В конце первой четверти XXI века квантовая механика знакома каждому. За свою историю в сто лет эта удивительная теория создала два технологических прорыва.
Квантовая революция первой дали начало лазерам, солнечным панелям и кремниевой микроэлектронике, которые стали частью нашей жизни. Вторая квантовая революция разворачивается в настоящее время. Что породило обе эти революции и как развивалась сама квантовая механика? Об этом читайте далее.
В 1874 году семнадцатилетний выпускник гимназии Макс Планк собирался поступать в Мюнхенский университет для изучения теоретической физики. Молодой человек был удивлён, когда знакомый профессор и будущий научный руководитель Филипп фон Жолли посоветовал ему не выбирать эту стезю, сказав: «Физика близка к завершению, Макс, в ней осталось лишь исследовать несколько незначительных проблем».
Эта статья доступна в аудиоформате.
Несмотря на это, Макс Планк выбрал для себя путь в физике, который спустя много лет привёл его к пересмотру её фундаментальных основ.
Физика почти завершена, Макс, осталось разобраться лишь с несколькими мелкими вопросами!
Начало «обрушения основ» положила обычная лампочка. Одним из «незначительных», как говорил фон Жолли, вопросов для физиков конца XIX века было описание излучения сильно нагретых тел (примером служит спираль лампочки накаливания, светящаяся из-за разогрева до высокой температуры протекающим по ней электрическим током). Классическая теория электромагнетизма, разработанная Джеймсом Максвеллом, упорно давала неверный результат по сравнению с экспериментальными измерениями, особенно в области коротковолнового излучения (так называемая… ). ультрафиолетовая катастрофаВследствие этого многие ученые уделяли внимание созданию модели, способной воспроизвести все типы излучения нагретых тел, что известно как задача «абсолютно чёрного тела».
Стремясь разрешить эту задачу, работали лучшие физики того времени: Кирхгоф, Вин, Пашен, Люмер и многие другие, подтолкнутые нуждами быстро развивающейся немецкой промышленности. Тайну «абсолютно черного тела» удалось разгадать только Планку.
В 1900 году он совершил постулат, который позже называл актом отчаяния. Не сумев получить формулу, правильно описывающую излучение «абсолютно черного тела» в рамках классической физики, Планк предположил, что нагретые тела испускают энергию не непрерывно, а дискретно, порциями с определенной энергетической величиной. Энергия каждой порции равна частоте излучения, умноженной на константу h = 6,626 * 10. -34Эта маленькая константа, которую потом назвали постоянной Планка, стала причиной появления «квантов энергии», таких как фотоны, и открыла путь квантовой механике, которая описывает законы макромира.
Планк и его коллеги, которым он рассказал о своей работе, не верили в реальность квантования энергии, считая его математическим трюком. Альберт Эйнштейн, немецкий физик-теоретик, заинтересовался описанием того, что происходило при облучении металлической пластинки светом: свет вызывал высвобождение заряженных частиц — фотоэлектрический эффект. Сам эффект был обнаружен в 1887 году, но остался не до конца понятным до работы Эйнштейна 1905 года, за которую он получил Нобелевскую премию по физике.
Эйнштейн, подобно Планку, предположил, что облучение металлической пластинки происходило не непрерывным потоком электромагнитного излучения, а множеством маленьких порций — квантов света (названных фотонами спустя десятилетие). Согласно Эйнштейну, каждый падающий на пластинку фотон передавал свою энергию отдельному электрону, позволяя ему покинуть металл. Фотоны должны были обладать некой минимальной энергией для того, чтобы электроны смогли вырваться из металла (эту энергию ученый назвал «работой выхода»). Простое объяснение фотоэффекта Эйнштейна, полностью подтверждаемое данными экспериментов, сейчас известно каждому старшекласснику, но в начале XX века мысль о существовании «квантов света» большинству физиков казалась абсурдной, несмотря на уже прижившееся представление о квантовании материи — атомной теории.
