Чёрная дыра - Арне Кристер Фуглесанг

1925 году Шрёдингер сформулировал уравнение, описывающее развитие всей системы квантовой механики во времени: уравнение Шрёдингера. Но, как и Эйнштейн, Шрёдингер скептически относился к некоторым выводам, следующим из новых теорий. Свои сомнения он описал, в частности, с помощью знаменитого мысленного эксперимента с котом (см. пункт 15 выше).

В 1927 году ведущие физики мира собрались на конференцию в Брюсселе, столице Бельгии, чтобы обсудить новую науку – квантовую механику. Конференция носит название «Пятый Сольвеевский конгресс», и она запомнилась как одна из важнейших в истории развития физики. Вы только посмотрите, кто на ней присутствовал! В заднем ряду, ровно посередине, в сером пиджаке стоит Шрёдингер. Тремя участниками правее стоит Гейзенберг. Крайний правый в среднем ряду – Бор. Эйнштейн сидит в первом ряду посередине, а через два места слева от него сидит Мари Кюри (см. пункт 21). Из двадцати девяти участников семнадцать – нобелевские лауреаты! Среди прочих известных физиков стоит отметить Дирака (слева за Эйнштейном), Планка (слева от Кюри) и Паули (слева от Гейзенберга).

Wikipedia Commons

Шрёдингер был родом из Австрии, Гейзенберг – из Германии, а Бор – из Дании. В 20-е годы ХХ века немецкий язык был, наряду с английским, международным языком науки, и многие основополагающие статьи о квантовой механике написаны именно по-немецки. Auf Wieder-sehen по-немецки значит «До свидания», это обычная фраза при прощании (сравните с французским Au revoir).

17. Туннелирование

Феномен, заключающийся в том, что частицы в квантовом мире проходят сквозь барьеры, на преодоление которых у них на самом деле недостаточно энергии (обычно в виде скорости), называется туннельным эффектом. Он используется во многих современных аппаратах, в частности, в некоторых электронных компонентах и ряде мощнейших микроскопов, так называемых сканирующих туннельных микроскопах. Распад атомов с альфа-излучением, упомянутый в пункте 13, можно рассмотреть таким образом: альфа-частица заперта в атомном ядре, где она вращается с определённой скоростью. Альфа-частица снова и снова наталкивается на барьер, удерживающий её внутри, но вдруг – в какой-то случайный момент времени – она проходит сквозь барьер и вылетает из атома.

18. Параллельные пути в квантовом мире

Для того, чтобы объяснить, как двигаются мельчайшие частицы, мы должны предположить, что они перемещаются как волны, самыми разными путями одновременно. Совсем не так, как движутся привычные нам предметы.

Если мы, например, кинем мяч в забор с редкими досками, мы увидим, что мяч пролетит в одно из отверстий – и только в одно (если он, конечно, не отскочит от доски) – и приземлится на некотором расстоянии по ту сторону забора. Даже если мы не смотрим на мяч, мы знаем, что он пролетает только в одну щель. Но если запустить электрон в соответствующий микроскопический заборчик и не пытаться смотреть (то есть каким-либо образом замерять), через какую щель пройдёт электрон, то он залетит сразу во все отверстия! Если электрон ведёт себя как волна, он вполне может это сделать. А если за мини-заборчиком у вас расположена стена, не позволяющая электрону улететь дальше, то электрон ударится о стену только в одном месте, как будто он – микроскопический мячик. Можно сказать, что электрон движется как волна, но как только его что-то останавливает, он становится частицей, находящейся в определённом месте.

Откуда мы всё это знаем? Дело в том, что, если запустить в мини-заборчик множество электронов и посмотреть, где они ударятся о стену, то мы увидим, что они образуют характерный волнообразный рисунок. Мы никогда не можем с точностью знать, в каком именно месте электрон стукнется о стену – мы можем лишь рассчитать вероятность того, что он натолкнётся на стену в том или ином месте.

А если мы всё-таки попытаемся каким-то образом заметить, в какое отверстие в заборчике залетит электрон? Что произойдёт тогда? Тогда получится, что мы на мгновение превращаем электрон в частицу, когда он пролетает сквозь щель в заборе, замечаем его в конкретном месте, а затем он снова становится волной до тех пор, пока не ударится о стену. Тогда электрон пролетает только через одно отверстие. И если мы проделаем то же самое с множеством электронов, то получим совсем другую картину, нежели раньше.

19. Волновая функция

Причина, по которой игра «Смотри и бери» не работает в нашем обычном мире, заключается в следующем: вести себя и как частицы, и как волны могут лишь предметы намного меньше тех, что мы видим. Дядя Альберт прав – мы не можем знать точно, из какой дыры выпрыгнет предмет, относящийся к квантовому миру, но всегда можно рассчитать шансы для каждого отдельного отверстия. Можно сформулировать так: когда электроны и другие квантовые предметы передвигаются как волны, размер волны в определённом месте соответствует вероятности, что именно там появится электрон, если начать за ним наблюдать. Основополагающее понятие в квантовой механике, включающее в себя аспект и частиц, и волн, исходя из которого мы рассчитываем шансы (или, иными словами, вероятность), называется волновой функцией.

20. Квантовое переплетение

Одно из самых интересных и поразительных явлений в квантовой механике заключается в том, что квантовые предметы действительно могут иметь много разных значений одновременно. Когда специалисты по квантовой механике ставят эксперименты, они часто измеряют спин частиц – другими словами, то, как частица вращается вокруг своей оси. Частицы вращаются либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Учёные называют это «спин вверх» и «спин вниз». Но прежде чем мы проведём наблюдение, частица осуществляет и спин вверх, и спин вниз одновременно. Иногда бывает так, что две частицы общего происхождения имеют связь. Говорят, что эти частицы переплетены. При этом частицы могут находиться сколь угодно далеко друг от друга – переплетение будет сохраняться, если его не нарушить. А нарушить переплетение можно, если начать измерять одну из частиц. Если частицы сталкиваются с чем-либо, переплетение тоже разрушается.

Приведём пример переплетения: частица без спина распадается, от неё отлетают две частицы со спином вверх и спином вниз. Когда мы наблюдаем за этими частицами, у одной из них должен быть спин вверх, а у другой спин вниз, поскольку спины должны уравновешивать друг друга. А до того, как мы начнём за ними наблюдать, у обеих частиц есть и спин вверх, и спин вниз. Но если же мы определили, что у одной из частиц спин вверх, то мы можем быть абсолютно уверены, что у второй частицы будет спин вниз. В нашем рассказе встречается ещё один пример: у Баутома, в котором застрял Лунник, и у выброшенного Баутомом вертящегося шарика спины