. Каждая субатомная частица, например, входящая в состав нашего тела, непременно должна иметь определенное местоположение. Может ли вообще существовать частица, не находясь где-то?
Когда физики принялись исследовать понятие местоположения в свете квантовой физики, они с изумлением обнаружили, что оно, вообще говоря, лишено смысла. Источник всех “неприятностей” связан с одним фундаментальным правилом квантовой механики, называемым принципом неопределенности Гейзенберга – в честь немецкого физика Вернера Гейзенберга, который в 20-х годах нашего столетия явился одним из создателей квантовой механики. Согласно этому принципу, невозможно одновременно точно определить положение и скорость частицы. Можно говорить о скорости (точнее, об импульсе), например, электрона и поставить эксперимент с целью измерения этой величины. Эксперимент даст определенный результат. Аналогичным образом можно при желании определить положение электрона. При этом каждый раз мы будем обнаруживать его в определенном месте. Но чего нам никак не удастся сделать–и что в принципе невозможно, – так это одновременно определить обе характеристики электрона: положение и скорость. Независимо от способа измерения сам акт наблюдения местоположения электрона непредсказуемым образом нарушает его движение. Точно так же измерение импульса электрона “смазывает” данные о его местоположении. Эти два типа измерении просто несовместимы.
Невозможность одновременного определения положения и импульса частицы не следует относить за счет грубого характера эксперимента или недостаточной разрешающей способности прибора, ибо в данном случае мы имеем дело с особенностью, внутренне присущей природе. Само понятие электрона, находящегося в таком-то месте, становится абсолютно бессмысленным, если мы хотим узнать его импульс.
Все это говорит о том, насколько нелепа попытка представить себе мир атома как пространство, “населенное” вращающимися шариками. Если частица не может одновременно обладать определенными положением и импульсом, то мы не в состоянии разумным образом приписать ей траекторию в пространстве. Нам может быть известно, что в какой-то момент времени электрон находится в точке А, а в более поздний момент – в точке В, но мы не можем знать, как он попал из А в В. Представление о траектории (или орбите), непрерывно соединяющей исходной и конечный пункты, утрачивается. И в самом деле, мы уже упоминали, что в некоторых технических устройствах электроны проявляют способность “туннелировать” через барьер, исчезая с одной его стороны и внезапно вновь возникая по другую сторону. Это – типично квантовый эффект.
Единственный способ придать смысл столь странному поведению электрона заключается в предположении, что частица попадает из А в В одновременно по всем возможным путям! Это необычное свойство можно легко продемонстрировать, приспособив надлежащим образом эксперимент, впервые поставленный в XIX в. английским физиком Томасом Юнгом. Желая доказать справедливость волновой теории света. Юнг воспользовался явлением интерференции. Интерференция происходит при наложении двух волн. Если гребни одной волны совпадают в гребнями другой волны, то происходит усиление, и волновое движение становится более интенсивным. Если же гребни одной волны приходятся на впадины другой, то волны гасят друг друга, и волновое движение ослабевает.
В эксперименте Юнга (рис. 3) свет от небольшого источника падает на две близко расположенные щели в непрозрачном экране. Изображения щелей проецируются на второй экран. Достигая второго экрана, световые волны от каждой щели интерферируют. Результат интерференции зависит от того, как приходят к экрану волны – “в ногу” или “не в ногу”. Это в свою очередь зависит от того, под каким углом волны падают на экран, и поэтому результат меняется от точки к точке. В итоге мы наблюдаем серию светлых и темных полос, образующихся вследствие того, что световые волны поочередно то усиливают, то гасят друг друга.

Рис.3. Опыт Юнга по интерференции света. Источник света освещает две параллельные щели в непрозрачном экране. Изображение на экране состоит не из двух светлых полос, а из серии светлых и темных (интерференционных) полос. Этот опыт наглядно демонстрирует волновую породу света, но если взглянуть на него с корпускулярной (фотонной) точки зрения, то многое в опыте покажется странным.

Если принять во внимание квантовую природу света, то обнаруживаются удивительные детали. Квант света – фотон – ведет себя, как частица, в том смысле, что попадает на экран в определенном месте. (Если, желая зафиксировать интерференционную картину, заменить экран фотопластинкой, то каждый фотон вызовет химические изменения в единственном зерне фотоэмульсии в четко определенном месте.) С другой стороны, интерференционная картина явно зависит от наличия двух щелей, порождающих две волны, которые налагаются друг на друга. Если одну щель закрыть, то интерференционная картина исчезает. Наблюдаемое явление нельзя объяснить ссылкой на то, что часть фотонов проходит через одну щель, а часть – через другую, так как интерференционная картина возникает в виде отдельных пятнышек, даже если на экран падают раздельно фотон за фотоном. Единственное возможное объяснение заключается в том, что каждый фотон каким-то образом проходит через обе щели и достигает экрана, неся на себе отпечаток их существования.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47