Переключиться • 19 сентября 2024
Меньше атома: как работает квантовая механика
Меньше атома: как работает квантовая механика
Текст: Наташа Покровская
Фото: alpinabook.ru
Квантовая механика — это, пожалуй, самый точный и глубокий из известных человечеству методов описания природы: наука объясняет, как устроен мир в масштабе частиц размером меньше атома. Она родилась в начале прошлого века и существует совсем недолго в сравнении с историей человеческого прогресса, поэтому многие квантовые эффекты не изучены до конца. Как устроена квантовая механика сегодня, простыми словами рассказывает доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией теории фундаментальных взаимодействий Физического института им. П. Н. Лебедева РАН, лектор и автор научно-популярных фильмов Алексей Семихатов в своей книге «Сто лет недосказанности. Квантовая механика для всех в 25 эссе». Книга вышла в издательстве «Альпина нон-фикшн». Inc. публикует ее отрывок.
Устройство квантового мира описывается квантовой теорией, часто называемой также квантовой механикой. Слово «механика» исходно указывало на круг задач по предсказанию движения: скажем, как далеко упадет снаряд, брошенный с заданной скоростью под определенным углом к горизонту (если мне простится школьный пример). «Предсказание» предполагает знание действующих факторов и, как правило, применение уравнений, в которых отражено это знание. Требуются, кроме того, начальные условия, фиксирующие положение дел, с которого события начинают развиваться.
В только что приведенном примере действующие факторы — это притяжение Земли, и если предсказание требуется всерьез, а не на школьном уровне, то еще и сопротивление воздуха и даже вращение Земли, а начальные условия — это скорость в момент броска с учетом ее направления и расположение стартовой точки. В словосочетание же «квантовая механика» слово «механика» попало отчасти по инерции и означает примерно «предсказание, насколько это возможно, наблюдаемых результатов, исходя из действующих факторов и начальных данных». Некоторая расплывчатость формулировки, если вы обратили на нее внимание, не случайна и скрывает за собой многое из того, что нам предстоит увидеть.
Залог существования
А слово «квант» взялось из латыни — из вопросительного местоимения quantum, которое употребляется в вопросах типа «насколько много?» и «какое количество?». В нашей истории его стали употреблять в отношении порций. Сначала это были порции энергии. Появление порций — существенная часть квантовых правил.
В мире атомов, электронов и всего такого энергия во многих (причем важных) случаях передается не в любых количествах, а в «расфасованном» виде. Это не означает, что Вселенная наполнена заранее приготовленными порциями энергии. Например, свет несет энергию порциями, величина которых зависит от цвета — т. е. от длины волны. Чем ближе цвет к сине-фиолетовому краю радуги, тем больше энергии в одной порции, и еще больше — за пределами видимого спектра, в области все более коротких длин волн (примерно поэтому ультрафиолет не слишком нам полезен, а у рентгенологов сокращенный рабочий день).
Но для света с определенной длиной волны, т. е. определенного цвета, эти порции энергии и правда всегда одинаковые. Все такие порции — и длинноволновые, и коротковолновые — в 1920-х гг. получили название фотонов. (Минимальные порции представляют собой предел того, сколь слабым может быть свет: меньше одного фотона означает ноль фотонов, т. е. отсутствие света. Кстати сказать, человеческий глаз устроен так, что в принципе способен реагировать буквально на несколько фотонов.)
«Порционность» несколько другого рода — называемая в данном случае дискретностью — характерна для составных квантовых объектов, т. е. для таких, которые возникают при объединении нескольких простых, вообще-то способных существовать отдельно друг от друга, но организовавших себе совместное проживание. Такие составные объекты первостепенно важны для нас, потому что мы из них состоим: это атомы и молекулы. Они могут существовать только при определенных дискретных значениях энергии, которую имеют их участники.
