Книга Вселенная. Курс выживания среди черных дыр, временных парадоксов, квантовой неопределенности - Джефф Бломквист

7. Вселенная на булавочной головке (и почему мы не проваливаемся сквозь землю)

То, что мы не проваливаемся сквозь землю, само по себе несколько удивительно. Объяснять это тем, что земля твердая, не особенно эффективно, во многом благодаря открытию Резерфорда, что атомы – это почти полностью пустое пространство. Ситуация удивляет еще больше, потому что, насколько мы знаем, фундаментальные частицы природы размером не обладают вовсе. Иметь дело с частицами, «не имеющими размера», явно проблематично и, вероятно, даже невозможно. Но ничто из сказанного в предыдущих главах не предполагает и не требует от частиц физической протяженности. Понимание их как действительно точечных объектов необязательно неверно, даже если бросает вызов здравому смыслу – если у читателя остался хоть какой-то здравый смысл на этой стадии книги о квантовой теории. Конечно, весьма возможно, что будущие эксперименты, например на Большом адронном коллайдере, покажут, что электроны и кварки вовсе не истинно элементарные частицы, но нынешние эксперименты этого не подтверждают, поэтому в фундаментальных уравнениях физики частиц нет места для их «размера». Нельзя сказать, что с точечными частицами не возникает проблем – идея конечного заряда, зажатого в бесконечно малый объем, довольно трудна для понимания, – но все же удается каким-то образом обойти теоретические трудности. Похоже, что развитие квантовой теории гравитации – основная проблема фундаментальной физики – намекает на конечный размер, но свидетельств пока попросту недостаточно, чтобы физики отказались от столь полюбившейся идеи элементарных частиц. Подчеркнем еще раз: точечные частицы не имеют размера, поэтому вопрос «Что случится, если я расщеплю электрон надвое?» не имеет никакого смысла – половинки электрона не бывает.

Приятный бонус работы с элементарными фрагментами материи, не имеющими никакого размера, состоит в том, что мы без проблем можем представить, что вся видимая Вселенная когда-то была сжата в объект размером с грейпфрут или даже с булавочную головку. Как бы ни шла кругом голова от таких мыслей – трудно вообразить, как до размеров горошины сжимается гора, не говоря уже о звезде, галактике и тем более 350 миллиардах больших галактик в обозримой Вселенной, – нет никаких причин объявлять такое сжатие невозможным. И действительно, современные теории происхождения Вселенной непосредственно оперируют свойствами, которые она имела в подобном астрономически плотном состоянии. Такие теории на первый взгляд кажутся нелепыми, но имеют ряд подтверждающих свидетельств. В последней главе нам встретятся объекты с плотностью если не как у «Вселенной в булавочной головке», то точно как у «горы в горошине»: белые карлики – объекты с массой звезды и объемом Земли – и нейтронные звезды, имеющие схожую массу и сжатые в идеальные шары размером с крупный город. И это не объекты из научной фантастики; астрономы наблюдают их и проводят точнейшие измерения, а квантовая теория позволяет вычислить их свойства и сравнить с данными наблюдений. Первый шаг на пути к пониманию белых карликов и нейтронных звезд состоит в том, чтобы обратиться к гораздо более прозаичному вопросу, с которого мы и начали эту главу: если Земля – по большей части пустое пространство, то почему мы сквозь нее не проваливаемся?

У этого вопроса длительная и почтенная история, и ответ на него не был сформулирован удивительно долго: он появился лишь в 1967 году в статье Фримена Дайсона и Эндрю Ленарда. Они принялись за дело, потому что некий физик пообещал бутылку винтажного шампанского тому, кто сможет доказать, что материя не может сжаться сама по себе. Дайсон говорил, что доказательство было исключительно сложным и туманным, но они показали, что материя способна быть стабильной, только если электроны будут подчиняться так называемому принципу Паули – одному из самых удивительных явлений в нашей квантовой Вселенной.

Начнем с цифр. В прошлой главе мы видели, что структуру простейшего атома водорода можно понять, найдя разрешенные квантовые волны, которые помещаются внутри потенциальной ямы протона. Это позволило разобраться, по крайней мере, с количественной точки зрения, почему атомы водорода испускают свет именно в таком диапазоне. Будь у нас время, мы могли бы вычислить и энергетические уровни в атоме водорода. Любой студент-физик в какой-то момент обучения проводит эти вычисления, и они прекрасно сходятся с экспериментальными данными. Кстати, о предыдущей главе: упрощение «частица в ящике» было довольно удачным, поскольку содержало все критические моменты, которые мы хотели подчеркнуть. Однако теперь нам понадобятся еще более точные вычисления, учитывающие, что реальный атом водорода существует в трех измерениях. Для нашей частицы в ящике мы рассматривали только одно измерение и получили серию энергетических уровней, помеченных числом n. Низший энергетический уровень был назван n = 1, следующий – n = 2 и т. д. Когда расчеты распространяются на случай для трех измерений, оказывается (что, впрочем, не должно удивлять), что для характеристики всех разрешенных энергетических уровней необходимы три числа. Традиционно они помечаются как n, l и m и называются квантовыми числами (в этой главе не следует путать m с массой частицы).

Квантовое число n – это эквивалент числа n для частицы в ящике. Оно принимает целые значения (n = 1, 2, 3 и т. д.), а энергия частицы стремится к увеличению с увеличением n. Возможные значения l и m оказываются связаны с n; l должно быть меньше n и может равняться нулю, например, если n = 3, то l может быть 0, 1 или 2; m может принимать любое значение от минус l до плюс l с целочисленными шагами. Так, если l = 2, то m может равняться −2, −1, 0, +1 или +2. Мы не собираемся объяснять, откуда берутся все эти числа, потому что к нашему пониманию предмета это ничего не добавит. Достаточно сказать, что четыре волны на рис. 6.9 имеют (n, l) = (1,0), (2,0), (2,1) и (3,0) соответственно (для всех этих волн m = 0)[31].

Как мы уже говорили, квантовое число n здесь главное: оно контролирует разрешенные значения энергии для электрона. В небольшой степени разрешенные значения энергии зависят и от значения l, но проявляется это только при очень точных измерениях испускаемого света. Бор не принимал его во внимание, впервые вычисляя энергию спектральных линий водорода, и его исходная формула выражалась исключительно через n. От m энергия электрона совершенно не зависит, пока атом водорода не помещен в магнитное поле (собственно, m и называется магнитным квантовым числом), но это не значит, что m не важно. Чтобы понять это, вернемся к нашим числам.

Если n = 1, сколько существует возможно разных энергетических уровней? Применив сформулированные выше правила, узнаем, что l и m могут в случае n = 1 равняться только нулю, так что энергетический уровень будет лишь 1.