Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания

Главные действующие лица

В октябре 1927 года V Сольвеевский конгресс стал невероятной встречей умов, где ведущие физики того времени собрались для обсуждения нового раздела теоретической физики – квантовой механики. Из 29 человек на фотографии с этого события (см. рис. 1.5) 17 были или станут лауреатами Нобелевской премии (Марии Кюри, единственной женщине на фотографии, будет присуждено даже две).

Альберт Эйнштейн (передний ряд, пятый слева)

Эйнштейну было всего 26 лет, когда он написал замечательную серию статей в 1905 году, его annus mirabilis^[1]. Они включали работу по специальной теории относительности и знаменитое уравнение E = mc². Однако первая выдающаяся статья, которую Эйнштейн опубликовал в тот год, посвящена фотоэлектрическому эффекту и отмечает огромный прыжок к рождающемуся разделу теоретической физики – квантовой механике, показав то, как энергия распространяется дискретными порциями. Именно за эту работу и «за заслуги перед теоретической физикой» он был удостоен Нобелевской премии в 1921 году. Будучи евреем, Эйнштейн столкнулся с возрастающей враждебностью в нацистской Германии и отказался от гражданства в 1933 году. В конце концов он нашел приют в Институте перспективных исследований в Принстоне (штат Нью-Джерси, США), где работал до ухода в отставку.

Рис. 1.5. Основатели квантовой механики на Сольвеевском конгрессе в Брюсселе, 1927 год.

Эрвин Шрёдингер (задний ряд, шестой слева)

Эта фотография была сделана за восемь лет до создания Шрёдингером знаменитого мысленного эксперимента с котом в главной роли, который показал кажущуюся абсурдность квантовой механики. Уроженец Вены (Австрия), Шрёдингер построил волновое уравнение, чтобы объяснить поведение квантовых систем, за что в 1933 году был удостоен Нобелевской премии по физике. Будучи противником нацистского режима, он покинул Австрию в 1934 году и уехал жить в Дублин (Ирландия), где принимал участие в основании Института высших исследований. Он также известен своей интересной личной жизнью, например под одной крышей с ним жили его жена и любовница.

Макс Планк (передний ряд, второй слева)

Макс Планк, дедушка квантовой механики, родился в Киле (Германия). В отличие от большинства других главных действующих лиц этой области науки, Планк был относительно немолодым (42 года), когда предположил, что энергия распространяется дискретными порциями. После этого революционного открытия, за которое в 1918 году он был удостоен Нобелевской премии, Планк играл незначительную роль в дальнейшем развитии квантовой теории. Он остался в Германии и являлся профессором Берлинского университета, но его жизнь была полна несчастий. Его сын Карл погиб на Первой мировой войне, обе его дочери умерли при рождении, а другой его сын, Эрвин, подозреваемый в причастности к заговору с целью убийства Адольфа Гитлера, был казнен гестапо в 1945 году.

Вернер Гейзенберг (задний ряд, девятый слева)

Больше известный своим принципом неопределенности, Гейзенберг родился в Вюрцбурге (Германия) и после завершения докторской диссертации работал у Нильса Бора в Копенгагене (Дания). В 1932 году он был удостоен Нобелевской премии «за создание квантовой механики» и за его теорию атома, согласно которой электрон поглощает и испускает излучение на определенных длинах волн при переходе между определенными орбитами, окружающими ядро. Гейзенберг также был ведущим ученым «Уранового клуба» – немецкого проекта по разработке ядерных технологий, и, как известно, в 1941 году встретился с Бором в оккупированной немцами Германии для обсуждения сложного выбора, связанного с этой работой. После войны он остался в Германии, исследуя ядерную энергию, космические лучи и субатомные частицы.

Поль Дирак (средний ряд, пятый слева)

Рожденный в Бристоле (Великобритания), Поль Дирак (1902–1984) занимался важнейшей частью объяснения фундаментальных частиц и взаимодействий. Уравнение, предложенное им в 1928 году для описания движущегося с околосветовой скоростью электрона, объединило квантовую физику Шрёдингера и Гейзенберга и специальную теорию относительности Эйнштейна. Оно также предсказало совершенно новый набор субатомных частиц, известных как античастицы. Дирак разделил Нобелевскую премию 1933 года со Шрёдингером. Он был эксцентричной личностью со сложным характером: мастер односложных ответов, Дирак всю жизнь отказывался находить общий язык с коллегами, студентами и даже с собственной семьей.

