Читать «Принцип эксперимента. 12 главных открытий физики элементарных частиц» онлайн

и разуме, возникает в результате этих мелкомасштабных взаимодействий. Это открывает совершенно новый взгляд на наших собратьев-людей.

Если это путает ваше чувство реальности, вы не одиноки. Вы испытываете то, что испытывали Милликен, Кандинский, Планк, Резерфорд, Бор и даже Эйнштейн, пытаясь это принять. Мы не осознаем корпускулярно-волновую природу материи, потому что мы не способны взаимодействовать с материей так, чтобы замечать это в повседневной жизни. Мы видим мир в человеческом масштабе, а не в квантовом. Мы не видим волнообразных свойств повседневных предметов, потому что длины волн настолько малы, что мы не можем их измерить. Длина волны де Бройля обратно пропорциональна импульсу объекта – его массе, умноженной на его скорость, – поэтому, как только что-то имеет массу и энергию крикетного мяча, брошенного со скоростью 160 км/ч, его длина волны уменьшается всего до одной миллиардной миллиардной миллиардной доли микрометра (которую мы можем записать как десятичный знак, за которым следуют 33 нуля и затем единица, в научном обозначении – 1 × 10–34 м). Когда мы переходим к масштабу людей, длины волн становятся еще меньше: объект – например, Усэйн Болт, бегущий дистанцию 100 метров, – имеет длину волны в 200 раз меньше длины волны мяча для крикета, примерно 5 × 10–37 м[84]. Эти длины волн слишком малы, чтобы мы могли заметить волноподобное поведение, поэтому нам остается только использовать классическую физику, чтобы приблизительно оценить их движение, и это сойдет нам с рук. Но мы не можем этого сделать, когда переходим к таким объектам как атомы и частицы, и в этом масштабе все эксперименты, проведенные с момента открытия квантов, говорят нам, что квантовая механика права.

Но видели ли мы когда-нибудь волновую природу частиц? Безусловно, да. В 1925 году, вскоре после работы де Бройля, американские физики Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер из компании Western Electric (позже – Bell Labs) провели первый эксперимент по бомбардировке электронами (длина волны которых составляла примерно нанометр) кристаллической структуры никеля в металле и продемонстрировали, что электроны образуют интерференционные картины совсем как световые волны. Молекула диаметром всего в нанометр имеет длину волны де Бройля менее 1 пикометра (тысячная доля нанометра), и с ними тоже наблюдалась интерференция. Среди физиков существует что-то вроде соревнования за самый большой объект, который продемонстрирует интерференцию в эксперименте с двумя щелями. Нынешняя рекордсменка – Сандра Эйбенбергер, которая провела мастерский эксперимент во время своей докторской диссертации в 2013 году в Вене и наблюдала интерференцию у гигантских молекул, содержащих 800 атомов, которые содержат более 10 000 отдельных субатомных частиц[85]. В этом масштабе длина волны молекулы составляет около 500 фемтометров, что примерно в 10 000 раз меньше, чем сама молекула. Возможно ли создать интерференционные картины с живыми биологическими объектами, такими как вирусы или бактерии, что станет совсем новым полем для дискуссии о том, разрушит ли сознание волновую природу эксперимента или живые организмы также могут находиться в двух местах одновременно, когда они проходят через экран с двумя прорезями. Предполагается, что на осуществление такого эксперимента потребуется около 10 лет.

Один из ключевых моментов корпускулярно-волнового дуализма, который иногда ставит в тупик даже физиков, звучит так: проявляет ли отдельный электрон интерференцию – точно так же, как одиночные фотоны в двухщелевом опыте? Конечно, да. К тому времени, когда эти эксперименты были проведены в 1970-х годах, все предполагали, что это уже было доказано. Итальянская команда во главе с Джулио Поцци в Болонье и японская команда во главе с Акирой Тономурой[86]в компании Hitachi (два эксперимента были независимыми) даже не опубликовали свои результаты в физическом журнале, выбрав вместо этого образовательный журнал[87]. Так как они уже признали, что частицы имеют волновую природу, они не думали, что вообще открывают что-то новое. Просто к 1970-м годам у команд было оборудование, позволившее им провести эксперимент, – устройство, в работе которого лежит принцип корпускулярно-волнового дуализма и которое оказалось более распространенным, чем большинство из нас думает: электронный микроскоп.

Электронные микроскопы были впервые изобретены в 1930х годах, но в настоящее время вы можете купить одно из этих устройств примерно за 2–3 млн долл. у высокотехнологичного поставщика. Насколько они распространены? По всему миру их десятки тысяч. Через кампус от моей физической лаборатории в Мельбурнском университете домом таких устройств служит биологический институт под названием Bio21.

В здании чисто, светло, оно наполнено разным оборудованием, а ученые в белых халатах заполняют каждую комнату, но лаборатория электронной микроскопии представляет собой разительный контраст со стеллажами с коническими колбами и пробирками, раковинами и вытяжными шкафами. Электронный микроскоп – это цилиндрическое металлическое устройство высотой в несколько метров, оснащенное электронными стойками, которое занимает специально отведенное помещение. Зеленый луч перемещается по флуоресцентному экрану через смотровое окошко. Один компьютер управляет устройством и позволяет пользователям видеть изображения так же, как в обычный оптический микроскоп.

Многих разных исследователей, использующих эти микроскопы, объединяет потребность видеть крошечные объекты и то, как они взаимодействуют, вплоть до атомного масштаба.

К сожалению, это выходит за рамки возможностей обычных оптических микроскопов, которые могут измерять объекты лишь в пределах своего разрешения, которое составляет 200 нанометров, что соответствует увеличению в 2000 раз. В случае биологических молекул и даже некоторых электронных компонентов обычный микроскоп дает нечеткое изображение, потому что может увидеть только то, что того же размера, что и длина волны используемого света, или больше.

Используя электронный микроскоп, исследователи пользуются тем фактом, что частицы также имеют длину волны – длину волны де Бройля, – и чем выше энергия электрона, тем меньше длина волны. Это позволяет электронным микроскопам работать на длинах волн до пикометров, позволяя видеть объекты с точностью до нанометра – миллиардной доли метра – или даже меньше. Способность видеть в таком масштабе привела к взрывному росту применения «нанотехнологий» с конца 1980-х годов, позволив ученым и инженерам изучать и создавать атом за атомом структуры и соединения, используемые во всех отраслях – от производства текстиля и продуктов питания до разработки лекарств.

Квантовая механика и корпускулярно-волновой дуализм важны не только для физиков, изучающих атомы, – они также прямо влияют на химию и биологию. Квантовая механика оказывает прямое влияние на то, как молекулы формируются, взаимодействуют и связываются: это мотивация для исследований в области квантовой химии. В биологии многие фундаментальные жизненные процессы носят квантово-механический характер. Новая область квантовой биологии только начинает то, что не смогла классическая физика, а разнообразие процессов, для объяснения которых требуется квантовая механика, изумляет: от фотосинтеза до того, как птицы ориентируются во