Зарождение квантовой теории. Фотоэффект

Никто в мире не понимает квантовую механику - это главное, что нужно о ней знать. Да, многие физики научились пользоваться ее законами и даже предсказывать явления по квантовым расчетам. Но до сих пор непонятно, почему присутствие наблюдателя определяет судьбу системы и заставляет ее сделать выбор в пользу одного состояния. «Теории и практики» подобрали примеры экспериментов, на исход которых неминуемо влияет наблюдатель, и попытались разобраться, что квантовая механика собирается делать с таким вмешательством сознания в материальную реальность.

Кот Шредингера

Сегодня существует множество интерпретаций квантовой механики, самой популярной среди которых остается копенгагенская. Ее главные положения в 1920-х годах сформулировали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. А центральным термином копенгагенской интерпретации стала волновая функция - математическая функция, заключающая в себе информацию обо всех возможных состояниях квантовой системы, в которых она одновременно пребывает.

По копенгагенской интерпретации, доподлинно определить состояние системы, выделить его среди остальных может только наблюдение (волновая функция только помогает математически рассчитать вероятность обнаружить систему в том или ином состоянии). Можно сказать, что после наблюдения квантовая система становится классической: мгновенно перестает сосуществовать сразу во многих состояниях в пользу одного из них.

У такого подхода всегда были противники (вспомнить хотя бы «Бог не играет в кости» Альберта Эйнштейна), но точность расчетов и предсказаний брала свое. Впрочем, в последнее время сторонников копенгагенской интерпретации становится все меньше и не последняя причина тому - тот самый загадочный мгновенный коллапс волновой функции при измерении. Знаменитый мысленный эксперимент Эрвина Шредингера с бедолагой-котом как раз был призван показать абсурдность этого явления.

Итак, напоминаем содержание эксперимента. В черный ящик помещают живого кота, ампулу с ядом и некий механизм, который может в случайный момент пустить яд в действие. Например, один радиоактивный атом, при распаде которого разобьется ампула. Точное время распада атома неизвестно. Известен лишь период полураспада: время, за которое распад произойдет с вероятностью 50%.

Получается, что для внешнего наблюдателя кот внутри ящика существует сразу в двух состояниях: он либо жив, если все идет нормально, либо мертв, если распад произошел и ампула разбилась. Оба этих состояния описывает волновая функция кота, которая меняется с течением времени: чем дальше, тем больше вероятность, что радиоактивный распад уже случился. Но как только ящик открывается, волновая функция коллапсирует и мы сразу видим исход живодерского эксперимента.

Выходит, пока наблюдатель не откроет ящик, кот так и будет вечно балансировать на границе между жизнью и смертью, а определит его участь только действие наблюдателя. Вот абсурд, на который указывал Шредингер.

Дифракция электронов

По опросу крупнейших физиков, проведенному газетой The New York Times, опыт с дифракцией электронов, поставленный в 1961 году Клаусом Йенсоном, стал одним из красивейших в истории науки. В чем его суть?

Есть источник, излучающий поток электронов в сторону экрана-фотопластинки. И есть преграда на пути этих электронов - медная пластинка с двумя щелями. Какой картины на экране можно ожидать, если представлять электроны просто маленькими заряженными шариками? Двух засвеченных полос напротив щелей.

В действительности на экране появляется гораздо более сложный узор из чередующихся черных и белых полос. Дело в том, что при прохождении через щели электроны начинают вести себя не как частицы, а как волны (подобно тому, как и фотоны, частицы света, одновременно могут быть и волнами). Потом эти волны взаимодействуют в пространстве, где-то ослабляя, а где-то усиливая друг друга, и в результате на экране появляется сложная картина из чередующихся светлых и темных полос.

При этом результат эксперимента не меняется, и если пускать электроны через щель не сплошным потоком, а поодиночке, даже одна частица может быть одновременно и волной. Даже один электрон может одновременно пройти через две щели (и это еще одно из важных положений копенгагенской интерпретации квантовой механики - объекты могут одновременно проявлять и свои «привычные» материальные свойства, и экзотические волновые).

Но при чем здесь наблюдатель? При том, что с ним и без того запутанная история стала еще сложнее. Когда в подобных экспериментах физики попытались зафиксировать с помощью приборов, через какую щель в действительности проходит электрон, картинка на экране резко поменялась и стала «классической»: два засвеченных участка напротив щелей и никаких чередующихся полос.

Электроны будто не захотели проявлять свою волновую природу под пристальным взором наблюдателя. Подстроились под его инстинктивное желание увидеть простую и понятную картинку. Мистика? Есть и куда более простое объяснение: никакое наблюдение за системой нельзя провести без физического воздействия на нее. Но к этому вернемся еще чуть позже.

Нагретый фуллерен

Опыты по дифракции частиц ставили не только на электронах, но и на куда больших объектах. Например, фуллеренах - крупных, замкнутых молекулах, составленных из десятков атомов углерода (так, фуллерен из шестидесяти атомов углерода по форме очень похож на футбольный мяч: полую сферу, сшитую из пяти- и шестиугольников).

Недавно группа из Венского университета во главе с профессором Цайлингером попыталась внести элемент наблюдения в подобные опыты. Для этого они облучали движущиеся молекулы фуллерена лазерным лучом. После, нагретые внешним воздействием, молекулы начинали светиться и тем неминуемо обнаруживали для наблюдателя свое место в пространстве.

Вместе с таким нововведением поменялось и поведение молекул. До начала тотальной слежки фуллерены вполне успешно огибали препятствия (проявляли волновые свойства) подобно электронам из прошлого примера, проходящим сквозь непрозрачный экран. Но позже, с появлением наблюдателя, фуллерены успокоились и стали вести себя как вполне законопослушные частицы материи.

Охлаждающее измерение

Одним из самых известных законов квантового мира является принцип неопределенности Гейзенберга: невозможно одновременно установить положение и скорость квантового объекта. Чем точнее измеряем импульс частицы, тем менее точно можно измерить ее положение. Но действие квантовых законов, работающих на уровне крошечных частиц, обычно незаметно в нашем мире больших макрообъектов.

Потому тем ценнее недавние эксперименты группы профессора Шваба из США, в которых квантовые эффекты продемонстрировали не на уровне тех же электронов или молекул фуллерена (их характерный диаметр - около 1 нм), а на чуть более ощутимом объекте - крошечной алюминиевой полоске.

Эту полоску закрепили с обеих сторон так, чтобы ее середина была в подвешенном состоянии и могла вибрировать под внешним воздействием. Кроме того, рядом с полоской находился прибор, способный с высокой точностью регистрировать ее положение.

В результате экспериментаторы обнаружили два интересных эффекта. Во-первых, любое измерение положения объекта, наблюдение за полоской не проходило для нее бесследно - после каждого измерения положение полоски менялось. Грубо говоря, экспериментаторы с большой точностью определяли координаты полоски и тем самым, по принципу Гейзенберга, меняли ее скорость, а значит и последующее положение.

Во-вторых, что уже совсем неожиданно, некоторые измерения еще и приводили к охлаждению полоски. Получается, наблюдатель может лишь одним своим присутствием менять физические характеристики объектов. Звучит совсем невероятно, но к чести физиков скажем, что они не растерялись - теперь группа профессора Шваба думает, как применить обнаруженный эффект для охлаждения электронных микросхем.

Замирающие частицы

Как известно, нестабильные радиоактивные частицы распадаются в мире не только ради экспериментов над котами, но и вполне сами по себе. При этом каждая частица характеризуется средним временем жизни, которое, оказывается, может увеличиваться под пристальным взором наблюдателя.

Впервые этот квантовый эффект предсказали еще в 1960-х годах, а его блестящее экспериментальное подтверждение появилось в статье , опубликованной в 2006 году группой нобелевского лауреата по физике Вольфганга Кеттерле из Массачусетского технологического института.

В этой работе изучали распад нестабильных возбужденных атомов рубидия (распадаются на атомы рубидия в основном состоянии и фотоны). Сразу после приготовления системы, возбуждения атомов за ними начинали наблюдать - просвечивать их лазерным пучком. При этом наблюдение велось в двух режимах: непрерывном (в систему постоянно подаются небольшие световые импульсы) и импульсном (система время от времени облучается импульсами более мощными).

Полученные результаты отлично совпали с теоретическими предсказаниями. Внешние световые воздействия действительно замедляют распад частиц, как бы возвращают их в исходное, далекое от распада состояние. При этом величина эффекта для двух исследованных режимов также совпадает с предсказаниями. А максимально жизнь нестабильных возбужденных атомов рубидия удалось продлить в 30 раз.

