Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Теерикор Пекка

Глава 17 Странности микромира

 

Проникнув в тайны строения вещества, мы вновь можем вернуться к свету. Как нам уже известно, в XIX веке волновая теория восторжествовала над более ранней теорией Ньютона о частицах света — корпускулах. Но для волны нужна среда, в которой может распространяться волна. Для звуковых волн нужен воздух, а в космосе нет ни звуковых волн, ни воздуха. Предполагалось, что средой для световых волн служит эфир, заполняющий космос, но эта идея лишь усложняла проблему. Важнейшим шагом вперед стала первая статья Эйнштейна, вышедшая в 1905 году, в которой он показал, что в некоторых ситуациях свет ведет себя странно: его поведение напоминает поведение частиц, которые сейчас называют фотонами.

Единство волн и частиц

Теория Максвелла рассматривает свет как электромагнитные колебания. Но при использовании этой теории для объяснения спектра излучения абсолютно черного тела возникли проблемы. Было известно, что излучение черного тела обладает наибольшей силой на определенной длине волны и ослабевает по обе стороны от этого максимума в спектре. Но классическая теория не могла объяснить уменьшение интенсивности на высоких частотах. Немецкий физик Макс Планк понял, как можно объяснить наблюдаемый спектр черного тела: нужно предположить, что атом может излучать энергию только порциями определенного размера. Связанная с излучением энергия похожа на частицы: излучиться может одна, две, три и т. д. «частицы», но доля «частицы» излучиться не может.

Минимальная порция энергии, по предположению Планка, пропорциональна частоте волны: чем выше частота, тем больше энергии в каждой порции. Коэффициент пропорциональности называют постоянной Планка. Таким образом,

Энергия = Постоянная Планка x частота.

Поскольку частота и длина волны обратно пропорциональны друг другу, порция энергии обратно пропорциональна длине волны. Постоянная Планка очень мала, поэтому в быту мы не замечаем отдельных порций света, как не замечаем, что на вид сплошное вещество состоит из крошечных атомов.

Макс Планк был родом из Киля, но большую часть своих исследований провел в Мюнхене, где и защитил диссертацию (рис. 17.1). До этого Планк слушал лекции Кирхгофа и Гельмгольца в Берлине. Довольно неожиданно его избрали преемником Кирхгофа в Берлине. Планк исследовал излучение черного тела, и в 1900 году это привело его к важнейшему открытию. Похоже, Планк не очень высоко оценивал значение своего открытия, что энергия может излучаться только определенными порциями, называемыми квантами. Он считал, что это свойство атомов, и думал, что нет причин, мешающих электромагнитной волне переносить любое количество энергии.

Рис. 17.1. (а) Макс Планк (1858–1947) и (б) Нильс Бор (1885–1962).

Следующий шаг сделал Эйнштейн, который показал, что квантование энергии в порции связано не только с колебаниями в атоме, но и с самим электромагнитным излучением. Доказательством существования квантов света (фотонов) стало объяснение, которое Эйнштейн дал фотоэлектрическому эффекту — испусканию металлом электронов под действием падающего на него света. Это явление в 1880-х годах неожиданно открыл Генрих Герц во время экспериментов с радиоволнами. Ультрафиолетовые фотоны с высокой энергией могут выбивать электроны из металла, даже если свет имеет очень малую интенсивность. Даже один высокоэнергичный квант высокочастотного излучения способен совершить работу по «выдергиванию» электрона из металла. Но отдельные низкоэнергетичные кванты красного или инфракрасного низкочастотного излучения (даже если таких квантов много при ярком освещении) не могут выбить электрон. Грубый аналог этого явления — бросок в лицо пригоршни песка или тяжелого камня; ясно, что последствия этих ударов будут разными.

Свет состоит из своего рода частиц, как полагал Ньютон, но нельзя игнорировать и признаки волновой природы света. Наш повседневный опыт затрудняет понимание этой двойственной, «корпускулярно-волновой» природы света и вообще электромагнитного излучения. Мы по привычке связываем волны и частицы с совершенно разными явлениями. Но почему-то в масштабе атомов оба этих понятия ассоциируются с одними и теми же явлениями. Бесполезно пытаться представить себе нечто, одновременно являющееся и волной, и частицей.

