2 Что такое квант и что квантуется


Устройство квантового мира описывается квантовой теорией, часто называемой также квантовой механикой. Слово «механика» исходно указывало на круг задач по предсказанию движения: скажем, как далеко упадет снаряд, брошенный с заданной скоростью под определенным углом к горизонту (если мне простится школьный пример). «Предсказание» предполагает знание действующих факторов и, как правило, применение уравнений, в которых отражено это знание. Требуются, кроме того, начальные условия, фиксирующие положение дел, с которого события начинают развиваться. В только что приведенном примере действующие факторы – это притяжение Земли, и если предсказание требуется всерьез, а не на школьном уровне, то еще и сопротивление воздуха и даже вращение Земли, а начальные условия – это скорость в момент броска с учетом ее направления и расположение стартовой точки. В словосочетание же «квантовая механика» слово «механика» попало отчасти по инерции и означает примерно «предсказание, насколько это возможно, наблюдаемых результатов, исходя из действующих факторов и начальных данных». Некоторая расплывчатость формулировки, если вы обратили на нее внимание, не случайна и скрывает за собой многое из того, что нам предстоит увидеть.

А слово «квант» взялось из латыни – из вопросительного местоимения quantum, которое употребляется в вопросах типа «насколько много?» и «какое количество?». В нашей истории его стали употреблять в отношении порций. Сначала это были порции энергии. Появление порций – существенная часть квантовых правил.

В мире атомов, электронов и всего такого энергия во многих (причем важных) случаях передается не в любых количествах, а в «расфасованном» виде. Это не означает, что Вселенная наполнена заранее приготовленными порциями энергии. Например, свет несет энергию порциями, величина которых зависит от цвета – т. е. от длины волны. Чем ближе цвет к сине-фиолетовому краю радуги, тем больше энергии в одной порции, и еще больше – за пределами видимого спектра, в области все более коротких длин волн (примерно поэтому ультрафиолет не слишком нам полезен, а у рентгенологов сокращенный рабочий день). Но для света с определенной длиной волны, т. е. определенного цвета, эти порции энергии и правда всегда одинаковые. Все такие порции – и длинноволновые, и коротковолновые – в 1920-х гг. получили название фотонов. (Минимальные порции представляют собой предел того, сколь слабым может быть свет: меньше одного фотона означает ноль фотонов, т. е. отсутствие света. Кстати сказать, человеческий глаз устроен так, что в принципе способен реагировать буквально на несколько фотонов.)

«Порционность» несколько другого рода – называемая в данном случае дискретностью – характерна для составных квантовых объектов, т. е. для таких, которые возникают при объединении нескольких простых, вообще-то способных существовать отдельно друг от друга, но организовавших себе совместное проживание. Такие составные объекты первостепенно важны для нас, потому что мы из них состоим: это атомы и молекулы. Они могут существовать только при определенных дискретных значениях энергии, которую имеют их участники.

Наличие не любых, а только вполне определенных дискретных значений энергии служит обеспечительным механизмом для положения дел, которое мы почему-то часто считаем само собой разумеющимся, но которое без квантовых законов попросту невозможно: все атомы одного вида совершенно одинаковы и полностью взаимозаменяемы. Встроенная и неотменяемая дискретность «контролирует качество сборки», приводя к неразличимым атомам, скажем, кислорода или молекулам, скажем, углекислого газа. Понимание же того, откуда возникает сама дискретность, заняло около полутора десятилетий, и отправной точкой тут послужил ключевой факт, обнаруженный экспериментально, когда XX в. был еще молод (1908–1911). Резерфорд руководил тогда опытами по выяснению структуры материи посредством простреливания через нее электрически заряженными агентами.

Наш мир был бы невозможен без многого, что в нем фактически имеется, но уж заведомо невозможен без электрических зарядов. Хотя почти все вокруг нас электрически нейтрально (благодаря чему нас не «ударяет током» ежесекундно), это не потому, что зарядов нет, а потому, что противоположные заряды компенсируют друг друга{4}. Электрически нейтральным является и атом. Ко времени опытов Резерфорда было достоверно известно, что в атомах содержатся отрицательно заряженные электроны, а значит, там же должен присутствовать и компенсирующий их положительный заряд. Присутствовать – но каким именно образом? Выяснить это «глазами», даже вооруженными, невозможно, и требуется какое-то другое средство, чтобы «потыкать» внутренность атома.