Удивительное электричество
Наличие не любых, а только вполне определенных дискретных значений энергии служит обеспечительным механизмом для положения дел, которое мы почему-то часто считаем само собой разумеющимся, но которое без квантовых законов попросту невозможно: все атомы одного вида совершенно одинаковы и полностью взаимозаменяемы. Встроенная и неотменяемая дискретность «контролирует качество сборки», приводя к неразличимым атомам, скажем, кислорода или молекулам, скажем, углекислого газа.
Понимание же того, откуда возникает сама дискретность, заняло около полутора десятилетий, и отправной точкой тут послужил ключевой факт, обнаруженный экспериментально, когда XX в. был еще молод (1908–1911). Резерфорд руководил тогда опытами по выяснению структуры материи посредством простреливания через нее электрически заряженными агентами.
Наш мир был бы невозможен без многого, что в нем фактически имеется, но уж заведомо невозможен без электрических зарядов. Хотя почти все вокруг нас электрически нейтрально (благодаря чему нас не «ударяет током» ежесекундно), это не потому, что зарядов нет, а потому, что противоположные заряды компенсируют друг друга.
Электрически нейтральным является и атом. Ко времени опытов Резерфорда было достоверно известно, что в атомах содержатся отрицательно заряженные электроны, а значит, там же должен присутствовать и компенсирующий их положительный заряд. Присутствовать — но каким именно образом? Выяснить это «глазами», даже вооруженными, невозможно, и требуется какое-то другое средство, чтобы «потыкать» внутренность атома.
Фундаментальное открытие
Для выяснения структуры атома Резерфорд использовал так называемые альфа-частицы. Для него это был продукт, испускаемый некоторыми специальными — радиоактивными — атомами. Сейчас мы хорошо знаем, что производятся они благодаря непростому механизму, который включает в себя то, что Резерфорду только предстояло открыть, но Резерфорд и не думал загонять себя в логический круг, пытаясь объяснить еще и происхождение альфа-частиц.
Он просто воспользовался эмпирически накопленными данными о радиоактивности, т. е. о вылетании, среди прочего, заряженных частиц из атомов, и взял в качестве источника альфа-частиц атомы радия. Конечно, альфа-частицы, как и всех остальных персонажей квантового мира, тоже нельзя увидеть (в этом одна из причин, почему радиоактивность не была открыта раньше, а также объяснение опасений перед невидимым в связи с современными ядерными объектами: если излучаемые частицы невидимы, то уверены ли мы в том, что их контролируем?). Но ничто не мешало Резерфорду и его сотрудникам наблюдать результат попадания альфа-частиц во флуоресцентный экран: производимые вспышки света фиксировались с помощью микроскопа. А далее главную роль сыграла механика — еще не квантовая.
Между источником, откуда вылетали альфа-частицы, и экраном, на котором фиксировались их попадания, поместили тонкую золотую фольгу — толщиной в несколько сотен атомов. Пролетая сквозь нее, положительно заряженные альфа-частицы испытывали
воздействие электрических зарядов, как-то распределенных среди этих атомов, и в результате должны были тем или иным образом отклоняться от своего первоначального направления.
Оказалось, что в большинстве своем они почти никак не отклоняются: проходят сквозь сотню атомных слоев практически как сквозь пустоту. Но иногда они отклоняются очень сильно, даже почти в противоположную сторону по сравнению с первоначальным направлением. А это означает, что положительный заряд, который только и способен их так повернуть, сконцентрирован почти точечно, в чрезвычайно малом объеме. Хотя сам Резерфорд не дал своему открытию такого названия, в результате было обнаружено атомное ядро.
