Олег Фейгин ТАЙНЫ КВАНТОВОГО МИРА О парадоксальности пространства и времени

ПРЕДИСЛОВИЕ

Вот уже второй раз именно на изломе веков, после бурной научной революции начала прошлого столетия, общественное мнение опять будоражат очень странные проблемы, колеблющие самые основы нашего мировоззрения:

— Что представляют собой темная материя и энергия, практически полностью заполняющие видимую часть Вселенной — Метагалактику?

— Как устроена самая пустая пустота, которую можно вообразить, — вакуум и почему в нем все время происходят очень странные процессы?

— Где лежат верхняя и нижняя границы размеров нашего мира и почему они все чаще соприкасаются на современном генеральном плане строения Мироздания?

— Существует ли единая теория абсолютно всех частиц и сил и не противоречит ли само ее существование фундаментальному философскому принципу бесконечного познания окружающей природы?

Вопросы, вопросы, вопросы… они возникают все чаще, становятся все острее, а ответы на них все неоднозначнее. Обычно такую ситуацию историки науки и философы связывают с первыми порывами грядущего урагана новых знаний, ломающего старые, отжившие представления, — научной революцией. Конечно, всякая научная информация, поток которой давно уже переполнил и продолжает захлестывать окружающий мир, по-своему интересна. Ее исследуют и анализируют множество специалистов, и она в любой момент может засиять настоящей сенсацией крупного открытия. Однако среди всех важных и необходимых наук есть фундаментальные, которые определяют основные направления прогресса человеческого общества. Так, часто можно услышать, что царицей наук является математика. Не будем оспаривать это мудрое изречение, а лишь добавим, что в современной науке, как и в современных цивилизованных странах, монархи царствуют, но не правят… Царствует в абстрактных высотах сложнейших формул и теорем математическая наука, а правит с ее помощью развитием естествознания иная научная дисциплина — физика.

Перед пытливыми молодыми умами сейчас открыто множество направлений, ведущих в фантастические дали науки будущего. И подавляющее большинство из них так или иначе связано с физикой: биофизика, геофизика, гидрофизика, радиофизика, астрофизика, космофизика, физикохимия, техническая и инженерная физика, квантовая физика, физика элементарных частиц, теоретическая физика и еще многие и многие подразделы этой поистине замечательной науки. Важно помнить простую истину: медицинские, биологические, химические, информационные и технические специальности изучают объекты и явления окружающего нас материального мира исключительно на основе знания физических закономерностей. Особенно наглядно видна роль физики в технике и электронике. Ведь такие ее чудеса, как персональные компьютеры, мобильные телефоны, Интернет, системы глобального позиционирования (поиска объектов с «маячками» со спутников), плазменные и жидкокристаллические телевизоры, искусственные органы вошли в наш быт всего лишь на протяжении одного поколения. Еще более поразительны достижения физической науки в промышленном и научном приборостроении: радиолокаторы, радиотелескопы, лазеры, синхрофазотроны и ядерные реакторы обязаны своим происхождением изначальным сравнительно простым физическим исследованиям.

Получается, что вне зависимости от профессии, возраста и образования современного человека в его культурный багаж обязательно должен входить некоторый минимальный объем физических сведений. Это крайне необходимо хотя бы для того, чтобы понимать общую структуру и смысл явлений в окружающей нас реальности. Иначе ведь просто очень неуютно чувствовать себя обделенным знанием среди современных образованных и интеллектуально развитых специалистов. Есть здесь и еще один аспект, кажущийся многим спорным, но во многом подтверждаемый реальным опытом. Это то, что постижение научных знаний, даже на самом популярном уровне, учит работать с потоком разнообразнейших сведений, ежесекундно обрушиваемых на нас СМИ. Проще говоря, постижение научного знания вырабатывает особый аналитический склад ума, логическое мышление и критическое отношение к действительности. Именно поэтому большинство скептиков, вооруженных методом критического осмысления окружающей действительности, редко попадают на удочку строителей финансовых пирамид, маркетинговых сетей и прочих аферистов, которых так много развелось в наше время.

Теперь уже читателю должно быть ясно, каким целям служит предлагаемая книга, чем-то напоминающая сборник репортажей с передовой научного фронта познания тайн природы, где каждая победа над неведомым расширяет круг знания, возвеличивая человеческий разум. Здесь доступно рассказывается не только о современном окончательном состоянии какого-либо научного вопроса, но и о неоднозначных поисках, ошибках, сомнениях искателей истины. Ведь подлинно интересно и увлекательно только то, что связано с победой над трудными научными проблемами, что не так-то легко и просто дается. Поэтому и настоящая наука начинается там, где кончается наше знание и начинается тернистый путь в неведомое. Отчасти эта книга и о том, как «делают науку», о поисках путей в неизведанное, о парадоксальных открытиях и таинственных загадках на пути к познанию природы.

Автор благодарит д-ра техн. наук, профессора, академика УАН Д. И. Корнеева, д-ра Уолтера Бабина (Канада), д-ра Амрит Среко Сорли (Словения), профессора В. А. Новикова (Латвия), д-ров В. М. Ваксмана и С. И. Доронина (Россия) за обсуждение профильной тематики. Особенно хочется отметить суровую, но конструктивную критику известного физика и популяризатора науки, академика РАН Э. П. Круглякова, возглавляющего Комиссию РАН по борьбе с лженаукой и фальсификацией научных исследований.

В оформлении книги использованы материалы с сайтов: http://enchgallery.com/fractals/fracthumbs.htm; http://cdsweb.cern.ch; www.nasa.gov; www.arm.ac.uk; www.ligo.caltech.edu; http://dataisnature.com; www.nature.web.

Современная лаборатория квантовой «алхимии», ЦЕРН, Женева, Швейцария

Наука будущего: проект космического исследовательского центра

ВВЕДЕНИЕ ВОЗРОЖДЕНИЕ ФИЗИКИ

О сколько нам открытий чудных

Готовит просвещенья дух

И опыт, сын ошибок трудных,

И гений, парадоксов друг,

И случай, бог-изобретатель…

А. С. Пушкин

Прежде чем рассказывать о чудесах современной науки, перелистнем несколько страниц истории. Минула эпоха античных мыслителей-метафизиков, прошел период противоречивых темных веков Средневековья, и на арену истории вышла новая наука Ренессанса — возрожденная физика. Среди нескольких предвестников современного научного подхода к окружающей природе — Николая Кузанского, Френсиса Бэкона, Николая Коперника, Джордано Бруно, Леонардо да Винчи выделяются имена величайших ученых в истории естествознания — Иоганна Кеплера и Галилео Галилея. Считается, и не без основания, что именно с работ Галилея началось развитие экспериментальной науки. Ведь именно этот ученый сумел замечательно соединить оригинальные мысленные эксперименты с движущимися телами и гениальные по своей простоте реальные опыты, которые может повторить любой, самостоятельно убедившись в справедливости предложенной физической модели.