Вольфганг Паули (задний ряд, восьмой слева)

Без принципа запрета, введенного Вольфгангом Паули (1900–1958) в 1925 году, вещество, каким мы его знаем, не существовало бы. Этот принцип гласит, что два электрона в атоме не могут перейти в одно и то же квантовое состояние. За это он был удостоен Нобелевской премии в 1945 году. Паули также первым предсказал существование таинственных частиц – нейтрино в 1930 году. Вскоре после этого у него случилось нервное расстройство, и Паули проходил лечение у прославленного психоаналитика Карла Юнга. Его близкими друзьями были Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. Паули родился в Вене и, хотя был воспитан католиком, имел еврейские корни, вследствие чего уехал жить в США в 1940 году. После войны он вернулся в Цюрих, где провел всю оставшуюся жизнь.

Артур Комптон (средний ряд, шестой слева)

Этот американский физик был удостоен Нобелевской премии в 1927 году сразу после Сольвеевского конгресса «за открытие эффекта, названного его именем» и показавшего рассеяние фотонов заряженными частицами. Эффект стал важным элементом квантового пазла, показывающим, что свет нельзя объяснить как чисто волновое явление. Комптон (1892–1962) играл ключевую роль в Манхэттенском проекте – американской ядерной программе Второй мировой войны.

Луи де Бройль (средний ряд, седьмой слева)

Его полное имя – герцог Луи Виктор Пьер Раймон де Бройль, родился в Дьепе (Франция) в благородной семье. В 1924 году он написал удивительно оригинальную докторскую диссертацию на 70 страниц с названием «Исследования по теории квантов», в которой выдвинул принцип корпускулярно-волнового дуализма – и всего лишь через пять лет был удостоен Нобелевской премии по физике. Де Бройль представил свою теорию «пилотной волны», в которой частица сопровождается направляющей волной, в 1927 году на Сольвеевском конгрессе, но потом отказался от этой идеи. Она была вновь обнаружена в 1952 году и переформулирована американским физиком Давидом Бомом (1917–1992). Де Бройль сыграл важную роль в основании Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН, от фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), Европейской организации по ядерным исследованиям в Женеве (Швейцария).

Макс Борн (средний ряд, восьмой слева)

Немецкий физик и математик Макс Борн (1882–1970) был удостоен в 1954 году Нобелевской премии по физике «за фундаментальные исследования по квантовой механике, в особенности за статистическую интерпретацию волновой функции», – работу, которой он занимался в Гёттингенском университете (Германия) 30 лет назад. В период своего пребывания там Борн также руководил многими из будущих светил области, например Гейзенбергом и Паули. Когда нацисты пришли к власти в 30-е годы XX века, Борн (будучи евреем) был отстранен от своего поста и уехал жить в Англию.

Нильс Бор (средний ряд, крайний правый)

Родившись в Копенгагене (Дания), Бор был первым из основоположников квантовой физики, кто поистине осознал философские проблемы, поставленные теорией, и принялся за их решение. Результаты его работы по-прежнему являются предметом споров. После оккупации Дании во время Второй мировой войны у Бора была знаменитая встреча с Гейзенбергом, ставшим главой немецкой ядерной программы. К 1943 году, находясь под угрозой ареста, он бежал в Швецию, а потом в Англию (как многие из пионеров квантовой физики, он был евреем), где присоединился к британской миссии Манхэттенского проекта. После войны Бор вернулся в Данию. В 1922 году он был удостоен Нобелевской премии по физике «за заслуги в исследовании строения атомов и испускаемого ими излучения».

Как может так хорошо работающая теория иметь такие странные основания?

Большинство теорий построено на твердом фундаменте изначальных принципов – но не квантовая. На ее создание вдохновила уходящая корнями в реальный мир идея, что энергия распространяется маленькими порциями, названными квантами. Однако к тому моменту, когда светила вроде Эрвина Шрёдингера и Вернера Гейзенберга завершили ее математическое описание, эта теория зажила собственной жизнью.

В результате же какое-либо определенное соответствие между математическими переменными и физическими свойствами пропало. Вместо них появились замысловатые объекты, например волновые функции, векторы состояний и матрицы, действующие в воображаемой математической среде, называемой Гильбертовым пространством – комплексной версии с большей размерностью нормального трехмерного пространства.

Удивительно, но эти абстракции работают. Используйте набор математических правил, установленных основателями квантовой теории, – и вы совершите физические предсказания, экспериментально подтверждаемые вновь и вновь. Частицы, появляющиеся из ничего лишь для того, чтобы исчезнуть вновь; объекты, физические состояния которых могут стать запутанными и которые способны мгновенно влиять друг на друга на больших расстояниях; коты, подвешенные между жизнью и смертью, пока мы не посмотрим на них, – все это вытекает из математической формулировки квантовой теории и, кажется, является реальным отражением того, как работает мир.

 

Краткая история квантовой революции

1900

Макс Планк случайно устраивает революцию, предположив, что энергия может существовать только в определенных количествах, названных квантами, – рождается квантовая теория.