Для выяснения структуры атома Резерфорд использовал так называемые альфа-частицы. Для него это был продукт, испускаемый некоторыми специальными – радиоактивными – атомами. Сейчас мы хорошо знаем, что производятся они благодаря непростому механизму, который включает в себя то, что Резерфорду только предстояло открыть, но Резерфорд и не думал загонять себя в логический круг, пытаясь объяснить еще и происхождение альфа-частиц. Он просто воспользовался эмпирически накопленными данными о радиоактивности, т. е. о вылетании, среди прочего, заряженных частиц из атомов, и взял в качестве источника альфа-частиц атомы радия. Конечно, альфа-частицы, как и всех остальных персонажей квантового мира, тоже нельзя увидеть (в этом одна из причин, почему радиоактивность не была открыта раньше, а также объяснение опасений перед невидимым в связи с современными ядерными объектами: если излучаемые частицы невидимы, то уверены ли мы в том, что их контролируем?). Но ничто не мешало Резерфорду и его сотрудникам наблюдать результат попадания альфа-частиц во флуоресцентный экран: производимые вспышки света фиксировались с помощью микроскопа. А далее главную роль сыграла механика – еще не квантовая.

Между источником, откуда вылетали альфа-частицы, и экраном, на котором фиксировались их попадания, поместили тонкую золотую фольгу – толщиной в несколько сотен атомов. Пролетая сквозь нее, положительно заряженные альфа-частицы испытывали воздействие электрических зарядов, как-то распределенных среди этих атомов, и в результате должны были тем или иным образом отклоняться от своего первоначального направления.

Оказалось, что в большинстве своем они почти никак не отклоняются: проходят сквозь сотню атомных слоев практически как сквозь пустоту. Но иногда они отклоняются очень сильно, даже почти в противоположную сторону по сравнению с первоначальным направлением. А это означает, что положительный заряд, который только и способен их так повернуть, сконцентрирован почти точечно, в чрезвычайно малом объеме. Хотя сам Резерфорд не дал своему открытию такого названия, в результате было обнаружено атомное ядро.

Характерный размер атомного ядра, как довольно быстро стало ясно из опытов, в несколько десятков тысяч раз меньше, чем характерный размер атома. Я на всякий случай напомню, что в десять тысяч раз меньше в диаметре означает в триллион (миллион миллионов) раз меньше в объеме. Но там, в менее чем одной триллионной доле объема, сосредоточена почти вся масса атома: ядро в несколько тысяч раз массивнее («тяжелее») всех электронов. (Различие в характерных размерах добавляет еще одну сложность к попыткам каким-нибудь условным образом все-таки изобразить атом на рисунке: миллиметр, выбранный в качестве диаметра ядра, при умножении на 30 000 дает атом диаметром 30 м.)

Нелишне отметить, что, имея дело с явлениями, в принципе недоступными глазу, мы в данном случае оцениваем размер атомного ядра «на взгляд» альфа-частицы. Одни сверхмалые элементы становятся для нас инструментами исследования, почти буквально «прощупывания», других. Надо только не забывать, что и эти наши помощники разговаривают с нами не напрямую, а только через те следы, которые они оставляют, вылетев из области, где они взаимодействовали с предметом нашего интереса (именно поэтому ускоритель элементарных частиц не имеет смысла без адекватной системы детекторов).

Немедленно возникла проблема с пониманием происходящего. Стало ясно, что электроны не сидят сиднем в тесных объятиях с ядром, ведь тогда атом не оказался бы настолько больше ядра. А механика – та, в использовании которой мы за XVIII и XIX вв. натренировались на летящих предметах и планетах, – сообщает, что единственная возможность для электрона держаться на расстоянии от ядра состоит в том, чтобы вокруг ядра летать. Законы электричества вроде бы поддерживают эту идею, обеспечивая необходимое притяжение между положительными и отрицательными зарядами{5}. Но те же законы электричества сообщают и плохую новость: если электрический заряд движется по искривленной траектории, он непременно излучает энергию в виде электромагнитных волн. Взять эту энергию можно только из одного источника – энергии движения самого электрона. И вся она немедленно на это и расходуется. Через крохотные доли секунды электрон должен отдать почти всю энергию и оказаться «на ядре». Упасть. Атом, согласно всем правилам, известным около 1911 г., не должен существовать (а мир вокруг нас должен сколлапсировать внутрь себя).