Проквантованный атом
В отличие от квантов энергии — фотонов, сами атомы оказались не столь неделимыми, как считал Демокрит, придумавший их около двух с половиной тысяч лет назад. Благодаря экспериментам Эрнеста Резерфорда обнаружилось существование положительно заряженного ядра атома и электронов, несущих отрицательный заряд, которые вращаются вокруг него по определенным орбитам. Такая «планетарная» модель атома стала ведущей в физике первой половины XX века в течение нескольких лет.
Классическая физика не могла объяснить устойчивость атома: теория электромагнетизма гласила, что движущиеся заряды излучают электромагнитные волны. Следовательно, электроны, вращающиеся вокруг ядра, должны были бы терять энергию и падать на него за доли секунды. В реальности же атомы стабильны.
Теория электромагнетизма предсказывает, что все электроны должны устремиться к ядрам атомов в считанные наносекунды. Однако этого не происходит. В чем причина?
Молодой датский физик Нильс Бор разрешил этот парадокс, посчитав квантования энергии недостаточными. Вместо бесконечного числа возможных положений электронов в атоме Бор предложил ограничить их наборами квантованных орбит. Такое утверждение противоречило общепринятому представлению о свободе расположения электронов, но разрешало проблему падения их на ядро.
В теории Бора энергия электронов менялась только при переходе с одной разрешенной орбиты на другую, а не находясь на ней. Так же, как и электрон, маленький мячик может спокойно находиться на каждой ступени лестницы, но не между ними, теряя потенциальную энергию только при скатывании с одной ступеньки на другую.
Последующее исследование выявило истинную причину существования орбит, определенных Бором: все объяснялось квантованием углового момента электронов в атоме. Угловой момент — характеристика движения по круговым траекториям — может меняться только на величину, кратную постоянной Планка. Используя теорию, Бор смог успешно рассчитать частоту переходов электронов в атоме водорода, что совпало с спектральными линиями, измеренными экспериментально с высокой точностью по всему миру.
Вероятность и корпускулярно-волновой дуализм
В теории Бора существовала необычность, касающаяся квантовых переходов. Представлялось невозможным точно установить положение электрона во время скачка с одной орбиты на другую. Переход между орбитами, то есть энергетическими уровнями, должен был осуществляться мгновенно, иначе электрон всё время перехода излучал бы энергию. Как же можно было принять такие внезапные «квантовые прыжки»?
Необъяснимая «спонтанность» квантового мира и случайность происходящих событий смущали не только Бора, но и продолжавшего работу над квантовой теорией Эйнштейна. Упростив атом Бора до двух разрешенных уровней, Эйнштейн наглядно продемонстрировал в нем два вида излучения. Спонтанное излучение фотоном атомом происходит при переходе электрона с возбужденного уровня на основной, а вынужденное — при облучении возбужденного атома фотонами нужной частоты (соответствующей частоте перехода между основным и возбужденным состояниями). Эффект вынужденного излучения позже лег в основу лазеров. Для самого Эйнштейна ключевым моментом была вероятностная природа спонтанного излучения, которое, подобно радиоактивному распаду, могло произойти в любой момент времени с определенной вероятностью.
Вероятностная природа квантового мира встревожила Эйнштейна, заставив его сомневаться в способности квантовой механики описывать реальность. В начале 1920-х годов Артур Комптон провел эксперименты по рассеиванию рентгеновских лучей на графите, выявив увеличение длины волны рассеянного излучения по сравнению с падающим. Такой эффект не поддавался объяснению волновой теорией.
Комптон представил рентген в виде потока квантов — фотонов высокой частоты, и это дало логичное объяснение. При столкновении фотонов с электронами кристаллической решетки графита они подобно теннисным мячикам пружинисто отскакивали от них, отдавая часть энергии, которая переходила в колебания кристаллической решетки. А согласно формуле Планка, потеря энергии ведет к увеличению длины волны излучения. Таким образом, эффект Комптона стал первым неопровержимым доказательством существования квантов света — фотонов, со всеми странностями, приписываемыми им квантовой механикой.
