Физика будущего - Мичио Каку

Но если мы с вами по большей части пусты, то почему мы не можем проходить сквозь стены? В фильме «Привидение» герой Патрика Суэизи, убитый соперником, превращается в призрак. Каждый раз, когда он пытается прикоснуться к своей бывшей невесте, которую играет Деми Мур, у него ничего не получается Его руки проходят сквозь обычное вещество; он понимает что утратил вещественную составляющую и теперь просто плавает, не замечая твердых объектов. В одной сцене он засовывает голову в движущийся вагон метро. Поезд несется мимо, голова героя торчит сквозь летящую стену, но он ничего не чувствует (Фильм не объясняет, почему сила тяжести не заставляет героя провалиться сквозь пол и дальше до самого центра Земли. Судя по всему, привидения могут проходить сквозь любые вещи кроме твердого пола.)

И все же, почему мы не можем, подобно привидениям проходить сквозь твердые объекты? Ответ заключается в одном любопытном квантовом явлении. Принцип запрета Паули гласит что в одной квантовой системе два электрона не могут существовать в одном и том же квантовом состоянии. Поэтому при сближении два почти идентичных электрона отталкиваются друг от друга. Именно поэтому объекты представляются нам твердыми, что, вообще говоря, иллюзия. Реальность заключается в том, что вещество по большей части пусто.

Садясь на стул, мы думаем, что касаемся его поверхности На самом же деле мы зависаем чуть выше под действием электрических и квантовых сил стула и плаваем меньше чем в нанометре над сиденьем. Это означает, что любое «касание», условно мы не можем добиться непосредственного контакта. Атомные силы гарантируют, что между двумя объектами всегда остается какое-то расстояние. (Это означает также, что если бы мы научились нейтрализовать каким-то образом на время принцип запрета, то могли бы проходить сквозь стены. Однако никто не знает, как можно было бы это сделать.)

Квантовые силы не только не дают атомам сталкиваться друг с другом, но и связывают их в группы — молекулы. Представьте на мгновение, что атом похож на крохотную Солнечную систему с центральным светилом и обращающимися вокруг него планетами. При встрече двух таких систем планеты либо начнут сталкиваться между собой, либо разлетятся в разные стороны, а сами системы перестанут существовать. Солнечные системы не могут оставаться стабильными при столкновениях так что по идее атомы при столкновениях друг с другом должны были бы прекращать существование.

На самом деле при сближении два атома либо упруго отскакивают друг от друга, либо соединяются в стабильную молекулу. Вообще, если из атомов могут образовываться стабильные молекулы, то только потому, что некоторые электроны могут принадлежать одновременно двум атомам. С точки зрения здравого смысла такая ситуация представляется нелепой. Если бы электроны подчинялись интуитивно понятным законам Ньютона, это было бы невозможно. Но принцип неопределенности Гейзенберга гласит: мы не можем точно определить, где находится электрон. Вместо того чтобы кружить маленькой планетой вокруг атомного ядра, он оказывается размазан по общей электронной оболочке двух атомов, что и удерживает их вместе.

Иными словами, если «отключить» квантовую теорию (точнее, квантовые законы), все молекулы рассыплются при столкновениях и любой объект (в том числе и человеческое тело) превратится в облачко элементарных частиц. Именно квантовая теория объясняет, почему атомы могут существовать и сцепляться между собой, образуя твердое вещество, вместо того чтобы рассыпаться на отдельные частицы.

(Кстати говоря, поэтому вложенные миры невозможны. Некоторые воображают, что наша Солнечная система или даже Галактика на самом деле, возможно, является всего лишь атомом какой-то другой гигантской вселенной. Именно такой мир показан в финальной сцене фильма «Люди в черном»: вся известная нам Вселенная оказывается на самом деле лишь атомом шарика в руках у какого-то иномирного существа. Однако с точки зрения науки такая ситуация невозможна, потому что с изменением масштаба законы природы тоже меняются. Законы, которым подчиняются атомы, сильно отличаются от законов, которым подчиняются галактики.)

Вот некоторые принципы квантовой теории, которые непосвященному человеку покажутся слишком заумными:

•невозможно знать одновременно скорость частицы и ее положение в пространстве — здесь всегда присутствует неопределенность;

•частицы могут в определенном смысле находиться в двух местах одновременно;

•все частицы существуют как смесь различных состояний; к примеру, вращающиеся частицы могут представлять собой смесь частиц, оси которых вращаются одновременно вверх и вниз;

•вы можете исчезнуть здесь и появиться где-то в другом месте.

