Солнечные батареи
Сегодня фотоэлектрический эффект используется в панелях солнечных батарей, в которых свет высвобождает электроны, только состоят эти батареи, как правило, не из металла, а из полупроводниковых материалов наподобие кремния.
Копенгагенская интерпретация
Уравнения квантовой механики дают ученым правильные ответы, но что они, собственно, означают? Датский физик Нильс Бор разработал «копенгагенскую интерпретацию» квантовой механики, объединив волновое уравнение Шредингера с принципом неопределенности Гейзенберга. Бор показал, что такого понятия, как изолированный эксперимент, попросту не существует, — результаты квантовых экспериментов определяются вмешательством наблюдателя. Проделав это, он поставил под сомнение саму объективность науки.
В 1927 году назрел раскол между физиками, которые придерживались противоположных взглядов на квантовую механику. Эрвин Шредингер доказывал, что основу квантового поведения составляет волновая физика и все оно может быть описано с помощью волновых уравнений. Напротив, Вернер Гейзенберг считал, что первостепенное значение для понимания природы имеет корпускулярная природа электромагнитных волн, которую описывает его матричное представление. Кроме того, Гейзенберг показал, что вследствие присущей всем параметрам, которые описывают движение элементарной частицы, неопределенности и прошлое, и будущее остаются непознаваемыми до тех пор, пока они не фиксируются наблюдением.
Объединить все эксперименты и теории в единую, дающую полное объяснение, картину попытался еще один человек. Им был Нильс Бор, глава факультета, на котором работал в Копенгагене Гейзенберг, — тот самый ученый, который описал квантовые энергетические состояния электронов в атоме водорода. Вместе с Гейзенбергом, Максом Борном и другими Бор разработал целостную концепцию квантовой механики, названную «копенгагенской интерпретацией». Она и поныне остается излюбленной интерпретацией у большинства физиков, хотя со времени ее создания предлагались и другие варианты.
Две стороны
Нильс Бор избрал для трактовки новой науки философский подход. В частности, он особо подчеркнул воздействие наблюдателя на исход квантового эксперимента. Для начала он выдвинул принцип «дополнительности», согласно которому волновая и корпускулярная стороны материи и света суть два лица одного и того же явления, а не два различных семейства событий. Примерно так же картинки, которые используются при психологическом тестировании, могут меняться в зависимости от того, как вы на них смотрите, — две извилистые линии выглядят либо как ваза, либо как два обращенных один к другому профиля, — вот и волновые и корпускулярные свойства суть дополняющие друг друга способы рассмотрения одного и того же явления. Свет своей природы не меняет, меняется наш способ его рассмотрения.
Для того чтобы перекинуть мост через пропасть, которая разделяет квантовую систему и обычную, включающую наш обыденный опыт, Бор ввел «принцип соответствия», согласно которому для больших, всем нам знакомых систем квантовое поведение исчезает и начинает работать Ньютонова физика.
Непознаваемость
Бор понял особую важность принципа неопределенности, который утверждает, что невозможно одновременно измерить и положение, и импульс (или скорость) любой элементарной частицы. При точном измерении одной величины другая непременно оказывается неопределенной. Гейзенберг считал, что эта неопределенность является результатом самого механизма измерения. Чтобы измерить некий объект — да и просто чтобы увидеть его, — нам приходится бомбардировать его фотонами света. А это всегда подразумевает передачу некоторого импульса или энергии, и потому наблюдение возмущает начальное движение объекта.
Бор же, со своей стороны, полагал, что объяснение Гейзенберга не лишено изъянов. Бор доказывал, что невозможно полностью отделить наблюдателя от системы, которую он промеряет. Именно сам акт наблюдения определяет конечное поведение системы, и причина тут не в простом переносе энергии, но в корпускулярно-волновой природе квантовой физики. Бор считал, что любая система должна рассматриваться как целое: невозможно отделить частицу ни от «радара», ни от самого наблюдателя. Даже глядя на обычное яблоко, мы должны учитывать квантовые свойства системы в целом, включая систему зрения, посредством которой наш мозг обрабатывает отраженные яблоком фотоны.