Квантовая механика и сознание

Электроны и фуллерены перестают проявлять свои волновые свойства, алюминиевые пластинки охлаждаются, а нестабильные частицы замирают в своем распаде: под всесильным взором наблюдателя мир меняется. Чем не свидетельство вовлеченности нашего разума в работу мира вокруг? Так может быть правы были Карл Юнг и Вольфганг Паули (австрийcкий физик, лауреат Нобелевской премии, один из пионеров квантовой механики), когда говорили, что законы физики и сознания должны рассматриваться как взаимодополняющие?

Но так остается только один шаг до дежурного признания: весь мир вокруг суть нашего разума. Жутковато? («Вы и вправду думаете, что Луна существует лишь когда вы на нее смотрите?» - комментировал Эйнштейн принципы квантовой механики). Тогда попробуем вновь обратиться к физикам. Тем более, в последние годы они все меньше жалуют копенгагенскую интерпретацию квантовой механики с ее загадочным коллапсом волной функции, на смену которому приходит другой, вполне приземленный и надежный термин - декогеренция.

Дело вот в чем - во всех описанных опытах с наблюдением экспериментаторы неминуемо воздействовали на систему. Подсвечивали ее лазером, устанавливали измеряющие приборы. И это общий, очень важный принцип: нельзя пронаблюдать за системой, измерить ее свойства не провзаимодействовав с ней. А где взаимодействие, там и изменение свойств. Тем более, когда с крошечной квантовой системой взаимодействуют махины квантовых объектов. Так что вечный, буддистский нейтралитет наблюдателя невозможен.

Как раз это объясняет термин «декогеренция» - необратимый с точки зрения процесс нарушения квантовых свойств системы при ее взаимодействии с другой, крупной системой. Во время такого взаимодействия квантовая система утрачивает свои изначальные черты и становится классической, «подчиняется» системе крупной. Этим и объясняется парадокс с котом Шредингера: кот представляет собой настолько большую систему, что его просто нельзя изолировать от мира. Сама постановка мысленного эксперимента не совсем корректна.

В любом случае, по сравнению с реальностью как актом творения сознания, декогеренция звучит куда более спокойно. Даже, может быть, слишком спокойно. Ведь с таким подходом весь классический мир становится одним большим эффектом декогеренции. А как утверждают авторы одной из самых серьезных книг в этой области, из таких подходов еще и логично вытекают утверждения вроде «в мире не существует никаких частиц» или «не существует никакого времени на фундаментальном уровне».

Созидающий наблюдатель или всесильная декогеренция? Приходится выбирать из двух зол. Но помните - сейчас ученые все больше убеждаются, что в основе наших мыслительных процессов лежат те самые пресловутые квантовые эффекты. Так что где заканчивается наблюдение и начинается реальность - выбирать приходится каждому из нас.

В 1935 году, когда квантовая механика и общая теория относительности Эйнштейна были очень молоды, не шибко известный советский физик Матвей Бронштейн, будучи в возрасте 28 лет, сделал первое подробное исследование на тему согласования этих двух теорий в квантовой теории гравитации. Эта, «возможно, теория всего мира в целом», как писал Бронштейн, могла бы вытеснить классическое эйнштейново описание гравитации, в котором она видится кривыми в пространственно-временном континууме, и переписать его квантовым языком, как и всю остальную физику.

Бронштейн выяснил, как описать гравитацию в терминах квантованных частиц, теперь называемых гравитонами, но только когда сила гравитации слаба — то есть (в общей теории относительности) когда пространство-время настолько слабо изогнуто, что будет практически плоским. Когда гравитация сильная, «ситуация совершенно другая», писал ученый. «Без глубокого пересмотра классических понятий, кажется практически невозможным представить квантовую теорию гравитации и в этой области».

Его слова были пророческими. Восемьдесят три года спустя, физики все еще пытаются понять, как пространственно-временная кривизна проявляется в макроскопических масштабах, вытекая из более фундаментальной и предположительно квантовой картины гравитации; возможно, это самый глубокий вопрос в физике. Возможно, если бы был шанс, светлая голова Бронштейна ускорила бы процесс этого поиска. Помимо квантовой гравитации, он также сделал вклад в астрофизику и космологию, теорию полупроводников, квантовую электродинамику и написал несколько книжек для детей. В 1938 году он попал под сталинские репрессии и был казнен в возрасте 31 года.

Поиск полной теории квантовой гравитации осложняется тем, что квантовые свойства гравитации никогда не проявляются в реальном опыте. Физики не видят, как нарушается эйнштейново описание гладкого пространственно-временного континуума, либо бронштейново квантовое приближение его в слабо искривленном состоянии.

Проблема заключается в крайней слабости гравитационной силы. В то время как квантованные частицы, передающие сильные, слабые и электромагнитные силы, настолько сильны, что плотно связывают материю в атомы и могут быть исследованы буквально под лупой, гравитоны по отдельности настолько слабые, что у лабораторий нет никаких шансов их обнаружить. Чтобы поймать гравитон с высокой долей вероятности, детектор частиц должен быть настолько большим и массивным, что коллапсирует в черную дыру. Эта слабость объясняет, почему нужны астрономические накопления масс, чтобы оказывать влияние на другие массивные тела посредством гравитации, и почему мы видим гравитационные эффекты на огромных масштабах.

Это не все. Вселенная, по-видимому, подвергается какой-то космической цензуре: области с сильной гравитацией — где пространственно-временные кривые настолько острые, что уравнения Эйнштейна дают сбой, и должна раскрываться квантовая природа гравитации и пространства-времени — всегда прячутся за горизонтами черных дыр.

«Даже несколько лет назад был общий консенсус, что, вероятнее всего, измерить квантование гравитационного поля каким-либо образом невозможно», говорит Игорь Пиковский, физик-теоретик Гарвардского университета.

И вот несколько недавно опубликованных в Physical Review Letters статей изменили положение дел. В этих работах делается заявление, что добраться до квантовой гравитации может быть возможно — даже ничего не зная о ней. Работы, написанные Сугато Бозе из Университетского колледжа Лондона и Кьярой Марлетто и Влатко Ведралом из Оксфордского университета, предлагают технически сложный, но осуществимый эксперимент, который мог бы подтвердить, что гравитация это квантовая сила, как и все остальные, не требуя обнаружения гравитона. Майлз Бленкоу, квантовый физик из Дартмутского колледжа, не принимавший участия в этой работе, говорит, что такой эксперимент мог бы обнаружить четкий след невидимой квантовой гравитации — «улыбку Чеширского Кота».

Предложенный эксперимент определит, могут ли два объекта — группа Бозе планирует использовать пару микроалмазов — стать квантово-механически запутанными между собой в процессе взаимного гравитационного притяжения. Запутанность — это квантовое явление, в котором частицы становятся неразделимо переплетенными, разделяя единое физическое описание, которое определяет их возможные совмещенные состояния. (Сосуществование различных возможных состояний называется «суперпозицией» и определяет квантовую систему). Например, пара запутанных частиц может существовать в суперпозиции, при которой частица А будет с 50-процентной вероятностью вращаться (spin) снизу вверх, а Б — сверху вниз, и с 50-процентной вероятностью наоборот. Никто не знает заранее, какой результат вы получите при измерении направления спина частиц, но вы можете быть уверены в том, что он у них будет одинаков.

Авторы утверждают, что два объекта в предлагаемом эксперименте могут запутаться таким образом лишь в том случае, если сила, действующая между ними, — в данном случае гравитация — будет квантовым взаимодействием, опосредованным гравитонами, которые могут поддерживать квантовые суперпозиции. «Если будет проведен эксперимент и будет получена запутанность, согласно работе, можно сделать вывод, что гравитация квантуется», пояснил Бленкоу.

Запутать алмаз

Квантовая гравитация настолько незаметна, что некоторые ученые усомнились в ее существовании. Известный математик и физик Фримен Дайсон, которому 94 года, с 2001 года утверждает, что вселенная может поддерживать своего рода “дуалистическое” описание, в котором «гравитационное поле, описанное общей теорией относительности Эйнштейна, будет сугубо классическим полем без какого-либо квантового поведения», при этом все вещество в этом гладком пространственно-временном континууме будет квантоваться частицами, которые подчиняются правилам вероятности.

Дайсон, который помогал разрабатывать квантовую электродинамику (теорию взаимодействий между материей и светом) и является почетным профессором Института передовых исследований в Принстоне, Нью-Джерси, не считает, что квантовая гравитация необходима для описания недостижимых недр черных дыр. И он также считает, что обнаружение гипотетического гравитона может быть невозможным в принципе. В таком случае, говорит он, квантовая гравитация будет метафизической, а не физической.

Он не единственный скептик. Известный английский физик сэр Роджер Пенроуз и венгерский ученый Ладжос Диоси независимо предполагали, что пространство-время не может поддерживать суперпозиции. Они считают, что его гладкая, твердая, фундаментально классическая природа препятствует искривлению на два возможных пути одновременно — и именно эта жесткость приводит к коллапсу суперпозиций квантовых систем вроде электронов и фотонов. “Гравитационная декогеренция”, по их мнению, позволяет случиться единой, твердой, классической реальности, которую можно ощущать в макроскопических масштабах.