Еще больше усложнил ситуацию французский герцог и физик Луи де Бройль (1892–1987), который в 1924 году предположил, что электрон является не только частицей, но и волной. В 1922 ГОДУ он защитил диссертацию под названием «Исследования в области квантовой теории». В ней была изложена его теория электронных волн. Вскоре это подтвердилось экспериментально: электроны во многих случаях ведут себя как световые волны. Например, уже описанная выше интерференция, когда волны в одной и той же фазе колебаний усиливают друг друга, а в противофазе — гасят, проявилась в экспериментах с использованием пучков электронов, падающих на кристаллы. Волны де Бройля регулярно используются в электронных микроскопах для получения более резкого изображения, чем в оптике, поскольку длина волны у электронов короче, чем у света.

Атом Бора.

Датский физик Нильс Бор применил новую квантовую концепцию к атому. Бор родился в Копенгагене, в богатой семье. В юности он был известным футболистом: вместе с братом играл в лучших национальных командах. Бор учился в Копенгагенском университете и защитил диссертацию в 1911 году. Поворотной точкой в его карьере стала работа в Англии после защиты диссертации. Вначале Бор поехал в Кембридж, но после знакомства с Резерфордом решил переехать в Манчестер. Это было как раз то время, когда Резерфорд подтвердил своими экспериментами с альфа-частицами «модель солнечной системы» для атома.

Все атомы одного элемента одинаковы, однако простая модель Солнечной системы не указывает точно, где должны располагаться электроны в этих атомах. В самой Солнечной системе нет жестких физических ограничений того, на каких расстояниях от Солнца могут располагаться планеты. Скажем, орбита Земли могла бы быть немного больше или немного меньше, чем она есть. И еще одна проблема этой модели: обращающийся по орбите электрон похож на колеблющийся заряд в антенне и поэтому должен излучать энергию с частотой своего орбитального движения. Но, в отличие от антенны радиостанции, у электрона нет внешнего источника энергии. В конце концов потеря энергии должна привести к падению электрона на ядро атома.

Именно над этими проблемами Бор размышлял в Манчестере. Только через два года он смог найти решение. Один из друзей уговорил его посмотреть на формулу спектральных линий водорода, которые Бальмер открыл на несколько десятков лет ранее. «Когда я увидел формулу, то сразу же все понял», — сказал Бор год спустя. Он предположил, что в атоме водорода электрон находится на орбите вокруг протона и их связывает электрическое притяжение. По мнению Бора, в отличие от планет Солнечной системы, у всех атомов данного элемента возможны только определенные радиусы орбит. Во всем остальном электрон может подчиняться законам механики.

Другим отклонением от стандартной физики было требование Бора, чтобы электрон, двигаясь по разрешенной орбите, не излучал. Это противоречит теории электромагнитного излучения. Но Бор связал излучение с другим явлением — с изменением орбиты электрона. Каждая круговая орбита электрона обладает определенной энергией, которая тем больше, чем дальше от протона находится эта орбита. Электрон может перепрыгнуть с верхней (то есть более далекой) орбиты на нижнюю, излучив при этом фотон, энергия которого соответствует разности энергий этих двух орбит. И наоборот, электрон может захватить пролетающий мимо фотон с энергией, необходимой для его перехода на более высокую орбиту.

А поскольку разрешены орбиты только с определенной энергией, то между ними возможны только определенные разности энергий и соответствующие им фотоны. Вспомните ступеньки лестницы: вы не сможете стоять на или перепрыгнуть через половину ступени, вы можете шагать только через целое число ступеней. Так как вели-чина энергии фотона связана с его длиной волны, то лишь определенные длины волн могут присутствовать в излучении атома воден рода. Формула Бальмера связывает длины волн с целыми числами. Бор понял, что это номера орбит в порядке увеличения их расстояния от ядра. Например, серия бальмеровских линий излучается, когда электрон в атоме водорода прыгает на орбиту номер 2 с более высоких орбит (рис. 17.2).

