С другой стороны, развитие экспериментальной техники позволило физикам за последнее столетие открывать одну элементарную частицу за другой, причем существование многих из них удалось предсказать задолго до их обнаружения, что очевидно доказывало правоту квантовой теории. Правило «утиной походки» работает и в этом случае. Впрочем, следует говорить, по крайней мере, о двух «утках», поскольку двойственность имеет место, и справочник QPB Science Encyclopedia (1998), например, определяет фотон как «элементарную частицу или сгусток энергии, в виде которых испускаются свет и другое электромагнитное излучение. Фотон обладает одновременно характеристиками и частицы, и волны».
В каких условиях фотон ведет себя как частица, а в каких — как волна? Вообще говоря, при распространении в пустом пространстве свет представляет собой обычную волну, которая «превращается» в частицу при взаимодействии с каким-либо объектом. Волновая природа света широко используется астрономами при определении «красного смещения», которое, в свою очередь, позволяет определить расстояние от Земли до звезды или галактики. С другой стороны, квантовая природа света проявляется в работе лазеров. Некоторых физиков подобная двойственность продолжает беспокоить. Некоторые из них считают свет «скорее волнами, чем частицами», а другие — «скорее частицами, чем волнами». Между тем обе точки зрения справедливы, но относятся к поведению света в разных ситуациях. Разумеется, многие ученые мечтают разрешить эту проблему раз и навсегда, что, кстати, было бы весьма полезным в педагогических целях, поскольку сейчас большинство студентов-физиков обучается в соответствии с «точкой зрения» руководителя факультета или заведующего соответствующей кафедрой. Академические веб-сайты в Интернете, естественно, по той же причине дают противоречивые определения всех понятий, связанных с природой света.
В описанной ситуации нельзя никого винить. Физик Сидней Перковиц в книге «Empire of Light» («Империя света», 1996) подробно описывает, как эксперименты со светом, осуществленные в течение XX столетия самыми выдающимися учеными, весьма убедительно демонстрировали, что свет представляет собой и волны, и частицы. Дело заключается в том, что характер эксперимента может влиять на его результаты, хотя каждый из экспериментов в отдельности отвечает самым строгим научным стандартам. Эта ситуация просто отражает основной парадокс квантовой теории, который рассматривается в следующей главе и в соответствии с которым поведение электронов и фотонов непосредственно связано с влиянием приборов.
Волна или частица? Имеет ли это какое-нибудь значение? Если свет ведет себя «непоследовательно», стоит ли спорить о терминах? Возможно, проблема возникает из-за навязчивого стремления ученых дать строгие определения всем наблюдаемым предметам и явлениям. Упомянутая выше книга Перковица посвящена природе света, но имеет любопытный подзаголовок «История открытий в науке и искусстве». Автор одинаково серьезно и глубоко обсуждает проблемы искусства и физики, что делает рассматриваемые им противоречивые дуальности более очевидными. Например, Перковиц завершает главу, посвященную спорам о корпускулярной и волновой природе света, следующим глубокомысленным афоризмом известного художника Жоржа Брака, который наряду с Пикассо был одним из основателей кубизма: «Истина существует, изобретаются лишь вымыслы». Перковиц считает, что «этот принцип должен быть основополагающим в наших попытках понять природу света. Свет есть нечто реальное, а все научные истории, которые мы придумываем, чтобы объяснить связанные с ним необычные явления, всего лишь отражают степень нашего неведения. Реальность спокойно существует и функционирует в соответствии со своими законами независимо от наших измышлений. Если сознание и материя действительно связаны, то афоризм Брака приобретает важный смысл. Может оказаться, что связанная со светом истина и наши вымыслы взаимно дополняют друг друга».
Некоторые загадки науки раздражают нас, ставя в тупик перед теми вопросами, которые, казалось бы, нетрудно понять, например, как мы учимся языку или умеют ли разговаривать дельфины?
Я умышленно объединил эти два примера, поскольку они наглядно демонстрируют нашу собственную ограниченность. Стоит ли рассуждать о языке дельфинов, если мы не можем объяснить, как сами овладеваем родным или иностранным языком? Иные проблемы важны тем, что без их понимания мы не можем чего-то достичь или избежать каких-то опасностей. Например, загадка ледниковых периодов имеет отношение к проблеме глобального потепления, и, возможно, нам следует интенсивно изучать закономерности температурного режима своей планеты.