«Мы находимся в джунглях и отыскиваем путь методом проб и ошибок, оставляя за собой проложенную нами дорогу» Макс Борн, 1882-1970
Само слово «наблюдатель», считал Бор, ошибочно, поскольку создает образ зрителя, внешнего по отношению к наблюдаемой им системе. Фотограф наподобие Анселя Адамса может, конечно, снимать девственные красоты не тронутой человеком природы Йосемита, но, сказать по правде, такая уж ли она «нетронутая»? Если она нетронутая, то спрашивается, как туда попал фотограф? Подлинная картина содержит природу и человека в ней — в ней, а не отдельно от нее. По Бору, наблюдатель есть весьма значительная часть эксперимента.
Эта концепция участия наблюдателя в эксперименте шокировала физиков, поскольку она подвергала сомнению саму суть науки, фундаментальные представления о ее объективности. Заартачились и философы. Оказывается, природа вовсе не механистична и предсказуема, но по глубинной сути ее непознаваема. И что это означает для таких концепций, как объективная истина, не говоря уж о понятиях попроще — наподобие прошлого и будущего? Эйнштейну, Шредингеру и другим трудно было отказаться от их твердой веры во внешнюю, детерминистическую, доступную экспериментальной проверке вселенную. Эйнштейн вообще считал, что квантовая механика — вследствие ее статистической природы, — по меньшей мере, не полна.
Редуцирование волновой функции
Ну хорошо, мы наблюдаем элементарные частицы и волны как либо одно, либо другое, но что именно определяет характер их проявления в том или ином качестве? Почему в понедельник свет, проходящий через две прорези, интерферирует, как положено волне, а во вторник, когда мы решаем засечь фотоны, пролетающие через одну из прорезей, переключается на поведение корпускулярное? Согласно Бору и сторонникам «копенгагенской интерпретации», свет существует одновременно в обоих состояниях — и как волна, и как частица. Но в процессе измерения притворяется либо тем, либо другим. Решая, как будет проводиться измерение, мы сами загодя выбираем то, что увидим.
Принято говорить, что в момент принятия решения, фиксирующего поведение того, что мы будем наблюдать — частицу или волну, — происходит редуцирование, или коллапс, волновой функции. Все содержащиеся в шредингеровском описании волновой функции вероятности конечного результата измерения отсекаются, остается лишь тот результат, какой мы пожелали увидеть. То есть, согласно Бору, исходная волновая функция луча света содержит в себе все возможности, все обличия — волновые и корпускулярные. Но когда мы измеряем этот луч, он предстает в одном из них — и не потому, что переходит от одной своей сущности к другой, но лишь потому, что обладает ими обеими одновременно. Квантовые яблоки и апельсины суть не то и не другое, а просто-напросто гибрид одного с другим.
«Всякий, кого не шокирует квантовая теория, ничего в ней не понял» Нильс Бор, 1885-1962
Интуитивное понимание квантовой механики и сейчас дается физикам не без труда, поэтому со времен Бора были предложены новые способы ее толкования. Бор говорил, что для понимания квантового мира мы должны вернуться к школьной доске, отказаться от использования концепций, знакомых нам по обыденной жизни. Квантовый мир есть нечто иное, странное и непривычное, — и с этим необходимо смириться.
Нильс Бор, 1885-1962
Нильс Бор пережил две мировые войны и успел поработать с некоторыми из лучших физиков своего времени. Молодой Нильс изучал физику в Копенгагенском университете, где студентом, в лаборатории физиологии, которую возглавлял его отец, ставил физические эксперименты, отмеченные наградами. Защитив докторскую диссертацию, он перебрался в Англию, но не поладил с Дж. Дж. Томсоном. Поработав в Манчестере у Эрнеста Резерфорда, Бор возвратился в Копенгаген и завершил там работу по описанию «атома Бора» (модели, которая и поныне составляет основу представлений большинства людей об атоме). В 1922 году, еще до настоящего возникновения квантовой механики, он получил Нобелевскую премию. В 1930-х ученые, бежавшие из гитлеровской Германии, находили пристанище в Институте теоретической физики Бора, который селил их в доме, пожертвованном датской пивоваренной компанией «Карлсберг». Когда же в 1940-м нацисты оккупировали Данию, Бор бежал из страны на рыбачьем суденышке в Швецию, а затем в Англию.