PRO квантовые чудеса

Олег Фейгин, 2017

В книге рассказывается об истории возникновения и ключевых проблемах современной квантовой науки, пытающейся проникнуть в невообразимые глубины материи и найти пути в иные миры, пространства и времена. Обсуждаются чудеса строения микромира, в котором перестают действовать привычные нам законы обыденной реальности, а частицы проявляют «корпускулярный дуализм», становясь чем-то средним между волнами и частицами, приобретая фантастические возможности проникать сквозь барьеры, образовывать удивительные пары, движущиеся без электросопротивления, и вообще «растворяться» в окружающей среде, оставляя после себя лишь «всплески» электромагнитного поля. Книга рассчитана на самый широкий круг читателей, интересующихся успехами современной физики и научными представлениями о строении окружающей квантовой реальности.

Введение

Самое, пожалуй, удивительное в современной физике — это неожиданная связь между космосом, где галактики и звездные скопления разбросаны подобно редким пылинкам, и тесным, исчезающе малым микромиром элементарных частиц. Два полюса мироздания! На одном огромная, расширяющаяся Вселенная, на другом — не видимые ни под каким микроскопом, почти эфемерные «кирпичики» вещества. И вот оказывается, что при определенных условиях Вселенная может обладать свойствами микрочастицы, а некоторые микрообъекты, возможно, содержат внутри себя целые космические миры. Во всяком случае, так говорит теория. Большое и малое, сложное и простое — здесь все переплелось.

В. С. Барашенков. Кварки, протоны, Вселенная

Нет сомнения, что вне зависимости от профессии, возраста и образования современного человека в его культурный багаж обязательно должен входить некоторый объем физических сведений. Ведь постижение научного знания вырабатывает особый аналитический склад ума, логическое мышление и критическое отношение к действительности.

Предлагаемая книга чем-то напоминает сборник репортажей с передовой научного фронта познания тайн природы, где каждая победа над неведомым расширяет круг знания, возвеличивая человеческий разум. В отличие от страниц школьных учебников, описывающих то, что уже достоверно установлено наукой и что обязан знать каждый учащийся, в настоящей книге доступно рассказывается не только о современном окончательном состоянии какого-либо научного вопроса, но и о неоднозначных поисках, ошибках, сомнениях искателей истины.

Одним из неприятных парадоксов школьного курса физики является то, что на современную науку, включающую теорию относительности и квантовую механику, выделяется всего лишь несколько уроков. Это положение является совершенно недопустимым и отчасти объясняет значительные пробелы в знаниях выпускников средней школы и даже абитуриентов физико-математических специальностей вузов. Настоящая книга призвана хотя бы отчасти исправить сложившуюся ситуацию, будучи во многом рассчитанной на внимание учащейся молодежи. Тем не менее автор искренне надеется, что многое в ней будет интересно педагогам и читателям всех возрастов и профессий, интересующихся историей возникновения и сутью современных взглядов на окружающую реальность.

В ходе работы над рукописью, вполне естественно, как и предсказывал Козьма Прутков, объять необъятное не удалось, ведь даже выборочный перечень интересных задач современной квантовой физики с краткими комментариями составил бы отдельный солидный труд. Поэтому автор надеется еще продолжить общение со своими читателями на страницах будущих книг, рассказывающих о фантастических параллельных вселенных, квантовом Мультиверсе, подпространственных измерениях и прочих трудновообразимых вещах квантовой реальности.

Удивительно, но современные квантовые теоретики часто обращаются к творческому наследию древних мудрецов. К примеру, видный современный разработчик суперструнных сценариев эволюции Вселенной Хуан Малдасена черпает свое вдохновение в творчестве древних элеатов, создавших одну из первых античных философских школ в итальянском городе-государстве Элее.

Философские взгляды первых античных атомистов привнесли в наш мир принцип неделимых фундаментальных кирпичиков мироздания. В конце позапрошлого века «пара и электричества» возникли начала новой атомистики, родившейся из экспериментов с катодным и рентгеновским излучением, а также радиоактивными элементами. Вскоре была открыта и первая элементарная частица — электрон.

Затем последовала «великая квантовая революция», неразрывно связанная с именем немецкого физика-теоретика Макса Планка (1858–1947). В 1919 году Планк стал нобелевским лауреатам по физике «в знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии». Теоретические исследования 1896–1900 годов, приведшие Планка к открытию квантов (термин «квант» также ввел он), стали толчком к созданию одного из важнейших разделов современного естествознания — квантовой физики. Именем Планка названа введенная им фундаментальная физическая константа h — «постоянная Планка», связавшая макро — и микромиры и входящая в ряд уравнений и законов в различных разделах физики. Элементарные представления о планковских квантах энергии включены в современные программы школьной физики, а о постоянной Планка сочиняют анекдоты.

Можно образно сказать, что как прошлый, так и нынешний век прошли «под знаком кванта», начиная с первой работы отца-основателя, вышедшей в 1901 году. Через несколько лет еще один выдающийся участник «квантовой революции» Альберт Эйнштейн применил гипотезу квантов энергии для объяснения фотоэффекта. Эта работа стала первым шагом к изобретению квантовых оптических генераторов (лазеров), без которых невозможно представить себе современную технику. К началу Второй мировой войны в эксперименте были обнаружены два макроскопических квантовых эффекта — сверхпроводимость и сверхтекучесть. Лазерный луч можно считать третьим таким эффектом, но его люди впервые увидели только в 1960-м. А к этому времени уже появилась такие обширные области приложений квантовой физики, как электроника и физика твердого тела.

В множестве книг и статей, посвященных Планку, отмечается, что, хотя его работы в значительной степени революционизировали физику, сам Планк в науке был скорее консерватором. Тем не менее именно глубокая приверженность принципам классической физики привела Планка к его революционному открытию. Один из создателей квантовой механики, Вернер Гейзенберг (1901–1976) писал, что революции в науке вызываются не внезапными открытиями или гениальными идеями, а, наоборот, предельной последовательностью в применении традиционных понятий. Революции, по мнению Гейзенберга, делают те ученые, которые стремятся вносить как можно меньше изменений в прежнюю науку, так как именно стремление минимизировать изменения делает очевидным, что к введению принципиально новых представлений нас толкает сама природа, а не жажда славы или оригинальности.

Именно к таким гениальным «радикальным консерваторам» и можно было бы отнести одного из основателей современной физики Макса Планка.

Настоящая книга предназначается преимущественно для массового читателя, который еще не полностью позабыл остатки школьных знаний и жаждет понять, как неизбежность квантового мира дает стимул развитию современных сложнейших, а иногда и спорных концепций физической реальности. Как и в других своих книгах: «Взорванное мироздание», «Механика машины времени», «Удивительная относительность», автор старался повсюду сосредоточиться на сути научных идей, исключив громоздкие математические детализации в пользу метафор, аналогий, исторических экскурсов и литературных иллюстраций. Таким образом, читателю предстоит заново пройти путь открытия квантового мира, получив ни с чем не сравнимое удовольствие расширения своего горизонта мировоззрения…