Возможность найти “улыбку” квантовой гравитации, казалось бы, опровергает аргумент Дайсона. Также она убивает теорию гравитационной декогеренции, показывая, что гравитация и пространство-время действительно поддерживают квантовые суперпозиции.

Предложения Бозе и Марлетто появились одновременно и абсолютно случайно, хотя эксперты отмечают, что они отражают дух времени. Экспериментальные лаборатории квантовой физики по всему миру ставят все более крупные микроскопические объекты в квантовые суперпозиции и оптимизируют протоколы испытаний запутанности двух квантовых систем. Предложенный эксперимент должен будет объединить эти процедуры, требуя при этом дальнейшего улучшения масштаба и чувствительности; возможно, на это уйдет лет десять. «Но физического тупика нет», говорит Пиковский, который также исследует, как лабораторные эксперименты могли бы зондировать гравитационные явления. «Думаю, это сложно, но не невозможно».

Этот план более подробно изложен в работе Бозе и соавторов — одиннадцать экспертов Оушена для разных этапов предложения. Например, в своей лаборатории в Университете Уорика один из соавторов Гэвин Морли работает над первым этапом, пытаясь поместить микроалмаз в квантовую суперпозицию в двух местах. Для этого он заключит атом азота в микроалмазе, рядом с вакансией в структуре алмаза (так называемый NV-центр, или азото-замещенная вакансия в алмазе), и зарядит его микроволновым импульсом. Электрон, вращающийся вокруг NV-центра, одновременно и поглощает свет, и нет, а система переходит в квантовую суперпозицию двух направлений спина — вверх и вниз — подобно волчку, который с определенной вероятностью вращается по часовой стрелке и с определенной — против. Микроалмаз, загруженный этим спином суперпозиции, подвергается воздействию магнитного поля, которое заставляет верхний спин двигаться влево, а нижний — вправо. Сам алмаз расщепляется на суперпозицию двух траекторий.

В полном эксперименте ученые должны сделать все это с двумя алмазами — красным и синим, допустим — расположенными рядом в сверххолодном вакууме. Когда ловушка, удерживающая их, отключится, два микроалмаза, каждый в суперпозиции двух положений, будут падать вертикально в вакууме. По мере падения алмазы будут ощущать гравитацию каждого из них. Насколько сильным будет их гравитационное притяжение?

Если гравитация является квантовым взаимодействием, ответ таков: в зависимости от чего. Каждый компонент суперпозиции синего алмаза будет испытывать более сильное или более слабое притяжение к красному алмазу, в зависимости от того, находится ли последний в ветви суперпозиции, которая ближе или дальше. И гравитация, которую будет ощущать каждый компонент суперпозиции красного алмаза, точно так же зависит от состояния синего алмаза.

В каждом из случаев различные степени гравитационного притяжения воздействуют на эволюционирующие компоненты суперпозиций алмазов. Два алмаза становятся взаимозависимыми, потому что их состояния можно будет определить только в сочетании — если это, значит то — поэтому, в конечном итоге, направления спинов двух систем NV-центров будут коррелировать.

После того как микроалмазы будут падать бок о бок в течение трех секунд, — этого достаточно, чтобы запутаться в гравитациях, — они пройдут через другое магнитное поле, которое снова совместит ветви каждой суперпозиции. Последний шаг эксперимента — протокол «запутанного знания» (entanglement witness), разработанный датским физиком Барбарой Терал и другими: синий и красный алмазы входят в разные устройства, которые измеряют направления спина систем NV-центров. (Измерение приводит к коллапсу суперпозиций в определенные состояния). Затем два результата сопоставляются. Проводя эксперимент снова и снова и сравнивая множество пар измерений спина, ученые могут определить, действительно ли спины двух квантовых систем коррелировали между собой чаще, чем определяет верхний предел для объектов, которые не являются квантово-механически запутанными. Если так, гравитация действительно запутывает алмазы и может поддерживать суперпозиции.

«Что интересно в этом эксперименте, так это то, что вам не нужно знать, что такое квантовая теория», говорит Бленкоу. «Все, что нужно, это утверждать, что есть некий квантовый аспект в этой области, который опосредован силой между двумя частицами».

Технических трудностей — масса. Самый большой объект, который помещали в суперпозицию в двух местах до этого, представлял собой 800-атомную молекулу. Каждый микроалмаз содержит более 100 миллиардов атомов углерода — этого достаточно, чтобы накопить ощутимую гравитационную силу. Распаковка его квантово-механического характера потребует низких температур, глубокого вакуума и точного контроля. «Очень много работы состоит в настройке изначальной суперпозиции и запуске», говорит Питер Баркер, член экспериментальной команды, которая усовершенствует методы лазерного охлаждения и поимки микроалмазов. Если бы это можно было сделать с одним алмазом, добавляет Бозе, «второй не составит проблемы».

В чем уникальность гравитации?

Исследователи квантовой гравитации не сомневаются в том, что гравитация — это квантовое взаимодействие, способное вызывать запутанность. Конечно, гравитация в чем-то уникальна, и еще многое предстоит узнать о происхождении пространства и времени, но квантовая механика точно должна быть вовлечена, говорят ученые. «Ну правда, какой смысл в теории, в которой большая часть физики квантовая, а гравитация классическая», говорит Дэниел Харлоу, исследователь квантовой гравитации в MIT. Теоретические аргументы против смешанных квантово-классических моделей очень сильные (хотя и не неоспоримые).

С другой стороны, теоретики ошибались и прежде. «Если можно проверить, почему нет? Если это заткнет этих людей, которые ставят под вопрос квантовость гравитации, будет здорово», считает Харлоу.

Прочитав работы, Дайсон написал: «Предлагаемый эксперимент безусловно представляет большой интерес и требует проведения в условиях настоящей квантовой системы». Однако он отмечает, что направление мысли авторов о квантовых полях отличаются от его. «Мне непонятно, сможет ли этот эксперимент разрешить вопрос существования квантовой гравитации. Вопрос, который я задавал — наблюдаем ли отдельный гравитон — это другой вопрос, и он может иметь другой ответ».

Направление мысли Бозе, Марлетто и их коллег о квантованной гравитации проистекает из работ Бронштейна еще в 1935 году. (Дайсон назвал работу Бронштейна «прекрасной работой», которую он не видел прежде). В частности, Бронштейн показал, что слабая гравитация, рождаемая малой массой, может быть аппроксимирована законом тяготения Ньютона. (Это сила, которая действует между суперпозициями микроалмазов). По мнению Бленкоу, расчеты слабой квантованной гравитации особо не проводились, хотя безусловно являются более релевантными, чем физика черных дыр или Большого Взрыва. Он надеется, что новое экспериментальное предложение побудит теоретиков на поиск тонких уточнений к ньютоновскому приближению, которое будущие настольные эксперименты могли бы попробовать проверить.

Леонард Сасскинд, известный теоретик квантовой гравитации и струн в Стэнфордском университете, увидел ценность предлагаемого эксперимента, потому что «он обеспечивает наблюдения гравитации в новом диапазоне масс и расстояний». Но он и другие исследователи подчеркнули, что микроалмазы не могут выявить ничего о полной теории квантовой гравитации или пространства-времени. Он и его коллеги хотели бы понять, что происходит в центре черной дыры и в момент Большого Взрыва.

Возможно, одна из подсказок к тому, почему квантовать гравитацию настолько тяжелее, чем все остальное, лежит в том, что другие силы природы обладают так называемой “локальностью”: квантовые частицы в одной области поля (фотоны в электромагнитном поле, например) «независимы от других физических сущностей в другой области пространства», говорит Марк ван Раамсдонк, теоретик квантовой гравитации из Университета Британской Колумбии. «Но есть много теоретических доказательств того, что гравитация работает не так».

В лучших песочных моделях квантовой гравитации (с упрощенными пространственно-временными геометриями) невозможно предположить, что ленточная пространственно-временная ткань делится на независимые трехмерные кусочки, говорит ван Раамсдонк. Вместо этого современная теория предполагает, что нижележащие, фундаментальные составляющие пространства «организованы скорее двумерно». Ткань пространства-времени может быть как голограмма или видеоигра. «Хотя картинка трехмерна, информация хранится на двумерном компьютерном чипе». В таком случае трехмерный мир будет иллюзей в том смысле, что различные его части не являются настолько независимыми. В аналогии с видеоигрой, несколько битов на двумерном чипе могут кодировать глобальные функции всей игровой вселенной.

