Наука без правил: квантовая физика

Иллюстрация: Agsandrew, keithandbarbarasporch.files.wordpress.com Часть 1. Первые сомнения В физике конца XIX века царило оптимистичное настроение – весь мир активно развивался благодаря научным достижениям, и казалось, что технический прогресс будет бесконечно приносить новые блага. Тогда вся физика, как еще совсем недавно Земля, держалась на трех китах – трех законах Ньютона. Они составляют основу классической механики, благодаря им мы можем описывать движение тел под воздействием сил: и падение яблока со стола, и перемещение машины по дороге. К трем китам позже добавились уравнения Максвелла – такая же основа, но уже в электродинамике. Именно им мы обязаны многим, уже базовым технологиям вроде электричества, так как с их помощью описываются практически все магнитные и электрические явления. В конце XIX века ученым казалось, что осталось совсем немного, и скоро все тайны физики наконец будут ими раскрыты. Но в то же время из абсолютно разных областей физики начали появляться экспериментальные данные, которые ньютоновская механика объяснить не могла. Эти данные шли от явлений абсолютно разных масштабов – от света огромных звезд и от мельчайших молекул и атомов. Ученые начали сомневаться и задумываться: а почему так? Пожалуй, именно появление таких сомнений и можно считать зарождением квантовой физики. Ее историю принято связывать с открытиями Макса Планка в 1900 году, но на самом деле шагнуть в прошлое стоит еще дальше – в Швецию 1888-го года. Тогда в городе Лунде физик Йоханнес Ридберг вывел свою самую знаменитую формулу. Она описывала длины волн в спектрах излучения атомов. Попробуем разобраться. С точки зрения физики мы окружены электромагнитными волнами – это и видимый свет, и радиоволны, и рентгеновское излучение. Чтобы их описывать, физики используют несколько характеристик, и одна из них – длина волны. Если частицу вещества нагреть, чтобы она стала Если частицу вещества нагреть, чтобы она стала светиться, то получится набор отдельных узких полосок светиться, то получится набор отдельных узких полосок определенного цвета – спектр. У каждого вещества он свой, определенного цвета – спектр. У каждого вещества он свой, неповторимый. resh.edu.ru Получается, все звезды, включая Солнце, постоянно излучают электромагнитные волны, часть из которых мы можем легко увидеть. Еще в середине XIX века ученые заметили, что каждый химический элемент имеет свой спектр излучения – в упрощенном варианте это можно представить как разные цвета какого-либо элемента при нагреве. При этом важной деталью было то, что каждый атом испускал волны только с определенной длиной. И именно Йоханнес Ридберг предложил формулу, которая смогла описать эту зависимость и даже предсказать новые линии в спектрах некоторых элементов. Это на первый взгляд незначительное открытие по сей день приносит свои плоды в космологии – ведь в звездах происходят разные реакции, а сами они состоят из определенных химических элементов. С помощью формулы Ридберга ученые могут точнее определять состав звезд и понимать происходящие в них процессы. Но самое главное, что именно формула Ридберга в свое время послужила доказательством модели атома Нильса Бора. Но об этом – чуть позже. Йоханнес Ридберг Часть 2. Все было хорошо, пока не пришел Планк 1900 год ознаменовался формулой Планка. Для физики того времени это было спасательным кругом – во-первых, формула Планка разрешила мучительный парадокс, известный как ультрафиолетовая катастрофа, а во-вторых, она показала, что классической физики недостаточно для описания многих процессов (подробнее об этом читайте здесь). Макс Планк попал в несколько неудобное положение. С одной стороны, при помощи своей формулы он смог разрешить парадокс, а с другой – предположил что-то полностью противоречащее классической физике. Он заявил, что энергия электромагнитного излучения переносится в виде маленьких частей, или квантов. С этой революционной гипотезы и началась вся современная квантовая механика. Макс Планк famousscientists.org Идеи Планка о квантах развил и расширил Альберт Эйнштейн. В 1905 году он опубликовал работу, объясняющую явление фотоэффекта – испускание телом электронов при падении на него фотонов. Самый простой пример применения фотоэффекта – это солнечные батареи. Одним из ключевых предположений Эйнштейна для квантовой механики и было существование световых квантов – фотонов. При этом Эйнштейн отметил, что описание света в виде отдельных частиц прекрасно подходит для описания фотоэффекта, но описание света в виде волн в классической оптике прекрасно подходит для описания всех оптических явлений. Таким образом, он предвосхитил следующий этап в развитии физики – корпускулярно-волновой дуализм, когда свет (и не только) рассматривается одновременно как волна и как частица. Альберт Эйнштейн famousscienfamousscientists.org Фотоэлектрический эффект в твердом теле: ультрафиолетовый свет выбрасывает свет электроны из кристалла Иллюстрация: Ponor ru.wikipedia.org Часть 3. Счастливый финал Параллельно с описанием природы света ученые бились над устройством атома. Это сейчас о нем можно узнать на уроке физики в школе, а в начале XX века десятки ученых пытались изучить эту крохотную частицу. К тому времени уже точно было понятно, что атом не имеет заряда и в нем содержатся отрицательно заряженные частицы – электроны. Первым свое видение предложил англичанин Джозеф Джон Томсон в 1904 году – он предположил, что атом представляет из себя некое облако с положительным зарядом, в котором плавают электроны с отрицательным зарядом. Такую модель можно представить как кекс с изюмом – изюм играет роль электронов, а сам кекс – роль положительно заряженного облака. Джозеф Джон Томсон и его модель атома 1904 года. famousscientists.org Такая «вкусная» модель строения атома не прошла проверку временем – уже в 1911 году Эрнест Резерфорд доказал, что у атома в центре должно быть положительно заряженное ядро, и предложил свою модель атома – планетарную. В ней электроны вращались вокруг положительно заряженного ядра, как вращаются