Триумф интеллекта. Что дало человечеству открытие фантастического квантового мира

Все намного сложнее

Казалось бы, это такой универсальный закон функционирования нашего мира. Так-то оно так, но не совсем. Как выяснилось в начале XX века, все намного сложнее.

Вся окружающая нас материя (живая и неживая) состоит из атомов (кому интересно, может взглянуть на «таблицу Менделеева» – в интернете есть). Когда-то считали, что все эти менделеевские атомы являются теми основополагающими элементарными компонентами, из которых все и устроено.

Потом выяснилось, что нет. Атомы имеют сложную внутреннюю структуру. Они состоят из так называемых «ядер», которые образуют протоны и нейтроны (ядра, по масштабам атомов, тяжелые), и вращающихся вокруг них электронов (они легкие). Все это отдаленно напоминает нашу солнечную систему. В центре – огромное и массивное солнце, а вокруг него вращаются маленькие (по сравнению с солнцем) планеты.

Нейтроны, протоны и электроны были названы «элементарными частицами». Далее обнаружилось, что электрон – он, действительно, «элементарный». А протоны и нейтроны – нет. Они состоят из так называемых кварков.

Да и других «элементарных» частиц со временем открыли великое множество, они взаимодействуют между собой, преобразуются друг в друга. Сейчас уже стало понятно, по каким законам.

Это понимание дала так называемая «стандартная модель» – одно из величайших достижений современной физики. А в ее основе лежит квантовая механика, которая возникла в конце XIX века – (Макс Планк) начале XX века (Эйнштейн, Нильс Бор и другие выдающиеся ученые).

Фантастичность жизни микромира

Так в чем состоит фантастичность жизни микромира? Прежде всего, в том, что он живет по вероятностным законам. Что это означает?

Вот представьте себе, что вы идете по лесу, ориентируясь на солнце. Небо чистое и голубое – так нет проблем. А если все затянуто облаками? Свет-то он есть. Но откуда идет? И где там солнце? Вы смотрите на небо. Вот здесь вроде ярче. Наверно, солнце там. Но ваш прогноз может быть неверным. А вдруг в этом месте просто облака раздвинулись? А потом они раздвинутся в другом месте?

Так что же делать? Дождаться пока эти облака действительно разойдутся, и вы увидите солнце в его законном месте. Говоря словами физики, «произведете измерение».

Вот так и в квантовой механике. Положение и характеристики каждой элементарной частицы носят случайный характер. Так называемый «корпускулярно-волновой дуализм». Т.е. она, частица, с одной стороны вроде бы и частица, такой маленький материальный объект, как песчинка – мала, но вот она, лежит здесь, на ладони.

А с другой стороны, она ведет себя по тому примеру солнца в облаках. Где оно? То ли тут, то ли там.

Спор Эйнштейна и Бора

Интересно, что Эйнштейн получил свою «нобелевку» вовсе не за теорию относительности, а за одну небольшую статью о квантовой механике, объяснявшей явление так называемого «фотоэффекта». Эйнштейн и Бор, тоже нобелевский лауреат, всю жизнь вели дискуссию об основах этой науки.

Дело все в том, что, как мы уже говорили, микромир живет по вероятностным законам. Эйнштейн по этому поводу однажды сказал – «Господь не играет в кости». На что Бор ему ответил: «Альберт, не надо учить Бога, как ему жить».

Суть спора, кстати, много сделавшего для развития науки, состояла в следующем. Эйнштейн считал, что весь математический аппарат квантовой механики не отражает истинного устройства микромира, а просто является такой хорошей придумкой, которая позволяет с высокой точностью предсказывать происходящие там события. А Бор отвечал ему, что это не так: если наши вычисления совпадают с результатами наблюдений и экспериментов, то они описывают истинное устройство мира. Сейчас в научном сообществе преобладает точка зрения Бора. Хотя вопросов накопилось много. Они носят фундаментальный характер, и ответов на них пока нет. Что касается практических применений, то здесь, как мы расскажем далее, все более или менее в порядке.

Как квантовая физика согласуется с законами макромира

Дело в том, что хотя все эти элементарные частицы живут по своим законам, весь окружающий макромир, в том числе и мы с вами, состоящие из всей этой «мелочи», живет по законам другим. Как так?