Рис. 17.2. Электронные орбиты Бора в атоме водорода и переходы электронов с одной орбиты на другую. Возникающие при этих переходах спектральные линии группируются в серии, соответствующие наиболее внутренней орбите. Например, бальмеровские линии возникают при переходах со второго уровня на верхние (линии поглощения) или при переходах с верхних уровней на второй (линии излучения).

После возвращения в Данию Бор написал статью о своем открытии и послал ее Резерфорду. Резерфорд немного сомневался в теории Бора, но переслал статью в Philosophical Magazine для опубликования. Отклики на статью были самые разные, начиная с замечания лорда Рэлея: «Я не вижу в статье ничего полезного» до восторга, с каким принял статью Эйнштейн. Эйнштейн признался, что у него были такие же мысли, но не хватило смелости дать им ход.

В 1919 году Бор стал профессором теоретической физики в Копенгагене. Для продолжения его исследований был создан специальный институт, впоследствии один из ведущих центров по развитию атомной физики, место, где могли встречаться ученые из разных уголков мира, что было непросто после Первой мировой войны.

Модель Бора настолько хорошо описывает излучение атома, что постепенно ее стали считать реальной (врезка 17.1). Но потребовалось ее развитие. Арнольд Зоммерфельд (1868–1951) начал использовать модель атома с эллиптическими орбитами электронов. Он считал, что, наряду с круговой орбитой, электрон может иметь и эллиптическую орбиту того же диаметра. Позже от движения электронов по орбитам вообще отказались, и от первых моделей с орбитами осталась лишь идея об энергетических уровнях. Атом может перейти на уровень с большей энергией, то есть — возбудиться. После того как пройдет возбуждение, атом испускает фотон.

Врезка 17.1. Модель Бора и спектроскопические законы Кирхгофа.

Модель атома Бора прекрасно объясняет экспериментальные законы спектроскопии, открытые Кирхгофом.

В тонком слое горячего газа атомы сталкиваются друг с другом, забрасывая электроны на высокие орбиты. Вскоре они спрыгивают на орбиты нижних уровней. В результате атом излучает фотоны, энергия которых соответствует разности энергий орбит. Поэтому спектр газа состоит из ярких эмиссионных линий (II закон Кирхгофа). Когда излучение проходит через тонкий слой газа, в нем поглощаются только те фотоны, которые обладают энергией, необходимой электрону для подъема с нижней на верхнюю орбиту. Таким образом, линии поглощения образуются на тех же местах в спектре, где возникают яркие эмиссионные линии (III закон Кирхгофа). В плотном слое газа и в твердом теле атомы расположены очень близко друг к другу, поэтому они возмущают электронные орбиты друг друга. Орбиты сдвигаются со своих обычных расстояний от ядра. В результате происходят переходы разных типов и излучаются фотоны со всевозможными длинами волн. Так возникает непрерывный спектр (I закон Кирхгофа).

Хотя идеи Бора были верны, предложенная им конкретная картина строения атома, как выяснилось, не имеет реального физического основания. Многие физические законы микромира совершенно не похожи на те, которым подчиняются окружающие нас предметы. Ни механику Ньютона, ни электромагнитную теорию Максвелла нельзя напрямую применять к явлениям атомного масштаба.

Механика атомов.

Новая теория для механики атомных явлений была названа квантовой механикой. Первый шаг к ее открытию сделал немецкий физик Вернер Гейзенберг. Немного позже была разработана квантовая электродинамика для описания электромагнитных явлений в мире атомов. Эти новые теории связаны со старой, так называемой классической физикой таким образом, что если двигаться от масштаба атомов к обычным размерам, то в пределе получаются результаты классической физики. В этом смысле квантовая физика предлагает более глубокий взгляд на реальность, чем классическая физика.

Вернер Гейзенберг (рис. 17.3) работал в Геттингенском университете в группе, которой руководил Макс Борн (1882–1970), занятый изучением странного поведения электронов в атоме. В июне 1925 года в воздухе витал оптимизм: все ждали прорыва. Но именно тогда у Гейзенберга случился сильный приступ сенной лихорадки, вынудивший его уехать из Геттингена. Он отправился путешествовать по суровому острову Гельголанд в Северном море, где его сенная лихорадка прошла. Там 23-летний Гейзенберг продолжал думать о работе. Наконец все сошлось, и родилось точное математическое описание поведения электрона. Позже Гейзенберг рассказал, что как-то под утро, в три часа…

«Я уже не сомневался в логике и стройности той части квантовой механики, которой касались мои вычисления. Вначале я был очень встревожен: я чувствовал, что смотрю сквозь поверхности атомных явлений в их странную и прекрасную суть, и у меня кружилась голова оттого, что я могу исследовать эти математические структуры, природа которых великодушно раскрылась предо мной».