Эффект Комптона являлся первым убедительным подтверждением кванта света.
Несмотря на очередную победу квантовой теории, ясности физической картине мира это открытие не принесло. Физики пребывали в замешательстве от того, что сложившаяся ситуация нарушает стройную теорию света: одни явления (интерференция, дифракция) требуют волнового описания, а другие (эффект Комптона, фотоэлектрический эффект) можно объяснить только при представлении света состоящим из частиц. Наступала новая эра корпускулярно-волнового дуализма — одно из центральных понятий квантовой механики, со странностью которого ученым со временем пришлось примириться. Но для убеждения целого научного сообщества в правильности такого подхода требовалось больше доказательств.
Идея связать частицу электрона с волной пришла французскому физику Луи де Бройлю. Он задался вопросом: если волне света можно сопоставить фотон, то почему нельзя представить электрон в виде волны?
Представление казалось абсурдным, ведь никто из физиков не сомневался, что электроны — это частицы, а корпускулярное описание позволяет полностью описать их свойства. Но де Бройль решил поставить в соответствие электрону «фиктивную» волну, частота и длина которой определяют его положение в атоме Бора. Такой подход помог понять, почему на стационарных орбитах Бора электрон не теряет энергии: число волн де Бройля, соответствующих электрону, совпадало с целым числом, что создавало стоячую волну и предотвращало потерю энергии.
Американец Клинт Дэвиссон, изучавший соударение пучков электронов с мишенями из разных материалов, случайно подтвердил идею де Бройля. Когда вместо никелевого порошка он использовал большие кристаллы никеля, на их плоскостях произошла дифракция электронов, и Дэвиссон наблюдал необычную картину рассеивания. По результатам этих экспериментов, следуя советам коллег, американский учёный вычислил длину волны дифрагирующего электрона, которая в точности совпала с предсказанием теории де Бройля.
Благодаря тому, что длина волны электрона значительно меньше длины волны видимого света, это открытие быстро нашёл практическое применение. С помощью электронов стало возможно «видеть» объекты, размеры которых в тысячи раз меньше, чем те, которые видны глазом. В 1931 году был создан электронный микроскоп, являющийся одним из первых продуктов первой квантовой революции и по сей день остающийся незаменимым инструментом во многих научных областях.
Новое поколение квантовых механиков
Вклад пионеров квантовой механики Планка, Эйнштейна, Бора и де Бройля был неоценим. Дальнейшее развитие квантовой науки требовало свежего взгляда — нового поколения ученых, не привыкших к догмам классической физики и не искавших в них спасения. Имена этих учёных известны любому, кто сталкивался с квантовой механикой: уравнение Шредингера (помните его знаменитого кота?), соотношение неопределенностей Гейзенберга, принцип запрета Паули — всё это их вклад. Именно они заставили великих учёных вроде Бора и Эйнштейна посвятить остаток жизни попыткам осознать квантовую механику и интерпретировать её результаты.
Какие же ключевые результаты получили представители нового поколения физиков-теоретиков? Благодаря Эрвину Шрёдингеру, продолжившему идеи де Бройля, в обиход квантовой физики вошла концепция волновой функции, описывающая любую квантовую систему и её эволюцию. Своим волновым подходом Шрёдингер не стремился создать «новую физику», а лишь хотел связать привычное классическое описание макроскопических объектов с квантовым миром. Ведь по его мнению, волновая функция описывала «размазанность» квантового объекта в пространстве, его присутствие сразу во многих местах (суперпозицию). Абсурдность этой интерпретации вызвала резкую критику со стороны других физиков, которые пришли к современному пониманию реального смысла волновой функции, описывающей распределение вероятностей нахождения квантовых объектов в определенном месте или состоянии.