Сама идея совмещения умозрительных моделей и проверяющих их физических экспериментов была в то время чем-то совершенно новым и по-настоящему радикальным, ведь столетиями, если не тысячелетиями, считалось, что исследовать Вселенную можно всего лишь с помощью правильных логических рассуждений. Подобные взгляды приводили ко множеству заблуждений, таких, как необходимость подталкивать стрелу в воздухе для продолжения ее полета, или о том, что все тела падают на землю со скоростью, пропорциональной их массе.

Чтобы понять идею опытов Галилея, надо всего лишь вспомнить, как ведут себя окружающие нас предметы под воздействием силы земного притяжения. Выпустите какой-нибудь предмет из рук — и он упадет на пол; при этом в первое мгновение скорость его движения будет равна нулю, но он тут же начнет ускоряться — и будет продолжать ускоряться, пока не упадет на землю. Вот поэтому Галилей и считал, что если он сможет описать падение предмета на землю, то затем будет уже нетрудно распространить это описание и на общий случай равноускоренного или равнозамедленного движения, так часто встречающегося вокруг нас.

Именно первопроходческий труд Галилея и проложил дорогу последующим триумфальным открытиям великого английского физика Исаака Ньютона (1642–1727), создавшего ту самую классическую механику, которую все мы изучали в школе. С именем Ньютона связано и открытие фундаментального физического закона всемирного тяготения (см. рис. 1 цветной вклейки, далее — цв. вкл.). Правда, здесь мы в очередной раз видим, что и великим свойственно заблуждаться, ведь Ньютон считал, что взаимодействие тел имеет характер дальнодействия — мгновенной передачи воздействия тел друг на друга через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействия. Однако концепция дальнодействия была признана не соответствующей действительности после открытия и исследования электромагнитного поля, играющего роль посредника при взаимодействии электрически заряженных тел. Возникла новая концепция взаимодействия — концепция близкодействия, которая затем была распространена и на любые другие взаимодействия. Согласно этой концепции, взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение — посредством гравитационного поля), которые непрерывно распределены в пространстве.

Тут надо заметить, что в науке позапрошлого века большую роль играли ложные представления о некой всепроникающей среде — эфире. На представления об эфире как переносчике электрических и магнитных взаимодействий опиралась вся физика того времени. Первоначально эфир понимали как механическую среду, подобную упругому телу, в котором распространение световых волн уподоблялось распространению звука в воздухе.

Гипотеза механического эфира соединяла в себе несоединимое и чем-то напоминала мифическое существо — грифона с птичьей головой и туловищем льва. Так, закономерности распространения световых волн требовали от эфира свойств абсолютно твердого тела, намного тверже алмаза, и в то же время эфир не должен был оказывать ни малейшего сопротивления движению небесных тел, иначе это сразу же выявили бы астрономы. В течение долгого времени поколения математиков и физиков пытались придумать правдоподобную модель для загадочного эфира. Но в конце концов, более столетия назад, было твердо установлено, что ложно само понятие этой таинственной субстанции. Сделала это самая знаменитая теория прошлого века — теория относительности. Крах «эфирного мироздания» начался с хрестоматийного сейчас эксперимента по выяснению участия эфира в движении тел. Этот эксперимент был поставлен американскими физиками Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли еще в 1881 году. Тут надо заметить, что вокруг знаменитых опытов Майкельсона и Морли существует целый клубок легенд и заблуждений.

Во-первых, «классически консервативные исследователи» Майкельсон и Морли вовсе не собирались опровергнуть существование мирового эфира, представление о котором в те времена было так же незыблемо, как и закон всемирного тяготения. Американские физики хотели лишь впервые измерить скорость его относительного движения на поверхности Земли — «эфирного ветра». Действительно, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля совершает прямое и попятное движение относительно гипотетического эфира, полгода в одном направлении, а следующие полгода в другом. Следовательно, полгода «эфирный ветер» должен обдувать Землю и, как следствие, смещать показания приборов в одну сторону, а полгода — в другую. Наблюдая в течение целого года за своей установкой, Майкельсон и Морли не обнаружили никаких признаков воздействия эфира. Здесь следует развеять еще одно заблуждение: после своих опытов американские физики вовсе не посчитали, что ими было экспериментально доказано отсутствие эфирного ветра, а, стало быть, и эфира в природе. Наоборот, еще долгое время они подчеркивали, что всего лишь не смогли получить какой-либо результат в пределах погрешности своей установки. Иначе говоря, они просто сочли, что их лабораторная схема слишком груба для исследования «эфирного ветра».

Во-вторых, вопреки расхожему убеждению, эксперимент Майкельсона — Морли вовсе не послужил отправной точкой для создания теории относительности. Дело в том, что ее основному автору, в то время служащему патентного бюро в Берне (Швейцария) Альберту Эйнштейну, исследования американских физиков просто были неизвестны. Это уже впоследствии, после первых впечатляющих успехов новой теории, выяснилось подтверждающее ее значение эксперимента Майкельсона — Морли, а сами они были удостоены всяческих почестей и наград.

В-третьих, правильнее было бы говорить не о каком-либо единственном эксперименте Майкельсона — Морли, а о целой серии опытов, в которых американские исследователи далеко не всегда получали однозначные результаты. Впрочем, и они сами по возможности пытались избегать категорических формулировок, считая, что все их сомнения будут разрешены в будущем на базе более совершенной экспериментальной техники.

Как бы то ни было, но «эфирный кризис» все же был успешно разрешен именно благодаря великому физику двадцатого века Альберту Эйнштейну, который полностью изменил классические представления о пространстве и времени. Эйнштейн предположил, а его учитель и впоследствии соавтор, выдающийся немецкий математик Генрих Минковский (1864–1906), математически показал, что в действительности пространство и время нераздельны. Они как бы образуют единое четырехмерное пространство-время Минковского. Этот физический образ трудно вообразить наглядно, поскольку мы живем в трехмерном мире, описываемом евклидовой геометрией. Образ пространства Минковского удобен в различных теоретических построениях, его очень любят употреблять математики, называя его «многообразием Минковского», и физики-теоретики, среди которых принято говорить о «континууме Минковского». Не обошли его вниманием и писатели-фантасты (…космический флот погрузился в пространство Минковского и совершил внепространственный прыжок…), как правило, к сожалению, совершенно не понимающие смысла данного физического представления.

