Квантовая физика как она есть [10:11]Самой, пожалуй, замечательной особенностью нынешнего периода в истории науки является то, что любые природные феномены
и тайны вселенной становится возможным объяснять доступно и наглядно. То есть понятно даже для детей, что называется.
Речь идет не о том, конечно же, будто все загадки мира уже получили свое полное разрешение (подобная скука, к счастью, нам не грозит
никогда, см. теорему Гёделя о неполноте).
Но отчетливо обозначилось такое – чрезвычайно плодотворное – направление познания, последовательно разрабатывая которое,
ученым ныне удается выстраивать достаточно внятные и адекватные модели для физических явлений практически любой сложности.
Начиная от совершенно непостижимых прежде загадок квантовой физики и вплоть до еще более загадочных тайн в устройстве нашего сознания.
Столь замечательным направлением исследований является, как несложно догадаться читателям КН, научная область под названием
гидродинамика. То есть физика движения жидкостей – с их неисчерпаемым многообразием взаимодействий в форме вихрей, потоков и волн.
Но имеется, однако, у нынешнего этапа научного развития и вполне отчетливая проблема. Гигантскую важность гидродинамики пока что удалось
постичь лишь тем – да и тут отнюдь не всем – из ученых, кто реально изучает данный предмет. Для всех же прочих это по-прежнему «как бы
новость» (которой вообще-то уже больше сотни лет).
Наглядно продемонстрировать эту странноватую ситуацию удобнее всего на примере квантовой физики. То есть самой точной и самой успешной
из всех наук, когда-либо разрабатывавшихся человеком.
Не просто неясно
В истории зарождения и развития квантовой механики имеется один очень важный, но какой-то неприличный, что ли, по своей сути факт.
Который в учебниках и лекциях для подрастающих ученых не то чтобы жестко утаивают, но если и упоминают, то мимоходом
и без подробностей.
Как всем известно, базовая конструкция идей в основе этой науки – как и всех прочих – является аксиоматической. Однако в квантовой
механике, в отличие от остальных наук, уже давно практически не делается попыток к тому, чтобы соотнести фундаментальные аксиомы с нашим
физическим базисом. То есть с теми знаниями и опытом, которые человек черпает из непосредственных наблюдений природы.
Вместо этого принято авторитетно провозглашать, что (а) законы микромира частиц заведомо превосходят обычное человеческое понимание, но
зато (б) корректно описаны фундаментальными математическими уравнениями квантовой физики.
Неприличность данной формулы заключается в том, что с эпистемологической (как выражаются философы науки) точки зрения – и даже с чисто
логических позиций, выражаясь попроще – два этих утверждения находятся во взаимном противоречии друг с другом.
Ведь вся математика создавалась в неразрывной связи с фундаментальными идеями и концепциями человека относительно природы. И если
микрофизика может быть непротиворечиво описана математикой, то почему же, равно логически и непротиворечиво, ее нельзя описать
с помощью наших базовых идей и понятий об устройстве природы?
Ответ научных светил на подобные доводы обычно сводится к тому, что идеи, которые мы используем для понимания мира, являются
классическими, а базовые идеи микрофизики в действительности очень далеки от классических. А потому нет никакого способа для описания
нашего опыта в микрофизике с помощью логически непротиворечивых построений на основе классических концепций…
Ярчайшей иллюстрацией здесь можно считать ситуацию с одним из наиболее знаменитых экспериментов квантовой физики – интерференцию
единичных частиц при их прохождении через барьер с двумя щелями. Или покороче, «двухщелевой эксперимент».
Этот опыт славится как основополагающий, принципиально важный феномен микромира, потому что он дает самую наглядную демонстрацию
одного из наиболее загадочных парадоксов – корпускулярно-волнового дуализма.
Как говорил по этому поводу физик-теоретик Ричард Фейнман, любая другая ситуация в квантовой механике, в сущности, всегда может быть
объяснена примерно такими словами: «Ты помнишь тот эксперимент с двумя щелями? Ну так это такая же штука»… [FLP]
А штука тут, можно напомнить, заключается в следующем. Если в классической физике есть волна, которая движется по поверхности воды и
сталкивается с барьером, имеющим две щели, то по другую сторону барьера – от щелей – расходятся две волны. Там, где гребни этих волн
пересекаются, они формируют еще большую волну. Там, где гребень одной встречается со впадиной другой, вода стоит тихо. В совокупности же
такого рода взаимодействие образует характерную картину или паттерн волновой интерференции.
Далее, если этот же опыт воспроизводить с волнами света, которые падают на экран с сенсорами, регистрирующими «паттерн интерференции»,
то в итоге и здесь получается аналогичная картина. Точнее, ряд перемежающихся светлых и темных полос, отмечающих те места, где световые
волны от двух щелей усиливали или взаимно гасили друг друга.
Поразительная вещь происходит в таких условиях эксперимента, когда фотоны (или электроны, или другие частицы) выпускаются в мишень
со щелями по одной штуке за раз. Если таких снарядов выпущено достаточно много, то наглядно видно, что даже в этом случае – поодиночке
– они в итоге порождают такой же паттерн волновой интерференции на экране.