И эта разница имеет значение, когда вы пытаетесь создать квантовую теорию гравитацию. Обычный подход к квантованию чего-либо заключается в определении его независимых частей — частиц, например, — и затем применении к ним квантовой механики. Но если вы не определяете правильные составляющие, вы получаете неправильные уравнения. Прямое квантование трехмерного пространства, которое хотел сделать Бронштейн, работает в некоторой мере со слабой гравитацией, но оказывается бесполезным, когда пространство-время сильно искривлено.

Некоторые эксперты говорят, что засвидетельствование “улыбки” квантовой гравитации может привести к мотивации подобного рода абстрактных рассуждений. В конце концов, даже самые громкие теоретические аргументы о существовании квантовой гравитации не подкрепляются экспериментальными фактами. Когда ван Раамсдонк объясняет свои исследования на коллоквиуме ученых, говорит он, обычно все начинается с рассказа о том, что гравитацию нужно переосмыслить с квантовой механикой, потому что классическое описание пространства-времени ломается на черных дырах и Большом Взрыве.

«Но если провести этот простой эксперимент и показать, что гравитационное поле было в суперпозиции, провал классического описания станет очевидным. Потому что будет эксперимент, который подразумевает, что гравитация — квантовая».

По материалам Quanta Magazine

Е. С. ,
, МОУ СОШ № 16 с УИОП, г. Лысьва, Пермский кр.

Зарождение квантовой физики

Отыщи всему начало, и ты многое поймёшь!
Козьма Прутков

Образовательная задача урока: ввести понятие дискретности материи, сформировать понятие квантово-волнового дуализма материи, обосновать введение формул Планка и длины волны де Бройля .

Развивающая задача урока: развивать логическое мышление, умение сравнивать и анализировать ситуации, видеть межпредметные связи.

Воспитательная задача урока: формировать диалектико-материалистическое мышление.

Физике как науке присущи общечеловеческие ценности, огромный гуманитарный потенциал. В ходе её изучения раскрываются основные научные методы (научный эксперимент, моделирование, мысленный эксперимент, создание и структура научной теории). Ученикам надо дать возможность взглянуть на мир глазами физика, чтобы понять вечность и постоянную изменяемость мира – мира, в котором так много громадного и ничтожно малого, очень быстрого и необычайно медленного, простого и трудно познаваемого, – ощутить постоянное стремление человека к познанию, доставляющему глубочайшее удовлетворение, познакомиться с примерами глубокого переживания «научных сомнений» и смелого движения по незнакомому пути в поиске элегантности, краткости и наглядности.

I. Учитель. Когда мы начинали изучать оптику, я задала вопрос: «Что такое свет?» Как бы вы сейчас ответили на него? Попробуйте сформулировать свою мысль одним предложением. Начните со слов «свет – это...» У Ф.И. Тютчева есть такие строки: «Снова жадными очами//Свет живительный я пью». Пожалуйста, попробуйте прокомментировать эти строки с точки зрения физики. В поэзии – от Гомера и до наших дней – ощущениям, рождаемым светом, всегда отводилось особое место. Наиболее часто поэты воспринимали свет как особую светоносную, сияющую жидкость.

Чтобы сегодняшний разговор о свете был полноценным, я хотела бы зачитать слова С.И. Вавилова: «Непрерывная, победоносная война за истину, никогда не завершающаяся окончательной победой, имеет, однако, своё неоспоримое оправдание. На пути понимания природы света человек получил микроскопы, телескопы, дальномеры, радио, лучи Рентгена; это исследование помогло овладению энергией атомного ядра. В поисках истины человек безгранично расширяет области своего овладения природой. А не в этом ли подлинная задача науки? (выделено мной. – Е.У. )»

II. Учитель. В процессе изучения физики мы познакомились со многими теориями, например, МКТ, термодинамикой, теорией электромагнитного поля Максвелла и др. Сегодня мы завершаем изучение волновой оптики. Мы должны подвести итоги изучения темы и, возможно, поставить окончательную точку в вопросе: «Что такое свет?» Не могли бы вы на примерах из волновой оптики показать роль теории в процессе познания природы?

Вспомним, что значение теории заключается не только в том, что она позволяет объяснить многие явления, но и в том, что она даёт возможность предсказать новые, не известные ещё физические явления, свойства тел и закономерности. Так, волновая теория объяснила явления интерференции, дифракции, поляризации, преломления, дисперсии света и позволила сделать «открытие на кончике пера» – предсказание. В 1815 г. никому не известный инженер в отставке Огюстен Френель представил в Парижскую академию наук работу, объясняющую явление дифракции. Разбор работы был поручен известным учёным – физику Д. Араго и математику С. Пуассону. Пуассон, с пристрастием читая эту работу, обнаружил в выводах Френеля вопиющую нелепость: если в поток света поместить небольшую круглую мишень, то в центре тени должен появиться световой зайчик! Как вы думаете, что было дальше? Через несколько дней Араго поставил опыт и обнаружил, что Френель был прав! Итак, XIX век – век триумфа волновой оптики.

Что же такое свет? Свет – это электромагнитная поперечная волна.

Заканчивая изучение большого раздела физики, связанного с природой света и электромагнитных волн, предлагаю самостоятельно выполнить тестовое задание «Электромагнитные волны» (см. Приложение 1). Проверку выполнения осуществляем фронтально.

III. Учитель. А вот что писали лондонские газеты в канун 1900 г.: «Когда на улицах Лондона зажигали праздничную иллюминацию из ярких лампочек вместо тусклых масляных плошек, к старинному зданию на Флит-стрит один за другим подкатывали кебы. По широкой, ярко освещённой лестнице в зал поднимались почтенные джентльмены, облачённые в мантии. То съезжались члены Лондонского королевского общества на своё очередное заседание. Рослый, седовласый, с окладистой бородой, сэр Уильям Томсон (знаете ли вы о его заслугах в области физики? – Е.У. ), восемь лет назад пожалованный из рук королевы Виктории титулом пэра и лорда Кельвина (а это имя вам знакомо? – Е.У. ), а ныне состоящий президентом общества, начал свою новогоднюю речь. Великий физик XIX века отметил успехи, достигнутые за прошедший век, перечислил заслуги присутствующих...

Собравшиеся одобрительно кивали головами. Что скромничать, они неплохо потрудились. И прав был сэр Уильям, говоря о том, что грандиозное здание физики построено, что остались лишь мелкие отделочные штрихи.

Правда (лорд Кельвин на минуту прервал свою речь), на безоблачном небосклоне физики существуют два небольших облачка, две проблемы, не нашедшие пока объяснения с позиций классической физики... Но эти явления временные и скоропреходящие. Покойно устроившись в старинных креслах с высокими спинками, джентльмены улыбались. Все знали, о чём идёт речь:

1) классическая физика не могла объяснить опыты Майкельсона, которые не определили влияния движения Земли на скорость света. Во всех системах отсчёта (и движущихся, и покоящихся относительно Земли) скорость света одна и та же – 300 000 км/с;

2) классическая физика не могла объяснить график излучения абсолютно чёрного тела, полученный экспериментально».

Сэр Уильям не мог даже предположить, какие молнии скоро ударят из этих облачков! Забегая вперёд скажу: решение первой проблемы приведёт к пересмотру классических представлений о пространстве и времени, к созданию теории относительности решение второй проблемы – к созданию новой теории – квантовой . Вот о решении второй проблемы и пойдёт речь сегодня на уроке!

IV. (Учащиеся делают в тетрадях записи: Дата № урока Тема урока «Зарождение квантовой физики». ) На рубеже XIX и XX вв. в физике возникла проблема, которую необходимо было срочно решать: теоретическое объяснение графика излучения абсолютно чёрного тела. Что такое абсолютно чёрное тело? (Гипотезы учащихся. Демонстрация видеофрагмента «Тепловое излучение» .)

Учитель. Запишите: «Абсолютно чёрное тело – это тело, способное поглощать без отражения весь падающий поток излучения, все электромагнитные волны любой длины волны (любой частоты)».

Но абсолютно чёрные тела имеют и ещё одну особенность. Вспомните, почему в приэкваториальных территориях живут люди с чёрным цветом кожи? «Чёрные тела, если их нагреть, будут светиться ярче, чем любое другое тело, т. е. излучают энергию во всех диапазонах частот», – запишите это в свои тетради.

Учёные экспериментально определили спектр излучения абсолютно чёрного тела. (Чертит график. ) R ν – спектральная плотность энергетической светимости – энергия электромагнитного излучения, испускаемого за единицу времени с единицы площади поверхности тела в единичном интервале частот ν. Теория электромагнитного поля Максвелла предсказала существование электромагнитных волн, но теоретическая кривая излучения абсолютно чёрного тела, построенная на основании этой теории, имела расхождение с экспериментальной кривой в области высоких частот. Лучшие умы того времени трудились над проблемой: англичане лорд Рэлей и Дж. Джинс, немцы П. Кирхгоф и В. Вин, московский профессор В.А. Михельсон. Ничего не получалось!