Теорию относительности принято разделять на две части — специальную теорию относительности (СТО), и общую (ОТО). Первая из них описывает различные релятивистские (от лат. относительный) эффекты при околосветовых скоростях (300 000 км/с). В соответствии со СТО, существует фундаментальная предельная скорость передачи любых взаимодействий и сигналов — скорость света в вакууме. Почему именно скорость света отделяет привычную нам повседневность от таких совершенно фантастических релятивистских явлений, как замедление времени, релятивистское сокращение размеров тел, относительность одновременности и пр.?

Однозначного ответа на этот вопрос пока еще не существует. Формулы СТО только предсказывают, что если какое-либо материальное тело в своем движении приблизится к скорости света, то его масса устремится к бесконечности… Ну а с бесконечностями ученые работать тоже пока не умеют, во всяком случае это означает, что перед нами нереальное явление.

Вторая часть теории относительности условно называется общей (ОТО). В основе ОТО лежит универсальный принцип эквивалентности инертных и гравитационных масс. Можно сказать, что это связано с искривлением окружающего нас пространства как при движении тел, так и при их притяжении, о чем и говорит общая теория относительности. Наглядно все это можно представить, если вообразить наш мир плоским эластичным листом. Тогда все тела в зависимости от их массы образуют большие и маленькие выемки, в которые и будут скатываться при их взаимодействии.

С другой стороны, точно такие же воронки эти же тела образуют при движении, будучи прикрепленными к пленке пространства. При этом глубина воронки определяется ускорением движения. Отсюда легко сделать поражающий воображение вывод о том, что в нашем трехмерном пространстве геометрия, вообще говоря, является неевклидовой и само время в различных точках пространства должно течь по-разному. Вот так физические законы превращают обыкновенный лифт в чудесное средство межпланетного передвижения, и мы можем с некоторой долей фантазии при движении вверх представить себя в атмосфере газовых гигантов — Юпитера, Сатурна, Урана или Нептуна с большим тяготением, чем на Земле, а при спуске побывать на поверхности Меркурия, Луны или Марса.

Однако уже в середине прошлого века выяснилось, что теория относительности не окончательно перечеркнула все представления о «светоносном мировом эфире». В природе можно найти среду, чем-то напоминающую своего древнего предшественника, только называется она по-новому — физическим вакуумом. Понятие физического вакуума как особой материальной среды было введено для объяснения возникновения сил физического взаимодействия. В основу этой теории легло представление о том, что тела обмениваются друг с другом так называемыми виртуальными, то есть ненаблюдаемыми, частицами. Например, в случае электромагнитных взаимодействий — виртуальными фотонами. Кроме того, в микромире были обнаружены эффекты, которые иначе, как существованием физического вакуума, было невозможно объяснить. Например, при торможении частицы высокой энергии как бы «из ничего» рождаются другие вполне реальные элементарные частицы. Это удивительное явление физики объясняют с помощью гипотезы о вакууме как «коктейле» из разнообразнейших виртуальных частиц и полей. Виртуальная «начинка» вакуума проявляется в нашем мире при энергетических взаимодействиях — наподобие того, как проявляется незримый фотографический негатив под воздействием проявителя.

Впрочем, физический вакуум напоминает ложный «мировой эфир» лишь двумя качествами: всепроникающей сущностью и энергетическим наполнением. При этом важно понимать, что физический вакуум вполне материален; это особая непрерывная среда, проявляющая себя в различных процессах и явлениях, а не газ виртуальных частиц, между которыми есть абсолютная пустота «настоящего вакуума». Поэтому продолжающиеся и поныне попытки вернуть в науку «мировой эфир» под маской физического вакуума, да еще и составленного из частиц, подчиняющихся только законам классической механики, заведомо обречены на полную неудачу.

У физического вакуума уже открыто несколько парадоксальных свойств, но есть весомые основания считать, что здесь природа показала нам только верхушку айсберга. Например, оказалось, что свойства «непустой пустоты» тесно связаны с античастицами — двойниками обычных частиц, отличающимися от них знаком электрического заряда. И если существуют античастицы, то из них можно построить целый «кусочек» Вселенной! Тут сразу же возникает любопытный вопрос: а будет ли отличаться гипотетический антимир, состоящий из антивещества, от мира обычного вещества, в котором мы живем?

Оживленные споры вокруг подобных вопросов продолжаются с пятидесятых годов прошлого века, со времени открытия антипротона. Однако первый раз антивещество привлекло к себе внимание еще в конце двадцатых годов ушедшего столетия. В тот период знаменитый английский физик Поль Адриен Морис Дирак пытался построить модель электрона и все время натыкался на очень странные следы электронов с отрицательной энергией и массой (!). Физики-острословы тут же прозвали дираковские «негативные» электроны «электронами-ослами». Действительно, в электрическом поле такие электроны должны были двигаться в противоположном обычным «атомам электричества» направлении, а понятия «отрицательная энергия» и «отрицательная масса» выглядели маловразумительной абстракцией. Тем не менее, будучи блестящим теоретиком, Дирак сумел развить свои необычные представления в теорию, получившую поэтическое название «море Дирака» (см. рис. 2 цв. вкл.).

Вакуум уже тогда привлекал самое пристальное внимание физиков, и Дирак сразу же предположил, что эта мнимая пустота на самом деле заполнена бесконечным множеством «негативных» электронов самой различной энергии. Но реальный вакуум абсолютно нейтрален и никак не действует на обычное вещество, поэтому Дирак посчитал, что электромагнитные и гравитационные поля «негативных» электронов полностью компенсируют друг друга. Важной особенностью электронного «моря Дирака» было наличие замкнутых пустот свободного от электронов пространства. В этих пузырьках «вакуумной пены» обычные и негативные электроны должны были взамоуничтожаться (аннигилировать) с испусканием фотонов — частиц электромагнитного поля (см. рис. 3 цв. вкл.).

Надо ли говорить, что вначале теория «моря негативных „электронов-ослов“» вызвала такое же море возражений. Так, чтобы обосновать процесс внутрипузырьковой аннигиляции, физики-теоретики пытались поместить туда протон, как единственную на то время положительную частицу, но это только погружало их в новые глубины проблем моря Дирака.