Этот феномен, собственно, и есть суть корпускулярно-волнового дуализма – когда математика волновой механики объясняет статистическое
поведение движущихся микрочастиц-корпускул.
В знаменитой серии лекций Ричарда Фейнмана, выпущенных отдельной книгой под названием «Характер физических законов», на обсуждение
лишь этого единственного, но принципиально важного эксперимента потрачено 19 страниц. И для того, чтобы донести до аудитории подлинный
масштаб данной загадки, ученый пускает в ход все свое красноречие [FCP]:
Это феномен, который невозможно, абсолютно невозможно объяснить никаким классическим образом. И который находится в самой
сердцевине квантовой механики. В действительности, именно он и заключает в себе главную и единственную загадку квантовой механики…
Даже не думайте задавать себе вопрос “Но как такое может быть?”. Потому что на этом пути вы заведете себя в такие темные заросли,
в такой тупик, из которого никто еще не выбирался. Никто не знает, как такое может быть…
Этот эксперимент «разработан так, что он содержит в себе всю загадочность квантовой механики, чтобы на все сто процентов столкнуть вас
с парадоксами, загадками и странностями природы» на микроскопическом уровне…
Так как же это в действительности работает? Какие механизмы в действительности порождают эту штуку? Никто ничего не знает об этих
механизмах. Никто не может дать вам более глубокого объяснения этого феномена, чем дал вам я. Вот оно, описание…Не зная конкретного исторического контекста, в котором происходила подготовка данной лекции, трудно сказать, с какой целью Фейнман
с такой подчеркнутой настойчивостью прибегал ко всем этим «шаманским заклинаниям». Да и не так уж это, в общем-то, и важно.
Но безусловно важно то, что за прошедшие после тех лекций полвека ничего здесь практически не изменилось. И все те же самые по сути идеи
– о принципиальной непостижимости механизмов в устройстве микромира – продолжают и поныне подспудно вбивать в головы читателей
практически все учебники квантовой физики.
Точнее, кое-какие перемены все-таки понемногу происходят. Например, нобелевские премии по физике в последние годы начали давать
ученым, которые своими очень тонкими экспериментами наглядно демонстрируют ошибочность той идейной основы – или «дурной философии»,
– что была заложена в базис квантовой теории. (См. материал «
Время искать ответы». )
Но куда важнее сейчас кое-что еще. Благодаря другим – пока что менее известным – открытиям исследователей-экспериментаторов, теперь уже
стало совсем просто показать, что все эти «заклинания о непостижимости» – суть неправда. Или иначе – блоки, которые мы сами себе и
поставили на пути познания мира.
Так что на самом деле все эти «таинственные механизмы» вполне можно постичь на базе наших естественных представлений об окружающем
мире. И нет тут для нашего сознания никакого в корне непреодолимого барьера между устройством мира квантового и мира классического.
Другими словами, учеными обнаружены и уже довольно подробно исследованы совсем несложные, в общем-то, эксперименты, демонстрирующие
массу «сугубо квантовых» эффектов – начиная с двухщелевой интерференции – на базе обыкновенных, сугубо классических лабораторных
установок.
Причем все эти опыты, естественно, так или иначе связаны с гидродинамикой.
Танцы на воде
Главными героями этой истории являются Ив Куде и Эммануэль Фор (Yves Couder, Emmanuel Fort), французские физики из Парижского
университета Дидро, которым в 2005 году «почти случайно», по их словам, довелось обнаружить весьма занятный феномен в своих
лабораторных экспериментах.
Феномен этот, вне всяких сомнений, чрезвычайно интересен и сам по себе. Однако, чтобы имелось четкое представление о неслучайности
данного открытия и о том абсолютно органичном месте, которое оно занимает в картине «новой старой физики», надо хотя бы вкратце напомнить
историю предыдущих родственных экспериментов.
Еще в 1881 году (и что интересно, тоже в Париже) скандинавский ученый Карл Бьеркнес потряс научную общественность своими теоретическими
и экспериментальными результатами, демонстрирующими сугубо гидродинамическую природу процессов в основе загадочных эффектов
электричества и магнетизма.
Норвежский математик аналитически показал, а его юный сын (будущий отец научной метеорологии) Вильгельм Бьеркнес с помощью остроумных
и не особо сложных опытов убедительно продемонстрировал, что же в действительности представляют собой абстрактные уравнения
электромагнетизма Максвелла – с позиции наших естественных представлений о природе.
По сути дела, максвелловы формулы оказались красивым и компактным математическим описанием весьма специфических феноменов
гидродинамики для «пульсирующих сфер». Иначе говоря, было показано, что если представлять электрические заряды как осциллирующие
возмущения жидкой среды, то характерные особенности, свойственные физике движения и взаимодействий таких осцилляторов, очень наглядно
– в емкостях с водой или маслом – воспроизводят все важнейшие феномены электромагнетизма.