Предложите выход из создавшейся ситуации. Теоретическая кривая имеет расхождение с экспериментальной. Как быть и что делать? (Учащиеся высказывают гипотезы: более тщательно провести опыты, – провели, результат тот же; изменить теорию, – но это же катастрофа, рушится весь фундамент классической физики, которую создавали в течение тысячелетий! ) Создавшуюся ситуацию в физике назвали ультрафиолетовой катастрофой.

Запишите: «Методы классической физики оказались недостаточными для объяснения излучения абсолютно чёрного тела в области высоких частот – это была „ультрафиолетовая катастрофа”».

Кто догадается, почему этот кризис был назван ультрафиолетовой катастрофой, а не инфракрасной или фиолетовой? В физике разразился кризис! Греческим словом κρίση [кризис ] обозначают тяжёлый переход от одного устойчивого состояния к другому. Проблему надо было решать, и решать срочно!

V. Учитель. И вот 19 октября 1900 г. на заседании физического общества немецкий учёный М. Планк предложил использовать для расчётов излучения абсолютно чёрного тела формулу E = h ν. Друг и коллега Планка Генрих Рубенс всю ночь просидел за письменным столом, сравнивая свои измерения с результатами, которые давала формула Планка, и был поражён: формула его друга описывала спектр излучения абсолютно чёрного тела до мельчайших подробностей! Итак, формула Планка устраняла «ультрафиолетовую катастрофу», но какой ценой! Планк предложил вопреки устоявшимся взглядам считать, что испускание лучистой энергии атомами вещества происходит дискретно, т. е. порциями, квантами. «Квант» (quant ) в переводе с латинского означает просто количество .

Что значит «дискретно»? Проведём мысленный эксперимент. Представьте себе, что у вас в руках банка, полная воды. Можно ли отлить половину? А отпить глоток? А ещё меньше? В принципе возможно уменьшить или увеличить массу воды на сколь угодно малую величину. А теперь представим, что у нас в руках коробка с детскими кубиками по 100 г каждый. Можно ли убавить, например, 370 г? Нет! Кубики ломать нельзя! Поэтому масса коробки может меняться дискретно, только порциями, кратными 100 г! Самое малое количество, на которое можно изменить массу коробки, можно назвать порцией, или квантом массы.

Таким образом, непрерывный поток энергии от нагретого чёрного тела превращался в «пулемётную очередь» из отдельных порций – квантов энергии. Казалось бы, ничего особенного. Но на самом деле это означало ломку всего превосходно построенного здания классической физики, поскольку вместо основных фундаментальных законов, построенных на принципе непрерывности, Планк предлагал принцип дискретности. Идея дискретности не нравилась и самому Планку. Он стремился сформулировать теорию так, чтобы она полностью вписывалась в рамки классической физики .

Но нашёлся человек, который, напротив, ещё решительнее вышел за рамки классических представлений. Этим человеком был А. Эйнштейн. Чтобы вы поняли революционность взглядов Эйнштейна, я только скажу, что, используя идею Планка, он заложил основы теории лазеров (квантовых генераторов) и принцип использования энергии атома.

Академик С.И. Вавилов очень долго не мог привыкнуть к представлению о свете как субстанции из квантов, но стал горячим поклонником этой гипотезы и даже придумал способ наблюдать кванты. Он подсчитал, что глаз способен различить освещённость, которую создают 52 кванта зелёного света .

Итак, свет, по Планку, – это... (высказывания учащихся ).

VI. Учитель. Не напоминает ли вам гипотеза Планка уже известную гипотезу о природе света? Сэр Исаак Ньютон предложил считать свет состоящим из мельчайших частиц – корпускул. Любое светящееся тело испускает их во всех направлениях. Они летят по прямым линиям и, если попадают к нам в глаза, то мы видим их источник. Каждому цвету соответствуют свои корпускулы и различаются они, скорее всего, тем, что имеют разные массы. Совместный поток корпускул и создаёт белый свет.

Во времена сэра Исаака Ньютона физику называли натуральной философией. Почему? Прочитайте (см. Приложение 2) один из основных законов диалектики – закон отрицания отрицания . Попробуйте его применить к вопросу о природе света. (Рассуждения учащихся. )

Итак, согласно гипотезе М. Планка, свет – поток частиц, корпускул, квантов, каждый из которых обладает энергией E = h ν. Пожалуйста, проанализируйте эту формулу: что такое ν? что такое h (кто-нибудь из учащихся обязательно выскажет предположение о том, что это какая-то постоянная, названная в честь Планка )? какова единица постоянной Планка? каково значение постоянной (работа с таблицей физических постоянных )? какое наименование имеет постоянная Планка? в чём физический смысл постоянной Планка ?

Чтобы оценить красоту формулы Планка, обратимся к проблемам... биологии. Предлагаю учащимся ответить на вопросы из области биологии (Приложение 3).

Механизм зрения. Посредством зрения мы получаем около 90% информации о мире. Поэтому вопрос о механизме зрения интересовал человека всегда. Почему глаз человека, да и большинства обитателей Земли, воспринимает только небольшой диапазон волн из существующего в природе спектра электромагнитных излучений? А если бы человек обладал инфракрасным зрением, например, как ямкоголовые змеи?

Ночью мы видели бы, как днём, все органические тела, потому что их температура отличается от температуры неживых тел. Но самым мощным источником таких лучей для нас было бы наше собственное тело. При восприимчивости глаза к инфракрасному излучению свет Солнца для нас просто бы померк на фоне собственного излучения. Мы ничего не увидели бы, наши глаза были бы бесполезны.

Почему наши глаза не реагируют на инфракрасный свет? Рассчитаем энергию квантов инфракрасного и видимого света по формуле:

Энергия ИК-квантов меньше энергии квантов видимого света. Несколько квантов не могут «собраться», чтобы вызвать действие, которое не под силу одному кванту, – в микромире идёт взаимодействие кванта и частицы «один на один». Только квант видимого света, имеющий энергию бóльшую, чем квант инфракрасного света, может вызвать реакцию молекулы родопсина, т. е. палочки сетчатки. Действие кванта видимого света на сетчатку можно сравнить с ударом теннисного мяча, который сдвинул с места... многоэтажный дом. (Так высока чувствительность сетчатки!)

Почему глаз не реагирует на ультрафиолетовое излучение? УФ-излучение также невидимо для глаза, хотя энергия УФ-квантов значительно больше, чем квантов видимого света. Сетчатка чувствительна к УФ-лучам, но они поглощаются хрусталиком, иначе оказывали бы разрушающее действие.

В процессе эволюции глаза живых организмов приспособились воспринимать энергию излучения самого мощного источника на Земле – Солнца, – причём именно те волны, на которые приходится максимум энергии солнечного излучения, падающего на Землю .

Фотосинтез. В зелёных растениях ни на одну секунду не прекращается процесс, благодаря которому всё живое получает кислород для дыхания и пищу. Это – фотосинтез. Лист имеет зелёную окраску благодаря присутствию в его клетках хлорофилла. Реакции фотосинтеза происходят под действием излучений красно-фиолетового участка спектра, а волны с частотой, соответствующей зелёному участку спектра, отражаются, поэтому листья имеют зелёную окраску.

Молекулы хлорофилла «ответственны» за уникальный процесс превращения энергии света в энергию органических веществ. Он начинается с поглощения кванта света молекулой хлорофилла. Поглощение кванта света приводит к химическим реакциям фотосинтеза, которые включают много звеньев .

Весь световой день молекулы хлорофилла «занимаются» тем, что, получив квант, используют его энергию, превращая её в потенциальную энергию электрона. Их действие можно сравнить с действием механизма, поднимающего мячик на ступеньку лестницы. Скатываясь по ступенькам, мячик теряет свою энергию, но она не исчезает, а превращается во внутреннюю энергию образующихся при фотосинтезе веществ.

Молекулы хлорофилла «трудятся» только на протяжении светового дня, когда на них попадает видимый свет. Ночью они «отдыхают», несмотря на то, что недостатка в электромагнитных излучениях нет: земля и растения излучают инфракрасный свет, но энергия квантов этого диапазона меньше той, которая необходима для фотосинтеза. В процессе эволюции растения приспособились аккумулировать энергию самого мощного источника энергии на Земле – Солнца.

Наследственность. (Учащиеся отвечают на вопросы 1–3 из Приложения 3 , карточка «Наследственность» ). Наследственные признаки организмов закодированы в молекулах ДНК и передаются из поколения в поколение матричным путём. Как вызвать мутацию? Под воздействием каких излучений происходит процесс мутации?