После возвращения в Геттинген Гейзенберг постеснялся рекламировать свое открытие. Он описал результаты в научной статье и дал копии рукописи Борну и своему другу из Мюнхена Вольфгангу Паули. Борн послал статью в журнал Zeitschrift filr Physik («Физический журнал») для публикации. Гейзенбергу нужно было уехать, и он оставил Борна размышлять над смыслом таблиц в этой статье.

Рис. 17.3. (а) Вернер Гейзенберг (1901–1976) и (6) Эрвин Шрёдингер (1887–1961).

Борн обратил внимание, что таблицы Гейзенберга были матрицами — основными величинами раздела математики, называемого матричной алгеброй. Вместе со своим коллегой Паскуалем Иорданом Борн начал переводить теорию Гейзенберга на язык матриц. Сам Гейзенберг, бывший в то время в Копенгагене, принял участие в завершении этой теории. Примерно тогда же Поль Дирак в Кембридже создал такую же теорию, но в иной математической форме, а через год Эрвин Шрёдингер разработал еще один вариант (о нем мы расскажем ниже). Для квантовой физики это была бурная эпоха!

Расплывчатые частицы: принцип неопределенности Гейзенберга.

Главная особенность квантовой механики заключена в ее вероятностной природе, сформулированной Максом Борном в 1926 году. Вместо того чтобы говорить о точных значениях физических величин, есть возможность описать только распределение вероятности этих значений. Связано это с принципом неопределенности, опубликованным Гейзенбергом в 1927 году. Гейзенберг понял, что одновременное существование частицы как материального тела и как волны требует фундаментальных ограничений в положении частицы. Невозможно сказать, на каком расстоянии от атомного ядра расположен электрон в данный момент времени. Одновременно знать об этих двух вещах невозможно. Электрон «размазан» по окрестности ядра. Можно только сказать, что наиболее вероятно обнаружить электрон на таком-то расстоянии и в таком-то направлении, а не на других расстояниях и не в других направлениях. В этом смысле «планетные орбиты» из простой модели Бора теперь представляют только наиболее вероятные области, где можно найти электрон. Это касается не только электрона, связанного в атоме, но и всех электронов и вообще всех частиц. Общее правило гласит: частица «размазана» тем сильнее, чем она легче. «Размазанность» обычных предметов, типа теннисного мяча, совершенно незаметна.

«Размазанность частицы» — звучит абстрактно, но на деле имеет конкретные следствия. Например, при испускании альфа-излучения частица выходит из радиоактивного ядра путем туннелирования. Альфа-частица связана с ядром сильным ядерным взаимодействием, надежно удерживающим ее в ядре. Но мы видим, как время от времени альфа-частицы покидают ядро. Георгий Гамов (изучавший также космологию и генетический код; см. главы 24 и 28), используя квантовую теорию, объяснил это тем, что альфа-частицы «размазываются» не только по ядру, но и выходят немного за его пределы. «Размазывание» означает, что с некоторой вероятностью частицу можно обнаружить в любом месте той области, по которой она «размазана». Следовательно, альфа-частица находится внутри ядра с вероятностью немного меньше 100 %, и в то же время она с небольшой вероятностью находится вне ядра. Поэтому время от времени положительно заряженная альфа-частица материализуется вне ядра, вне области сильного ядерного взаимодействия, где электрическое отталкивание от положительно заряженного ядра выталкивает ее наружу.

