Читать книгу "Квантовый мир. Невероятная теория в самом сердце мироздания - Элисон Джордж"

Вернер Гейзенберг (задний ряд, девятый слева)

Больше известный своим принципом неопределенности, Гейзенберг родился в Вюрцбурге (Германия) и после завершения докторской диссертации работал у Нильса Бора в Копенгагене (Дания). В 1932 году он был удостоен Нобелевской премии «за создание квантовой механики» и за его теорию атома, согласно которой электрон поглощает и испускает излучение на определенных длинах волн при переходе между определенными орбитами, окружающими ядро. Гейзенберг также был ведущим ученым «Уранового клуба» – немецкого проекта по разработке ядерных технологий, и, как известно, в 1941 году встретился с Бором в оккупированной немцами Германии для обсуждения сложного выбора, связанного с этой работой. После войны он остался в Германии, исследуя ядерную энергию, космические лучи и субатомные частицы.

Поль Дирак (средний ряд, пятый слева)

Рожденный в Бристоле (Великобритания), Поль Дирак (1902–1984) занимался важнейшей частью объяснения фундаментальных частиц и взаимодействий. Уравнение, предложенное им в 1928 году для описания движущегося с околосветовой скоростью электрона, объединило квантовую физику Шрёдингера и Гейзенберга и специальную теорию относительности Эйнштейна. Оно также предсказало совершенно новый набор субатомных частиц, известных как античастицы. Дирак разделил Нобелевскую премию 1933 года со Шрёдингером. Он был эксцентричной личностью со сложным характером: мастер односложных ответов, Дирак всю жизнь отказывался находить общий язык с коллегами, студентами и даже с собственной семьей.

Вольфганг Паули (задний ряд, восьмой слева)

Без принципа запрета, введенного Вольфгангом Паули (1900–1958) в 1925 году, вещество, каким мы его знаем, не существовало бы. Этот принцип гласит, что два электрона в атоме не могут перейти в одно и то же квантовое состояние. За это он был удостоен Нобелевской премии в 1945 году. Паули также первым предсказал существование таинственных частиц – нейтрино в 1930 году. Вскоре после этого у него случилось нервное расстройство, и Паули проходил лечение у прославленного психоаналитика Карла Юнга. Его близкими друзьями были Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. Паули родился в Вене и, хотя был воспитан католиком, имел еврейские корни, вследствие чего уехал жить в США в 1940 году. После войны он вернулся в Цюрих, где провел всю оставшуюся жизнь.

Артур Комптон (средний ряд, шестой слева)

Этот американский физик был удостоен Нобелевской премии в 1927 году сразу после Сольвеевского конгресса «за открытие эффекта, названного его именем» и показавшего рассеяние фотонов заряженными частицами. Эффект стал важным элементом квантового пазла, показывающим, что свет нельзя объяснить как чисто волновое явление. Комптон (1892–1962) играл ключевую роль в Манхэттенском проекте – американской ядерной программе Второй мировой войны.

Луи де Бройль (средний ряд, седьмой слева)

Его полное имя – герцог Луи Виктор Пьер Раймон де Бройль, родился в Дьепе (Франция) в благородной семье. В 1924 году он написал удивительно оригинальную докторскую диссертацию на 70 страниц с названием «Исследования по теории квантов», в которой выдвинул принцип корпускулярно-волнового дуализма – и всего лишь через пять лет был удостоен Нобелевской премии по физике. Де Бройль представил свою теорию «пилотной волны», в которой частица сопровождается направляющей волной, в 1927 году на Сольвеевском конгрессе, но потом отказался от этой идеи. Она была вновь обнаружена в 1952 году и переформулирована американским физиком Давидом Бомом (1917–1992). Де Бройль сыграл важную роль в основании Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН, от фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), Европейской организации по ядерным исследованиям в Женеве (Швейцария).

Макс Борн (средний ряд, восьмой слева)

Немецкий физик и математик Макс Борн (1882–1970) был удостоен в 1954 году Нобелевской премии по физике «за фундаментальные исследования по квантовой механике, в особенности за статистическую интерпретацию волновой функции», – работу, которой он занимался в Гёттингенском университете (Германия) 30 лет назад. В период своего пребывания там Борн также руководил многими из будущих светил области, например Гейзенбергом и Паули. Когда нацисты пришли к власти в 30-е годы XX века, Борн (будучи евреем) был отстранен от своего поста и уехал жить в Англию.

Нильс Бор (средний ряд, крайний правый)

Родившись в Копенгагене (Дания), Бор был первым из основоположников квантовой физики, кто поистине осознал философские проблемы, поставленные теорией, и принялся за их решение. Результаты его работы по-прежнему являются предметом споров. После оккупации Дании во время Второй мировой войны у Бора была знаменитая встреча с Гейзенбергом, ставшим главой немецкой ядерной программы. К 1943 году, находясь под угрозой ареста, он бежал в Швецию, а потом в Англию (как многие из пионеров квантовой физики, он был евреем), где присоединился к британской миссии Манхэттенского проекта. После войны Бор вернулся в Данию. В 1922 году он был удостоен Нобелевской премии по физике «за заслуги в исследовании строения атомов и испускаемого ими излучения».

Как может так хорошо работающая теория иметь такие странные основания?

Большинство теорий построено на твердом фундаменте изначальных принципов – но не квантовая. На ее создание вдохновила уходящая корнями в реальный мир идея, что энергия распространяется маленькими порциями, названными квантами. Однако к тому моменту, когда светила вроде Эрвина Шрёдингера и Вернера Гейзенберга завершили ее математическое описание, эта теория зажила собственной жизнью.

В результате же какое-либо определенное соответствие между математическими переменными и физическими свойствами пропало. Вместо них появились замысловатые объекты, например волновые функции, векторы состояний и матрицы, действующие в воображаемой математической среде, называемой Гильбертовым пространством – комплексной версии с большей размерностью нормального трехмерного пространства.

Удивительно, но эти абстракции работают. Используйте набор математических правил, установленных основателями квантовой теории, – и вы совершите физические предсказания, экспериментально подтверждаемые вновь и вновь. Частицы, появляющиеся из ничего лишь для того, чтобы исчезнуть вновь; объекты, физические состояния которых могут стать запутанными и которые способны мгновенно влиять друг на друга на больших расстояниях; коты, подвешенные между жизнью и смертью, пока мы не посмотрим на них, – все это вытекает из математической формулировки квантовой теории и, кажется, является реальным отражением того, как работает мир.

Краткая история квантовой революции

1900

Макс Планк случайно устраивает революцию, предположив, что энергия может существовать только в определенных количествах, названных квантами, – рождается квантовая теория.

1905

Альберт Эйнштейн предполагает, что свет состоит из дискретных порций энергии, позднее названных фотонами.