Олег Фейгин
Pro квантовые чудеса
© Фейгин О. О., текст, 2017
© ООО «Страта», 2018
От автора
Если вы о квантовой механике знаете только то, что она «…разрешила вековую загадку таинственной страны микромира» и еще: «…перевернула все наше мировоззрение», вы знаете о ней примерно столько же, сколько знают путешествующие по незнакомой стране, не изучив предварительно ее культуру и язык: они видят вокруг людей, которые спешат, смеются, машут руками, но цель их движений туристам неизвестна, а радость – непонятна. В результате же память путешественников сохраняет только яркие пятна рекламы на незнакомом языке.
Л. И. Пономарев.
По ту сторону кванта
После выхода в свет моих первых книг о драматической истории возникновения новой физики микромира – «Великая квантовая революция», «Тайны квантового мира», «Парадоксы квантового мира» и «Наука будущего» – я с сожалением думал о том, что данная тема практически исчерпана и пора переходить к популяризации других страниц бесконечно прекрасного естествознания.
Однако поток электронных писем читателей через некоторое время снова заставил вернуться к вопросам:
• Из чего же состоят элементарные частицы, такие как электрон, протон и нейтрон?
• Что будет, если бесконечно дробить частички материи, и есть ли у такого дробления предел?
• Как смогла родиться из первоатома или даже некой элементарной частицы наша необозримая Вселенная?
• Существуют ли миры из антивещества, антигравитирующие и зеркальные?
• Что такое квантовый апокалипсис и когда его следует ожидать?
• Что может произойти при работе сверхмощного ускорителя частиц в Швейцарии? Не возникнет ли черная дыра, в которой исчезнет Земля?
• Можно ли с помощью собственного сознания управлять ходом событий в микромире и как это может изменить окружающую реальность?
Все это, к большой радости, показывает, что интерес к общедоступным научным знаниям все же не пропал. Особенно отрадно, что множество любознательных читателей не только спрашивают, но спорят и даже советуют, как лучше рассказать о современных исследованиях удивительных глубин вещества – мира квантов, атомов и элементарных частиц.
Разумеется, объяснять «на пальцах», как выглядит сотканная из суперструн и мембран вероятностная текстура пространства – времени, далеко не просто. Главным образом это связано с глубоко парадоксальным образом новой физической реальности, очень сильно отличающейся от привычной повседневности. Здесь мне постоянно приходилось лавировать между «сциллой» доступности и «харибдой» научности…
Надо заметить, что сама идея общедоступного изложения квантовых «чудес» родилась в ходе переписки с известным физиком-экспериментатором, а в то время председателем комиссии РАН по борьбе со лженаукой, академиком Эдуардом Павловичем Кругляковым (1934 –2012).
В заключение хотелось бы подчеркнуть литературный вклад таких известных ученых-популяризаторов, как Артур Давидович Чернин, Игорь Дмитриевич Новиков, Александр Владимирович Виленкин, Андрей Дмитриевич Линде, Стивен Хокинг, Роджер Пенроуз, Мичио Каку, Брайан Грин, Ли Смолин и Дэвид Дойч.
Введение
Самое, пожалуй, удивительное в современной физике – это неожиданная связь между космосом, где галактики и звездные скопления разбросаны подобно редким пылинкам, и тесным, исчезающе малым микромиром элементарных частиц. Два полюса мироздания! На одном огромная, расширяющаяся Вселенная, на другом – не видимые ни под каким микроскопом, почти эфемерные «кирпичики» вещества. И вот оказывается, что при определенных условиях Вселенная может обладать свойствами микрочастицы, а некоторые микрообъекты, возможно, содержат внутри себя целые космические миры. Во всяком случае, так говорит теория. Большое и малое, сложное и простое – здесь все переплелось.
В. С. Барашенков. Кварки, протоны, Вселенная
Нет сомнения, что вне зависимости от профессии, возраста и образования современного человека в его культурный багаж обязательно должен входить некоторый объем физических сведений. Ведь постижение научного знания вырабатывает особый аналитический склад ума, логическое мышление и критическое отношение к действительности.
