Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Книга Пономарева [22] – настоящая энциклопедия полезных сведений об истории квантовой механики, а также о ее приложениях к описанию конкретных систем. Кроме этого, мне кажутся ценными и мысли автора о науке, продвигающейся вперед в условиях потери наглядности. Я дорожу экземпляром четвертого, дополненного издания этой книги, подаренным мне автором. (Неоспоримых достоинств книги не умаляют спорадические неточности в отношении персоналий.) Взгляд на квантовые свойства, представленный на этой и следующей прогулках, как мне кажется, имеет лишь небольшое пересечение с (значительно более полным и разнообразным) изложением Пономарева. Его книгу можно читать и выборочно, например интересуясь только историей и биографическими подробностями, которым он уделяет немалое внимание. Я же, наоборот, не смог упомянуть множество ученых; среди очевидных поводов для сожаления – Джордж (Георгий Антонович) Гамов. Он первым всерьез занялся вопросом о том, что происходило с материей, когда Вселенная начала расширяться по Фридману; он же понял, что альфа-распад атомных ядер управляется туннельным эффектом и что тот же эффект работает в звездах. Это далеко не все, но я вынужден остановиться. Роль квантовых эффектов в эволюции Вселенной затрагивается также в книге [36].

Изображение Солнца, приведенное на рис. 10.4, сделано NASA's Solar Dynamics Observatory https://sdo.gsfc.nasa.gov/. Некоторые подробности, включая исторические, по поводу эффекта Казимира собраны в [67], а его собственные воспоминания включены в [53]. Детали истории открытия спина частично взяты из работы [60]. Воспоминания Гаудсмита [75] – перевод с голландского (в моем переводе с английского) его устного выступления на торжественном собрании Голландского физического общества в 1971 г. Там много других восхитительных подробностей, для которых, увы, здесь совсем не осталось места. Эренфест – член-корреспондент Академии наук СССР с 1924 г. Его жена, урожденная Афанасьева, преподавала математику на Высших женских курсах в Санкт-Петербурге. Осенью 1907 г. пара переехала в Санкт-Петербург, где они прожили пять лет; в 1912-м по приглашению Лоренца Эренфест получил работу в Лейдене.

…несомненно, что Россия могла бы стать моей родиной в самом глубоком значении этого слова, если бы я получил здесь постоянную преподавательскую работу где бы то ни было. Несмотря на мое недостаточное владение языком, я не ощущаю себя чужим в кругу здешних людей (исключая политических чиновников).

Из письма Эренфеста Лоренцу, 1912 г.

И я говорю «Гайзенберг», а не «Гейзенберг» или «Хайзенберг», следуя старой физической традиции.

Движение на прогулке 10

Движение постоянно присутствует в квантовом «околоатомном» и субатомном мире, поскольку части этого мира обмениваются энергией и количеством движения. Но происходящее там лишено наглядности, на которой основаны наши обычные представления о движении. Визуальной картины нет: нельзя говорить о траектории в пространстве, нельзя определить ось вращения. Законы этого непредставимого движения в ряде случаев оказываются необычайно жесткими: движение, «пойманное» в пределах ограниченной области в пространстве, оказывается возможным только при дискретных значениях энергии. Из-за этого простым составным системам доступны лишь дискретные возможности их устройства; сборка атомов и молекул из заданного числа деталей оказывается возможной в единственном или почти единственном варианте. В результате мир на фундаментальном уровне построен не из плавно переходящих друг в друга неконтролируемых образований, а из ограниченного числа одинаковых частей с дискретно меняющимися свойствами. При этом наименьшее возможное значение энергии определяет основное состояние связанных систем, из которого нельзя забрать энергию движения, не разрушив систему. Покой невозможен даже в колебательных системах – там нельзя полностью выключить колебания.

В состояниях с определенной энергией объекты не имеют свойства занимать определенное положение в пространстве в определенный момент времени. Отсутствие локализации в ряде случаев приводит к туннелированию сквозь стены – преодолению областей, движение в которых запрещено в соответствии с классическими представлениями. Квантовое преодоление таких запретов происходит случайным образом, и лучшее возможное описание этих процессов – вероятностное.