Триумф теории «моря Дирака» пришелся на 1932 год, когда в космических лучах, падающих на Землю, был обнаружен дираковский «негативный» электрон — позитрон. Вот тут и началось конструирование антимиров, причем сначала казалось, что эти миры должны быть совершенно идентичными, и если бы мы сумели заглянуть в антимир, не аннигилировав при этом, то ничего бы нового не заметили. По-научному это звучит так: все законы природы долгое время считались неизменными (инвариантными) относительно изменения знака заряда частиц (так называемой зарядной инверсии, или С-преобразования). Однако в начале второй половины прошедшего века физики экспериментально открыли шокирующий факт: для того чтобы превратить частицу в античастицу, нужно не только изменить знак заряда, но и как бы отразить частицу в зеркале, произвести еще и пространственное изменение симметрии — P-преобразование. Вместе эти две операции преображения частиц называются СР-преобразованиями. Однако чудеса продолжались, и вскоре выяснилось, что и этого совместного преобразования в ряде случаев совершенно недостаточно, поскольку такая CP-симметрия тоже нарушается. То есть для того, чтобы из электрона получить «настоящий» антиэлектрон, необходимо изменить еще и… направление хода времени, произвести Т-преобразование. Так возникло представление о существовании в природе фундаментального закона сохранения СРТ-симметрии.

Иначе говоря, наблюдатель не сможет никакими опытами установить, в каком мире он находится, если одновременно не произведет над эталонной частицей все три преобразования.

Вернемся теперь к физическим свойствам реального вакуума и добавим, что элементарные частицы, кроме массы и заряда, обладают еще и спином — моментом вращения вокруг собственной оси. При вращении подобно волчкам у зарядов возникает еще и магнитное поле с электрическим дипольным моментом. Рассмотрим сам процесс аннигиляции на примере электрон-позитронной пары. Это удивительное явление происходит не сразу, а в два этапа: сначала на кратчайшее мгновение образуется атом позитрония, состоящий из частиц, вращающихся вокруг общего центра масс. После же аннигиляции их энергия и масса превращаются в электромагнитное излучение, а на месте позитрония остается своеобразная дырка. Может ли эта «дырка» обладать какими-либо физическими свойствами?

Вам известно, что каждой математической функции соответствует определенный график. Когда исследуется новая формула, ее удобно изучить и графически, причем в различных системах координат. Сейчас подобные операции проводятся по специальным программам мощными компьютерами. В один прекрасный день изумленным взорам программистов предстала совершенно бесподобная вязь так называемых фракталов. Вскоре при детальном анализе выяснилось, что главная особенность новых структур заключается в том, что любая их бесконечно малая часть полностью копирует любой бесконечно большой элемент (см. рис. 4 цв. вкл.). Используя это свойство удивительных математических функций, физики-теоретики создали абстрактную модель физического вакуума в виде непрерывной бесконечно тонкой фрактальной нити. Эта нить и должна непрерывно заполнять бесконечно большое трехмерное пространство Вселенной, одновременно служа силовой линией электромагнитного поля.

Получается, что пространство физического вакуума, которым насыщены наши тела и в безбрежных просторах которого парит наша планета, представляет собой, с одной стороны, торричеллиеву пустоту из школьного учебника физики, а с другой — кипящий океан частиц и полей.

Во всяком случае, вакуум совершенно не похож на пустую сцену, где разыгрывается спектакль под названием «Эволюция Вселенной». Для того чтобы представить его зримый образ, давайте еще раз воспользуемся возможностями компьютерной графики. Если немного пофантазировать, то можно увидеть на экране монитора образ «вакуумного» Мироздания, где в глубинах бурлящей пустоты спрятаны фрактальные корни некоего Вселенского Древа всех наблюдаемых нами явлений природы, а в ее ячейках записаны все физические законы нашего мира. Таким образом, с помощью последовательности удивительнейших древовидных фрактальных множеств Природа связывает логическую цепь событий от невообразимых глубин физического вакуума до границ Метагалактики и дальше — во Вселенную.

Суд над Галилеем

Иной раз за научные убеждения приходилось жестоко расплачиваться. Галилео Галилей вынужден был отречься от своих взглядов. Но в памяти человечества он навсегда останется создателем новой физики.

Пизанская башня

По легенде, Галилей сбрасывал предметы различной массы с наклонной «падающей» Пизанской башни, чтобы продемонстрировать, что они достигают поверхности земли одновременно. Однако в действительности более тяжелые предметы скорее всего падали бы на землю раньше легких из-за наличия сопротивления воздуха.

Первые опыты на Луне

Нейл Армстронг, американский астронавт миссии «Аполлон-11», поставил знаменитый опыт Галилея на Луне перед миллионами телезрителей, выпустив одновременно из перчатки скафандра металлический шарик и птичье перо. Точно так же демонстрируют данный опыт, наблюдая падение свинцовой дроби и пушинки в колбе с откачанным воздухом.

Великий Ньютон

Наука подобна красивой, но сварливой женщине. Если хочешь общаться с ней, надо беспрестанно ссориться.

Опыт Майкельсона — Морли

Майкельсон и Морли использовали специальный оптический измерительный прибор, в котором луч света расщепляется надвое полупрозрачным зеркалом (стеклянная пластина посеребрена с одной стороны ровно настолько, чтобы частично пропускать поступающие на нее световые лучи, а частично отражать их). В итоге свет расщепляется на два согласованных луча, расходящихся под прямым углом. После этого лучи отражаются от равноудаленных полупрозрачных зеркал и возвращаются. Получающийся результирующий пучок света позволяет наблюдать картину наложения двух лучей и определять запаздывание одного луча относительно другого.

Массы небесных тел как бы «продавливают» пространство в модели гравитации Эйнштейна

Создав теорию, основанную на понятии пространства-времени Минковского, получившую название «специальной теории относительности», сокращенно «СТО», Эйнштейн приступил к разработке новой теории гравитации. Великий физик назвал ее «общей теорией относительности», или «ОТО», и всегда считал ее своим наивысшим достижением, включившим в себя теорию всемирного тяготения Ньютона как частный случай. В основе ОТО лежит образ пространства Минковского, искаженного материальными телами, наподобие деформации, создаваемой свинцовыми шариками на резиновой пленке.

Искусственная невесомость

При разработке своей теории гравитации Эйнштейн прежде всего обратил внимание на то, что всепроникающее тяготение одинаково действует на все тела. Оно сообщает любым массам абсолютно одинаковые ускорения совершенно независимо от их вида, строения, химического состава и других свойств. Тут Эйнштейн заметил поразительную природную закономерность, которую он развил в важнейший физический принцип ОТО, — эквивалентность инертной и гравитационной масс. Инертная масса входит в три школьных закона Ньютона, а гравитационная — в его же закон всемирного тяготения. Сам Эйнштейн неоднократно вспоминал, что к принципу эквивалентности его привели наблюдения поведения тел в обыкновенном лифте. К примеру, в свободно падающем лифте наступит состояние искусственной невесомости, которое часто используют для тренировок космонавтов.