Ученые нашли ответ на этот вопрос. Дело в том, что так называемое уравнение Шредингера – основа описания всей квантовой физики, переходит в классические уравнения физики Ньютона, к которой мы привыкли. Это установил нобелевский лауреат Де Бройль, который, еще тогда, в начале XX века, ввел понятие «длинны волны Де Бройля» и показал, что если она мала, то квантовая физика переходит в ньютоновскую. А для всех макрообъектов, таких, например, как мы с вами, она мала. Так что ларчик открылся просто.

Что принесла нам квантовая физика

 Ньютоновская физика отражает привычные нам эмпирические представления о мире, на которых основаны все ключевые инженерные достижения нашего времени – самолеты, автомобили, ракеты и далее по списку.

Хотя и не все. Компьютеры, мобильные телефоны и прочие гаджеты, интернет, лазеры, оптоволоконные сети, атомная энергетика, рентген, томография, электронные микроскопы – все это не могло бы быть создано без науки о квантах.

Кто это сделал? В большинстве случаев какого-то одного автора всех этих изобретений нет, потому что над ними работало множество коллективов инженеров и ученых из разных стран. И все развивалось постепенно. Сначала появлялись первые, весьма несовершенные прототипы. Идеи, положенные в их основу, подхватывались и начинали развиваться. И так шаг за шагом, пока не появлялись то, чем мы привыкли пользоваться. Причем, как правило, это происходило параллельно в разных лабораториях и исследовательских центрах мира. Затем в дело вступали крупнейшие технологические компании, которые вкладывали большие инвестиции в то или иное изобретение и доводили его до промышленного производства. Вот только один пример.

Лазеры

Это слово, конечно, слышали все. Современные лазеры в разных своих ипостасях используются сейчас повсеместно. В медицине, например, глазная хирургия, в промышленности – сварка металлических конструкций, в оборонной промышленности – системы наведения, в космосе и исследованиях термоядерных реакций. Без сомнения можно сказать, что лазеры – одно из величайших технологических достижений XX века.

Так что такое лазер? Если говорить по-простому, то эта штука, устроена примерно так. Она состоит из «рабочего тела» и системы «накачки». Рабочим телом может быть какой-то газ или кристаллическое вещество. Система «накачки» определенным образом вкачивает (потому она так и называется) энергию в рабочее тело. Это приводит составляющие его (рабочего тела) атомы в «возбужденное» состояние. И они излучают электромагнитные волны с определенной частотой (так называемое когерентное излучение). Это излучение распространяется в пространстве в виде узкого, практически не рассеивающегося, пучка, и, достигая объекта применения (глаза или металлической конструкции), делает свое дело. Естественно, что лазеры, применяющиеся в разных сферах нашей жизни, обладают разными свойствами и разной мощностью.

Так откуда все это появилось? Кто эти лазеры изобрел? А вот так однозначно и не скажешь.

История создания лазеров

Еще в 1916 году Альберт Эйнштейн работал над квантовомеханической теорией взаимодействия излучения и материи. Из нее вытекала возможность создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн. Хотя Эйнштейн об этом и не писал, написал Алексей Толстой в своем романе «Гиперболоид инженера Гарина». Это гиперболоид был типичным примером сверхмощного лазера. Хотя понятно, что Толстой о лазерах (которых еще не было) и о квантовой механике ничего не знал. Так что это была так – научная фантастика.

Первая попытка экспериментально обнаружить то самое индуцированное рабочим телом излучение была предпринята только в 1928 году. Но к каким-то значимым результатам не привела.

И только в 1955 году советские ученые Николай Басов и Александр Прохоров разработали действующий прототип лазера. Разумеется, он не был промышленным.

Эти работы были подхвачены американскими физиками. Через два года Чарльз Таунс и Артур Шавлов начали работать над принципами создания лазеров. Наконец, в 1960 году исследователи из Bell Laboratories Али Джаван, Уильям Беннетт и Дональд Хэрриот продемонстрировали первый в мире промышленный газовый лазер на смеси гелия и неона, который повсеместно применяется и в наши дни. После этого физики и инженеры всего мира включились в гонку по созданию всевозможных лазеров, которая идет и по сей день.

Кстати, Басов, Прохоров и Таунс получили в 1964 году Нобелевскую премию за свои революционные разработки.

Вот и скажи после этого, кто создал лазеры. Человечество.

Вот так вся эта квантовая неопределенность в конечном итоге складывается во вполне стройную и предсказуемую картину нашего макромира. А таинства квантовой физики превращаются, в конечном итоге, во вполне осязаемые инженерные достижения, без которых уже сложно представить нашу жизнь.