Дао физики - Фритьоф Капра

Вскоре после появления этой «планетарной» модели атома было обнаружено, что от количества электронов зависят химические свойства элемента, а сегодня мы знаем, что можно составить периодическую таблицу элементов, последовательно добавляя протоны к ядру самого легкого атома — гидрогена, состоящего из одного протона и одного электрона — атома водорода, а также соответствующее число электронов к «оболочке» атома. Взаимодействие между атомами порождает различные химические процессы, так что вся химия ныне может быть, в принципе, понята на основе законов атомной физики.

Эти законы не так-то легко было открыть. Они были сформулированы лишь в двадцатые годы нашего века благодаря усилиям физиков разных стран: датчанина Нильса Бора, француза Луи де Бройля, австрийцев Эрвина Шредингера и Вольфганга Паули и англичанина Поля Дирака. Эти люди первыми соприкоснулись с неведомой необычной реальностью мира атома. Результаты всех экспериментов были парадоксальны и непонятны, и все попытки выяснить, в чем тут дело, оборачивались неудачей. Не сразу физики пришли к выводу о том, что парадоксы обусловлены тем, что они пытаются описывать явления атомной действительности в терминах классической физики. Однако, убедившись в этом, они стали по-другому воспринимать экспериментальные данные, что позволило им избегнуть противоречий. По словам Гейзенберга, «они каким-то образом прониклись духом квантовой теории», и смогли четко и последовательно сформулировать ее в математическом виде.

Однако даже после этого понятия, которыми оперировала квантовая теория, остались очень непривычными. Ранее эксперименты Резерфорда обнаружили, что атомы не являются твердыми и неделимыми, а состоят из незаполненного пространства, в котором движутся очень маленькие частицы, а теперь квантовая теория утверждала, что эти частицы тоже не являются цельными и неделимыми, что шло совершенно вразрез с положениями классической физики. Частицы, из которых состоят атомы, обладают, подобно свету, двойной природой. Их можно рассматривать и как волны, и как частицы.

Это свойство материи и света очень необычно. Кажется совершенно невероятным, что что-то может одновременно быть частицей — единицей чрезвычайно малого объема — и волной, способной перемещаться на большие расстояния. Это противоречие породило большую часть тех напоминающих КОАНЫ парадоксов, что легли в основу квантовой теории. Все началось с открытия Макса Планка, свидетельствовавшего о том, что энергия теплового излучения испускается не непрерывно, а в виде отдельных вспышек. Эйнштейн назвал их «квантами» и увидел в них фундаментальный аспект природы. Он был достаточно смел, чтобы утверждать, что электромагнитное излучение может существовать не только в форме электромагнитных волн, но и в форме квантов. С тех пор кванты света рассматриваются как подлинные частицы и называются фотонами. Это частицы особой разновидности, лишенные массы и всегда движущиеся со скоростью света.

Очевидное противоречие между свойствами волн и частиц разрешилось совершенно непредвиденным образом, поставив под вопрос саму основу механистического мировоззрения — понятие реальности материи. Внутри атома материя не существует в определенных местах, а, скорее, «может существовать»; атомные явления не происходят в определенных местах и определенным образом наверняка, а, скорее, «могут происходить». Язык формальной математики квантовой теории называет эти возможности вероятностями и связывает их с математическими величинами, предстающими в форме волн. Вот почему частицы могут в то же время быть волнами. Это не «настоящие» трехмерные волны, как, например, волны на поверхности воды. Это «вероятностные волны» — абстрактные математические величины со всеми характерными свойствами волн, выражающие вероятности существования частиц в определенных точках пространства в определенные моменты времени. Все законы атомной физики выражаются в терминах этих вероятностей. Мы никогда не можем с уверенностью говорить об атомном явлении; мы можем только сказать, насколько вероятно, что оно произойдет.

Таким образом, квантовая теория доказывает ложность классических представлений о твердых телах и о строгом детерминизме природных законов. На субатомном уровне вместо твердых материальных объектов классической физики наличествуют волноподобные вероятностные модели, которые, к тому же отражают вероятность существования не вещей, а, скорее, взаимосвязей. Тщательный анализ процесса наблюдения в атомной физике показал, что субатомные частицы существуют не в виде самостоятельных единиц, но в качестве промежуточного звена между подготовкой эксперимента и последующими измерениями. Так, квантовая теория свидетельствует о фундаментальной цельности мироздания, обнаруживая, что мы не можем разложить мир на отдельные «строительные кирпичики». Проникая в глубины вещества, мы видим не самостоятельные компоненты, а сложную систему взаимоотношений между различными частями единого целого. В этих взаимоотношениях непременно фигурирует наблюдатель. Человек-наблюдатель представляет собой конечное звено в цепи процессов наблюдения, и следует воспринимать свойства любого объекта атомной действительности, обязательно учитывая взаимодействие последнего с наблюдателем. Это означает, что классический идеал объективного описания природы отошел в небытие. Имея дело с атомной действительностью, нельзя следовать картезианскому разделению мира и личности, наблюдателя и наблюдаемого. В атомной физике нельзя сообщить информацию о природе таким образом, чтобы остаться при этом в тени.