Чтобы вызвать единичную мутацию, необходимо молекуле ДНК сообщить энергию, достаточную для изменения структуры какого-то участка ДНК-гена. Известно, что γ-кванты и рентгеновские лучи, как выражаются биологи, сильно мутагенны – их кванты несут энергию, достаточную для изменения структуры участка ДНК. ИК-излучению, да и видимому, такое действие «не под силу», их частота, а значит, и энергия слишком малы. Вот если бы энергия электромагнитного поля поглощалась не порциями, а непрерывно, тогда бы эти излучения смогли воздействовать на ДНК, ведь по отношению к своим половым клеткам сам организм является самым близким и самым мощным, постоянно действующим источником излучения.

К началу 30-х гг. ХХ в. у физиков благодаря успехам квантовой механики появилось ощущение такого могущества, что они обратились к самой жизни. В генетике оказалось много созвучного. Биологи обнаружили дискретную неделимую частицу – ген, – которая может переходить из одного состояния в другое. Изменения в конфигурации генов связаны с изменениями хромосом, что и обусловливает мутации, и это оказалось возможным объяснить на основе квантовых представлений. Одним из основоположников молекулярной биологии, получившим Нобелевскую премию за исследования в области мутационного процесса у бактерий и бактериофагов, был немецкий физик-теоретик М. Дельбрюк. В 1944 г. вышла небольшая по объёму книга физика Э. Шрёдингера «Что такое жизнь?» В ней давалось ясное и сжатое изложение основ генетики, раскрывалась связь генетики и квантовой механики. Книга дала толчок к штурму гена физиками. Благодаря работам американских физиков Дж. Уотсона, Ф. Крика, М. Уилкинса биологи узнали, как «устроена» самая основная «живая» молекула – ДНК. Увидеть её позволил рентгеноструктурный анализ .

VII. Учитель. Я возвращаюсь к вопросу: что такое свет? (Ответы учащихся. ) Выходит, физика вернулась к ньютоновской частичке света – корпускуле, – отвергнув представление о свете как о волне? Нет! Зачеркнуть всё наследие волновой теории света невозможно! Ведь уже давно известны дифракция, интерференция и множество других явлений, которые экспериментально подтверждают, что свет – это волна. Как быть? (Гипотезы учащихся. )

Остаётся одно: как-то объединить волны с частицами. Признать, что есть один круг явлений, где свет проявляет волновые свойства, а есть и другой круг, в котором на первое место выходит корпускулярная сущность света. Другими словами – запишите! – свет обладает квантово-волновым дуализмом ! Такова двойственная природа света. Очень трудно было физикам соединить два несоединимых дотоле представления в одно. Частица – это что-то твёрдое, неизменное, имеющее определённые размеры, ограниченное в пространстве. Волна – это нечто текучее, зыбкое, не имеющее чётких границ. Более или менее наглядно эти представления удалось соединить с помощью понятия волнового пакета. Это нечто вроде «обрезанной» с обоих концов волны, вернее, сгустка волн, путешествующего в пространстве как единое целое. Сгусток может сжиматься или растягиваться в зависимости от того, в какую среду он попадает. Он напоминает летящую пружину.

Какая характеристика волнового пакета изменяется, когда свет переходит из одной среды в другую? (Ответы учащихся. )

В 1927 г. американский физик Льюис предложил назвать этот волновой пакет фотоном (от греческого φωτóς [фос, фотос] – ) . Что такое фотон? (Учащиеся работают с учебником, делают выводы. )

Выводы. Фотон – это: квант электромагнитного излучения безмассовая частица, покоящегося фотона не существует частица, движущаяся в вакууме со скоростью света c = 3 · 10 8 м/с это единое целое и неделимое, существование дробной части фотона невозможно частица, обладающая энергией E = h ν, где h = 6,63 · 10 -34 Дж · с; ν – частота света частица, обладающая импульсом электрически нейтральная частица.

Так устроен мир, что свет чаще всего являет нам волновую природу, пока мы не рассматриваем его взаимодействие с веществом. А вещество предстаёт перед нами в корпускулярном виде, пока мы не начинаем рассматривать природу межатомных связей, процессы переноса, электрическое сопротивления и т. п. Но независимо от нашей позиции в каждый момент микрочастица обладает и тем и другим свойством.

Процесс создания квантовой теории и, в частности, квантовой теории света глубоко диалектичен. Представления и образы старой, классической механики и оптики, обогатившиеся новыми идеями, творчески применённые к физической реальности, породили в конечном итоге принципиально новую физическую теорию.

Задание : прочитайте философский закон единства и борьбы противоположностей и сделайте вывод в отношении двух теорий света: волновой и квантовой теорий света.

VIII. Учитель. В 1924 г. французский физик Луи де Бройль (бывший военный радиотелеграфист) высказал совершенно парадоксальные, даже для тогдашних смелых физиков, мысли о природе движения атомных частиц. Де Бройль предположил, что свойства электронов и других частиц в принципе ничем не отличаются от свойств квантов! Из этого следовало, что электроны и другие частицы должны проявлять также и волновые свойства, что должна наблюдаться, например, дифракция электронов. И она действительно была обнаружена на опытах, которые в 1927 г., независимо друг от друга провели американские физики К.-Дж. Дэвиссон и Л. Джермер, советский физик П.С. Тартаковский и английский физик Дж.-П. Томсон. Длина волны де Бройля вычисляется по формуле:

Порешаем задачи на расчёт длины волны де Бройля (Приложение 4).

Как показывает расчёт, валентный электрон, движущийся внутри атома со скоростью 0,01с , дифрагирует на ионной кристаллической решётке как волна с длиной волны ~10 -10 м, а длина волны пули, летящей со скоростью около 500 м/с, составляет около 10 -34 м. Такую малую длину волны никак не зарегистрировать, а потому пуля и ведёт себя как настоящая частица.

Борьба идей дискретности и непрерывности материи, которая велась с самого зарождения науки, завершилась слиянием обеих идей в представлении о дуальных свойствах элементарных частиц. Использование волновых свойств электронов позволило существенно повысить разрешающую способность микроскопов. Длина волны электрона зависит от скорости, а значит, от напряжения, разгоняющего электроны (см. задачу 5 в Приложении 4). В большинстве электронных микроскопов дебройлевская длина волны в сотни раз меньше длины волны света. Появилась возможность видеть ещё более мелкие предметы, вплоть до единичных молекул.

Родилась волновая механика, основа огромного здания квантовой физики. Де Бройль заложил основы теории интерференции и дифракции света, дал новый вывод формулы Планка и установил глубокое соответствие между движением частиц и связанных с ними волн.

Изучая какую-либо теорию, мы обязательно отмечали границы применимости этой теории. Границы применимости квантовой теории пока не установлены, однако применять её законы следует для описания движения микрочастиц в малых областях пространства и при больших частотах электромагнитных волн, когда измерительные приборы позволяют зарегистрировать отдельные кванты (энергия ~10 -16 Дж). Так, для описания взаимодействия вещества и рентгеновского излучения, энергия квантов которого на два порядка больше установленного выше предела, необходимо применять законы квантовой физики, а для описания свойств радиоволн вполне достаточно законов классической электродинамики. Следует помнить, что главным «полигоном» для квантовой теории является физика атома и атомного ядра.

Заканчивая сегодняшний урок, я ещё раз задаю вам вопрос: что такое свет? (Ответы учащихся. )

Литература

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват учрежд.: базовый и проф. уровни. М.: Просвещение, 2009.
Видеоэнциклопедия для народного образования. Леннаучфильм. Видеостудия «Кварт». [Электронный ресурс] Кассета № 2 «Тепловое излучение».
Томилин А.Н. В поисках первоначал: науч.-поп. издание. Л.: Дет. литература, 1990.
Квантовая механика. Квантовая электродинамика // Энцикл. сл. юного физика / Сост. В.А. Чуянов. М.: Педагогика, 1984.
Колтун М. Мир физики. М.: Дет. литература, 1984.
Солопов Е.Ф. Философия: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. М.: владос, 2003.
Ильченко В.Р. Перекрёстки физики, химии, биологии: кн. для учащихся. М.: Просвещение, 1986.
Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики: кн. для учителя. М.: Просвещение, 1988.

Елена Степановна Увицкая – учитель физики высшей квалификационной категории, окончила Тульский ГПИ им. Л.Н. Толстого в 1977 г. и по распределению уехала на Урал, в небольшой промышленный городок Лысьва, где и работает до сих пор. Почётный работник общего образования РФ, победитель всероссийского конкурса учителей физики и математики (фонд «Династия»). Выпускники уже много лет успешно сдают ЕГЭ и поступают в вузы Москвы, Санкт-Петербурга, Екатеринбурга, Перми. Однажды, прочитав об Изумрудной Скрижали, поразилась сегодняшней востребованности идеи легендарного Гермеса: каждая вещь, предмет, процесс в нашей Вселенной несут в себе черты друг друга и единого целого. С тех пор уделяет огромное внимание межпредметным связям и аналогиям: физика и биология, физика и математика, физика и литература, а теперь – физика и английский язык. Занимается научной работой с учащимися, особенно в начальной школе: где живёт электричество? почему обычная вода такая необычная? каков он, загадочный мир звёзд? В семье двое сыновей, оба закончили пермский ГТУ. Младший – инженер, старший – преподаватель каратэ-до, имеет чёрный пояс, второй дан, неоднократный чемпион России, участник чемпионата мира в Японии. Успехи педагога были бы невозможны без помощи мужа, инженера-электрика по образованию: разработка и постановка экспериментов, создание новых приборов, да и просто поддержка и советы, которые помогают в различных жизненных ситуациях.

