Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Изображение Солнца, приведенное на рис. 10.4, сделано NASA's Solar Dynamics Observatory https://sdo.gsfc.nasa.gov/. Некоторые подробности, включая исторические, по поводу эффекта Казимира собраны в [67], а его собственные воспоминания включены в [53]. Детали истории открытия спина частично взяты из работы [60]. Воспоминания Гаудсмита [75] – перевод с голландского (в моем переводе с английского) его устного выступления на торжественном собрании Голландского физического общества в 1971 г. Там много других восхитительных подробностей, для которых, увы, здесь совсем не осталось места. Эренфест – член-корреспондент Академии наук СССР с 1924 г. Его жена, урожденная Афанасьева, преподавала математику на Высших женских курсах в Санкт-Петербурге. Осенью 1907 г. пара переехала в Санкт-Петербург, где они прожили пять лет; в 1912-м по приглашению Лоренца Эренфест получил работу в Лейдене.
…несомненно, что Россия могла бы стать моей родиной в самом глубоком значении этого слова, если бы я получил здесь постоянную преподавательскую работу где бы то ни было. Несмотря на мое недостаточное владение языком, я не ощущаю себя чужим в кругу здешних людей (исключая политических чиновников).
Из письма Эренфеста Лоренцу, 1912 г.И я говорю «Гайзенберг», а не «Гейзенберг» или «Хайзенберг», следуя старой физической традиции.
Движение на прогулке 10
Движение постоянно присутствует в квантовом «околоатомном» и субатомном мире, поскольку части этого мира обмениваются энергией и количеством движения. Но происходящее там лишено наглядности, на которой основаны наши обычные представления о движении. Визуальной картины нет: нельзя говорить о траектории в пространстве, нельзя определить ось вращения. Законы этого непредставимого движения в ряде случаев оказываются необычайно жесткими: движение, «пойманное» в пределах ограниченной области в пространстве, оказывается возможным только при дискретных значениях энергии. Из-за этого простым составным системам доступны лишь дискретные возможности их устройства; сборка атомов и молекул из заданного числа деталей оказывается возможной в единственном или почти единственном варианте. В результате мир на фундаментальном уровне построен не из плавно переходящих друг в друга неконтролируемых образований, а из ограниченного числа одинаковых частей с дискретно меняющимися свойствами. При этом наименьшее возможное значение энергии определяет основное состояние связанных систем, из которого нельзя забрать энергию движения, не разрушив систему. Покой невозможен даже в колебательных системах – там нельзя полностью выключить колебания.
В состояниях с определенной энергией объекты не имеют свойства занимать определенное положение в пространстве в определенный момент времени. Отсутствие локализации в ряде случаев приводит к туннелированию сквозь стены – преодолению областей, движение в которых запрещено в соответствии с классическими представлениями. Квантовое преодоление таких запретов происходит случайным образом, и лучшее возможное описание этих процессов – вероятностное.
Преемственность с привычной нам картиной движения поддерживают универсальные атрибуты движения, такие как энергия, количество движения и количество вращения. Однако в квантовом мире обращение с ними требует аккуратности. Не все эти величины определены одновременно для одного объекта, а те, которые определены, часто ограничены сериями значений, которыми управляют наборы целых чисел. Элементарные частицы, являющиеся бесструктурными образованиями, несут еще более абстрактные атрибуты «внутреннего» (спинового) количества вращения. На самом фундаментальном уровне квантовых полей передача энергии и количества движения от одних квантов полей к другим осуществляется в актах обмена виртуальными частицами.
При этом движение остается связующим звеном между привычным нам макроскопическим восприятием мира и тем, что происходит в субатомном мире: мы используем движение, которым можем управлять и результаты которого можем наблюдать, для «прощупывания» структуры мира на сверхмалых масштабах.
Прогулка 11
В поисках утраченного движения
Маршрут: От величины к высказыванию. – Как же о них думать. – Урок демократии. – Дискретное и непрерывное. Уединение и вдохновение. – Движение и энергия на вершине абстракций. – Уравнение Шрёдингера. – Волновая функция в поисках реальности. – Правило Борна. – Главная тайна квантовой механики. – Реальны все! – Часть и целое. – Ловушка Белла. – Основные подозреваемые. – Лоцманы спасают реализм. – Вспышки в пустоте. – Реализм по выбору. – Ускользающая реальность.
Главный герой: пси-функция
От величины к высказыванию. Уравнение Шрёдингера – главное уравнение квантовой механики – призвано ответить на вопрос, что будет, если известно, что имеет место сейчас. В этом качестве оно заменяет собой уравнения движения, но, как оказалось, требует существенных уточнений в понимании того, что значит «имеет место» (а отчасти и того, что значит «будет»). Вообще-то способность делать предсказания на основе подходящих уравнений и начальных условий мы обычно и принимаем за исчерпывающее понимание природы вещей. При этом, как правило, подразумевается нечто «совершенно очевидное»: описываемые явления происходят в пространстве, причем происходят с объектами, которые существуют во всей своей полноте и «сами по себе». В этой картине достаточно малые тела находятся в определенных точках пространства и обладают определенными скоростями и другими присущими им свойствами, которые все, вместе взятые, и определяют состояние каждого тела. Но уравнение Шрёдингера ни с чем таким дела иметь не собирается. Оно вообще оперирует абстракциями такого уровня, который до сих пор нам не встречался. С ними пришлось примириться под давлением обстоятельств – ради того, чтобы описать происходящее с атомами, электронами и т. д. Среди этих абстракций можно искать фрагменты наших обычных представлений о движении и даже некоторые находить, но в целом в квантовой механике осталось не так много «механического» в привычном смысле. Сложности, дающие о себе знать практически сразу, вызваны
