В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Кроме того, существуют жидкостные лазеры, лазеры на флуоресцентных красителях, газовые лазеры и так далее. Все они обладают одинаковыми основными свойствами: внутрь входит некогерентная энергия, а наружу выходит когерентный свет, который переносит много энергии. Некоторые лазеры, например газовые, дают непрерывный чистый пучок света, который представляет собой идеальную «линейку» для измерений и нашел широкое применение на рок-концертах и в рекламе. Другие выпускают краткие, но мощные импульсы энергии, которыми можно просверливать отверстия в твердых предметах (и которые нашли применение в военных целях). Лазерные резцы используются в разных отраслях: от швейной промышленности до микрохирургии. Лазерные пучки более эффективны при передаче информации, чем радиоволны, ведь чем выше частота излучения, тем больше информации можно передать посредством него за одну секунду. Штрихкоды на продуктах в супермаркете (и на обложке этой книги) считываются лазерным сканером; видео- и аудиодиски, появившиеся на рынке в начале 1980-х, считываются лазером; настоящие трехмерные фотографии, или голограммы, делаются при помощи лазеров и так далее.

Список этот практически бесконечен, даже если не включать в него использование мазеров в качестве усилителей слабых сигналов (например, с телекоммуникационных спутников), радаров и других подобных приборов; и все это берет свое начало даже не в истинной квантовой теории, а в первой версии квантовой физики. Когда вы покупаете пачку кукурузных хлопьев и кассир считывает с нее штрихкод лазерным сканером, когда вы посещаете рок-концерт с огромными цветными дисплеями, или смотрите концерт по телевидению через спутник, находящийся на другом конце мира, или проигрываете концерт той же самой группы на новейшей видеосистеме, или восхищаетесь магией голографического воспроизведения, все это происходит благодаря Альберту Эйнштейну и Нильсу Бору, которые более девяноста лет назад вывели принципы вынужденного излучения.

Могучее микро

Самое серьезное влияние квантовой механики на повседневную жизнь, без сомнения, относится к области физики твердого тела. Сама по себе фраза «твердое тело» лишена романтики; услышав ее, вы вряд ли проведете в уме связь с квантовой теорией. Да, это то самое направление физики, которое подарило нам транзисторное радио, Sony

Walkman,

электронные часы, карманные калькуляторы, микрокомпьютеры и программируемые стиральные машины. Пренебрежение физикой твердого тела связано не с тем, что она представляет собой запутанную ветвь науки, а с тем, что она настолько привычна нам, что мы воспринимаем ее как должное. И снова нужно заметить, что ни один из этих приборов не появился бы, если бы в дело не вступила квантовая кулинария.

Все устройства, перечисленные в предыдущем абзаце, основаны на свойствах полупроводников, которые являются твердыми телами и, что логично, обладают характеристиками, представляющими собой нечто среднее между свойствами проводников и диэлектриков. Не вдаваясь в детали, можно сказать, что диэлектрики - это вещества, которые не проводят электричество и не проводят его потому, что электроны в их атомах крепко присоединены к ядрам в соответствии с законами квантовой механики. В проводниках, например металлах, каждый атом имеет некоторое число электронов, которые слабо связаны с ядром и находятся в энергетических состояниях, расположенных близко к верхней границе атомной потенциальной ямы. Когда атомы группируются вместе в твердом веществе, верхняя граница одной энергетической ямы сливается с ямой, принадлежащей следующему атому, и электроны на высоких уровнях могут свободно перемещаться от одного атомного ядра к другому, не оставаясь более присоединенными только к одному ядру, и переносить электрический ток в металле.

В целом свойство проводимости основывается на статистике Ферми - Дирака, которая запрещает этим слабо присоединенным электронам падать глубоко в атомные потенциальные ямы, где все энергетические уровни для крепко присоединенных электронов являются полностью занятыми. Если попробовать сжать металл, он сопротивляется давлению; металлы твердые. Причина, по которой металлы так тверды и так сопротивляются давлению, кроется в том, что в соответствии с принципом исключения Паули для фермионов электроны не могут быть сжаты теснее.

Энергетические уровни электронов в твердом теле рассчитываются при помощи квантово-механических волновых уравнений. Электроны, которые крепко присоединены к ядру, считаются находящимися в валентной зоне твердого тела, а электроны, которые свободно перемещаются от ядра к ядру, считаются находящимися в зоне проводимости. В диэлектрике все электроны находятся в валентной зоне, а в проводнике некоторые из них