Центрифуга в Тренировочном центре космонавтов им. Ю. А. Гагарина (Россия)

Центрифуга, карусель, ротор, юла, волчок — во всех этих вращающихся телах и механизмах происходит своеобразный переход сил инерции в силы искусственной гравитации. Так, в тренировочной центрифуге космонавты не только привыкают к перегрузкам старта и спуска, но и пытаются почувствовать себя в глубинах атмосферы газовых гигантов — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна.

Вариант геометрии вакуума

Фрактальное множество (компьютерная графика)

Фрактальный образ Вселенского Древа

ГЛАВА ПЕРВАЯ ЭРА НОВОЙ НАУКИ

Можно понять, какое существенное влияние было оказано на само направление развития человеческих знаний в тот день, когда кванты исподтишка вошли в науку. В тот самый день величественное и грандиозное здание классической физики было потрясено до самого основания, хотя никто тогда еще и не отдавал себе ясного отчета в этом. В истории науки не много было подземных толчков, сравнимых по силе с этим.

Луи де Бройль, нобелевский лауреат, основатель волновой квантовой механики

Сегодня квантовая теория привела нас к более глубокому пониманию: она установила более тесную связь между статистикой и основами физики. Это является событием в истории человеческого мышления, значение которого выходит за пределы самой науки.

Макс Борн, один из основоположников квантовой физики

Настоящая глава — это краткий экскурс в бурный период становления современной физики. Это был этап глубоких исканий, заблуждений и противоречий, изменивший лицо человеческого общества. Период, предвосхитивший эпоху новой науки, когда человечество все чаще вынуждено решать, на какое направление ее развития следует наложить запрет и как убедить или даже заставить повиноваться этому запрету многотысячную интернациональную армию исследователей.

УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ КАТАСТРОФА

Студентам моего времени посчастливилось слышать историю возникновения новой физики двадцатого века из уст крупнейших советских ученых с мировым именем, таких, как Антон Карлович Вальтер, Моисей Исаакович Каганов, Арнольд Маркович Косевич, Эммануил Айзикович Канер, Валентин Григорьевич Песчанский, Виктор Моисеевич Цукерник, Лев Самойлович Палатник, Игорь Иванович Фалько.

Больше всего мне запомнилось, как начинал этот раздел своего лекционного курса один из самых видных теоретиков прошлого века, академик А. И. Ахиезер, а начинал он его с риторического вопроса: как правильно рассказать о той «драме идей», по словам Альберта Эйнштейна, которая сопровождала мучительное рождение нового знания о природе окружающего мира? Ну а дальше, будучи блестящим лектором, Александр Ильич погружал нас в один из самых таинственных и притягательных разделов физики, которым уже долгое время (практически с момента возникновения) остается квантовая механика. Второе название данной области науки — волновая механика. Это теория, которая устанавливает способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также общую связь величин, характеризующих микромир частиц, с физическими величинами окружающего нас большого мира (макромира).

В классической физике Лагранж, Гук и Ньютон рассматривали окружающую природу как абстрактный мир бильярдных шаров с абсолютно точными пространственными координатами и скоростями.

Опыт показывает, что такое описание не всегда справедливо для микромира элементарных частиц. Соотношение между классической и квантовой механикой определяется существованием универсальной мировой постоянной Планка, которая называется также квантом действия и разбивает все окружающие потоки энергии на мельчайшие порции — кванты энергии. Обычно последние называют просто квантами и говорят, что энергия квантована. Отношение между классической и квантовой физикой наглядно иллюстрирует очень простой пример из геометрии. Как непрерывные линии и поверхности состоят из невидимых точек, так непрерывные процессы в природе квантуемы и состоят из квантов.

Впервые понятие квантов было введено в 1900 году выдающимся немецким физиком Максом Карлом Эрнстом Людвигом Планком в работе, посвященной решению парадокса теплового излучения. Существовавшая в то время теория теплового излучения абсолютно черного тела (АЧТ), построенная на основе классической электродинамики и статистической физики, приводила к противоречию. Чтобы его разрешить, Планк предположил, что свет испускается не непрерывно (как это следовало из классической теории излучения), а определенными дискретными порциями энергии — квантами. Итак, попробуем приглядеться к одной из самых глубоких трещин на монументе классической физики.

В конце девятнадцатого века многие физики усиленно пытались найти распределение излучения абсолютно черного тела. Моделью АЧТ является замкнутая полость с небольшим отверстием. Главной особенностью АЧТ является то, что любое излучение, попавшее внутрь через узкую горловину, будет многократно отражаться от внутренней поверхности, прежде чем сможет выйти обратно. Хорошей моделью АЧТ служит обычная мартеновская печь с литовкой — отверстием для потока металла.

Вам наверняка доводилось видеть что-то похожее на черное тело. В очаге, например, случается, что несколько поленьев сложатся практически вплотную, а внутри них выгорит довольно большая полость. Снаружи поленья остаются темными и не светятся, в то время как внутри выгоревшей полости накапливаются жар (инфракрасное излучение) и свет, и, прежде чем вырваться наружу, эти лучи многократно отражаются от стен полости. Если заглянуть в щель между такими поленьями, вы увидите яркое желто-оранжевое высокотемпературное свечение, и оттуда на вас буквально полыхнет жаром. Просто лучи на какое-то время оказались пойманными в ловушку между поленьями.

Понаблюдаем за излучением мартеновской печи. После заправки металла, кокса и различных добавок для получения нужного сорта стали мартеновская печь начинает интенсивно разогреваться. При этом литовка (отверстие для слива расплава) светится сначала багряно-красным цветом, затем ярко-красным и наконец перед самым выходом металла — ослепительно белым.

Все законы теплового излучения в девятнадцатом веке были установлены именно для АЧТ, поскольку именно для них можно четко выделить зависимость светимости от температуры. Это понятно, ведь все волны после долгого блуждания внутри полости АЧТ выходят одинаковыми, как фарш из мясорубки!

Один из таких законов носит название закона Стефана — Больцмана по имени открывших его ученых и связывает энергию, испускаемую АЧТ, с четвертой степенью его температуры. Второй закон, получивший имя Вина, в честь австрийского физика, гласит, что чем выше температура АЧТ, тем короче длина его волны. Ну а поскольку длина световой волны растет от ультрафиолета (ему мы обязаны загаром) до инфракрасного света (им обогревают помещения и используют в приборах ночного видения), то при высокой температуре ослепительное белое сияние вроде бы должно постепенно сменяться фиолетовым свечением. Однако ни в мартеновских печах, ни в самых ярких кострах мы никогда не увидим подобного перехода. В чем же дело?

