Чтение онлайн

Из диковинки в принятый факт квантовую гипотезу превратил, казалось бы, неожиданный кандидат: Альберт Эйнштейн, 26-летний клерк патентного бюро. Он показал сообществу физиков, что природа пользуется квантами, а не равномерным приростом. Впоследствии Эйнштейн сделался основным оппонентом теории, созданию которой помог.

Эйнштейн не выглядел революционером. Когда Макс Планк перевернул мир физики вверх тормашками, Эйнштейн боролся с безработицей. Оказавшись без денег, он поступил на временную работу в швейцарское патентное бюро, что было весьма далеко от должности ассистента в университете, к которой он стремился. К 1904 году Эйнштейн был женат, имел новорожденного сына, трудился в патентном бюро… едва ли это был путь к величию. Однако в марте 1905 года он написал статью, которая со временем принесла ему Нобелевскую премию. Эта статья, объяснявшая фотоэлектрический эффект, сделала квантовую механику предметом общего интереса. Поскольку была принята квантовая механика, были приняты и загадочные силы ноля.

Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Генрихом Герцем: при освещении ультрафиолетовыми лучами цинковых электродов разрядника образование искр заметно облегчается. Как потом выяснилось, при освещении поверхности металла из нее вылетали электроны. Данный феномен, получивший название фотоэмиссии (испускание электронов под действием луча света), был загадкой для классической физики. Ультрафиолетовое излучение несет очень большое количество энергии, так что ученые, естественно, заключили, что для выбивания электрона из атома требуется большая энергия. Согласно волновой теории света, существует другой способ увеличить энергию светового луча: сделать его ярче. Очень яркий голубой свет, например, мог бы нести столько же энергии, как и тусклый ультрафиолет. Следовательно, яркий голубой свет должен был выбивать электроны из атомов, как мог это делать тусклый ультрафиолетовый луч.

Однако, как скоро показали эксперименты, ничего такого не происходило. Даже тусклый ультрафиолетовый луч (с высокой частотой волны) вызывает выбивание электронов из металла. Однако если хоть немного снизить частоту ниже критического порога, сделав свет чуть более красным, фотоэмиссия внезапно прекращается. Каким бы ярким ни был луч, если свет не того цвета, все электроны остаются в металле и ни один из них не вылетает. Это не то, что могла бы сделать световая волна.

Эйнштейн преодолел эту преграду — загадку фотоэлектрического эффекта, но его решение было еще более революционным, чем гипотеза Планка. Если Планк предположил, что колебания молекул квантованы, то Эйнштейн пришел к выводу, что сам свет распространяется маленькими порциями энергии — фотонами. Эта идея противоречила общепринятым взглядам, потому что означала, что свет — не волна.

С другой стороны, если энергия света упакована в маленькие пакеты, то легко объяснить фотоэлектрический эффект. Свет действует как пульки, которыми стреляют в металл. Когда пулька попадает в электрон, она его толкает. Если пулька имеет достаточно энергии (если ее частота достаточно высока), она выбивает электрон на свободу. Если же частица света не имеет достаточной энергии, чтобы выпихнуть электрон, тот остается на месте, а фотон отскакивает прочь.

Идея Эйнштейна блестяще объясняла фотоэлектрический эффект. Свет квантуется фотонами, что прямо противоречило волновой теории света, не подвергавшейся сомнению на протяжении более чем столетия. Вместо этого она предполагала, что свет обладает природой и волны, и частицы. Хотя свет иногда ведет себя как частица, в других случаях он действует как волна. На самом деле свет не частица и не волна, а их странная комбинация. Такую концепцию трудно воспринять. Однако эта идея лежит в основе квантовой теории.

Согласно ей, все на свете — свет, электроны, протоны, маленькие собачки — имеют свойства и волны, и частицы. Однако если тела одновременно и частицы, и волны, чем они могут быть? Математики знают, как их описать: это волновые функции, решения дифференциальных уравнений, называемых уравнениями Шрёдингера. К несчастью, это математическое описание не имеет интуитивного значения, практически невозможно представить себе, что такое эти функции [31] . Более того, по мере того как физики выявляли тонкости квантовой механики, обнаруживались все более странные вещи. Возможно, самая невероятная из них вызвана нолем в уравнениях квантовой механики — это энергия нулевых колебаний.

Эта странная сила входит в математические уравнения квантовой вселенной. В середине 1920-х годов немецкий физик Вернер Гейзенберг обнаружил, что эти уравнения имеют шокирующее следствие: неопределенность. Сила ничто как раз и вытекает из принципа неопределенности Гейзенберга.

Принцип неопределенности имеет отношение к возможности описывать свойства частицы. Например, если мы хотим найти определенную частицу, нам нужно определить ее положение и скорость — узнать, где она находится и с какой скоростью движется. Принцип неопределенности Гейзенберга говорит нам, что произвести такое простое действие мы не можем. Как бы мы ни старались, невозможно одновременно точно определить местоположение и скорость частицы. Дело в том, что сам акт измерения уничтожает часть информации, получить которую мы стремимся.