А раз атомы все-таки существуют, значит, какие-то из известных правил должны оказаться неверными в применении к электронам и всему подобному. Те «старые» правила называются в совокупности классическими – классической механикой, или классическими законами физики, или классической физикой. В этом контексте прилагательное «классический» является антонимом «квантового». Наша вселенная на самом деле – квантовая: в ней действуют квантовые, а не классические законы. Правда, в огромном числе случаев, охватывающих почти весь наш ежедневный опыт, мир кажется классическим. Тем не менее ключевые составные элементы внутри окружающих вещей и нас самих – атомы, да собственно, и молекулы – существуют в силу квантовых правил и управляются квантовыми правилами.

В применении к атомам квантовые правила приводят к дискретным значениям энергии. Для простоты возьмем атом водорода: в этом простейшем атоме с одним электроном ядро, кстати, тоже простейшее – это просто один протон. (Вспоминая свое детское недоумение при первом знакомстве с задачей записать четырьмя буквами – «в четырех клеточках» – слова «сушеный виноград», я предлагаю записать шестью буквами слова «ядро атома водорода».) Да, ядро и электрон притягиваются друг к другу (без этого атомов уж точно не было бы, но детали того, что электрон при этом делает, не слишком ясны. На первый план поэтому выходит «экономное» описание в терминах энергии, часто позволяющее обходиться без больших подробностей. На языке энергии можно говорить о притяжении между положительным и отрицательным зарядами: когда заряды близки друг к другу, их энергия меньше, а когда они расходятся, энергия такой системы возрастает (это неудивительно, потому что для разнесения их на большее расстояние необходимо прикладывать усилия, которые и идут в прирост энергии). В квантовом мире понятие энергии взаимодействия в целом сохраняет свой смысл{6} и там вполне можно руководствоваться идеей «меньше энергия взаимодействия – значит ближе».

Электрон, живущий в атоме на постоянной основе, должен обладать постоянной (неизменной во времени) энергией; отдавать или получать энергию означало бы, что в атоме что-то меняется, а нас прежде всего интересует атом, с которым ничего не происходит. И тут оказывается, что по совокупности квантовых правил электрон не может оставаться вблизи ядра «почти никогда» – а именно, никогда за исключением случаев, когда он обладает некоторыми конкретными, строго определенными значениями энергии. Это дискретные значения энергии – они отделены друг от друга интервалами, подобно «засечкам», нанесенным на отрезок линии; засечек, которые вы наносите тонким карандашом, неизмеримо меньше, чем «всех точек на отрезке».

Это и есть дискретность, лежащая в основе строения атомов. Электрону удается не расставаться с ядром, только если он занял определенную «энергетическую ступеньку» – обзавелся фиксированным значением энергии. Как и любой набор дискретных данных, разрешенные значения энергии можно перечислить в виде списка. Первой в списке идет наименьшая энергия, которую вообще может иметь электрон в данном атоме, за ней следующая, несколько бо́льшая, и т. д.

На постоянной основе электрон живет на самой нижней энергетической ступеньке. А если электрон взбодрить – передать ему порцию энергии подходящей величины, используя для этого свет или, скажем, толчки со стороны соседей, – то он поднимется на несколько энергетических ступенек выше. Потом снова «спрыгнет вниз», а лишнюю энергию отдаст в виде света. Не надо только представлять себе электрон прыгающим куда-то в пространстве, он от этого максимально далек. Вся «энергетическая лестница» – конструкция воображаемая, способ сказать, что электрон может существовать в атоме только при дискретных значениях энергии. А впрочем, воображаемая она только в качестве лестницы. В сочетании с другой, уже упомянутой дискретностью – излучением света порциями – энергетическая лестница становится почти буквально видимой: электрон испускает порцию света (фотон) строго определенной энергии (разница между двумя ступеньками), а значит, строго определенной окажется и длина световой волны, т. е. цвет этого света. Наблюдая этот свет, мы делаем вывод о разнице между значениями энергии, разрешенными для электронов в этом атоме. Желтые лампы уличного освещения могут нравиться или не нравиться, но желтые они именно потому, что разница в энергии между подходящими ступеньками в атоме натрия соответствует желтому цвету.

