Чего не знает современная наука - [6]

Разница между классической и релятивистской реальностью проявляется только в условиях чрезвычайно больших скоростей и гравитации, а для условий, в которых мы обычно действуем, ньютоновская физика дает очень точное приближение, полезное во многих ситуациях. Однако, по словам Б. Грина, «полезность» и «реальность» – совсем разные категории.

Квантовая реальность

Квантовая физика описывает новую реальность в масштабах, сравнимых с размерами атомов. Она началась с попыток сформулировать законы излучения света. Однако наблюдаемые эффекты никак не удавалось объяснить с классических позиций. Для устранения противоречий Макс Планк в 1900 г. предположил, что электромагнитные волны (свет) излучаются порциями; он назвал их квантами.

Далее последовали эксперименты по фотоэффекту. Еще в 1887 г. немецкий физик Г. Герц обнаружил, что под действием света вещество может испускать электроны. По классическим представлениям, чем больше амплитуда волны, тем больше ее энергия и тем больше электронов она должна выбивать. В экспериментах же все было не так: электроны выбивались только светом с частотой выше пороговой, а свет сколь угодно большой интенсивности, но с частотой ниже порога, никаких электронов вообще не выбивал. Это странное поведение света было теоретически объяснено Эйнштейном в 1905 г.: он предположил, что свет не только испускается, но и распространяется порциями (квантами), названными позднее фотонами и имеющими свойства частиц.

Еще один парадокс, расшатавший основы классической физики, – невозможность объяснить структуру атома. В 1896 г. было открыто явление радиоактивности, через год открыт электрон, а в 1911 г. благодаря опытам Резерфорда обнаружено, что атом состоит из необычайно малого ядра и вращающихся вокруг него электронов. Чтобы представить себе соотношение размеров ядра (10^-13 см) и атома (10^-8 см), увеличим атом до размеров комнаты – тогда ядро будет едва заметной точкой.

В результате классические представления о твердом теле как об области пространства, заполненной сплошной материей, были заменены на представления о «пустоте», в которой движутся чрезвычайно малые частицы – ядра атомов и электроны. Предполагалось, однако, что эти частицы обладают чрезвычайно высокой плотностью. Новое содержание получило учение Демокрита, утверждавшего, что в мире нет ничего, кроме атомов и пустоты.

По классическим представлениям, чтобы электрон не упал на ядро, он должен с сумасшедшей скоростью вращаться вокруг него. Но, вращаясь, электрон испытывает ускорение (направленное к центру орбиты) – а ускоряющиеся частицы, согласно законам классической электродинамики, непрерывно излучают электромагнитную волну, а значит, теряют энергию. Электроны должны практически мгновенно (за 10^-11 секунды) упасть на ядро! Для объяснения устойчивости атомов было предложена еще одна «квантовая» идея: излучение электрона в атоме может происходить только дискретными порциями. Развитие этой идеи позволило описать частоты линий спектра электромагнитных излучений веществ.

Корпускулярные свойства света проявились и в эффекте А. Комптона (1922 г.): оказалось, что свет может рассеиваться электронами, при этом и электрон, и свет ведут себя подобно абсолютно упругим шарикам. Итак, «сумасшедшая природа» придает свету свойства то волны, то частицы – в зависимости от условий его регистрации.

В 1924 г. Луи де Бройль предположил, что такие свойства характерны не только для света, но и вообще для всех объектов микромира. Если эта гипотеза верна, то движение частиц атома нельзя описывать в классических понятиях траектории (орбиты).

Поток электронов, проходящих через щель, регистрируется на экране. Частота попадания электронов в точку y экрана изображена в виде графика функции z(y), изображенного зеленым цветом. Помимо размытого максимума напротив щели имеются и более слабые максимумы, куда электроны не могут попасть, если предположить, что они являются частицами.

Эта идея прекрасно согласуется с опытом, в котором электроны, которые всегда считались «частицами», один за другим «выстреливались» в сторону диафрагмы в виде щели, за которой располагался экран. На экране фиксировались точки, в которые попадали электроны, прошедшие через щель. Если бы электроны были частицами, на экране была бы четкая область, в которую попадали бы частицы, движущиеся по прямой через щель. В реальности же электрон попадает в любую точку экрана, причем в одни области чаще, а в другие реже. Частота попаданий электронов в разные площадки экрана на рисунке показана кривой зеленого цвета. Форма этой кривой полностью совпадает с формой интенсивности волны (световой или волны на поверхности воды), проходящей через щель. Это заставляет отказаться от понятия частицы, движущейся по траектории: вместо нее в современной физике используется представление о некоторой «волне вероятности», которая и распространяется как будто «вместо» частицы, огибает щели экрана, а затем порождает фотон в том или ином месте в соответствии с математическими законами.

Но волна не имеет конкретной координаты, она размыта в некоторой области пространства. На смену представлениям о точечных частицах материи (локальность) приходит «нелокальность». Удивительно, что при регистрации координаты электрона на втором экране «нелокальность» электрона мгновенно сменяется четкой локальностью – электрон-волна мгновенно сворачивается в точку, фиксирующую след от электрона на втором экране. Это свойство получило название редукции волны при измерении.