Тайный мир призраков

Если устроить опрос среди ученых и поинтересоваться у них, какая научная теория, по их мнению, является самой успешной, всеохватывающей и важной, ответ будет с большой вероятностью зависеть от того, задаете вы вопрос ученому-физику или биологу. Большинство биологов считают самой глубокой теорией, когда-либо выдвинутой ученым, дарвиновскую теорию эволюции путем естественного отбора. Физики же наверняка отдадут пальму первенства квантовой механике, во многом лежащей в основании физики и химии и открывающей перед нами удивительно полную картину строения Вселенной. Действительно, без объяснительной силы квантовой механики рушатся все наши современные представления о мире.

Каждый из нас хоть что-нибудь да слышал о квантовой механике. Более того, представления о том, что в этих сложнейших научных дебрях ориентируются только ничтожное количество очень умных людей, давно стали частью массовой культуры. На самом деле квантовая механика является неотъемлемой частью жизни каждого человека с самого начала XX века. В основе этой научной дисциплины лежит математическая теория, разработанная в середине 1920-х годов для объяснения процессов в мире ничтожно малых величин (так называемом микромире) – например, поведения атомов, из которых состоит все вокруг, а также свойств частиц гораздо меньших размеров. Так, описывая правила поведения электронов внутри атомов, квантовая механика становится фундаментом химии, материаловедения и даже электроники. Математические правила моделирования, разработанные в рамках квантовой механики (несмотря на ее странность и сухость), лежат в основе большинства научно-технических достижений последних 50 лет. Квантовая механика объясняет, как электроны движутся в различных материалах. Это дало человеку ключ к разгадке поведения полупроводников, на которых зиждется современная электроника. Без понимания поведения полупроводников мы не смогли бы создать кремниевый транзистор, а позднее – микрочип и современный компьютер. Список можно продолжить: без тех знаний, которые открыла нам квантовая механика, мы бы не имели лазера и, соответственно, CD и DVD и стандарта Blu-ray; без квантовой механики у нас не было бы смартфонов, спутниковой навигации и МРТ-сканеров. Более того, по оценкам специалистов, свыше одной третьей ВВП развитых стран мира связано с технологиями, которые были бы невозможны без понимания механики микромира.

И это только начало. Мы смело можем надеяться на квантовое будущее (и с большой вероятностью мы с вами его застанем), когда нам благодаря управляемой термоядерной реакции, индуцированной лазерами, будут доступны неограниченные объемы электроэнергии; когда искусственные молекулярные механизмы будут выполнять множество задач в сфере машиностроения, биохимии и медицины; когда квантовый компьютер станет носителем искусственного интеллекта; и наконец, когда телепортация, придуманная писателями-фантастами, станет привычным способом передачи информации. Квантовая революция, начавшаяся в XX веке, в XXI невероятно ускоряет темпы. Дух захватывает от того, насколько она изменит нашу с вами жизнь.

Так что же такое квантовая механика? Ответ на этот вопрос мы с вами будем искать на протяжении всей книги. Начнем, пожалуй, с некоторых примеров, интересных прежде всего новичкам, – примеров существования скрытой квантовой реальности, лежащей в основе нашей жизни.

Первый пример иллюстрирует одну из странных особенностей квантового мира и, возможно, его главную отличительную черту – корпускулярно-волновой дуализм. Всем нам известен тот факт, что мы сами и все, что нас окружает, состоим из множества крошечных дискретных частиц – атомов, электронов, протонов и нейтронов. Вы, возможно, знаете также, что энергия (например, свет или звук) проявляет скорее свойства волн, нежели частиц. Волны распространяются в направлении движения, а не рассеиваются. Они движутся в пространстве, как, скажем… морские волны (другое слово трудно подобрать) с их вершинами и подошвами. Квантовая механика берет свое начало с того момента, когда в самом начале XX века ученые открыли, что частицы способны проявлять свойства волн, а световые волны могут вести себя как частицы.

Разумеется, корпускулярно-волновой дуализм – не та вещь, о которой обычный человек станет задумываться каждый день. Тем не менее он является необходимой базой для создания многих приборов, в частности электронных микроскопов, благодаря которым врачи и ученые имеют возможность видеть, идентифицировать и исследовать объекты настолько малых размеров, что их нельзя наблюдать с помощью традиционных оптических микроскопов. К таким объектам относятся, например, вирусы, приводящие к развитию СПИДа или обычной простуды. Электронный микроскоп был создан благодаря открытию свойств волны у электронов. Немецкие ученые Макс Кнолль и Эрнст Руска пришли к мысли о том, что, поскольку длина волны (расстояние между ближайшими вершинами или подошвами) электрона намного короче, чем длина видимой световой волны, микроскоп, основанный на электронном изображении, должен обладать гораздо большей разрешающей способностью по сравнению с оптическим микроскопом. Это возможно благодаря тому, что любые крошечные объекты, размеры которых не превышают размеров волны, попадающей на них, никак не влияют на нее. Представьте океанские волны, длина которых достигает нескольких метров, обрушивающиеся на прибрежную гальку. Изучая эти волны, вы мало что узнаете о форме и размере отдельных камушков, омываемых ими. Для этого вам понадобятся волны гораздо меньших размеров, как, например, те, что образуются в волновом лотке, или те, которые демонстрируют школьникам учителя физики, чтобы дети «разглядели» камушек в тот момент, когда волна отскакивает от него или огибает. Итак. В 1931 году Кнолль и Руска создали первый в мире электронный микроскоп и с помощью нового прибора получили первые в мире изображения вирусов. За изобретение электронного микроскопа Эрнст Руска был удостоен Нобелевской премии по физике. Однако произошло это с большим запозданием – лишь в 1986 году (за два года до смерти ученого).

