Чтение онлайн

Это может происходить в вакууме точно так же, как и в плотной среде.

Чтобы начался этот процесс, требуется всего один получивший ускорение заряд, такой, как электрон, двигающийся вверх-вниз в пределах антенны. Это движение производит электрическое поле, колеблющееся вверх и вниз, и магнитное, движущееся вперед-назад (под прямым углом к электрическому). Колебания и движения провоцируют еще больше колебаний, формируя тем самым электромагнитную волну, ну а та со скоростью света путешествует через вакуум и несколько медленнее через материю.

Если волна врезается в другую антенну, она освобождает любой свободный электрон в ее пределах, давая ему возможность двигаться вверх-вниз. Таким образом шаблон с передающей антенны может быть легко воспроизведен на принимающей антенне. Радиосигналы передаются с помощью такого вот копирования – наборы волн, сгенерированные на радиостанции, могут быть переданы на приемник в автомобиле.

В случае с маяками трансляция – созданная в нитях накала, а не в антеннах – имеет более короткую волну и более высокую энергию, попадая тем самым в видимую часть спектра. Получается луч яркого света, легко заметный для путешествующих ночью моряков, которые весьма благодарны, что существует такое проявление электромагнетизма.

Сегодня концепция электромагнитных волн – несущейся через пространство волновой пульсации – принята практически повсеместно. Идея Максвелла была успешно модифицирована, чтобы соответствовать предсказаниям квантовой теории.

Но в начале сороковых годов, когда Джон Уилер и Ричард Фейнман проводили совместные исследования, было не до конца ясно, как выглядит полная квантовая картина электромагнетизма. Поэтому им было вовсе не обязательно включать идею поля в собственные модели. Наши герои рассматривали альтернативы, возрождавшие старую идею Ньютона о «действии на расстоянии»: отдаленное взаимодействие между частицами.

Уилер и Фейнман хорошо понимали как преимущества, так и недостатки квантовой механики. Они знали, что в определенных областях она обеспечивает прекрасное сочетание теории с результатами измерений, а в других вовсе не оправдывает ожиданий.

Часто в таких случаях возникал ответ в виде бесконечности, как при попытке деления на ноль на современном калькуляторе. Работая вместе, Уилер и Фейнман решили взяться за эти дефекты всерьез, поставить квантовую физику на более прочную основу, и для этого отсортировать имеющиеся в ней ингредиенты, выбрать те, что абсолютно необходимы, и определить, возможно ли модифицировать или даже отбросить другие.

Чтобы понять, на сколь большую смену парадигмы отважились молодые физики, давайте сделаем шаг назад, к началу квантовой механики. Мы рассмотрим и нерелятивистскую (для низких скоростей) и релятивистскую (для скоростей, близких к скорости света) версии. Затем мы увидим, какие квантовые элементы Уилер и Фейнман сохранили, а какие они решили изменить или убрать вовсе в своих попытках реформировать основы физики.

В 1905 году Альберт Эйнштейн предложил теорию фотоэлектрического эффекта, показавшую, что волновая картина электромагнетизма не объясняет все феномены. Переносимый фотонами или «волновыми пакетами» свет одновременно проявляет свойства волны и частицы. Эффект Комптона, где фотоны переносят энергию и импульс (свойства частицы), связанные с их частотой и длиной волны (свойства волны), представлял отличный пример исключения.

Нильс Бор в ранние годы карьеры прославился в первую очередь тем, что создал модель атома наподобие Солнечной системы, где планеты-электроны вращаются вокруг солнца-ядра. Вместо непрерывного набора возможных орбит Бор предложил правила, согласно которым формируется шаблон, набор вероятных траекторий, каждая со своим определенным уровнем энергии.

Модель описывала уровни энергии электрона как нечто вроде стадиона с окружающими его рядами кресел. Точно так же как на концерте билет разрешает вам сидеть только в определенном ряду до тех пор, пока вы не купите новый, электроны должны оставаться на том уровне энергии, где они находятся, пока не получат квантовый «билет», позволяющий им либо приблизиться к ядру, либо удалиться от него.