Загадки природы света могут показаться менее драматичными по сравнению с прочими. За последние сто лет мы прошли путь от электрической лампочки до мощных лазеров. Изобретение лампочки дало людям возможность читать не только днем, но и ночью, а лазерный луч позволяет, например, легко удалять с глаз катаракты, возвращая способность видеть и читать. Мы научились не только с огромной пользой применять свет, хотя некоторые его тайны остаются неразгаданными. Мы знаем, как использовать в своих целях дуализм света, т. е. его волновую и корпускулярную природу. Признание дуальной природы света обогащает нас.
Да будет свет!
Литература для дальнейшего чтения
1. Perkowitz, Sidney. Empire of Light: A History of Discovery in Science and Art. New York: Holt, 1996. Эту прекрасную и очень небольшую по объему книгу можно рекомендовать в качестве дополнения не только к данной главе, но и ко всей книге в целом.
2. Feynman, Richard P. QED: The Strange Theory of Light and Matter. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1985. Книга рассчитана на достаточно подготовленного читателя. Как и другие книги Фейнмана, она отличается блестящим стилем и своеобразным юмором.
3. Westfall, Richard S. The Life of Isaac Newton. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1993. Интересно изложенная биография одного из величайших гениев в истории человечества, написанная в несколько академическом стиле.
4*. Трофимова Т. И. Оптика и атомная физика. — М: Высшая школа, 1999. Содержит определения и интерпретацию физических понятий и законов оптики, включая интерференцию, дифракцию, поляризацию света, распространение света в веществе и др.
Глава 16.
Почему так много непонятного в квантовом мире?
Начнем с нескольких коротких фраз и выражений:
Кварк.
Квантовая пена.
Квантовое туннелирование.
Квантовая клаустрофобия.
Квантовая клаустрофобия!
Квантовая теория полна неожиданных названий и ярких метафор. Отчасти начало этой тенденции было положено Мюрреем Геллманном, получившим Нобелевскую премию в 1969 г. за созданную им классификацию элементарных частиц и их взаимодействий. Его теория предсказала существование кварков, неких гипотетических элементарных частиц, являющихся «кирпичиками», из которых построены протоны, нейтроны и вся материальная основа окружающего мира. Почему Геллманн назвал эти частицы кварками? В поисках термина для обозначения совершенно нового объекта он натолкнулся на таинственную фразу из очень сложного для понимания романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»: «Три кварка для мастера Марка». Она понравилась Геллманну тем, что в его теории гипотетические кварки часто появлялись по трое. Позднее удалось не только доказать существование кварков, но и обнаружить целый набор их разновидностей, которым физики также дали самые разные названия: верхний, нижний, очарованный, странный, красивый и истинный. Кроме того, оказалось, что каждый кварк обладает свойством, которое было названо «цветом». Разумеется, это понятие не имеет отношения к реальной окраске. Таким образом появились красный, зеленый и синий кварки. Пока изолированные кварки выделить не удалось, однако факт их существования надежно доказан весьма сложными экспериментами.
Не менее странным представляется понятие квантовой пены. Предлагаю читателю самому разобраться с определением, использованным Брайаном Грином в книге «The Elegant Universe» («Элегантная вселенная»): «…на ультрамикроскопическом уровне ткань пространства-времени выглядит как бы вспененной, искореженной». Под «тканью» автор подразумевает единое пространство-время в теории относительности Эйнштейна. Описание такой квантовой пены оказалось весьма сложной проблемой для физиков, пытающихся объединить теорию относительности с квантовой механикой.
Квантовое туннелированые означает способность объектов проникать через барьеры, непроницаемые для них в механике Ньютона. Это простое утверждение приводит к совершенно неожиданным последствиям.
Возможно, читатель испытает некоторое облегчение, узнав, что квантовая клаустрофобия — всего лишь другое название квантовых флуктуации, обусловленных принципом неопределенности Гейзенберга (мы вернемся к этой проблеме, поскольку с ней связаны многие задачи квантовой механики).