Через некоторое время интенсивность испускания и поглощения лучей внутри АЧТ уравниваются. Вот до этого момента поведение АЧТ остается еще достаточно понятным. Проблемы начинают возникать при попытках подсчитать энергию излучения, сохраняемую внутри абсолютно черного тела в равновесном состоянии. И скоро выяснились две вещи. Во-первых, чем выше волновая частота лучей, тем больше их накапливается внутри черного тела. Во-вторых, чем выше частота волны, тем большую энергию она несет и, соответственно, тем больше ее сохраняется внутри черного тела.

Напомним, что такое спектр излучения. Обычно мы называем спектром цветную полосу, образованную лучами света после прохождения через стеклянную призму. При этом надо уточнить, что свет по своей природе представляет собой электромагнитное излучение, или же электромагнитные волны, распространяющиеся посредством электромагнитных полей. Электромагнитные волны строго определенной длины (или частоты) называют монохроматическими, что можно перевести с латыни как «единоцветные».

Таким образом, спектр электромагнитного излучения — это разделение излучения таким образом, что по каждому направлению распространяется монохроматическая волна. Конечно же, вовсе не обязательно применять понятие «спектр» только к электромагнитному излучению. Общее определение гласит, что спектр — это совокупность частот (длин) волн, содержащихся в каком-либо излучении, или даже еще более общее, математическое: спектр — это совокупность значений какой-либо величины.

Нельзя не сказать еще несколько слов о роли столь значительного объекта, как спектр, в истории физики. Именно он часто играет роль проницательного детектива, исследующего с помощью своего замечательного метода — спектрального анализа — самые запутанные физические парадоксы и теории. На его счету раскрытие тайн звездного света и открытие нового элемента в атмосфере Солнца, он работает в школьных кабинетах физики и настоящих криминалистических лабораториях, управляет сверхчувствительными комплексами уникального оборудования на межпланетных автоматических станциях и помогает открыть секреты древней булатной стали.

Именно спектральный анализ излучения АЧТ привел к самым настоящим катастрофическим последствиям для всей классической физики. Согласно классической механике и теории электромагнитного излучения, созданной великим шотландским ученым Джеймсом Кларком Максвеллом, вся энергия АЧТ должна быть поделена между всеми волнами самой различной длины, заполняющими внутреннюю полость. Поскольку, согласно закону Вина, максимум энергии приходится на самую коротковолновую — ультрафиолетовую часть спектра, то все нагретые тела должны светить не красным или белым, а невидимым ультрафиолетовым светом. Естественно, что такой результат, полученный впервые знаменитым английским ученым лордом Релеем, грубо противоречил наблюдаемой действительности. Вместе эти заключения привели к немыслимому результату: энергия излучения внутри черного тела должна стремиться к бесконечности! Эта злая насмешка над законами классической физики была окрещена ультрафиолетовой катастрофой, поскольку высокочастотное излучение лежит в ультрафиолетовой части спектра. На самом деле закон Вина распространяется лишь на цвет, соответствующий максимальной яркости излучения, при этом предполагается, что в общем потоке присутствуют все цвета с большими длинами волн. При нагревании АЧТ цветовая гамма излучения расширяется в коротковолновую часть, естественно сливаясь при этом в единый цвет.

Грузовой транспорт внутри Большого адронного коллайдера

Большой адронный коллайдер (БАК) — это современный сверхмощный ускоритель частиц, благодаря которому ученые надеются проникнуть в неизвестные глубины материи. Эксперименты на коллайдере позволяют сталкивать пучки частиц с энергией, в миллионы раз превышающей выделяемую в термоядерном синтезе. Оптимисты считают, что БАК откроет новые частицы и поля, а пессимисты — что он навсегда закроет не только науку, но и всю цивилизацию, создав всепоглощающий провал черной дыры.

Таблица цветности излучения абсолютно черного тела
Температура в градусах Кельвина	Цвет
до 1000	Красный
1000—1500	Оранжевый
1500—2000	Желтый
2000—4000	Бледно-желтый
4000—5500	Желтовато-белый
5500—7000	Чисто-белый
7000—9000	Голубовато-белый
9000—15 000	Бело-голубой
15 000—∞	Голубой

Зависимость мощности излучения АЧТ от длины волны

Реальная зависимость интенсивности излучения от длины волны для разных температур (пунктирные кривые) и ее вид по классической теории (сплошная линия)

Модель излучения черного тела

Чтобы понять, что такое черное тело, надо представить себе полую сферу с зеркальной внутренней поверхностью, в одной из стенок которой проделана маленькая дырочка. Луч света, проникающий через микроскопическое отверстие, навсегда остается внутри сферы, бесконечно отражаясь от ее стенок. Объект, не отражающий света, а полностью поглощающий его, выглядит черным, поэтому его и принято называть черным телом. Моделью излучения абсолютно черного тела может служить литовка доменной печи, внутренняя часть жаркого костра или ровный белый свет, излучаемый брусками раскаленного металла.

Памятник Максу Планку во дворе Берлинского университета

ПОЯВЛЕНИЕ КВАНТОВ

Одна из самых бурных научных революций нового времени началась с работ очень скромного, тихого и педантичного немецкого профессора Макса Планка. Планку пришла в голову гениальная мысль, что нужно ввести в теорию излучения некоторый новый элемент, развивающий на ином уровне классические представления всеобщего атомизма, и он выдвинул знаменитый постулат: вещество не может испускать энергию излучения иначе, как конечными порциями, пропорциональными частоте этого излучения. Коэффициент пропорциональности при этом есть некоторая универсальная постоянная, имеющая размерность механического действия, которую Планк и назвал квантом. Энергия, переносимая одним квантом, равна: E = hv, где v — частота излучения, a h и есть знаменитая постоянная Планка (очень часто из соображений рациональности физики используют величину ħ = h/2π, также называемую постоянной Планка с чертой). Вскоре на основе экспериментальных данных Планк рассчитал значение элементарного кванта действия, представляющего собой новую универсальную константу: h = 6,626·10^-34 Дж.с.