планеты вокруг звезды. Однако и эта модель имела свои недостатки – согласно классической физике, электроны в таком атоме должны были практически мгновенно падать на ядро, при этом было очевидно, что это не происходит. Дело в том, что при вращении электрона вокруг ядра он испытывает ускорение, а согласно законам электродинамики в таком случае он должен терять энергию за счет излучения электромагнитных волн. Но при потере энергии электрон упадет на ядро, что сделает атом нестабильным, и «выведет его из строя» – тогда мира просто бы не существовало. Эрнест Резерфорд и его модель атома 1911 года. famousscientists.org Спустя всего лишь два года Нильс Бор предложил свою модель атома, ближе всех оказавшись к истине. В качестве основы он взял модель Резерфорда, но добавил в нее стационарные орбиты. Так, электрон мог вращаться только по этим орбитам и переходить с одной на другую с излучением или поглощением энергии. Таким образом электрон больше не падал на ядро. Более того, переходы электронов с одной орбиты на другую сопровождались испусканием квантов, что прекрасно объясняло линии в спектрах химических элементов и давало еще одно подтверждение формуле Ридберга, с которой мы и начали рассказ о квантовой механике. Как итог – квантовая механика окончательно вошла в научный мир, а классической физике пришлось подвинуться. Важно понимать, что все эти открытия происходили в разных странах, в разные временные периоды и довольно сумбурно. Но в итоге вылились в то, о чем сейчас говорит весь научный мир. Нильс Бор, famousscientists.org Согласно модели атома Бора электрон перескакивает на более высокую орбиту при поглощении фотона и соскакивает на более низкую при излучении фотона Часть 4. Продолжение следует На этом полная перипетий история квантовой физики не закончилась, как и не закончится она еще довольно долго. Вместо точки пришлось поставить запятую, когда Эрвин Шредингер в 1925 году открыл свое уравнение, а через три года его модифицировал Поль Дирак. По важности эти уравнения можно сопоставить с уравнениями Максвелла в электродинамике или с уравнениями Ньютона в классической механике. Именно этот период и сделал квантовую механику общепризнанной частью физики и, более того, показал, что классическая механика является лишь частным случаем квантовой. Так что же описывает уравнение Шредингера? Говоря простыми словами – изменение состояния квантовой системы, которое задается в этом уравнении волновой функцией. А квантовое состояние – это набор значений, который однозначно описывает квантовую систему. Например, если взять в качестве системы движущуюся машину (которая, конечно, не является квантовой системой), то ее состояние можно описать координатами в пространстве, скоростью и ускорением. Для квантовых систем состояние будет характеризоваться другими величинами, но суть останется той же. Более того, в случае квантовых систем волновая функция (а точнее, ее квадрат) из уравнения Шредингера описывает даже не состояния системы, а вероятность системы находиться в одном из этих состояний – то есть система находится не в одном состоянии, а как бы сразу во всех одновременно (в физике это называется суперпозицией состояний). На примере автомобиля это можно представить как нахождение его на всей длине трассы одновременно. Однако уравнение Шредингера не может описывать состояния для частиц со спином и для частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света. Тут на помощь приходит уравнение Дирака, в итоге и ставшее основным уравнением квантовой механики – оно позволяет учесть все эти эффекты и описывать квантовые состояния в более сложных системах. Эрвин Шредингер в 1925 году открыл свое уравнение. Оно описывает изменение состояния квантовой системы, которое задается квантовой системы, которое задается в этом уравнении волновой функцией. И его модель атома Таким образом, к концу 20-х годов XX века физики, наконец, получили практически все основные формулы для создания новой области науки – квантовой механики. Финалом всех этих исследований стала Копенгагенская интерпретация – общее объяснение и толкование всех ранее описанных явлений и формул. Ее необходимость была очевидна, потому что квантовая механика содержала огромное количество парадоксов и явлений, трудных для понимания. Копенгагенская интерпретация собрала в себе общие постулаты квантовой механики и способы их толкования. Например, особенность квантовых состояний, которые находятся одновременно в суперпозиции всех состояний, но при измерении показывают только одно, трактуется следующим образом: при измерении состояния квантовой системы происходит редуцирование волновой функции, и система оказывается в одном состоянии, а не во всех сразу. Таким образом, измерение объекта приводит к изменению его состояния – результат, невообразимый в классической физике. Но, несмотря на все проблемы такого толкования, Копенгагенская интерпретация остается одной из ведущих теорий в квантовой механике, наряду с более новой Многомировой интерпретацией. Создание квантовой физики стало переломным моментом. Она показала, как небольшие несостыковки и парадоксы в классической физике, которые поначалу замечали немногие, привели к появлению нового раздела в физике. С другой стороны, она объединила ученых практически из всех стран, и каждый из них внес значительную часть в итоговую модель квантовой физики. Это и шведский ученый Ридберг, и английские физики Томсон и Дирак, и немецкие ученые Эйнштейн и Планк, и французский ученый де Бройль, и датский физик Бор, и японец Хантаро Нагаока, и наши соотечественники Иоффе и Лебедев. Может показаться, что эти люди работали над своими трудами отдельно, каждый над чем-то своим, но это далеко не так. Практически все они общались и переписывались, делились своими идеями и наблюдениями, обсуждали различные гипотезы. Пожалуй, такую организацию науки и можно назвать одним из главных достижений квантовой физики – когда ученые работают сообща и за счет этого достигают невиданных ранее результатов, которые помогли совершить небывалый скачок в технологиях в середине XX века.