Все приложения даны в . – Ред.

Роль теории Максвелла лучше всего выразил известный физик Роберт Фейнман: «В истории человечества (если посмотреть на неё, скажем, через 10 000 лет) самым значительным событием XIX столетия несомненно будет открытие Максвеллом законов электродинамики. На фоне этого важного научного открытия гражданская война в Америке в том же десятилетии будет выглядеть мелким провинциальным происшествием».

Планк долго колебался, на чём остановить свой жизненный выбор – на гуманитарных науках или на физике. Все работы Планка отличаются изяществом и красотой. А. Эйнштейн писал о них: «При изучении его трудов создаётся впечатление, что требование художественности является одной из главных пружин его творчества».

Возникновение и развитие квантовой теории привело к изменению классических представлений о структуре материи, движении, причинности, пространстве, времени, характере познания и т.д., что способствовало коренному преобразованию картины мира. Для классического понимания материальной частицы было характерно резкое ее выделение из окружающей среды, обладание собственным движением и местом нахождения в пространстве. В квантовой теории частица стала представляться как функциональная часть системы, в которую она включена, не имеющая одновременно координат и импульса. В классической теории движение рассматривалось как перенос частицы, остающейся тождественно самой себе, по определенной траектории. Двойственный характер движения частицы обусловил необходимость отказа от такого представления движения. Классический (динамический) детермизм уступил место вероятностному (статистическому). Если ранее целое понималось как сумма составляющий частей, то квантовая теория выявила зависимость свойств частицы от системы, в которую она включена. Классическое понимание познавательного процесса было связано с познанием материального объекта как существующего самого по себе. Квантовая теория продемонстрировала зависимость знания об объекте от исследовательских процедур. Если классическая теория претендовала на завершенность, то квантовая теория с самого начала развертывалась как незавершенная, основывающаяся на ряде гипотез, смысл которых вначале был далеко не ясен, а поэтому ее основные положения получали разное истолкование, разные интерпретации.
Разногласия выявились прежде всего по поводу физического смысла двойственности микрочастиц. Де Бройль вначале выдвинул концепцию волны-пилота, в соответствии с которой волна и частица сосуществуют, волна ведет за собой частицу. Реальным материальным образованием, сохраняющим свою устойчивость, является частица, поскольку именно она обладает энергией и импульсом. Волна, несущая частицу, управляет характером движения частицы. Амплитуда волны в каждой точке пространства определяет вероятность локализации частицы рядом с этой точкой. Шредингер проблему двойственности частицы решает по сути путем ее снятия. Для него частица выступает как чисто волновое образование. Иначе говоря, частица есть место волны, в котором сосредоточена наибольшая энергия волны. Интерпретации де Бройля и Шредингера представляли собой по сути попытки создать наглядные модели в духе классической физики. Однако это оказалось невозможным.
Гейзенбергом была предложена интерпретация квантовой теории, исходя (как было показано ранее) из того, что физика должна пользоваться только понятиями и величинами, основанными на измерениях. Гейзенберг поэтому и отказался от наглядного представления движения электрона в атоме. Макроприборы не могут дать описание движения частицы с одновременной фиксацией импульса и координат (т.е. в классическом смысле) по причине принципиально неполной контролируемости взаимодействия прибора с частицей - в силу соотношения неопределенностей измерение импульса не дает возможности определить координаты и наоборот. Иначе говоря, по причине принципиальной неточности измерения предсказания теории могут иметь лишь вероятностный характер, причем вероятность является следствием принципиальной неполноты информации о движении частицы. Это обстоятельство привело к выводу о крушении принципа причинности в классическом смысле, предполагавшим предсказание точных значений импульса и координаты. В рамках квантовой теории, таким образом, речь идет не об ошибках наблюдения или эксперимента, а о принципиальном недостатке знаний, которые и выражаются с помощью функции вероятности.
Интерпретация квантовой теории, осуществленная Гейзенбергом, была развита Бором и получила название копенгагенской. В рамках данной интерпретации основным положением квантовой теории выступает принцип дополнительности, означающий требование применять для получения в процессе познания целостной картины изучаемого объекта взаимоисключающие классы понятий, приборов и исследовательских процедур, которые используются в своих специфических условиях и взаимозаполняют друг друга. Данный принцип напоминает соотношение неопределенностей Гейзенберга. Если речь идет об определении импульса и координаты как взаимоисключающих и взаимодополняющих исследовательских процедур, то для отождествления этих принципов есть основания. Однако смысл принципа дополнительности шире, чем соотношения неопределенностей. Для того, чтобы объяснить устойчивость атома, Бор соединил в одной модели классические и квантовые представления о движении электрона. Принцип дополнительности, таким образом, позволил классические представления дополнить квантовыми. Выявив противоположность волновых и корпускулярных свойств света и не найдя их единства, Бор склонился к мысли о двух, эквивалентных друг другу, способах описания - волновом и корпускулярном - с последующем их совмещением. Так что точнее говорить о том, что принцип дополнительности выступает развитием соотношения неопределенности, выражающих связи координаты и импульса.
Ряд ученых истолковали нарушение принципа классического детерминизма в рамках квантовой теории в пользу индетернизма. В действительности же здесь принцип детерминизма изменял свою форму. В рамках классической физики, если в начальный момент времени известны положения и состояние движения элементов системы, можно полностью предсказать ее положение в любой будущий момент времени. Все макроскопические системы были подчинены этому принципу. Даже в тех случаях, когда приходилось вводить вероятности, всегда предполагалось, что все элементарные процессы строго детернизированы и что только их большое число и беспорядочность поведения заставляет обращаться к статистическим методам. В квантовой теории ситуация принципиально иная. Для реализации принципов детернизации здесь необходимо знать координаты и импульсы, и это соотношением неопределенности запрещается. Использование вероятности здесь имеет иной смысл по сравнению со статистической механикой: если в статистической механике вероятности использовались для описания крупномасштабных явлений, то в квантовой теории вероятности, наоборот, вводятся для описания самих элементарных процессов. Все это означает, что в мире крупномасштабных тел действует динамический принцип причинности, а в микромире - вероятностный принцип причинности.
Копенгагенская интерпретация предполагает, с одной стороны, описание экспериментов в понятиях классической физики, а с другой - признание этих понятий неточно соответствующими действительному положению вещей. Именно эта противоречивость и обусловливает вероятность квантовой теории. Понятия классической физики составляют важную составную часть естественного языка. Если мы не будем использовать этих понятий для описания проводимых экспериментов, то мы не сможем понять друг друга.
Идеалом классической физики является полная объективность знания. Но в познании мы используем приборы, а тем самым, как говорит Гейнзерберг, в описание атомных процессов вводится субъективный элемент, поскольку прибор создан наблюдателем. "Мы должны помнить, что то, что мы наблюдаем, - это не сама природа, а природа, которая выступает в том виде, в каком она выявляется благодаря нашему способу постановки вопросов научная работа в физике состоит в том, чтобы ставить вопросы о природе на языке, которым мы пользуемся, и пытаться получить ответ в эксперименте, выполненном с помощью имеющихся у нас в распоряжении средств. При этом вспоминаются слова Бора о квантовой теории: если ищут гармонии в жизни, то никогда нельзя забывать, что в игре жизни мы одновременно и зрители, и участники. Понятно, что в нашем научном отношении к природе наша собственная деятельность становится важной там, где нам приходится иметь дело с областями природы, проникнуть в которые можно только благодаря важнейшим техническим средствам"
Классические представления пространства и времени также оказалось невозможным использовать для описания атомных явлений. Вот что писал по этому поводу другой создатель квантовой теории: "существование кванта действия обнаружило совершенно непредвиденную связь между геометрией и динамикой: оказывается, что возможность локализации физических процессов в геометрическом пространстве зависит от их динамического состояния. Общая теория относительности уже научила нас рассматривать локальные свойства пространства-времени в зависимости от распределения вещества во Вселенной. Однако существование квантов требует гораздо более глубокого преобразования и больше не позволяет нам представлять движение физического объекта вдоль определенной линии в пространстве-времени (мировой линии). Теперь нельзя определить состояние движения, исходя из кривой, изображающей последовательные положения объекта в пространстве с течением времени. Теперь нужно рассматривать динамическое состояние не как следствие пространственно-временной локализации, а как независимый и дополнительный аспект физической реальности"
Дискуссии по проблеме интерпретации квантовой теории обнажили вопрос о самом статусе квантовой теории - является ли она полной теорией движения микрочастицы. Впервые вопрос таким образом был сформулирован Энштейном. Его позиция получила выражение в концепции скрытых параметров. Эйнштейн исходил из понимания квантовой теории как статистической теории, которая описывает закономерности, относящиеся к поведению не отдельной частицы, а их ансамбля. Каждая частица всегда строго локализована, одновременно обладает определенными значениями импульса и координаты. Соотношение неопределенностей отражает не реальное устройство действительности на уровне микропроцессов, а неполноту квантовой теории - просто на ее уровне мы не имеем возможности одновременно измерять импульс и координату, хотя они в действительности существуют, но как скрытые параметры (скрытые в рамках квантовой теории). Описание состояния частицы с помощью волновой функции Эйнштейн считал неполным, а потому и квантовую теорию представлял в виде неполной теории движения микрочастицы.
Бор в данной дискуссии занял противоположную позицию, исходящую из признания объективной неопределенности динамических параметров микрочастицы как причины статистического характера квантовой теории. По его мнению, отрицание Энштейном существования объективно неопределенных величин оставляет необъясненным присущие микрочастице волновые черты. Возврат к классическим представлениям движения микрочастицы Бор считал невозможным.
В 50-х гг. ХХ века Д.Бом вернулся к концепции волны-пилота де Бройля, представив пси-волну в виде реального поля, связанного с частицей. Сторонники копенгагенской интерпретации квантовой теории и даже часть ее противников позицию Бома не поддержали, однако она способствовала более углубленной проработке концепции де Бройля: частица стала рассматриваться в виде особого образования, возникающего и движущегося в пси-поле, но сохраняющего свою индивидуальность. Работы П.Вижье, Л.Яноши, разрабатывавших данную концепцию, были оценены многими физиками как слишком "классичными".
В отечественной философской литературе советского периода копенгагенская интерпретация квантовой теории была подвергнута критике за "приверженность к позитивистским установкам" в трактовке процесса познания. Однако рядом авторов отстаивалась справедливость копенгагенской интерпретации квантовой теории. Смена классического идеала научного познания неклассическим сопровождалась пониманием того, что наблюдатель, пытаясь построить картину объекта, не может отвлечься от процедуры измерения, т.е. исследователь оказывается не в состоянии измерять параметры изучаемого объекта такими, какими они были до процедуры измерения. В.Гейзенберг, Э.Шредингер и П.Дирак положили принцип неопределенности в основу квантовой теории, в рамках которой частицы уже не имели определенных и не зависящих друг от друга импульса и координат. Квантовая теория, таким образом, внесла в науку элемент непредсказуемости, случайности. И хотя Эйнштейн не смог согласиться с этим, квантовая механика согласовывалась с экспериментом, а потому стала основой многих областей знания.