Чтобы что-то измерить, вам нужно коснуться объекта. Например, представьте себе, что вы хотите измерить длину карандаша. Вы можете провести по нему пальцами и так определить длину. Однако при этом вы, возможно, немного переместите карандаш, тем самым слегка изменив его скорость. Лучшим способом было бы осторожно положить рядом с карандашом линейку, однако на самом деле сравнение длины двух предметов также немного нарушит скорость карандаша. Вы можете даже просто смотреть на карандаш, воспринимая отраженный им свет. Как ни мало возмущение, вызванное толчками фотонов, оно все же немножко меняет скорость карандаша. Независимо от того, каким способом вы хотите измерить длину карандаша, вы в любом случае в процессе слегка подтолкнете его. Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что не существует возможности измерить длину карандаша — или определить местоположение электрона — и одновременно их скорость с полной точностью. На самом деле чем лучше вам известно положение частицы, тем меньше вы знаете о ее скорости, и наоборот. Если вы с нулевой ошибкой определили позицию электрона — точно знаете, где он находится в данный момент, вы должны обладать нулевой информацией о том, как быстро он движется. И если вам с абсолютной точностью — с нулевой ошибкой — известна скорость частицы, вы допустите бесконечную ошибку, определяя ее местоположение: вам ничего не будет известно о том, где частица находится. Вы никогда не можете одновременно знать и то, и другое. Если у вас есть некоторая информация об одном, то насчет другого имеет место неопределенность. Это еще один закон, который нельзя нарушить.

Принцип неопределенности Гейзенберга приложим не только к производимым людьми измерениям. Как и законы термодинамики, он действует и в отношении самой природы. Неопределенность заставляет Вселенную кипеть бесконечной энергией. Представьте себе чрезвычайно маленький объем пространства — что-то вроде крошечной коробочки. Если мы проанализируем, что происходит внутри этой коробочки, мы можем прийти к некоторым заключениям. Например, мы с определенной точностью знаем положение частиц в коробочке: в конце концов, вне коробочки они быть не могут. Нам известно, что их передвижение ограничено определенным объемом, потому что если они окажутся вне коробочки, рассматривать их мы не будем. Поскольку мы имеем некоторую информацию о местонахождении частиц, принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что мы точно не знаем скорости частиц — их энергии. По мере того как мы будем делать коробочку все меньше и меньше, мы все меньше и меньше будем знать об энергии частиц.

Такое рассуждение верно повсюду во Вселенной — как в центре Земли, так и в глубоком вакууме космоса. Это означает, что в достаточно малом объеме даже в вакууме содержится неопределенное количество энергии. Однако неопределенность в отношении энергии в вакууме выглядит смешно. Вакуум по определению не имеет в себе ничего — ни частиц, ни света. Таким образом, в вакууме совсем не должно быть энергии. Тем не менее в соответствии с принципом Гейзенберга нам неизвестно, сколько энергии имеется в этом объеме вакуума в любой данный момент. Энергия в крошечном объеме вакуума должна постоянно колебаться.

Однако как может вакуум, не имеющий в себе ничего, содержать вообще хоть какую-то энергию? Ответ дает другое уравнение: знаменитая формула Эйнштейна E = mc2. Она связывает массу и энергию: масса тела эквивалентна определенному количеству энергии. (На самом деле физики не измеряют массу электрона, скажем, в килограммах, фунтах или обычных единицах массы или веса. Они говорят, что масса электрона в покое составляет 0,511 MeV [миллиона электрон-вольт] — огромное количество энергии.) Флуктуации энергии в вакууме — то же самое, что флуктуации в размере массы. Частицы постоянно то возникают, то исчезают, как миниатюрные чеширские коты. Вакуум никогда не бывает по-настоящему пуст. Вместо этого он кишит этими виртуальными частицами. В каждой точке пространства они успешно появляются и исчезают. Это и есть энергия нулевых колебаний, бесконечность в формулах квантовой теории. В строгом смысле энергия нулевых колебаний безгранична. В соответствии с уравнениями квантовой механики в пространстве внутри вашего тостера больше энергии, чем запасено во всех угольных шахтах, нефтяных запасах и всем ядерном оружии в мире.

Когда в уравнении содержится бесконечность, физики обычно решают, что где-то вкралась ошибка: бесконечность не имеет физического смысла. Не отличается от этого и энергия нулевых колебаний, большинство ученых ее полностью игнорирует. Они просто притворяются, что энергия нулевых колебаний равна нолю, хотя и знают, что она бесконечна. Это удобная фикция и обычно не имеет значения. Впрочем, случается, что и имеет. В 1948 году двое голландских физиков, Хендрик Б. Г. Казимир и Дирк Полдер, первыми поняли, что энергию нулевых колебаний не всегда можно игнорировать. Ученые изучали силы, действующие между атомами, когда обнаружили, что их измерения не соответствуют предсказанным силам. В поиске объяснения Казимир пришел к выводу, что это влияние силы ничто.