В истории человечества кванты действия Планка произвели такой же переворот, как и великие открытия Галилея и Ньютона. Классическая физика господствовала долгие столетия, но экспериментальная техника постоянно усложнялась, и в конце концов опытные данные стали противоречить традиционно сложившимся представлениям. Вот тогда и родилась новая квантовая наука, заставившая пересмотреть многое в основных принципах классической физики. Итак, трещины под постоянным обстрелом экспериментальных фактов разрослись, и фасад здания традиционной науки рухнул. Тем не менее, несмотря на панику отдельных ученых и особенно философов, после того как осела пыль непонимания, стал виден незыблемый каркас объективного знания. И буквально сразу же удивительным образом подобранная команда блестящих физиков, теоретиков и экспериментаторов, стала возводить леса новой квантовой науки.

Величайший мыслитель во всей истории человечества — Альберт Эйнштейн известен большинству окружающих как создатель таинственной теории относительности. Однако в летописи науки его первые шаги связываются совсем с иными исканиями, а именно — с замечательным явлением, связывающим электромагнитное излучение и электрический ток. Этот удивительный процесс «перехода лучистой субстанции в электрическую», как писали научные журналы позапрошлого века, был открыт в 1887 году немецким физиком Генрихом Герцем.

Правильнее было бы сказать, что Герц не открыл, а ввел это явление в физическую науку, поскольку несистематические наблюдения влияния солнечного света на электризацию лепестков простейших электроскопов встречались еще в конце восемнадцатого века. Если Герц ввел понятие фотоэффекта в науку, то сделал фотоэффект действительно научным явлением выдающийся русский физик Александр Григорьевич Столетов. Профессор Столетов заслуженно считается создателем новой волны экспериментальной физики, выразившейся прежде всего в возникновении школы естествоиспытателей Московского университета.

Исследуя влияние освещенности на возникновение заряда в проводниках и диэлектриках, Александр Григорьевич сконструировал первый в мире электровакуумный прибор, представлявший собой стеклянную трубку со впаянными электродами, из которой откачивался воздух. Поднося к трубке сильную электроразрядную лампу, ученый тут же фиксировал появление электрического тока. Если внешняя сторона фотоэффекта, в общем-то, была более-менее понятна, то внутренне содержание совершенно не соответствовало принципам классической электродинамики. Действительно, признавая существование неких «элементарных корпускул электричества в разноименном зарядовом состоянии», физика того времени предсказывала, что процесс появления заряда будет протекать наподобие раскачивания электромагнитной волной, скажем, яблони — кристаллической решетки, заполненной спелыми яблоками — электронами. На этой мысленной картинке приложение электромагнитных сил вызовет постепенный процесс роста «града» яблок-электронов по мере нарастания амплитуды раскачивания волнами света ствола — решетки.

Увы! В действительности все выглядело совершенно иным образом! Достаточно было включить источник света — и во внешней цепи тут же появлялся ток. Более того, вскоре выяснилось, что далеко не всякий свет годился для наблюдения фотоэффекта. Красный свет даже высокой интенсивности не мог «запустить» течение процесса, а вот слабый солнечный лучик вполне для этого годился. Картина вырисовывалась довольно странная, как если бы силач, раскачивал-раскачивал ствол медленными движениями, пригибая его чуть ли не до земли, и ни одного яблока не упало, а вот подошел ребенок, резко ударил небольшим молоточком — и тотчас сорвался поток плодов. В ходе многочисленных опытов Столетов вплотную подошел к решению загадки фотоэффекта, но окончательное решение здесь предстояло найти другому гению современности — Эйнштейну.

В то время прошло лишь чуть больше пяти лет после рождения кванта действия Планка, но молодой служащий патентного бюро в Берне смело взялся развивать революционную модель Планка, перенося идеи ее создателя о квантованности электромагнитной энергии на корпускулярное строение светового потока. Действительно, такой подход (кстати, известный задолго до Ньютона, с именем которого обычно связывают понятие «корпускул света») легко позволил объяснить все противоречия фотоэффекта. Достаточно было только предположить, что неделимая частичка света — фотон, выбивая электрон с поверхности металла, должен иметь определенную «пороговую энергию», и все встало на свои места.

Великий Эйнштейн

Явление фотоэффекта

Эйнштейн в 1905 году построил теорию фотоэффекта, развивая квантовые представления Планка. Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами, то есть что дискретность присуща не только процессам испускания и поглощения света, но и самому свету, что свет состоит из отдельных порций — световых квантов.

Сложная волновая поверхность

Что собой представляет электромагнитная волна, легко представить на следующем примере. Если на водную гладь бросить предмет, то на поверхности образуются расходящиеся кругами волны. Они движутся от источника их возникновения (возмущения) с определенной скоростью распространения. Для электромагнитных волн возмущениями являются передвигающиеся в пространстве электрические и магнитные поля. Меняющееся во времени электромагнитное поле обязательно вызывает появление переменного магнитного поля, и наоборот. Эти поля взаимно связаны.

АТОМ БОРА

Весь последующий период развития квантовой науки неразрывно связан с именем еще одного из «младших отцов-основателей нового взгляда на материю» — Нильса Бора (1885–1962). Этот знаменитый датский ученый начал свою научную карьеру в святом для каждого физика месте — Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Именно здесь молодой ученый приступил под руководством самого сэра Резерфорда к построению новых моделей атомных структур. В этот период на небосводе науки засверкал первый более-менее достоверный планетарный атом Резерфорда. Эта модель своей наглядностью, простотой и глубоким смыслом (Вселенная в атоме!) еще долго привлекала внимание публики, до сих пор (!) встречаясь в некоторых неудачных учебниках и научных популяризациях. Почему неудачных?

Дело в том, что, вращаясь с центростремительным ускорением вокруг атомного ядра, электрон по законам электродинамики должен мгновенно излучить энергию и упасть. Разрешить эту проблему и направить физиков по верному пути понимания атомной структуры удалось молодому датскому теоретику Нильсу Бору, прибывшему на стажировку в Англию после защиты докторской диссертации у себя на родине. За отправную точку Бор принял новые постулаты квантовой механики, согласно которым на субатомном уровне энергия испускается исключительно квантовыми порциями.

Согласно хрестоматийным постулатам Бора, электрон не излучает энергию, находясь на неких «стационарных» орбитах. При этом сам акт излучения кванта электромагнитной энергии сопоставляется с переходом: «высокая» орбита — «низкая» орбита.

Объяснить странные правила поведения электронов внутри атома Бор в то время не мог, но он уже тогда высказал догадку, что эти отдельные, дискретные орбиты как-то связаны с еще науке неизвестными квантовыми закономерностями движения. Предположения Бора основывались на том, что именно своеобразие квантового движения выделяет отдельные орбиты из всей возможной их совокупности.

Все это уже серьезно расходилось с планетарной аналогией, ведь по законам классической механики орбиты электронов должны были бы быть совсем иными. Получалось, что именно особенности квантового движения внутри атома проявлялись в наличии лишь некоторых избранных состояний трансдислокации электронов.