На эффекте туннелирования основан и синтез гелия в недрах Солнца, дающий такой любимый нами солнечный свет. Ядра гелия образуются при объединении ядер водорода — протонов, которые должны сблизиться настолько, чтобы их связало сильное ядерное взаимодействие. Сближению протонов мешает их электрическое отталкивание, преодолеть которое протоны могли бы при очень высокой скорости движения. Но в недрах Солнца их скорости довольно малы. Как же разрешается эта дилемма? Поскольку протоны тоже «размазаны» вблизи своего среднего положения, временами они материализуется ближе друг к другу, чем на это указывает их среднее положение. Так что протоны, к своему удивлению, вдруг могут оказаться в области сильного ядерного взаимодействия, хотя ожидать этого было невозможно.

Рассмотрим теперь такой случай. Мы сильно бьем в кирпичную стену дома теннисным мячом. Неожиданно мяч проходит сквозь стену и оказывается внутри здания. А в стене как не было дырки, так и нет; мяч туннелировал сквозь стену. То, что этого никогда не может произойти, обусловлено большой массой теннисного мяча по сравнению с массой протона! Теперь понятно, почему электрон не может быть составной частью ядра. Как легкая частица, электрон размазан по такой большой области, что не может удержаться в ловушке внутри ядра.

Структура атомов.

Развитие квантовой теории позволило понять структуру атома: почему атомы каждого элемента обладают характерными химическими свойствами, как атомы объединяются в химические соединения и многое другое. Вычисления в квантовой механике основаны на уравнении Шредингера, выведенном в 1926 году австрийцем Эрвином Шрёдингером, работавшим тогда в Цюрихе (см. рис. 17.3). Поскольку тогда уже было ясно, что электроны можно рассматривать как волны, Шредингер представил электроны в атомах как колебательное явление. Он показал, что только определенные виды колебаний могут длиться долго, как у музыкального инструмента с долго звучащей отдельной нотой. «Ноты» в атоме соответствуют электронным орбитам Бора (рис. 17.4).

Рис. 17.4. Волны электронов, циркулирующие вокруг атомного ядра. Если на одном обороте укладывается целое число волн, то волна усиливается и возникает разрешенная электронная орбита. Если фазы волны после одного оборота не совпадают, интерференция приводит к их затуханию. Поэтому в модели Бора такой орбитальный радиус невозможен.

Модель Бора для атома водорода далее была развита в оболочечную модель атома, которая объясняет периодическую систему элементов. Вместо предложенных Бором орбит мы сейчас говорим об оболочках атома. Элементы тяжелее водорода имеют несколько электронов, находящихся в разных оболочках. Но электроны не могут свободно выбирать оболочку, в которой они могли бы находиться; в наиболее спокойном состоянии оболочки атома заполняются электронами снизу вверх (от ядра наружу), до тех пор, пока все электроны не найдут свое место. Химические свойства определяются уровнем заполнения самой внешней оболочки. Атомы пытаются до конца заполнить свою внешнюю оболочку, захватывая электроны у соседей или используя электроны совместно с ними. Это приводит к химическим связям. У химически инертных благородных газов внешняя оболочка заполнена, поэтому им не требуется соединение с другими атомами.

Например, связь двух атомов водорода, позволяющая существовать молекуле водорода, основана на совместном использовании двух электронов обоими атомами. Это называется ковалентной химической связью, ее открыли в 1927 году немецкие физики Вальтер Гайтлер и Фриц Лондон. Ковалентная связь играет важную роль в сложных молекулах, таких, на которых основана жизнь (мы обсудим структурные элементы жизни в части IV). Причина в том, что каждый атом при этом может иметь несколько связей с другими атомами, по-разному ориентированными относительно него. К тому же ковалентная связь очень крепкая. Особенно важны атомы углерода, у которых не хватает четырех электронов во внешней оболочке. Атомы углерода заполняют свою внешнюю оболочку разными способами, которые могут давать сложные цепочки атомов с прочными связями (рис. 17.5).

Причину, по которой в каждой оболочке может находиться ограниченное число электронов, и само это максимальное число электронов в каждой оболочке определил в 1925 году швейцарский физик Вольфганг Паули (1900–1958). Еще раньше над этой проблемой работали Арнольд Зоммерфельд и Нильс Бор. Хотя причина строения оболочек еще не была известна Бору, он смог предсказать, что неизвестный элемент под номером 72 (гафний) должен химически быть похожим на цирконий (40). Вскоре, воодушевленные этим прогнозом, датский физик Дирк Костер и венгерский химик Георг фон Хевеши, в Институте Нильса Бора открыли новый элемент.