Чтобы двинуться внутрь системы, они должны испустить фотон, для перемещения к ее наружной границе – поглотить его. Каждый фотон «светится» с частотой, соотносимой с определенной энергией, обмен которой и происходит. Удивительно, но частоты, предсказанные моделью Бора для водорода, полностью совпали с радугой цветов, наблюдаемой в его спектре – триумф теории.

Бор не смог адекватно объяснить причины, по которым электроны прикованы к определенным орбитам, правила формирования этих орбит выглядели произвольно заданными. Луи де Бройль, пытаясь исправить ситуацию, представил концепцию волн материи.

Опираясь на работы Эйнштейна и Бора, он предположил, что электроны и все материальные тела имеют как волновые свойства, так и свойства частиц. Как и фотоны, они колеблются, но привязаны к определенному месту в пространстве и характеризуются длиной волны, связанной с их импульсом. Эта смелая идея немедленно поместила составляющие материи, такие как электроны, и переносчики силы, такие как фотоны, на почти одинаковое основание.

Почти, но с одним важным различием.

Ключевое различие между кирпичиками материи, названными «фермионами» (в честь одного из основателей квантовой статистики Энрико Ферми), и эссенциями силы, получившими имя «бозоны» (в честь индийского физика Сатьендра Бозе, работавшего с Эйнштейном), заключается в том, что у тех и других не одинаков квантовый фактор, именуемый «спином». «Спин» [3] не совсем правильный термин, поскольку в реальности он не имеет ничего общего с настоящим вращением. Более того, он имеет отношение к тому, как частица сочетается с другими из того же типа.

Фермионы решительно асоциальны, у каждого свое собственное квантовое состояние. Австрийский теоретик Вольфганг Паули обосновал это правило, названное «принципом исключения». Бозоны, наоборот, в достаточной степени компанейские, чтобы разделять между собой квантовые состояния.

Если мы представим квантовые состояния как места в микроавтобусе и спросим, сколько частиц может поместиться на заднем сиденье, то ответ для фермионов будет «один», а для бозонов «так много, как им хочется». В отличие от фермионов, два или более бозона могут иметь одинаковое квантовое число (набор параметров, определяющих конкретное квантовое состояние).

Если таксист посадит в машину два фермиона, то лучше бы у него было два свободных сиденья – по одному для каждого. Иначе им понадобятся две разных машины. Бозоны, с другой стороны, любят набиваться в одну и ту же квантовую конфигурацию. Если представить их в виде пассажиров, то с такой готовностью делиться местом они никогда не будут долго ждать попутки.

Предположим, вы пытаетесь заставить два электрона перейти на самый низкий уровень энергии в атоме, иными словами, на ближайшую к ядру орбиту. Поскольку они являются фермионами, они не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии и следовательно, должны отличаться. Один из них занимает положение, описываемое как «спин вверх», другой должен быть в противоположном состоянии – «спин вниз».

Терминология восходит к явлению, именуемому «эффект Зеемана», которое возникает, когда атом помещается в магнитное поле. Электрон «спин вверх» совпадает с направлением поля, а «спин вниз» наоборот, и тем самым их уровни энергии немного отличаются.

Исходно авторы концепции спина, голландские физики Джордж Уленбек и Сэмюэл Гаудсмит взяли этот термин потому, что они думали – электроны на самом деле похожи на заряженные вращающиеся волчки. Их реакция на магнитное поле предположительно исходит от направления вращения: против часовой стрелки, если ось направлена вверх, и по часовой, если вниз. Когда стало ясно, что подобное невозможно – волчки должны были вращаться быстрее скорости света – это ничего не изменило, термин прижился. Так что физики продолжили использовать спин и определять его значение, понимая, что о вращении речь не идет.