Все эти утверждения на первый взгляд звучат нелепо. Сам Эйнштейн однажды сказал: «Чем успешнее становится квантовая теория, тем глупее она выглядит». Никто не знает, откуда берутся такие странные законы. Ученые просто постулировали их — объявили истиной без всяких объяснений. Есть лишь одна вещь, которую можно сказать в оправдание квантовой теории: она верна. Ее верность измерена с точностью до одной десятимиллиардной, а это значит, что квантовая теория — самая точная и успешная физическая теория всех времен.

Однако в повседневной жизни мы не наблюдаем ничего, что хотя бы отдаленно напоминало перечисленные выше невероятные явления. Дело в том, что мы с вами состоим из множества триллионов атомов, и квантовые эффекты в некотором смысле усредняются и становятся незначимыми.

Двигать отдельные атомы

Ричард Фейнман мечтал о дне, когда физик сможет построить любую молекулу, собрав ее по «чертежу», атом за атомом. Тогда, в 1959 г., это казалось невозможным, но сегодня эта мечта в какой-то мере стала реальностью.

У меня была возможность наблюдать все это вблизи во время посещения Альмаденского исследовательского центра IBM в Сан-Хосе, штат Калифорния. Я приехал туда посмотреть на замечательный инструмент — сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий ученым увидеть отдельные атомы и даже воздействовать на них. Это устройство изобрели Герд Бинниг (Gerd Binnig) и Генрих Рорер из IBM, за что в 1986 г. им была присуждена Нобелевская премия. (Помню, когда я учился в школе, учитель говорил нам, что мы никогда не сможем увидеть атомы. Он слишком малы для этого, говорил он. К тому моменту я уже твердо решил стать ученым-атомщиком. Я понимал, что собираюсь посвятить жизнь изучению того, что никогда не увижу собственными глазами. Но сегодня мы можем не просто увидеть атомы, но даже поиграть с ними при помощи атомного пинцета.)

На самом деле сканирующий туннельный микроскоп — вовсе не микроскоп. Скорее он чем-то напоминает старинный фонограф. Тонкая игла (с кончиком, который должен заканчиваться одним атомом в вершине пирамидки) медленно проносится над поверхностью анализируемого материала. С иглы через изучаемый образец на базу инструмента проходит слабый ток. Всякий раз, когда атом на кончике иглы проходит над атомом образца, величина электрического тока слегка меняется. После нескольких проходов машина распечатывает поразительную вещь — очертания самого атома. При помощи точно такой же иглы микроскоп может не только регистрировать атомы, но и двигать их. Таким образом можно составить из атомов на образце буквы — IBM — и даже соорудить примитивную машину из атомов.

(Еще одно недавнее изобретение — атомно-силовой микроскоп, способный дать поразительное трехмерное изображение атомной решетки. В атомно-силовом микроскопе также используется игла с очень тонким кончиком, но на кончик этот направляют луч лазера. Проходя над поверхностью изучаемого образца, игла дрожит от взаимодействия с атомами вещества, и это движение регистрируется оптическим датчиком на основе лазерного луча.)

Я обнаружил, что передвигать отдельные атомы совсем не сложно. Я сидел перед экраном компьютера и видел на нем поверхность, состоящую из белых сфер по 2–3 см в поперечнике, напоминающих мячик для пинг-понга. На самом деле каждый шарик на экране обозначал отдельный атом на поверхности образца. Я поместил курсор на один из атомов и перетащил его мышкой на другое место. Затем я нажал кнопку, которая запускает новое сканирование. Микроскоп проделал требуемую операцию. Картинка на экране изменилась, демонстрируя мне, что один из белых шариков передвинулся ровно в ту точку, которую я указал.

Процесс перестановки одного атома в любую указанную точку занимал всего одну минуту. Через полчаса я увидел, что составленные мной из атомов буквы уже можно прочесть на экране. Через час я научился составлять довольно сложные узоры примерно из десяти атомов.

Сознание того, что я собственными руками практически двигаю отдельные атомы — т. е. делаю то, что когда-то считалось абсолютно невозможным, — стало для меня настоящим потрясением.