Увы, в силу множества разных причин (подробности см. тут [44] [45] [53]), мировая наука в итоге проигнорировала и предала забвению столь
замечательное открытие Карла Бьеркнеса, сулившее ясное представление для мутных и по сию пору невнятных основ электричества и
магнетизма. Точнее, результаты Бьеркнеса знают и используют специалисты – в очень узкой области гидродинамики. Но не более того…
Возможно, именно поэтому, когда в середине 1990-х годов физиками-экспериментаторами был открыт новый любопытный феномен под
названием «осциллоны» (см. [43]), то об очень созвучных данному открытию работах Карла Бьеркнеса никто даже не вспомнил. Хотя явно имело
смысл это сделать.
Несложное экспериментальное оборудование для изучения осциллонов – это по сути те же небольшие ванны с помещаемыми в них жидкостями
или сыпучими материалами гранулированной структуры. Но только здесь добавляется еще один важный нюанс – ванну подвергают регулярным
вертикальным колебаниям. И если Бьеркнесам век назад приходилось помещать в жидкость искусственно возбуждаемый осциллятор, то здесь –
под действием вибраций – стабильный «осциллон» теперь возникает сам по себе, как осциллирующее и отчетливо локализованное возбуждение
материала.
Собственно в этом феномене – спонтанное зарождение в вибрирующей среде на редкость стабильных осциллирующих объектов или
сингулярностей – и заключается суть нового открытия. Особо приятно, что взаимодействия таких осциллонов (взаимное притягивание при их
колебаниях в противофазе и взаимное отталкивание при колебаниях в одной фазе) дают и наглядную демонстрацию физики электрических
зарядов, и еще одно красивое подтверждение гидродинамической концепции Бьеркнеса.
Что же неприятно – похоже и тут научное сообщество словно ослепло. И опять категорически не желает обращать внимание на очевидные
взаимосвязи этих простых-наглядных опытов с так и не проясненными по сию пору загадками электромагнетизма.
(В современных школьных учебниках детям как и в XIX веке рассказывают про эти вещи в терминах «силовых линий поля». А студентам в
университетах пытаются привить веру в то, что взаимное притягивание зарядов на самом деле происходит как результат «испускания-
поглощения частиц». Но ни в школе, ни в ВУЗе никто не в силах объяснить «реальную физику» происходящего.)
Хуже того, после краткого периода общего возбуждения, вызванного в науке в связи с открытием осциллонов, довольно скоро и этот феномен
в общих чертах повторил судьбу «пульсирующих сфер» Бьеркнеса. То есть ныне, почти два десятилетия спустя после их открытия, осциллоны
не то что не попали в учебники, но и знают-то о них лишь довольно узкие специалисты.
К счастью, среди таких специалистов оказались и главные герои этой истории, парижские исследователи Куде и Фор. В своей лабораторной
установке они фактически повторили ту же самую конструкцию, которая позволила открыть осциллоны, но только несколько изменили условия
эксперимента.
Если первооткрыватели осциллонов в США изучали вертикальные вибрации в слое мельчайших медных шариков, то Куде и Фор в 2005 году
занимались исследованиями аналогичной физики колебаний в слое силиконового масла. В частности, их интересовали уже известные и до этого
феномены «плавающих и прыгающих капель» (floating and bouncing droplets). [JW][CFGB]
Суть феноменов в том, что если капля жидкости падает в ту же самую среду, фрагментом которой она является, то при определенных условиях
капля не сливается с жидкостью, как обычно, а может плавать по ее поверхности или даже продолжительно прыгать вверх-вниз, словно
крошечный мячик.
И вот, тщательно изучая прыжки такой капельки силиконового масла при разных режимах вибрации масляной ванны, ученые обнаружили нечто
воистину удивительное. Подстраивая частоту колебаний среды, прыжки капельки вверх-вниз можно сделать на редкость стабильными – хоть в
течение многих дней без перерыва. При этом – от регулярных ударов шарика – на поверхности образуются циркулярно расходящиеся стоячие
волны. И если в этих условиях правильно подобрать амплитуду колебаний, то начинается совсем интересное – капля словно оживает и начинает
перемещаться по поверхности ванны, упруго взаимодействуя со стенками сосуда и другими такими же «мячиками», никогда не входя с ними в
прямой контакт.
Удивительную каплю, стабильно прыгающую и передвигающуюся в таком режиме, исследователи назвали «ходоком» (walker) – остроумно
объединив в названии особенность феномена с именем исследователя (J. Walker), который еще в 1970-е годы привлек внимание коллег к
ситуациям с необычной физикой капель на поверхности жидкости. [JW]
Ну а самым важным и замечательным тут оказалось вот что. Изучая гидродинамику капель-ходоков, французские ученые постепенно
обнаружили, что с их помощью на базе чисто классической системы удается воспроизводить в макроскопическом масштабе чуть ли не все
характерные феномены корпускулярно-волнового дуализма.
Иначе говоря, стало возможным собственными глазами и в подробностях увидеть механику тех самых «абсолютно непостижимых» феноменов,
которые вплоть до настоящего времени, напомним, считаются главной отличительной особенностью мира квантовых микроскопических частиц…
Автор