Великая держава
Как теория микрокосма изменила наш мир.
Все началось с трех проблем:
- В 1900 году Макс Планк не мог объяснить, почему так называемые черные тела не излучают энергию ни в каком количестве, а только в виде «энергетических пакетов» определенного размера.
- В 1905 году Альберту Эйнштейну пришлось интерпретировать, что свет является «одновременно» волной и частицей.
- Эрнест Резерфорд открыл в сенсационном эксперименте в 1912 году, что атом состоит из ядра протонов, вокруг которого вращаются электроны; но это невозможно по законам классической физики.
С этими тремя феноменами в своем багаже физики отправились в одно из самых захватывающих интеллектуальных путешествий в истории человечества в первой трети 20-го века. С безопасных берегов классической физики они отправились пересекать неизведанный океан новыми путями, подобно мореплавателям 15-го и 16-го веков, и исследовать то, что лежит по ту сторону.
В начале 20 века физики обнаружили, что законы классической физики не всегда и не везде применимы.
Их опыты все яснее показывали им, что некоторые фундаментальные свойства мира атомов не могут быть классифицированы ни в наших обыденных представлениях, ни в проверенной системе терминологии западной философии:
-
Суперпозиция:
Квантовые объекты могут находиться в суперпозиции различных, классически исключительных состояний. Например, они могут одновременно двигаться по разным путям, т.е. находиться в разных местах одновременно.
-
Случайное поведение:
Измеряемые свойства квантовой системы больше не определяются четко в их поведении во времени. Например, учитывая возможность одновременного пребывания здесь и где-то еще, его наблюдаемое поведение может быть описано только в терминах вероятностей.
-
Зависимость квантового состояния от измерения:
В микромире измерения оказывают непосредственное влияние на измеряемый объект. Это еще более странно: только измерение приписывает квантовой частице определенное состояние. В основном это означает: квантовые частицы не обладают какими-либо независимыми и объективными свойствами. Они приобретают каждое свойство только через акт наблюдения.
-
Запутанность:
Квантовые частицы могут быть связаны друг с другом нелокально. Даже когда они находятся далеко друг от друга в пространстве, они могут принадлежать к общему физическому объекту (то, что физики называют единой «волновой функцией»), так что они связаны как по волшебству.
Каждое из этих свойств микромира нарушает один из четырех основных традиционных философских принципов:
- «принцип однозначности», согласно которому вещи находятся в ясном состоянии (стул стоит перед окном, а не рядом с дверью);
- «принцип причинности», который требует, чтобы каждое следствие имело причину (если стул падает, на него должна действовать сила);
- "принцип объективности" (в связи с этим: "принцип реальности"), согласно которому вещи имеют объективное существование, не зависящее от нашего субъективного восприятия (когда мы выходим из комнаты, стул остается ровно где он находится и остается там, когда мы перестаем на него смотреть); и
- «принцип независимости», согласно которому вещи ведут себя индивидуально и независимо друг от друга (на стул не влияет тот факт, что в соседней комнате есть другой стул).
Более 2500 лет философы занимались экзистенциальными вопросами человечества. Демокрит спрашивал себя, можно ли бесконечно делить материю, и пришел к выводу, что должны существовать неделимые мельчайшие частицы - атомы. Парменид искал высшую и неизменную субстанцию. Аристотеля и Платона интересовали отношения между наблюдателем и наблюдаемым. За ним последовали сотни поколений философов, неустанно искавших ясность и связность описания мира. В начале 20-го века стало очевидным, что многие из философских принципов, открытых в результате тщательных и неустанных размышлений, применимы только к части мира.
Некоторые свойства атомов и их компонентов противоречат нашему повседневному миру опыта. Там, где законы классической физики перестают действовать, философские принципы также теряют свою силу.
Квантовые физики - от магов до инженеров
Если явления и свойства микромира поначалу казались физикам волшебством, то со временем они научились использовать математические средства и приемы, чтобы вычислить этот волшебный мир все точнее и, наконец, приручить. Их интеллектуальный взлет привел физиков к теории, объясняющей странные явления, наблюдаемые в микромире, хотя и с совершенно новыми принципами и терминами: «квантовой теории». На этой теоретической основе физики превратились из магов обратно в ученых, а позже и в инженеров. Потому что новая теория сделала возможными многочисленные технологии, столь же удивительные, сколь и грандиозные. Первая из них возникла, когда физики применили свои модели квантовой физики к атомному ядру. Потому что именно тогда они поняли: здесь огромное количество энергии.