Но решил проблему электронных оболочек Паули: он сделал вывод, что число электронов в разных оболочках ограничено тем, что стали называть принципом запрета Паули: два электрона в атоме не могут быть в одинаковом квантовом состоянии.

Рис. 17.5. Схема ковалентных связей в молекуле метана. Ядра показаны символами элементов С и H, а электронные оболочки — кругами. Электроны показаны темными кружочками (углерод) и темными квадратами (водород). Каждый из четырех атомов водорода делит свой электрон с углеродом для образования ковалентной связи и создания молекулы метана. Заметим, что в результате все оболочки заполнены: два электрона на внутренней оболочке и восемь электронов на внешней.

Состояния электрона описываются целыми числами, которые соответствуют орбитам электрона Бора и Зоммерфельда. Кроме того, электрон обладает спином, или состоянием вращения. На каждой орбите может быть не более двух электронов, один из которых вращается вокруг своей оси в направлении своего обращения по орбите вокруг ядра (как и большинство планет в Солнечной системе), а другой электрон — в обратном направлении. Вращение электрона вокруг своей оси нельзя понимать буквально; это лишь способ описать два спиновых состояния. Явлению атомных уровней нет точного аналога в нашей повседневной жизни.

Принципом запрета Паули определяется структура электронного облака вокруг атомного ядра и различие в химических свойствах элементов. Он также превращает атомы в твердые сферы, которые не могут легко проникнуть друг в друга, несмотря на то что про атом, следуя модели Бора, можно сказать, что в основном он состоит из пустоты.

Здравый смысл и реальность.

Квантовая физика оказалась очень точной в объяснении свойств материи, и в этом смысле она «правильная». Однако концептуальные основы квантовой теории все еще обсуждаются и изучаются. Явления микромира настолько отличаются от тех, к которым мы привыкли в макроскопическом мире, и от «здравого смысла», что нас изумляет то, как более глубокий слой действительности отражен в квантовой физике. Одним из наиболее влиятельных мыслителей в области философских аспектов квантовой механики был Нильс Бор.

Основой старой физики была свободная частица, движущаяся с постоянной, точно известной скоростью. Но затем принцип неопределенности Гейзенберга сообщил нам, что мы ничего не знаем о положении частицы: она везде, и в то же время ее нет нигде во Вселенной! Классическая частица просто не может жить в квантовом мире. Равно как и знакомое нам понятие орбиты становится неопределенным.

Рассмотрим электрон, который покинул точку А и позже наблюдался в точке В (рис. 17.6). Лаплас, защитник механики Ньютона, вычислил бы орбиту между этими двумя точками и мог бы точно сказать вам, где на орбите был электрон в каждое мгновение своего путешествия и с какой скоростью он двигался. Принцип неопределенности не позволяет так подробно описать движение этой частицы. Электрон наблюдался в точках А и В, но мы действительно не знаем, где он был в промежутке. Самое большее, что мы можем сделать, это вычислить вероятности любой траектории электрона между этими двумя точками.

Если у электрона нет определенной орбиты, то откуда он знает, куда двигаться? Можно сказать, что электрон пробует одновременно все пути. Каждый путь представлен электронной волной. Когда волны всех путей складываются друг с другом, то в большинстве точек они гасятся. Только в некоторых точках они в результате интерференции усиливаются, там и возникает высокая вероятность найти электрон. Точка В как раз такая. Но каким же был реальный путь от А до В? Ответ: все пути или ни один из них, как вам больше нравится. Идея орбиты потеряла свой смысл. Когда мы говорим о более массивных телах, то подходим к классической орбите. Для них интерференционная картина всех траекторий дает высокую вероятность тонкой линии, соединяющей точки А и В. Поэтому в повседневной жизни мы спокойно можем использовать концепцию Лапласа.

Рис. 17.6. Путь частицы от точки А к точке В. Чтобы найти самую короткую траекторию, частица проверяет все возможные пути. Волна, связанная с частицей, разрушительно интерферирует с любой другой, за исключением прямой линии (пунктир), соединяющей А и В. Согласно квантовой теории, частицу можно найти с наибольшей (но не 100 %-ной) вероятностью именно на этой линии.

