В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Бардин уже получил известность в 1948 году за свою работу с Уильямом Шокли и Уолтером Браттейном над изобретением, принесшим всем троим Нобелевскую премию 1956 года. Этим маленьким изобретением был транзистор, и Бардин стал первым человеком, получившим Нобелевскую премию по физике дважды.

11

:':о ::

\ ш

t

Сверхпроводник

Рис. 7.2. На джозефсоновском контакте (когда два сверхпроводника разделены слоем диэлектрика) наблюдаются странные явления. При некоторых условиях электроны способны туннелировать через барьер.

Когда два сверхпроводника разделены слоем диэлектрика, можно ожидать отсутствия протекания тока, однако стоит вспомнить, что электрон подчиняется тем же квантовым правилам, которые позволяют частицам туннелировать из ядра. Если барьер достаточно тонок, то велика вероятность, что электронные пары смогут преодолеть его, однако это не согласуется со здравым смыслом. Через подобные контакты (называемые джозефсоновскими контактами) не протекает ток, если на контакте существует потенциальный барьер, но ток

идет , если разница потенциалов равна нулю. Двойной джозефсоновский контакт, образованный двумя сверхпроводниками, изогнутыми в форме камертонов и соединенными парными концами, между которыми помещен диэлектрик, может демонстрировать квантово-механическое поведение электрона по подобию эксперимента с двумя прорезями. Мы углубимся в эту тему в следующей главе и убедимся, что это краеугольный камень самых странных свойств квантового мира.

Рис. 7.3. Два джозефсоновских контакта могут быть объединены в систему, аналогичную используемой в эксперименте со светом, проходящим через две прорези. В такой системе может наблюдаться интерференция между электронами - одно из многих указаний на волновую природу этих «частиц».

Сверхпроводник

Объединяться, создавая псевдобозоны, нарушающие при низких температурах обычные законы физики, могут не только электроны. Атомы гелия проделывают схожий трюк, который лежит в основе свойства жидкого гелия, называемого сверхтекучестью. Когда вы размешиваете кофе, а затем останавливаетесь, кружение жидкости постепенно замедляется и в итоге прекращается из-за сил трения и вязкости в жидкости. Если попробовать сделать то же самое с гелием, охлажденным до 2,17 градуса Кельвина, вращение не прекратится никогда. Даже если оставить сверхтекучий гелий сам по себе, он может выползти из сосуда через край, и, вместо того чтобы с трудом течь по узкой трубке, сверхтекучий гелий течет тем легче, чем уже трубка, в которую он заключен. Это странное поведение может быть объяснено статистикой Бозе - Эйнштейна, и хотя опять же необходимость столь сильного охлаждения не дает возможности найти практическое применение этому явлению, поведение атомов при столь низких температурах, как и поведение электронов при сверхпроводимости, дает возможность увидеть квантовый мир в действии. Если поместить немного сверхтекучего гелия в крошечное ведерко диаметром около 2 мм и начать раскручивать его, то первое время гелий останется в покое. По мере увеличения скорости вращения ведерка при некотором критическом угловом моменте весь гелий начнет вращаться, перейдя из одного квантового состояния в другое. Квантовые законы запрещают существование промежуточного состояния, соответствующего промежуточному значению углового момента, и можно наблюдать, как все атомы гелия, которые содержатся в видимом объеме (гораздо большем, чем атом или частицы квантового мира), ведут себя в соответствии с квантовыми законами. Как мы увидим позже, сверхпроводимость может применяться и к объектам человеческого, а не только атомного масштаба. Однако квантовая теория не ограничивается миром физики или даже физических наук. Стоит вспомнить, что вся химия сегодня понимается в терминах основных квантовых законов. Химия - это наука о молекулах, а не об индивидуальных атомах или субатомных частицах, и есть молекулы, которые крайне важны для нас, - молекулы жизни, в том числе ДНК. Наше современное понимание жизни само по себе неразрывно связано с квантовой теорией.

Сама жизнь