Предлагаемая книга чем-то напоминает сборник репортажей с передовой научного фронта познания тайн природы, где каждая победа над неведомым расширяет круг знания, возвеличивая человеческий разум. В отличие от страниц школьных учебников, описывающих то, что уже достоверно установлено наукой и что обязан знать каждый учащийся, в настоящей книге доступно рассказывается не только о современном окончательном состоянии какого-либо научного вопроса, но и о неоднозначных поисках, ошибках, сомнениях искателей истины.
Одним из неприятных парадоксов школьного курса физики является то, что на современную науку, включающую теорию относительности и квантовую механику, выделяется всего лишь несколько уроков. Это положение является совершенно недопустимым и отчасти объясняет значительные пробелы в знаниях выпускников средней школы и даже абитуриентов физико-математических специальностей вузов. Настоящая книга призвана хотя бы отчасти исправить сложившуюся ситуацию, будучи во многом рассчитанной на внимание учащейся молодежи. Тем не менее автор искренне надеется, что многое в ней будет интересно педагогам и читателям всех возрастов и профессий, интересующихся историей возникновения и сутью современных взглядов на окружающую реальность.
В ходе работы над рукописью, вполне естественно, как и предсказывал Козьма Прутков, объять необъятное не удалось, ведь даже выборочный перечень интересных задач современной квантовой физики с краткими комментариями составил бы отдельный солидный труд. Поэтому автор надеется еще продолжить общение со своими читателями на страницах будущих книг, рассказывающих о фантастических параллельных вселенных, квантовом Мультиверсе, подпространственных измерениях и прочих трудновообразимых вещах квантовой реальности.
Удивительно, но современные квантовые теоретики часто обращаются к творческому наследию древних мудрецов. К примеру, видный современный разработчик суперструнных сценариев эволюции Вселенной Хуан Малдасена черпает свое вдохновение в творчестве древних элеатов, создавших одну из первых античных философских школ в итальянском городе-государстве Элее.
Философские взгляды первых античных атомистов привнесли в наш мир принцип неделимых фундаментальных кирпичиков мироздания. В конце позапрошлого века «пара и электричества» возникли начала новой атомистики, родившейся из экспериментов с катодным и рентгеновским излучением, а также радиоактивными элементами. Вскоре была открыта и первая элементарная частица – электрон.
Затем последовала «великая квантовая революция», неразрывно связанная с именем немецкого физика-теоретика Макса Планка (1858–1947). В 1919 году Планк стал нобелевским лауреатам по физике «в знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии». Теоретические исследования 1896–1900 годов, приведшие Планка к открытию квантов (термин «квант» также ввел он), стали толчком к созданию одного из важнейших разделов современного естествознания – квантовой физики. Именем Планка названа введенная им фундаментальная физическая константа h – «постоянная Планка», связавшая макро- и микромиры и входящая в ряд уравнений и законов в различных разделах физики. Элементарные представления о планковских квантах энергии включены в современные программы школьной физики, а о постоянной Планка сочиняют анекдоты.
Можно образно сказать, что как прошлый, так и нынешний век прошли «под знаком кванта», начиная с первой работы отца-основателя, вышедшей в 1901 году. Через несколько лет еще один выдающийся участник «квантовой революции» Альберт Эйнштейн применил гипотезу квантов энергии для объяснения фотоэффекта. Эта работа стала первым шагом к изобретению квантовых оптических генераторов (лазеров), без которых невозможно представить себе современную технику. К началу Второй мировой войны в эксперименте были обнаружены два макроскопических квантовых эффекта – сверхпроводимость и сверхтекучесть. Лазерный луч можно считать третьим таким эффектом, но его люди впервые увидели только в 1960-м. А к этому времени уже появилась такие обширные области приложений квантовой физики, как электроника и физика твердого тела.