Список энергетических ступенек – объективная штука, строго определенная и одна и та же для всех атомов одного вида, и проявляет она себя повсеместно при излучении и поглощении света. Расстояния между ступеньками на любой такой энергетической лестнице неодинаковые: чем выше, тем ступени ближе друг к другу. А для атомов разного вида ступени расположены на разной энергетической высоте, поэтому атом каждого вида обладает своим, уникальным «репертуаром энергетических прыжков», которые могут совершать живущие там электроны. Каждый прыжок сопровождается поглощением или испусканием света определенной длины волны, поэтому у каждого атома имеется своя «световая подпись» («цветовая подпись»?), которая характеризует только его и которая выдаст его на любом расстоянии, откуда до нас доходит свет. Похожая картина имеет место и для несложных молекул. Таким-то образом – благодаря квантовым правилам – мы узнаем химический состав далеких объектов в космосе, и не только.

«Ступенчатое существование» электронов в атомах в отношении энергии, а также наличие минимальных порций энергии света – примеры явления, которое часто называют квантованием. Говорят, что энергия электрона в атоме квантованная, энергия колебаний двухатомной молекулы квантованная и т. п. В данном случае это термин для дискретного как противоположности непрерывному, с акцентом на том обстоятельстве, что причина дискретности – законы квантовой механики{7}.

В природе, надо сказать, имеется число – и не просто число, а мировая постоянная ħ, называемая постоянной Планка, которая в немалой степени ответственна за масштаб квантовых явлений, включая характерную высоту энергетических ступенек (речь идет не о различных конкретных значениях, а именно об общем для них масштабе). Постоянная Планка – это фундаментальная константа, т. е. фиксированная величина, повсеместно встроенная в структуру нашей Вселенной. Она представляет собой не «голое» число, такое как 42 или 0,05, а число, снабженное размерностью; это значит, что сама по себе она может измерять только определенные физические величины – те, которые имеют ту же размерность. (Например, если в вашем распоряжении имеется единица измерения длины, и только она, то никак не получится использовать ее для измерения, скажем, массы.) Постоянная Планка «измеряет» не энергию и не какую-либо из величин, для которых имеется более-менее очевидный измерительный прибор. Ее размерность – это масса, умноженная на скорость, умноженная еще и на расстояние. Если в качестве соответствующих единиц взять килограммы, метры в секунду и метры, то значение постоянной Планка составляет ħ = 1,054571817… × 10–34 кг · (м/с) · м. По-другому, присутствующую здесь комбинацию единиц массы, скорости и расстояния можно представить как произведение (единиц) энергии и времени. Физическая величина с такой размерностью выражает, какая энергия «присутствует» в течение определенного времени; она называется действием, поэтому постоянную Планка называют иногда квантом действия. Довольно приблизительное, но оправдывающее себя на практике правило состоит в том, что если в интересующем вас процессе действие («присутствие» энергии во времени) сильно больше постоянной Планка, то квантовые эффекты почти или совсем не заметны.

Есть и другой знаменательный взгляд на постоянную Планка: размерностью кг · (м/с) · м обладает физическая величина, связанная с вращением и называемая моментом количества движения, или моментом импульса. Выражает она, если говорить неформально, «степень раскрутки» – насколько трудно остановить вращение (в обычном, неквантовом мире она представляет собой произведение массы вращающегося тела на его скорость и на расстояние до оси вращения). Вот эта величина оказывается в квантовом мире всегда «порционной», и размер ее «порций» пропорционален постоянной Планка. А поскольку это еще и сохраняющаяся величина, убыль ее в одной системе означает такое же увеличение в другой, и передается она тоже только порциями. Конечно, когда мы имеем дело с любым макроскопическим телом (типа грузика, вращающегося на нитке), кажется, что ее можно изменять непрерывно, потому что размер таких порций совершенно ничтожен в сравнении с самой величиной (похожим образом ступенчатая регулировка кажется непрерывной, если шаг ее очень мал). Про «степень раскрутки» можно при желании думать, что это самая квантовая величина – она всегда