Научный парадокс
Характерный размер атомного ядра, как довольно быстро стало ясно из опытов, в несколько десятков тысяч раз меньше, чем характерный размер атома. Я на всякий случай напомню, что в десять тысяч раз меньше в диаметре означает в триллион (миллион миллионов) раз меньше в объеме. Но там, в менее чем одной триллионной доле объема, сосредоточена почти вся масса атома: ядро в несколько тысяч раз массивнее («тяжелее») всех электронов. (Различие в характерных размерах добавляет еще одну сложность к попыткам каким-нибудь условным образом все-таки изобразить атом на рисунке: миллиметр, выбранный в качестве диаметра ядра, при умножении на 30 000 дает атом диаметром 30 м.)
Нелишне отметить, что, имея дело с явлениями, в принципе недоступными глазу, мы в данном случае оцениваем размер атомного ядра «на взгляд» альфа-частицы. Одни сверхмалые элементы становятся для нас инструментами исследования, почти буквально «прощупывания», других. Надо только не забывать, что и эти наши помощники разговаривают с нами не напрямую, а только через те следы, которые они оставляют, вылетев из области, где они взаимодействовали с предметом нашего интереса (именно поэтому ускоритель элементарных частиц не имеет смысла без адекватной системы детекторов).
Немедленно возникла проблема с пониманием происходящего. Стало ясно, что электроны не сидят сиднем в тесных объятиях с ядром, ведь тогда атом не оказался бы настолько больше ядра. А механика — та, в использовании которой мы за XVIII и XIX вв. натренировались на летящих предметах и планетах, — сообщает, что единственная возможность для электрона держаться на расстоянии от ядра состоит в том, чтобы вокруг ядра летать. Законы электричества вроде бы поддерживают эту идею, обеспечивая необходимое притяжение между положительными и отрицательными зарядами. Но те же законы электричества сообщают и плохую новость: если электрический заряд движется по искривленной траектории, он непременно излучает энергию в виде электромагнитных волн.
Взять эту энергию можно только из одного источника — энергии движения самого электрона. И вся она немедленно на это и расходуется. Через крохотные доли секунды электрон должен отдать почти всю энергию и оказаться «на ядре». Упасть. Атом, согласно всем правилам, известным около 1911 г., не должен существовать (а мир вокруг нас должен сколлапсировать внутрь себя).
Новый квантовый мир
А раз атомы все-таки существуют, значит, какие-то из известных правил должны оказаться неверными в применении к электронам и всему подобному. Те «старые» правила называются в совокупности классическими — классической механикой, или классическими законами физики, или классической физикой.
В этом контексте прилагательное «классический» является антонимом «квантового». Наша вселенная на самом деле — квантовая: в ней действуют квантовые, а не классические законы. Правда, в огромном числе случаев, охватывающих почти весь наш ежедневный опыт, мир кажется классическим. Тем не менее ключевые составные элементы внутри окружающих вещей и нас самих — атомы, да собственно, и молекулы — существуют в силу квантовых правил и управляются квантовыми правилами.
В применении к атомам квантовые правила приводят к дискретным значениям энергии. Для простоты возьмем атом водорода: в этом простейшем атоме с одним электроном ядро, кстати, тоже простейшее — это просто один протон. (Вспоминая свое детское недоумение при первом знакомстве с задачей записать четырьмя буквами — «в четырех клеточках» — слова «сушеный виноград», я предлагаю записать шестью буквами слова «ядро атома водорода».)
Да, ядро и электрон притягиваются друг к другу (без этого атомов уж точно не было бы), но детали того, что электрон при этом делает, не слишком ясны. На первый план поэтому выходит «экономное» описание в терминах энергии, часто позволяющее обходиться без больших подробностей. На языке энергии можно говорить о притяжении между положительным и отрицательным зарядами: когда заряды близки друг к другу, их энергия меньше, а когда они расходятся, энергия такой системы возрастает (это неудивительно, потому что для разнесения их на большее расстояние необходимо прикладывать усилия, которые и идут в прирост энергии). В квантовом мире понятие энергии взаимодействия в целом сохраняет свой смысл и там вполне можно руководствоваться идеей «меньше энергия взаимодействия — значит ближе».