Вернер Гейзенберг, молодой физик-теоретик, совместно с коллегами разработал матричную механику, основанную на математическом аппарате матриц. Позднее Гейзенберг выдвинул принцип неопределенностей, утверждающий невозможность одновременного измерения с произвольной точностью некоторых пар характеристик квантовых систем.
Известный физик Вольфганг Паули обнаружил ещё одну удивительную характеристику квантовых объектов — спин — при попытке описать правила заполнения электронных оболочек в атоме и анализе опытов по движению элементарных частиц в магнитном поле. Спин — это внутренняя степень свободы квантовых объектов, их собственный магнитный момент, который может принимать любое целое или полуцелое значение, а также равняться нулю. Часто спин электрона неправильно представляют в виде направления его вращения (если сам электрон представить в виде вращающегося шарика), но такая классическая интерпретация, хотя и наглядная, не подтверждается ни аналитическими, ни экспериментальными данными.
От теории к практике
Благодаря этой троице ученых, возглавивших новое поколение квантовых физиков, к 1930-м годам квантовая механика стала полностью рабочим инструментом, позволяющим описывать до сих пор непонятные законы микромира. Несмотря на отсутствие единого мнения среди авторов о толковании квантовой механики, ее роль в качестве инструмента научно-технического прогресса сложно переоценить. Следующий за созданием квантовой механики период взрывного технологического роста принято называть… первой квантовой революцией.
Два примера демонстрируют значение открытий. Основываясь на работах Эйнштейна и Поля Дирака, во второй половине XX века был создан лазер — квантовый источник монохроматического излучения в узком пучке высокой интенсивности. Исследования лазеров принесли Нобелевскую премию многим ученым, а сами лазеры применяются практически во всех сферах человеческой деятельности: от промышленных резаков, DVD-дисков и лазерного автофокуса в телефонах до сканеров штрихкодов, коррекции зрения и лазерной хирургии.
Распространение лазеров, ускоренное миниатюризацией, произошло благодаря активным исследованиям полупроводниковых материалов, свойства которых удалось описать с помощью квантовой механики. Первые полупроводниковые транзисторы, созданные на основе ранних исследований 1930-1940-х годов, стали в 1960-х главными строительными элементами современной электроники благодаря миниатюризации. Без неё сейчас представить жизнь невозможно. Приборы и инструменты микроэлектронной индустрии перекочевали в исследовательские лаборатории, обеспечив прогресс в областях, не связанных напрямую с микроэлектроникой: например, электронная микроскопия в биологии и медицине позволила впервые увидеть многие вирусы, белки и внутриклеточные структуры.
Жизнь без транзисторов нам сейчас недоступна.
Атомная бомба, созданная в рамках Манхэттенского проекта, и ее печальные последствия применения в Хиросиме и Нагасаки – еще один пример первой квантовой революции. С другой стороны, мирное использование энергии атома, выделяющейся при распаде радиоактивных атомов (урана, тория или плутония), привело к появлению в конце 1950-х годов новой области – атомной энергетики. Она обеспечила электричеством промышленность развитых и развивающихся стран (до 75% потребляемой мощности). Продолжаются исследования по использованию управляемого термоядерного синтеза легких атомов в качестве источников чистой энергии, самым масштабным из которых является международный реактор ИТЭР.
С момента создания квантовой механики исследования мира квантов продолжались и развивались. Технологический прогресс последних десятилетий позволил не только наблюдать и описывать квантовые системы, но и создавать и контролировать объекты на наномасштабе, а также их квантовые свойства. Это неизбежно предвещает вторую «квантовую революцию». Подробно о причинах, перспективах и обещаниях этой революции — в следующей статье нашего спецпроекта.
Это начало серии статей о квантовых компьютерах. спецпроектаВместе с Homo Science. Первую главу можно найти по этой ссылке. ссылке.