1905

Альберт Эйнштейн предполагает, что свет состоит из дискретных порций энергии, позднее названных фотонами.

1913

Нильс Бор выдвигает теорию строения атома, основанную на квантовых идеях.

1922

Эксперименты Артура Комптона подтверждают, что электромагнитное излучение может также быть описано как частицы-фотоны.

1923

Луи де Бройль обнаруживает волновую природу электронов.

1925

Бор и Вернер Гейзенберг формулируют копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, по-прежнему доминирующую.

Вернер Гейзенберг, Макс Борн и Паскуаль Йордан разрабатывают первую версию квантовой механики.

1926

Эрвин Шрёдингер публикует волновое уравнение, демонстрирующее таинственную суть реальности.

1927

Вернер Гейзенберг выдвигает принцип неопределенности, налагающий фундаментальное ограничение на знания о мире, которые мы можем получить в принципе.

1935

Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен формулируют мысленный ЭПР-эксперимент и утверждают, что квантовая механика не является полным описанием реальности.

Эрвин Шрёдингер создает знаменитый мысленный эксперимент с котом, одновременно и живым, и мертвым.

1957

Хью Эверетт разрабатывает многомировую интерпретацию квантовой механики, в которой новая вселенная создается каждый раз, когда мы измеряем положение атома.

1964

Джон Белл предлагает методику (неравенства Белла) для проверки того, является ли квантовая механика полным описанием реальности.

1982

Ричард Фейнман выдвигает идею квантового компьютера, в котором квантовые системы используются для вычислений.

Ален Аспе проводит экспериментальную проверку неравенств Белла и подтверждает полноту квантовой механики; локальный реализм терпит неудачу.

1997

Впервые осуществлена квантовая телепортация (одного фотона).

2015

Эксперимент без «лазеек» по проверке неравенства Белла подтверждает, что Эйнштейн был неправ и природа на самом деле является квантово-механической.

2016

Осуществлена квантовая телепортация по проводу длиной 6,2 километра.

2. Путешествие по квантовому миру

От бессмертных котов до частиц, появляющихся из ниоткуда, и призрачных воздействий на расстоянии – все в квантовой физике получает удовольствие от разрушения нашего интуитивного понимания работы мира. Здесь начинается знакомство с ее важными особенностями.

Корпускулярно-волновой дуализм

Старейшая и величайшая из квантовых тайн связана с вопросом, волнующим величайшие умы в течение как минимум 2000 лет со времен древнегреческого математика Евклида: «Из чего сделан свет?» На протяжении истории ученые искали ответ на него (см. рис. 1.4).

Исаак Ньютон считал, что свет состоит из мельчайших частиц, но эта идея впечатлила не всех его современников. А эрудит Томас Юнг в классических экспериментах, проведенных им в начале 1800-х годов, продемонстрировал, что пучок света при прохождении через две узкие щели дифрагирует, то есть расходится, давая интерференционную картину на экране, расположенном позади щелей, – так, будто свет является волной.

Так что же это – частица или волна? Квантовая теория дала ответ вскоре после того, как появилась на сцене в начале XX века. Свет, впрочем как и все остальное, – это и частица, и волна. Движущаяся одиночная частица, например электрон, может дифрагировать и интерферировать сама с собой, как если бы она была волной, и – хотите верьте, хотите нет – объект размером с автомобиль, когда он едет по дороге, тоже имеет вторичное волновое свойство.

Разоблачение появилось в получившей большой успех докторской диссертации, представленной пионером квантовой физики Луи де Бройлем в 1924 году. Он доказал, что волновым описанием движущихся частиц можно объяснить, почему они обладают дискретными, квантованными уровнями энергии, а не непрерывным распределением, предсказываемым классической физикой. Сперва де Бройль предположил, что такое описание было всего лишь математической абстракцией, но корпускулярно-волновой дуализм кажется слишком реалистичным. Классический эксперимент Юнга по интерференции волн также был воспроизведен с электронами и частицами других типов (см. рис. 2.1).

Рис. 2.1. Обновленные варианты классического опыта Юнга с двумя щелями показывают, что частицы похожи на волны еще и в зависимости от того, как их детектировать.

Эйнштейн против Бора

Одним из наиболее известных противостояний в науке была вражда между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором (см. рис. 2.2). С конца 20-х до начала 30-х годов XX века эти ученые боролись за будущее физики. Эйнштейн не мог принять вопиющую случайность и непознаваемость квантовой механики и потому пытался опровергнуть ее, разработав набор оригинальных мысленных экспериментов. Но как только Эйнштейн, по его мнению, приближался к обнаружению противоречий, лежащих в основе квантовой теории, Бор доказывал, что он ошибается. Несмотря на все свои спорные составляющие, квантовая механика одержала победу.

Рис. 2.2. Датский физик Нильс Бор.