В годы, когда мир вокруг них погрузился в политический хаос в результате двух мировых войн и целые города стали жертвами бомбардировок враждующих сторон, физикам пришлось справляться с крахом их традиционных построений мысли. А затем они разработали технологию из своей причудливой новой теории, которая способна одним махом уничтожить не только отдельные улицы, но и целые города и районы. Пока физики еще спорили о странных и гротескных свойствах микромира за пределами общественного восприятия, квантовая физика впервые вышла на мировую общественную арену, причем с очень реальным и громким хлопком.
Первое техническое применение квантовой физики было самым страшным оружием, когда-либо применявшимся в военных целях: атомной бомбой.
Как появилось это ужасное оружие? Со времен опыта Резерфорда в 1912 г. было известно, что атомное ядро состоит из положительно заряженных элементарных частиц (протонов). Но как учат в школе, как заряженные частицы отталкиваются друг от друга. Как же тогда атомные ядра могут быть стабильными? Многие протоны в атомном ядре должны разлететься! Другая сила в атомном ядре должна была быть намного сильнее (притягивающей), чем электрическая сила на очень коротких расстояниях в атомном ядре. Но физики понятия не имели, что это за сила. Еще одна квантовая головоломка!
В 1938 году немецкие исследователи Отто Ган и Лиза Мейтнер провели эксперименты с ядрами урана, чтобы исследовать неизвестные силы в ядре. Они бомбардировали уран его 92 протонами и - в зависимости от изотопа - 143 или 146 нейтронами, «боеприпасы» представляли собой замедленные нейтроны. Оказалось, что в результате бомбардировки образовались два совершенно разных элемента: барий и криптон. Атомы бария, которые можно быстро обнаружить радиохимически, имеют атомный номер 56 и, следовательно, меньше половины размера ядер урана. Как это было возможно? С помощью теоретических расчетов квантовой физики Мейтнер пришла к выводу, что ядро урана было разрушено нейтронной бомбардировкой. При этом осколки поглощают огромное количество энергии, гораздо больше, чем производилось в любом ранее известном атомном процессе. Но откуда взялась эта энергия? Это была еще одна загадка. Мейтнер также подсчитала, что два ядра, образовавшиеся в результате деления (плюс три высвобождающихся нейтрона), вместе взятые были немного легче исходного ядра урана плюс нейтрон, вызвавший деление. Что случилось с недостающей массой?
В этот момент в игру вступила знаменитая формула Эйнштейна E=mc2, которую он вывел более 30 лет назад: поскольку разница в массах до и после деление точно соответствовало энергии, поглощенной осколками. Это был первый случай, когда стал известен процесс, в котором прямо обнаружилась эквивалентность энергии и массы, сформулированная Эйнштейном. Вместе с тем, однако, стало ясно и то, что внутри атома дремлют невообразимые энергии!
Много энергии на маленьком пространстве - это быстро привлекло внимание военных во время войны. Начиная с 1941 года, американское правительство в условиях строжайшей секретности (не было поставлено в известность даже вице-президента) собирало группу высокопоставленных ученых и техников. Цель «Манхэттенского проекта», самого сложного и сложного технического проекта в истории на тот момент: создание атомной бомбы. Ученые добились успеха. 16 июля 1945 года на полигоне в пустыне Нью-Мексико взорвалась первая в мире атомная бомба. Его сила даже превзошла оптимистичные ожидания физиков. Но когда на горизонте замаячило могучее грибовидное облако, ее охватило чувство глубочайшего беспокойства. В тот момент, как позже сообщал глава Манхэттенского проекта Роберт Оппенгеймер, он цитировал Бхагавад-гиту, центральное писание индуизма: «Теперь я стал смертью, разрушителем миров. Один из его коллег, руководитель эксперимента Кеннет Бейнбридж, выразился более образно: «Теперь мы все сукины дети». небо военного противника Японии И только через два дня последовала третья. Не прошло и семи лет от научного открытия способности ядра урана к грибовидным облакам Хиросимы и Нагасаки.
С атомной бомбой квантовая физика потеряла свою невинность в самом начале своего существования. Физикам пришлось признать, что их жажда знаний может разрушить не только господствующее мировоззрение, но и сам мир.