Он не единственный скептик. Известный английский физик сэр Роджер Пенроуз и венгерский ученый Ладжос Диоси независимо предполагали, что пространство-время не может поддерживать суперпозиции. Они считают, что его гладкая, твердая, фундаментально классическая природа препятствует искривлению на два возможных пути одновременно - и именно эта жесткость приводит к коллапсу суперпозиций квантовых систем вроде электронов и фотонов. “Гравитационная декогеренция”, по их мнению, позволяет случиться единой, твердой, классической реальности, которую можно ощущать в макроскопических масштабах.

Этот план более подробно изложен в работе Бозе и соавторов - одиннадцать экспертов Оушена для разных этапов предложения. Например, в своей лаборатории в Университете Уорика один из соавторов Гэвин Морли работает над первым этапом, пытаясь поместить микроалмаз в квантовую суперпозицию в двух местах. Для этого он заключит атом азота в микроалмазе, рядом с вакансией в структуре алмаза (так называемый NV-центр, или азото-замещенная вакансия в алмазе), и зарядит его микроволновым импульсом. Электрон, вращающийся вокруг NV-центра, одновременно и поглощает свет, и нет, а система переходит в квантовую суперпозицию двух направлений спина - вверх и вниз - подобно волчку, который с определенной вероятностью вращается по часовой стрелке и с определенной - против. Микроалмаз, загруженный этим спином суперпозиции, подвергается воздействию магнитного поля, которое заставляет верхний спин двигаться влево, а нижний - вправо. Сам алмаз расщепляется на суперпозицию двух траекторий.

В полном эксперименте ученые должны сделать все это с двумя алмазами - красным и синим, допустим - расположенными рядом в сверххолодном вакууме. Когда ловушка, удерживающая их, отключится, два микроалмаза, каждый в суперпозиции двух положений, будут падать вертикально в вакууме. По мере падения алмазы будут ощущать гравитацию каждого из них. Насколько сильным будет их гравитационное притяжение?

В каждом из случаев различные степени гравитационного притяжения воздействуют на эволюционирующие компоненты суперпозиций алмазов. Два алмаза становятся взаимозависимыми, потому что их состояния можно будет определить только в сочетании - если это, значит то - поэтому, в конечном итоге, направления спинов двух систем NV-центров будут коррелировать.

После того как микроалмазы будут падать бок о бок в течение трех секунд, - этого достаточно, чтобы запутаться в гравитациях, - они пройдут через другое магнитное поле, которое снова совместит ветви каждой суперпозиции. Последний шаг эксперимента - протокол «запутанного знания» (entanglement witness), разработанный датским физиком Барбарой Терал и другими: синий и красный алмазы входят в разные устройства, которые измеряют направления спина систем NV-центров. (Измерение приводит к коллапсу суперпозиций в определенные состояния). Затем два результата сопоставляются. Проводя эксперимент снова и снова и сравнивая множество пар измерений спина, ученые могут определить, действительно ли спины двух квантовых систем коррелировали между собой чаще, чем определяет верхний предел для объектов, которые не являются квантово-механически запутанными. Если так, гравитация действительно запутывает алмазы и может поддерживать суперпозиции.

«Что интересно в этом эксперименте, так это то, что вам не нужно знать, что такое квантовая теория», говорит Бленкоу. «Все, что нужно, это утверждать, что есть некий квантовый аспект в этой области, который опосредован силой между двумя частицами».

Технических трудностей - масса. Самый большой объект, который помещали в суперпозицию в двух местах до этого, представлял собой 800-атомную молекулу. Каждый микроалмаз содержит более 100 миллиардов атомов углерода - этого достаточно, чтобы накопить ощутимую гравитационную силу. Распаковка его квантово-механического характера потребует низких температур, глубокого вакуума и точного контроля. «Очень много работы состоит в настройке изначальной суперпозиции и запуске», говорит Питер Баркер, член экспериментальной команды, которая усовершенствует методы лазерного охлаждения и поимки микроалмазов. Если бы это можно было сделать с одним алмазом, добавляет Бозе, «второй не составит проблемы».

В чем уникальность гравитации?

Исследователи квантовой гравитации не сомневаются в том, что гравитация - это квантовое взаимодействие, способное вызывать запутанность. Конечно, гравитация в чем-то уникальна, и еще многое предстоит узнать о происхождении пространства и времени, но квантовая механика точно должна быть вовлечена, говорят ученые. «Ну правда, какой смысл в теории, в которой большая часть физики квантовая, а гравитация классическая», говорит Дэниел Харлоу, исследователь квантовой гравитации в MIT. Теоретические аргументы против смешанных квантово-классических моделей очень сильные (хотя и не неоспоримые).

Прочитав работы, Дайсон написал: «Предлагаемый эксперимент безусловно представляет большой интерес и требует проведения в условиях настоящей квантовой системы». Однако он отмечает, что направление мысли авторов о квантовых полях отличаются от его. «Мне непонятно, сможет ли этот эксперимент разрешить вопрос существования квантовой гравитации. Вопрос, который я задавал - наблюдаем ли отдельный гравитон - это другой вопрос, и он может иметь другой ответ».

И эта разница имеет значение, когда вы пытаетесь создать квантовую теорию гравитацию. Обычный подход к квантованию чего-либо заключается в определении его независимых частей - частиц, например, - и затем применении к ним квантовой механики. Но если вы не определяете правильные составляющие, вы получаете неправильные уравнения. Прямое квантование трехмерного пространства, которое хотел сделать Бронштейн, работает в некоторой мере со слабой гравитацией, но оказывается бесполезным, когда пространство-время сильно искривлено.

«Но если провести этот простой эксперимент и показать, что гравитационное поле было в суперпозиции, провал классического описания станет очевидным. Потому что будет эксперимент, который подразумевает, что гравитация - квантовая».

По материалам Quanta Magazine