Глава 2
ЦАРСТВО ХАОСА
2.1 Чуть-чуть истории квантовой механики
Годом рождения науки, изучающей мир самых маленьких частиц, можно считать 1900-й. Именно в то время немецкий физик Макс Планк открыл формулу для излучения абсолютно чёрного тела. Любой предмет “выстреливает” энергию порциями, или квантами. Это знание дало начало одному из самых сложных разделов физики – квантовой механике.
Следующий шаг сделал Альберт Эйнштейн. В 1905-м году он открыл, что свет не только излучается, но и переносится, а также поглощается квантами. То есть свет представляет собой поток частиц – фотонов.
На самом деле, открытия Планка и Эйнштейна можно назвать “повторными”. Идею о том, что свет состоит из фотонов, предложил ещё Ньютон. И долго эта гипотеза считалась истиной, пока не была обнаружена и доказана волновая природа света. И учёные поменяли своё мнение на противоположное. Затем Планк и Эйнштейн снова открыли, что свет состоит из частиц. Другой физик, Комптон, подтвердил это экспериментально.
Идея о двойственной природе света никак не укладывалась в головах учёных. Как это свет может быть и волной, и потоком частиц одновременно? С одной стороны, фотон нельзя разделить на части. С другой, эта элементарная частица запросто проходит сразу через два отверстия.
Революционный шаг сделал и Луи де Бройль, предположив, что не только фотоны обладают одновременно свойствами частиц и волн. Вообще все частицы микромира имеют дуальную природу! Позже эта гипотеза подтвердилась в эксперименте по дифракции электронов.
Ещё одно открытие кардинально изменило представление учёных о строении вещества и стало одним из важнейших шагов в развитии квантовой механики. Это проведённый Резерфордом эксперимент, в котором на тонкой золотой фольге рассеивались альфа-частицы. Знаменитый опыт стал ключевым в разгадке тайны атома. Стало ясно, что любой элемент состоит из очень маленького компактного ядра, в котором сосредоточена практически вся масса, и большого (по сравнению с размером ядра) электронного облака. Если бы ядро имело размер горошка, то атом был бы размером с футбольное поле!
Нильс Бор, в свою очередь, объяснил, почему атом стабильный и почему электроны не падают на ядро. А Эрвин Шрёдингер написал своё знаменитое волновое уравнение, которое описывает вероятностное движение объектов микромира. Да, именно вероятностное. Точно описать движение частицы невозможно. Можно говорить только о вероятности её нахождения в том или ином месте пространства.
И, наконец, в 1927 году Вернер Гейзенберг сформулировал соотношения неопределённостей, которые фундаментально ограничивают возможность одновременного измерения местоположения частицы и её импульса, а также возможность одновременного измерения энергии частицы и промежутка времени, в течение которого это измерение проводилось. Чем точнее мы определяем одну величину, тем менее точно – другую.
На базе всех этих открытий создавалась и развивалась квантовая механика – сложная наука, описывающая “странное” поведение самых маленьких частиц. Но эта наука не объясняет, почему же эти частицы ведут себя странно, почему субатомный мир пронизан неопределённостью.
Поэтому мы, вооружившись новыми знаниями о пространстве и Хаосе, дерзнём сделать ещё один шаг. Мы попытаемся понять причину странности элементарных частиц. И даже попытаемся “увидеть” их непредсказуемый мир. Начнём с обычного атома.