Наш второй пример, возможно, еще более фундаментален и масштабен. Почему светит солнце? Большинство людей, скорее всего, имеют представление о том, что Солнце фактически является термоядерным реактором, в котором сжигается газообразный водород и выделяется тепло и свет, поддерживающие жизнь на Земле. Однако немногие знают, что Солнце не могло бы светить, если бы не одно замечательное квантовое свойство, позволяющее частицам «проходить сквозь стены». Солнце (и все остальные звезды во Вселенной) излучает огромные объемы энергии потому, что ядра атомов водорода, каждое из которых содержит единственную положительно заряженную частицу – протон, способны сливаться. В результате такого слияния выделяется энергия в виде электромагнитного излучения, которое мы называем солнечным светом. Два ядра водорода должны оказаться на очень близком расстоянии друг от друга, чтобы слиться воедино. Однако чем ближе они друг к другу, тем мощнее сила отталкивания между ними, ведь каждый из них несет положительный заряд, а одинаковые заряды отталкиваются. Для того чтобы приблизиться друг к другу на расстояние, необходимое для слияния, частицы должны преодолеть внутриатомный аналог кирпичной стены – на первый взгляд, абсолютно непроницаемый энергетический барьер. Классическая физика, основанная на ньютоновских законах движения, механики и притяжения, достаточно точно описывающих мир шариков, пружин, паровых двигателей (и даже планет), предсказывала, что подобное преодоление невозможно. Частицы не могут проникать сквозь стены, а следовательно, солнце не должно светить.

Тем не менее частицы, подчиняющиеся законам квантовой механики (например, атомные ядра), прячут, так скажем, козырь в рукаве: они легко могут преодолевать потенциальный барьер. Этот процесс в физике называют туннельным эффектом или туннелированием. Важно отметить, что именно корпускулярно-волновая двойственность частиц позволяет им совершать туннелирование. Волны могут обтекать объекты, например прибрежные камни, но они также способны проходить сквозь них. Так, звуковые волны проходят сквозь ваши стены, когда вы слышите, как работает телевизор соседа. Разумеется, воздух, в котором распространяется звуковая волна, сам не проходит сквозь стену. Колебания в воздухе – звук – заставляют стену вибрировать и проталкивать воздух, в котором распространяется волна, в вашу комнату. Таким путем звук достигает вашего уха. А если бы вы сами обладали свойствами атомного ядра, то время от времени могли бы проходить – совсем как призрак – сквозь достаточно толстые стены. Как раз это успешно удается совершить внутри Солнца ядру атома водорода: оно может разогнаться и «просочиться» сквозь энергетический барьер, словно привидение, сблизиться с таким же ядром по другую сторону невидимой стены и слиться с ним. Когда вы в следующий раз будете нежиться на солнечном пляже и смотреть, как волны накатывают на берег, вспомните о волнообразном движении квантовых частиц-призраков, которые не только позволяют вам наслаждаться солнечным светом, но и поддерживают жизнь на всей нашей планете.

Третий пример связан с двумя предыдущими. Он иллюстрирует еще одну, более странную, особенность квантового мира – явление, получившее название «принцип суперпозиции». Данный принцип заключается в том, что частицы способны выполнять два (а то и сто, и миллион) действия одновременно. Именно это свойство частиц обусловливает сложность и богатейшее многообразие нашей с вами Вселенной. Вскоре после Большого взрыва, в результате которого и образовалась наша Вселенная, получившееся космическое пространство было заполнено атомами единственного элемента – простейшего по своей структуре водорода, состоящего из одного положительно заряженного протона и одного отрицательно заряженного электрона. Такое пространство являло собой довольно унылое зрелище: ни о звездах, ни о планетах, ни тем более о каких-либо живых организмах не могло быть и речи, ведь все, что нас окружает, включая нас самих, состоит из более прочных «кирпичиков», более тяжелых элементов, нежели водород, – например, углерода, кислорода и железа. К счастью для нас с вами, эти более тяжелые элементы образовались внутри звезд, первоначально состоящих из водорода. Существование же первоэлемента звезд – изотопа водорода под названием «дейтерий» – возможно только благодаря своего рода квантовому волшебству.