Новая теория строения атома сразу же смогла решить несколько загадок строения атома, перед которыми оказалась бессильной планетарная теория Резерфорда, стало известно, что атомы, образующие твердую материю, состоят из почти пустого пространства, если рассматривать с точки зрения их распределения массы. Но если все вокруг нас, да и мы сами, состоит из пустоты, то почему мы не можем проходить сквозь запретные двери? Другими словами, что придает веществу твердость?

Вторая загадка — невероятная механическая стабильность атомов. Например, в воздухе атомы миллионы раз в секунду сталкиваются друг с другом и, тем не менее, после каждого столкновения приобретают прежнюю форму. Никакая система планет, подчиняющаяся законам классической механики, не выдержала бы таких столкновений. Однако сочетание электронов атома кислорода всегда одинаково, сколько бы они ни сталкивались с другими атомами. Два атома железа, а следовательно, и два железных бруска, абсолютно идентичны, несмотря на то, где они находились и как с ними обращались до этого.

Квантовая теория показала, что эти поразительные свойства атомов обусловлены волновой природой электронов. Для начала скажем, что твердость материи — результат типичного «квантового эффекта», обусловленного двойственной природой материи и не имеющего аналогов в макроскопическом мире. Когда частица находится в ограниченном объеме пространства, она начинает усиленно двигаться, и чем значительнее ограничение, тем выше скорость. Следовательно, в атоме действуют две противоположные силы, С другой стороны, электрические силы стремятся как можно сильнее приблизить электрон к ядру. Электрон реагирует на это, увеличивая свою скорость, и чем сильнее притяжение ядра, тем выше скорость; она может быть равна шестистам милям в секунду. Вследствие этого атом воспринимается как непроницаемая сфера, так же как вращающийся пропеллер выглядит как диск. Очень сложно еще больше сжать атом, и поэтому материя кажется нам твердой.

Таким образом, электроны в атоме размещаются на различных орбитах с тем, чтобы уравновесить притяжение ядра и свое противодействие этому. Тем не менее, орбиты электронов значительно отличаются от орбит планет Солнечной системы вследствие их волновой природы. Атом нельзя уподобить маленькой планетарной системе. Мы должны представить себе не частицы, вращающиеся вокруг ядра, а вероятностные волны, распределенные по орбитам. Производя измерения, мы обнаруживаем электроны в какой-либо точке орбиты, но не можем сказать, что они «вращаются вокруг ядра» в понимании классической механики.

На орбитах эти электронные волны формируют замкнутые паттерны так называемых «стоячих волн». Эти паттерны возникают всегда, когда волны ограничены в некотором конечном пространстве, как, например, упругие колебания гитарной струны или воздушные колебания внутри флейты (см. рис. 6). Известно, что стоячие волны могут иметь ограниченное количество очертаний. В случае с электронами внутри атома это означает, что они могут существовать только на определенных атомных орбитах, имеющих определенный диаметр. Например, электрон атома водорода может находиться только на его первой, второй или третьей орбите, но не между ними. При нормальных условиях он всегда будет на нижней орбите, которая называется «стационарным состоянием» атома. Оттуда электрон, получив необходимое количество энергии, может перескочить на более высокие орбиты, и тогда говорят, что атом находится в «возбужденном состоянии», из которого может вновь перейти в стационарное, испустив избыточное количество энергии в силе фотона, или кванта электромагнитного излучения. Все атомы, обладающие одинаковым количеством электронов, характеризуются одинаковыми очертаниями электронных орбит и одинаковым расстоянием между ними. Поэтому два атома — скажем, кислорода, — абсолютно идентичны. Приходя в возбужденное состояние — например, сталкиваясь в воздухе с другими атомами, в итоге все они неизбежно возвращаются в одно и то же состояние. Так, волновая природа электронов обуславливает идентичность атомов одного химического элемента и их высокую механическую устойчивость.