А что случилось со Вселенной Лапласа в виде часового механизма, который, будучи однажды заведенным, работает «как часы»? Принцип неопределенности разрушает этот механизм еще до того, как вы смогли бы запустить его. Предположение Лапласа, что «если бы положения и скорости всех тел были известны в начальный момент времени», не может осуществиться, так как и в положениях, и в скоростях есть неопределенность: даже если бы одно из них можно было в какой-то момент измерить, второе осталось бы неопределенным. Случайная материализация частицы даже за непроницаемой стеной, как при туннелировании, делает предсказание будущего невозможным.

В это трудно поверить, и для многих физиков «старой гвардии» это было неприемлемо. Даже используя математические методы квантовой физики, они не могли принять концепции, стоящие за этими формулами. В некоторой степени это было похоже на первые годы после Коперника, когда его методы вычислений широко использовали, а систему мира с Солнцем в центре не признавали.

Возможно, самым сомневающимся в интерпретации квантовой механики был Альберт Эйнштейн, который говорил: «Бог не играет в кости». Для опровержения «неопределенного характера» квантовой физики он придумал мысленные эксперименты, в которых можно было бы обойти принцип неопределенности. У Бора и других сторонников квантовой философии на эти аргументы всегда имелся ответ. Но был один эксперимент, который требовалось провеет», чтобы выяснить, кто прав, а кто нет. Этот эксперимент предложили Эйнштейн и его коллеги Борис Подольский и Натан Розен.

Идея Эйнштейна, Подольского и Розена по сути была такой (сами они представляли ее немного иначе): пусть две частицы сталкиваются и затем удаляются друг от друга. В результате столкновения положения и скорости обеих частиц становятся взаимозависимыми. Если мы измерим скорость частицы 1, то скорость частицы 2 легко вычислить без измерения. Положение же частицы 2 можно при этом точно измерить. Тогда окажется, что для частицы 2 мы можем точно определить и скорость, и положение в любой момент времени после столкновения. Этот явный конфликт с принципом неопределенности Эйнштейн, Подольский и Розен использовали как пример, чтобы показать, что система квантовой механики неполна. Однако в ответ на это Нильс Бор заметил, что, когда измеряется скорость частицы 1, сам процесс этого измерения изменяет состояние измерительного прибора. По этой причине точное измерение координаты частицы 2 тем же прибором будет уже невозможным. Так действует здесь принцип неопределенности.

В 1964 году ирландский физик Джон Белл (1928–1990) перевел описанный выше мысленный эксперимент в форму, пригодную для реальных измерений. В 1982 году Ален Аспе осуществил эксперимент в Париже. Опыт показал, что Эйнштейн с коллегами ошибался. Вы не можете обмануть частицу 2. Она знает об измерении частицы 1, даже если эти частицы не успевают обменяться информацией со скоростью света. Эти две частицы являются частями одной системы.

Так было показано, что принцип неопределенности — это фундаментальное свойство природы, и вы не можете обойти его. Но что самое интересное, на него можно опереться в ситуации, которую без него трудно было бы понять. Примером служит вакуум.

Что такое вакуум? Уберите из пространства все вещество, излучение, силовые поля, тогда все, что останется, можно назвать вакуумом. Вы думаете, что это скучно? Напротив — вакуум полон событий. По Гейзенбергу, энергия любого «события» тем более неопределенна, чем короче происходящее. Если даже средняя энергия вакуума может быть нулевой, то на коротких интервалах времени принцип неопределенности позволяет частицам возникать ниоткуда и исчезать никуда. Говорят, что такие частицы живут за счет «займа Гейзенберга».

Таким образом, вакуум заполнен частицами. Хотя каждая частица живет крошечный промежуток времени, на замену им постоянно рождаются новые. Все обычные постоянные частицы плавают в этом «море» частиц (рис. 17.7. Позже мы обнаружим, что вакуум может иметь еще более странные свойства, которые управляют эволюцией всей Вселенной.

Рис. 17.7. Пары частица-античастица рождаются и аннигилируют даже в космическом вакууме.