Как же возникает дейтерий внутри Солнца? Первый шаг мы только что описали: два ядра атомов водорода, а точнее, два протона плотно приближаются друг к другу в результате туннелирования. При этом выделяется энергия, которая превращается в солнечный свет, согревающий нашу планету. Следующий шаг – объединение двух протонов. Оно не происходит в одно мгновение вовсе не потому, что при взаимодействии частиц не возникает достаточной для их слияния силы. Все атомные ядра состоят из двух типов частиц: протонов и нейтронов, не имеющих электрического заряда. Если ядро содержит слишком много частиц того или другого типа, законы квантовой механики обязывают его выравнять баланс. Тогда лишние частицы принимают новую форму: протоны становятся нейтронами или нейтроны – протонами в результате процесса, получившего название «бета-распад». Вот что происходит при столкновении двух протонов: поскольку существование ядра, состоящего только из двух протонов, невозможно, один из них превращается в нейтрон. Оставшийся протон и образовавшийся нейтрон могут слиться в новый объект – дейтрон (ядро изотопа тяжелого водорода – дейтерия). В дальнейшем ядерные реакции могут привести к формированию сложных ядер новых элементов, более тяжелых, чем водород: от гелия (ядро которого содержит два протона и один либо два нейтрона) до углерода, азота, кислорода и других.

Ключевой момент состоит в том, что дейтрон обязан своим существованием собственной способности пребывать одновременно в двух состояниях (в силу квантовой суперпозиции). Эта способность, в свою очередь, обусловлена тем, что протон и нейтрон могут объединяться двумя различными способами в зависимости от векторов спинов. Позже мы поговорим о том, что понятие спина связано с вращательным состоянием частицы, которое имеет квантовую природу и не может трактоваться как вращение объекта, например теннисного мячика, в терминах классической механики. Однако пока обратимся к обыденным, интуитивным представлениям о вращающейся частице. Вообразите, что внутри дейтрона протон и нейтрон исполняют совместный танец, поставленный блестящим хореографом, при этом одна частица движется в ритме медленного задушевного вальса, а другая танцует зажигательный джайв. Еще в 1930-е годы ученые открыли, что в ядре дейтерия две частицы исполняют вместе не какой-то один из этих танцев, а оба одновременно. Их в одно и то же время влечет ритм вальса и джайва, и именно это позволяет им составлять одно целое.

Естественной реакцией на такое утверждение является вопрос: «Откуда нам знать?» Безусловно, атомные ядра слишком малы, чтобы их увидеть, так не будет ли разумнее предположить, что в нашем понимании ядерных сил есть большие пробелы? Нет, не будет. В научных лабораториях из года в год снова и снова подтверждается, что, если бы протон и нейтрон исполняли вместе только квантовый вальс или квантовый джайв, ядерные связи между ними не были бы достаточно прочными, чтобы объединить их в пару. Только когда эти два состояния накладываются друг на друга (словно две реальности, существующие одновременно), возникает достаточно мощная связывающая сила. Давайте сравним подобное наложение реальностей друг на друга со смешиванием красок, например синей и желтой, в результате чего получается новый цвет – зеленый. Хотя вам известно, что зеленый получается из двух первичных цветов-компонентов, он не является ни одним, ни вторым. При смешивании синего и желтого в разных пропорциях мы получим различные оттенки зеленого. Подобным образом дейтрон образуется в том случае, когда протон и нейтрон увлечены классическим вальсом, в который вкраплены лишь некоторые элементы джайва.

Итак, если бы частицы не умели танцевать джайв и вальс, наша Вселенная так и осталась бы бульоном из газообразного водорода и ничем более. Не было бы сияющих звезд, не сформировались бы никакие другие химические элементы, и вы сейчас не читали бы эти строки. Мы существуем благодаря способности протонов и нейтронов к такому парадоксальному квантовому поведению.

Последний пример снова возвращает нас в мир технологий. Знание законов квантового мира можно использовать не только для того, чтобы разглядеть крошечные объекты вроде вирусов, но и для того, чтобы заглянуть внутрь самих себя. Магнитно-резонансная томография (МРТ) – метод исследования мягких тканей, позволяющий получать поразительно четкие изображения. МРТ-сканирование регулярно используется для подтверждения диагнозов и для обнаружения опухолей внутренних органов. В нетехнических описаниях МРТ, как правило, не упоминается тот факт, что этот метод основан на таинственных законах, действующих в квантовом мире. В МР-томографе используются мощнейшие магниты, способные изменять магнитный момент (спин) протона в ядре атомов водорода, находящихся в организме человека. Затем на ядра, протоны которых поменяли параметры спинов, воздействуют радиочастотным импульсом, что приводит к тому самому странному квантовому состоянию, когда частицы внутри ядра существуют одновременно в двух противоположных фазах. Бесполезно пытаться представить себе, как это выглядит, поскольку это невообразимо отличается от нашего повседневного опыта! Важно то, что, когда атомные ядра возвращаются в исходное положение (положение, в котором они пребывали до состояния квантовой суперпозиции, обусловленного воздействием магнитного поля), выделяется энергия, которую регистрирует электронная система сбора данных МР-томографа. Именно благодаря этой энергии мы получаем невероятно точные изображения внутренних органов пациента.

Если вы когда-нибудь окажетесь внутри МР-томографа, слушая приятную музыку через наушники, подумайте о парадоксальном квантовом поведении частиц, благодаря которому работает это удивительное диагностическое устройство.