Впоследствии, после завершения основных этапов развития квантовой науки, выяснилось, что атомные постулаты Бора об устойчивых орбитах на самом деле органически вытекают из нее, как некое приближенное правило. При этом существует орбита с наименьшей из возможных энергий, на которой электрон может находиться неограниченное время. Говоря научным языком, Бор показал, что электрон не может находиться на произвольном удалении от атомного ядра, а может быть лишь на ряде фиксированных орбит, получивших название «разрешенные орбиты». Электроны, находящиеся на таких орбитах, не могут излучать электромагнитные волны произвольной интенсивности и частоты, иначе им, скорее всего, пришлось бы перейти на более низкую, неразрешенную орбиту. Поэтому они и удерживаются на своей более высокой орбите, подобно самолету в аэропорту отправления, когда аэропорт назначения закрыт по причине нелетной погоды.

Однако электроны могут переходить на другую разрешенную орбиту. Как и большинство явлений в мире квантовой механики, этот процесс не так просто представить наглядно. Электрон просто исчезает с одной орбиты и материализуется на другой, не пересекая пространства между ними. Этот эффект назвали «квантовым прыжком» или «квантовым скачком». Боровские правила квантования атомных орбит объяснили не только удивительную стабильность окружающих нас атомов, но и тот удивительный факт, что атомы испускают свет строго определенных частот. Данные частоты Бор выразил через величины зарядов ядра и электрона, их массы и постоянную Планка. Таким образом, загадочные по своему смыслу правила квантования Бора стали описывать все главнейшие свойства атомов.

Следующим этапом торжества квантовой физики стал анализ природы света, а более широко — электромагнитного излучения, которое, как оказалось состоит из квантов — фотонов. Для создания современной картины мира важным событием оказалось то, что (это было показано экспериментально) рассеяние света свободными электронами происходит по законам упругого столкновения двух частиц. Так были выявлены корпускулярные свойства света и экспериментально доказано, что наряду с волновыми свойствами свет как бы состоит из частиц. В этом проявляется двойственность (дуализм) света, его корпускулярно-волновая природа. Возникло логическое противоречие: для объяснения одних явлений надо было считать, что свет имеет волновую природу, для объяснения других — корпускулярную. Разрешение этого противоречия и привело к созданию физических основ квантовой механики.

Когда Джон Дальтон впервые в истории современной науки предложил атомную теорию строения вещества, атомы представлялись ему неделимыми, наподобие микроскопических бильярдных шаров. Однако на протяжении всего девятнадцатого столетия становилось всё очевиднее, что такая модель неприемлема. Поворотной точкой здесь стали открытия выдающихся английских физиков-экспериментаторов Джозефа Джона Томсона и Ричарда Резерфорда. После опытов этих ученых стало совершенно ясно, что атом не просто делим, но что он еще и обладает сложной структурой: состоит из массивного положительно заряженного центрального ядра и движущихся вокруг него легких отрицательно заряженных электронов. Тут же возникла новая проблема — составной атом не был устойчив и должен был мгновенно распадаться.

Противоречие снял Бор, применив квантовую теорию к состоянию электронов на атомных орбитах.

Если электрон перескакивает на более низкую орбиту, он теряет энергию и, соответственно, испускает квант света — фотон определенной энергии с фиксированной длиной волны. На глаз мы различаем фотоны разных энергий по цвету, так, раскаленный металл имеет желтовато-белый цвет, вольфрамовая проволочка в электрической лампочке — желтый, угли костра — насыщенно-красный, всеми цветами радуги светятся различные инертные газы в лампах неоновой рекламы. А для перехода на более высокую орбиту электрон должен, соответственно, поглотить фотон.

В картине атома по Бору, таким образом, электроны переходят вниз и вверх по орбитам дискретными скачками — с одной разрешенной орбиты на другую, подобно тому, как мы поднимаемся и спускаемся по ступеням лестницы. Каждый скачок обязательно сопровождается испусканием или поглощением кванта энергии электромагнитного излучения — фотона.

Сейчас специалисты в области атомных спектров довольно легко рассчитывают характеристики этих волн и интерпретируют их для объяснения свойств самых сложных по структуре атомов. Однако первые шаги в данном направлении сделал именно Бор в далеком 1913 году, обрисовав в озарении практически все основные черты современной квантовой механики атомной физики.

Следующий судьбоносный шаг в новой науке сделал в 1924 году выдающийся французский физик, впоследствии нобелевский лауреат Луи де Бройль. Де Бройль долго раздумывал над объяснением атомных постулатов Бора и о принципах квантования атомных орбит. В итоге своих размышлений он выдвинул гипотезу о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой гипотезе, каждой частице, независимо от ее природы, надо поставить в соответствие волну, длина которой связана с импульсом частицы. То есть не только фотоны, но и все «обыкновенные частицы» (электроны, протоны и др.) обладают волновыми свойствами, которые, в частности, должны проявляться в дифракции частиц.

Модель атома Бора

С планетарной моделью атома возникли принципиальные проблемы. Прежде всего, согласно физическим законам, такой атом не мог бы просуществовать дольше доли мгновения. В соответствии с законами механики, электрон, находящийся на орбите, движется с ускорением. Следовательно, он должен излучать электромагнитную энергию и вскоре упасть на ядро. Противоречия классической модели решил Бор, в его формальной модели атома электрон движется по стационарным орбитам не излучая; излучением кванта электромагнитного поля сопровождается его переход на более низкую орбиту, а поглощением того же фотона — скачок на более высокий уровень.

Нильс Бор, основатель копенгагенской школы квантовой механики (Принстон, США, 1948)

Нильс Бор является одним из главных разработчиков современных представлений о мире атомов и элементарных частиц. Бор создал первую квантовую модель строения атома и был удостоен за это Нобелевской премии по физике 1922 года. Помимо выдающихся научных достижений, он был наставником для целого поколения физиков из всех стран мира и пользовался глубоким уважением даже у своих научных оппонентов, таких, как Эйнштейн, Гейзенберг и де Бройль, расходившихся с ним во взглядах на философские основы квантовой теории.

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ

Со временем интуитивная гипотеза Бора уступила место строгой систематической формулировке в рамках законов квантовой механики, и в частности концепции двойственной природы элементарных частиц — корпускулярно-волновому дуализму. Сегодня электроны представляются нам не микроскопическими планетами, обращающимися вокруг атомного ядра, а волнами вероятности, плещущимися внутри своих орбит — подобно приливам и отливам в бассейне сложной формы. ...